CN111216787B - 一种基于主动转向和差动制动的货车防侧翻混杂控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于主动转向和差动制动的货车防侧翻混杂控制系统，车身横向加速度传感器、车身横摆角速度传感器和车身侧倾角传感器布置于货箱底部或内部，方向盘转角传感器布置于转向柱，轮速传感器布置于轮毂内侧；侧翻状态识别模块包括信号处理模块、质心高度识别模块和LTR估算模块，与传感器通过信号线相连；混杂切换模块根据LTR估计值和方向盘转角传感器测得值，根据混杂系统理论在三种控制模式间切换；主动控制力计算模块接收混杂切换模块给出的控制模式信号和侧翻状态识别模块给出的信号，通过与参考模型的比较判断所需主动转向角度、制动轮和制动压力；防侧翻执行模块根据防侧翻主动控制模块给出的信号执行主动控制。本发明降低车辆侧翻危险。

Description

一种基于主动转向和差动制动的货车防侧翻混杂控制系统

技术领域

本发明属于汽车主动安全控制领域，具体涉及一种基于主动转向和差动制动的货车防侧翻混杂控制系统。

背景技术

随着经济快速发展，道路基础设施不断完善，汽车保有量不断增加，物流运输业大力发展。随之而来的是交通事故数量增长，造成了巨大的财产损失和人员伤亡。侧翻是交通事故中比较危险的一类，一旦车辆发生侧翻，造成死亡的概率非常大。物流运输业中常见的厢式货车，因装载后重心较高尤为容易发生侧翻，且翻车后造成的后果尤为严重，一直是发生侧翻危险的重灾区之一。

汽车主动安全控制系统在乘用车领域已经得到了较好的发展和应用，但在商用车领域的普及程度仍相对较低。商用车相对乘用车因为装载质量大，整车质量和质心高度变化范围大，以原车固有参数进行侧翻危险程度的估算准确度不足，对防侧翻造成了一定阻碍。

横向载荷转移率LTR(-1≤LTR≤1，LTR＝±1时表示一侧车轮即将离地)是侧翻危险程度识别的重要参数，现有的基于LTR的防侧翻技术往往以固定的LTR阈值作为启动主动控制的条件。实际情况下驾驶员对方向盘进行来回转向进行调整时，LTR符号变化的过程中存在一个过渡区，此时LTR在阈值以下，但由于车辆的顺从性效应侧倾将进一步恶化，错失了减轻侧翻危险程度的良机；而对未来时刻的LTR进行预测由于需要复杂且庞大的运算又给控制器实时性带来巨大的压力。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于主动转向和差动制动的货车防侧翻混杂控制系统。用动态检测的质心高度实时估算侧翻危险程度，并用主动转向和差动制动结合的方式进行主动控制提高车辆稳定性；用混杂系统理论进行控制模式切换，在车辆侧翻指标较低，但将由于顺从性恶化前即进行主动控制，以更好地降低车辆侧翻危险。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于主动转向和差动制动的货车防侧翻混杂控制系统，包括车身横向加速度传感器、车身横摆角速度传感器、车身侧倾角传感器、方向盘转角传感器、轮速传感器、侧翻状态识别模块、混杂切换模块、主动控制力计算模块和防侧翻执行模块；

