CN108327714A - 具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆控制系统，包括：多个传感器，用于检测当前路面参数和当前车辆参数；信息感知系统，用于根据当前路面参数和当前车辆参数得到路面信息和车辆信息；执行器，用于输出给具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆；次级控制器，用于根据车轮力矩信号与悬挂行程信号控制执行器驱动车辆；整车控制系统，用于接收驾驶员或智能决策系统输入的决策指令，并根据决策指令、获取路面信息和车辆信息得到车轮力矩信号与悬挂行程信号，以控制次级控制器控制执行器驱动车辆。该系统增加了车辆的垂向姿态控制能力，大大提高了车辆的姿态稳定性，有效提高了车辆的运动稳定性。

Description

具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆控制系统

技术领域

本发明涉及车辆控制系统技术领域，特别涉及一种具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆控制系统。

背景技术

传统车辆一般采用被动悬架系统，不具有对车辆姿态的主动调节能力。车辆主动姿态调节能力能够使车辆在行驶过程中保持相对稳定的车体平台，对军用及民用车辆都具有重要作用。对于军用装甲车辆，主动车姿调节功能能够增大火力打击系统的覆盖范围，提高打击精度，使装甲车辆在作战中更加灵活，并且便于人员的上下车。对于民用车辆，主动车姿调节功能能够同时优化和协调车辆的驾乘舒适性和行驶稳定性。通过对车辆姿态的主动调节，能够在起伏路面下调节底盘的离地间隙，提高车辆的通过能力；在一般路面下，调整质心高度，提高车辆稳定性；在通过侧倾破路面时，调节两侧的悬架长度，提高车辆通过侧倾破路面的能力。

传统车辆一般采用前驱或后驱系统，不具有对每个车轮的分布式独立驱动能力。分布式独立驱动系统能够使车辆在行驶过程中保持较高的运动学稳定性，使车辆具有较强的通过能力，优化驱动效率，适合应对复杂的路况。

相关技术对车辆姿态主动调节技术的开发还比较欠缺，对分布式独立驱动车辆控制系统的设计未考虑到车姿(车辆垂向)的控制。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆控制系统，该系统增加了车辆的垂向姿态控制能力，大大提高了车辆的姿态稳定性，有效提高了车辆的运动稳定性。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆控制系统，包括：多个传感器，用于检测当前路面参数和当前车辆参数；信息感知系统，用于根据所述当前路面参数和所述当前车辆参数得到路面信息和车辆信息；执行器，用于输出给具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆；次级控制器，用于根据车轮力矩信号与悬挂行程信号控制所述执行器驱动所述车辆；整车控制系统，用于接收驾驶员或智能决策系统输入的决策指令，并根据所述决策指令、所述获取路面信息和车辆信息得到所述车轮力矩信号与所述悬挂行程信号，以控制所述次级控制器控制所述执行器驱动所述车辆。

本发明实施例的具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆控制系统，能够对各轮的车轮力矩输出进行独立控制，并采用了可对车辆姿态进行主动调节的悬挂系统，各悬挂的行程可进行独立的调节，从而不仅增加了车辆的垂向姿态控制能力，而且大大提高了车辆的姿态稳定性，有效提高了车辆的运动稳定性。

