CN111716979B - 一种匹配无悬架结构车辆的平顺性控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种匹配无悬架结构车辆的平顺性控制系统及方法，包括路面形状激光测量仪、理想车身运动发生器、平顺性控制单元以及力发生器；路面形状激光测量仪在车辆行驶过程中实时检测路面状态信息，并将路面状态信息传递给理想车身运动发生器和平顺性控制单元；理想车身运动发生器根据路面状态信息计算出车辆行驶过程中车身的理想运动状态并将该理想运动状态传递给平顺性控制单元；平顺性控制单元根据路面状态信息和理想运动状态实时计算控制作用力，并将控制作用力传递给力发生器；力发生器根据控制作用力对车辆行驶状态进行控制。本发明通过控制无悬架结构行驶系统轮式车辆中车轮与车身之间的相互作用力，降低车身垂向运动，改善平顺性。

Description

一种匹配无悬架结构车辆的平顺性控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种匹配无悬架结构车辆的平顺性控制系统及方法，属于车辆平顺性控制技术领域。

背景技术

目前传统车轮的减缓冲震部件主要为橡胶轮胎和悬架结构，通过轮胎与悬架弹性变形和迟滞现象转化并吸收来自路面的冲击激励，而无悬架结构行驶系统轮式车辆由于取消悬架结构来节省车体空间，容易造成路面激励未能吸收充分，通过车轮的辐板或辐条式刚性结构直接传递到车辆轮毂，并进一步经由车轴传递至驾驶员乘客，造成车辆对不平路面敏感度高，舒适性下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种匹配无悬架结构车辆的平顺性控制系统及方法，通过控制无悬架结构行驶系统轮式车辆中车轮与车身之间的相互作用力，降低车身垂向运动，改善平顺性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种匹配无悬架结构车辆的平顺性控制系统，包括路面形状激光测量仪、理想车身运动发生器、平顺性控制单元以及力发生器，所述路面形状激光测量仪设置于靠近车轮的车轴上，力发生器设置于车轮与车桥之间，力发生器用于连接车轮与车桥；

所述路面形状激光测量仪用于在车辆行驶过程中实时检测路面状态信息，并将路面状态信息传递给理想车身运动发生器和平顺性控制单元；理想车身运动发生器用于根据路面状态信息计算出车辆行驶过程中车身的理想运动状态并将该理想运动状态传递给平顺性控制单元；平顺性控制单元用于根据路面状态信息和理想运动状态实时计算控制作用力，并将控制作用力传递给力发生器；力发生器用于根据控制作用力对车辆行驶状态进行控制。

作为本发明控制系统的一种优选方案，所述路面形状激光测量仪包括激光发射器、激光接收器、计时器和存储单元，所述激光发射器用于在车辆行驶过程中实时向路面发射激光信号；激光接收器用于接收经由路面反射的激光信号；计时器用于记录激光发射器发射激光信号到激光接收器接收激光信号之间的时间间隔，通过时间间隔与光速时间的乘积获得路面状态信息，并将路面状态信息存储在存储单元中，同时传递给理想车身运动发生器以及平顺性控制单元。

一种匹配无悬架结构车辆的平顺性控制方法，包括如下步骤：

步骤1，在车辆行驶过程中实时检测路面状态信息；

步骤2，根据路面状态信息计算出车辆行驶过程中车身的理想运动状态；

步骤3，根据步骤1的路面状态信息和步骤2的理想运动状态实时计算控制作用力；

步骤4，根据控制作用力对车辆行驶状态进行控制。

作为本发明控制方法的一种优选方案，步骤2所述车身的理想运动状态，表达式为：

x_ref＝G(s)q

其中，x_ref为计算得到的车身的理想运动状态，

为一阶惯性环节传递函数，常数a取0.1，s为复变数，q为实时检测的路面状态信息。

作为本发明控制方法的一种优选方案，步骤4所述控制作用力，表达式为：

其中，F为控制作用力，m1、m2分别为悬挂、非悬挂质量，m1+m2为轮式车辆整车质量，ξ为中间变量，δ为实际车身垂向运动与理想车身运动误差，ε为车身垂向速度跟踪误差，c_c为多重缓冲减震车轮等效阻尼，x为轮式车辆车身垂向位移，k_tc为多重缓冲减震车轮等效刚度，q为实时检测的路面状态信息。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明在取消原有悬架的基础上，通过新型控制算法保证了车辆平顺性，降低车辆成本，提高车辆空间利用率，同时对整车底盘的简化和集成起到积极推到作用。

2、本发明相较于传统悬架控制算法适应性更强，通过实时监测路面状况，针对性的调控里发生器作用，达到实时适应性地改善车辆性能。

附图说明

图1是本发明系统的架构图。

图2是无悬架结构行驶系统轮式车辆运动简图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，本发明公开了一种匹配无悬架结构行驶系统轮式车辆的平顺性控制系统，由路面形状激光测量仪、力发生器、理想车身运动发生器以及平顺性控制单元；路面形状激光测量仪在无悬架结构行驶系统轮式车辆行驶过程中实时检测路面状态，并将路面信息传递给理想车身运动发生器和平顺性控制单元，理想车身运动发生器根据路面信息计算出车辆运行过程中车身的理想运动状态并将该理想信号传递给平顺性控制单元，平顺性控制单元根据路面实时信息和理想车身状态实时计算控制信号，控制信号通过安装在车轮和车身之间的力发生器，进一步改善车辆运行状态，从而保证舒适性。

