CN102303602A - 乘用车平顺性与操稳性协调方法及控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了乘用车平顺性与操稳性协调方法及控制装置。本发明根据乘用车底盘结构分为不同的独立控制子模块，构建底盘系统模糊关系型系统通信网。系统通信网共有7个子模块，共同通过通信模块与其他子模块相连,分别为整车模块、轮胎模块、悬架模块、转向模块、执行模块、通信模块和协调模块。本发明的方法通过整车模块感知车辆信息，协调模块根据驾驶者的指令进入不同的控制模式协调模块按照不同控制模式给每个次优先级控制模块赋予不同的模糊权值，将每个次优先级控制模块返回的可行性解组合，求得最优方案并将结果返回给协调模块。本发明针对主动悬架与主动转向和轮胎三个系统间存在的相互干涉问题，实现对车辆平顺性与操稳性协调控制。
Description
技术领域
本发明涉及用于乘用车平顺性与操稳性自动协调装置与控制方法。
背景技术
随着电子技术特别是大规模集成电路和微型电子计算机技术的快速发展，各种电子控制技术在车辆底盘中得到了巨大的发展和广泛的应用，给车辆发展带来了划时代的变化，车辆底盘系统开始改变以往那种完全依靠液压或气压执行机构来传递力的机械式结构，步入线控阶段（X-By-Wire），甚至底盘综合控制系统已初现端倪。先进的底盘集成控制系统优化了车轮与地面之间的附着状况，车辆的平顺性、操纵稳定性、轻便性、行驶安全性、燃料经济性和对环境的改善都得到了较大幅度提高。因此，车辆集成控制理论与应用研究成了现代车辆动力学控制研究的热点。然而，与此同时，这也使得车辆的底盘技术变得越来越复杂。实际上，集成控制就是协调控制。
近年来，在主动悬架以及主动转向两个子系统研究方面，分别有许多成果。但是，主动悬架与主动转向集成系统为复杂的非线性时变系统，这两个控制子系统有不同的评价指标和控制策略，而且，其输入输出之间具有耦合效应。当对它们分别进行优化控制时，简单迭加并不能获得良好的综合性能，它们之间的匹配以及协调工作，涉及到人、车、环境等诸因素，其模型和技术极为复杂，参数繁多，用经典或现代理论和方法往往会使计算和系统更加复杂，特别当子系统进一步增加时，将会变得无法实现，而且不可能从根本上解决各系统的协调工作问题。
因此，不难看出，通过分析主动悬架与主动转向各子系统内主要结构、控制参数以及各子系统之间不同性能指标的相互制约、影响、协调机理，采用模糊关系型系统通信网理论，将车辆行驶平顺性和操纵稳定性描述为适合分析与综合的控制问题，真正可以实现主动悬架与主动转向集成系统的协调工作，提高车辆综合性能。这必将为解决车辆主动底盘集成控制系统的理论及应用的瓶颈问题提供依据和积累经验，并奠定坚实基础，推动未来的主动底盘系统将悬架和四轮转向（4WS）、防抱死制动系统（ABS）、四轮驱动（4WD）、超低压子午线轮胎及近年来推出的动态稳定性控制（VDC／ESP）等子系统集成,使车辆主动底盘智能化集成控制得以完全实现。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种乘用车平顺性与操稳性协调方法与控制装置，能够实时地对乘用车平顺性与操稳性进行协调和控制。
本发明的装置包括车身侧倾角传感器、车身横摆角速度传感器、车身垂直加速度传感器、车身俯仰角传感器、车身侧偏角传感器、车速传感器、方向盘转角传感器、车辆转向执行器、轮胎执行器、中央处理器。车身侧倾角传感器、车身横摆角速度传感器、车身垂直加速度传感器、车身俯仰角传感器和车身侧偏角传感器安装于车身质心处。车速传感器安装于轮毂处，方向盘转角传感器安装于转向轴靠近转向盘处，车辆转向执行器安装于转向轴底端，四个悬架主动减振执行器分别安装于前后左右四只减振器上，中央处理器输入端接收车身侧倾角传感器、车身横摆角速度传感器、车身垂直加速度传感器、车身俯仰角传感器、车身侧偏角传感器、车速传感器、方向盘转角传感器信号，中央处理器输出端连接车辆转向执行器、车辆前后左右四只悬架主动减振器；中央处理器内部存储协调乘用车平顺性与操稳性的控制程序。
