CN108382395B - 一种提高公交车乘坐舒适性的智能辅助系统 - Google Patents

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Abstract

一种提高公交车乘坐舒适性的智能辅助系统，公交车包括车顶、车前和地板，车顶中部安装毫米波雷达、激光探测仪、侧倾角速度传感器和俯仰角速度传感器，在车前下沿部分安装视觉传感器，在地板靠近四个车轮位置各安装一个垂向振动加速度传感器，在地板中部安装横向加速度传感器；在公交车半车模型中，左右车轮构成的非簧载质量具有轮胎刚度Kt8，所述非簧载质量与车身簧载质量之间安装被动式阻尼器和空气弹簧；所述视觉传感器、毫米波雷达和激光探测仪均与最优路径计算/决策系统连接，所述侧倾角速度传感器、俯仰角速度传感器、垂向振动加速度传感器和横向加速度传感器均与空气悬架控制系统连接。本发明有效提升舒适性。

Description

一种提高公交车乘坐舒适性的智能辅助系统
技术领域
本发明属于公交车智能控制领域，涉及一种提高公交车乘坐舒适性智能辅助系统。
背景技术
近年来，随着人工智能技术的不断普及与应用，尤其是车辆技术领域，有关智能驾驶的技术不断涌现，如环境识别等，且车辆主控系统实现对车辆的动力学控制，人工干预程度越来越小，完成如自适应巡航、自动泊车、智能启停等。2017年阿尔法巴智能驾驶公交车的成功上路，标志着国产公共交通智能驾驶技术迈上一个新台阶；还有百度的无人驾驶系统阿波罗与谷歌waymo汽车的研发充分说明了未来出行朝向智能化发展。虽然现在智能驾驶系统(包括无人驾驶系统) 主要目标是为减小驾驶员的干预，减轻疲劳程度，但是还未有关于在行驶中全方位考虑乘客舒适性的智能辅助系统，很多的智能驾驶系统较多地还是停留在保证行车安全和基本行驶功能层面。因为智能驾驶作为战略性新兴产业的重要组成部分，今后必然成为百姓高品质日常出行或生产生活的一大趋势，而公共交通如公交车有关这方面的技术还是空白。
发明内容
为了克服已有公交车的舒适性较差的不足,本发明提供了一种提高公交车乘坐舒适性智能辅助系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种提高公交车乘坐舒适性的智能辅助系统，公交车包括车顶、车前和地板，所述车顶中部安装毫米波雷达、激光探测仪、侧倾角速度传感器和俯仰角速度传感器，在车前下沿部分安装视觉传感器，在地板靠近四个车轮位置各安装一个垂向振动加速度传感器，在地板中部安装横向加速度传感器；在公交车半车模型中，左右车轮构成的非簧载质量具有轮胎刚度Kt8，所述非簧载质量与车身簧载质量之间安装被动式阻尼器和空气弹簧；所述视觉传感器、毫米波雷达和激光探测仪均与用于根据前方道路的空间几何特征信息与车身航向得到路径的最优路径计算/决策系统连接，所述侧倾角速度传感器、俯仰角速度传感器、垂向振动加速度传感器和横向加速度传感器均与用于通过车身高度和空气弹簧的刚度控制提升横向、纵向和垂向的舒适性的空气悬架控制系统连接。
进一步，所述空气弹簧中，压缩空气生成系统通过高压管路分别与上下气室连通，所述上下气室之间通过活塞隔离，所述活塞的连接杆伸出所述上气室且与车身连接，所述下气室通过第一蓄能阀门与第一橡胶蓄能器连接，所述上气室通过第二蓄能阀门与第二橡胶蓄能器连接，所述下气室与压缩空气生成系统之间的高压管路设置第一调节器，所述上气室与压缩空气生成系统之间的高压管路设置第二调节器。