路面形状激光测量仪设置于靠近车轮的车轴上，力发生器用于连接车轮与车桥，因此，路面形状激光测量仪有4个，力发生器有4个，理想车身运动发生器和平顺性控制单元可以共用。整套控制系统在保证无悬架结构车辆布置紧凑，提高空间利用率的前提下，避免了车身跳动，具有缓冲减振特性，同时控制策略简便易于在无悬架结构行驶系统轮式车辆上实现。

其中，路面形状激光测量仪由激光发射器、激光接收器、计时器和存储单元组成，激光发射器在车辆行驶过程中实时向路面发射出激光信号，经由路面反射回激光接收器，计时器记录激光发射到接收之间的时间，通过时间间隔与光速时间的乘积获得路面界面形状信息，并将信息存储在存储单元中，同时传递给理想车身运动发生器以及平顺性控制单元。

理想车身运动发生器，其特征在于根据路面信息计算出车辆运行过程中车身的理想运动状态，其具体表达为：

x_ref＝G(s)q

其中：x_ref为计算出来的理想车身运动状态，

为一阶惯性环节传递函数(这里时间常数a取0.1)，q为路面形状激光测量仪测量获得的路面信息。

平顺性控制单元根据路面实时路面信息和理想车身状态实时计算控制信号，控制信号通过安装在车轮和车身之间的力发生器，进一步改善车辆运行状态，其具体控制策略为：

定义跟踪误差为实际车身垂向运动与理想车身运动误差：

δ＝x-x_ref

于是得到跟踪误差导数为：

根据Lyapunov稳定性理论，如果系统存在一正定的标量状态函数，其倒数为负定，则系统渐近稳定，为了保证系统跟踪误差收敛，选取该标量函数为：

该标量函数对时间的导数为：

如果

则可以保障Lyapunov函数的倒数

为负定，

于是定义新的中间变量

并且再次定义车身垂向速度跟踪误差：

于是选取新的Lyapunov函数：

该Lyapunov函数V₁的导数为：

根据定义新的中间变量

可知：

于是Lyapunov函数V₁的导数进一步可表示为：

令：

即控制作用力F满足：

可满足Lyapunov函数V₁的导数为负定：

也即可以保证车身垂向运动跟踪理想运动，从而保证无悬架结构行驶系统结构轮式车辆的行驶稳定平稳。

如图2所示，所述车辆系统运动通过所述多重缓冲减震车轮替代悬架仅由单自由度模型即可完整表述，极大简化了车辆运动方程，实现了车辆运动描述从多自由度到单自由度的简化，考虑车轮与车身之间施加的控制力F，该系统可用下述状态方程描述：

式中：m₁+m₂表示该轮式车辆整车质量，x表示该轮式车辆车身垂向位移，k_tc表示多重缓冲减震车轮等效刚度，c_c表示多重缓冲减震车轮等效阻尼，q表示路面激励。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种匹配无悬架结构车辆的平顺性控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在车辆行驶过程中实时检测路面状态信息；

步骤2，根据路面状态信息计算出车辆行驶过程中车身的理想运动状态；

所述车身的理想运动状态，表达式为：

x_ref＝G(s)q

其中，x_ref为计算得到的车身的理想运动状态，

为一阶惯性环节传递函数，常数a取0.1，s为复变数，q为实时检测的路面状态信息；

步骤3，根据步骤1的路面状态信息和步骤2的理想运动状态实时计算控制作用力；

步骤4，根据控制作用力对车辆行驶状态进行控制；

所述控制作用力，表达式为：

其中，F为控制作用力，m1、m2分别为悬挂、非悬挂质量，m1+m2为轮式车辆整车质量，ξ为中间变量，δ为实际车身垂向运动与理想车身运动误差，ε为车身垂向速度跟踪误差，c_c为多重缓冲减震车轮等效阻尼，x为轮式车辆车身垂向位移，k_tc为多重缓冲减震车轮等效刚度，q为实时检测的路面状态信息。

2.一种基于权利要求1所述匹配无悬架结构车辆的平顺性控制方法的匹配无悬架结构车辆的平顺性控制系统，其特征在于，包括路面形状激光测量仪、理想车身运动发生器、平顺性控制单元以及力发生器，所述路面形状激光测量仪设置于靠近车轮的车轴上，力发生器设置于车轮与车桥之间，力发生器用于连接车轮与车桥；

所述路面形状激光测量仪用于在车辆行驶过程中实时检测路面状态信息，并将路面状态信息传递给理想车身运动发生器和平顺性控制单元；理想车身运动发生器用于根据路面状态信息计算出车辆行驶过程中车身的理想运动状态并将该理想运动状态传递给平顺性控制单元；平顺性控制单元用于根据路面状态信息和理想运动状态实时计算控制作用力，并将控制作用力传递给力发生器；力发生器用于根据控制作用力对车辆行驶状态进行控制。

3.根据权利要求2所述匹配无悬架结构车辆的平顺性控制系统，其特征在于，所述路面形状激光测量仪包括激光发射器、激光接收器、计时器和存储单元，所述激光发射器用于在车辆行驶过程中实时向路面发射激光信号；激光接收器用于接收经由路面反射的激光信号；计时器用于记录激光发射器发射激光信号到激光接收器接收激光信号之间的时间间隔，通过时间间隔与光速时间的乘积获得路面状态信息，并将路面状态信息存储在存储单元中，同时传递给理想车身运动发生器以及平顺性控制单元。

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