本发明的方法包括：控制方法根据乘用车底盘结构分为不同的独立控制子模块，构建底盘系统模糊关系型系统通信网。系统通信网共有7个子模块，共同通过通信模块与其他子模块相连,分别为整车模块、轮胎模块、悬架模块、转向模块、执行模块、通信模块和协调模块。
首先，通过整车模块感知车辆信息；其次，协调模块根据驾驶者的指令进入不同的控制模式，分别为舒适模式、安全模式、运动模式、自动模式；然后，协调模块作为最高优先级控制模块，将转向模块、悬架模块、轮胎模块等作为次优先级控制模块。协调模块按照不同控制模式给每个次优先级控制模块赋予不同的模糊权值，将每个次优先级控制模块返回的可行性解组合；最后，通过以上过程，求得最优方案并将结果返回给协调模块。
控制方法根据乘用车底盘结构分为不同的独立控制子模块，构建底盘系统模糊关系型系统通信网，控制系统结构的技术方案。系统通信网共有7个子模块，共同通过通信模块与其他子模块相连,分别为整车模块、轮胎模块、悬架模块、转向模块、执行模块、通信模块和协调模块。
系统通过整车模块感知车辆信息。由陀螺仪传感器采集车身横摆角加速度 
、侧偏角
、侧倾角
、俯仰角
，用加速度传感器来采集车身垂直加速度信号，用光电式传感器采集车速
信号，用磁感应式传感器采集方向盘转角信号，采集驾驶室控制面板的驾驶模式指令,将采集到的车辆信息上传到通信模块中。
通信模块作为控制系统中各子系统进行交互的场所。其内部结构分为一个可读写的变量存储区。整车模块、轮胎模块、悬架模块、转向模块、执行模块、协调模块各子模块所需要读写的变量在通信模块中有单独的存储空间，供信息的上传和下载。
轮胎模块由通信模块下载车身横摆角速度
、侧偏角
、侧倾角、车辆转向机构的转角
、车速
参数，通过轮胎模块中存储的神经网络模型计算出轮胎侧向力
、
、
、
、
、
并上传给通信模块。
悬架模块由通信模块下载车身横摆角速度
、侧偏角速度
、侧倾角
、车速
、俯仰角
、参数，通过悬架模块中存储的模糊控制器计算出前后左右四轮的悬架作动力
、
、、
并上传给通信模块。
转向模块由通信模块下载车身横摆角速度、侧偏角速度
、侧倾角
、车辆转向机构的转角
、车速、前后左右四个车轮的侧向力、、
、
参数，通过转向模块中存储的滑模变控制器对方向盘转向
和轮胎力进行控制，并将结果上传通信模块。
协调模块根据驾驶者的指令进入不同的控制模式，分别为舒适模式、安全模式、运动模式、自动模式；协调模块作为最高优先级控制模块，将转向模块、悬架模块、轮胎模块等作为次优先级控制模块。协调模块基于模糊关系与协同协商机制，将控制过程分为约束条件和控制目标的制定、控制的模糊化和控制方案的优化等三部分。
1.约束条件和控制目标的制定，协调模块根据驾驶者的指令进入不同的控制模式，分别有对应的约束条件和控制目标：
a.舒适模式：
控制目标:车身垂直方加速度均方根值最小；
约束条件:满足在0.15m的悬架工作空间内;轮胎动载荷限制在0-5kN的区间波动;同时保证不足转向度为不足转向或者中性转向，即K≤1、侧倾角≤2°、俯仰角≤3.5°。
b.安全模式：
控制目标: 车身侧倾度最小；
约束条件:转向稳定裕度在不足转向范围，即K<1。
c.运动模式：
控制目标: 转向盘转角速度与车身横摆角速度的谐振频率、谐振峰值、相位滞后角最小；
约束条件: 车身横摆角速度峰值≤5 °/s。
d.自动模式：即为以上三者模式之间的相互切换。模块启动后首先进入舒适模式，若不足转向度K达到过度转向限值1时模块转入安全模式，若转向盘转角角速度达到30 °/s则转入运动模式。
2. 控制的模糊化
协调模块作为最高优先级控制模块，将转向模块、悬架模块、轮胎模块等作为次优先级控制模块。协调模块按照当前控制目标和约束条件给每个次优先级控制模块分配任务，将每个次优先级控制模块返回的可行性解组合。
