CN113212534B - 一种多模式线控底盘系统及优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模式线控底盘系统及优化方法，包括：主方向盘、主转向管柱总成、副转向操纵机构、路感总成、电动液压助力模块、控制单元、可测距红外线传感器、压力传感器、红外摄像头、电磁离合器、转向横拉杆、转向梯形及转向车轮、悬架系统及制动系统；本发明采用电动液压与单电机电动助力混合的形式，充分发挥两者的优点，使得在主驾驶位省力的同时提高副驾驶位的可靠性，并通过对底盘参数进行优化设计，使系统具有良好的节能特性、较高的控制精度、以及改善驾驶体验等。

Description

一种多模式线控底盘系统及优化方法

技术领域

本发明属于汽车线控底盘系统技术领域，具体涉及一种多模式线控底盘系统及优化方法。

背景技术

为了使车辆的运动模式更加灵活以及提高车辆的智能性，目前线控底盘的研究成为热点。然而，目前的线控底盘，主要是对于传统的单个方向盘的车辆进行优化设计，也即单个转向系统；对于多个转向系统的车辆，还没有线控底盘技术在其上应用的实例。对于特种工程车、教练车以及非道路作业车辆等可以装配多个方向盘的底盘系统的车辆，线控底盘也能够极大地提升其性能，这一领域目前尚未见到公开报道。

对于教练车，为了起到在学员误操作或因紧急情况操作不当时，教练员能够保持对车辆的控制、保证行车安全性的作用，市面上大多采用双方向盘以及双制动装置的方式，通过副驾驶处教练的及时反应操作来达到处理危险情况的目的。沃尔沃汽车集团开发的具有双方向盘的垃圾回收车，在副驾驶的位置上也有一方向盘，司机可以边驾驶边观察后方垃圾装卸情况，从而得到更好的视野范围，减轻司机的操作难度。此外，对于车型大、车体比较宽的压路机，驾驶员在驾驶室中看清楚车辆周围的情况比较困难。因此，传统的一车一套方向盘的配置无法满足胶轮压路机的驾驶需要。现代的胶轮压路机多采用两个方向盘控制一个转向器的配置，驾驶员可根据视野需要选择左边还是右边的方向盘来控制车辆的转向。

现有的副驾驶紧急干预方式通常采用机械结构，例如，中国发明专利申请号CN201811173388.X公开了一种当紧急情况发生时副驾驶指导人员踩下副刹车踏板，主驾驶练习人员就不能操作主方向盘的练习车双方向盘转向控制切断装置。但是，此类机械结构只能仰仗于副驾驶人员的操作反应能力，一旦出现一丝差错就会造成事故的发生；同时，市面上的双方向盘车辆通常采用双液压助力转向或双电控液压助力转向，例如，中国发明专利申请号CN201821765488.7公开了一种电动叉车用双方向盘电控系统，新型增设副方向，使用高性能电位计控制转向信号，但其只是通过转向油缸来实现整车转向，存在精度不高、液压能耗较大等问题，且由于副驾驶位并不是一直都被操纵，因而被误触从而影响车辆的运转方向的可能性极大，影响车辆的可靠性。

线控底盘系统涉及多个模块互相配合，结构复杂，需要多门学科的协同作用。同时，其中涉及众多性能参数指标，合理科学的参数优化设计对性能起到关键性作用。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多模式线控底盘系统及优化方法，以克服现有技术中使用机械转向、制动等结构，仅能通过副驾驶人员的操作反应能力这一可靠性低的紧急情况处理方式的问题；本发明采用电动液压与单电机电动助力混合的形式，充分发挥两者的优点，使得在主驾驶位省力的同时提高副驾驶位的可靠性，并通过对底盘参数进行优化设计，使系统具有良好的节能特性、较高的控制精度、以及改善驾驶体验等。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种多模式线控底盘系统，包括：主方向盘、主转向管柱总成、副转向操纵机构、路感总成、电动液压助力模块、控制单元、可测距红外线传感器、压力传感器、红外摄像头、电磁离合器、转向横拉杆、转向梯形及转向车轮、悬架系统及制动系统；

