CN107985004A - 一种横向互联空气悬架减振器阻尼博弈控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车辆空气悬架系统中的横向互联空气悬架减振器阻尼博弈控制系统，传感器和电磁阀的输出均经CAN总线通讯系统连接集成合作博弈控制算法的ECU，ECU由信息发布模块、操稳性控制模块、博弈协调模块和平顺性控制模块组成，操稳性控制模块输出的是车辆操纵稳定性阻尼控制信号，平顺性控制模块输出的是车辆平顺性阻尼控制信号，博弈协调模块输出的总阻尼控制信号输入至阻尼控制驱动模块；通过对车辆平顺性的输出阻尼和操作稳定性的输出阻尼进行了博弈控制，通过Shapley值法来对平顺性和稳定性进行贡献值平均值的估算和合作收益的公平分配，能显著提升车辆的行驶平顺性和操纵稳定性。

Description

一种横向互联空气悬架减振器阻尼博弈控制系统

技术领域

本发明涉及车辆空气悬架系统领域，具体涉及一种横向互联空气悬架减振器阻尼控制系统。

背景技术

空气悬架采用空气弹簧作为弹性元件，可以获得较低的悬架系统固有频率，并在载荷变化时，系统固有频率变化不大，从而提高了汽车的行驶平顺性；另一方面，空气悬架通过空气弹簧的充气与放气主动控制车身与地面间的距离，满足特殊工况对车身高度的要求。互联空气悬架是在传统空气悬架的基础上，利用管路将空气悬架中的空气弹簧连接起来。横向互联空气悬架是将同一车轴上左右空气弹簧通过互联管路相连，能极大提升车辆行驶的平顺性和空气悬架的隔振性能，但是却会降低空气悬架的侧倾刚度。

中国专利公开号为CN103899698 B文献中提供了一种商用车智能变阻尼减震系统，通过测量悬架与车身纵梁之间的间距变化计算出负载，然后根据负载调节减振器的过液小孔的有效孔径，实现对减振器阻尼力的控制。但是该系统未涉及互联空气悬架的变阻尼控制，且并没有将车辆行驶的平顺性和操纵稳定性兼顾到减振器阻尼控制的系统内。

博弈论是现代数学的一个新分支，也是运筹学的一个重要学科，博弈论主要研究公式化了的激励结构间的相互作用，是研究具有斗争和竞争性质现象的数学理论和方法，博弈论考虑个体的预测行为和实际行为，并研究他们的优化策略。现有的合作博弈理论中有Shapley值（沙普利值）法，Shapley值法是隶属于博弈论的一种数学方法，是指所得与自己的贡献相等，是一种分配方式。Shapley值法通过考虑各个代理做出的贡献，来公平地分配合作收益，代理i的沙普利值是i对一个合作项目所期望的贡献量的平均值，Shapley值法给合作博弈在理论上的重要突破及其以后的发展带来了重大影响。

发明内容

针对现有车辆横向互联空气悬架的控制系统考虑互联状态开闭的同时并不能同时兼顾平顺性和操纵稳定性的不足，本发明提供一种基于博弈控制的横向互联空气悬架减振器阻尼博弈控制系统，提高了车辆在各工况下的平顺性和操纵稳定性。

本发明所述的一种横向互联空气悬架减振器阻尼博弈控制系统采用的技术方案：包括采集簧载质量加速度Z信息的簧载质量加速度传感器、采集悬架动行程S_l及动行程变化率S_v信息的车身高度传感器、采集车身侧倾角θ信息的陀螺仪传感器以及提供互联状态H信息的前后互联悬架互联电磁阀，每个所述传感器和所述电磁阀的输出均经CAN总线通讯系统连接集成合作博弈控制算法的ECU，ECU的输出经阻尼控制驱动模块连接阻尼控制执行模块；所述的ECU由信息发布模块、操稳性控制模块、博弈协调模块和平顺性控制模块组成，信息发布模块的输入与CAN总线通讯系统的输出连接，信息发布模块将悬架动行程S_l及动行程变化率S_v信息输入至平顺性控制模块，将车身侧倾角θ和互联电磁阀互联状态H信息输入至操稳性控制模块，将簧载质量加速度和车身侧倾角θ信息输入至博弈协调模块，操稳性控制模块输出的是车辆操纵稳定性阻尼控制信号C_v，平顺性控制模块输出的是车辆平顺性阻尼控制信号C_p，阻尼控制信号C_v和C_p均输入至博弈协调模块，博弈协调模块输出的是总阻尼控制信号C，总阻尼控制信号C输入至阻尼控制驱动模块。

