CN109050688B

CN109050688B - 喷气式车身稳定辅助系统及车

Info

Publication number: CN109050688B
Application number: CN201810916515.4A
Authority: CN
Inventors: 王增才; 刘宝春; 单兴华
Original assignee: Jinan Maen Machinery Electronic Technology Co ltd; Shandong University
Current assignee: Jinan Maen Machinery Electronic Technology Co ltd; Shandong University
Priority date: 2018-08-13
Filing date: 2018-08-13
Publication date: 2020-05-08
Anticipated expiration: 2038-08-13
Also published as: CN109050688A

Abstract

本发明公开了一种喷气式车身稳定辅助系统及车，包括传感器组、控制单元和执行器单元，所述传感器组至少包括检测车轮轮速的轮速传感器、检测实时方向盘转角的方向盘传感器、检测车轮的转向角度的角度传感器、检测车辆横摆角速度的横摆角速度传感器以及检测车辆横向加速度和纵向加速度的加速度传感器；控制单元，被配置为通过各传感器所提供的行驶参数得出车辆的行驶状态，并将横摆角速度与相同行驶状态下的理想横摆角速度做差，并将差值作为输入得到车辆的附加力矩，并将其转化确定为所需的喷气量，输出相应的电信号。本发明可以利用高压气体的反冲作用来辅助车身稳定系统的工作。

Description

喷气式车身稳定辅助系统及车

技术领域

本发明涉及一种喷气式车身稳定辅助系统及车。

背景技术

目前，车身稳定系统(ESP)主要是通过控制汽车的车轮状态和动力总成的扭矩输出来维持稳定的。即在防抱死制动系统(ABS)和牵引力控制系统(TCS)等技术的基础上，通过ECU控制各个车轮力和发动机的动力输出以保证车辆极限情况下的稳定性。然而，由于系统的控制对象为车轮力和发动机的动力输出，因此在系统工作时必然对车辆的动力性产生干扰，并且在车轮轮胎发生意外时(如爆胎或其他原因产生的气压剧烈变化)很容易削减系统的作用甚至失效。

对车身稳定系统的控制已进行很多相关的研究，如车轮防抱死系统、制动力分配系统、牵引力控制系统等，但是由于其执行器多为轮胎和发动机，使得执行器除进行正常行驶时的工作内容外，还要对汽车的主动安全负责，增加了执行器的工作内容，易造成执行器的疲劳，并在超出执行器工作强度时难以保证车身的稳定安全。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种喷气式车身稳定辅助系统及车，本发明能够根据车辆在行驶过程中的横摆角速度和质心侧偏角状态提供维持车身稳定所需的附加力矩，利用高压气体的反冲作用来辅助车身稳定系统的工作，在减轻ESP系统工作时执行器的工作强度同时拓宽系统安全的极限条件。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种喷气式车身稳定辅助系统，包括传感器组、控制单元和执行器单元，其中：

所述传感器组至少包括检测车轮轮速的轮速传感器、检测实时方向盘转角的方向盘传感器、检测车轮的转向角度的角度传感器、检测车辆横摆角速度的横摆角速度传感器以及检测车辆横向加速度和纵向加速度的加速度传感器；

所述控制单元，被配置为通过各传感器所提供的行驶参数得出车辆的行驶状态，并将横摆角速度与相同行驶状态下的理想横摆角速度做差，并将差值作为输入得到车辆的附加力矩，并将其转化确定为所需的喷气量，输出相应的电信号；