所述最优路径计算/决策系统中，根据已有的车身外部尺寸信息和前方道路几何信息计算出预测到达位置点02及预测航向v’，毫米波雷达和激光探测仪会实时监测周围动态车辆和其它障碍物位置与速度信息，同时位于车前部的视觉传感器会实时扫描交通交通标志线，用于判断在交通法规层面是否允许变道；毫米波雷达、激光探测仪和视觉传感器将信号经信号处理模块进行滤波处理后，传送给最优路径计算/决策控制单元：(1)若毫米波雷达和激光探测仪检测到右边车道暂时无car2,以及当前车道前方无car1,则会计算出初始最优路径的 optimal curve1，半径为r1的一段圆弧；(2)若右边车道暂时无car2 当前车道有car1，且相对距离越来越小，则会计算出最优路径optimal curve2，其由两段圆弧构成，半径分别为r2和r3；(3)若右边车道有 car2且有加速，则该控制单元会决策出暂停变道指令；如果在前两种情况下要进行变道，控制单元发出指令给主动转向系统，再经过转向执行单元，最终实现对转向轮进行控制让RC Bus沿着计算的最优路径行驶，通过发送差动制动校正指令给制动转向系统，再经过制动执行单元，控制四个制动器进行差动制动实现校正；在沿着计算的最优路径行驶过程中，考虑外界的动态约束，控制单元内部程序根据动态规划算法实时更新最优路径。
再进一步，所述空气悬架控制系统中，安装于车厢地板的横向加速度传感器检测车身的横向加速度，横向加速度传感器将信号经过信号处理模块进行滤波处理后再传送给空气悬架控制单元，发送调节指令给左右悬架气室容积调节执行单元，最后通过对第一调节器和第二调节器的控制实现上下气室体积的改变，让活塞位置发生改变即车身发生负倾角变化θ，系统对aby的闭环控制直至左右悬架对车身产生的合力Fs与车身自身的重力及离心力Fy平衡使得地板平面方向的横向加速度aby变成0为止。
所述空气悬架控制系统中，当公交车行驶在具有一定侧倾角的路面时，侧倾角速度传感器将侧倾信号经信号处理模块进行滤波和积分处理后，得到侧倾方向与侧倾角度信息，接着传送给空气悬架控制单元，然后发送指令给左右悬架气室容积调节执行单元，最后通过对第一调节器和第二调节器的控制使得地板接近水平。
所述空气悬架控制系统中，安装于地板靠近车轮附近的四个垂向振动加速度传感器，位于车顶的侧倾角速度传感器和俯仰角速度将检测信号经过信号处理模块进行滤波处理后再传送给空气悬架控制单元，再将指令发送给蓄能器阀门执行单元，然后对第二蓄能阀门和第一蓄能阀门的控制实现上下气室的压力调节即刚度的调节，减小车身振动加速度、俯仰角速度和侧倾角速度。
所述空气悬架控制系统中，采用递归最小平方法实时估计车身的载荷，然后在一定刚度范围内通过线性变参数法LPV解决非线性控制及遗传优化算法得到最优弹簧刚度，再通过上下气室的蓄能方程反推上下气室的最优压力，而这时通过将指令发送给蓄能器阀门执行单元，然后对第二蓄能阀门和第一蓄能阀门的控制实现上下气室的压力调节即刚度的调节。
本发明的有益效果主要表现在：(1)结合最优路径规划和空气悬架半主动控制使得各方向加速度降到最小，若该智能辅助系统在不久将来能够在公交车上能被得到应用，则对乘客的乘坐舒适性将会有大幅提高，符合交通出行品质的更高要求。(2)现有的智能驾驶汽车包括无人驾驶汽车只是保证了行车安全和基本行驶功能，但还未有实现更高乘坐品质的智能辅助驾驶技术，该方案将会填补这个空白。(3) 半主动空气悬架能够实现高度和弹簧刚度的独立调节，当公交车曲线行驶，制动，加速与在侧倾路面行驶等状态下时，均能够使车身(簧载)的俯仰，侧倾和垂向振动降到最小，考虑乘客在各方面的舒适性进行集成控制，这在已有的悬架控制系统中是没有的。(4)由于公交车的车身(簧载)中载荷经常改变且车厢乘客的位置改变(若为燃油车，则行驶过程中燃油的减少也会导致质量变化)在悬架控制系统中会引入非线性问题，空气悬架控制系统首先采用递归最小平方法实时估计车身(簧载)的载荷，然后采用线性变参数法LPV进行非线性控制，并通过遗传优化算法得到最优悬架刚度。在半主动空气悬架控制中采用此方法相比于公交车现有被动悬架在乘坐舒适性方面会有明显优势。