所述车身横向加速度传感器、车身横摆角速度传感器和车身侧倾角传感器布置于货箱底部或内部，所述方向盘转角传感器布置于转向柱，所述轮速传感器布置于轮毂内侧；

所述侧翻状态识别模块包括信号处理模块、质心高度识别模块和LTR估算模块，与各传感器通过信号线相连；

所述混杂切换模块根据侧翻状态识别模块所得LTR估计值和方向盘转角传感器测得值，根据混杂系统理论在三种控制模式间切换；

所述主动控制力计算模块接收混杂切换模块给出的控制模式信号和侧翻状态识别模块给出的信号，通过与参考模型的比较判断所需主动转向角度、制动轮和制动压力；

所述防侧翻执行模块根据防侧翻主动控制模块给出的信号执行主动控制。

进一步，所述信号处理模块对各传感器信号进行滤波处理以便进一步运算。

优选的，所述质心高度识别模块接收信号处理模块滤波后的传感器信号进行质心高度识别，估算模型为

其中J_xep＝J_xx+mh²为等效侧倾转动惯量；J_xx为侧倾转动惯量；c为侧倾阻尼；k为侧倾刚度；a为侧向加速度；

为侧倾角；h为重心高度；g为重力加速度。

所述LTR估算模块接收质心高度识别模块估算的质心高度估算车辆横向载荷转移率(LTR)，估算模型为

其中

为侧倾角；h为重心高度；h₀为重心到侧倾中心高度；g为重力加速度，B为轮距。

再进一步，所述混杂切换模块中，控制模式分为无控制模式M0、单向转弯控制模式M1和变向转弯控制模式M2，具体混杂切换逻辑用混杂自动机模型H＝(M，X，V，Y，Init，Inv，E，G，R)来表示，其中

M是离散动态部分的状态空间，即控制模式M＝{M0，M1，M2}；

X是连续动态部分的状态空间，

其中

V是输入变量的有限集，

Y是输出变量的有限集，Y＝M；

Init是初始状态的有限集，

Inv是系统的不变集，

E是两个离散状态间的跃变集，

G是每一个离散事件跃变(i,j)∈E的保护集，

R是每一个离散事件跃变(i,j)∈E和x∈X的复位集，

其中跃变条件描述为，

C1：u＞u0，车辆纵向速度大于阈值，

C2：|LTR|＞LTR0，横向载荷转移率绝对值大于阈值，

C3：δ(t)*δ(t-1)＜0，方向盘转角符号变换，

C4：T＞T0，|LTR|≤LTR0至δ发生符号变换的时间大于阈值。

所述防侧翻执行模块包括主动转向控制模块、差动制动控制模块、车轮防滑控制模块、主动转向执行机构和差动制动执行机构。

所述主动转向执行机构布置在转向柱上，转向电机通过行星齿轮结构与转向柱相连；所述主动转向控制模块根据主动控制力计算模块给出的信号，通过与转向电机相连的端口控制转向电机运转以达到所需的主动转向角度。

所述主动转向机构的另一种方式可采用线控转向技术，主动转向控制模块根据主动控制力计算模块给出的信号，通过与线控转向电机相连的端口控制转向电机运转以达到所需的主动转向角度。

所述差动制动执行机构为液压制动系统，以发动机或电动机为动力源在副制动缸形成一定的制动压力，通过制动液管路，经由组合阀体连接至刹车分泵，所述差动制动控制模块根据所需制动力开闭电磁阀使刹车分泵达到所需制动压力，所述差动制动控制模块在车轮防滑控制启动控制的情况下中断对刹车分泵的压力输入，从而得到最佳的制动力。

所述差动制动机构的另一种方式可采用电子机械制动机构，根据主动控制力计算模块给出的信号驱动制动电机带动螺杆控制制动片的移动以达到所需制动力。

本发明的有益效果主要表现在：(1)质心高度在线识别方法，提高货车侧翻状态识别精度。(2)基于混杂系统理论的控制模式切换，考虑驾驶员输入转向信号，提供更加广泛的防侧翻控制时间，提高了安全性。(3)主动转向和差动制动结合的防侧翻执行机构，配合最优分配策略在防侧翻控制中保持较好的转向能力和路径保持能力，更加符合道路实际需求。(4)差动制动系统考虑ABS的影响以保持最佳制动力。

附图说明

图1是防侧翻控制系统总体结构。

图2是混杂切换示意图。

图3是一个LTR估计及其模式切换结果示例。

图4是一种主动转向结构示意图。

图5是一种差动制动系统示意图。

其中，1-上半转向柱，2-主动转向电机，3-蜗杆，4-蜗轮，5-下半转向柱，6-刹车分泵。

具体实施方式

下面结合附图给出一个实施例。

参照图1～图5，一种基于主动转向和差动制动的货车防侧翻混杂控制系统，包括各车载传感器、侧翻状态识别模块、混杂切换模块、主动控制力计算模块和防侧翻执行模块。车辆行驶过程中布置于货箱底部的车身横向加速度传感器、车身横摆角速度传感器和车身侧倾角传感器，布置于转向柱的方向盘转角传感器，布置于轮毂内侧的轮速传感器采集车辆信号，经过侧翻状态识别控制器中的信号处理模块进行滤波处理后得到可以使用的车辆状态信息。质心高度识别模块和LTR估算模块根据所采集车辆状态信息，用估算模型

