CN109606332B - 一种基于混杂理论的拖挂式房车制动力分配控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混杂理论的拖挂式房车制动力分配控制系统及控制方法，包括前车信息模块、房车信息模块、决策控制模块和操纵执行模块；前车信息模块用于实时获取前车相关行驶信息，并将前车行驶信息输入到决策控制模块；房车信息模块用于实时获取房车相关行驶信息，并将房车行驶信息输入到决策控制模块；决策控制模块利用混杂控制理论对所接收的前车行驶信息和房车行驶信息进行决策，并将决策指令发送到操纵执行模块；操纵执行模块接收决策控制模块的决策指令，实现房车制动，本发明通过引入混杂控制理论，将复杂工况下的房车转向制动转换为了多模式控制以及各算法相互协调的问题，从而使得房车制动控制的适应性更强，控制效果更优。

Description

一种基于混杂理论的拖挂式房车制动力分配控制系统及控制 方法

技术领域

本发明属于拖挂式房车控制技术领域，尤其涉及一种基于混杂理论的拖挂式房车制动力分配控制系统及控制方法。

背景技术

车辆制动系统性能好坏直接关系到人身安全的，国内外车企和科研部门都非常重视汽车新型制动系统的研发。电磁制动器是一种新型制动器，现在大部分已用到拖车尤其是拖挂式房车的房车制动上。和传统液压式制动器相比，电磁制动器有其突出的优点，电缆代替管路，提高制动器灵敏度，可靠性高，安装方便；其次，控制器设计方便，代表了制动器的发展趋势，为实现车辆自动化、智能化提供了必备部件。

由于房车质量、前车制动的不确定性以及相关道路因素，可以看出房车所处的工况较为复杂，这就要求能够设计一种能够普遍适应多种状态，多种工况的控制器，从而保证前车与房车的行驶安全，而传统的使用单一算法的控制器虽然在某些条件下表现良好，但是在工况更为复杂的情况下，其适应性较差，很难达到很高的控制精度。

从拖挂式房车控制的安全性、稳定性角度来看，不同工况应具有不同的控制目标和侧重点，而使得整体综合性能达到最优，由于前方车辆本身具有离散事件和连续动态并存以及离散事件与连续动态行为相互影响的特征，而拖挂式房车的本质即对前车进行跟随，因此同样表现出典型切换控制的混杂系统特征。混杂控制系统理论有优于传统方法的良好性能，可以获得比单独采用连续动态或离散事件动态系统更好的效果，解决传统控制器无法解决的复杂问题。因此本发明利用混杂理论，通过前车与后车特征量的提取，实现了混杂控制器的设计，使用多种算法应对多种房车制动工况，从而使得房车能够对复杂工况的适应性得以进一步加强。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的房车制动控制难以应对较为复杂的工况的问题，本发明提供了一种基于混杂理论的拖挂式房车制动力分配控制系统及控制方法，实现对房车进行精确控制。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于混杂理论的拖挂式房车制动力分配控制系统，包括前车信息模块、房车信息模块、决策控制模块和操纵执行模块；

所述前车信息模块用于实时获取前车相关行驶信息，并将前车行驶信息输入到决策控制模块；

所述房车信息模块用于实时获取房车相关行驶信息，并将房车行驶信息输入到决策控制模块；

所述决策控制模块利用混杂控制理论对所接收的前车行驶信息和房车行驶信息进行决策，并将决策指令发送到操纵执行模块；

所述操纵执行模块接收决策控制模块的决策指令，实现房车制动；

进一步，所述前车信息模块包括包含安装于前车的九轴陀螺仪传感器、制动踏板行程传感器和前车方向盘转角传感器，所述九轴陀螺仪传感器用于检测前车车身姿态及行驶速度、加速度和横摆角速度等车辆信息，所述制动踏板行程传感器用于辅助判断前车制动状态，所述方向盘转角传感器用于估计前车实际转角；

进一步，所述房车信息模块包括安装于房车中的九轴陀螺仪传感器以及安装于房车与前车连接处的力传感器，所述九轴陀螺仪传感器用于采集房车的车身姿态信息以及房车行驶信息，所述力传感器用于检测房车质量；

进一步，所述决策控制模块包含混杂控制器，所述混杂控制器包括上层控制器、中层控制器和下层控制器，所述上层控制器根据前车的横摆角速度选择制动模式，所述中层控制器根据上层控制器所选择的制动模式、前车行驶信息和房车行驶信息综合处理输出制动所需的电流参数，并将该电流参数传递给下层控制器，下层控制器根据各个车轮所需分配的电流传输到操纵执行模块；

