基于车前地形的主动悬挂惯性调控方法和控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于车前地形的主动悬挂惯性调控方法及其控制系统。依据扫描获得的车前地形，计算车辆以被动悬挂驶过车前地形的质心轨迹和姿态历程，对其进行平滑处理后，控制主动悬挂使车辆按平滑后的轨迹行驶。期间，调整平滑系数使各悬挂行程限制在极限行程之内，并依据动力学模型计算出的各主动悬挂的支撑力和行程，对悬挂的作动器进行基于力

【技术实现步骤摘要】
基于车前地形的主动悬挂惯性调控方法和控制系统


[0001]本专利技术涉及车辆悬挂领域，尤其是一种基于车前地形的主动悬挂控制方法和控制系统。

技术介绍

[0002]悬挂系统是车辆底盘的重要组成部分，其性能直接决定着车辆的行驶平顺性和操纵稳定性。传统的车辆大多采用被动悬挂，其悬挂参数根据特定路面条件进行设计，一经选定便难以改变，不能随路面状况、车速等发生变化，因此限制了汽车行驶性能的进一步提高。
[0003]主动悬挂是近十几年来发展起来的由电脑控制的一种悬挂方式，主动悬挂可以根据车载质量、路面状况(如颠簸振动情况)、运行工况(如车速、驱/制动、转向)等的变化，自动调整悬挂的刚度与阻尼或悬挂伸缩，以满足汽车行驶平顺性和操纵稳定性等方面的要求。
[0004]主动悬挂技术主要包含主动悬挂控制方法和系统两部分。主动悬挂系统包括提供能量的装置和可控制作用力或位移的附加装置。根据能源提供的方式不同又分为液压驱动、气压驱动和电驱动三种，液压驱动悬挂系统因功率密度较高，便于布置安装等优点目前应用较多，气压驱动悬挂系统因为驱动柔和、污染少等优势也得到了一定的应用。即使相同的主动悬挂系统由于采用不同的控制方法，也会产生不同的控制效果。目前的主动悬挂的控制方法主要包括：天棚阻尼控制、最优控制、预瞄控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、滑模控制、免疫进化控制等。根据文献记载，无论采用何种控制方法，车辆的性能均有不同程度的改善，但也存在一些问题没有得到较好地解决，特别是车辆的姿态调节和行驶平顺性控制是悬挂设计需考虑的两个重要方面，现有研究成果大多是根据不同的需要建立不同的数学模型，各自独立进行设计，并认为车辆的总体性能是二者性能之和；或者对数学模型进行分解，然后再组合起来进行控制。在建立数学模型时没有考虑把姿态控制和行驶平顺性控制同时进行设计，设计过程比较复杂且难以获得较好的控制效果。