所述执行器单元包括：

空气压缩机，安装在发动机舱内，为蓄能器提供恒压的高压气体；

蓄能器，用来储存高压气体；

电磁阀，安装在高压喷嘴的前方,接收控制单元的控制电信号，通过开闭程度来控制相配合喷嘴的喷气量，确定所提供的附加力；

空气喷嘴，安装在车身底部需要添加附加力处，喷气处的尾端装有提供所需分力的至少两个喷嘴，且所述喷嘴分别与车身轴线方向垂直和平行。

进一步的，所述轮速传感器为多个，分别安装在每个车轮的轮毂上。

进一步的，所述方向盘传感器设置于方向盘下方的方向柱内，提供实时的方向盘转角，并以此推断驾驶意图，确定理想的横摆角速度和质心侧偏角。

进一步的，所述角度传感器，安装在汽车的转向机构上，采集车轮的转向角度，为侧偏角的计算提供基准。

进一步的，所述加速度传感器包括侧向加速度传感器和纵向加速度传感器，均设置于车辆的安全气囊电脑板中。

进一步的，所述蓄能器进气口处设置有能够实时观测蓄能器压力的压力监测装置。

进一步的，所述空气喷嘴设置在喷气式车辆的各个边角处，且都包括了纵向和横向的两个喷气朝向，施加该处所需的横向和纵向的附加力。

进一步的，所述空气压缩机与蓄能器之间还设置有安全阀，以防止蓄能器内压力过大，起保护装置的作用。

一种车，包括车体，所述车体上至少设置有上述喷气式车身稳定辅助系统。

用于喷气式车身稳定辅助系统或车的工作方法，当ESP系统处于工作极限时，将横摆角速度与相同行驶状态下的理想横摆角速度做差，并将差值作为输入决策出车辆的附加力矩，进行相应的喷气控制。

在ESP开启的状态下，横摆角速度仍偏离标准值35％以上，认为达到工作极限。

进一步的，所述所需的附加力矩的计算方法为

其中：

I_Z为整车绕z轴的转动惯量，单位为kg.m²；

χ为横摆角速度，rad/s；

F_xfl、F_xfr、F_xrl、F_xrr、为四个车轮所受的纵向力,N；

F_yfl、F_yfr、F_yrl、F_yrr为四个车轮所受的侧向力；

Fxi、Fyi分别为轮胎纵向力、侧向力；fl为左前轮、fr为右前轮、rl为

左后轮、rr为右后轮，为分别对应的车轮；

α为车轮转向角，rad；

a为质心到前轴的距离，m；

b为质心到后轴的距离，m；

tw1为前轴的轮宽，m；

tw2为前轴的轮宽，m；

Mz为附加力矩，N.m。

进一步的，决策出车辆的附加力矩的控制算法采用PID-模糊控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的喷气式车身稳定主动安全的辅助装置，可以利用高压气体的反冲作用来辅助车身稳定系统的工作，在ESP系统工作快要达到工作极限时开启工作，通过实时计算提供车辆所需的附加横摆力矩，进而维持车辆的稳定性，在减轻ESP系统工作时执行器的工作强度同时拓宽系统安全的极限条件。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本实施例喷气式车身主动安全系统的受力原理图。

图2是本实施例喷气式车身主动安全系统的安装位置图。

图3是本实施例喷气式车身主动安全系统的原理框图。

图4是本实施例中的喷气原理图。

其中：1、电磁阀，2、空气喷嘴，3、空气压缩机，4、安全阀，5、压力表，6、蓄能器；

1-1、安全阀，1-2、压力表，1-3、空气压缩机，1-4、蓄能器，1-5、电磁阀，1-6、空气喷嘴；

α为前轮转角；Vx，Vy分别为纵向、横向车速；β为质心侧偏角；γ为横摆角速度；Fxi、Fyi分别为轮胎纵向力、侧向力；i＝左前轮fl、右前轮fr、左后轮rl、右后轮rr，为分别对应的车轮；m为整车质量；a、b为前后轴到质心的距离；tw1为前轴轮距；tw2为后轴轮距；Iz为整车绕z轴的转动惯量。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本实施例先提供一种喷气式车身稳定辅助系统，具体包括：

(1)轮速传感器，分别安装在每个车轮的轮毂上，可以实时得出车轮的轮速。

(2)方向盘传感器，直接安装在方向盘下方的方向柱内，可以为系统提供实时的方向盘转角，并以此推断驾驶意图进而得出理想的横摆角速度和质心侧偏角。

(3)车轮转向角度传感器，安装在汽车的转向机构上，可以得出车轮的准确转向角度，为侧偏角的计算提供基准。

(4)横摆角速度传感器，安装在车辆的转盘上，可以得出车辆的横摆角速度，作为系统的控制对象，反映了车身系统的稳定性，同时与系统计算所得的理想横摆角速度值做差作为控制系统的输入值。

