CN104442266A - 一种横向互联空气悬架互联状态控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种面向车身姿态稳定的横向互联空气悬架互联状态控制系统及控制方法，每个簧下质量加速度传感器均将加速度信息传输至信号预处理系统，信号预处理系统的输出连接ECU5的输入，CAN总线通讯系统的输出分别连接信息预处理系统的输入和ECU5的输入，ECU集成有互联状态控制算法，ECU的输出连接互联状态控制驱动模块，互联状态控制驱动模块的输出通过控制线连接互联电磁阀，转向盘转角传感器的输出通过信号传输线连接ECU的输入；通过合理控制横向互联悬架互联状态，提高车辆在不良路面下的行驶平顺性，不影响车辆在高速转弯时的操纵稳定性，为互联空气悬架在中小型车辆中应用提供了可能。

Description

一种横向互联空气悬架互联状态控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及车辆的空气悬架技术，具体是一种横向互联的空气悬架，特别涉及对横向互联的空气悬架的互联状态实行控制的控制系统及方法。 

背景技术

空气悬架具有优良的减振特性及高度可调的特点，在车辆领域的应用日益广泛。互联空气悬架有横向互联与纵向互联两种结构，横向互联就将同一车轴上左右空气弹簧相连，纵向互联就将同侧前后空气弹簧相连，两种结构各有利弊：纵向互联空气悬架在较大幅度提升车辆行驶平顺性的同时，对操纵稳定性造成的影响相对较小，故可始终保持互联状态，对互联状态控制策略依赖程度不高，缺点是纵向布置的互联管路较长，为保证互联效果，需使用较粗的互联管径，占用较大的底盘布置空间，难以应用于中小型车辆；横向互联空气悬架互联管路较短，且较细的互联管径即可满足互联效果，布置更加灵活紧凑，且对车辆行驶平顺性的提升更加明显，但缺点是横向互联会影响转弯工况的操纵稳定性，需依赖合理的控制策略控制横向互联状态的开启与关闭，解决操纵稳定性与行驶平顺性的矛盾。 

目前，互联空气悬架在某些大型车辆上已有应用，如Haire空气弹簧制造商便开发出应用于重型货车的纵向互联空气悬架产品，互联管路较粗，对互联状态未施加控制，即前后同侧空气弹簧始终联通。但纵向互联结构难以布置于中小型车辆底盘，而横向互联结构虽适用于中小型车辆，其互联状态的控制问题尚未得到合理解决，不施加控制的横向互联空气悬架在高速转弯工况下会给车辆行驶安全带来隐患。而目前，尚无关于横向互联空气悬架的控制技术或方法见诸文献，因而横向互联空气悬架并未在中小型车辆上推广。虽然在互联式油气悬架控制、互联式液压悬架控制方面有文献可供互联空气悬架控制提供参考，但与互联式液压、油气悬架相比，互联式空气悬架有其独有的特点，若直接将适用于液压、油气悬架的控制策略应用于横向互联悬架，会导致控制失准、系统震荡剧烈等移植性缺陷。 

发明内容

针对现有车辆横向互联空气悬架的互联状态控制技术存在的空白，本发明提供一种面向车身姿态稳定的横向互联空气悬架互联状态控制系统及控制方法，提高车辆转弯工况的操纵稳定性和行驶的平顺性。 

本发明一种横向互联空气悬架互联状态控制系统通过如下技术方案实现：包括用于采集车辆转向盘转角信息的转向盘转角传感器、从车辆CAN总线中获取车辆车速信息的CAN总线通讯系统以及由若干簧下质量加速度传感器、传感器信号传输线组成的簧下质量加速度采集系统，每个簧下质量加速度传感器均通过传感器信号传输线将加速度信息传输至信号预处理系统，信号预处理系统的输出连接ECU5的输入，CAN总线通讯系统的输出分别连接信息预处理系统的输入和ECU5的输入，ECU集成有互联状态控制算法，ECU的输出通过信号传输线连接互联状态控制驱动模块，互联状态控制驱动模块的输出通过控制线连接互联电磁阀，转向盘转角传感器的输出通过信号传输线连接ECU的输入。 