进一步地，合作博弈控制算法根据平顺性阻尼控制信号C_p 对总阻尼控制信号C期望的贡献量的平均值l₁和操稳性阻尼控制信号C_v对总阻尼控制信号C期望的贡献量的平均值l₂计算得到总阻尼控制信号。

更进一步地，定义为平顺性阻尼控制信号C_p参与博弈的功能指标，定义为操稳性阻尼控制信号C_v参与博弈的功能指标，根据博弈矩阵建立合作博弈Shapley值的数学模型：

，

得到贡献量的平均值l₁和l₂；L为C_p和C_v的权重系数，L^T 为L的转置矩阵，L=(l₁,l₂)^T;I^T=(1,1)，t₁为任意时间起始时刻点，T为取样时间长度，Z为簧载质量加速度，θ为车身侧倾角，RMS代表均方根值，diag表示以对角元素J₁，J₂的对角矩阵。

本发明的有益效果是：本发明将博弈控制算法融入到悬架控制系统中，通过对控制系统里的车辆平顺性的输出阻尼和车辆操作稳定性的输出阻尼进行了博弈控制，能解决横向互联空气悬架控制系统未考虑互联状态开闭与车辆行驶平顺性和操纵稳定性不能同时兼顾的问题，其中通过Shapley值法来对车辆行驶平顺性和车辆操纵稳定性进行贡献值平均值的估算，然后进行合作收益的公平分配，取得的结果即最佳的阻尼控制方案，该系统能降低车辆簧载质量加速度均方根值、悬架动行程均方根值以及车身侧倾角均方根值，显著提升车辆的行驶平顺性和操纵稳定性。

附图说明

图1为本发明一种横向互联空气悬架博弈控制系统的构造框图；

图2为图1中集成阻尼控制算法的ECU的构造框图；

图3为图1中横向互联空气悬架博弈控制系统和互联悬架空间布置示意图；

图3中：1.前右簧载质量加速度传感器；2.后右簧载质量加速度传感器；3.后左簧载质量加速度传感器；4.前左簧载质量加速度传感器；5.前右车身高度传感器；6.后右车身高度传感器；7.后左车身高度传感器；8.前左车身高度传感器；9.前右磁流变阻尼减振器；10.后右磁流变阻尼减振器；11.后左磁流变阻尼减振器；12.前左磁流变阻尼减振器；13.前互联电磁阀；14.陀螺仪传感器；15.减振器阻尼博弈控制系统集成；16.后互联电磁阀。

具体实施方式

如图1所示，本发明横向互联空气悬架减振器阻尼控制系统由簧载质量加速度传感器、车身高度传感器、陀螺仪传感器、前后互联悬架互联电磁阀、CAN总线通讯系统、集成合作博弈控制算法的ECU、阻尼控制驱动模块和阻尼控制执行模块组成。簧载质量加速度传感器采集车辆簧载质量加速度Z信息，车身高度传感器采集悬架动行程S_l及动行程变化率S_v信息，陀螺仪传感器采集车身侧倾角θ信息，前后互联悬架互联电磁阀能提供电磁阀互联状态H信息。

CAN总线通讯系统的输入与簧载质量加速度传感器、车身高度传感器、陀螺仪传感器、前后互联悬架互联电磁阀的输入相连，CAN总线通讯系统从簧载质量加速度传感器获得簧载质量加速度Z信息、从车身高度传感器获得悬架动行程S_l及动行程变化率S_v信息、从陀螺仪传感器获得车身侧倾角θ信息、从前后互联悬架互联电磁阀获得前后互联悬架互联电磁阀互联状态H信息。CAN总线通讯系统的输出与集成合作博弈控制算法的ECU的输入连接，CAN总线通讯系统将簧载质量加速度Z信息、悬架动行程S_l及动行程变化率S_v信息、车身侧倾角θ信息和前后互联悬架互联电磁阀互联状态H信息传递给集成合作博弈控制算法的ECU。

集成合作博弈控制算法的ECU的输入与CAN总线通讯系统的输出连接，集成合作博弈控制算法的ECU接收CAN总线通讯系统传递的簧载质量加速度Z信息、悬架动行程S_l及动行程变化率S_v信息、车身侧倾角θ信息和前后互联悬架互联电磁阀互联状态H信息；集成合作博弈控制算法的ECU的输出与阻尼控制驱动模块的输入连接，集成合作博弈控制算法的ECU输出的是减振器总阻尼控制信号C，将减振器总阻尼控制信号C传递给阻尼控制驱动模块。