进一步，所述制动模式为直线制动模式或弯道制动模式；

进一步，所述操纵执行模块为控制房车四轮的电磁制动装置。

一种基于混杂理论的拖挂式房车制动力分配控制方法，包括以下步骤：

步骤1，通过实验等方法获取制动力分配算法对于房车制动性能的影响，并获得理想的多输入多输出的混杂控制器；

步骤2，当前车制动踏板行程传感器检测到制动信号，制动力分配控制系统开始工作；

步骤3，混杂控制器包括上层控制器根据前车信息模块的横摆角速度值选择的制动模式；

步骤4，中层控制器根据上层控制器所选择的制动模式、前车行驶信息和房车行驶信息综合处理输出制动所需的电流参数，下层控制器将该电流参数传递给操纵执行模块；

步骤5，操纵执行模块对电磁制动器进行拖挂式房车制动力控制；

进一步，所述步骤3中，制动模式的选择条件为：若横摆角速度值达到阈值，则进入转弯制动模式；若未达到阈值，则采用直线制动模式；

进一步，所述在直线制动模式时，采用PID控制算法获得制动所需的电流参数；

进一步，所述转弯制动模式包括模式1、模式2、模式3与故障模式，通过各个模式之间的切换，进行相应模式下运算获得制动所需的电流参数。

本发明的有益效果：

由于房车所处的工况较为复杂，传统的使用单一算法的控制器虽然在某些条件下表现良好，但是在工况更为复杂的情况下，其适应性较差，很难达到很高的控制精度。为了解决这一问题，因此本发明利用混杂理论，通过前车与后车特征量的提取，实现了混杂控制器的设计，使用多种算法应对多种房车的制动工况，从而使得房车能够对复杂工况的适应性得以进一步加强。

该控制器对于复杂工况的适应性良好，特别适合车辆在路况复杂、制动变化频繁的情况下进行房车的控制，从而充分发挥该控制器的控制效果。

附图说明

图1是本发明系统结构图；

图2是本发明决策控制模块结构图；

图3是本发明上层控制器的制动模式选择条件判断框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明为一种基于混杂理论的拖挂式房车制动力分配控制系统，包括前车信息模块、房车信息模块、决策控制模块和操纵执行模块；前车信息模块用于实时获取前车相关行驶信息，前车信息模块包括包含安装于前车的九轴陀螺仪传感器、制动踏板行程传感器和前车方向盘转角传感器，所述九轴陀螺仪传感器用于检测前车车身姿态及行驶速度、加速度、横摆角速度，所述制动踏板行程传感器用于辅助判断前车制动状态，所述方向盘转角传感器用于估计前车实际转角，并将前车行驶信息输入到决策控制模块；房车信息模块用于实时获取房车相关行驶信息，包括安装于房车中的九轴陀螺仪传感器以及安装于房车与前车连接处的力传感器，所述九轴陀螺仪传感器用于采集房车的车身姿态信息以及房车行驶信息，所述力传感器用于检测房车质量，并将这些房车行驶信息输入到决策控制模块；决策控制模块利用包含混杂控制器，所述混杂控制器包括上层控制器、中层控制器和下层控制器，所述上层控制器用于利用横摆角速度选择制动模式，制动模式为直线制动模式或弯道制动模式；所述中层控制器根据上层控制器所选择的制动模式、前车行驶信息和房车行驶信息综合处理输出制动所需的电流参数，并将该电流参数传递给下层控制器，下层控制器根据各个车轮所需分配的电流传输到操纵执行模块；混杂控制理论对所接收的前车行驶信息和房车行驶信息进行决策，并将决策指令发送到操纵执行模块，即房车四轮的电磁制动装置；操纵执行模块接收决策控制模块的决策指令，实现房车制动。

如图2、3所示，本发明的决策控制模块的上层控制器接收前车的横摆角速度，若未达到阈值，则采用直线制动模式，即中层控制器根据制动模式、前车行驶信息和房车行驶信息，采用PID控制获得制动所需的电流参数；若横摆角速度值达到阈值，则进入转弯制动模式，中层控制器根据转弯制动模式、前车行驶信息和房车行驶信息；通过切换监督器进行运算模式选择，具体分为模式1、模式2、模式3与故障模式，若检测故障，则进行警报，并进入故障模式，利用故障算法对房车进行制动控制，模式1、模式2、模式3分别对应相应的控制算法，算法1、算法2、算法3，运算模式选择的依据为：前车横摆角速度与房车横摆角速度偏差、房车质量等进行综合划分，通过给出的参数对其进行模糊控制算法后，能够获得综合评价量，其中模糊控制规则通过试验获得。综合评价量通过判断该综合评价量所处区间，给出符合该区间的理想制动控制算法：