所述主方向盘连接主转向管柱总成，主转向管柱总成包括：第一转向管柱、第一转矩传感器、第一转角传感器、第二转向管柱、滚珠丝杆及位移传感器；第一转向管柱上分别固定安装第一转矩传感器、第一转角传感器，第二转向管柱连接滚珠丝杆的螺母，滚珠丝杆的丝杆一端与转向横拉杆同轴线固定连接，滚珠丝杆上固定安装位移传感器，位移传感器输出转向横拉杆位移信号；第一转向管柱和第二转向管柱通过电磁离合器连接；电磁离合器断开时，主方向盘输入的作用力经过第一转向管柱作用于路感总成；电磁离合器闭合时，主方向盘输入的作用力经第一转向管柱、电磁离合器、第二转向管柱、滚珠丝杆转化为转向横拉杆的位移；转向横拉杆带动转向梯形与转向车轮，完成车辆的转向；

副转向操纵机构包括：副方向盘、第一传动轴、第二传动轴、第三传动轴、第一转向万向节、第二转向万向节、转向执行电机、第二转角传感器、第二转矩传感器、电子助力转向器及齿轮齿条转向器；副方向盘连接第一传动轴，再经由第一转向万向节、第二传动轴连接到电子助力转向器的输入端，电子助力转向器的输出端经第三传动轴与第二转向万向节的输入端相连，第二转向万向节的输出端连接齿轮齿条转向器的小齿轮，齿轮齿条转向器的齿条端固定在转向横拉杆上；副方向盘发生转动时，转向力矩通过第一传动轴并经由第一转向万向节变向后通过第二传动轴传递给电子助力转向器，电子助力转向器在转向执行电机的驱动下输出转向助力力矩，再通过第三传动轴经第二转向万向节变向后传给齿轮齿条转向器，使齿条产生横向位移，带动转向横拉杆位移；

所述第二转角传感器、第二转矩传感器固定安装于所述第一传动轴上，与控制单元相连，用于获取副转向盘的转角、转矩信号；

所述路感总成包括：路感电机、第三转矩传感器及蜗轮蜗杆；路感电机输出端经过第三转矩传感器与蜗轮蜗杆的蜗轮端连接，蜗轮蜗杆的蜗杆端固定在第一转向管柱上；路感电机输出的力矩依次经过蜗轮蜗杆、第一转向管柱，传递至主方向盘，形成转向路感；

所述电动液压助力模块包括：油箱、液压泵、第一电机、电磁换向阀、液压缸、活塞、活塞杆及第四转矩传感器；活塞杆位于液压缸内，活塞杆上固定安装有活塞，活塞杆一端与转向横拉杆同轴线固定连接；第四转矩传感器安装在第一电机输出端；液压油在第一电机作用下，依次从油箱、液压泵流向电磁换向阀，通过电磁换向阀阀门开度不同，液压油流向液压缸内的活塞两侧，在活塞两侧产生压力差，从而对活塞杆产生轴向作用力，活塞杆在轴向力的作用下发生轴向位移运动，并传递至转向横拉杆，转换为转向横拉杆的位移运动；