阻尼控制驱动模块的输入连接集成合作博弈控制算法的ECU的输出，集成合作博弈控制算法的ECU将计算后得出总阻尼控制信号C提供给阻尼控制驱动模块。当需要加大阻尼系数时，ECU输出放大电流的阻尼控制信号C₁至阻尼控制驱动模块，当需要减小阻尼系数时，ECU输出减小电流的阻尼控制信号C₂至阻尼控制驱动模块。阻尼控制驱动模块的输出连接阻尼控制执行模块的输入，阻尼控制驱动模块将总阻尼控制信号C转化成阻尼控制的电流信号A传递给阻尼控制执行模块，阻尼控制驱动模块传递放大电流的阻尼控制电流信号A₁至阻尼控制执行模块时，阻尼控制执行模块阻尼系数变大，阻尼控制驱动模块传递减小电流的阻尼控制电流信号A₂至阻尼控制执行模块时，阻尼控制执行模块中阻尼系数变小。

阻尼控制执行模块为磁流变阻尼减振器，阻尼控制执行模块接收阻尼控制驱动模块的阻尼控制电流信号A，并执行相应的指令。当有放大电流的阻尼控制电流信号A₁输入时，磁流变阻尼减振器内产生强磁场，使得减振器阻尼系数增大，当有减小电流的阻尼控制电流信号A₂输入时，磁流变阻尼减振器内产生弱磁场，使得减振器阻尼系数减小。

如图2所示的集成合作博弈控制算法的ECU，其由信息发布模块、操稳性控制模块、博弈协调模块和平顺性控制模块组成。信息发布模块的输入与CAN总线通讯系统的输出连接，信息发布模块用于集成合作博弈控制算法的ECU和CAN总线通讯系统之间通讯，从车辆CAN总线中获取悬架动行程S_l及动行程变化率S_v信息、簧载质量加速度Z信息、车身侧倾角θ信息和前后互联悬架互联电磁阀互联状态H信息。信息发布模块的输出分别与操稳性控制模块、博弈协调模块和平顺性控制模块的输入相连接，信息发布模块将悬架动行程S_l及动行程变化率S_v信息传递给平顺性控制模块，将车身侧倾角θ和前后互联悬架互联电磁阀互联状态H信息传递给操稳性控制模块，将簧载质量加速度和车身侧倾角θ信息传递给博弈协调模块。

操稳性控制模块接收信息发布模块输入的车身侧倾角θ和前后互联悬架互联电磁阀互联状态H信息，操稳性控制模块的输出与博弈协调模块的输入连接。操稳性控制模块内置有模糊神经逻辑控制器，模糊神经控制器的输出连接博弈协调模块的输入。模糊神经逻辑控制器读取车身侧倾角θ信息后根据自身知识和决策能力，以降低车身侧倾角为控制目标，提高车辆行驶的操作稳定性；模糊神经逻辑控制器读取前后悬架电磁阀互联状态H信息后进行快速反应，直接触发推理模块，同时再根据车身侧倾角状态θ推理出车辆操纵稳定性的操稳性阻尼控制信号C_v，输出操稳性阻尼控制信号C_v至博弈协调模块。

平顺性控制模块接收信息发布模块输入的悬架动行程S_l及动行程变化率S_v信息，平顺性控制模块的输出与博弈协调模块的输入连接。平顺性控制模块内置有模糊神经逻辑控制器，该模糊神经控制器的输出连接博弈协调模块的输入。悬架动行程S_l及动行程变化率S_v信息输入到模糊逻辑控制器中，模糊逻辑控制器根据模糊推理规则对悬架动行程S_l及动行程变化率S_v信息计算，输出车辆平顺性阻尼控制信号C_p至博弈协调模块。

博弈协调模块的输入与信息发布模块、平顺性控制模块和操稳性控制模块的输出连接，博弈协调模块接收信息发布模块发布的簧载质量加速度和车身侧倾角的信息、平顺性控制模块传递的车辆平顺性阻尼控制信号C_p和操稳性控制模块传递的操稳性阻尼控制信号C_v，博弈协调模块的输出连接阻尼控制驱动模块的输入，博弈协调模块内置有合作博弈控制算法，根据合作博弈控制算法对簧载质量加速度Z、车身侧倾角θ、平顺性阻尼控制信号C_p和操稳性阻尼控制信号C_v进行处理，计算出阻尼控制信息，以总阻尼控制信号C的形式传递至阻尼控制驱动模块。

其中，合作博弈控制算法是根据合作博弈理论构造的，采用控制功能指标的平方和这个指标来反映控制效果。定义J₁为平顺性阻尼控制信号C_p参与博弈的功能指标，计算公式如下式(1)：

