CN108819651B - 一种应急救援车辆的车身姿态调平控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布的应急救援车辆的车身姿态调平控制系统能够包括：三轴加速度计，用以实时测量低速行驶车辆的加速度；处理器，根据三轴加速度计测得的加速度大小来计算车辆的车身姿态角；控制器，读取车身姿态角的信息，并将车身姿态角与车辆的调平精度预设角进行实时比较，以判断车辆的车身是否需要进行调平控制。本发明的车身调平系统能够采用质心位置误差调平方法，并且结合车辆的主动悬架系统，以控制悬架系统的各个悬架液压缸的运动，实现车辆车身的平稳调平。本发明的车身调平系统还能够采用共面式车身调平方法，以保持悬架系统的各个悬架液压缸与车身连接点在同一平面运动，提高车身调平控制的快速性。

Description

一种应急救援车辆的车身姿态调平控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种应急救援车辆的车身姿态调平控制系统及方法，尤其涉及一种低速越野行驶的应急救援车辆的车身姿态调平控制系统及其方法。

背景技术

应急救援车辆在一些地形特殊的地区进行伤员转移治疗救援时，为避免对伤者造成二次伤害，车辆行驶时要求车身保持水平状态，为救援活动提供安全的工作平台。并且，随着技术的发展，一些车载的高精救援设备对工作环境要求也越来越高，因而，平稳的车辆车身运行姿态成为了其正常工作必备的前提条件。

目前，普遍应用的救援车辆车身调平方法是采用倾角传感器测量计算车身姿态角，以最高点不动、各驱动器依次调节为主的位置误差调平方法。然而，倾角传感器实时测量计算运动车辆车身姿态的能力较差，不利于对运动的车辆车身姿态进行实时精确测量计算；并且，该方法在调平时最大的位置误差较大，因而所需调平时间较长，对各点速度控制方式均相同使车身调节存在强耦合，从而使其在调平快速性上亦不占优势。例如，公开号为CN101172455A的专利提供的铁水包车的液压自动调平方法及调平系统；另外，公开号为CN103991351A的专利提供的一种液压平板车载重平台四点支撑调平系统及实现方法，其调平系统及实现方法在车身姿态调平控制的平稳性和快速性上均具有明显不足。然而，三轴加速度计对于运动车辆车身姿态角的测量计算可靠性高、解算速度快，且不存在惯性测量单元测量累积误差、系统复杂和成本高等问题，从而可实现车身姿态角的实时精确测量计算。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应急救援车辆车身姿态调平控制系统及方法，以提高车辆车身姿态调平的快速性及调节稳定性，从而避免在车身调平过程中因车身驱动器强耦合带来的车身反复调节问题，并进一步提高应急救援车辆行驶中车身的平稳性和操作稳定性。

为实现上述目的，本发明的应急救援车辆的车身姿态调平控制系统包括：

加速度计，加速度计能够实时测量低速行驶车辆的加速度大小；

处理器，处理器能够根据加速度计测得的加速度大小来计算车辆的车身姿态角；

控制器，控制器能够读取车身姿态角的信息，并将车身姿态角与车辆的调平精度预设角进行实时比较，以判断车辆的车身是否需要进行调平控制，从而对车辆车身进行调平。

在一个优选实施方案中，本发明的车身调平系统能够采用质心位置误差调平方法，并且该位置误差调平方法能够结合车辆的主动悬架系统，以控制悬架系统的各个悬架液压缸的运动，从而减小在调平过程中因车身惯性，由较高点向下调节时产生较大的惯性力，从而实现车辆车身的平稳调平。

在一个优选实施方案中，本发明的车身调平系统还能够采用共面式车身调平方法，以保持悬架系统的各个悬架液压缸与车身连接点在同一平面运动，从而能够减小因车身驱动器强耦合带来的车身反复调节，进一步提高车身调平控制的快速性。