另外，根据本发明上述实施例的具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆控制系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述整车控制系统包括：整车控制单元，用于从所述决策指令获取外界对整车控制系统的决策指令输入；姿态控制单元，用于将整车期望状态通过车辆姿态模型解算为各悬挂行程；运动学控制单元，用于将所述整车期望车辆状态通过车辆运动学模型解算为各轮运动状态；动力学控制单元，用于通过建立目标函数和约束条件，将各轮运动状态目标和各悬挂行程目标转化为各轮纵向、横向、垂向力的力矩优化分配。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多个传感器包括：力传感器，用于获取车轮力矩输出数据；悬挂行程传感器，用于获取悬挂行程输出数据；陀螺仪，用于获取车辆自身的俯仰角、横滚角和偏航角数据；加速度计，用于获取车辆自身的纵向加速度和横向加速度数据；速度传感器，用于获取车辆自身的纵向速度和横向速度数据。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述信息感知系统包括：路面信息处理系统，用于通过卡尔曼滤波数据处理方法处理所述力传感器的车轮力矩输出数据，以得到各车轮对路面的力矩输出，并处理所述悬挂行程传感器的悬挂行程输出数据，以得到各悬挂的实际悬挂行程；车辆信息处理系统，用于通过卡尔曼滤波等数据处理方法处理所述陀螺仪、所述加速度计、所述速度传感器得到的数据，以得到车辆自身的俯仰角、横滚角、偏航角、纵向加速度、横向加速度、纵向速度和横向速度信息的一种或多种。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述路面信息处理系统还用于利用各车轮对路面的力矩输出数据和各悬挂的实际行程数据，以得到反映路面粗糙程度、起伏程度状态的路面信息，并反馈给所述整车控制单元。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述执行器包括：各轮悬挂，用于吸收车辆产生的震动及冲击；各轮电机，用于提供各轮所需的驱动力。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述次级控制器包括：各轮悬挂行程控制器，用于控制所述各轮悬挂的行程输出，并将从所述各轮悬挂得到的悬挂行程信号反馈给所述整车控制单元；各轮电机控制器，用于控制所述各轮电机转动，并将从所述各轮电机得到的电机旋转角速度、角加速度信号反馈给所述整车控制单元。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述各轮悬挂安装在车架与各轮的连接位置，所述各轮电机安装在各轮轮毂内、各轮轮毂侧面或制动底板上。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述决策指令包括有人驾驶系统的驾驶员驾驶意图、无人驾驶系统的决策系统决策指令输出，以及人机混合驾驶系统的决策指令输出。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述整车期望车辆状态包括俯仰角、横滚角、偏航角、车辆质心距离地面高度的车辆姿态，以及车辆行驶的纵向速度、纵向加速度、横向速度、横向加速度、偏航角速度的车辆运动状态。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆控制系统的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的车辆控制系统进行车辆动力学控制的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆控制系统。

图1是本发明一个实施例的具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆控制系统的结构示意图。

如图1所示，该具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆控制系统10包括：多个传感器100、信息感知系统200、执行器300、次级控制器400和整车控制系统500。

其中，多个传感器100用于检测当前路面参数和当前车辆参数。信息感知系统200用于根据当前路面参数和当前车辆参数得到路面信息和车辆信息。执行器300用于输出给具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆。次级控制器400用于根据车轮力矩信号与悬挂行程信号控制执行器驱动车辆。整车控制系统500用于接收驾驶员或智能决策系统输入的决策指令，并根据决策指令、获取路面信息和车辆信息得到车轮力矩信号与悬挂行程信号，以控制次级控制器控制执行器驱动车辆。本发明实施例的系统10将车辆姿态的主动调节能力与分布式独立驱动能力结合，协调考虑，具有稳定性高、结构简单和车辆可控自由度大的特点。

可以理解的是，本发明实施例应用于具有主动悬挂行程调节能力、各轮独立驱动能力的车辆，且综合多种输入信息，实现对于车辆运动状态与姿态的智能控制，也就是说，本发明实施例需应用在各轮悬架行程独立可调各轮电机独立驱动的车辆上，此种车辆具备的特点是每个悬架的行程都是可独立控制的。本发明实施例通过传感器获取路面信息和车辆信息，综合驾驶员的决策指令，整车控制系统进行智能决策与自动化地动力学控制，实现对于车辆的纵向、横向、垂向的全方向行驶运动学与姿态控制

进一步地，在本发明的一个实施例中，如图1所示，多个传感器100包括：力传感器101、悬挂行程传感器102、陀螺仪103、加速度计104和速度传感器105。

其中，力传感器101用于获取车轮力矩输出数据。悬挂行程传感器102用于获取悬挂行程输出数据。陀螺仪103用于获取车辆自身的俯仰角、横滚角和偏航角数据。加速度计104用于获取车辆自身的纵向加速度和横向加速度数据。速度传感器105用于获取车辆自身的纵向速度和横向速度数据。