（1）

式中，t₁为任意时间起始时刻点，T为取样时间长度（取样时间为测试车辆在一定的车速下行驶的时间长度，一般取10s），Z为簧载质量加速度，RMS代表均方根值。

定义J₂为操稳性阻尼控制信号C_v参与博弈的功能指标，计算公式如下式(2)：

(2)

式中，t₁为任意时间起始时刻点，T为取样时间长度，为车身侧倾角，RMS代表均方根值。

则所构建的博弈矩阵M如下式(3)：

（3）

diag表示以对角元素J₁，J₂的对角矩阵。

则基于合作博弈Shapley值（沙普利值）的数学模型为:

（4）

式中，L为设计变量，即平顺性阻尼控制信号C_p和操稳性阻尼控制信号C_v的权重系数，L^T为L的转置矩阵（其他含T上标的同理都是转置矩阵），l₁为车辆行驶平顺性阻尼控制信号C_p对整车的总阻尼控制信号C期望的贡献量的平均值，l₂为车辆行驶操纵稳定性的操稳性阻尼控制信号C_p 对整车的总阻尼控制信号C期望的贡献量的平均值，L=(l₁,l₂)^T；I^T=(1,1)。

由数学模型得出实时的车辆行驶的平顺性阻尼控制信号C_p和车辆行驶的操纵稳定性阻尼控制信号C_v的贡献量的平均值l₁和l₂，即C_p和C_v的权重分布，再根据l₁、l₂的权重分配对车辆行驶的平顺性阻尼控制信号C_p和车辆行驶的操纵稳定性阻尼控制信号C_v进行计算得到由博弈协调模块输出的总阻尼控制信号C如下式（5）所示：

(5)。

如图3所示，本发明应用于四轮汽车时，需布置4个簧载质量加速度传感器和4个车身高度传感器。其中，前右簧载质量加速度传感器1安装于车辆的前右悬架正上方车身处，后右簧载质量加速度传感器2安装于车辆的后右悬架正上方车身处，后左簧载质量加速度传感器3安装于车辆的后左悬架正上方车身处，前左簧载质量加速度传感器4安装于车辆的前左悬架正上方车身处，每个簧载质量加速度传感器均通过信号传输线将簧载质量加速度信号传输至CAN总线通讯系统。4个车身高度传感器安装于悬架上方减振器与车身的连接处，前右车身高度传感器5安装于前右悬架上方减振器于车身连接处，后右车身高度传感器6安装于后右悬架上方减振器于车身连接处，后左车身高度传感器7安装于后左悬架上方减振器于车身连接处，前左车身高度传感器8安装于前左悬架上方减振器于车身连接处。每个车身高度传感器均通过信号传输线将悬架动行程S_l及动行程变化率S_v信号传输至CAN总线通讯系统。

布置4个磁流变阻尼减振器于悬架减振器侧面，前右磁流变阻尼减振器9安装在前右悬架减振器侧面，后右磁流变阻尼减振器10安装在后右悬架减振器侧面，后左磁流变阻尼减振器11安装在后左悬架减振器侧面，前左磁流变阻尼减振器12安装在前左悬架减振器侧面，每个磁流变减振器均可接收阻尼控制执行模块通过信号传输线传输过来的阻尼控制电信号。

布置1个陀螺仪传感器14于车身中央位置处，陀螺仪传感器通过信号传输线将车身侧倾角信号传输给CAN总线通讯系统。

在前后轴空气悬架互联管路中各布置一个互联电磁阀，其中前互联电磁阀13安装于前悬架互联管路位置处，用于控制前悬架互联管路的通断，同时将前轴空气悬架互联管路中的前互联电磁阀13的开闭信息通过信号传输线传递给CAN总线通讯系统。当前轴空气悬架互联管路前互联电磁阀13接收到高电平信号时，前互联电磁阀13打开，前轴左右空气弹簧互联状态开启；当前轴空气悬架互联管路中的前互联电磁阀13收到低电平信号时，前互联电磁阀13关闭，前轴左右空气弹簧互联状态关闭。其中后互联电磁阀16安装于后悬架互联管路位置处，用于控制后悬架互联管路的通断，同时将后轴空气悬架互联管路中的后互联电磁阀16的开闭信息通过信号传输线传递给CAN总线通讯系统。当后轴空气悬架互联管路后互联电磁阀16接收到高电平信号时，后互联电磁阀16打开，后轴左右空气弹簧互联状态开启；当后轴空气悬架互联管路中的后互联电磁阀16收到低电平信号时，后互联电磁阀16关闭，后轴左右空气弹簧互联状态关闭。将CAN总线通讯系统、信息发布模块、平顺性控制模块、操稳性控制模块、博弈协调模块、阻尼控制驱动模块和阻尼控制执行模块都集成为图3中的减振器阻尼博弈控制系统集成电路15。

