CN109703423B - 基于电流变液的车辆座椅悬架系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电流变液的车辆座椅悬架系统的控制方法，该控制方法对装设于座椅悬架系统中的应用电流变液的阻尼机构的阻尼、和空气弹簧的刚度进行控制，且该控制方法通过采集座椅悬架加速度信号、空气弹簧气压信号以及座椅高度信号，并经由定时器中断处理步骤可对阻尼机构的阻尼以及空气弹簧的刚度进行调节，以可减轻甚至消除传递至座椅上的振动，提升座椅乘坐舒适性。此外，本发明的控制方法亦可经由按键中断处理步骤对座椅高度进行调节，以使驾驶者找到合适的驾驶姿势，而也利于提高座椅的舒适性。

Description

基于电流变液的车辆座椅悬架系统的控制方法

技术领域

本发明涉及车辆座椅悬架技术领域，特别涉及一种基于电流变液的车辆座椅悬架系统的控制方法。

背景技术

座椅作为车辆上的重要组成部分，直接影响到车辆的乘坐舒适性。对于货运车辆、工程车辆、军用车辆等，由于车辆的悬架舒适性较差，路况恶劣时会导致车辆产生强烈的振动，这些振动中的绝大部分都通过座椅直接传递到司机，司机不得不长时间承受低频、高强度的振动。这种情况下，容易引发脊椎畸变、胃病等职业病，而对司机的健康造成危害。此外，长期在振动环境下工作，也会引起司机驾驶疲劳，极有可能引发交通事故。

电流变液是由纳米至微米尺度的介电颗粒与绝缘液体混合而成的复杂流变液体。其“电流变效应”是指电流变液的“流变特性”或流体的粘度随外电场发生改变的特性。在没有外电场作用时，电流变液通常呈液体状态，其粘度和油差不多。当外电场作用于电流变液时，其表观粘度随外场的增加而变大，成为类似胶状沥青物质。当外电场足够大时，电流变液转变为强度可与一般固体相比较的类固态物质，其剪切强度随电场强度而增大，并且这种“液-固”转变是可逆的，其转变时间一般也在毫秒量级。

巨电流变液作为一种新型的电流变液，剪切强度可超过100KPa，其相较于一般的电流变液的响应速度更快，且对比于传统电流变液小于30KPa的剪切强度，其在剪切强度上亦得到了很大的提高。由于巨电流变液的剪切强度高、响应速度快，因而其可用于制造用电场连续调控切变强度的阻尼系统和传动系统，比如座椅悬架系统。

为了控制基于巨电流变液的座椅悬架系统，现有的方案一般是在座椅悬架上增加位移传感器，座椅悬架的振动引起位移传感器发生位移，位移传感器输出的位移信号输入到座椅悬架的控制器中，控制器通过输入的位移信号对座椅悬架进行调整。

对于控制算法，现有的方法是在控制器内部设置不同的档位，不同的档位对应着不同的悬架阻尼调节参数，比如某个确定的电流值、电压值。控制器根据输入的位移信号的值，选择对应的悬架阻尼调节参数，并将该参数输出，实现对座椅悬架的调节。

基于巨电流变液的座椅悬架系统能够过滤掉传递到座椅上的绝大部分振动，改善和提高车辆的乘坐舒适性。但是在实际应用中，由于巨电流变液自身的特性，导致基于巨电流变液的座椅悬架阻尼的变化存在滞回现象，其具有明显的非线性特性，而现有的大多数控制方法无法有效解决这种非线性带来的控制上的不确定性。

而目前用于控制基于巨电流变液的座椅悬架系统的位移传感器主要有两种，一种是非接触式的位移传感器，比如激光传感器、红外传感器，另一种是接触式的位移传感器，比如拉线式位移传感器、电位器式位移传感器。这些位移传感器在使用时，对于非接触式的位移传感器，其暴露在悬架上开放区域中，在工作中如遇到泥泞路面激光发射器被泥土覆盖后便无法正常工作，其容错率较低，且激光传感器成本太高，不适合大规模量产。对于接触式的位移传感器，由于其需要固定到座椅悬架上，座椅悬架上的振动会引起传感器发生磨损，从而会降低传感器的测量精度，并减少传感器的使用寿命。由于现有位移传感器所存在的上述缺点，导致输入到控制器的位移信号较差，从而会影响控制器对座椅悬架的控制效果。

同时，单一的被动式的调节座椅悬架的阻尼无法很好的适应实时变化的颠簸路面干扰，在控制器内部设置不同档位来调节座椅悬架阻尼的方法，亦存在着对未知路面进行实时调节的效果有限，以及如前所述的无法解决电流变阻尼器非线性弊端等不足。

此外，对于座椅高度的调节，现有的方法一般是通过气阀，控制悬架系统内空气弹簧中气囊的充气和放气，以实现对座椅高度的调节。但对于上述现有的调节方法，座椅的使用者直接控制气囊的气阀，无法有效的控制气囊的充放气，导致难以快速的找到一个合适的座椅高度。并且在车辆行驶过程中，也无法根据路况的变化对座椅刚度进行动态调整。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于电流变液的车辆座椅悬架系统的控制方法，以可克服现有技术中的至少一点不足，而能够提升座椅乘坐的舒适性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于电流变液的车辆座椅悬架系统的控制方法，该控制方法对装设于座椅悬架系统中的应用电流变液的阻尼机构的阻尼和空气弹簧的刚度进行控制，且所述控制方法包括如下的步骤：