附图说明
图1是车顶俯视图。
图2是地板俯视图。
图3是半车模型图。
图4是空气弹簧结构原理图。
图5是最优路径行驶示意图。
图6是最优路径计算/决策系统的控制流程图。
图7是空气悬架控制系统的控制流程图。
其中，1、视觉传感器，2、毫米波雷达，3、激光探测仪，4、侧倾角速度传感器，5、俯仰角速度传感器，6、横向加速度传感器，7、垂向振动加速度传感器，8、轮胎刚度Kt，9、空气弹簧，10、车身(簧载)，11、被动式阻尼器，12、非簧载质量，13、上下气室，14、第一蓄能阀门，17、第二蓄能阀门，15、第一橡胶蓄能器，16、第二橡胶蓄能器，18、活塞，19、第一调节器，21、第二调节器，20、高压空气生成系统，21、高压管路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图7，一种提高公交车乘坐舒适性的智能辅助系统，公交车包括车顶、车前和地板，所述车顶中部安装毫米波雷达、激光探测仪、侧倾角速度传感器和俯仰角速度传感器，在车前下沿部分安装视觉传感器，在地板靠近四个车轮位置各安装一个垂向振动加速度传感器，在地板中部安装横向加速度传感器；在公交车半车模型中，左右车轮构成的非簧载质量具有轮胎刚度Kt8，所述非簧载质量与车身簧载质量之间安装被动式阻尼器和空气弹簧；所述视觉传感器、毫米波雷达和激光探测仪均与用于根据前方道路的空间几何特征信息与车身航向得到路径的最优路径计算/决策系统连接，所述侧倾角速度传感器、俯仰角速度传感器、垂向振动加速度传感器和横向加速度传感器均与用于通过车身高度和空气弹簧的刚度控制提升横向、纵向和垂向的舒适性的空气悬架控制系统连接。
本实施例中，如图1所示，车顶中部安装毫米波雷达2、激光探测仪3、侧倾角速度传感器4和俯仰角速度传感器5，在车前下沿部分安装视觉传感器1。如图2所示，在地板靠近四个车轮位置各安装一个垂向振动加速度传感器7，在地板中部安装横向加速度传感器6。
在图3所示的公交车半车模型中，左右车轮构成的非簧载质量12 具有轮胎刚度Kt8，与车身簧载质量10之间安装被动式阻尼器11和空气弹簧9。
空气弹簧的结构原理如图4所示，压缩空气生成系统20能够产生高压空气为保证足够的负载能力，在高压管路21中均设有用于调节上下气室13容积的调节器19和调节器21，高压管路21分别与上下气室13连通。而右边的高压管路21上分别设有用于改变弹簧刚度的蓄能阀门17和蓄能阀门14，后端分别与橡胶蓄能器16和橡胶蓄能器15 连接。
在公交车行驶过程中全方位考虑乘坐舒适性而设计的智能辅助系统主要由两个子系统组成：最优路径计算/决策系统与空气悬架控制系统，分别如图6和图7所示。
最优路径计算/决策系统主要功能是在不违反交通法规和保证行驶安全的前提下，寻求一条最小曲率的最优路径使得横向加速度为最小，但是最优路径并不一定是直线路径，因为如果汽车航向并不是在计算的直线上时，如图5中所示速度方向并不是在直线o1o2上，而立刻改变航向角会瞬时产生较大的横向加速度，车厢的乘客会产生不适感。因此，该系统会在当前的航向角的基础上重新计算曲率最小路径为使侧向加速度尽可能小。具体实现过程如下：
