CN108189637A - 一种应急救援车辆主动悬挂作动器控制量的数据融合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应急救援车辆主动悬挂作动器控制量的数据融合方法，激光雷达采集车前地形点云数据，通过坐标变换与速度传感器的值得到点云数据的绝对坐标，采用三次样条插值函数将离散点云数据连续化，形成车前地形连续高程信息，得到作动器部分伸长控制量；姿态测量单元实时采集车身姿态角信息，解算为控制车身姿态水平的作动器伸长量；将离散的车身姿态控制量与连续的路面高程信息进行数据融合形成主动悬挂作动器的最终控制量。本发明方法确保了车前地形高程信息和车身姿态调节量在时间上的一致性，解决了现有数据融合方法中不同时序的离散量‑离散量相加精度较差、算法复杂的问题，提高了应急救援车辆复杂路面行驶平顺性与操纵稳定性。

Description

一种应急救援车辆主动悬挂作动器控制量的数据融合方法

技术领域

本发明涉及应急救援车辆悬挂技术领域，尤其是一种应急救援车辆主动悬挂作动器控制量的数据融合方法。

背景技术

车辆悬挂系统的性能直接影响车辆行驶平顺性、操纵稳定性。应急救援车辆对悬挂系统有更高的性能要求，将主动悬挂应用于应急救援车辆可以解决现有应急救援车辆复杂路面行驶速度低、平顺性与操纵稳定性差的问题，提高应急救援车辆的机动性。主动悬挂技术将传统悬挂系统的弹簧、阻尼器替换为可控作动器，作动器的伸长量用于补偿路面不平度对车身姿态造成的影响。因此作动器伸长控制量解算的准确性将直接影响主动悬挂的性能表现。目前基于车前地形扫描的主动悬挂作动器控制，其控制量形成为不同时序的离散量-离散量相加，算法复杂且精度较差，对车辆作动器伸长控制量的解算存在较大的误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改善应急救援车辆复杂路面行驶速度低、平顺性与操纵稳定性差问题的应急救援车辆主动悬挂作动器控制量形成的数据融合方法。

为实现上述目的，本发明所述的数据融合方法包括以下步骤：

S100、激光雷达以固定的频率获取车前地形的离散点云数据，工控机通过坐标变换将极坐标形式下的点云数据转换为直角坐标，根据速度传感器积分得到的位移值将相对于激光雷达中心的点云数据相对坐标值转换为相对于车辆起始点的点云数据绝对坐标值；

S200、工控机将离散的点云数据通过三次样条插值函数生成一侧轮胎轨迹位置前的连续路面高程信息；

S300、工控机将连续路面高程信息传输至电控单元ECU中，所述电控单元将一定范围内的连续路面高程信息作为数据库存储起来，并定时更新数据库；

S400、姿态测量单元的周期为T，自车辆开始行驶，经历的时间为n·T，其中n为正整数；电控单元ECU采集速度传感器的值，通过积分运算得到n·T时间内车辆行驶位移S；

S500、电控单元ECU将位移信息S与存储的连续路面高程信息进行匹配，得到对应位移处的路面高程信息h，作动器此时的部分伸长控制量Δh₁＝-h，负号代表该控制量的变化方向与路面高程信息的变化方向相反；

S600、n·T时刻，姿态测量单元采集车身姿态角度信息，将姿态角度信息传输至电控单元ECU中，解算为保持车身姿态水平所需的主动悬挂作动器伸长控制量Δh₂；

S700、激光雷达测量数据存在误差、数据插值存在误差特别是点云数据中不含路面软硬程度的特征，n·T时刻主动悬挂作动器的最终伸长控制量为Δh＝Δh₁+Δh₂；

S800、电控单元ECU形成主动悬挂作动器伸长控制量Δh后，输出控制信号至作动器控制器；

S900、主动悬挂作动器控制器控制作动器动作。

进一步地，应急救援车辆主动悬挂系统的实现基于如下结构：车身、工控机、电控单元ECU、单横臂悬挂、车轮装置、作动器、作动器控制器、激光雷达、姿态测量单元AMU、速度传感器；所述工控机设置在车身上；电控单元ECU设置在车身上并与工控机连接；单横臂悬挂与车身活动连接；车轮装置与单横臂悬挂活动连接；作动器一端与单横臂悬挂活动连接，另一端与车身活动连接；作动器控制器设置在作动器的控制回路中并与电控单元ECU连接；激光雷达设置在车辆车头并与所述工控机连接，纵向扫描安装；姿态测量单元AMU设置在车身质心处，与电控单元ECU连接；速度传感器设置在车身的变速器壳内，与电控单元ECU连接。