需要说明的是，多个传感器100也可以称为关键传感器，关键传感器由力传感器101、悬挂行程传感器102、陀螺仪103、加速度计104和速度传感器105组成。另外，力传感器101、悬挂行程传感器102安装在各轮悬挂上；陀螺仪103、加速度计104、速度传感器105安装在车架上

进一步地，在本发明的一个实施例中，信息感知系统200包括：路面信息处理系统201和车辆信息处理系统202。

其中，路面信息处理系统201用于通过卡尔曼滤波数据处理方法处理力传感器101的车轮力矩输出数据，以得到各车轮对路面的力矩输出，并处理悬挂行程传感器102的悬挂行程输出数据，以得到各悬挂的实际悬挂行程。车辆信息处理系统202用于通过卡尔曼滤波等数据处理方法处理陀螺仪103、加速度计104、速度传感器105得到的数据，以得到车辆自身的俯仰角、横滚角、偏航角、纵向加速度、横向加速度、纵向速度和横向速度信息的一种或多种。

可以理解的是，路面信息处理系统201与力传感器101、悬挂行程传感器102连接，通过卡尔曼滤波等数据处理方法，处理力传感器的车轮力矩输出数据，得到各车轮对路面的力矩输出；处理悬挂行程传感器102的悬挂行程输出数据，得到各悬挂的实际悬挂行程。车辆信息处理系统202与陀螺仪、加速度计、速度传感器连接，通过卡尔曼滤波等数据处理方法，处理陀螺仪、加速度计、速度传感器得到的数据进而得到车辆自身的俯仰角、横滚角、偏航角、纵向加速度、横向加速度、纵向速度和横向速度等信息；车辆信息处理系统202将车辆自身的姿态角、运动状态信息反馈给整车控制单元。

进一步地，在本发明的一个实施例中，路面信息处理系统201还用于利用各车轮对路面的力矩输出数据和各悬挂的实际行程数据，以得到反映路面粗糙程度、起伏程度状态的路面信息，并反馈给整车控制单元。

具体而言，力传感器101、悬挂行程传感器102，陀螺仪103、加速度计104、速度传感器104，分别通过路面信息处理系统201，车辆信息处理系统202与整车控制单元连接，路面信息处理系统201利用各车轮对路面的力矩输出数据和各悬挂的实际行程数据，得到反映路面粗糙程度、起伏程度等状态的路面信息反馈给整车控制单元。

进一步地，在本发明的一个实施例中，执行器300包括：各轮悬挂301和各轮电机302。

其中，各轮悬挂301用于吸收车辆产生的震动及冲击。各轮电机302用于提供各轮所需的驱动力。

具体而言，各轮悬挂301，各轮电机302分别通过路面信息处理系统202，车辆信息处理系统，与整车控制单元连接。

在本发明的一个实施例中，各轮悬挂301安装在车架与各轮的连接位置，各轮电机302安装在各轮轮毂内、各轮轮毂侧面或制动底板上。

进一步地，在本发明的一个实施例中，次级控制器400包括：各轮悬挂行程控制器401和各轮电机控制器402。

其中，各轮悬挂行程控制器401用于控制各轮悬挂301的行程输出，并将从各轮悬挂301得到的悬挂行程信号反馈给整车控制单元。各轮电机控制器402用于控制各轮电机302转动，并将从各轮电机302得到的电机旋转角速度、角加速度信号反馈给整车控制单元。

可以理解的是，各轮悬挂行程控制器401与各轮悬挂301电性连接，并分别控制各轮悬挂301的行程输出；各轮悬挂行程控制器401将从各轮悬挂301得到的悬挂行程信号反馈给整车控制单元。各轮电机控制器402与各轮电机302电性连接，并分别控制各轮电机302转动；各轮电机控制器402将从各轮电机302得到的电机旋转角速度、角加速度信号反馈给整车控制单元。另外，各轮悬挂行程控制器401，各轮电机控制器402，与整车控制单元连接。