可测距红外线传感器固定安装于车辆前保险杠两侧，与所述控制单元相连，用于获取车辆前方路障方向与距离信号；

压力传感器固定安装于车辆副驾驶座位下，与所述控制单元相连，用于获取副驾驶位压力信号，来判断副驾驶是否有人员；

红外摄像头固定安装于车辆副驾驶上方，与所述控制单元相连，并与压力传感器共同作用检测副驾驶位是否有人员存在；

悬架系统包括：磁流变减振器半主动悬架，其与控制单元连接；

制动系统包括：第一制动踏板、第二制动踏板、制动油缸、第二电机、制动器、第一位移传感器及第二位移传感器；第二电机驱动制动油缸，制动油缸带动制动器进行制动；

所述第一制动踏板位于主方向盘下方，第一位移传感器固定在第一制动踏板上，与控制单元相连，用于获取第一制动踏板的位移信号；

所述第二制动踏板位于副方向盘下方，第二位移传感器固定在第二制动踏板上，与控制单元相连，用于获取第二制动踏板的位移信号；

所述控制单元包括：主控制器和车辆其它状态单元；主控制器的输入端与上述各传感器电气连接，并获取第一转矩传感器发送的第一转矩信号、第二转矩传感器发送的第二转矩信号、第三转矩传感器发送的第三转矩信号、第四转矩传感器发送的第四转矩信号、第一转角传感器发送的第一转角信号、第二转角传感器发送的第二转角信号、第一位移传感器发送的第一位移信号、第二位移传感器发送的第二位移信号；所述车辆其它状态单元为主控制器提供当前车辆状态的车速信号和横摆角速度信号、可测距红外线传感器提供前方路况状态的障碍物距离及方向信号、压力传感器和红外摄像头提供副驾驶有无人员的压力信号、红外摄像头信号；主控制器的输出端连接电磁离合器、路感电机、电磁换向阀、第一电机、转向执行电机、第二电机、磁流变减振器半主动悬架；

电磁离合器包括：衔铁、主动轴、从动轴、电磁铁及摩擦片组；主动轴沿轴向固定在第一转向管柱，从动轴沿轴向固定在第二转向管柱，衔铁套在主动轴上，可轴向移动，电磁铁固定在主动轴上，摩擦片组固定在从动轴上，电磁铁位于衔铁与摩擦片组之间；主控制器输出的电磁离合器控制信号来控制电磁铁上的线圈的通断电，进而控制电磁离合器的开合状态。

进一步地，当用于驾校教练车时，红外摄像头采取人员照片，与驾校教练系统进行比对，判断副驾驶人员是否为教练员，从而转换工作模式。

进一步地，所述转向横拉杆分别与滚珠丝杆、活塞杆、齿轮齿条转向器的齿条固连，且与三者不同时工作，通过控制单元识别判断并改变转向横拉杆的工作状态。

进一步地，所述主控制器包括：信息处理单元、工作模式决策单元、工作模式数据库、转向数据库、制动模式数据库、悬架刚度数据库、转向执行电机驱动单元、助力电机驱动单元、路感电机驱动单元、电磁换向阀驱动单元、电磁离合器驱动单元、第二电机驱动单元及悬架刚度控制单元；信息处理单元与上述各传感器和车辆其他状态单元电气连接，实时获取各信号；工作模式决策单元接收信息处理单元、工作模式数据库、转向数据库、制动模式数据库的输入信号；转向执行电机驱动单元、助力电机驱动单元、路感电机驱动单元、电磁换向阀驱动单元、电磁离合器驱动单元、第二电机驱动单元分别接收工作模式决策单元输出的转向执行电机控制信号、助力电机控制信号、路感电机控制信号、电磁换向阀控制信号、电磁离合器控制信号、第二电机控制信号，完成转向、制动动作的控制以及不同工作模式的切换；悬架刚度控制单元接收信息处理单元的输出信号，与悬架刚度数据库进行比对，并输出悬架刚度信号给悬架系统，实时改变悬架刚度，使车辆处于最稳定的形式。

所述工作模式数据库包括车辆处于不同工作模式时各车辆结构的工作状态信息；

所述转向数据库包括车辆处于不同状况下进行转向时各车辆结构的信息；

所述制动模式数据库包括车辆处于不同状况下进行制动时各车辆结构的信息；

所述悬架刚度数据库包括车辆处于不同状况下使车辆能达到最优的稳定性的悬架刚度信息。

本发明的线控底盘系统中控制单元采集各传感器传输的数据，分析车辆的状态情况，并向车辆各单元下达控制指令；控制单元分析主副方向盘的操作指令，判断是否符合当前路况，决定执行主方向盘或副方向盘的输入指令，或由控制单元自行控制；控制单元分析第一、第二制动踏板的操作指令，判断是否符合当前路况，决定执行第一制动踏板或第二制动踏板的输入指令，或由控制单元自行控制；控制单元根据当前车辆内部状态以及外部环境，计算得出使乘客最舒适的悬架刚度，向悬架系统发出指令，改变悬架刚度等。