进一步地，在步骤S100中，极坐标形式下激光雷达返回的扫描点表示为(ρ_ij,α_ij)，极坐标的原点为激光雷达的中心点；t时刻一组点云数据的集合可以表示为：

pointse_tt＝{(ρ_ij,α_ij)|i＝1,2,…,n；β₁＜j＜β₂}

其中i表示激光雷达的线数，α_ij表示对应激光束的垂直张角，β₁～β₂表示激光雷达的扫描角度范围，j＝N·γ，γ为激光雷达的角分辨率，N为整数；

t时刻一侧轮胎轨迹位置前的点云数据在相对直角坐标系下的表示为：

因此相对于激光雷达的路面高程信息可以表示为(x_ij,h_ij)，其中：

h_ij＝H-h_ij′

H为激光雷达的中心点到车轮下边缘的距离；

(x_ij,h_ij)的横坐标值为相对于激光雷达的相对坐标值，根据速度传感器的采样值v_t进行积分运算得到车辆行驶位移S，选取一侧轮胎轨迹进行研究，则相对于车辆起始位置的路面高程信息可以表示为(x_ij+S,h_ij)。

进一步地，在步骤S200中，将离散的点云数据通过三次样条插值函数生成一侧轮胎轨迹位置前的连续路面高程信息；

在车前轮胎轨迹L₁～L₂距离之间有n+1个离散点云数据，其中：

L₁＝x₀＜x₁＜x₂＜…＜x_n-1＜x_n＝L₂

点云数据处的高程值f(x_i)＝h_i,i＝0,1,2,…,n，S(x)是f(x)的三次样条插值函数，

S(x)共有4n个待定参数，满足插值条件、连续性条件、一阶导数连续条件、二阶导数连续条件、自然边界条件共4n个约束条件；

将S_k(x)表示为[x_k,x_k+1]上的三次Hermit插值多项式，并由S_k(x)二阶导数连续，得：

λ_km_k-1+2m_k+μ_km_k+1＝g_k,k＝1,2…,n-1

其中：

结合自然边界条件下，最终有如下矩阵形式：

上述是一个严格对角占优的三对角方程组，用追赶法可以求解，得到m_k的值，即得到插值函数S(x)的函数表达式。

工作过程大致如下：

首先，激光雷达采集车前地形离散点云数据，利用坐标变换与速度传感器的值得到点云数据的绝对坐标值，采用三次样条插值函数将离散的点云数据连续化，形成车前地形连续高程信息，得到作动器的部分伸长控制量Δh₁；其次，为控制车身姿态水平，姿态测量单元AMU实时采集车身姿态角信息，由电控单元解算补偿的作动器伸长控制量Δh₂；最后，将离散的控制车身姿态水平的伸长控制量Δh₂与连续的路面高程信息Δh₁进行数据融合并叠加，形成主动悬挂作动器的最终伸长控制量。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：在先生成的连续路面信息基础上，通过车身姿态控制对其离散采样并叠加形成主动悬挂作动器控制量，确保了车前地形高程信息与车身姿态调节量在时间上的一致性，解决了现有数据融合方法中主动悬挂作动器伸长控制量解算精度较差的问题，提高了现有应急救援车辆复杂路面行驶平顺性与操纵稳定性。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是离散点云数据与连续路面高程信息matlab仿真示意图。

图3是本发明的整体结构示意图。

图4是本发明的主动悬挂结构示意图。

图5是本发明提供的激光雷达与姿态测量单元车体安装示意图。

附图标号：1-车身，2-工控机，3-电控单元ECU，4-单横臂悬挂，5-车轮装置，6-作动器，7-作动器控制器，8-激光雷达，9-姿态测量单元AMU，10-速度传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图4、5所示，应急救援车辆主动悬挂系统的实现基于如下结构：车身1、工控机2、电控单元ECU3、单横臂悬挂4、车轮装置5、作动器6、作动器控制器7、激光雷达8、姿态测量单元AMU9、速度传感器10；所述工控机设置在车身上；电控单元ECU设置在车身上并与工控机连接；单横臂悬挂与车身活动连接；车轮装置与单横臂悬挂活动连接；作动器一端与单横臂悬挂活动连接，另一端与车身活动连接；作动器控制器设置在作动器的控制回路中并与电控单元ECU连接；激光雷达设置在车辆车头并与所述工控机连接，纵向扫描安装；姿态测量单元AMU设置在车身质心处，与电控单元ECU连接；速度传感器设置在车身的变速器壳内，与电控单元ECU连接。

