CN107499271B - 一种基于电控空气悬架的客车防侧翻控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电控空气悬架和电控制动系统的客车防侧翻控制系统，该系统根据客车行驶状态预测客车侧翻危险，当监测到客车即将有侧翻危险时，系统通过蜂鸣器和警示指示灯警示驾驶员，及时调整连接客车车身和车桥左右侧空气弹簧的进排气状态，增加客车外侧悬架刚度，同时通过重新调整各轮之间的垂向载荷分配，增加制动轮上的垂向载荷，使系统通过差动制动方法施加充足的制动力矩，防止制动时制动轮抱死或者车轮制动力不足。该系统能够利用客车现有电控空气悬架和制动系统，通过悬架系统和制动系统协调控制的方式有效地对客车进行侧翻控制，提高客车防侧翻性能，降低客车侧翻事故的发生率，且控制算法方便移植。

Description

一种基于电控空气悬架的客车防侧翻控制方法

技术领域

本发明属于汽车主动安全技术领域，具体涉及一种基于电控空气悬架和电控制动系统的客车防侧翻控制系统和一种防侧翻控制方法。

背景技术

随着道路交通设施的飞速发展，客车产量与质量都有了质的提升。公路客运便利性和舒适性的提升也促使愈来愈多的人选择公路客运，但是由于长度较长、质心较高、垂向载荷变化大等特点，客车更容易发生侧翻失稳，且侧翻事故多为重、特大交通事故，伤亡人数多，事故严重度高。电控空气悬架系统(Electrically Controlled Air Suspension，简称ECAS)能够在良好路面上调整悬架参数提高车辆舒适性和平顺性，或者不平路面上调整空气弹簧的进排气量提高车辆的操纵稳定性，同时具有结构简单、容易安装等优点。在国外，轿车、客车和中重型载货车已广泛应用了该系统，国内现在豪华大客车和高配置的载货车上的也开始普及。因此，利用电控空气悬架进行侧翻控制的研究也开始展开。

国内专利申请公布号为CN205112912U，实用新型名称为：一种车辆防侧翻控制系统，申请日为2015年11月20日，申请号为201520927626.7，该实用新型文件介绍了一种利用弯道处车身质量、车速以及弯道信息，主动调节车辆悬架刚度，获得车身两侧高度调节，从而避免在弯道转向的情况下转向发生侧翻。该系统借助无线通讯，实现车辆信息与弯道信息的连接。这种信息交互的实现需要借助道路旁的通讯装置和处理器模块，在当前道路上不易实现。

国内专利申请公布号为CN104476999A，发明专利名称为：一种基于空气悬架调节的运输车辆主动防侧翻控制系统，申请日为2014年12月9日，申请号为201410748186.9，该专利通过采集运输车辆的加速度信号、转向盘转角信号、车身高度信号，借助空气弹簧实现车辆防侧翻控制。考虑到空气弹簧充放气的时间要求和车辆侧翻的瞬时性，仅仅依靠空气弹簧来调节车辆姿态实现防侧翻效果不太理想。类似思路的还有申请公布号为CN105882347A的专利。

国内专利申请公布号为CN105620220A，发明专利名称为：商用车电控悬架及侧倾纠偏系统，申请日为2016年2月24日，申请号为201610101124.8，该专利设计了一套阻尼-拉力复合器和横置连杆滑块机构来实现车辆防侧翻控制功能。将车辆左右两侧的悬架倾斜布置，利用弹簧力和阻尼力分解的垂直分力和水平分力实现车身姿态和重心位置的纠正。相比于其他对车辆底盘改动较大、成本较高的防侧翻控制机构，本发明对车辆底盘改动较小、成本较低。但是还是需要在原车基础上改动或者重新布置，对于量产车型来说，工作量大。类似思路的还有申请公布号为CN1970325A、CN102424047A等专利。

发明内容

本发明的目的在于搭建一种基于电控空气悬架和电控制动系统的客车防侧翻控制系统，该系统能够在保证不需要对原车进行改动的情况下，提前预测客车侧翻危险，利用制动系统和空气悬架实现客车防侧翻，最大程度减少空气悬架响应延迟对侧翻控制的影响。