本发明一种横向互联空气悬架互联状态控制方法采用的技术方案是包括以下步骤： 

1）行车过程中，转向盘转角传感器提供转向盘转角信息给ECU，簧下质量加速度采集系统实时监测簧下质量加速度信息给信号预处理系统，CAN总线通讯系统提供车速信息给信号预处理系统和ECU，信号预处理系统对输入的车速信息和加速度信息进行信号放大、滤波并计算出路面不平度，将路面不平度信息提供给ECU；

2）ECU以车速信息、路面不平度信息和转向盘转角信息为输入，以“互联状态开启”和“互联状态关闭”输出，根据互联状态控制算法，判断当前工况下互联状态，若互联状态为“互联”，则ECU输出高电平信号，互联状态控制驱动模块7接收此信号，控制互联电磁阀打开，左右空气弹簧互联；若互联状态为“非互联”，则ECU5输出低电平信号，互联电磁阀关闭，左右空气弹簧中断互联。

本发明的有益效果为：通过合理控制横向互联悬架互联状态，一方面可提高车辆在不良路面下的行驶平顺性，另一方面不影响车辆在高速转弯时的操纵稳定性，从而解决了横向互联空气悬架行驶平顺性与操纵稳定性的矛盾。横向互联结构占用底盘空间不大，易于实现在中小型车辆中的布置，因此本发明为互联空气悬架在中小型车辆中应用提供了可能。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。 

图1为本发明横向互联空气悬架互联状态控制系统的结构框图； 

图2为图1中互联状态控制系统与互联空气悬架的空间布置示意图；

图3为图1中横向互联空气悬架互联状态控制系统的控制算法参数的标定方法流程图；

图4为适用于某种车型的、量化的互联状态控制算法关系图；

图5为本发明横向互联空气悬架互联状态控制方法的基本流程图。

图中：1簧下质量加速度采集系统；2CAN总线通讯系统；3信息预处理系统；4转向盘转角传感器；5 ECU；6电源系统；7互联状态控制驱动模块；8互联电磁阀；9簧下质量加速度传感器；10互联状态控制系统集成电路。 

具体实施方式

如图1所示，本发明横向互联空气悬架互联状态控制系统由簧下质量加速度采集系统1、CAN总线通讯系统2、信息预处理系统3、转向盘转角传感器4、集成互联状态控制算法的ECU5、互联状态控制驱动模块7、互联电磁阀8及电源系统6组成。 

结合图1和图2，簧下质量加速度采集系统1由若干簧下质量加速度传感器9、传感器信号传输线组成，其中簧下质量加速度传感器9布置于各簧下质量（如轮毂）处。例如对于如图2所示的四轮车辆而言，需布置四个簧下质量加速度传感器9，每个簧下质量加速度传感器9均通过信号传输线将加速度信号传输至信号预处理系统3。将CAN总线通讯系统2、信息预处理系统3、集成互联状态控制算法的ECU5、互联状态控制驱动模块7、电源系统6在硬件上集成于一体，集成为图2中的互联状态控制系统集成电路10。 

CAN总线通讯系统2用于空气悬架互联状态控制系统与车辆CAN（控制器局域网络）总线之间通讯，以便从车辆CAN总线中获取车辆车速信息。CAN总线通讯系统2的输出分别连接信息预处理系统3的输入和ECU5的输入，通过信号传输线将车速信息分别传递至信息预处理系统3和ECU5，为路面不平度辨识和判断理想互联状态提供必要信息。 

信号预处理系统3的输入还连接簧下质量加速度采集系统1的输出，用于对所采集的车速信息和簧下质量加速度信息的预处理，具有信号放大、滤波、路面不平度计算功能。路面不平度辨识方法有多种，在本发明中，路面不平度依靠簧下质量加速度及行驶车速两信息加以辨识，具体的辨识方法记载在申请号为201410581629.X、名称为“一种路面不平度在线辨识系统及方法”中，在此不予赘述。车速信息由CAN总线通讯系统2获得，而此信息还将被ECU5用于行驶工况判断，因此，该结构还可实现现代系统工程所提倡的“结构共用、信息融合、控制协调”的理念。簧下质量加速度采集系统1、CAN总线通讯系统2为信号输入端，分别提供簧下质量加速度信息与车速信息。信号预处理系统3完成信号处理后，通过信号传输线将路面不平度信息提供给ECU5。 