如图1和图3所示，本发明所述的数据融合方法包括以下步骤：

S100、激光雷达以固定的频率获取车前地形的离散点云数据，工控机通过坐标变换将极坐标形式下的点云数据转换为直角坐标，根据速度传感器积分得到的位移值将相对于激光雷达中心的点云数据相对坐标值转换为相对于车辆起始点的点云数据绝对坐标值；

极坐标形式下激光雷达返回的扫描点表示为(ρ_ij,α_ij)，极坐标的原点为激光雷达的中心点；t时刻一组点云数据的集合可以表示为：

pointse_tt＝{(ρ_ij,α_ij)|i＝1,2,…,n；β₁＜j＜β₂}

其中i表示激光雷达的线数，α_ij表示对应激光束的垂直张角，β₁～β₂表示激光雷达的扫描角度范围，j＝N·γ，γ为激光雷达的角分辨率，N为整数；

t时刻一侧轮胎轨迹位置前的点云数据在相对直角坐标系下的表示为：

因此相对于激光雷达的路面高程信息可以表示为(x_ij,h_ij)，其中：

h_ij＝H-h_ij′

H为激光雷达的中心点到车轮下边缘的距离；

(x_ij,h_ij)的横坐标值为相对于激光雷达的相对坐标值，根据速度传感器的采样值v_t进行积分运算得到车辆行驶位移S，选取一侧轮胎轨迹进行研究，则相对于车辆起始位置的路面高程信息可以表示为(x_ij+S,h_ij)。

S200、工控机将离散的点云数据通过三次样条插值函数生成一侧轮胎轨迹位置前的连续路面高程信息；请参照图2，图2是离散点云数据与连续路面高程信息matlab仿真示意图。

将离散的点云数据通过三次样条插值函数生成一侧轮胎轨迹位置前的连续路面高程信息；

在车前轮胎轨迹L₁～L₂距离之间有n+1个离散点云数据，其中：

L₁＝x₀＜x₁＜x₂＜…＜x_n-1＜x_n＝L₂

点云数据处的高程值f(x_i)＝h_i,i＝0,1,2,…,n，S(x)是f(x)的三次样条插值函数，

S(x)共有4n个待定参数，满足插值条件、连续性条件、一阶导数连续条件、二阶导数连续条件、自然边界条件共4n个约束条件；

将S_k(x)表示为[x_k,x_k+1]上的三次Hermit插值多项式，并由S_k(x)二阶导数连续，得：

λ_km_k-1+2m_k+μ_km_k+1＝g_k,k＝1,2…,n-1

其中：

结合自然边界条件下，最终有如下矩阵形式：

上述是一个严格对角占优的三对角方程组，用追赶法可以求解，得到m_k的值，即得到插值函数S(x)的函数表达式。

S300、工控机将连续路面高程信息传输至电控单元ECU中，所述电控单元将一定范围内的连续路面高程信息作为数据库存储起来，并定时更新数据库；

S400、姿态测量单元的周期为T，自车辆开始行驶，经历的时间为n·T，其中n为正整数；电控单元ECU采集速度传感器的值，通过积分运算得到n·T时间内车辆行驶位移S；

S500、电控单元ECU将位移信息S与存储的连续路面高程信息进行匹配，得到对应位移处的路面高程信息h，作动器此时的部分伸长控制量Δh₁＝-h，负号代表该控制量的变化方向与路面高程信息的变化方向相反；

S600、n·T时刻，姿态测量单元采集车身姿态角度信息，将姿态角度信息传输至电控单元ECU中，解算保持车身姿态水平所需的主动悬挂作动器伸长控制量Δh₂；

S700、激光雷达测量数据存在误差、数据插值存在误差特别是点云数据中不含路面软硬程度的特征，n·T时刻主动悬挂作动器的最终伸长控制量为Δh＝Δh₁+Δh₂；

S800、电控单元ECU形成主动悬挂作动器伸长控制量Δh后，输出控制信号至作动器控制器；

S900、主动悬挂作动器控制器控制作动器动作。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种应急救援车辆主动悬挂作动器控制量的数据融合方法，其特征在于，所述数据融合方法包括以下步骤：

S100、激光雷达以固定的频率获取车前地形的离散点云数据，工控机通过坐标变换将极坐标形式下的点云数据转换为直角坐标，根据速度传感器积分得到的位移值将相对于激光雷达中心的点云数据相对坐标值转换为相对于车辆起始点的点云数据绝对坐标值；

