CN110789288A - 一种主被动可切换的悬架控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主被动可切换的悬架控制系统及方法，所述的系统包括惯性测量单元、激光雷达、GPS、传感器模块、伺服控制器组以及主控制器，其中惯性测量单元位于车辆的质心用于测量车身姿态，激光雷达位于车身前方用于扫描车前地形，位移传感器用来测量液压缸的行程，伺服控制器控制控制各个液压缸的伸缩，传感器模块用于检测驾驶员驾驶行为，主控制器能与传感器模块、惯性测量单元、激光雷达以及伺服控制器通信。本发明能够依据当前道路条件以及驾驶员的驾驶意图快速的判断何时采取主动控制，调节车身姿态使车体姿态保持水平，从而降低车身的侧倾俯仰，提高了车辆行驶的平顺性以及舒适性。

Description

一种主被动可切换的悬架控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种主被动可切换的悬架控制系统及方法。

背景技术

随着电子信息技术的发展以及液压、电气驱动技术的进步，主动悬架在车辆领域应用越来越广泛，处于主动悬架模式下车辆能够改变车身姿态使车身一直水平，提高车辆的平顺性以及舒适行。但主动悬架模式下的车辆需要外界提供动力源用来改变车身姿态，因此车辆一直处于主动模式将消耗大量的能量，而悬架处于被动模式下，完全不消耗任何能量但车辆的乘坐舒适行变差。考虑到主/被动悬架的优缺点，可以结合当前道路条件以及驾驶行为切换悬架模式从而达到最理想的车辆控制效果。在中国申请专利号为“201710637762.6”提到了悬架能在主动悬架模式和被动悬架模式切换，但其切换的控制策略需要对驾驶员的一段时间的驾驶行为进行判断在响应速度有明显的不足，存在滞后性。然而基于车辆的车前地形可以提前预知未来车辆所需悬架模式，在紧急情况下(急加速，急刹车，急转弯)可以依靠当前驾驶行为识别驾驶员驾驶意图快速切换驾驶模式，提高了切换的响应速度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理的主被动可切换的悬架控制系统及方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：针对以上问题本发明提出一种可切换模式且可调节车身姿态的主动悬架，依据当前道路条件以及驾驶员的驾驶意图快速的判断何时采取主动控制，调节车身姿态使车体姿态保持水平，从而降低车身的侧倾俯仰，提高了车辆行驶的平顺性以及舒适性。

为了解决上述问题，本发明采取的技术方案是：

一种主被动可切换的悬架控制系统，包括惯性测量单元、激光雷达、GPS、传感器模块(油门踏板开度传感器、制动踏板位移传感器、方向盘转角传感器、加速度传感器、轮速传感器、悬架位移传感器、加速度传感器)、伺服控制器组(电液伺服阀以及电液换向阀)以及主控制器，其中惯性测量单元位于车辆的质心用于测量车身姿态，激光雷达位于车身前方用于扫描车前地形，位移传感器用来测量液压缸的行程，伺服控制器控制控制各个液压缸的伸缩，传感器模块用于检测驾驶员驾驶行为，主控制器能与传感器模块、惯性测量单元、激光雷达以及伺服控制器通信。

上述一种主被动可切换的悬架控制系统的控制方法：车辆在正常行驶时，激光雷达能实时的扫描车前地形，将车前地形转换成路面的高程信息依据路面的高程可以判断何时将悬架切换到主动模式，使车辆通过凸起的障碍时车身姿态不变。在一些紧急情况下需要驾驶员激烈驾驶(急加速、急转弯、急刹车)，此时由于惯性的原因车身姿态要发生较大的改变影响乘坐的舒适性，此时需要将悬架调节到主动模式控制车身姿态提高车辆的平顺性以及舒适性。

位于车体上方的激光雷达以固定的频率获取车前地形的离散点云，然后通过坐标变换将点云的极坐标转换为直角坐标，再通过GPS得到的车辆行驶的位移将相对于激光雷达中心点的点云数据坐标值转换为相对车辆起点的点云数据坐标，然后将离散的点云数据通过插值生成一侧车轮轨迹位置前的连续高程信息。然后将这些道路高程信息传递给控制器，控制器判断接受到的道路高程信息能否对车辆位姿产生影响且在液压缸的调节范围之内，对于有道路高程能对车身姿态产生影响的且在液压缸调节范围之内的，就将悬架切换到主动模式使车辆通过凸起的障碍时车身姿态不变，每个车轮上悬架的液压缸调节范围是有限的既要保证车轮不能撞击限位块而且也不能超出液压缸的最小伸缩量。