s1、系统初始化；

s2、开启定时器；

s3、检测是否有定时器中断信号，若有进入步骤s4，没有则进入步骤s5；

s4、定时器中断处理步骤：

s41、采集座椅悬架加速度信号，并由所述加速度信号采用PID控制模块获取所述阻尼机构的控制电压信号，及至所述座椅悬架的加速度信号接近或等于0；

s42、采集所述空气弹簧的气压信号与座椅高度信号，以获取空气弹簧的当前刚度信号，并由所述加速度信号获取车辆当前路况信号及该当前路况信号对应的期望刚度信号，比较当前刚度信号与所述期望刚度信号，获得所述空气弹簧的充放气控制信号，及至所述空气弹簧的当前刚度信号接近或等于所述期望刚度信号；

s43、退出定时器中断处理步骤，并将定时器置零；

s5、检测是否有按键中断信号，若有进入步骤s6，没有则返回步骤s3，并重复执行步骤s3-s5；

s6、按键中断处理步骤：

s61、检测车辆是否处于行驶状态，若是退出按键中断处理步骤，若否进入步骤s62；

s62、检测是否有所述阻尼机构的开关信号，若有打开或关闭所述阻尼机构，若没有进入步骤s63；

s63、检测是否有座椅高度调节信号，若有调节所述座椅的高度，若没有退出按键中断处理步骤。

进一步的，步骤s41包括如下的控制步骤：

s411、获取t时刻座椅悬架的加速度信号x(t)；

s412、由PID控制模块对步骤s411获取的所述加速度信号x(t)进行处理，以获得所述阻尼机构的所述控制电压信号u(t)而对所述阻尼机构的电场强度进行控制，且所述PID控制模块的处理公式为：

其中，e(t)为基于所述加速度信号x(t)得到的所述PID控制模块的输入信号，K_p为比例系数，T_I为积分时间常数，T_D为微分时间常数，且K_p、T_I、T_D均为预置值；

s413、重复步骤s411和步骤s412，直至e(t)接近或等于0。

进一步的，步骤s412中还包括：对采集的所述加速度信号x(t)进行数字低通滤波处理，且数字低通滤波处理的公式为：

y(t)＝a*x(t)+(1-a)*y(t-1)

其中，a为滤波系数、且0＜a＜1，y(t)为在t时刻输出的滤波后的加速度信号，y(t-1)为在t-1时刻输出的滤波后的加速度信号；

且，e(t)＝y(t)-R，R为所述PID控制模块内预置的加速度信号参考值。

进一步的，步骤s413中为重复步骤s411和步骤s412，直至0≤e(t)≤0.05。

进一步的，步骤s42包括如下的控制步骤：

s421、采集空气弹簧的气压信号与座椅高度信号；

s422、由所述气压信号和座椅高度信号，通过二维模糊控制器获取所述空气弹簧的当前刚度信号；

s423、将计数器向上计数，并判断计数器的计数是否超过预设阈值，若是进入步骤s424，若否进入步骤s43；

s424、通过逆动力学模型获取车辆当前路况信号，并根据路况信号与空气弹簧刚度的对应表，由所述当前路况信号获取所对应的期望刚度信号；

s425、比较当前刚度信号和所述期望刚度信号，获取所述空气弹簧的充放气信号，并对所述空气弹簧进行充气或放气；

s426、采集空气弹簧的气压信号与座椅高度信号，并通过二维模糊控制器获取所述空气弹簧的当前刚度信号，将当前刚度信号与所述期望刚度信号比较，判断当前刚度信号是否接近或等于所述期望刚度信号，若是进入步骤s427，若否返回步骤s425，并重复步骤s425-s426；

s427、清空计数器计数，进入步骤s43。

进一步的，通过所述二维模糊控制器获取所述空气弹簧的当前刚度信号包括如下的步骤：

s4221、将座椅高度值以低、适中、高进行等级划分，并设置x表示本次采集到的座椅高度值；

s4222、设置关于x的隶属度函数μ_座椅高度：

s4223、每次采集座椅高度值x，通过所述隶属度函数μ_座椅高度计算分别隶属于低、适中、高的座椅高度值等级的值μ_x1、μ_x2、μ_x3，以对座椅高度值进行模糊化；

s4224、将空气弹簧的气囊的气压值以低、中、高进行等级划分，并设置y表示表示本次采集到的气囊气压值；

s4225、设置关于y的隶属度函数μ_气囊气压；

s4226、每次采集气囊气压值y，通过所述隶属度函数μ_气囊气压计算分别隶属于低、中、高的气囊气压值等级的值μ_y1、μ_y2、μ_y3，以对气囊气压值进行模糊化；

s4227、定义集合p＝{p₁，p₂，p₃，p₄，p₅，p₆，p₇，p₈，p₉}，分别计算μ_x1和μ_y1的乘积、μ_x1和μ_y2的乘积、μ_x1和μ_y3的乘积、μ_x2和μ_y1的乘积、μ_x2和μ_y2的乘积、μ_x2和μ_y3的乘积、μ_x3和μ_y1的乘积、μ_x3和μ_y2的乘积、μ_x3和μ_y3的乘积，并将上述乘积依次表示为p₁、p₂、p₃、p₄、p₅、p₆、p₇、p₈、p₉；