本发明提供的技术方案为：

一种基于电控空气悬架和电控制动系统的客车防侧翻控制系统，包括：

电控空气悬架，所述电控空气悬架用于进行刚度调节和轴荷分配；

控制系统，其集成设置在所述电控空气悬架上，包括：

预警模块，其根据压力传感器获取客车各轮垂向载荷状态，根据垂向载荷状态和车辆行驶状态判断客车侧翻状态；

决策模块，其根据预警模块传递的侧翻信息进行决策控制；

执行模块，其根据决策模块传来的控制信号控制高度控制电磁阀和制动器的动作，保证客车的行驶安全性；

电控制动系统，其用于实现差动制动，利用垂直载荷的重分配，实现差动制动防侧翻性能的最大化。

优选的是，所述电控空气悬架，包括：

车架；

空气弹簧，其设置在所述车架顶部，用于调节车身高度；

储气罐，其内部具有高压气体，连通所述空气弹簧，用于向所述空气弹簧注入气体；

预警装置，其设置在所述客车中控台上，包括蜂鸣器和指示灯；

传感装置，包括：轮速传感器，压力传感器，高度传感器。

优选的是，所述电控制动系统，包括：

高度控制电磁阀，其设置在所述空气弹簧和所述储气罐之间，以调节空气弹簧的高度；

制动电磁阀，其连接客车制动系统，以实现客车制动系统的差动制动功能。

一种基于电控空气悬架的客车防侧翻控制方法，包括：

首先，预警模块预测客车侧翻危险，通过压力传感器获取当前各轮垂向载荷值，并根据所述垂向载荷值计算侧翻指标值，并将其与预设的侧翻阈值相比较，记下第一次满足侧翻条件时的步数，得到此时的侧翻预警时间；

然后，将其侧翻预警时间与预设的侧翻预警时间相比，

如果大于预设的侧翻预警时间，则不进行预警；

如果小于或者等于预设的侧翻预警时间，则发出预警信号，通过蜂鸣器和警示指示灯的方式提示驾驶员，并且将其信号传递给决策模块；

所述决策模块决策出制动电磁阀启闭信号并将其传递给执行模块。

优选的是，所述决策模块，包括：

上层决策部分，其接收来自所述预警模块的信号，结合当前的客车行驶状态信息，采用优化控制算法决策最优的横摆力矩和电磁阀的启闭时间，根据电磁阀的启闭时间来调整各轮垂向载荷状态；

下层决策控制部分，其接收所述上层决策部分传递的最优横摆力矩，根据车辆的行驶特性，确定制动力矩的大小和制动轮，利用制动力矩和制动压力的关系，确定所需的制动压力值，利用制动压力和制动电磁阀的启闭时间的关系，决策出制动电磁阀启闭信号，并将此信号和和高度控制电磁阀启闭信号传递给执行模块。

优选的是，所述的执行模块，包括：

高度控制电磁阀，其接收所述决策模块发出的高度控制电磁阀启闭信号，通过控制空气弹簧的进排气实现高度调节和垂向载荷转移的功能；

制动电磁阀，其接收所述决策模块传递的制动电磁阀启闭信号，实现客车制动系统的差动制动功能。

优选的是，所述的电控空气悬架在正常行驶工况下通过控制高度控制电磁阀调节客车行驶舒适性，当预警模块监测到客车即将发生侧翻危险时，控制器以行驶安全性为目的调节高度控制电磁阀。

优选的是，侧翻指标值的计算公式为：

其中，LTR为侧翻指标值，F_ZR为右侧轮胎垂向载荷力，F_ZL为左侧轮胎垂向载荷力，/>

优选的是，所述优化控制算法，包括以下步骤：

步骤一、计算最优制动力矩：

△M_rsc＝-K·X(t)＝-K₁·△β(t)-K₂·△r(t)

其中，K为反馈系数；令K＝[K₁,K₂]，X(t)为输入的状态变量矩阵，△β(t)为车身位移，△r(t)为轮胎位移；

步骤二、根据车辆行驶状态，计算空气弹簧高度调节值，

其中，左前轮空气弹簧高度调节值：

右前轮空气弹簧高度调节值：

左后轮空气弹簧高度调节值：

右后轮空气弹簧高度调节值：

其中，δ为前轮转角，u为车速；v为车体在固定坐标系下的横向速度，r为横摆角速度；T_f为前轮轮距；T_r为后轮轮距，F_x1为左前轮垂向负荷，F_x2为右前轮垂向负荷，F_x3为左后轮垂向负荷，F_x4为右后轮垂向负荷，a是汽车质心距前轴距离，b是质心距后轴距离；