在一个优选实施方案中，本发明的车身调平系统还能够采用位移负反馈控制，以对悬架液压缸的运动过程进行准确控制。

在一个优选实施方案中，本发明的车身调平系统中采用的加速度计能够与车辆固联，安装在车辆的质心位置；并且，该加速度计能够为三轴加速度计。

进一步，根据本发明的应急救援车辆车身姿态调平控制系统的实现方法，该方法中包括以下步骤：

步骤S100，通过与车辆固联，安装在车辆质心的三轴加速度计实时采集计算包括车辆俯仰角、横滚角的车身姿态角；

步骤S200，由控制器读取车身姿态角信息，将车身姿态角与调平精度预设角进行比较，判断车辆车身是否需要调平；若车身姿态角大于调平精度预设角，则判断车身需要进行调平控制；

步骤S300，若需进行车身调平控制，采用质心位置误差调平方法并结合车辆的主动悬架系统，进行姿态解算以计算车身平面被调平至水平时该悬架系统中各个悬架液压缸的伸缩位移量；

步骤S400、采用共面式调平车身方法，将各悬架液压缸伸缩位移量信号输出至相应电液比例阀，控制各悬架液压缸以不同速度运动，以对车身平面进行调平；

步骤S500、采用位移负反馈控制各个悬架液压缸伸缩位移量直至运动完成，即利用安装至各个悬架液压缸的位移传感器采集调平过程中其各自的伸缩位移量，并与步骤S300中解算出的伸缩位移量进行比较，当采集到的伸缩位移量达到解算出的伸缩位移量，则电液比例阀接通中位，停止调平；

步骤S600、利用控制器将三轴加速度计实时采集计算出的车身姿态角与调平精度预设角再次进行比较，若实时的车身姿态角小于或等于调平精度预设角，则判断车辆不再需要进行车身调平控制，结束调平。

根据本发明的应急救援车辆的车身姿态调平控制系统，其工作过程大致如下：

通过安装于车辆质心的三轴加速度计实时采集、计算包括车辆俯仰角、横滚角的车身姿态角；由控制器读取车身姿态角，并将该车身姿态角与调平精度预设角进行比较，判断车辆车身是否需要调平；若车身姿态角大于调平精度预设角，则判断车身需要进行调平控制；此时，采用质心位置误差调平方法，结合车辆主动悬架系统，作姿态解算以计算该悬架系统中各个悬架液压缸的伸缩位移量；采用共面式调平车身方法，由控制器将各个悬架液压缸的伸缩位移量信号输出至相应电液比例阀，从而控制各悬架液压缸以不同速度保持在同一平面动作，实现车身调平；采用位移负反馈控制各个悬架液压缸伸缩位移量直至运动完成，即利用安装至各悬架液压缸的位移传感器采集调平过程中其各自伸缩量，并与计算出车身被调至水平时各个悬架液压缸的伸缩位移量相比较，当采集到的伸缩位移量达到计算出的伸缩位移量，则电液比例阀接通中位，停止调平。进一步，根据伸缩量是否到位来判断是否有虚腿产生；由控制器将三轴加速度计实时采集计算出的车身姿态角与预设角进行比较，判断车身是否需要继续调平控制；当实时的车身姿态角小于或等于调平精度预设角，则判断车辆不再需要进行车身调平控制，结束调平。

本发明的车身姿态调平控制系统及方法，具有如下益处：

对车身姿态进行调平时，与车辆主动悬架系统相结合，并采用质心位置误差调平方法，从而减小在调平过程中因车身惯性，由较高点向下调节时产生较大的惯性力，从而增强车身调平的稳定性，并且，减小了悬架液压缸作动位移，从而缩短了调平时间；

采用共面式调平车身法，能够减小因车身驱动器强耦合带来的车身反复调节，即减小了车身调节驱动器强耦合性，从而也能够缩短车身的调平时间，进一步提高了车身调平的快速性。

附图说明

图1是根据本发明的车身姿态调平控制系统实现方法的流程图。

图2是根据本发明的车身姿态调平控制系统的整体结构示意图。

图3是根据本发明的车身调平过程的状态示意图。

图4是根据本发明的车身调平过程的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步说明：

本发明涉及一种尤其是低速越野行驶中的应急救援车辆的车身姿态调平控制系统，该调平系统包括三轴加速度计、数据处理器、控制器、电液比例阀、位移传感器和悬架液压缸。三轴加速度计能够实时测量低速行驶车辆的加速度大小；处理器根据三轴加速度计测得的加速度大小来计算车辆的车身姿态角；控制器能够读取车身姿态角信息，并将车身姿态角与车辆的调平精度预设角进行实时比较，以判断车辆的车身是否需要进行调平控制，从而对车辆车身进行调平。该系统能够采用质心位置误差调平方法，并且该位置误差调平方法能够结合车辆的主动悬架系统，以控制悬架系统的各个悬架液压缸的运动。进一步，该系统还能够采用共面式车身调平方法，以保持悬架系统的各个悬架液压缸与车身连接点在同一平面运动。