s4228、通过设置的气囊气压值等级和座椅高度值等级与气囊刚度值之间的对应关系表，查询获得气囊刚度值；

s4229、根据公式

去模糊以获得所述空气弹簧的当前刚度信号Stiff_current。

进一步的，步骤s4221中，x取值范围为[0，100]，且步骤s4222中的所述隶属度函数μ_座椅高度为：

步骤4224中，y取值范围为[0，100]，且步骤s4225中的所述隶属度函数μ_气囊气压为：

进一步的，通过所述逆动力学模型获取所述车辆当前路况信号包括如下的步骤：

s4241、根据座椅悬架结构，建立座椅动力模型；

s4242、建立所述座椅动力模型的动力方程：

其中，m_s表示座椅簧上质量，k_s表示气囊的刚度，c_s表示电流变阻尼器的阻尼，z_s表示座椅的位移，z_r表示路况信号；

s4243、由所述动力方程得到路况信号z_r的表达式：

s4244、通过状态观测器进行观测、以估算出

和

并通过所述动力学模型计算得到当前路况信号z_r。

进一步的，步骤s63中的所述座椅高度调节信号包括座椅高度复位信号、座椅高度微调信号和座椅高度快降信号；且，

所述座椅高度复位信号为将座椅高度调节为预设默认高度值，所述座椅高度微调信号为在预设的座椅高度最低值和座椅高度最高值之间调节所述座椅的高度，所述座椅高度快降信号为将所述座椅的高度调节至预设的座椅高度最低值。

进一步的，步骤s2中还包括：获取保存的座椅高度记忆值，并将座椅高度调节至所述座椅高度记忆值。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本发明的基于电流变液的车辆座椅悬架系统的控制方法，通过采集座椅悬架加速度信号、空气弹簧气压信号以及座椅高度信号，可经由定时器中断处理步骤对阻尼机构的阻尼以及空气弹簧的刚度进行调节，以可减轻甚至消除传递至座椅上的振动，而能够提升座椅乘坐舒适性。

同时，在阻尼机构的阻尼控制中，通过对采集的座椅悬架的加速度信号进行PID闭环控制，以输出控制电压信号来智能调整阻尼机构的场强，可实现对悬架系统阻尼特性的有效调节，同时通过PID闭环控制对座椅悬架阻尼的动态调整，也可实现对具有非线性特征的基于电流变液的座椅悬架系统的动态控制，不仅能够减轻、甚至消除传递到座椅上的振动，达到提高座椅乘坐舒适性的效果，且其也具有控制原理简单、控制效果好、成本低、稳定性好等优点。

此外，在空气弹簧刚度的控制中，通过由车辆路况信号所对应的期望刚度信号来对空气弹簧的实时刚度进行调整，可使空气弹簧的刚度与车辆的路况处于较好的匹配状态，从而能够通过对空气弹簧刚度的动态调节，达到降低振动传递，提升座椅舒适性的效果。

另外，本发明的控制方法经由按键中断处理步骤亦可实现对座椅高度进行调节，可便于驾驶者找到合适的驾驶姿势，从而也利于提高座椅的舒适性。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的车辆座椅悬架系统的示例性结构图；

图2为本发明实施例所述的控制方法的流程图；

图3为本发明实施例所述的电流变阻尼器的控制流程图；

图4为数字低通滤波处理前与处理后的加速度信号的对比图；

图5为采取控制手段前与采取控制手段后的座椅振动幅度曲线的对比图；

图6为本发明实施例所述的空气弹簧刚度的控制流程图；

图7为本发明实施例所述的二维模糊控制器计算气囊当前刚度的流程图；

图8为本发明实施例所述的座椅悬架动力模型的示意图；

图9为本发明实施例所述的按键中断处理的流程图；

附图标记说明：

1-座椅悬架，2-空气弹簧，3-电流变阻尼器，4-加速度传感器，5-位移传感器，6-控制器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本实施例涉及一种基于电流变液的车辆座椅悬架系统的控制方法，该控制方法用于对装设在座椅悬架系统中的应用电流变液的阻尼机构的阻尼，以及空气弹簧的刚度进行控制，以可减轻甚至消除传递至座椅上的振动，同时，本实施例的控制方法亦能够对座椅高度进行调节，可便于驾驶者找到合适的驾驶姿势，从而有利于提高座椅乘坐的舒适性。

其中，本实施例的具有空气弹簧以及应用电流变液的阻尼机构的座椅悬架系统的一种示例性结构可如图1中所示，在该座椅悬架系统中，座椅悬架1由上、下两个平台，和连接在两平台之间的剪叉机构构成，剪叉机构基于下平台形成对上平台的支撑，并可通过剪叉机构自身的开合，实现上、下平台之间的距离，也即座椅悬架1整体高度的变化，座椅悬架1高度的改变，也便能够实现对座椅高度的调整。

空气弹簧2连接支撑在上平台和下平台之间，应用电流变液的阻尼机构具体为铰接于上、下平台间的电流变阻尼器3，本实施例中空气弹簧2与电流变阻尼器3均采用现有部件即可，且电流变阻尼器3内所应用的电流变液具体也为巨电流变液。在上平台的底部还设置有加速度传感器4，其可对座椅悬架1随车辆振动时的加速度信号进行采集，下平台上则设置有位移传感器5，该位移传感器5可对上平台与下平台之间的相对位移进行采集，而所采集的相对位移信号也反映出座椅悬架1高度的变化。

本实施例中，位移传感器5可采用现有的磁性或光电式非接触式位移传感器器件，加速度传感器9则可采用现有的压电式、电容式或电感式加速度传感器件。此外，本实施例在下平台上还设置有控制器6，该控制器6用于接收加速度传感器4、位移传感器5等的采集信号，以实现对空气弹簧2以及电流变阻尼器3的控制。

