CN110901325A - 一种主动悬架控制方法及系统 - Google Patents

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樊伟
杨海洋
艾田付
刘春桃
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Abstract

本发明涉及车辆悬架技术领域，公开了一种主动悬架控制方法；在车辆行驶的过程中，对前方道路进行观测获取该处道路不平度曲线，并对车辆行驶至该路面具备平顺性所应保持的自身姿态进行预估，得到车身姿态期望值；主动悬架控制器根据路面不平度曲面计算补偿信息，并结合当前车辆姿态状态，计算得到悬架姿态指令；当车辆行驶至该处不平路面时，主动悬架控制器向底盘控制器发送悬架姿态指令；底盘控制器控制各个悬架的作动机构对相对应的悬架进行独立调节，从而使车辆能够适应路面起伏变化，保持良好的整车平顺性，提高车辆乘坐舒适性。同时，本发明还公开了一种主动悬架控制系统。

Description

一种主动悬架控制方法及系统
技术领域
本发明涉及车辆悬架技术领域，特别涉及一种主动悬架控制方法及系统。
背景技术
主动悬架能够根据汽车的行驶条件闭环控制调节其悬架的刚度及阻尼等参数，令悬架系统始终处于最佳减振状态以保证汽车平稳顺畅的行驶。现有的大多数主动悬架一般利用线性二次最优控制理论设计的LQG控制器作为悬架刚度、阻尼或主动控制力的调节依据，悬架各性能指标权重系数的选择也将影响汽车操纵稳定性与平顺性。
车辆行驶过程中遇到复杂的颠簸起伏路面，现有的主动悬架的通过性以及对复杂路面环境的适应性将存在一定缺陷。由于悬架的阻尼调节是有限的，故不能适应于路面特别凹凸的情况。同时，控制器调节仅仅是当车辆驶过复杂路面时，控制器根据路面激励不断调整悬架主动控制力，但是一般控制器调节悬架作动力需要一定的时间，悬架通过实时路面与控制器调节存在一个时间差，存在调节滞后的问题，从而导致主动悬架在复杂工况下不能准确调节，甚至会产生更剧烈、更频繁的颠簸，大大降低了车辆乘坐舒适性。
发明内容
本发明的目的是：为保证车辆在各种路面行驶时具有较好的平顺性，提高乘客的舒适性，提供一种主动悬架控制方法及系统。
本发明的一个技术方案是：一种主动悬架控制方法，包括以下步骤：
A.对前方S米处道路进行实时观测获取该处道路的不平度曲线，对车辆到达S米处路面具备平顺性所应保持的自身姿态进行预估，得到车身姿态期望值；
B.根据当前车身姿态，计算此刻车辆到达S米处路面处的车身姿态补偿值；结合当前车身姿态与此刻车身姿态补偿值，得到主动悬架控制器的悬架姿态指令；
C.车辆在行进途中，以预设的Δt为时间间隔，对步骤B中的悬架姿态指令进行滚动更新；
D.当车辆到达S米处路面处时，主动悬架控制器向底盘控制器输出悬架姿态指令；悬架的一端与车架连接，另一端连接相对应的车轮；底盘控制器控制各个悬架的作动机构对相对应的悬架进行独立调节，悬架带动车架动态调整，从而改变各车轮与车架的相对高度，令车身姿态接近期望值。
上述方案中，具体的，步骤A中的车身姿态期望值包括：期望车身俯仰角度
Figure BDA0002295051400000021
期望车身侧倾角度
Figure BDA0002295051400000022
以及期望车身高度
Figure BDA0002295051400000023
步骤B中车身姿态补偿值包括：车身俯仰补偿值
Figure BDA0002295051400000024
车身侧倾补偿值
Figure BDA0002295051400000025
车身高度补偿值
Figure BDA0002295051400000026
车身姿态补偿值的计算方法为：
Figure BDA0002295051400000027
其中，θtk、φtk、Htk分别为当前车身俯仰角度、当前车身侧倾角度、当前车身高度；悬架姿态指令的计算方法为：
Figure BDA0002295051400000028
在上述方案的基础上，进一步的，步骤A中，在获取道路的不平度曲线的同时，还建立前方道路的三维曲面。
在上述方案的基础上，进一步的，步骤C中的悬架姿态指令采用双闭环控制算法进行滚动更新，其中，外环采用滑模变结构控制输出车辆到达S米处路面具备平顺性所应保持的自身姿态