(5)侧向加速度传感器，安装在车辆的安全气囊电脑板中，可以得出车辆的横向加速度。

(6)纵向加速度传感器，安装在车辆的安全气囊电脑板中，可以得出车辆的纵向加速度。

(7)汽车稳定性电子控制单元，通过车辆各个传感器所提供的行驶参数得出车辆的行驶状态，并将横摆角速度与相同行驶状态下的理想横摆角速度做差，并将差值作为PID-模糊控制器的输入决策出车辆的附加力矩，并将其转化确定为每个喷气装置处所需的附加力，并通过特定的函数关系确定系统所需的喷气量，最后把相应的电信号传递给电磁阀，进行相应的喷气工作。

本实施例同时提供一种喷气式车体，如图3所示，包括车体本身，车体本身上还设置有:

空气压缩和储能模块，主要包括空气压缩机和蓄能器，为系统提供和储存高压气体，是整个系统工作时的能量来源和动力源。

逻辑控制模块，主要是根据轮速、方向盘、纵向侧向加速度等传感器参数得出车辆行驶的行驶状态，从而得出车辆行驶所需标准的横摆角速度，并与控制对象标准的横摆角速度做出对比，利用PID-模糊控制器得出稳定横摆角速度所需的附加力矩值，并将附加力矩自动分配到四个喷气装置处得出该处所需对应的附加力值，并通过电信号控制执行机构提供所需的附加力以维持车身的稳定安全。

执行机构模块，主要包括安全阀、电磁阀、压力表、喷嘴，通过电信号控制电磁阀的开口大小来控制高压气体的喷出量进而控制该处喷气的反冲力，每套装置处配置两个电磁阀和喷嘴，喷嘴的安装方向分别平行和垂直于汽车轴线，通过改变两个分力的大小可以得到该处所需的合力的效果。

控制对象模块，主要是横摆角速度传感器，横摆角速度作为车身稳定与否的观测目标，此处被系统用来当作控制对象。作为系统的负反馈信号，通过传感器实时测量的横摆角速度值与系统计算所得的标准横摆角速度做差，所得差值作为逻辑控制模块的控制器输入。

具体的，除了上述辅助系统外，还包括：

空气压缩机，安装在发动机舱内，可以为蓄能器提供恒压的高压气体，保证蓄能器内的气压稳定，防止因气压过小而无法提供所需的气体冲力。

安全阀，安装在压缩机和蓄能器之间，可以防止蓄能器内压力过大，起保护装置的作用。

压力表，安装在蓄能器进气口处，可以实时观测蓄能器压力。

蓄能器，安装在后备箱内，可以用来储存高压气体。

电磁阀，安装在高压喷嘴的前方,可以通过开闭程度来控制相配合喷嘴的喷气量，进而确定所提供的附加力。

空气喷嘴，安装在车身底部需要添加附加力处，喷气处的尾端装有两个电磁阀及喷嘴，分别与车身轴线成垂直和平行方向用来提供所需的两个分力，以此减少单一喷嘴喷气产生合力转动时产生的扰动。