协调模块给每个子模块按照优先级和对其他子模块的影响程度赋予不同的模糊权值：
a.舒适模式：悬架模块(1≥k>0)、轮胎模块(k=0)、转向模块(0>k≥-1)；
b.安全模式：转向模块(1≥k>0)、悬架模块(k=0)、轮胎模块(0>k≥-1)；
c.运动模式：转向模块(1≥k>0)、轮胎模块(k=0)、悬架模块(0>k≥-1)。
3.控制方案的优化
通过以上过程，求得最优方案并将结果返回给通信模块。
最终，执行模块将车辆作为被控对象，由通信模块下载车辆转向电机转角
和前后左右四轮的悬架作动力、
、
、
，根据转向电机和悬架步进电机控制模型，输出转向电机控制电流
和前后左右四只悬架步进电机控制电流
，以达到乘用车平顺性与操稳性协调控制。
本发明的有益效果是，解决主动悬架与主动转向和轮胎三个系统间存在相互干涉的问题，采取分散与集中的方法实现对乘用车平顺性与操稳性协调控制。
附图说明
下面结合相应附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。
图1是系统组成原理图，用来说明系统的组成与原理。
图2是整车模块示意图，用来说明整车模块的输入输出。
图3是轮胎模块示意图，用来说明轮胎模块的输入输出。
图4是悬架模块结构图，用来说明悬架模块的在车身的位置。
图5是悬架模块示意图，用来说明悬架模块的输入输出。
图6是转向模块结构图，用来说明转向模块的组成。
图7是转向模块示意图，用来说明转向模块的输入输出。
图8是执行模块示意图，用来说明执行模块的输入输出。
图中，1为转向盘，2为转角传感器，3为转向适应器，4为集成轮胎力传感器和轮胎力适应器的轮胎，5为车速传感器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明方法做详细说明。
车身侧倾角传感器选用陀螺仪传感器采集车身侧倾角信号，将其安装于车身质心处。
车身横摆角速度传感器选用陀螺仪传感器采集车身横摆角信号，将其安装于车身质心处。
车身垂直加速度传感器选用加速度传感器来采集车身垂直加速度信号，作为控制器的输入，控制器对输入的信号进行特征提取，以判断车身所处的运动姿态。将其安装于车身质心处。
车身俯仰角传感器选用陀螺仪传感器采集车身俯仰角信号，将其安装于车身质心处。
侧偏角传感器选用陀螺仪传感器采集车身侧偏角信号，将其安装于车身质心处。
车速传感器选用光电式传感器采集车轮转速信号，将其安装于轮毂处。
方向盘转角传感器选用磁感应式传感器采集方向盘转角信号，将其安装于转向轴靠近转向盘处。
车辆转向执行器选用直流电机控制转向轴的转向，将其安装于转向轴底端。
中央处理器输入端接收车身横摆角速度传感器、车身侧倾角传感器、侧偏角传感器、车速传感器、方向盘转角传感器、车身垂直加速度传感器、车身俯仰角传感器信号；中央处理器输出端连接车辆转向执行器、轮胎执行器、车辆前后左右四只悬架主动减振器；中央处理器内部存储用于协调乘用车平顺性与操稳性的控制策略。
悬架主动减振执行器安装于前后左右四只减振器上，由控制器调节减振器作动力，实现衰减车体振动，抑制车身姿态变化。
结合图1，控制方法根据乘用车底盘结构分为不同的独立控制子模块，构建底盘系统模糊关系型系统通信网，控制系统结构的技术方案。系统通信网共有7个子模块，共同通过通信模块与其他子模块相连,分别为整车模块、轮胎模块、悬架模块、转向模块、执行模块、通信模块和协调模块。
首先，结合图2，系统通过整车模块感知车辆信息。由陀螺仪传感器采集车身横摆角加速度
、侧偏角
、侧倾角、俯仰角
，用加速度传感器来采集车身垂直加速度信号，用光电式传感器采集车速
信号，用磁感应式传感器采集方向盘转角信号，采集驾驶室控制面板的驾驶模式指令,将采集到的车辆信息上传到通信模块中。