详细来说，对于针对于空气弹簧2的控制部分，控制器6内包括有气源，以及连接于气源和空气弹簧2之间的气路控制组件，并且在空气弹簧2上也设置有气压传感器，以对空气弹簧2内气囊的压力进行检测，并将检测信号同样传送于控制器6。其中，上述气源可为直接装设在座椅悬架1处的气泵，该气泵亦由控制器6控制启停，或者，上述气源也可采用车辆自带的气泵，而气路控制组件则由连接在气泵和空气弹簧2之间的管路，和设置在管路上的比例电磁阀等控制阀构成。

对于针对于电流变阻尼器3的控制部分，控制器6内则包括有与电流变阻尼器3连接的驱动器，该驱动器采用现有的电压驱动器件便可，以可在控制器6的控制下，通过驱动器的调节为电流变阻尼器3中的工作电极提供不同的电压，由此改变电流变阻尼器3中阻尼通道内的电场强度，进而实现电流变阻尼器3阻尼的调整。

除了前述的针对于空气弹簧2和电流变阻尼器3的控制部分，本实施例的控制器6中还包括有接收加速度传感器4、位移传感器5以及气压传感器等的采集信号，以对气泵、比例电磁阀和驱动器等进行控制，从而实现本发明的控制方法的控制模块，该控制模块具体采用现有的具有数据存储、处理功能的单片机等可编程控制器件即可，而该控制模块的控制逻辑，将结合于下文所述的本实施例控制方法的距离流程进行说明。

具体而言，结合于图2中所示的，本实施例的基于电流变液的车辆座椅悬架系统的控制方法包括有如下的步骤：

步骤s1：系统初始化；

步骤s2：开启定时器；

步骤s3：检测是否有定时器中断信号，若有进入步骤s4，没有则进入步骤s5；

步骤s4：定时器中断处理步骤：

步骤s41：采集座椅悬架加速度信号，并由加速度信号采用PID控制模块获取阻尼机构的控制电压信号，及至座椅悬架的加速度信号接近或等于0；

步骤s42：采集空气弹簧的气压信号与座椅高度信号，以获取空气弹簧的当前刚度信号，并由加速度信号获取车辆当前路况信号、及该当前路况信号对应的期望刚度信号，比较当前刚度信号与期望刚度信号，获得空气弹簧的充放气控制信号，及至空气弹簧的当前刚度信号接近或等于期望刚度信号；

步骤s43：退出定时器中断处理步骤，并将定时器置零；

步骤s5：检测是否有按键中断信号，若有进入步骤s6，没有则返回步骤s3，并重复执行步骤s3-s5；

步骤s6：按键中断处理步骤：

步骤s61：检测车辆是否处于行驶状态，若是退出按键中断处理步骤，若否进入步骤s62；

步骤s62：检测是否有阻尼机构的开关信号，若有打开或关闭阻尼机构，若没有进入步骤s63；

步骤s63：检测是否有座椅高度调节信号，若有调节座椅的高度，若没有退出按键中断处理步骤。

其中，详细来说，系统上电后进行系统初始化步骤，整个控制流程开始执行，在初始化过程中，系统可检测各信号输入接口所连接的传感器是否在线，如果有传感器不在线，则控制器6无法采集到该传感器的设备地址，也便不能实现对相应部件的控制。若检测到各传感器在线，此时，系统亦可获取所保存的座椅高度记忆值，该座椅高度记忆值即上次乘坐座椅时所调整好的高度值，通过控制空气弹簧2的充、放气，以调节空气弹簧2的高度，使座椅悬架1的高度、也即座椅的高度处于座椅高度记忆值，可省去再次调节座椅高度的麻烦，而利于节约行驶前的准备工作时间。

在系统初始化完成后，系统开启一个定时器，该定时器在定时时间到达后发出中断信号，以用于触发定时器中断处理步骤。此后，系统进入程序循环中，循环过程中，系统对定时器中断信号进行检测，若检测到定时器中断信号，系统便会进入定时器中断处理步骤，以触发各传感器采集信号(包括加速度信号、位移信号、气压信号等)，而用于阻尼控制与刚度控制。而若未检测到定时器中断信号，系统检测是否有按键中断信号，该按键中断信号为由座椅乘坐者操控有关座椅高度调整的控制按键所产生，有按键中断信号则系统进入按键中断处理步骤，若也没有按键中断信号，则系统返回重复执行中断信号的检测。

当检测有定时器中断信号，而进入定时器中断处理步骤中时，系统可实现对电流变阻尼器3和空气弹簧2的控制，以能够实现对传递到座椅悬架1上的振动激励的衰减甚至消除，进而提升座椅乘坐的舒适性。

首先，对于电流变阻尼器3的控制，控制器6通过加速度传感器4采集座椅悬架1的加速度信号，并可通过PID控制模块的处理获得对电流变阻尼器3的控制电压信号，以对电流变阻尼器3的控制电压、也即电流变阻尼器3的阻尼进行调节，最终使得座椅悬架1的加速度信号接近或等于0，此也即实现对座椅悬架1振动的衰减。

具体的，通过PID控制模块的闭环控制，以对座椅悬架的阻尼进行动态调整，能够实现对具有非线性特征的基于电流变液的座椅悬架1的动态控制，以减轻甚至消除传递到座椅悬架1上的振动。

而由图3中所示出的，电流变阻尼器3的控制处理包括如下的步骤：

步骤s411：获取t时刻座椅悬架的加速度信号x(t)；

步骤s412：由PID控制模块对步骤s411获取的加速度信号x(t)进行处理，以获得阻尼机构的控制电压信号u(t)，而对阻尼机构的电场强度进行控制，且PID控制模块的处理公式为：