转向盘转角传感器4安装于车辆转向盘位置处，用于采集车辆转向盘转角信息，转向盘转角传感器4的输出通过信号传输线连接ECU5的输入，将该信息提供给ECU5。 

ECU5集成了互联状态控制算法，该算法以车速均值信息、路面不平度信息和转向盘转角三个信息为输入，以互联状态变量为输出。其中，车速均值信息、路面不平度信息两输入参数由信息预处理系统3提供，每隔数秒更新一次；而为保障行驶安全，转向盘转角信息需实时更新，因此由CAN总线通讯系统2直接提供。互联状态变量包括“互联状态开启”和“互联状态关闭”两种，分别以高电平和低电平代表。 

互联状态控制驱动模块7、互联电磁阀8合称互联状态控制执行系统。ECU5的输入通过信号传输线连接互联状态控制驱动模块7，互联状态控制驱动模块7的输出通过控制线连接互联电磁阀8，互联电磁阀8位于连接左右空气弹簧的互联管路之间。ECU5根据车速信息、路面不平度信息和转向盘转角三个输入参数确定互联状态后，向互联状态控制执行系统提供高电平或低电平的命令信号。对于四轮车辆而言，其空间布置如图2所示。互联状态控制驱动模块7接收集成了互联状态控制算法的ECU5输出的互联状态变量信息。若接收变量信息为高电平，则给互联电磁阀8通电，令其开启；若接收变量信息为低电平，则给互联电磁阀8断电，令其关闭。 

电源系统6通过电源线分别对簧下质量加速度采集系统1、信号预处理系统3、转向盘转角传感器4、ECU5、互联状态控制驱动模块7供电。 

空气悬架横向互联可提升车辆行驶平顺性，在不良路面下这一作用尤为明显。车辆转弯时，车身发生侧倾，而联通的空气弹簧间发生气体交换，会进一步加剧侧倾效应，在车辆行驶车速较高时尤为明显。因此，互联空气悬架控制，应根据路面质量的好坏、车辆转弯和非转弯的状况来确定互联状态开启和关闭，具体应满足下表1所示的基本控制要求： 

表1

，

在车辆行驶于不良路面时开启互联状态，在车辆转弯时关闭互联状态，在同时处于或同时不处于这两种工况时，互联状态开闭由车速决定：车速较低时开启，车速较高时关闭。

根据表1的基本控制要求来确定横向互联空气悬架互联状态控制的基本控制算法。车辆侧倾特性同时关系到车辆的操纵稳定性与行驶平顺性，因此本发明设计了以稳定车身姿态为目标的控制算法。控制算法中具体参数的标定方法如图3所示，具体步骤如下： 

步骤一：样车的随机路面行驶试验或仿真。由于不同车型有不同的动力学特性，互联状态开启或关闭的触发条件自然不尽相同，因此首先需针对某车型样车参数、某车型样车的动力学特性对其控制算法中某些重要参数进行标定。首先，将本发明所涉及互联状态控制系统安装于待标定车型的样车中，在不同工况、不同等级路面、不同互联状态下进行道路试验，仿真或试验的变量包括路面状况、两种转向盘转角、互联与非互联两种互联状态、行驶车速。采集仿真或试验中车身侧倾角变化信息。在A、B、C、D、E各级路面等级下进行稳态转向道路试验时，若试验条件不足亦可采用仿真的方式进行。试验或仿真的条件变量包括路面状况、两种转向盘转角、互联与非互联两种互联状态、行驶车速。利用车身倾角传感器，采集仿真或试验中车身侧倾角变化信息。两种转向盘转角分别代表转弯工况和非转弯工况的转向盘转角，其中非转弯工况中的转向盘转角约为转弯工况转角的十分之一左右，不能为0。本发明中，车身倾角传感器仅用于控制算法参数标定，并非实际行车过程实施互联控制所必须，故未包含在本发明所涉及互联状态控制系统硬件中。

步骤二：信号分析与制表。利用信号预处理系统3对车身侧倾角信息进行滤波等处理后，计算其在稳态转向试验过程中的车身侧倾角的均方根值，并将各种工况下的仿真或试验结果制成表格，对比互联与非互联状态下的车身侧倾角均方根值。例如若互联状态车身侧倾角均方根值小于非互联状态，则说明此种工况下，互联状态应开启。反之，互联状态应关闭。 