技术实现思路

[0005]为了解决前述问题，我们提出了一种新的主动悬挂控制理论——悬挂惯性调控原理。它是基于仿生原理提出的，猎豹之所以能以120km/h的速度在凹凸不平的野外奔跑，主要是因为它可以根据前方地形调节各爪的支撑高度和支撑力，使质心沿一个平滑的曲线运动，且可以保持姿态的相对稳定。基于此原理，本专利技术提出的基于车前地形的主动悬挂惯性调控方法是，通过激光雷达扫描车前地形，根据车前地形的高程信息和行车参数自主控制各组悬挂的伸缩，使车辆在凹凸不平路面行驶时其质心沿一条相对比较平滑的曲线运动，且车体姿态尽可能地保持平稳变化，从而大幅度降低车辆行驶时车体的颠簸振动，提高车辆在不平路面行驶的速度、行驶平顺性和操纵稳定性。
[0006]为了实现上述控制目标，规划出比原被动悬挂车辆行驶时更加平滑的运动轨迹，
是本专利技术要解决的主要问题。实践证明，车辆轨迹的规划不应该是基于几何学的，因几何学所规划的轨迹一般不符合车辆运动学与动力学规律，即由几何学规划出来的车辆轨迹上的各时点的位姿，实际车辆不一定能够实现。所以合理的轨迹规划首先应该符合运动学与动力学规律，其次应该保证轨迹上的各点所对应的所有悬挂行程均应位于极限行程之内。
[0007]实际车辆以被动悬挂越过不平路面时，从起点驶向终点的轨迹是一种现实的存在，它无疑具有合理性，即车辆按照这样的轨迹运动不但符合运动学与动力学规律，而且从起点驶向终点各悬挂的行程也一定在其极限行程范围内。更重要的是，车辆以不同性能的悬挂驶过相同的路程时，其轨迹也会有所变化，且各悬挂的行程都在其极限行程范围内。即车辆从起点驶向终点其轨迹可有一定的变化范围，这就为本专利技术进行主动悬挂车辆的轨迹规划提供了理论依据。
[0008]本专利技术提出的车辆轨迹规划思路是，假设车辆可选择使用被动悬挂或主动悬挂，以被动悬挂驶过不平路面的车辆轨迹作为基础，对其进行平滑处理，使车辆以主动悬挂按平滑后的新轨迹行驶，其各时点悬挂的行程如果能控制在极限行程范围之内，那么这样的主动悬挂控制方法就可以使车辆的行驶平顺性和操控稳定性得到提高。在满足悬挂行程不超过极限行程的条件下，车辆轨迹越平滑，行驶平顺性和操控稳定性就会越好。
[0009]基于以上思路，本专利技术的第一方面是提供一种基于车前地形的主动悬挂惯性调控方法，其包括：
[0010]S1：计算车辆驶过车前地形的车轮接地点轨迹和各车轮接地点高程信息。
[0011]根据惯性测量单元、双天线GPS定位系统测得的车辆在大地坐标系下的位置坐标、激光雷达扫描得到的车前地形和各车轮转向角，由车辆运动学计算出车辆在车前地形上行驶时各个车轮接地点的轨迹T1、T2、
…
、T
m
，j＝1、2、
…
、m，m为车轮的个数。通过插值算法计算出各车轮接地点轨迹上各规划数据点的高程信息。
[0012]S2：计算车辆以被动悬挂驶过车前地形的质心轨迹与姿态历程。
[0013]S21：根据车速、转向角、各车轮驱/制动力和车轮在地面的滚动摩擦系数，由车辆的动力学模型计算出车辆以被动悬挂沿步骤S1中车轮接地点轨迹T1、T2、
…
、T
m
行驶时车辆坐标系的6维坐标历程{X
i
Y
i
Z
i
α
i
β
i
γ
i
}
T
。和车辆的质心轨迹和姿态历程{X
Wi
Y
Wi
Z
Wi
α
Wi
β
Wi
γ
Wi
}
T
，其中：X
Wi
、Y
Wi
、Z
Wi
、α
Wi
、β
Wi
、γ
Wi
分别为车辆质心处的三维坐标和三维姿态角，i＝0、1、2、
…
、n，n为规划数据点的个数。
[0014]S22：取平滑系数为ξ，对步骤S21中的被动悬挂车辆质心轨迹和姿态历程进行过起点的平滑处理，得到质心轨迹和姿态历程的平滑函数{X
W
(t
i
)、Y
W
(t
i
)、Z
W
(t
i
)、α
W
(t
i
)、β
W
(t
i
)、γ
W
(t
i
)}
T
。
[0015]S3：基于前述平滑处理后的质心轨迹与姿态历程，计算车辆以主动悬挂驶过车前地形的悬挂行程历程s
i,j
和悬挂支撑力历程W
ij
。
[0016]S31：将步骤S22中平滑后的车辆质心轨迹和姿态历程作为输入，计算车辆以主动悬挂驶过车前地形时各悬挂相对于被动悬挂的行程历程和速度历程其中j＝1、2、
…
、m，m为车轮数。
[0017]S32：在与步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于车前地形的主动悬挂惯性调控方法，其特征在于包括以下步骤；S1：计算车辆驶过车前地形的车轮接地点轨迹和各车轮接地点高程信息；根据惯性测量单元、双天线GPS定位系统测得的车辆在大地坐标系下的位置坐标、激光雷达扫描得到的车前地形和各车轮转向角，由车辆运动学计算出车辆在车前地形上行驶时各个车轮接地点的轨迹T1、T2、
…
、T
m
，j＝1、2、
…
、m，m为车轮的个数；通过插值算法计算出各车轮接地点轨迹上各规划数据点的高程信息；S2：计算车辆以被动悬挂驶过车前地形的质心轨迹与姿态历程；S21：根据车速、转向角、各车轮驱/制动力和车轮在地面的滚动摩擦系数，由车辆的动力学模型计算出车辆以被动悬挂沿步骤S1中车轮接地点轨迹T1、T2、
…