本发明的一种多模式线控底盘系统的优化方法，基于上述系统，包括步骤如下：

(1)建立线控底盘系统模型；

(2)选择线控底盘系统优化目标，并根据步骤(1)建立的模型，推导对应优化目标的评价公式；

(3)进行线控底盘系统性能分析，选择对底盘性能影响大的机械参数和电机参数为优化变量；

(4)在转向灵敏度、乘客舒适度、制动时间和优化变量取值范围的约束条件下，建立线控底盘系统优化模型；

(5)根据上述线控底盘系统优化模型，进行参数优化。

进一步地，所述步骤(1)中线控底盘系统模型具体表示为：

式中，J_m1为第一电机转动惯量，θ_m1为第一电机转角，B_m1为第一电机阻尼系数，T_em1为第一电机电磁转矩，T_n为第一电机扭矩，P_p为液压泵的最大工作压力，η_p为液压泵的总效率，γ为液压泵输送液体的重度，H为液压泵的扬程，q为电磁换向阀内流体流量，Δp为孔口或缝隙的前后压力差，η_h为电磁换向阀效率，x_c为液压缸活塞位移，A为液压缸活塞环形面积，m为指数，0.5≤m≤1；J_s为副方向盘转动惯量，θ_s为副方向盘输入转角，B_s为第二、第三传动轴阻尼系数，T_dri为驾驶员输入转矩，K_s为第一转矩传感器刚度，K_c为副转向操纵机构传动比，θ_e为齿轮齿条转向器小齿轮转角；T_eps为转向执行电机转矩，J_z为第一传动轴转动惯量，T_wc为齿轮齿条转向器作用力矩；m_c为齿轮齿条转向器齿条质量，F_z为转向横拉杆上阻力，r_pc为齿轮齿条转向器齿轮半径，x_h为齿轮齿条转向器齿条位移，也即转向横拉杆位移；x为横拉杆位移；m_s为簧载质量，m_u为非簧载质量，k_s为同上刚度，k_t为轮胎刚度，x_r为路面位移，x_s为簧载质量位移，x_u为非簧载质量位移；M_μ为制动器所受制动力矩，μ_b为制动器效能因数，η_b为制动器摩擦效率，R_b为制动鼓有效摩擦半径。

进一步地，所述步骤(2)中的优化目标包括：转向助力、底盘能耗、簧载质量位移、制动器所受制动力矩；转向助力计算模型为：

底盘能耗计算模型为：

簧载质量位移计算模型为：

制动器所受制动力矩计算模型为：

式中，E_j为线控底盘系统机械传动能耗，U₁表示第一电机输入电压，I₁表示第一电机输入电流，t₁表示第一电机运行时间，E_b为液压泵能耗，U₂表示第一电机输入电压，I₂表示第一电机输入电流，t₂表示第一电机运行时间，E_ecu为主控制器能耗，S为制动距离。

进一步地，所述步骤(3)中的优化变量包括：副转向操纵机构传动比K_c，齿轮齿条转向器齿轮半径r_pc，磁流变减振器半主动悬架的弹簧刚度k_s，轮胎刚度k_t，制动器效能因数μ_b，制动器的制动鼓有效摩擦半径R_b。

进一步地，所述步骤(4)中的线控底盘系统优化模型为：

式中，F_h(X)为根据转向助力公式得到的转向助力函数，E_waste(X)为根据底盘系统能耗公式得到的底盘能耗函数，x_s(X)为根据簧载质量位移公式得到的簧载质量位移函数，M_μ(X)为根据制动器所受制动力矩公式得到的制动力矩函数。

进一步地，所述步骤5)中采用多目标遗传算法、多目标粒子群算法及其改进算法中的一个或多个融合进行优化。

本发明的有益效果：

1、本发明通过对具有双方向盘系统的车辆进行线控底盘的方式，以计算机辅助人进行驾驶，由控制单元根据路况来判断并控制在紧急情况下的转向、制动等操作，可有效降低因操作人员失误而带来的事故问题；

2、本发明的制动系统采用双制动踏板，单制动回路的形式，两个制动踏板的输出信号均输入控制单元，由控制单元判断决定如何制动，大大降低了由双机械制动回路所带来的干涉；

3、本发明的优化方法通过优化转向助力、底盘能耗、簧载质量位移、制动器所受制动力矩等目标，改进了车辆的驾驶体验，降低能耗，提高了系统精度，有效解决转向路感、转向能耗、转向助力、簧载质量位移和制动器所受制动力矩多个优化目标之间相互冲突的问题，提高了车辆的可靠性，增大乘客的舒适度等；