进一步地，在本发明的一个实施例中，整车控制系统500包括：整车控制单元501、姿态控制单元502、运动学控制单元503和动力学控制单元504。

其中，整车控制单元501用于从决策指令获取外界对整车控制系统的决策指令输入。姿态控制单元502用于将整车期望状态通过车辆姿态模型解算为各悬挂行程。运动学控制单元503用于将整车期望车辆状态通过车辆运动学模型解算为各轮运动状态。动力学控制单元504用于通过建立目标函数和约束条件，将各轮运动状态目标和各悬挂行程目标转化为各轮纵向、横向、垂向力的力矩优化分配。

可以理解的是，整车控制系统500接收驾驶员或智能决策系统输入的决策指令，接收信息感知系统输入的路面信息和车辆信息，对所接收的信息进行融合，向次级控制器400输出车轮力矩信号与悬挂行程信号，最后由执行器300输出给具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆。

具体而言，整车控制系统500内部，整车控制单元501与姿态控制单元502和运动学控制单元503分别连接，二者共同与动力学控制单元504连接，整车控制单元501与输入的决策指令连接。整车控制系统500通过综合输入的决策指令和信息感知系统输入的路面信息和车辆信息，基于整车模型进行优化计算，得到整车期望车辆状态。

进一步地，整车控制单元501从决策指令获取外界对整车控制系统500的决策指令输入，在本发明的一个实施例中，决策指令包括有人驾驶系统的驾驶员驾驶意图、无人驾驶系统的决策系统决策指令输出，以及人机混合驾驶系统的决策指令输出。

进一步地，在本发明的一个实施例中，整车期望车辆状态包括俯仰角、横滚角、偏航角、车辆质心距离地面高度的车辆姿态，以及车辆行驶的纵向速度、纵向加速度、横向速度、横向加速度、偏航角速度的车辆运动状态。

进一步地，如图2所示，控制层得到的各轮目标纵向力、横向力、垂向力通过输出层的电机驱动输出和悬挂姿态调节，输出给具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆。而车辆的真实物理输出也会反馈给输入层、控制层和输出层，从而形成控制系统和真实物理系统的控制闭环。

具体而言，输入层包括决策指令、车辆信息和道路信息。控制层代表图1中整车控制系统的功能。整车控制单元501综合输入的决策指令和信息感知系统200输入的路面信息和车辆信息，通过基于整车动力学模型的优化计算，得到整车期望车辆状态。本发明实施例的整车期望车辆状态既包括俯仰角、横滚角、偏航角、车辆质心距离地面高度等车辆姿态，也包括车辆行驶的纵向速度、纵向加速度、横向速度、横向加速度、偏航角速度等车辆运动状态。姿态控制单元502将整车期望状态通过车辆姿态模型解算为各悬挂行程。运动学控制单元503将整车期望车辆状态通过车辆运动学模型解算为各轮运动状态。动力学控制单元504通过建立目标函数和约束条件，将各轮运动状态目标和各悬挂行程目标转化为各轮纵向、横向、垂向力的力矩优化分配。最终，控制层得到的各轮目标纵向力、横向力、垂向力通过输出层的电机驱动输出和悬挂姿态调节，输出给具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆。而车辆的真实物理输出也会反馈给输入层、控制层和输出层，从而形成控制系统和真实物理系统的控制闭环。

另外，本发明实施例的具有主动悬挂行程调节能力、各轮独立驱动能力的车辆，每个悬架行程均能独立控制，每个车轮转矩均能独立控制。

根据本发明实施例提出的具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆控制系统，能够对各轮的车轮力矩输出进行独立控制，并采用了可对车辆姿态进行主动调节的悬挂系统，各悬挂的行程可进行独立的调节，从而不仅增加了车辆的垂向姿态控制能力，而且大大提高了车辆的姿态稳定性，有效提高了车辆的运动稳定性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆控制系统，其特征在于，包括：