步骤三、利用制动力矩和制动压力的关系，确定所需的制动压力值：

式中：△P_ii＝1234为制动轮缸压力；△M为补偿横摆力矩；R_w为车轮半径；S_c为制动气室的有效作用半径；R_c为制动器的有效作用半径；△x_i，i＝1234为空气弹簧高度调节值；

步骤四、根据制动压力值计算制动电磁阀开启时间为t；

其中，m为整车质量，π为圆周率，L为轴距，g为重力加速度，λ为稳定比例因数，V_t为空气弹簧的最大容积，S为空气弹簧截面积。

本发明的有益效果

(1)该系统不需要对原车进行任何变动即可实现客车的防侧翻控制，利用车载传感器即可实现预警、决策、控制的功能；

(2)该系统通过预警模块提前监测车辆的侧翻情况，弥补了空气弹簧响应延迟的不足，同时预警模块的预警时间可以根据不同驾驶员的驾驶风格进行选择，避免系统误警和漏警；

(3)该系统通过制动系统和空气悬架进行防侧翻协调控制，避免了单一控制系统进行防侧翻控制的不足，同时加强了差动制动技术侧翻控制的效果；

(4)该系统的决策模块采用分层结构设计，通过上层控制模块与底层控制模块的分工协调，提高整个电控系统的运算速度，缩短控制周期。

附图说明

图1为本发明所述的客车防侧翻控制系统控制流程图。

图2为本发明所述的电控空气悬架布置图。

图3为本发明所述的客车防侧翻控制系统的预警模块工作原理流程图。

图4为本发明所述的客车防侧翻控制系统的决策模块的工作原理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明所述的该系统客车防侧翻控制系统包括预警模块1、决策模块2和执行模块3，其中预警模块1根据压力传感器10采集客车各轮空气弹簧内部的压力信息，通过此值计算各轮垂向载荷状态，根据垂向载荷状态和车辆行驶状态判断客车运行状态；决策模块2根据预警模块传递的侧翻信息，决策高度控制电磁阀11和制动电磁阀的启闭时间，将此控制信号传递给执行模块3；执行模块3根据决策模块2传来的控制信号控制高度控制电磁阀11和制动器的动作，保证客车的行驶安全性。

如图2所示，本发明所述的电控空气悬架系统包括储气罐5、控制器6、高度传感器7、空气弹簧8、压力传感器10和高度控制电磁阀11，其中，储气罐5用来储存高压气体，控制器6接收车载传感器信号、压力传感器10、轮速传感器等，决策控制信号，控制高度控制电磁阀11的启闭和制动系统；高度传感器7用于测量车身高度信息；空气弹簧8作为车身高度调节和各轮垂向载荷分配的执行器；压力传感器10用于监测空气弹簧内部压力，用于提供各轮垂向载荷信息；高度控制电磁阀11用于接收控制器6决策的控制信号来控制高度控制电磁阀11的启闭，进而控制空气弹簧的进排气量，从而起到高度调节和各轮垂向载荷调节的作用。

如图3所示，本发明所述的预警模块1内置车辆简化模型，通过压力传感器10获取当前各轮垂向载荷值，根据当前时刻的运行状态为初始值，按照侧翻规律以一定步长Ts计算侧翻指标值LTR并将其与预设的侧翻阈值LTR＝0.85相比较，记下第一次满足侧翻条件时的步数N，得到此时的侧翻预警时间将该侧翻预警时间与预设的侧翻预警时间3s相比，如果大于预设的侧翻预警时间，则不进行预警，如果小于或者等于预设的侧翻预警时间，则发出预警信号，通过蜂鸣器和警示指示灯的方式提示驾驶员，并且将其信号传递给决策模块2；

本实例中内置的车辆简化模型为线性二自由度汽车模型，其状态方程可以表示为：

式中：横摆角速度：

汽车质心偏向角：

稳定因数：

其中，k₁为线性二自由度模型前轴侧偏刚度，k₂为线性二自由度模型后轴侧偏刚度，a是汽车质心距前轴距离，b是质心距后轴距离，m为整车质量，v_x为汽车横向行驶速度，L为前轮轮距，δ为汽车前轮转角，I_z为整车转动惯量，u为车速。