不同路况下操纵油门踏板、制动踏板以及方向盘转角可以产生不同组合，每种组合都代表着驾驶员的驾驶意图，由此通过检测传油门踏板、制动踏板以及方向盘转角感器的位置变化，就可以解析出当前驾驶员的驾驶意图。在紧急情况下驾驶员也会操纵相应的油门踏板、制动踏板以及方向盘，车辆传感器模块可以实时的检测当前油门踏板的开度、制动踏板的位置、方向盘转角、车速、车辆加速度，根据传感器采集的驾驶信息建立数学模型判断驾驶员何时采取激烈驾驶(急加速、急转弯、急刹车)，然后采取主动控制维持车身姿态平稳。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：主动模式下的悬架需要提供动力，在道路条件良好的情况下采用主动模式造成能量上的损失，本发明能依据当前道路条件以及驾驶员的驾驶意图快速的判断何时采取主动控制一方面减少能量的消耗，另一方面主动模式下可以调节车身姿态使车体姿态保持近似不变，从而降低车身的侧倾俯仰。当车辆在急刹车、急加速、急转弯、道路条件较差的情况切换至主动模式保持车身水平，提高了车辆行驶的平顺性以及舒适性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图

图2为本发明的方法流程图

附图标号：1-激光雷达，2-车体，3、10、14、15-作动器(液压缸)，4、9、13、16-减震器，5、8、12、17-螺旋弹簧，6、7、11、18-螺旋弹簧

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

本发明提供一种基于车前地形以及驾驶员行为的主/被动可切换悬架的控制系统，通过采集激光雷达扫描车前地形的点云信息以及基于车辆传感器的驾驶意图解析，可以适时的切换悬架的模式达到减少能量消耗的目的。主动模式下根据惯性测量单元测得的车身姿态俯仰角侧倾角以及车辆垂向位移，计算出车身相对于参考平面的相对变化量，进而控制伺服阀调节液压缸的伸缩量，保持车身姿态水平，进而提高车辆平顺性以及舒适性。

以常见的四轮车为例进行说明。

如图1-2所示，一种主被动可切换的悬架控制系统，包括：车体，惯性测量单元，激光雷达，GPS，传感器模块(油门踏板开度传感器、制动踏板位移传感器、方向盘转角传感器、加速度传感器、轮速传感器、悬架位移传感器、加速度传感器)，车轮及与车轮一一对应的悬挂伺服作动油缸和对应的位移传感器，控制器以及伺服控制器。其中惯性测量单元位于车辆的质心用于测量车身姿态，激光雷达位于车身前方用于扫描车前地形，位移传感器用来测量液压缸的行程，伺服控制器控制各个液压缸的伸缩，传感器模块用于检测驾驶员驾驶行为。控制器能与传感器模块、惯性测量单元、GPS、激光雷达以及伺服控制器通信。激光雷达扫描的车前地形信息传递给控制器，控制器根据车前地形的高程信息判读是否调节悬架为主动模式。控制器根据传感器信息解析驾驶员的加示意图，判断是否调节悬架为主动模式。在主动模式下，可以调节车身姿态使车体姿态保持近似不变，从而降低车身的侧倾俯仰提高了车辆行驶的平顺性以及舒适性。

本发明具体控制方法步骤：

步骤一：位于车体上方的激光雷达以固定的频率获取车前地形的离散点云，然后通过坐标变换将点云的极坐标转换为直角坐标，再通过GPS得到的车辆行驶的位移将相对于激光雷达中心点的点云数据坐标值转换为相对车辆起点的点云数据坐标，然后将离散的点云数据通过插值生成一侧车轮轨迹位置前的连续高程信息。

步骤二：然后将这些道路高程信息传递给控制器，控制器判断接受到的道路高程信息能否对车辆位姿产生影响且在液压缸的调节范围之内，每个车轮上悬架的液压缸调节范围是有限的既要保证车轮不能撞击限位块而且也不能超出液压缸的最小伸缩量，不同车型悬架的动行程不同导致液压缸调节范围不同，SUV相对于轿车悬架动行程大液压缸调节范围也就大。

步骤三：道路上的一些小石子或小凸起对车辆的姿态影响较小可以忽略，一些较大的凸起障碍垂向高度超过了液压缸调节范围，这两种情况下主动悬架对姿态调控有限。而对于凸起障碍的垂向高度在液压缸调节范围之内且能对车身姿态产生影响的情况下，使悬架处于主动模式使车身姿态维持水平。由此在控制器中设置切换到悬架主动模式道路高程的范围，最小高程(道路上小的凸起例如石子小凸块)最大高程(由车辆静止时液压缸的位置到液压缸缩短到最短位置时，液压缸的伸缩量)以及标准值(最大最小行程的中间值)，控制器将采集的高程信息分类处理，首先将采集到的高程信息按照超高最大高程、小于最小高程、超过标准值但小于最大高程(此类地形单一凸起对车身姿态影响有限，但连续凸起降低车辆的舒适行)、小于标准值但大于最小高程分成五类。

步骤四：当前控制器采集的地形高程信息只要有超过标准值但是小于最大高程的控制器发出信号切换到主动模式，当前地形高程信息有大于百分之10的高程信息小于标准值但大于最小高程控制器发出信号切换到主动模式，其余的三类车前地形不切换到主动模式。就可以保证车辆在一些较差的道路条件切换到主动悬架模式维持车身平稳。