4、本发明的优化方法可通过对具体车辆具体优化，实现针对性解决问题，使得技术不浮于表面，落实到使用本发明的具体车辆上，具有充分的实际操作可行性。

附图说明

图1为本发明线控底盘系统结构示意图；

图2为本发明优化方法流程图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1所示，本发明的一种多模式线控底盘系统，包括：主方向盘、主转向管柱总成、副转向操纵机构、路感总成、电动液压助力模块、控制单元、可测距红外线传感器、压力传感器、红外摄像头、电磁离合器、转向横拉杆、转向梯形及转向车轮、悬架系统及制动系统；

所述主方向盘连接主转向管柱总成，主转向管柱总成包括：第一转向管柱、第一转矩传感器、第一转角传感器、第二转向管柱、滚珠丝杆及位移传感器；第一转向管柱上分别固定安装第一转矩传感器、第一转角传感器，第二转向管柱连接滚珠丝杆的螺母，滚珠丝杆的丝杆一端与转向横拉杆同轴线固定连接，滚珠丝杆上固定安装位移传感器，位移传感器输出转向横拉杆位移信号；第一转向管柱和第二转向管柱通过电磁离合器连接；电磁离合器断开时，主方向盘输入的作用力经过第一转向管柱作用于路感总成；电磁离合器闭合时，主方向盘输入的作用力经第一转向管柱、电磁离合器、第二转向管柱、滚珠丝杆转化为转向横拉杆的位移；转向横拉杆带动转向梯形与转向车轮，完成车辆的转向；

副转向操纵机构包括：副方向盘、第一传动轴、第二传动轴、第三传动轴、第一转向万向节、第二转向万向节、转向执行电机、第二转角传感器、第二转矩传感器、电子助力转向器及齿轮齿条转向器；副方向盘连接第一传动轴，再经由第一转向万向节、第二传动轴连接到电子助力转向器的输入端，电子助力转向器的输出端经第三传动轴与第二转向万向节的输入端相连，第二转向万向节的输出端连接齿轮齿条转向器的小齿轮，齿轮齿条转向器的齿条端固定在转向横拉杆上；副方向盘发生转动时，转向力矩通过第一传动轴并经由第一转向万向节变向后通过第二传动轴传递给电子助力转向器，电子助力转向器在转向执行电机的驱动下输出转向助力力矩，再通过第三传动轴经第二转向万向节变向后传给齿轮齿条转向器，使齿条产生横向位移，带动转向横拉杆位移；

所述第二转角传感器、第二转矩传感器固定安装于所述第一传动轴上，与控制单元相连，用于获取副转向盘的转角、转矩信号；

所述路感总成包括：路感电机、第三转矩传感器及蜗轮蜗杆；路感电机输出端经过第三转矩传感器与蜗轮蜗杆的蜗轮端连接，蜗轮蜗杆的蜗杆端固定在第一转向管柱上；路感电机输出的力矩依次经过蜗轮蜗杆、第一转向管柱，传递至主方向盘，形成转向路感；

所述电动液压助力模块包括：油箱、液压泵、第一电机、电磁换向阀、液压缸、活塞、活塞杆及第四转矩传感器；活塞杆位于液压缸内，活塞杆上固定安装有活塞，活塞杆一端与转向横拉杆同轴线固定连接；第四转矩传感器安装在第一电机输出端；液压油在第一电机作用下，依次从油箱、液压泵流向电磁换向阀，通过电磁换向阀阀门开度不同，液压油流向液压缸内的活塞两侧，在活塞两侧产生压力差，从而对活塞杆产生轴向作用力，活塞杆在轴向力的作用下发生轴向位移运动，并传递至转向横拉杆，转换为转向横拉杆的位移运动；