本实施例中，侧翻指标值LTR的计算公式如下：

其中，F_ZR为右侧轮胎垂向载荷力，F_ZL为左侧轮胎垂向载荷力，规定：当左右轮胎载荷相等时，LTR＝0，而当发生侧翻危险时，LTR的绝对值为1，为保证行驶安全，本实例中的横向转移阈值LTR_thres＝0.85。

如图4所示，本发明所述的决策模块2包括上层决策部分和下层决策部分，其中上层决策部分接收来自预警模块1的信号，结合当前的客车行驶状态信息，采用LQR优化控制算法决策最优的横摆力矩和高度控制电磁阀11的启闭时间，根据高度控制电磁阀11的启闭来调整各轮垂向载荷状态，下层决策控制部分接收上层决策部分传递的最优横摆力矩，本实例选取前外轮为制动轮，由此利用动力学关系可以计算制动力矩的大小，利用制动力矩和制动压力的关系，确定所需的制动压力值，利用制动压力和制动电磁阀的启闭时间的关系，决策出制动电磁阀启闭信号，并将此信号和和高度控制电磁阀启闭信号传递给执行模块3；

选取评价指标：

其中，J为性能指标，u(t)为输入悬架的最优控制力矩阵，Q和R为权系数矩阵，Q为对称正定矩阵，R为对称正定矩阵，X(t)为输入的状态变量矩阵；

根据LQR方法，最优控制量表示为：

反馈系数K为：

K＝R^-1·B^T·P

其中，m_b为簧载质量，m_w为非簧载质量；

P可以通过解算如下黎卡提方程，得到：

P·A+A^TP-P·B·R^-1·B^T·P+Q＝0

其中，c_s为悬架阻尼系数，k_s为轮胎刚度系数，f₀为下截止频率；

令K＝[K₁,K₂]，R＝1，则

△M_rsc＝-K·X(t)＝-K₁·△β(t)-K₂·△r(t)

其中，K为反馈系数；令K＝[K₁,K₂]，X(t)为输入的状态变量矩阵，△β(t)为车身位移，△r(t)为轮胎位移；

根据车辆行驶状态，计算空气弹簧高度调节值，

其中，左前轮空气弹簧高度调节值：

右前轮空气弹簧高度调节值：

左后轮空气弹簧高度调节值：

右后轮空气弹簧高度调节值：

其中，δ为前轮转角，u为车速；v为车体在固定坐标系下的横向速度，r为横摆角速度；T_f为前轮轮距；T_r为后轮轮距，F_x1为左前轮垂向负荷，F_x2为右前轮垂向负荷，F_x3为左后轮垂向负荷，F_x4为右后轮垂向负荷，a是汽车质心距前轴距离，b是质心距后轴距离；

利用制动力矩和制动压力的关系，确定所需的制动压力值：

式中：△P_ii＝1234为制动轮缸压力；△M为补偿横摆力矩；R_w为车轮半径；S_c为制动气室的有效作用半径；R_c为制动器的有效作用半径；△x_i，i＝1234为空气弹簧高度调节值；

根据制动压力值计算制动电磁阀开启时间为t；

其中，m为整车质量，π为圆周率，L为轴距，g为重力加速度，λ为稳定比例因数，为0.23，V_t为空气弹簧的最大容积，S为空气弹簧截面积。

所述的执行模块包括高度控制电磁阀11和制动电磁阀，高度控制电磁阀11接收高度控制电磁阀启闭信号，通过控制空气弹簧8的进排气实现高度调节和垂向载荷转移的功能，制动电磁阀接收决策模块传递的制动电磁阀启闭信号，实现客车制动系统的差动制动功能。在正常行驶工况下，控制器6通过控制高度控制电磁阀11调节客车行驶舒适性，当预警模块1监测到客车即将发生侧翻危险时，控制器6以行驶安全性为目的调节高度控制电磁阀11，实现客车载荷向制动轮的转移，增加制动轮胎和路面的极限附着力。