如图5所示，以RC Bus(Ride Comfort Bus,此处简称RC Bus)为研究对象，从车载定位系统中得到前方道路的空间几何特征信息与车身航向并传给最优路径计算/决策控制单元，在毫米波雷达2和激光探测仪3均能达到的最大探测范围直线距离o1o2内进行最优路径规划。首先该控制单元根据已有的车身外部尺寸信息和前方道路几何信息计算出预测到达位置点02及预测航向v’(实为道路曲线切线方向)；而毫米波雷达2和激光探测仪3会实时监测周围动态车辆和其它障碍物位置与速度信息，同时位于车前部的视觉传感器1会实时扫描交通交通标志线，如图5中的扇形区域o1p1p2所示，用于判断在交通法规层面是否允许变道。毫米波雷达2、激光探测仪3和视觉传感器1将信号经信号处理模块进行滤波等处理后，传送给最优路径计算/决策控制单元：(1)若毫米波雷达2和激光探测仪3检测到右边车道暂时无car2, 以及当前车道前方无car1，则会计算出初始最优路径如图5中所示的optimal curve1，半径为r1的一段圆弧；(2)若右边车道暂时无car2 当前车道有car1，且相对距离越来越小，则会计算出最优路径optimal curve2，其由两段圆弧构成，半径分别为r2和r3；(3)若右边车道有 car2且有加速，则该控制单元会决策出暂停变道指令。如果在前两种情况下要进行变道，控制单元发出指令给主动转向系统，再经过转向执行单元，最终实现对转向轮进行控制让RC Bus沿着计算的最优路径行驶，但考虑到实际行驶过程中可能存在过多或过度转向，通过发送差动制动校正指令给制动转向系统，再经过制动执行单元，控制四个制动器进行差动制动实现校正。而RC Bus在沿着计算的最优路径行驶过程中，由于外界的动态约束如车流，控制单元内部程序根据动态规划算法实时更新最优路径。
空气悬架控制系统的主要功能是通过车身(簧载)10高度控制和空气弹簧的刚度控制提升横向、纵向和垂向的舒适性。控制系统对空气弹簧的刚度调节主要实现车身(簧载)10的振动加速度减小，提高平顺性；在加速与制动过程中产生的“抬头”与“点头”问题，同样通过前后悬架的刚度和高度调节抑制车身(簧载)10俯仰或负俯仰角控制；类似地，在因曲线行驶时产生的横向加速度使得车身(簧载)10产生外倾(沿着横向加速度方向)，通过左右悬架刚度和高度调节抑制侧倾或负倾角控制，以此提升水平方向的舒适度。具体实现过程如下：
车辆在曲线行驶时产生的横向加速度对车厢内的乘客不舒适感较明显。安装于车厢地板的横向加速度传感器6检测车身(簧载)10的横向加速度，实为沿着地板平面的横向加速度如图3中的aby,因为车身(簧载)10一旦发生侧倾，横向加速度传感器6检测到的就不是水平方向的ay而是其分量aby。但车厢内的乘客横向舒适度和aby直接有关。横向加速度传感器6将信号经过信号处理模块进行滤波等处理后再传送给空气悬架控制单元，发送调节指令给左右悬架气室容积调节执行单元，最后通过对调节器19和调节器21的控制实现上下气室13 体积的改变，让活塞18位置发生改变即车身(簧载)10发生负倾角变化如图3中所示的θ，系统对aby的闭环控制直至左右悬架对车身(簧载)10产生的合力Fs与车身(簧载)10自身的重力及离心力Fy平衡使得地板平面方向的横向加速度aby变成0为止。除此之外，当公交车行驶在具有一定侧倾角的路面时，侧倾角速度传感器4将侧倾信号经信号处理模块进行滤波、积分等处理后，得到侧倾方向与侧倾角度信息，接着传送给空气悬架控制单元，然后发送指令给左右悬架气室容积调节执行单元，最后通过对调节器19和调节器21的控制使得地板接近水平，因为路面的侧倾也会影响乘客的乘坐舒适性。