Figure BDA0002295051400000029
内环采用自整定RBF神经网络PID算法以应保持的自身姿态
Figure BDA00022950514000000210
与车辆实际姿态θtk、φtk、Htk的差值作为PID控制的输入。
在上述方案的基础上，进一步的，步骤D中的作动机构包括：伺服驱动机构、连接件与杠杆；每个伺服驱动机构的输出端均通过连接件与杠杆的一端连接；杠杆的另一端连接减振器的上端，杠杆中部与车架铰接；减振器的下端连接车辆的悬架；步骤D中，根据车辆的车速预测其到达S米处路面处的时间T，T根据车辆的实时车速滚动更新，T时刻时，主动悬架控制器开始向底盘控制器执行悬架姿态指令，底盘控制器控制各个伺服驱动机构，伺服驱动机构的输出通过连接件转换为杠杆的旋转运动，杠杆在推动减振器上下运动过程中，悬架会随动进而对车架进行动态调整。
本发明的另一个技术方案是：一种主动悬架控制系统，它包括：安装于车辆的感知组件、主动悬架控制器以及底盘控制器；
感知组件与主动悬架控制器建立信号连接，主动悬架控制器与底盘控制器建立信号连接；
感知组件用于获取车辆速度、姿态，以及路面环境信息；
主动悬架控制器根据感知组件获取信息，向底盘控制器发送悬架姿态指令；
悬架的一端与车架活动连接形成能动态变化的悬架连接点，另一端连接车轮；
底盘控制器根据执行悬架姿态指令，控制各个悬架的作动机构对相对应的悬架进行独立调节，从而改变各车轮与车架的相对高度。
在车辆行驶的过程中，利用感知组件对即将驶入的路面进行感知，建立路面三维不平度曲线，主动悬架控制器根据路面不平度曲面计算补偿信息，并结合当前车辆姿态状态，计算得到悬架姿态指令；当车辆行驶至不平路面时，主动悬架控制器向底盘控制器发送悬架姿态指令，底盘控制器控制悬架的各个作动机构调整各车轮处车身的高度，进而调整整车的姿态，使车辆能够适应路面变化，保持良好的整车平顺性，提高车辆乘坐舒适性。
在上述方案的基础上，进一步的，车辆为无人车，在其车架的中部对应4组车轮设置4组作动机构，各作动机构带动相应的车轮各自独立地上下动作，从而调整车架距离地面的高度，以及车架与地面的倾斜角度。具体的，作动机构包括：伺服驱动机构、连接件及杠杆；每个伺服驱动机构的输出端均通过连接件与杠杆的一端连接；杠杆的另一端连接减振器的上端，杠杆中部与车辆的车架铰接；减振器的下端连接车辆的悬架；悬架的两端分别与车架、对应的车轮轮毂能转动的连接。伺服驱动机构可采用伺服舵机；连接件可具体包括：摇臂以及连杆；摇臂的一端与伺服舵机的输出端连接，另一端通过关节轴承与连杆的一端铰接；连杆的另一端与杠杆的一端连接。车架、4组车轮轮毂能够在4个各自独立的伺服驱动机构、连接件和杠杆的驱动下做一定行程范围内的高低调整，配合完成车架与车轮之间的夹角变化，以调整车身姿态，适应路况。
感知组件可以选择使用激光雷达；激光雷达可独立获取车辆前方S米处道路的不平度三维曲面、车辆的实时姿态及速度。
进一步的，感知组件还可包括：毫米波雷达、车速传感器、高度传感器以及惯导/GPS组件中的任一或任意组合。其中，毫米波雷达可与激光雷达进行传感器信息融合，用于获取路面环境信息；车速传感器可用于检测车辆行驶速度；高度传感器可用于检测车辆底盘距地面的高度；惯导/GPS组件可用于检测车辆俯仰方向及侧倾方向。
进一步的，感知组件还可包括：图像采集装置；图像采集装置可用于获取车辆行驶道路图像，结合毫米波雷达与激光雷达，可进一步建立前方环境的三维模型。
进一步的，为了避免遮挡，获得高质量的图像信息，将激光雷达及图像采集装置通过连杆设置在车辆顶部上方，毫米波雷达设置在车辆前部。
有益效果：本发明在车辆行驶过程中，利用感知组件对对车辆达到前方路面具备平顺性所应保持的自身姿态进行预估，并根据当前车辆姿态补偿路面起伏，主动悬架控制器向底盘控制器发送悬架姿态指令，底盘控制器控制车辆悬架伺服驱动机构带动对应的车轮处车身做不同的适应性运动，实现不同路况下车身与地面基本平行，并针对不同行驶路况调整车身离地高度，保证车辆行驶的平顺性，提高乘坐舒适性。
附图说明
图1为本发明实施例1中的方法流程图；
图2为本发明实施例1中的车辆行驶示意图；
图3为本发明实施例1中主动悬架控制器的算法示意图；
图4为本发明实施例2的结构组成框图；
图5为本发明实施例3的结构组成框图；