和

分别对质心高度h和横向载荷转移率LTR进行估算，如图3所示为本实施例双移线工况的估算效果，估算值很好地描述了前后轴横向载荷转移率中的较危险值。

混杂切换模块根据以上估算结果及传感器信号进行控制模式的选择。如图2所示，为控制模式的混杂切换逻辑，其中M0为无控制模式，M1为单向转弯控制模式，M2为变向转弯控制模式。在simulink中使用stateflow工具建立混杂切换模型，具体混杂切换逻辑用混杂自动机模型H＝(M，X，V，Y，Init，Inv，E，G，R)来表示，其中

M是离散动态部分的状态空间，即控制模式M＝{M0，M1，M2}；

X是连续动态部分的状态空间，

其中

V是输入变量的有限集，

Y是输出变量的有限集，Y＝M；

Init是初始状态的有限集，

Inv是系统的不变集，

E是两个离散状态间的跃变集，

G是每一个离散事件跃变(i,j)∈E的保护集，

R是每一个离散事件跃变(i,j)∈E和x∈X的复位集，

其中跃变条件描述为，

C1：u＞u0，车辆纵向速度大于阈值，

C2：|LTR|＞LTR0，横向载荷转移率绝对值大于阈值，

C3：δ(t)*δ(t-1)＜0，方向盘转角符号变换，

C4：T＞T0，|LTR|≤LTR0至δ发生符号变换的时间大于阈值。

如图3所示为本实施例下的模式切换情况，在LTR完全趋于稳定前控制模式始终在M1和M2间切换，保持着主动控制。

主动控制力计算模块根据混杂切换模块给出的控制模式和侧翻状态识别模块给出的车辆状态信息，通过与二自由度线性参考模型的比较计算所需主动转向角度、制动轮和制动压力。在右转侧翻危险情况下对左前轮进行制动，在左转侧翻危险情况下对右前轮进行制动，并辅以主动转向增强路径保持能力。

如图4所示，主动转向控制模块根据所需转向角度对安装在上半转向轴1上的主动转向电机2进行控制，固定在主动转向电机2输出轴上的蜗杆3带动与其啮合的蜗轮4，从来带动下半转向柱5完成主动转向动作。

如图5所示，以发动机为动力源在副制动缸形成一定的制动压力，通过制动液管路，经由组合阀体连接至刹车分泵6，差动制动控制模块根据所需制动力开闭组合阀体内电磁阀使目标刹车分泵6达到所需制动压力。在车轮滑移率过高时差动制动控制模块控制组合阀体中断对刹车分泵6的制动压力输入，并使制动液从刹车分泵6回流至副制动缸，从而减轻制动力，降低车轮滑移率以得到最佳的制动力，完成差动制动。

Claims (9)

1.一种基于主动转向和差动制动的货车防侧翻混杂控制系统，其特征在于，包括车身横向加速度传感器、车身横摆角速度传感器、车身侧倾角传感器、方向盘转角传感器、轮速传感器、侧翻状态识别模块、混杂切换模块、主动控制力计算模块和防侧翻执行模块；

所述车身横向加速度传感器、车身横摆角速度传感器和车身侧倾角传感器布置于货箱底部或内部，所述方向盘转角传感器布置于转向柱，所述轮速传感器布置于轮毂内侧；

所述侧翻状态识别模块包括信号处理模块、质心高度识别模块和LTR估算模块，与各传感器通过信号线相连；

所述混杂切换模块根据侧翻状态识别模块所得LTR估计值和方向盘转角传感器测得值，根据混杂系统理论在三种控制模式间切换；

所述主动控制力计算模块接收混杂切换模块给出的控制模式信号和侧翻状态识别模块给出的信号，通过与参考模型的比较判断所需主动转向角度、制动轮和制动压力；

所述防侧翻执行模块根据防侧翻主动控制模块给出的信号执行主动控制；

所述混杂切换模块中，控制模式分为无控制模式M0、单向转弯控制模式M1和变向转弯控制模式M2，具体混杂切换逻辑用混杂自动机模型H＝(M，X，V，Y，Init，Inv，E，G，R)来表示，其中