以下给出算法1、算法2、算法3的推荐算法：

算法1：主要应用于小制动力，小方向盘转角的场合。此工况为发生频率最高的工况，因此采用神经网络算法，一方面由于该事件发生频率较高能够保证在房车运行时，数据积累保证神经网络算法的精度；另一方面由于已经证明了神经网络可以拟合任意连续曲线，因此该算法在精细控制阶段能够进一步提升房车制动质量。

算法2：主要应用于大制动力，小方向盘转角的场合。由于此时工况接近于直线工况，但是由于在车速较快时，小转角也会引起车辆的横向稳定特性的急剧变化，其模型目前仍处于研究阶段，因此采用模糊控制算法，通过相关的经验与试验获得的模糊规则库，从而提高控制精度，提高房车稳定性。

算法3：主要应用于大制动力，大方向盘转角的场合。由于制动力较大，对于房车电磁制动器制动精度要求不高，但是对制动器反应时间要求较高。

本发明还提供了一种基于混杂理论的拖挂式房车制动力分配控制方法，包括以下步骤：

步骤1，通过实验等方法获取制动力分配算法对于房车制动性能的影响，并获得理想的多输入多输出的混杂控制器；具体过程如下：

步骤1.1，通过实验等方法获取制动力分配算法对于房车制动性能的影响，可参照如下参数进行评价：制动过程中前车与房车连接件的应力变化情况，应力越接近0，说明控制效果越好。从而建立规则库。

步骤1.2，设计多输入多输出的混杂控制器，参考的输入的车辆的特征量包括：前车横摆角速度与房车横摆角速度偏差、房车质量等；输出量为四个车轮电磁制动器的制动电流。根据给定的参考输入，最终转化为无量纲化量作为稳定判别特征量，根据特征量选定对应的模式，并根据各阶段试验的最优算法与给定的特征量形成对应关系，从而获得混杂控制器。

步骤2，当前车制动踏板行程传感器检测到制动信号，制动力分配控制系统开始工作；

步骤3，前车信息模块将前车实际转角，前车横摆角速度、前车车速信息传递给控制决策模块，决策控制模块的上层控制器根据前车信息模块的横摆角速度值与设定阈值进行判断，判断后决定进入直线制动模式或转弯制动模式，混杂控制器包括上层控制器根据前车信息模块的横摆角速度值选择的制动模式；制动模式的选择条件为：若横摆角速度值达到阈值，则进入转弯制动模式；若未达到阈值，则采用直线制动模式；在直线制动模式时，采用PID控制，可获得良好的控制效果；转弯制动模式包括模式1、模式2、模式3与故障模式，各个模式之间的切换，进行相应模式下运算。

步骤4，中层控制器根据上层控制器所选择的制动模式、前车行驶信息和房车行驶信息综合处理输出制动所需的电流参数，下层控制器将该电流参数传递给操纵执行模块；

步骤5，操纵执行模块通过决策模块给出的电流值通过PWM调制占空比对电磁制动器进行拖挂式房车制动力控制；

本发明决策控制模块的混杂控制器通过直线制动的算法由于能够忽略房车转弯时的复杂模型，因此可以采用较简单的车辆模型进行状态估计，并获得良好的控制效果。而转弯工况下，由于涉及到四轮制动力的不平均分配，因此在建立房车模型时，效果不如直线行驶状态下的控制方式，但是由于采用了混杂控制模式，综合考虑车速、横摆角速度以及房车质量等因素，进行不同算法的控制，因此能够获得较为理想的结果。

因此本发明利用混杂理论，通过前车与后车特征量的提取，实现了混杂控制器的设计，使用多种算法应对多种房车制动工况，从而使得房车能够对复杂工况的适应性得以进一步加强。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于混杂理论的拖挂式房车制动力分配控制系统,其特征在于，包括前车信息模块、房车信息模块、决策控制模块和操纵执行模块；