其中，e(t)为基于加速度信号x(t)得到的PID控制模块的输入信号，K_p为比例系数，T_I为积分时间常数，T_D为微分时间常数，且K_p、T_I、T_D均为预置值；

步骤s413：重复步骤s411和步骤s412，直至e(t)接近或等于0。

上述处理步骤中，本实施例通过加速度传感器4采集座椅悬架系统1的实时加速度信号x(t)，考虑到由于加速度传感器4的制造工艺、以及外部环境影响等因素，会导致加速度传感器4所采集的加速度信号中掺杂无用的噪声。若不去除掺杂的噪声，而直接将采集的加速度信号输入PID控制模块，可能会降低PID控制模块的控制效果，甚至会导致PID控制模块失效。因此，为避免影响PID控制模块的使用效果，本实施例中优选的对加速度传感器4采集的加速度信号x(t)进行滤波处理。

此时，基于传递到座椅悬架系统1处的振动多为低频振动，故在进行滤波时，只需考虑使得低频信号通过，而将突发的高频信号看作噪声即可。由此，本实施例中具体为采用数字低通滤波器对采集的加速度信号进行滤波处理，且数字低通滤波处理的公式为：

y(t)＝a*x(t)+(1-a)*y(t-1)，

其中，a为滤波系数、且0＜a＜1，x(t)为在t时刻采集到的加速度信号，y(t)为在t时刻输出的滤波后的加速度信号，y(t-1)为在t-1时刻输出的滤波后的加速度信号。

通过上述数字低通滤波器的处理，可滤除无用的高频噪声，同时保留有用的低频加速度信号，其具体处理效果可通过图4中的对比看出，经由图4可看出数字低通滤波器能够有效的滤除高频噪声。经滤波处理后的加速度信号被缓存在控制器6的控制模块中，同时其也输入PID控制模块中，以由PID控制模块进行处理。

本实施例中，PID控制模块具体可采用现有的PID控制器，并且在由PID控制模块对步骤s411获取的加速度信号进行处理、以获得阻尼机构电场强度的步骤s412中，PID控制模块的处理公式为：

其中，e(t)为PID控制模块的输入，u(t)为PID控制模块的输出，K_p为比例系数，T_I为积分时间常数，T_D为微分时间常数，且K_p、T_I、T_D均为PID预置值。

此外，PID控制器的输入e(t)具体为由公式：e(t)＝y(t)-R获得，且其中，R为预置的加速度信号参考值。预置的加速度信号参考值R的引入，为用于得到当前的系统状态与理想状态之间的误差，也即e(t)，从而可使PID控制器判断当前系统是否处于或者接近理想控制状态。

步骤s412中PID控制模块的输出u(t)即作用于电流变阻尼器3中的电流变液上，以调控电流变液的形态，从而实现对电流变阻尼器3阻尼特性的调节。

在座椅悬架1的工作过程中，不断的重复步骤s411和步骤s412，最终使得PID控制器的输入e(t)为“0”或近似等于“0”(也即0≤e(t)≤0.05)。e(t)为“0”或近似等于“0”的情形，便可认为对座椅悬架1的控制达到了较为有效的状态，在该状态下，由座椅悬架1传递至座椅上的大部分振动被衰减、甚至消除，以此能够达到提高座椅乘坐舒适性的目的。

电流变阻尼器3经由上述控制方法处理后对座椅振动的抑制效果可由图5中的对比看出，此时，经由图5可看出采用上述控制方法后能够有效的减轻、甚至消除座椅上的振动，而提高座椅的乘坐舒适性。

本实施例对于空气弹簧2的控制，其包括如下的步骤：

步骤s421：采集空气弹簧的气压信号与座椅高度信号；

步骤s422：由气压信号和座椅高度信号，通过二维模糊控制器获取空气弹簧的当前刚度信号；

步骤s423：将计数器向上计数，并判断计数器的计数是否超过预设阈值，若是进入步骤s424，若否进入步骤s43；

步骤s424：通过逆动力学模型获取车辆当前路况信号，并根据路况信号与空气弹簧刚度的对应表，由当前路况信号获取所对应的期望刚度信号；

步骤s425：比较当前刚度信号和期望刚度信号，获取空气弹簧的充放气信号，并对空气弹簧进行充气或放气；

步骤s426：采集空气弹簧的气压信号与座椅高度信号，并通过二维模糊控制器获取空气弹簧的当前刚度信号，将当前刚度信号与期望刚度信号比较，判断当前刚度信号是否接近或等于期望刚度信号，若是进入步骤s427，若否返回步骤s425，并重复步骤s425-s426；

步骤s427：清空计数器计数，并进入步骤s43。

上述处理步骤中，计数器的设置为用于记录当前总共采集了多少组加速度数据，工作中，每当定时器中断被触发时，便会采集加速度传感器数据，加速度信号采集完毕后，即将计数器计数增加1。

而结合于图6中所示的，具体来说，车辆座椅的乘坐者对于座椅刚度的感受，只是一种主观上的感受，比如刚度很低、刚度较低、刚度合适、刚度较高以及刚度很高等，对于刚度具体是多大，从人的主观角度来讲并没有一个明确的量纲。但是用于控制座椅刚度的空气弹簧2气囊的气压和座椅的高度却是精确的值，在这种情况下利用模糊控制器能够将空气弹簧2气压和座椅的高度信息模糊化，并输出一个座椅刚度的控制信息，该控制信息所达到的控制效果可接近人的主观感受，且在实施上也简单有效。