S200、工控机将离散的点云数据通过三次样条插值函数生成一侧轮胎轨迹位置前的连续路面高程信息；

S300、工控机将连续路面高程信息传输至电控单元ECU中，所述电控单元将一定范围内的连续路面高程信息作为数据库存储起来，并定时更新数据库；

S400、姿态测量单元的周期为T，自车辆开始行驶，经历的时间为n·T，其中n为正整数；电控单元ECU采集速度传感器的值，通过积分运算得到n·T时间内车辆行驶位移S；

S500、电控单元ECU将位移信息S与存储的连续路面高程信息进行匹配，得到对应位移处的路面高程信息h，作动器此时的部分伸长控制量Δh₁＝-h，负号代表该控制量的变化方向与路面高程信息的变化方向相反；

S600、n·T时刻，姿态测量单元采集车身姿态角度信息，将姿态角度信息传输至电控单元ECU中，解算为保持车身姿态水平所需的主动悬挂作动器伸长控制量Δh₂；

S700、激光雷达测量数据存在误差、数据插值存在误差特别是点云数据中不含路面软硬程度的特征，n·T时刻主动悬挂作动器的最终伸长控制量为Δh＝Δh₁+Δh₂；

S800、电控单元ECU形成主动悬挂作动器伸长控制量Δh后，输出控制信号至作动器控制器；

S900、主动悬挂作动器控制器控制作动器动作。

2.根据权利要求1所述的一种应急救援车辆主动悬挂作动器控制量的数据融合方法，其特征在于：应急救援车辆主动悬挂系统的实现基于如下结构：车身、工控机、电控单元ECU、单横臂悬挂、车轮装置、作动器、作动器控制器、激光雷达、姿态测量单元AMU、速度传感器；所述工控机设置在车身上；电控单元ECU设置在车身上并与工控机连接；单横臂悬挂与车身活动连接；车轮装置与单横臂悬挂活动连接；作动器一端与单横臂悬挂活动连接，另一端与车身活动连接；作动器控制器设置在作动器的控制回路中并与电控单元ECU连接；激光雷达设置在车辆车头并与所述工控机连接，纵向扫描安装；姿态测量单元AMU设置在车身质心处，与电控单元ECU连接；速度传感器设置在车身的变速器壳内，与电控单元ECU连接。

3.根据权利要求1所述的一种应急救援车辆主动悬挂作动器控制量的数据融合方法，其特征在于：在步骤S100中，极坐标形式下激光雷达返回的扫描点表示为(ρ_ij,α_ij)，极坐标的原点为激光雷达的中心点；t时刻一组点云数据的集合可以表示为：

pointse_tt＝{(ρ_ij,α_ij)|i＝1,2,…,n；β₁＜j＜β₂}

其中i表示激光雷达的线数，α_ij表示对应激光束的垂直张角，β₁～β₂表示激光雷达的扫描角度范围，j＝N·γ，γ为激光雷达的角分辨率，N为整数；

t时刻一侧轮胎轨迹位置前的点云数据在相对直角坐标系下的表示为：

因此相对于激光雷达的路面高程信息可以表示为(x_ij,h_ij)，其中：

h_ij＝H-h_ij′

H为激光雷达的中心点到车轮下边缘的距离；

(x_ij,h_ij)的横坐标值为相对于激光雷达的相对坐标值，根据速度传感器的采样值v_t进行积分运算得到车辆行驶位移S，选取一侧轮胎轨迹进行研究，则相对于车辆起始位置的路面高程信息可以表示为(x_ij+S,h_ij)。

4.根据权利要求1所述的一种应急救援车辆主动悬挂作动器控制量的数据融合方法，其特征在于：在步骤S200中，将离散的点云数据通过三次样条插值函数生成一侧轮胎轨迹位置前的连续路面高程信息；

在车前轮胎轨迹L₁～L₂距离之间有n+1个离散点云数据，其中：

L₁＝x₀＜x₁＜x₂＜…＜x_n-1＜x_n＝L₂

点云数据处的高程值f(x_i)＝h_i,i＝0,1,2,…,n，S(x)是f(x)的三次样条插值函数，

S(x)共有4n个待定参数，满足插值条件、连续性条件、一阶导数连续条件、二阶导数连续条件、自然边界条件共4n个约束条件；

将S_k(x)表示为[x_k,x_k+1]上的三次Hermit插值多项式，并由S_k(x)二阶导数连续，得：

λ_km_k-1+2m_k+μ_km_k+1＝g_k,k＝1,2…,n-1

其中：

结合自然边界条件下，最终有如下矩阵形式：

上述是一个严格对角占优的三对角方程组，用追赶法可以求解，得到m_k的值，即得到插值函数S(x)的函数表达式。