图6为本发明实施例4中车辆悬架的示意图；
图7为本发明实施例4中车辆悬架的另一个视角的示意图；
图中：1-车轮、2-感知组件、21-毫米波雷达、22-激光雷达、23-车速传感器、24-高度传感器、25-惯导/GPS组件、26-图像采集装置、27-里程计、3-主动悬架控制器、4-底盘控制器、5-伺服驱动机构、6-连接件、61-摇臂、62-连杆、63-关节轴承、7-杠杆、8-减振器、9-悬架。
具体实施方式
实施例1，参见附图1、2，一种主动悬架控制方法，包括以下步骤：
A.对前方S米处道路进行实时观测获取该处道路的不平度曲线，对车辆到达S米处路面所应保持的自身姿态进行预估，得到车身姿态期望值；车身姿态期望值具体包括：期望车身俯仰角度
Figure BDA0002295051400000041
期望车身侧倾角度
Figure BDA0002295051400000042
以及期望车身高度
Figure BDA0002295051400000043
为便于观测，在获取道路的不平度曲线的同时，还可建立前方道路的三维曲面。
B.根据当前车身姿态，计算此刻车辆到达S米处路面处的车身姿态补偿值；结合当前车身姿态与此刻车身姿态补偿值，得到主动悬架控制器3的悬架姿态指令；
车身姿态补偿值具体包括：车身俯仰补偿值
Figure BDA0002295051400000044
车身侧倾补偿值
Figure BDA0002295051400000045
车身高度补偿值
Figure BDA0002295051400000046
车身姿态补偿值的计算方法为：
Figure BDA0002295051400000047
其中，θtk、φtk、Htk分别为当前车身俯仰角度、当前车身侧倾角度、当前车身高度；悬架姿态指令的计算方法为：将此刻姿态补偿值与当前车辆姿态值相加，即
Figure BDA0002295051400000048
C.车辆在行进途中，以预设的Δt为时间间隔，对步骤B中的悬架姿态指令进行滚动更新。
D.当车辆到达S米处路面处时，主动悬架控制器3向底盘控制器4输出执行θtotal、φtotal、Htotal指令；悬架9的一端与车架连接，另一端连接相对应的车轮1；底盘控制器4控制各个悬架9的作动机构对相对应的悬架9进行独立调节，悬架9带动车架动态调整，从而改变各车轮1与车架的相对高度，令车身姿态接近期望值
Figure BDA0002295051400000049
参见附图3，步骤C中的悬架姿态指令采用双闭环控制算法进行滚动更新，其中，外环采用滑模变结构控制输出车辆到达S米处路面具备平顺性所应保持的自身姿态
Figure BDA0002295051400000051
内环采用自整定RBF神经网络PID算法以应保持的自身姿态
Figure BDA0002295051400000052
与车辆实际姿态θtk、φtk、Htk的差值作为PID控制的输入。
步骤D中的作动机构包括：伺服驱动机构5、连接件6与杠杆7；每个伺服驱动机构5的输出端均通过连接件6与杠杆7的一端连接；杠杆7的另一端连接减振器8的上端，杠杆7中部与车架铰接；减振器8的下端连接车辆的悬架9；步骤D中，根据车辆的车速预测其到达S米处路面处的时间T，T根据车辆的实时车速滚动更新，T时刻时，主动悬架控制器3开始向底盘控制器4执行悬架姿态指令，底盘控制器4控制各个伺服驱动机构5，伺服驱动机构5的输出通过连接件6转换为杠杆7的旋转运动，杠杆7在推动减振器8上下运动过程中，悬架9会随动进而对车架进行动态调整。
实施例2，参见附图4，一种主动悬架控制系统，它包括：安装于车辆的感知组件2、主动悬架控制器3以及底盘控制器4。
感知组件2与主动悬架控制器3建立信号连接，主动悬架控制器3与底盘控制器4建立信号连接。
感知组件2用于获取车辆速度、姿态，以及路面环境信息；本例中的感知组件2采用激光雷达22。
主动悬架控制器3根据感知组件2获取信息，向底盘控制器4发送悬架姿态指令。
悬架9的一端与车架活动连接形成能动态变化的悬架连接点，另一端连接车轮1。
底盘控制器4根据执行悬架姿态指令，控制各个悬架9的作动机构对相对应的悬架9进行独立调节，从而改变各车轮1与车架的相对高度。