由于需要模糊控制器处理空气弹簧气囊的气压信号和座椅高度信号两个输入量，因此本实施例的模糊控制器具体采用二维模糊控制器，其可接受两种输入量，并对输入量进行模糊化，且输出一个控制信息。本实施例该二维模糊控制器的示例处理过程如下所述：

结合于图7中所示的，首先，将座椅高度值分为三个等级：LH(座椅高度低)，MH(座椅高度适中)，HH(座椅高度高)，设置x表示本次采集到的座椅高度值H_current。本实施例中x取值范围为[0，100]，当然该取值范围也可根据实际实施情况进行改动。对于x，采用如下隶属度函数：

每次采集到x，则通过隶属度函数μ_座椅高度计算出μ_LH(x)、μ_MH(x)、μ_HH(x)，并将计算得到的值分别表示为μ_x1、μ_x2、μ_x3，该μ_x1、μ_x2、μ_x3分别隶属于LH、MH、HH这个三个不同的座椅高度值等级。上述过程称为对座椅高度值进行模糊化。

与座椅高度值类似的，将气囊气压值分为三个等级：LP(气压低)，MP(气压中)，HP(气压高)，设置y表示表示本次采集到的气囊气压值P_current。本实施例y取值范围为[0，100]，当然该取值范围亦可以根据实际情况改动。对于y，采用如下隶属函数：

每次采集到y，则通过隶属度函数μ_气囊气压计算出μ_LP(y)、μ_MP(y)、μ_HP(y)，并将计算得到的值分别表示为μ_y1、μ_y2、μ_y3，该μ_y1、μ_y2、μ_y3分别隶属于LP、MP、HP这个三个不同的气囊气压值等级。上述过程称为对气囊气压值进行模糊化。

然后，定义集合p＝{p₁，p₂，p₃，p₄，p₅，p₆，p₇，p₈，p₉}。分别计算μ_x1和μ_y1的乘积、μ_x1和μ_y2的乘积、μ_x1和μ_y3的乘积、μ_x2和μ_y1的乘积、μ_x2和μ_y2的乘积、μ_x2和μ_y3的乘积、μ_x3和μ_y1的乘积、μ_x3和μ_y2的乘积、μ_x3和μ_y3的乘积，并将这些乘积依次表示为p₁、p₂、p₃、p₄、p₅、p₆、p₇、p₈、p₉。

将气囊气压值和座椅高度值模糊化后，通过如下的表1查询气囊刚度值、也即空气弹簧或座椅刚度值与气囊气压等级和座椅高度等级之间的关系。其中，表1中的数值可根据实际实施情况进行相应改动。

表1：气囊气压值等级和座椅高度值等级与气囊刚度值之间的对应关系

最后根据如下式子：

便可计算出气囊当前的刚度Stiff_current，其也即空气弹簧的当前刚度信号，且该计算Stiff_current的过程可称为去模糊。

通过二维模糊控制器处理后，便可得到实时的座椅刚度、也即空气弹簧2的当前刚度信号，此时，可将控制模块内的一计数器的计数向上计数加1，并判断计数器的计数是否超过控制模块内存储的预设阈值，若计数器计数值超过预设阈值，则控制器6可通过逆动力学模型获得车辆当前路况信号。

此时，采用逆动力学模型获取路况信号的示例过程如下描述。

首先，根据座椅悬架的结构，建立如图8所示的座椅动力模型。其中，m_s表示座椅簧上质量、也即座椅坐盆、靠背及乘坐者的总质量，k_s表示气囊的刚度，c_s表示电流变阻尼器的阻尼，z_s表示座椅的位移，z_r表示路况信号。

对于该模型，可建立动力方程：

其中，m_s、k_s、c_s均可测量得到，z_s和

亦可分别通过位移传感器及加速度传感器测得，因此m_s、k_s、c_s、z_s、

可视作已知量，但z_r、

和

无法测出，根据上述动力方程，可以得到z_r的表达式：

此时，可再利用现代控制技术中常见的状态观测器进行观测，以估算出

和

最后，通过动力学模型便可算出z_r，以得到车辆当前路况信号z_r。

获得车辆当前路况信号z_r后，经由该当前路况信号z_r、并通过如下表2中的路况与空气弹簧刚度、也即气囊刚度的对应关系，而得到当前路况信号所对应的座椅的期望刚度信号。其中，表2中的取值范围可根据实际实施情况进行改动。

z<sub>r</sub>的范围	z<sub>r</sub>对应的气囊刚度Stiff<sub>期望</sub>范围
		80≤z<sub>r</sub>＜100	105≤stiff<sub>期望</sub>＜185
60≤z<sub>r</sub>＜80	185≤stiff<sub>期望</sub>＜255
		40≤z<sub>r</sub>＜60	255≤Stiff<sub>期望</sub>＜290
20≤z<sub>r</sub>＜40	290≤Stiff<sub>期望</sub>＜330
		0≤z<sub>r</sub>＜20	330≤Stiff<sub>期望</sub>＜350

表2：路况信号z_r与气囊刚度Stiff_期望的对应表

根据当前路况所对应的期望刚度信号，控制器6中的控制模块将座椅当前刚度信号Stiff_current与该期望刚度信号Stiff_期望进行比较，若当前刚度信号小于期望刚度信号，则需要对空气弹簧2的气囊进行充气，以增加气囊刚度，而若当前刚度信号大于期望刚度信号，则需对气囊进行放气，以降低气囊刚度。在进行充气或放气的过程中，继续采集气压信号及座椅高度信号，且由二维模糊控制器实时获取当前的座椅刚度信号，通过将此时实时获取的当前刚度信号再与期望刚度信号进行比较，直到判断气囊是否充气或放气完毕，以使得实时获得的当前刚度与期望刚度相同，亦或当前刚度接近于期望刚度(例如可在期望刚度与当前刚度间的差值，小于期望刚度的0.5％-1％时，判定为当前刚度接近期望刚度)。