、T
m
行驶时车辆坐标系的6维坐标历程{X
i Y
i Z
i α
i β
i γ
i
}
T
，和车辆的质心轨迹和姿态历程{X
Wi Y
Wi Z
Wi α
Wi β
Wi γ
Wi
}
T
，其中：X
Wi
、Y
Wi
、Z
Wi
、α
Wi
、β
Wi
、γ
Wi
分别为车辆质心处的三维坐标和三维姿态角，i＝0、1、2、
…
、n，n为规划数据点的个数；S22：取平滑系数为ξ，对步骤S21中的被动悬挂车辆质心轨迹和姿态历程进行过起点的平滑处理，得到质心轨迹和姿态历程的平滑函数{X
W
(t
i
)、Y
W
(t
i
)、Z
W
(t
i
)、α
W
(t
i
)、β
W
(t
i
)、γ
W
(t
i
)}
T
；S3：基于前述平滑处理后的质心轨迹与姿态历程，计算车辆以主动悬挂驶过车前地形的悬挂行程历程s
i,j
和悬挂支撑力历程W
ij
；S31：将步骤S22中平滑后的车辆质心轨迹和姿态历程作为输入，计算车辆以主动悬挂驶过车前地形时各悬挂相对于被动悬挂的行程历程和速度历程其中j＝1、2、
…
、m，m为车轮数；S32：在与步骤S21相同的车速、转向角、各车轮驱/制动力、地面滚动摩擦系数情况下，依照步骤S31中获得的主动悬挂相对于被动悬挂行程历程和速度历程由动力学模型计算车辆以主动悬挂驶过车前地形的各悬挂相对于中位的行程历程s
i,j
和支撑力历程W
ij
；S4：依据车辆以主动悬挂驶过车前地形时悬挂相对中位的行程历程s
i,j
和悬挂支撑力历程W
ij
，对悬挂作动器实施基于力
‑
位移的阻抗控制。2.根据权利要求1所述的基于车前地形的主动悬挂惯性调控方法，其特征在于，在所述步骤S21、S32中，车辆的动力学模型及其解法如下：建立固定坐标系OXYZ，它与地面固连，该坐标系以惯性测量单元基准点O为坐标原点，以车辆的正前方为Y轴正方向，以车辆的右侧方向为X轴正方向，以垂直XOY平面向上的方向为Z轴正方向；为确定车辆在固定坐标系中的位置，再引入车辆坐标系oxyz，它与车体固连；车辆坐标系与固定坐标系在初始位置重合，其在固定坐标系中的定位坐标分别为X、Y、Z、α、β、γ；为提高计算速度，将车辆看作刚体，设其质量为M，它在车辆坐标系中的坐标为W(x
W
,y
W
,z
W
)；车辆具有m个车轮，对应有m个悬挂；将主动悬挂简化为作动器、弹簧和阻尼器的并联；设对主动悬挂的控制方法为位移控制；各悬挂弹簧的刚度系数分别为K
S1
、K
S2
、
…
、K
Sm
，各悬挂阻尼器的阻尼系数分别为C
S1
、C
S2
、
…
、C
Sm
；将轮胎简化为垂向弹簧与阻尼的并联，忽略轮胎侧向与切向弹性和阻尼对车辆动力学特性的影响；各轮胎垂向弹簧的刚度系数分别为
K
W1
、K
W2
、
…
、K
Wm
，各轮胎垂向阻尼的阻尼系数分别为C
W1
、C
W2
、
…
、C
Wm
；设前述阻尼均为粘性阻尼；前述弹簧均设为非线性弹簧，并以分段线性近似；以上所建的是主动悬挂车辆的动力学模型，它具有6个自由度；若去掉各悬挂中的作动器，则前述动力学模型就变为被动悬挂车辆的动力学模型；当部分主动悬挂设计时不设悬挂弹簧和阻尼器时，应将上述主动悬挂车辆动力学模型中的悬挂弹簧和阻尼器略去；通过拉格郎日方程建立该车辆动力学模型的运动微分方程，用矩阵表示如下：式中：[M6×6]、[C6×6]、[K6×6]分别为质量阵、阻尼阵和刚度阵，均为6
×
6的对称方阵；{F6}为力矩阵，为6
×
1的列阵；取车辆在固定坐标系的位移向量为：{q6}＝{X、Y、Z、α、β、γ}
T
基于上面的运动微分方程构建动力学矩阵如下：设状态变量为：代入动力学矩阵得状态方程式如下：其中：上面的状态方程式可通过四阶龙格库塔法求解，得出状态变量{q
12
}的值。3.根据权利要求2所述的基于车前地形的主动悬挂惯性调控方法，其特征在于，在所述步骤S21中，计算车辆以被动悬挂驶过车前地形的质心轨迹和姿态历程的具体方法如下：由动力学模型求得的车辆以被动悬挂驶过车前地形的各时点{q
12
}
i
，求得车辆轨迹历程中的与悬挂特性相关的三个坐标为：上式是假设α、β是微小变量，取cosα≈1，cosβ≈1，sinα≈α，sinβ≈β，并忽略了车身的变形得出的。4.根据权利要求1所述的基于车前地形的主动悬挂惯性调控方法，其特征在于，在所述步骤S31中，计算车辆以主动悬挂驶过车前地形的各悬挂相对于被动悬挂的行程历程和速度历程的具体步骤如下：
①
基于S21中求得的车辆以被动悬挂驶过车前地形的车辆坐标系6维坐标历程{X
i Y
i Z
i α
i β
i γ
i
}
T
，由下式求出各悬挂上支撑点Q1、Q2、
…
、Q
m
的垂向位移历程为：式中：b
j
——编号为j的悬挂上支撑点在oxyz坐标系中的x坐标；L
j
——编号为j的悬挂上支撑点在oxyz坐标系中的y坐标；则各悬挂上支撑点...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵丁选，倪涛，巩明德，刘爽，张祝新，孙志国，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：