如图2所示，该系统还包括D/A转换器、比例放大器、A/D转换器等，由控制器发出的数字信号经D/A转换器转换为模拟信号，该模拟信号经过比例放大器放大后输入电液比例阀，通过控制四个电液比例阀的阀口开度来控制与之相连的悬架液压缸运动速度，使四个悬架液压缸以不同速度保持在同一平面运动，调节车身至水平。由四个位移传感器实时检测各悬架液压缸伸缩量信号，该模拟信号经A/D转换器转换为数字信号传至控制器，与车身调至水平计算出的位移量信号进行比较，判断液压缸运动是否停止及是否有虚腿产生；车辆在低速越野行驶时由三轴加速度计实时采集计算车身姿态角，由控制器读取车身姿态角信息判断车辆车身是否需要调平控制。

进一步，如图1所示，本发明的调平系统的实现方法详细内容包括如下步骤：

步骤一、该系统采用三轴加速度计实时测量低速行驶车辆加速度的大小，处理器根据测得的加速度大小计算应急救援车辆车身姿态角，即车身在坐标X、Y方向的倾斜角：俯仰角θ和横滚角γ。为计算车身姿态角，本文定义两种坐标系：地理坐标系n和载体坐标系b；地理坐标系是载体所在地区的坐标系，坐标原点选为载体质心，定义x轴在当地水平面内以指向东为正，y轴在当地水平面内以指向北为正，z轴为当地地垂线方向并以指向天空为正向；载体坐标系是固连在运动载体上的坐标系，坐标原点选为载体质心，定义x轴垂直载体对称面并以指向载体右侧为正，y轴沿载体对称线方向并以指向载体前方为正，z轴在载体对称面内以指向上为正。

姿态余弦矩阵表征了地理坐标系到载体坐标系的变换，反映了载体在地理坐标系中的姿态航向信息。

当车辆发生倾斜时，加速度计的三轴方向都会有输出，并且重力在三轴加速度计的分量与车辆的姿态成一定的对应关系，可以表示为：

f＝[f_x f_y f_z]^T,gⁿ＝[0 0 -g]^T (3)

其中f,gⁿ分别表示三轴加速度计的比力矢量和当地重力加速度的比力矢量。由于航向角对加速度计的输出值没有影响，在此认为航向角为零，结合姿态余弦矩阵，车身的姿态角可以用三轴加速度计的比力矢量表示为：

由控制器读取车身姿态角信息，将车身姿态角与调平精度预设角进行实时比较，判断车辆车身是否需要调平控制。

步骤二、以车辆主动悬架液压缸为车身姿态调平驱动器，参见图4知，采用质心位置误差调平方法，即以车辆质心所在与车身平行平面为调节面，解算各悬架液压缸伸缩量，其较高点向低处运动，较低点向高处运动，最终调节车身至水平状态。调平系统与主动悬架系统相结合，减小在调平过程中因车身惯性较大，由较高点向下调节时产生较大的惯性力。如图3所示，假设在某一瞬时平面，三轴加速度计测得车辆加速度大小并计算得出车身在坐标X、Y方向的倾斜角为α和β，假设各悬架液压缸在X、Y方向距质心距离为a和b，以车辆质心为原点建立坐标轴，于是可求得四个悬架液压缸1、2、3、4所在点相对水平平面所需调节的位置误差：