在空气弹簧2气囊刚度调节完毕后，控制模块清空计数器的计数，同时也清空所缓存的加速度信号，便可退出空气弹簧2的处理步骤。而本实施例通过对空气弹簧2刚度的调节，可使座椅的整体刚度匹配于路况的刚度需求，从而利于对传递至座椅悬架1处的振动的衰减过滤。此外，本实施例中，对空气弹簧2的刚度与电流变阻尼器3的阻尼的控制一般为同步进行，由此经由空气弹簧2和电流变阻尼器3特性调整的耦合，能够使座椅悬架1实现很好的减振性能，而提高座椅悬架1的隔振能力，而且该耦合控制的原理简单，成本低的同时，稳定性也较好。

在定时器中断处理步骤中，实现对电流变阻尼器3以及空气弹簧2的控制处理后，控制模块将定时器置零，便可退出定时器中断处理步骤。

而当检测有按键中断信号，系统进入按键中断处理步骤中时，控制模块首先可通过采集车辆CAN总线中的车速等信号，以检测车辆是否处于行驶状态，若车辆处于行驶状态，出于驾驶安全的考虑，则选择退出按键中断处理步骤，而使系统进入循环执行。若检测车辆未处于行驶状态，则可通过电流变阻尼器的开关按键，以及座椅高度调节按键实现对电流变阻尼器3和座椅高度的控制。

具体的由图9中所示的，系统检测电流变阻尼器3的电源开关是否按下，若电源开关当前处于打开状态，则可关闭电流变阻尼器3的电源，若电源开关当前为关闭状态，则可打开电流变阻尼器3的电源。如果没有检测到阻尼机构开关信号，系统则对是否有座椅高度复位信号进行检测，该复位信号可由按下座椅上的复位按键产生，且该复位按键以及下文所述的微调按键、快降按键等均与前述气路控制组件内的电磁阀控制联接，以实现空气弹簧2的充、放气调整。

若有复位信号，控制模块可通过位移传感器5的检测，并控制对空气弹簧2的充、放气，以使得座椅的高度调整为存储于控制模块中的预设默认高度值。若未检测到复位信号，系统可检测是否有座椅高度微调按键(可包括升、降两个微调按键，或者亦可仅有一个按键、而通过上拨或下按按键实现上升或下降微调)被按下而产生的座椅高度微调信号，若有微调信号，可根据座椅高度微调按键的按动时长，对空气弹簧2进行充、放气，以在控制模块内预设的座椅高度最低值与座椅高度最高值之间的范围内调整座椅的高度。

若没有座椅高度微调信号，系统则检测是否有座椅高度快降信号，该快降信号也由座椅高度快降按键产生，以在检测到快降信号时，通过对空气弹簧2进行放气，从而将座椅高度调整至座椅高度最低值。而若没有检测到座椅高度快降信号，则系统会退出按键中断处理步骤，使系统进入循环执行。此外，在按键中断处理步骤中，如果座椅的高度有所改变，则该变化后的高度值会存储于控制模块内而成为前述的座椅高度记忆值，以备系统开启初始化时使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于电流变液的车辆座椅悬架系统的控制方法，其特征在于：该控制方法对装设于座椅悬架系统中的应用电流变液的阻尼机构的阻尼和空气弹簧的刚度进行控制，且所述控制方法包括如下的步骤：

s1、系统初始化；

s2、开启定时器；

s3、检测是否有定时器中断信号，若有进入步骤s4，没有则进入步骤s5；

s4、定时器中断处理步骤：

s41、采集座椅悬架加速度信号，并由所述加速度信号采用PID控制模块获取所述阻尼机构的控制电压信号，及至所述座椅悬架的加速度信号接近或等于0；

s42、采集所述空气弹簧的气压信号与座椅高度信号，以获取所述空气弹簧的当前刚度信号，并获取车辆当前路况信号及该当前路况信号对应的期望刚度信号，比较当前刚度信号与所述期望刚度信号，获得所述空气弹簧的充放气控制信号，及至所述空气弹簧的当前刚度信号接近或等于所述期望刚度信号；

s43、退出定时器中断处理步骤，并将定时器置零；

s5、检测是否有按键中断信号，若有进入步骤s6，没有则返回步骤s3，并重复执行步骤s3-s5；

s6、按键中断处理步骤：

s61、检测车辆是否处于行驶状态，若是退出按键中断处理步骤，若否进入步骤s62；

s62、检测是否有所述阻尼机构的开关信号，若有打开或关闭所述阻尼机构，若没有进入步骤s63；

s63、检测是否有座椅高度调节信号，若有调节所述座椅的高度，若没有退出按键中断处理步骤；

其中，步骤s42包括如下的控制步骤：

s421、采集空气弹簧的气压信号与座椅高度信号；

s422、由所述气压信号和座椅高度信号，通过二维模糊控制器获取所述空气弹簧的当前刚度信号；

s423、将计数器向上计数，并判断计数器的计数是否超过预设阈值，若是进入步骤s424，若否进入步骤s43；

s424、通过逆动力学模型获取车辆当前路况信号，并根据路况信号与空气弹簧刚度的对应表，由所述当前路况信号获取所对应的期望刚度信号；

s425、比较当前刚度信号和所述期望刚度信号，获取所述空气弹簧的充放气信号，并对所述空气弹簧进行充气或放气；

s426、采集空气弹簧的气压信号与座椅高度信号，并通过二维模糊控制器获取所述空气弹簧的当前刚度信号，将当前刚度信号与所述期望刚度信号比较，判断当前刚度信号是否接近或等于所述期望刚度信号，若是进入步骤s427，若否返回步骤s425，并重复步骤s425-s426；