考虑无论车辆在任何一种行驶状态下均要保证车身(簧载)10的垂向振动加速度尽可能小，以提高平顺性。采用空气弹簧9的刚度和对车身(簧载)10高度的独立控制思想，即便在上下气室13体积不变的情况下也实现刚度能够在一定范围内可调。安装于地板靠近车轮附近的四个垂向振动加速度传感器7，位于车顶的侧倾角速度传感器4 和俯仰角速度5将检测信号经过信号处理模块进行滤波等处理后再传送给空气悬架控制单元，再将指令发送给蓄能器阀门执行单元，然后对蓄能阀门17和蓄能阀门14的控制实现上下气室13的压力调节即刚度的调节，减小车身(簧载)10振动加速度，俯仰角速度和侧倾角速度，提高平顺性。
当公交车在纵向制动过程中会产生“点头”现象，类似地，通过空气弹簧9的控制抬升车头和增加前悬架刚度减小车厢内乘客沿地板方向的纵向加速度；当加速时，则对后悬架采取相同的控制。具体的控制方法同横向舒适度控制。
关于空气弹簧9的刚度和对车身(簧载)10高度的独立调节原理如图4所示。压缩空气生成系统20能够产生足够高的空气压力，沿着高压管路21分别接于上下气室13，而第二调节器19和第一调节器21 的开关控制实现对上下气室13的容积变化并保证足够高的压力，实现活塞18位置的变化即改变车身(簧载)10的高度变化。活塞18在不同的位置与在车身(簧载)10不同的载荷下均会有不同的刚度可调范围，而刚度的调节通过第一蓄能阀门17和第二蓄能阀门14开关控制释放上下气室13的压力实现，释放的空气分别储存于第二橡胶蓄能器 16和第一橡胶蓄能器15，最小刚度则是基于保证车身(簧载)10处于静载时的某一位置。由于车身(簧载)10载荷会因不同乘客数量变化、重心变化与行驶状况而发生变化，采用递归最小平方法实时估计车身(簧载)10的载荷，然后在一定刚度范围内通过LPV(线性变参数法)解决非线性控制及遗传优化算法得到最优弹簧刚度，再通过上下气室13的蓄能方程反推上下气室13的最优压力，而这是通过将指令发送给蓄能器阀门执行单元，然后对第一蓄能阀门17和第二蓄能阀门14的控制实现上下气室13的压力调节即刚度的调节。

Claims (6)

1.一种提高公交车乘坐舒适性的智能辅助系统，公交车包括车顶、车前和地板，其特征在于：所述车顶中部安装毫米波雷达、激光探测仪、侧倾角速度传感器和俯仰角速度传感器，在车前下沿部分安装视觉传感器，在地板靠近四个车轮位置各安装一个垂向振动加速度传感器，在地板中部安装横向加速度传感器；在公交车半车模型中，左右车轮构成的非簧载质量具有轮胎刚度Kt8，所述非簧载质量与车身簧载质量之间安装被动式阻尼器和空气弹簧；所述视觉传感器、毫米波雷达和激光探测仪均与用于根据前方道路的空间几何特征信息与车身航向得到路径的最优路径计算决策系统连接，所述侧倾角速度传感器、俯仰角速度传感器、垂向振动加速度传感器和横向加速度传感器均与用于通过车身高度和空气弹簧的刚度控制提升横向、纵向和垂向的舒适性的空气悬架控制系统连接；