如下表2为某车型样车在非转弯工况下，不同路面状况、行驶车速（单位：km/h）、互联状态对应车身侧倾角均方根值（指车辆车身相对于地面的转角，而非相对非簧载质量的转角）。其中粗黑线右上方代表互联状态开启优于互联状态关闭的行驶工况，粗黑线左下方代表互联状态关闭优于互联状态开启的行驶工况。 

如下表3为某车型样车在转弯工况下，不同路面状况、行驶车速、互联状态对应车身侧倾角均方根值（指车辆车身相对于地面的转角，而非相对非簧载质量的转角）。其中粗黑线右上方代表互联状态开启优于互联状态关闭的行驶工况，粗黑线左下方代表互联状态关闭优于互联状态开启的行驶工况。 

根据表2、表3可清晰直观的比照得出各工况下较理想的互联状态。 

  

表2 非转弯工况

 ；

 表3 转弯工况

。

 步骤三：控制算法的形成与写入。将表2、3反映的规律根据表1所示互联状态控制的基本控制要求，以函数语言加以总结，可形成互联状态控制算法，即完成了针对该车型的控制算法标定。将控制算法写入ECU5，便形成了可供用户使用，可实现互联状态实施控制，在保障行驶安全性的同时提升车辆行驶平顺性的互联状态控制中枢。 

例如，图4即为将表2、表3中所示结果总结而成的控制算法关系图。此算法可以函数语言表达： 

当行驶工况处于非转弯工况时，将表2中数据作线性拟合为：

                   （1）

y是行驶车速，x是路面不平度系数；

当行驶工况处于转弯工况时，将表3中数据作线性拟合为：

                   （2）

将式（1）和式（2）所表达的函数关系绘制为图线，则得到图4。图4中，图4中横坐标为路面不平度系数，纵坐标为行驶车速。 较长的那条灰色带M是根据式（1）函数关系绘制所得，较短的那条灰色带N是根据式（2）函数关系绘制所得。

图4是写入ECU5的互联状态控制语句的图像化表达，ECU5根据信息预处理系统3及CAN总线通讯系统2提供的路面信息及行驶车速信息，即可判断当前行驶工况处于图4中的哪个位置。若当前行驶工况处于较长灰色带M左上侧，则无论当前车辆是否处于转弯工况，互联状态均关闭；若恰处于较长灰色带M之中，则若当前处于转弯工况，关闭互联状态，若处于非转弯工况，保持当前互联状态；若处于两条灰色带之间，则若当前处于转弯工况，关闭互联状态，若处于非转弯工况，开启互联状态；若恰处于较短灰色带N之中，则若当前处于转弯工况，保持当前互联状态，若处于非转弯工况，开启互联状态；若处于较短灰色带N的右下方，无论当前车辆是否处于转弯工况，均开启互联状态。 

在将控制关系写入ECU5后，参见图5，行车过程中互联控制的实现方法具体如下： 

步骤一：行车过程中，实时监测与采集路面不平度信息、车速信息与转向盘转角信息。利用簧下质量加速度采集系统1实时监测簧下质量加速度信息，由CAN总线通讯系统2提供车速信息，由转向盘转角传感器4提供与转向盘转角信息。簧下质量加速度信息实时传递至信息预处理系统3，转向盘转角信息则不经预处理实时传递至ECU5，车速信息同时传递至信息预处理系统3和ECU5。

步骤二：信息预处理系统3根据簧下质量加速度采集系统1、CAN总线通讯系统2提供的集簧下质量加速度信息、车速信息计算路面不平度信息，并发送至ECU5。 

步骤三：信息预处理系统3对所采集路面不平度信息、车速信息进行滤波处理，每隔数秒钟，将数秒内路面不平度与车速均值发送至ECU 5，而转向盘转角信息则不经过信息预处理系统3，实时传递至ECU 5。ECU5将当前路面不平度信息（每隔数秒更新一次）、车速信息（每隔数秒更新一次）与转向盘转角（实时更新）这三个信息与控制算法比照，根据互联状态控制算法，判断系统当前工况下理想的互联状态。若理想互联状态为“互联”，则ECU5向互联状态控制执行系统输出高电平信号；若理想互联状态为“非互联”，则输出低电平信号。互联状态控制执行系统中的互联状态控制驱动模块7接收此信号，若为高电平，则向互联电磁阀8供电，控制互联电磁阀8打开，左右空气弹簧互联；若为低电平，则不向互联电磁阀8供电，控制互联电磁阀8关闭，左右空气弹簧中断互联。 