在车辆行驶的过程中，利用感知组件2对即将驶入的路面进行感知，建立路面三维不平度曲面，主动悬架控制器3根据路面不平度曲面计算补偿信息，并结合当前车辆姿态状态，计算得到悬架姿态指令；当车辆行驶至不平路面时，主动悬架控制器3向底盘控制器4发送悬架姿态指令，底盘控制器4控制车辆悬架9的各个作动机构调整相对应的车轮1处车身高度，进而调整整车的姿态，使车辆能够适应路面变化，保持良好的整车平顺性，提高车辆乘坐舒适性。
实施例3，参见附图5，在实施例2的基础上，进一步的，感知组件2还可包括：毫米波雷达21、车速传感器23、高度传感器24以及惯导/GPS组件25中的任一或任意组合。
其中，毫米波雷达21可与激光雷达22进行传感器信息融合，用于获取路面环境信息；车速传感器23可用于检测车辆行驶速度；高度传感器24可用于检测车辆底盘距地面的高度；惯导/GPS组件25可用于检测车辆俯仰方向及侧倾方向。
进一步的，感知组件2还可包括：图像采集装置26；图像采集装置26用于获取车辆1行驶道路图像，结合毫米波雷达21与激光雷达22，可进一步建立前方环境的三维模型；
进一步的，感知组件2还可包括：里程计27；里程计27可用于记录车辆1行驶距离。
进一步的，为了避免遮挡，获得高质量的图像信息，将激光雷达22及图像采集装置26通过连杆设置在车辆1的上方，将毫米波雷达21设置在车辆1的前方。
实施例4，参见附图6、7，在实施例2或3的基础上，进一步的，车辆1为无人车，在其车架的中部对应各组车轮设置4组伺服驱动机构5；4组车轮1在各自独立的作动机构的带动下做一定行程范围内的高低调整，从而提高车辆在复杂路面环境下的通过性。
具体的，作动机构包括：伺服驱动机构5、连接件6与杠杆7；每个伺服驱动机构5的输出端均通过连接件6与杠杆7的一端连接；杠杆7的另一端连接减振器8的上端，杠杆7中部与车辆的车架铰接；减振器8的下端连接车辆的悬架9；悬架9的两端分别与车架、对应的车轮1轮毂能转动的连接。
伺服驱动机构5为能够提供往复的旋转运动或者直线往复运动的电机、液压马达等，优选采用伺服舵机。
连接件6将伺服驱动机构5的输出转换为杠杆7的旋转运动，连接件6可具体包括：摇臂61以及连杆62；摇臂61的一端与伺服舵机的输出端连接，另一端通过关节轴承63与连杆62的一端铰接；连杆62的另一端与杠杆7的一端连接。
本例中，悬架9采用双横臂式独立悬架，减振器8下端连接着双横臂，双横臂包括：上摆臂和下摆臂，上、下摆臂的两端分别与车架、对应的车轮1轮毂能转动地连接。
杠杆7在推动减振器8上下运动过程中，悬架9会随动，进而带动相应的车轮1各自独立地上下动作，从而调整车架距离地面的高度，以及车架与地面的倾斜角度。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (12)

1.一种主动悬架控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
A.对前方S米处道路进行实时观测获取该处道路的不平度曲线，对车辆到达S米处路面所应保持的自身姿态进行预估，得到车身姿态期望值；
B.根据当前车身姿态，计算此刻车辆到达S米处路面处的车身姿态补偿值；结合当前车身姿态与此刻车身姿态补偿值，得到主动悬架控制器(3)的悬架姿态指令；
C.所述车辆在行进途中，以预设的Δt为时间间隔，对步骤B中的悬架姿态指令进行滚动更新；
D.当所述车辆到达S米处路面处时，所述主动悬架控制器(3)向底盘控制器(4)输出悬架姿态指令；悬架(9)的一端与车架连接，另一端连接相对应的车轮(1)；所述底盘控制器(4)控制各个所述悬架(9)的作动机构对相对应的所述悬架(9)进行独立调节，所述悬架(9)带动所述车架动态调整，从而改变各车轮(1)与所述车架的相对高度，令车身姿态接近期望值。
2.如权利要求1所述的一种主动悬架控制方法，其特征在于：所述步骤A中的车身姿态期望值包括：期望车身俯仰角度
Figure FDA0002295051390000011
期望车身侧倾角度
Figure FDA0002295051390000012
以及期望车身高度
Figure FDA0002295051390000013
3.如权利要求2所述的一种主动悬架控制方法，其特征在于：所述步骤B中车身姿态补偿值包括：车身俯仰补偿值
Figure FDA0002295051390000014
车身侧倾补偿值