M是离散动态部分的状态空间，即控制模式M＝{M0，M1，M2}；

X是连续动态部分的状态空间，

其中

V是输入变量的有限集，

Y是输出变量的有限集，Y＝M；

Init是初始状态的有限集，

Inv是系统的不变集，

E是两个离散状态间的跃变集，

G是每一个离散事件跃变(i,j)∈E的保护集，

G(E⁰¹)＝{(θ,v)∈X×V:(C₁＝1∧C₂＝1)},

G(E¹⁰)＝{(θ,v)∈X×V:[(C₁＝0)∨(C₂＝0∧C₄＝1)]},

G(E¹²)＝{(θ,v)∈X×V:(C₂＝0∧C₃＝1∧C₄＝0)},

G(E²¹)＝{(θ,v)∈X×V:(C₁＝1∧C₂＝1)},

G(E²⁰)＝{(θ,v)∈X×V:[(C₁＝0)∨(C₂＝0∧C₄＝1)]}；

R是每一个离散事件跃变(i,j)∈E和x∈X的复位集，

其中跃变条件描述为，

C1：u＞u0，车辆纵向速度大于阈值，

C2：|LTR|＞LTR0，横向载荷转移率绝对值大于阈值，

C3：δ(t)*δ(t-1)＜0，方向盘转角符号变换，

C4：T＞T0，|LTR|≤LTR0至δ发生符号变换的时间大于阈值。

2.如权利要求1所述的基于主动转向和差动制动的货车防侧翻混杂控制系统，其特征在于，所述信号处理模块对各传感器信号进行滤波处理以便进一步运算。

3.如权利要求1所述的基于主动转向和差动制动的货车防侧翻混杂控制系统，其特征在于，所述质心高度识别模块接收信号处理模块滤波后的传感器信号进行质心高度识别，估算模型为

其中J_xep＝J_xx+mh²为等效侧倾转动惯量；J_xx为侧倾转动惯量；c为侧倾阻尼；k为侧倾刚度；a为侧向加速度；

为侧倾角；h为重心高度；g为重力加速度。

4.如权利要求1所述的基于主动转向和差动制动的货车防侧翻混杂控制系统，其特征在于，所述LTR估算模块接收质心高度识别模块估算的质心高度估算车辆横向载荷转移率LTR，估算模型为

其中

为侧倾角；h为重心高度；h₀为重心到侧倾中心高度；g为重力加速度，B为轮距。

5.如权利要求1～4之一所述的基于主动转向和差动制动的货车防侧翻混杂控制系统，其特征在于，所述防侧翻执行模块包括主动转向控制模块、差动制动控制模块、车轮防滑控制模块、主动转向执行机构和差动制动执行机构。

6.如权利要求5所述的基于主动转向和差动制动的货车防侧翻混杂控制系统，其特征在于，所述主动转向执行机构布置在转向柱上，转向电机通过行星齿轮结构与转向柱相连；所述主动转向控制模块根据主动控制力计算模块给出的信号，通过与转向电机相连的端口控制转向电机运转以达到所需的主动转向角度。

7.如权利要求5所述的基于主动转向和差动制动的货车防侧翻混杂控制系统，其特征在于，所述主动转向机构采用线控转向技术，主动转向控制模块根据主动控制力计算模块给出的信号，通过与线控转向电机相连的端口控制转向电机运转以达到所需的主动转向角度。

8.如权利要求7所述的基于主动转向和差动制动的货车防侧翻混杂控制系统，其特征在于，所述差动制动执行机构为液压制动系统，以发动机或电动机为动力源在副制动缸形成一定的制动压力，通过制动液管路，经由组合阀体连接至刹车分泵，所述差动制动控制模块根据所需制动力开闭电磁阀使刹车分泵达到所需制动压力，所述差动制动控制模块在车轮防滑控制启动控制的情况下中断对刹车分泵的压力输入，从而得到最佳的制动力。

9.如权利要求1～4之一所述的基于主动转向和差动制动的货车防侧翻混杂控制系统，其特征在于，所述差动制动机构采用电子机械制动机构，根据主动控制力计算模块给出的信号驱动制动电机带动螺杆控制制动片的移动以达到所需制动力。

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