所述前车信息模块用于实时获取前车相关行驶信息，并将前车行驶信息输入到决策控制模块；

所述房车信息模块用于实时获取房车相关行驶信息，并将房车行驶信息输入到决策控制模块；

所述决策控制模块利用混杂控制理论对所接收的前车行驶信息和房车行驶信息进行决策，并将决策指令发送到操纵执行模块；所述决策控制模块包含混杂控制器，所述混杂控制器包括上层控制器、中层控制器和下层控制器，所述上层控制器根据前车的横摆角速度选择制动模式，所述中层控制器根据上层控制器所选择的制动模式、前车行驶信息和房车行驶信息综合处理输出制动所需的电流参数，并将该电流参数传递给下层控制器，所述下层控制器根据各个车轮所需分配的电流传输到操纵执行模块；上层控制器接收前车的横摆角速度，若横摆角速度未达到阈值，则采用直线制动模式，即中层控制器根据制动模式、前车行驶信息和房车行驶信息，采用PID控制获得制动所需的电流参数；若横摆角速度值达到阈值，则进入转弯制动模式，中层控制器根据转弯制动模式、前车行驶信息和房车行驶信息；通过切换监督器进行运算模式选择，具体分为模式1、模式2、模式3与故障模式；所述操纵执行模块接收决策控制模块的决策指令，实现房车制动；模式1、模式2、模式3分别对应不同的控制算法，运算模式选择的依据为：前车横摆角速度与房车横摆角速度偏差、房车质量进行综合划分，通过给出的参数对其进行模糊控制算法后，能够获得综合评价量，其中模糊控制规则通过试验获得；综合评价量通过判断该综合评价量所处区间，给出符合该区间的理想制动控制算法。

2.根据权利要求1所述的一种基于混杂理论的拖挂式房车制动力分配控制系统，其特征在于，所述前车信息模块包括包含安装于前车的九轴陀螺仪传感器、制动踏板行程传感器和前车方向盘转角传感器，所述九轴陀螺仪传感器用于检测前车车身姿态及行驶速度、加速度和横摆角速度，所述制动踏板行程传感器用于辅助判断前车制动状态，所述方向盘转角传感器用于估计前车实际转角。

3.根据权利要求1所述的一种基于混杂理论的拖挂式房车制动力分配控制系统，其特征在于，所述房车信息模块包括安装于房车中的九轴陀螺仪传感器和安装于房车与前车连接处的力传感器，所述九轴陀螺仪传感器用于采集房车的车身姿态信息以及房车行驶信息，所述力传感器用于检测房车质量。

4.根据权利要求1所述的一种基于混杂理论的拖挂式房车制动力分配控制系统，其特征在于，所述制动模式为直线制动模式或弯道制动模式。

5.根据权利要求1所述的一种基于混杂理论的拖挂式房车制动力分配控制系统，其特征在于，所述操纵执行模块为控制房车四轮的电磁制动装置。

6.一种如权利要求1所述的基于混杂理论的拖挂式房车制动力分配控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过实验的方法获取制动力分配算法对于房车制动性能的影响，并获得理想的多输入多输出的混杂控制器；具体过程如下：

步骤1.1，通过实验的方法获取制动力分配算法对于房车制动性能的影响，可参照如下参数进行评价：制动过程中前车与房车连接件的应力变化情况，应力越接近0，说明控制效果越好；从而建立规则库；

步骤1.2，设计多输入多输出的混杂控制器，参考的输入的车辆的特征量包括：前车横摆角速度与房车横摆角速度偏差、房车质量；输出量为四个车轮电磁制动器的制动电流；根据给定的参考输入，最终转化为无量纲化量作为稳定判别特征量，根据特征量选定对应的模式，并根据各阶段试验的最优算法与给定的特征量形成对应关系，从而获得混杂控制器；

步骤2，当前车制动踏板行程传感器检测到制动信号，制动力分配控制系统开始工作；

步骤3，混杂控制器包括上层控制器根据前车信息模块的横摆角速度值选择的制动模式；所述步骤3中，制动模式的选择条件为：若横摆角速度值达到阈值，则进入转弯制动模式；若未达到阈值，则采用直线制动模式；在直线制动模式时，采用PID控制算法获得制动所需的电流参数；所述转弯制动模式包括模式1、模式2、模式3与故障模式，通过各个模式之间的切换，进行相应模式下运算获得制动所需的电流参数；模式1、模式2、模式3分别对应不同的控制算法，运算模式选择的依据为：前车横摆角速度与房车横摆角速度偏差、房车质量进行综合划分，通过给出的参数对其进行模糊控制算法后，能够获得综合评价量，其中模糊控制规则通过试验获得；综合评价量通过判断该综合评价量所处区间，给出符合该区间的理想制动控制算法。

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