该系统不需要对原车进行任何变动即可实现客车的防侧翻控制，利用车载传感器即可实现预警、决策、控制的功能；该系统通过预警模块提前监测车辆的侧翻情况，弥补了空气弹簧响应延迟的不足，同时预警模块的预警时间可以根据不同驾驶员的驾驶风格进行选择，避免系统误警和漏警；该系统通过制动系统和空气悬架进行防侧翻协调控制，避免了单一控制系统进行防侧翻控制的不足，同时加强了差动制动技术侧翻控制的效果；该系统的决策模块采用分层结构设计，通过上层控制模块与底层控制模块的分工协调，提高整个电控系统的运算速度，缩短控制周期。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (1)

1.一种基于电控空气悬架的客车防侧翻控制方法，其特征在于，包括：

首先，预警模块预测客车侧翻危险，通过压力传感器获取当前各轮垂向载荷值，并根据所述垂向载荷值计算侧翻指标值，并将其与预设的侧翻阈值相比较，记下第一次满足侧翻条件时的步数，得到此时的侧翻预警时间；

然后，将其侧翻预警时间与预设的侧翻预警时间相比，

如果大于预设的侧翻预警时间，则不进行预警；

如果小于或者等于预设的侧翻预警时间，则发出预警信号，通过蜂鸣器和警示指示灯的方式提示驾驶员，并且将其信号传递给决策模块；

所述决策模块决策出制动电磁阀启闭信号并将其传递给执行模块；

所述决策模块，包括：

上层决策部分，其接收来自所述预警模块的信号，结合当前的客车行驶状态信息，采用优化控制算法决策最优的横摆力矩和电磁阀的启闭时间，根据电磁阀的启闭时间来调整各轮垂向载荷状态；

下层决策控制部分，其接收所述上层决策部分传递的最优横摆力矩，根据车辆的行驶特性，确定制动力矩的大小和制动轮，利用制动力矩和制动压力的关系，确定所需的制动压力值，利用制动压力和制动电磁阀的启闭时间的关系，决策出制动电磁阀启闭信号，并将此信号和和高度控制电磁阀启闭信号传递给执行模块；

所述的执行模块，包括：

高度控制电磁阀，其接收所述决策模块发出的高度控制电磁阀启闭信号，通过控制空气弹簧的进排气实现高度调节和垂向载荷转移的功能；

制动电磁阀，其接收所述决策模块传递的制动电磁阀启闭信号，实现客车制动系统的差动制动功能；

所述的电控空气悬架在正常行驶工况下通过控制高度控制电磁阀调节客车行驶舒适性，当预警模块监测到客车即将发生侧翻危险时，控制器以行驶安全性为目的调节高度控制电磁阀；

侧翻指标值的计算公式为：

其中，LTR为侧翻指标值，F_ZR为右侧轮胎垂向载荷力，F_ZL为左侧轮胎垂向载荷力，/>

F_x1为左前轮垂向负荷，F_x2为右前轮垂向负荷，F_x3为左后轮垂向负荷，F_x4为右后轮垂向负荷；

所述优化控制算法，包括以下步骤：

步骤一、计算最优制动力矩：

△M_rsc＝-K·X(t)＝-K₁·△β(t)-K₂·△r(t)

其中，K为反馈系数；令K＝[K₁,K₂]，X(t)为输入的状态变量矩阵，△β(t)为车身位移，△r(t)为轮胎位移；

步骤二、根据车辆行驶状态，计算空气弹簧高度调节值，

其中，左前轮空气弹簧高度调节值：

右前轮空气弹簧高度调节值：

左后轮空气弹簧高度调节值：

右后轮空气弹簧高度调节值：

其中，δ为前轮转角，u为车速；v为车体在固定坐标系下的横向速度，r为横摆角速度；T_f为前轮轮距；T_r为后轮轮距，a是汽车质心距前轴距离，b是质心距后轴距离；

步骤三、利用制动力矩和制动压力的关系，确定所需的制动压力值：

式中：△P_ii＝1 2 3 4为制动轮缸压力；△M为补偿横摆力矩；R_w为车轮半径；S_c为制动气室的有效作用半径；R_c为制动器的有效作用半径；△x_i，i＝1 2 3 4为空气弹簧高度调节值；

步骤四、根据制动压力值计算制动电磁阀开启时间为t；

其中，m为整车质量，π为圆周率，L为轴距，g为重力加速度，λ为稳定比例因数，V_t为空气弹簧的最大容积，S为空气弹簧截面积。