步骤五：驾驶员的驾驶意图解析是根据车辆传感器采集的数据判断驾驶员的驾驶意图，进而采取不同的悬架模式达到减少能量消耗且提高车辆舒适性。传感器模块可以实时的检测当前油门踏板的开度、制动踏板的位移、方向盘转角、车速、车辆加速度。控制器周期的采集传感器的信息并分析处理得到车速V、方向盘转角θ、油门开度变化率

车辆加速度

制动踏板位移S。将控制器采集到的车速V、方向盘转角θ、油门开度变化率

车辆加速度

制动踏板位移S取值范围归一化处理使这些参数取值范围为(0，1)。

以上变量对驾驶员操纵意图的影响不同，因此，采用加权组合方法来表示驾驶员的操纵意图数学模型：

其中ξ：驾驶员驾驶意图参数，T₁～T₅分别是各个变量的系数，T₁+T₂+T₃+T₄+T₅＝1

在不同的工况下，各个变量对驾驶员的操纵意图贡献量不同，因此变量在驾驶意图中的权重也就不同。在紧急情况下驾驶员一般需要激烈驾驶(急刹车，急加速以及急转弯)，此时方向盘转角θ、油门开度变化率

制动踏板位移S对驾驶员的驾驶意图影响较大，因此应加大方向盘转角θ、油门开度变化率

制动踏板位移S三个变化量的权重取它们的系数为都为T，其余的变量权重应减小，此时驾驶员驾驶意图参数ξ大于等于0.8，则此时驾驶员处于激烈驾驶对车身姿态影响大，悬架切换至主动模式控制车身姿态，维持车身水平，提高车辆的舒适性。

步骤六：主动模式下控制器根据惯性测量单元测量的车身姿态，调节各个液压缸的长度，进而调节车身姿态达到车身水平。车身有六个自由度，其中悬架能影响其中三个自由度分别是垂向、俯仰、侧倾，车身相当于一个平台而悬架的四个液压缸能使车身产生三个自由度的变化。车辆静止时候的质心所在的水平平面为基准平面，车辆压过凸块姿态改变此时质心所在的车身平面为相对平面。已质心O为坐标原点建立XYZ坐标系，定义车辆前进的正前方为Y轴正方向，车辆前进的右侧方向为X轴正方向，垂直XOY平面向上的方向为Z轴正方向。

步骤七：车辆静止的时候车身水平俯仰角α侧倾角β都为零此时车辆四个悬架支点的坐标为(P_ix，P_iy，P_iz)，当车身姿态改变后车辆的俯仰角α侧倾角β且垂向位移为W，此时的车辆四个悬架支点的坐标为(P¹ _ix，P¹ _iy，P¹ _iz)，车身姿态变化后的悬架支点的坐标与车辆静止悬架支点的坐标存在如下关系：

由此能求出各个液压缸垂直方向的相对变化量P¹ _iz-P_ix，控制器向各个液压缸的伺服控制器发信号，调节液压缸的伸缩量使各个液压缸的垂直方向的相对变化量为零，进而使车身姿态角俯仰角α侧倾角β趋近于零车身姿态保持水平。

步骤八：当车辆悬架处于主动模式的时候，车身姿态在一段时间内维持水平，控制器发出信号悬架切回被动模式，被动模式下激光雷达开始扫描车前地形,控制器

采集传感器信号，判断悬架应该采取的模式，如此循环往复切换悬架模式减少能量消耗，车身姿态维持水平提高车辆的平顺性和舒适性。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种主被动可切换的悬架控制系统，其特征在于：包括惯性测量单元、激光雷达、GPS、传感器模块、伺服控制器组以及主控制器，惯性测量单元、激光雷达、GPS、传感器模块、伺服控制器组均连接柱控制器组，所述的伺服控制器组包括电液伺服阀以及电液换向阀，所述的传感器模块包括油门踏板开度传感器、制动踏板位移传感器、方向盘转角传感器、加速度传感器、轮速传感器、悬架位移传感器、加速度传感器。

2.一种权利要求1所述的主被动可切换的悬架控制系统的控制方法，其特征在于：车辆在正常行驶时，激光雷达能实时的扫描车前地形，将车前地形转换成路面的高程信息，控制器依据路面的高程可以判断何时将悬架切换到主动模式，使车辆通过凸起的障碍时车身姿态不变，在遇到紧急情况下需要驾驶员激烈驾驶，此时由于惯性的原因车身姿态要发生较大的改变影响乘坐的舒适性，此时需要将悬架调节到主动模式控制车身姿态从而提高车辆的平顺性以及舒适性。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：激光雷达扫描的车前点云信息，处理得到道路的高程，控制器判断接受到的道路高程信息能否对车辆位姿产生影响且在液压缸的调节范围之内，对于有道路高程能对车身姿态产生影响的且在液压缸调节范围之内的，就将悬架切换到主动模式使车辆通过凸起的障碍时车身姿态不变，每个车轮上悬架的液压缸调节范围是有限的既要保证车轮不能撞击限位块而且也不能超出液压缸的最小伸缩量。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：根据传感器采集的驾驶信息建立数学模型判断驾驶员何时采取激烈驾驶行为，然后采取主动控制维持车身姿态平稳，所述的驾驶行为包括急加速、急转弯以及急刹车。

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