根据公式可以得到系统工作时所需的附加力矩,并通过喷气的反作用力产生附加力矩的作用效果：

其中：

I_Z为整车绕z轴的转动惯量，单位为kg.m²；

χ为横摆角速度，rad/s；

F_xfl、F_xfr、F_xrl、F_xrr、为四个车轮所受的纵向力,N；fl为左前轮、fr为右前轮、rl为左后轮、rr为右后轮，为分别对应的车轮；

F_yfl、F_yfr、F_yrl、F_yrr、为四个车轮所受的侧向力,N；

α为车轮转向角，rad；

a为质心到前轴的距离，m；

b为质心到后轴的距离，m；

tw1为前轴的轮宽，m；

tw2为前轴的轮宽，m；

Mz为附加力矩，N.m。

当车辆正常行驶时，车辆受到的外界摩擦力和发动机产生的动力平衡，车辆的实际运动与驾驶员的输入相符，此时的主动安全系统不介入工作；当ESP系统识别出驾驶员输入和车辆实际运动不一致时，系统马上通过车轮的制动和干预发动机的转矩输出来稳定车辆；当行驶条件急剧恶化超过ESP的工作极限时，仅靠控制车轮的制动情况和发动机转矩很难在短时间内提供足够的横摆力矩来维持车辆的横摆稳定性，为此我们设计了喷气式车身稳定辅助装置，可以在ESP系统工作快要达到工作极限时开启工作，通过实时计算提供车辆所需的附加横摆力矩，进而维持车辆的稳定性。

车辆行驶受力如图1所示，横摆力矩平衡公式如公式所示，在车辆正常行驶时，该方程处于稳定状态，无需ESP系统的介入；但当系统的受力失衡时，ESP系统介入工作，通过改变制动力和发动机的输出，即公式中各个车轮的纵向力和横向力的大小，通过改变各个力的大小来维持车辆横摆的力矩平衡；当ESP系统接近工作极限时，该专利设计的辅助装置参与横摆稳定性的调节，喷气装置产生附加力矩的作用效果，即公式中的Mz,在实际工作中，我们通过设计的喷气装置利用高压气体的反冲力产生附加力矩的效果。

喷气装置的安装位置如图2所示，在汽车的四个角落都分别装有纵向和横向的两个喷气处，用来施加该处所需的横向和纵向的附加力。该装置的气体原理图如图4所示，气体通过进气格栅吸入新鲜空气，并通过压缩机产生高压空气，并将高压空气存入后备箱的蓄能器中，压力表观测蓄能器中的压力值，防止气体压力过大，当气体压力过大时，安全阀打开，管道内气压减小；当系统工作时，电磁阀接收电子控制单元传来的电信号开启一定的角度或开度，喷出定量的气体，产生所需的附加力。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种喷气式车身稳定辅助系统，其特征是：包括传感器组、控制单元和执行器单元，其中：

所述执行器单元包括：

蓄能器，用来储存高压气体；

2.如权利要求1所述的一种喷气式车身稳定辅助系统，其特征是：所述轮速传感器为多个，分别安装在每个车轮的轮毂上。

3.如权利要求1所述的一种喷气式车身稳定辅助系统，其特征是：所述方向盘传感器设置于方向盘下方的方向柱内，提供实时的方向盘转角，并以此推断驾驶意图，确定理想的横摆角速度和质心侧偏角。

4.如权利要求1所述的一种喷气式车身稳定辅助系统，其特征是：所述角度传感器，安装在汽车的转向机构上，采集车轮的转向角度，为侧偏角的计算提供基准。

5.如权利要求1所述的一种喷气式车身稳定辅助系统，其特征是：所述加速度传感器包括侧向加速度传感器和纵向加速度传感器，均设置于车辆的安全气囊电脑板中。

6.如权利要求1所述的一种喷气式车身稳定辅助系统，其特征是：所述空气压缩机与蓄能器之间还设置有安全阀，以防止蓄能器内压力过大，起保护装置的作用；

或，所述蓄能器进气口处设置有能够实时观测蓄能器压力的压力监测装置。

7.如权利要求1所述的一种喷气式车身稳定辅助系统，其特征是：所述空气喷嘴设置在喷气式车辆的各个边角处，且都包括了纵向和横向的两个喷气朝向，施加该处所需的横向和纵向的附加力。

8.一种车，其特征是：包括车体，所述车体上至少设置有如权利要求1-7中任一项所述的辅助系统。

9.用于喷气式车身稳定辅助系统或喷气式车辆的工作方法，其特征是：当ESP系统处于工作极限时，将横摆角速度与相同行驶状态下的理想横摆角速度做差，并将差值作为输入决策出车辆的附加力矩，进行相应的喷气控制。

10.如权利要求9所述的工作方法，其特征是：决策出车辆的附加力矩的控制算法采用PID-模糊控制。