行车过程中，4个簧载质量加速度传感器将采集簧载质量加速度Z信息、4个车身高度传感器将实时监控的悬架动行程S_l和动行程变化率S_v信息、陀螺仪传感器14将监控的车身侧倾角θ信息、前互联电磁阀13和后互联电磁阀16将表示互联状态H信息都提供给减振器阻尼博弈控制系统集成电路15中的CAN总线通讯系统，ECU对信息进行处理，判断当前工况下的总阻尼控制信号C，将总阻尼控制信号C传递给阻尼控制驱动模块，阻尼控制驱动模块输出相应的阻尼控制电流信号A至4个磁流变阻尼减振器，4个磁流变阻尼减振器随着阻尼控制电流信号A产生相应的阻尼变化，当阻尼控制驱动模块传输放大电流的阻尼控制电流信号A₁时，磁流变阻尼减振器产生强磁场，使得减振器阻尼系数变大；当阻尼控制驱动模块传输减小电流的阻尼控制电流信号A₂时，磁流变阻尼减振器产生弱磁场，使得减振器阻尼阻尼系数变小。

Claims (5)

1.一种横向互联空气悬架减振器阻尼博弈控制系统，包括采集簧载质量加速度Z信息的簧载质量加速度传感器、采集悬架动行程S_l及动行程变化率S_v信息的车身高度传感器、采集车身侧倾角θ信息的陀螺仪传感器以及提供互联状态H信息的前后互联悬架互联电磁阀，其特征是：每个所述传感器和所述电磁阀的输出均经CAN总线通讯系统连接集成合作博弈控制算法的ECU，ECU的输出经阻尼控制驱动模块连接阻尼控制执行模块；所述的ECU由信息发布模块、操稳性控制模块、博弈协调模块和平顺性控制模块组成，信息发布模块的输入与CAN总线通讯系统的输出连接，信息发布模块将悬架动行程S_l及动行程变化率S_v信息输入至平顺性控制模块，将车身侧倾角θ和互联电磁阀互联状态H信息输入至操稳性控制模块，将簧载质量加速度和车身侧倾角θ信息输入至博弈协调模块，操稳性控制模块输出的是车辆操纵稳定性阻尼控制信号C_v，平顺性控制模块输出的是车辆平顺性阻尼控制信号C_p，阻尼控制信号C_v和C_p均输入至博弈协调模块，博弈协调模块输出的是总阻尼控制信号C，总阻尼控制信号C输入至阻尼控制驱动模块。

2.根据权利要求1所述的一种横向互联空气悬架减振器阻尼博弈控制系统，其特征是：合作博弈控制算法根据平顺性阻尼控制信号C_p 对总阻尼控制信号C期望的贡献量的平均值l₁和操稳性阻尼控制信号C_v对总阻尼控制信号C期望的贡献量的平均值l₂计算得到总阻尼控制信号。

3.根据权利要求2所述的一种横向互联空气悬架减振器阻尼博弈控制系统，其特征是：定义为平顺性阻尼控制信号C_p参与博弈的功能指标，定义为操稳性阻尼控制信号C_v参与博弈的功能指标，根据博弈矩阵建立合作博弈Shapley值的数学模型

，

得到贡献量的平均值l₁和l₂；L为C_p和C_v的权重系数，L^T 为L的转置矩阵，L=(l₁,l₂)^T;I^T=(1,1)，t₁为任意时间起始时刻点，T为取样时间长度，Z为簧载质量加速度，θ为车身侧倾角，RMS代表均方根值，diag表示以对角元素J₁，J₂的对角矩阵。

4.根据权利要求1所述的一种横向互联空气悬架减振器阻尼博弈控制系统，其特征是：操稳性控制模块和平顺性控制模块各内置有模糊神经逻辑控制器，模糊神经控制器的输出连接博弈协调模块的输入。

5.根据权利要求1所述的一种横向互联空气悬架减振器阻尼博弈控制系统，其特征是：阻尼控制执行模块为磁流变阻尼减振器，当有放大电流的阻尼控制电流信号输入时，减振器内产生强磁场，阻尼系数增大，当有减小电流的阻尼控制电流信号输入时，减振器内产生弱磁场，阻尼系数减小。