Figure FDA0002295051390000015
车身高度补偿值
Figure FDA0002295051390000016
车身姿态补偿值的计算方法为：
Figure FDA0002295051390000017
其中，θtk、φtk、Htk分别为当前车身俯仰角度、当前车身侧倾角度、当前车身高度；悬架姿态指令的计算方法为：
Figure FDA0002295051390000018
Figure FDA0002295051390000019
4.如权利要求1-3任一项所述的一种主动悬架控制方法，其特征在于：所述步骤A中，在获取道路的不平度曲线的同时，还建立前方道路的三维曲面。
5.如权利要求3所述的一种主动悬架控制方法，其特征在于：所述步骤C中的悬架姿态指令采用双闭环控制算法进行滚动更新，其中，外环采用滑模变结构控制输出车辆到达S米处路面具备平顺性所应保持的自身姿态
Figure FDA00022950513900000110
内环采用自整定RBF神经网络PID算法以应保持的自身姿态
Figure FDA00022950513900000111
与车辆实际姿态θtk、φtk、Htk的差值作为PID控制的输入。
6.如权利要求1-3任一项所述的一种主动悬架控制方法，其特征在于：所述步骤D中的作动机构包括：伺服驱动机构(5)、连接件(6)与杠杆(7)；每个所述伺服驱动机构(5)的输出端均通过所述连接件(6)与所述杠杆(7)的一端连接；所述杠杆(7)的另一端连接减振器(8)的上端，所述杠杆(7)中部与所述车架铰接；所述减振器(8)的下端连接所述车辆的悬架(9)；所述步骤D中，根据所述车辆的车速预测其到达S米处路面处的时间T，T根据所述车辆的实时车速滚动更新，T时刻时，所述主动悬架控制器(3)开始向底盘控制器(4)执行悬架姿态指令，所述底盘控制器(4)控制各个所述伺服驱动机构(5)，所述伺服驱动机构(5)的输出通过连接件(6)转换为所述杠杆(7)的旋转运动，所述杠杆(7)在推动所述减振器(8)上下运动过程中，所述悬架(9)会随动进而对所述车架进行动态调整。
7.一种主动悬架控制系统，其特征在于：它包括：安装于车辆的感知组件(2)、主动悬架控制器(3)以及底盘控制器(4)；
所述感知组件(2)与所述主动悬架控制器(3)建立信号连接，所述主动悬架控制器(3)与所述底盘控制器(4)建立信号连接；
所述感知组件(2)用于获取车辆速度、姿态，以及路面环境信息；
所述主动悬架控制器(3)根据所述感知组件(2)获取信息，向所述底盘控制器(4)发送悬架姿态指令；
悬架(9)的一端与车架活动连接形成能动态变化的悬架连接点，另一端连接车轮(1)；
所述底盘控制器(4)根据执行悬架姿态指令，控制各个所述悬架(9)的作动机构对相对应的所述悬架(9)进行独立调节，从而改变各车轮(1)与车架的相对高度。
8.如权利要求7所述的一种主动悬架控制系统，其特征在于：所述感知组件(2)包括：激光雷达(22)。
9.如权利要求8所述的一种主动悬架控制系统，其特征在于：所述感知组件(2)还包括：毫米波雷达(21)、车速传感器(23)、高度传感器(24)以及惯导/GPS组件(27)中的任一或任意组合。
10.如权利要求8或9所述的一种主动悬架控制系统，其特征在于：所述感知组件(2)还包括：图像采集装置(26)。
11.如权利要求7-9任一项所述一种主动悬架控制系统，其特征在于：所述作动机构包括：伺服驱动机构(5)、连接件(6)与杠杆(7)；每个所述伺服驱动机构(5)的输出端均通过所述连接件(6)与所述杠杆(7)的一端连接；所述杠杆(7)的另一端连接减振器(8)的上端，所述杠杆(7)中部与所述车辆的车架铰接；所述减振器(8)的下端连接所述车辆的悬架(9)；所述悬架(9)的两端分别与所述车架、对应的所述车轮(1)轮毂能转动的连接。
12.如权利要求11所述的一种主动悬架控制系统，其特征在于：所述伺服驱动机构(5)采用伺服舵机；所述连接件(6)包括：摇臂(61)以及连杆(62)；所述摇臂(61)的一端与所述伺服舵机的输出端连接，另一端通过关节轴承(63)与所述连杆(62)的一端铰接；所述连杆(62)的另一端与所述杠杆(7)的一端连接。
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