假设质心平面动坐标相对水平参考坐标先绕X轴旋转β度后绕Y轴旋转α度，则坐标系转化矩阵为：

同理若质心平面动坐标相对水平参考坐标先绕Y轴旋转α度后绕X轴旋转β度，则坐标系转化矩阵为：

因一般车身倾斜角较小，故：sinβ＝β,sinα＝α,sinαsinβ＝0,cosα＝cosβ＝1,分别代入转化矩阵T₁和T₂，得

既得运动坐标系与水平参考坐标系的转化矩阵为：

因此，无论质心平面先绕X轴还是Y轴旋转，在车身倾斜角较小的情况下，其变换矩阵相同，且对于车身旋转方向设α沿X轴正向向下旋转为正，β沿Y轴正向向上旋转为正。设在水平参考坐标系中任意一点的坐标为(x_p1,y_p1,z_p1)，当坐标系相对于Y轴旋转α度相对于X轴旋转β度，该点在运动坐标系中的坐标(x_p,y_p,z_p)，则有：

[x_p,y_p,z_p]^T＝T·[x_p1,y_p1,z_p1]^T (7)

可得：z_p＝-α·x_p1+β·y_p1+z_p1 (8)

其中：z_p1＝0

则有：z_p＝-α·x_p1+β·y_p1 (9)

因此便可求得四个悬架液压缸相对于水平平面的位置误差为：

ΔZ_i＝Z_i-Z₀＝-α(x_i-x₀)+β(y_i-y₀)＝-αx_i+βy_i(i＝1,2,3,4) (10)

其中：(x₀,y₀,z₀)表示车辆质心坐标，在此设其为坐标原点因而其坐标均为零，(x_i,y_i,z_i)表示四个悬架液压缸所在坐标。

步骤三、基于减小因车身驱动器强耦合带来的车身反复调节，提高调平快速性，采用共面式调平车身方法，即通过调节各电液比例阀阀口开度来控制与之相连的各悬架液压缸以不同速度保持在同一平面运动，实现车身的调平。由步骤二计算得出每个悬架液压缸相对于水平平面的位置误差为ΔZ_i，为使四个悬架液压缸达到共面式调平，其调节时间应为相同，因而各悬架液压缸调节速度为：NΔZ_i(i＝1、2、3、4，N为比例系数，其与总调平时间相关)。电液比例阀是一种流量控制元件，液压缸的运动速度与控制电流成正比，因而对于不同悬架液压缸伸缩速度，通过控制其相应电磁比例阀的通入电流即可。

步骤四、系统中各悬架液压缸伸缩运动采用位移负反馈方式控制，即在各悬架液压缸安装位移传感器实时采集调平过程中其各自伸缩量，并与车身调至水平时计算位移量进行比较，当伸缩量达到计算位移量，则电磁比例阀接通中位停止调平，并根据伸缩量是否到位来判断是否有虚腿产生。此后由控制器将三轴加速度计实时采集计算的车身姿态角与调平精度预设角进行比较，判断车辆车身是否需要继续调平控制。当实时的车身姿态角小于或等于调平精度预设角，则判断车辆不再需要进行车身调平控制，结束调平。

应当理解，本发明的上述实施方案和实施例仅出于示例的目的，在不脱离本发明随附权利要求书所限定的范围的前提下，据此做出的多种改型和变体，都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种应急救援车辆的车身姿态调平控制系统，其特征在于，所述车身姿态调平控制系统包括：

加速度计，所述加速度计能够实时测量车辆的加速度大小；所述加速度计与所述车辆固联，安装在车辆的质心位置；并且，所述加速度计为三轴加速度计；当车辆发生倾斜时，加速度计的三轴方向都会有输出，并且重力在三轴加速度计的分量与车辆的姿态成一定的对应关系，表示为：

f＝[f_x f_y f_z]^T,gⁿ＝[0 0 -g]^T

其中f,gⁿ分别表示三轴加速度计的比力矢量和当地重力加速度的比力矢量；

为姿态余弦矩阵，表示为

其中n为地理坐标系，b为载体坐标系；

处理器，所述处理器能够根据所述加速度计测得的加速度大小来计算所述车辆的车身姿态角；结合姿态余弦矩阵，车身的姿态角用三轴加速度计的比力矢量表示为：

其中θ为俯仰角和γ为横滚角；

控制器，所述控制器能够读取所述车身姿态角信息，并将所述车身姿态角与所述车辆的调平精度预设角进行实时比较，以判断所述车辆的车身是否需要进行调平控制，并能够根据所述车身姿态角与所述车辆的调平精度预设角的比较值对车辆车身进行调平控制；