Claims (7)

1.一种横向互联空气悬架互联状态控制系统，包括用于采集车辆转向盘转角信息的转向盘转角传感器（4）、从车辆CAN总线中获取车辆车速信息的CAN总线通讯系统（2）以及由若干簧下质量加速度传感器（9）、传感器信号传输线组成的簧下质量加速度采集系统（1），其特征是：每个簧下质量加速度传感器（9）均通过传感器信号传输线将加速度信息传输至信号预处理系统（3），信号预处理系统（3）的输出连接ECU（5）的输入，CAN总线通讯系统（2）的输出分别连接信息预处理系统（3）的输入和ECU（5）的输入，ECU（5）集成有互联状态控制算法，ECU（5）的输出通过信号传输线连接互联状态控制驱动模块（7），互联状态控制驱动模块（7）的输出通过控制线连接互联电磁阀（8），转向盘转角传感器（4）的输出通过信号传输线连接ECU（5）的输入。

2.根据权利要求1所述横向互联空气悬架互联状态控制系统，其特征是：电源系统（6）通过电源线分别对簧下质量加速度采集系统（1）、信号预处理系统（3）、转向盘转角传感器（4）、ECU（5）、互联状态控制驱动模块（7）供电。

3.根据权利要求2所述横向互联空气悬架互联状态控制系统，其特征是：互联电磁阀（8）位于连接左右空气弹簧的互联管路之间。

4.一种如权利要求1所述横向互联空气悬架互联状态控制系统的控制方法，其特征是包括以下步骤：

1）行车过程中，转向盘转角传感器（4）提供转向盘转角信息给ECU（5），簧下质量加速度采集系统（1）实时监测簧下质量加速度信息给信号预处理系统（3），CAN总线通讯系统（2）提供车速信息给信号预处理系统（3）和ECU（5），信号预处理系统（3）对输入的车速信息和加速度信息进行信号放大、滤波并计算出路面不平度，将路面不平度信息提供给ECU（5）；

2）ECU（5）以车速信息、路面不平度信息和转向盘转角信息为输入，以“互联状态开启”和“互联状态关闭”输出，根据互联状态控制算法，判断当前工况下互联状态，若互联状态为“互联”，则ECU（5）输出高电平信号，互联状态控制驱动模块（7）接收此信号，控制互联电磁阀（8）打开，左右空气弹簧互联；若互联状态为“非互联”， 则ECU（5）输出低电平信号，互联电磁阀（8）关闭，左右空气弹簧中断互联。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征是：互联状态控制算法是根据路面质量的好坏、车辆转弯和非转弯的状况来确定互联状态开启和关闭，在车辆行驶于不良路面时开启互联状态，在车辆转弯时关闭互联状态，在同时处于或同时不处于这两种工况时，互联状态开闭由车速决定，车速较低时开启，车速较高时关闭。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征是：互联状态控制算法的实施步骤如下：

1）针对车型样车，在A、B、C、D、E不同路面等级、两种转向盘转角、行驶车速、互联与非互联状态各种工况下进行道路试验，采集试验中车身侧倾角变化信息；

2）利用信号预处理系统（3）对车身侧倾角变化信息进行滤波处理，计算其在稳态转向试验过程中的车身侧倾角的均方根值，并将各种工况下的试验结果数据制成表格，对比互联与非互联状态下的车身侧倾角均方根值；若互联状态车身侧倾角均方根值小于非互联状态，则此种工况下互联状态应开启；反之，互联状态应关闭；

3）将步骤2）中的表格中的数据作线性拟合，绘成路面不平度系数和行驶车速的关系图，将关系图写入ECU5作为互联状态控制算法。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征是：步骤1）中的两种转向盘转角分别是转弯工况和非转弯工况中的转向盘转角，非转弯工况中的转向盘转角为转弯工况转角的十分之一，但不为0。