通信模块作为控制系统中各子系统进行交互的场所。其内部结构分为一个可读写的变量存储区。整车模块、轮胎模块、悬架模块、转向模块、执行模块、协调模块各子模块所需要读写的变量在通信模块中有单独的存储空间，供信息的上传和下载。
结合图3，轮胎模块由通信模块下载车身横摆角速度
、侧偏角
、侧倾角
、车辆转向机构的转角
、车速参数，通过轮胎模块中存储的神经网络模型计算出轮胎侧向力、
、
、、
、并上传给通信模块。
结合图4、5，悬架模块由通信模块下载车身横摆角速度、侧偏角速度
、侧倾角
、车速
、俯仰角
、参数，通过悬架模块中存储的模糊控制器计算出前后左右四轮的悬架作动力
、
、
、
并上传给通信模块。
结合图6、7，转向模块由通信模块下载车身横摆角速度
、侧偏角速度
、侧倾角
、车辆转向机构的转角、车速
、前后左右四个车轮的侧向力
、
、
、
参数，通过转向模块中存储的滑模变控制器对方向盘转向
和轮胎力进行控制，并将结果上传通信模块。
协调模块根据驾驶者的指令进入不同的控制模式，分别为舒适模式、安全模式、运动模式、自动模式；协调模块作为最高优先级控制模块，将转向模块、悬架模块、轮胎模块等作为次优先级控制模块。协调模块基于模糊关系与协同协商机制，将控制过程分为约束条件和控制目标的制定、控制的模糊化和控制方案的优化等三部分。
最终，结合图8，执行模块将车辆作为被控对象，由通信模块下载车辆转向电机转角
和前后左右四轮的悬架作动力
、
、
、
，根据转向电机和悬架步进电机控制模型，输出转向电机控制电流和前后左右四只悬架步进电机控制电流
，以达到乘用车平顺性与操稳性协调控制。
Claims (6)
1.一种乘用车平顺性与操稳性协调方法，其特征在于，根据乘用车底盘结构分为不同的独立控制子模块，构建底盘系统模糊关系型系统通信网；所述系统通信网共有7个子模块，共同通过通信模块与其他子模块相连,分别为整车模块、轮胎模块、悬架模块、转向模块、执行模块、通信模块和协调模块；
首先，通过整车模块感知车辆信息；其次，协调模块根据驾驶者的指令进入不同的控制模式，分别为舒适模式、安全模式、运动模式、自动模式；然后，协调模块作为最高优先级控制模块，将转向模块、悬架模块、轮胎模块等作为次优先级控制模块；协调模块按照不同控制模式给每个次优先级控制模块赋予不同的模糊权值，将每个次优先级控制模块返回的可行性解组合；最后，通过以上过程，求得最优方案并将结果返回给协调模块。
2.根据权利要求1所述的乘用车平顺性与操稳性协调方法，其特征在于，通过所述整车模块感知车辆信息；由陀螺仪传感器采集车身横摆角加速度 、侧偏角
、侧倾角、俯仰角
，用加速度传感器来采集车身垂直加速度信号，用光电式传感器采集车速
信号，用磁感应式传感器采集方向盘转角信号
，采集驾驶室控制面板的驾驶模式指令,将采集到的车辆信息上传到通信模块中；
所述通信模块作为控制系统中各子系统进行交互的场所；所述通信模块的内部结构分为一个可读写的变量存储区；所整车模块、轮胎模块、悬架模块、转向模块、执行模块、协调模块各子模块所需要读写的变量在通信模块中有单独的存储空间，供信息的上传和下载；
所述轮胎模块由通信模块下载车身横摆角速度
、侧偏角
、侧倾角
、车辆转向机构的转角、车速
参数，通过轮胎模块中存储的神经网络模型计算出轮胎侧向力、
、
、
、
、
并上传给通信模块；
所述悬架模块由通信模块下载车身横摆角速度
、侧偏角速度
、侧倾角
、车速、俯仰角、参数，通过悬架模块中存储的模糊控制器计算出前后左右四轮的悬架作动力
、、
、
并上传给通信模块；
所述转向模块由通信模块下载车身横摆角速度
、侧偏角速度
、侧倾角
、车辆转向机构的转角
、车速
、前后左右四个车轮的侧向力
、
、
、
参数，通过转向模块中存储的滑模变控制器对方向盘转向
和轮胎力进行控制，并将结果上传通信模块；
所述协调模块根据驾驶者的指令进入不同的控制模式，分别为舒适模式、安全模式、运动模式、自动模式；协调模块作为最高优先级控制模块，将转向模块、悬架模块、轮胎模块等作为次优先级控制模块；协调模块基于模糊关系与协同协商机制，将控制过程分为约束条件和控制目标的制定、控制的模糊化和控制方案的优化；