s427、清空计数器计数，进入步骤s43；

其中，通过所述二维模糊控制器获取所述空气弹簧的当前刚度信号包括如下的步骤：

s4221、将座椅高度值以低、适中、高进行等级划分，并设置x表示本次采集到的座椅高度值，x取值范围为[0，100]，；

s4222、设置关于x的隶属度函数μ_座椅高度，所述关于x的隶属度函数μ_座椅高度为：

s4223、每次采集座椅高度值x，通过所述隶属度函数μ_座椅高度计算分别隶属于低、适中、高的座椅高度值等级的值μ_x1、μ_x2、μ_x3，以对座椅高度值进行模糊化；

s4224、将空气弹簧的气囊的气压值以低、中、高进行等级划分，并设置y表示表示本次采集到的气囊气压值，y取值范围为[0，100]；

s4225、设置关于y的隶属度函数μ_气囊气压，所述关于y的隶属度函数μ_气囊气压为：

s4226、每次采集气囊气压值y，通过所述隶属度函数μ_气囊气压计算分别隶属于低、中、高的气囊气压值等级的值μ_y1、μ_y2、μ_y3，以对气囊气压值进行模糊化；

s4227、定义集合p＝{p₁，p₂，p₃，p₄，p₅，p₆，p₇，p₈，p₉}，分别计算μ_x1和μ_y1的乘积、μ_x1和μ_y2的乘积、μ_x1和μ_y3的乘积、μ_x2和μ_y1的乘积、μ_x2和μ_y2的乘积、μ_x2和μ_y3的乘积、μ_x3和μ_y1的乘积、μ_x3和μ_y2的乘积、μ_x3和μ_y3的乘积，并将上述乘积依次表示为p₁、p₂、p₃、p₄、p₅、p₆、p₇、p₈、p₉；

s4228、通过设置的气囊气压值等级和座椅高度值等级与气囊刚度值之间的对应关系表，查询获得气囊刚度值；

s4229、根据公式

去模糊以获得所述空气弹簧的当前刚度信号Stiff_current，式中Pi为通过设置的气囊气压值等级和座椅高度值等级与气囊刚度值之间的对应关系表，查询获得的所述气囊刚度值；

其中，通过所述逆动力学模型获取所述车辆当前路况信号包括如下的步骤：

s4241、根据座椅悬架结构，建立座椅动力模型；

s4242、建立所述座椅动力模型的动力方程：

其中，m_s表示座椅簧上质量，k_s表示气囊的刚度，c_s表示电流变阻尼器的阻尼，z_s表示座椅的位移，z_r表示路况信号；

s4243、由所述动力方程得到路况信号z_r的表达式：

s4244、通过状态观测器进行观测、以估算出

和

并通过所述动力学模型计算得到当前路况信号z_r。

2.根据权利要求1所述的基于电流变液的车辆座椅悬架系统的控制方法，其特征在于：步骤s41包括如下的控制步骤：

s411、获取t时刻座椅悬架的加速度信号x(t)；

s412、由PID控制模块对步骤s411获取的所述加速度信号x(t)进行处理，以获得所述阻尼机构的所述控制电压信号u(t)而对所述阻尼机构的电场强度进行控制，且所述PID控制模块的处理公式为：

其中，e(t)为基于所述加速度信号x(t)得到的所述PID控制模块的输入信号，K_p为比例系数，T_I为积分时间常数，T_D为微分时间常数，且K_p、T_I、T_D均为预置值；

s413、重复步骤s411和步骤s412，直至e(t)接近或等于0。

3.根据权利要求2所述的基于电流变液的车辆座椅悬架系统的控制方法，其特征在于：

步骤s412中还包括：对采集的所述加速度信号x(t)进行数字低通滤波处理，且数字低通滤波处理的公式为：

y(t)＝a*x(t)+(1-a)*y(t-1)

其中，a为滤波系数、且0＜a＜1，y(t)为在t时刻输出的滤波后的加速度信号，y(t-1)为在t-1时刻输出的滤波后的加速度信号；

且，e(t)＝y(t)-R，R为所述PID控制模块内预置的加速度信号参考值。

4.根据权利要求2所述的基于电流变液的车辆座椅悬架系统的控制方法，其特征在于：

步骤s413中为重复步骤s411和步骤s412，直至0≤e(t)≤0.05。

5.根据权利要求1所述的基于电流变液的车辆座椅悬架系统的控制方法，其特征在于：

步骤s63中的所述座椅高度调节信号包括座椅高度复位信号、座椅高度微调信号和座椅高度快降信号；且，

所述座椅高度复位信号为将座椅高度调节为预设默认高度值，所述座椅高度微调信号为在预设的座椅高度最低值和座椅高度最高值之间调节所述座椅的高度，所述座椅高度快降信号为将所述座椅的高度调节至预设的座椅高度最低值。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于电流变液的车辆座椅悬架系统的控制方法，其特征在于：

步骤s2中还包括：获取保存的座椅高度记忆值，并将座椅高度调节至所述座椅高度记忆值。

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