多个传感器，用于检测当前路面参数和当前车辆参数；

信息感知系统，用于根据所述当前路面参数和所述当前车辆参数得到路面信息和车辆信息；

执行器，用于输出给具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆；

次级控制器，用于根据车轮力矩信号与悬挂行程信号控制所述执行器驱动所述车辆；以及

整车控制系统，用于接收驾驶员或智能决策系统输入的决策指令，并根据所述决策指令、所述获取路面信息和车辆信息得到所述车轮力矩信号与所述悬挂行程信号，以控制所述次级控制器控制所述执行器驱动所述车辆。

2.根据权利要求1所述的具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆控制系统，其特征在于，所述整车控制系统包括：

整车控制单元，用于从所述决策指令获取外界对整车控制系统的决策指令输入；

姿态控制单元，用于将整车期望状态通过车辆姿态模型解算为各悬挂行程；

运动学控制单元，用于将所述整车期望车辆状态通过车辆运动学模型解算为各轮运动状态；

动力学控制单元，用于通过建立目标函数和约束条件，将各轮运动状态目标和各悬挂行程目标转化为各轮纵向、横向、垂向力的力矩优化分配。

3.根据权利要求1所述的具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆控制系统，其特征在于，所述多个传感器包括：

力传感器，用于获取车轮力矩输出数据；

悬挂行程传感器，用于获取悬挂行程输出数据；

陀螺仪，用于获取车辆自身的俯仰角、横滚角和偏航角数据；

加速度计，用于获取车辆自身的纵向加速度和横向加速度数据；

速度传感器，用于获取车辆自身的纵向速度和横向速度数据。

4.根据权利要求3所述的具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆控制系统，其特征在于，所述信息感知系统包括：

路面信息处理系统，用于通过卡尔曼滤波数据处理方法处理所述力传感器的车轮力矩输出数据，以得到各车轮对路面的力矩输出，并处理所述悬挂行程传感器的悬挂行程输出数据，以得到各悬挂的实际悬挂行程；

车辆信息处理系统，用于通过卡尔曼滤波等数据处理方法处理所述陀螺仪、所述加速度计、所述速度传感器得到的数据，以得到车辆自身的俯仰角、横滚角、偏航角、纵向加速度、横向加速度、纵向速度和横向速度信息的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆控制系统，其特征在于，所述路面信息处理系统还用于利用各车轮对路面的力矩输出数据和各悬挂的实际行程数据，以得到反映路面粗糙程度、起伏程度状态的路面信息，并反馈给所述整车控制单元。

6.根据权利要求1所述的具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆控制系统，其特征在于，所述执行器包括：

各轮悬挂，用于吸收车辆产生的震动及冲击；

各轮电机，用于提供各轮所需的驱动力。

7.根据权利要求6所述的具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆控制系统，其特征在于，所述各轮悬挂安装在车架与各轮的连接位置，所述各轮电机安装在各轮轮毂内、各轮轮毂侧面或制动底板上。

8.根据权利要求7所述的具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆控制系统，其特征在于，所述次级控制器包括：

各轮悬挂行程控制器，用于控制所述各轮悬挂的行程输出，并将从所述各轮悬挂得到的悬挂行程信号反馈给所述整车控制单元；

各轮电机控制器，用于控制所述各轮电机转动，并将从所述各轮电机得到的电机旋转角速度、角加速度信号反馈给所述整车控制单元。

9.根据权利要求2所述的具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆控制系统，其特征在于，所述决策指令包括有人驾驶系统的驾驶员驾驶意图、无人驾驶系统的决策系统决策指令输出，以及人机混合驾驶系统的决策指令输出。

10.根据权利要求9所述的具有主动姿态调节能力的分布式独立驱动车辆控制系统，其特征在于，所述整车期望车辆状态包括俯仰角、横滚角、偏航角、车辆质心距离地面高度的车辆姿态，以及车辆行驶的纵向速度、纵向加速度、横向速度、横向加速度、偏航角速度的车辆运动状态。