最终，执行模块将车辆作为被控对象，由通信模块下载车辆转向电机转角
和前后左右四轮的悬架作动力
、
、
、，根据转向电机和悬架步进电机控制模型，输出转向电机控制电流
和前后左右四只悬架步进电机控制电流
，以达到乘用车平顺性与操稳性协调控制。
3.根据权利要求2所述的乘用车平顺性与操稳性协调方法，其特征在于，所述约束条件和控制目标的制定为协调模块根据驾驶者的指令进入不同的控制模式，分别有对应的约束条件和控制目标：
a.舒适模式：
控制目标:车身垂直方加速度均方根值最小；
约束条件:满足在0.15m的悬架工作空间内;轮胎动载荷限制在0-5kN的区间波动;同时保证不足转向度为不足转向或者中性转向，即K≤1、侧倾角≤2°、俯仰角≤3.5°；
b.安全模式：
控制目标: 车身侧倾度最小；
约束条件:转向稳定裕度在不足转向范围，即K<1；
c.运动模式：
控制目标: 转向盘转角速度与车身横摆角速度的谐振频率、谐振峰值、相位滞后角最小；
约束条件: 车身横摆角速度峰值≤5 °/s；
d.自动模式：即为以上三者模式之间的相互切换；
模块启动后首先进入舒适模式，若不足转向度K达到过度转向限值1时模块转入安全模式，若转向盘转角角速度达到30 °/s则转入运动模式。
4.根据权利要求3所述的乘用车平顺性与操稳性协调方法，其特征在于，所述控制的模糊化为协调模块作为最高优先级控制模块，将转向模块、悬架模块、轮胎模块作为次优先级控制模块；协调模块按照当前控制目标和约束条件给每个次优先级控制模块分配任务，将每个次优先级控制模块返回的可行性解组合；
所述协调模块给每个子模块按照优先级和对其他子模块的影响程度赋予不同的模糊权值：
a.舒适模式：悬架模块(1≥k>0)、轮胎模块(k=0)、转向模块(0>k≥-1)，
b.安全模式：转向模块(1≥k>0)、悬架模块(k=0)、轮胎模块(0>k≥-1)，
c.运动模式：转向模块(1≥k>0)、轮胎模块(k=0)、悬架模块(0>k≥-1)；
所述控制方案的优化为将求得最优方案并将结果返回给通信模块。
5.实施权利要求1所述的乘用车平顺性与操稳性协调方法的控制装置，其特征在于，包括车身侧倾角传感器、车身横摆角速度传感器、车身垂直加速度传感器、车身俯仰角传感器、车身侧偏角传感器、车速传感器、方向盘转角传感器、车辆转向执行器、轮胎执行器、中央处理器；所述车身侧倾角传感器、车身横摆角速度传感器、车身垂直加速度传感器、车身俯仰角传感器和车身侧偏角传感器安装于车身质心处；所述车速传感器安装于轮毂处，所述方向盘转角传感器安装于转向轴靠近转向盘处，所述转向执行器安装于转向轴底端，所述四个悬架主动减振执行器分别安装于前后左右四只减振器上；所述中央处理器输入端接收车身侧倾角传感器、车身横摆角速度传感器、车身垂直加速度传感器、车身俯仰角传感器、车身侧偏角传感器、车速传感器、方向盘转角传感器信号，所述中央处理器输出端连接车辆转向执行器、轮胎执行器、车辆前后左右四只悬架主动减振器；所述中央处理器内部存储协调乘用车平顺性与操稳性的控制程序。
6. 根据权利要求5所述的乘用车平顺性与操稳性控制装置，其特征在于，所述车身侧倾角传感器用陀螺仪传感器采集车身侧倾角信号；所述车身横摆角速度传感器用陀螺仪传感器采集车身横摆角信号；所述车身垂直加速度传感器用加速度传感器来采集车身垂直加速度信号；所述车身俯仰角传感器用陀螺仪传感器采集车身俯仰角信号；所述侧偏角传感器用陀螺仪传感器采集车身侧偏角信号；所述车速传感器选用光电式传感器采集车轮转速信号；所述方向盘转角传感器用磁感应式传感器采集方向盘转角信号；所述车辆转向执行器用直流电机控制转向轴的转向。
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