还包括D/A转换器、比例放大器、A/D转换器、四个电液比例阀和四个位移传感器，其中四个电液比例阀分别与四个悬架液压缸相连，由控制器发出的数字信号经D/A转换器转换为模拟信号，所述模拟信号经过比例放大器放大后输入电液比例阀，通过控制四个电液比例阀的阀口开度来控制与之相连的悬架液压缸运动速度，使四个悬架液压缸以不同速度保持在同一平面运动，调节车身至水平；由四个位移传感器实时检测各悬架液压缸伸缩量信号，该模拟信号经A/D转换器转换为数字信号传至控制器，与车身调至水平计算出的位移量信号进行比较，判断液压缸运动是否停止及是否有虚腿产生；

所述车身姿态调平控制系统采用质心位置误差调平方法，并且所述质心位置误差调平方法能够结合车辆的主动悬架系统，以控制所述悬架系统的各个悬架液压缸的运动；

所述车身姿态调平控制系统采用共面式车身调平方法，以保持所述悬架系统的各个悬架液压缸与车身连接点在同一平面运动；

所述车身姿态调平控制系统还能够采用位移负反馈控制，以对所述悬架液压缸的运动过程进行控制。

2.一种应急救援车辆的车身姿态调平控制系统的实现方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤(a)：利用加速度计实时采集加速度大小、由处理器根据测得的加速度大小计算所述车辆的车身姿态角；所述加速度计与所述车辆固联，安装在车辆的质心位置；并且，所述加速度计为三轴加速度计；当车辆发生倾斜时，加速度计的三轴方向都会有输出，并且重力在三轴加速度计的分量与车辆的姿态成一定的对应关系，表示为：

f＝[f_x f_y f_z]^T,gⁿ＝[0 0 -g]^T

其中f,gⁿ分别表示三轴加速度计的比力矢量和当地重力加速度的比力矢量；

为姿态余弦矩阵，表示为

其中n为地理坐标系，b为载体坐标系；

结合姿态余弦矩阵，车身的姿态角可以用三轴加速度计的比力矢量表示为：

其中θ为俯仰角和γ为横滚角；

步骤(b)：利用控制器读取所述车身姿态角信息，并将所述车身姿态角与调平精度预设角进行比较；若所述车身姿态角大于所述调平精度预设角，则判断所述车辆的车身需要进行调平控制；

步骤(c)：采用质心位置误差调平方法并结合车辆的主动悬架系统，进行姿态解算以计算车身平面被调平至水平时该悬架系统中各个悬架液压缸的伸缩位移量；四个悬架液压缸相对于水平平面的位置误差为：

ΔZ_i＝Z_i-Z₀＝-α(x_i-x₀)+β(y_i-y₀)＝-αx_i+βy_i(i＝1,2,3,4)

其中：(x₀,y₀,z₀)表示车辆质心坐标，在此设其为坐标原点因而其坐标均为零，(x_i,y_i,z_i)表示四个悬架液压缸所在坐标，α和β分别为三轴加速度计测得车辆加速度大小并计算得出车身在坐标X、Y方向的倾斜角；

步骤(d)：采用共面式调平车身方法，将所述各个悬架液压缸的伸缩位移量信号输出至相应的电液比例阀，从而控制所述各个悬架液压缸以不同的速度保持在同一平面运动，以对车身进行调平；各悬架液压缸调节速度为：NΔZ_i，其中i＝1、2、3、4，N为比例系数，其与总调平时间相关；

步骤(e)：采用位移负反馈控制所述各个悬架液压缸伸缩位移量直至运动完成，即利用安装在所述各个悬架液压缸的位移传感器采集车身调平过程中其各自的伸缩位移量，并与步骤(c)中解算出的伸缩位移量进行比较；当采集到的伸缩位移量达到解算出的伸缩位移量时，则电液比例阀接通中位，停止调平；

步骤(f)：利用所述控制器将加速度计实时采集计算出的车身姿态角与所述车辆的调平精度预设角再次进行比较，若实时的车身姿态角小于或等于所述调平精度预设角，则判断所述车辆不再需要进行车身调平控制，结束调平。

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