所述最优路径计算决策系统中，寻求一条最小曲率的最优路径，根据已有的车身外部尺寸信息和前方道路几何信息计算出预测到达位置点及预测航向v’，毫米波雷达和激光探测仪会实时监测周围动态车辆和其它障碍物位置与速度信息，同时位于车前部的视觉传感器会实时扫描交通标志线，用于判断在交通法规层面是否允许变道；毫米波雷达、激光探测仪和视觉传感器将信号经信号处理模块进行滤波处理后，传送给最优路径计算决策控制单元：（1）若毫米波雷达和激光探测仪检测到右边车道暂时无car2,以及当前车道前方无car1,则会计算出初始最优路径的optimal curve1，半径为r1的一段圆弧；（2）若右边车道暂时无car2当前车道有car1，且相对距离越来越小，则会计算出最优路径optimal curve2，其由两段圆弧构成，半径分别为r2和r3；（3）若右边车道有car2且有加速，则该控制单元会决策出暂停变道指令；如果在前两种情况下要进行变道，控制单元发出指令给主动转向系统，再经过转向执行单元，最终实现对转向轮进行控制让RC Bus沿着计算的最优路径行驶，通过发送差动制动校正指令给制动转向系统，再经过制动执行单元，控制四个制动器进行差动制动实现校正；在沿着计算的最优路径行驶过程中，考虑外界的动态约束，控制单元内部程序根据动态规划算法实时更新最优路径。
2.如权利要求1所述的一种提高公交车乘坐舒适性的智能辅助系统，其特征在于：所述空气弹簧中，压缩空气生成系统通过高压管路分别与上下气室连通，所述上下气室之间通过活塞隔离，所述活塞的连接杆伸出所述上气室且与车身连接，所述下气室通过第一蓄能阀门与第一橡胶蓄能器连接，所述上气室通过第二蓄能阀门与第二橡胶蓄能器连接，所述下气室与压缩空气生成系统之间的高压管路设置第一调节器，所述上气室与压缩空气生成系统之间的高压管路设置第二调节器。
3.如权利要求2所述的一种提高公交车乘坐舒适性的智能辅助系统，其特征在于：所述空气悬架控制系统中，安装于车厢地板的横向加速度传感器检测车身的横向加速度，横向加速度传感器将信号经过信号处理模块进行滤波处理后再传送给空气悬架控制单元，发送调节指令给左右悬架气室容积调节执行单元，最后通过对第一调节器和第二调节器的控制实现上下气室体积的改变，让活塞位置发生改变即车身发生负倾角变化θ，系统对aby的闭环控制直至左右悬架对车身产生的合力Fs与车身自身的重力及离心力Fy平衡使得地板平面方向的横向加速度aby变成0为止。
4.如权利要求2所述的一种提高公交车乘坐舒适性的智能辅助系统，其特征在于：所述空气悬架控制系统中，当公交车行驶在具有一定侧倾角的路面时，侧倾角速度传感器将侧倾信号经信号处理模块进行滤波和积分处理后，得到侧倾方向与侧倾角度信息，接着传送给空气悬架控制单元，然后发送指令给左右悬架气室容积调节执行单元，最后通过对第一调节器和第二调节器的控制使得地板接近水平。
5.如权利要求2所述的一种提高公交车乘坐舒适性的智能辅助系统，其特征在于：所述空气悬架控制系统中，安装于地板靠近车轮附近的四个垂向振动加速度传感器，位于车顶的侧倾角速度传感器和俯仰角速度将检测信号经过信号处理模块进行滤波处理后再传送给空气悬架控制单元，再将指令发送给蓄能器阀门执行单元，然后对第二蓄能阀门和第一蓄能阀门的控制实现上下气室的压力调节即刚度的调节，减小车身振动加速度、俯仰角速度和侧倾角速度。
6.如权利要求2所述的一种提高公交车乘坐舒适性的智能辅助系统，其特征在于：所述空气悬架控制系统中，采用递归最小平方法实时估计车身的载荷，然后在一定刚度范围内通过线性变参数法LPV解决非线性控制及遗传优化算法得到最优弹簧刚度，再通过上下气室的蓄能方程反推上下气室的最优压力，而这时通过将指令发送给蓄能器阀门执行单元，然后对第二蓄能阀门和第一蓄能阀门的控制实现上下气室的压力调节即刚度的调节。
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