可测距红外线传感器固定安装于车辆前保险杠两侧，与所述控制单元相连，用于获取车辆前方路障方向与距离信号；

压力传感器固定安装于车辆副驾驶座位下，与所述控制单元相连，用于获取副驾驶位压力信号，来判断副驾驶是否有人员；

红外摄像头固定安装于车辆副驾驶上方，与所述控制单元相连，并与压力传感器共同作用检测副驾驶位是否有人员存在；

悬架系统包括：磁流变减振器半主动悬架，其与控制单元连接；

制动系统包括：第一制动踏板、第二制动踏板、制动油缸、第二电机、制动器、第一位移传感器及第二位移传感器；第二电机驱动制动油缸，制动油缸带动制动器进行制动；

所述第一制动踏板位于主方向盘下方，第一位移传感器固定在第一制动踏板上，与控制单元相连，用于获取第一制动踏板的位移信号；

所述第二制动踏板位于副方向盘下方，第二位移传感器固定在第二制动踏板上，与控制单元相连，用于获取第二制动踏板的位移信号；

所述控制单元包括：主控制器和车辆其它状态单元；主控制器的输入端与上述各传感器电气连接，并获取第一转矩传感器发送的第一转矩信号、第二转矩传感器发送的第二转矩信号、第三转矩传感器发送的第三转矩信号、第四转矩传感器发送的第四转矩信号、第一转角传感器发送的第一转角信号、第二转角传感器发送的第二转角信号、第一位移传感器发送的第一位移信号、第二位移传感器发送的第二位移信号；所述车辆其它状态单元为主控制器提供当前车辆状态的车速信号和横摆角速度信号、可测距红外线传感器提供前方路况状态的障碍物距离及方向信号、压力传感器和红外摄像头提供副驾驶有无人员的压力信号、红外摄像头信号；主控制器的输出端连接电磁离合器、路感电机、电磁换向阀、第一电机、转向执行电机、第二电机、磁流变减振器半主动悬架；

电磁离合器包括：衔铁、主动轴、从动轴、电磁铁及摩擦片组；主动轴沿轴向固定在第一转向管柱，从动轴沿轴向固定在第二转向管柱，衔铁套在主动轴上，可轴向移动，电磁铁固定在主动轴上，摩擦片组固定在从动轴上，电磁铁位于衔铁与摩擦片组之间；主控制器输出的电磁离合器控制信号来控制电磁铁上的线圈的通断电，进而控制电磁离合器的开合状态。

当用于驾校教练车时，红外摄像头采取人员照片，与驾校教练系统进行比对，判断副驾驶人员是否为教练员，从而转换工作模式。

其中，所述转向横拉杆分别与滚珠丝杆、活塞杆、齿轮齿条转向器的齿条固连，且与三者不同时工作，通过控制单元识别判断并改变转向横拉杆的工作状态。

其中，所述主控制器包括：信息处理单元、工作模式决策单元、工作模式数据库、转向数据库、制动模式数据库、悬架刚度数据库、转向执行电机驱动单元、助力电机驱动单元、路感电机驱动单元、电磁换向阀驱动单元、电磁离合器驱动单元、第二电机驱动单元及悬架刚度控制单元；信息处理单元与上述各传感器和车辆其他状态单元电气连接，实时获取各信号；工作模式决策单元接收信息处理单元、工作模式数据库、转向数据库、制动模式数据库的输入信号；转向执行电机驱动单元、助力电机驱动单元、路感电机驱动单元、电磁换向阀驱动单元、电磁离合器驱动单元、第二电机驱动单元分别接收工作模式决策单元输出的转向执行电机控制信号、助力电机控制信号、路感电机控制信号、电磁换向阀控制信号、电磁离合器控制信号、第二电机控制信号，完成转向、制动动作的控制以及不同工作模式的切换；悬架刚度控制单元接收信息处理单元的输出信号，与悬架刚度数据库进行比对，并输出悬架刚度信号给悬架系统，实时改变悬架刚度，使车辆处于最稳定的形式。

所述工作模式数据库包括车辆处于不同工作模式时各车辆结构的工作状态信息；

所述转向数据库包括车辆处于不同状况下进行转向时各车辆结构的信息；

所述制动模式数据库包括车辆处于不同状况下进行制动时各车辆结构的信息；

所述悬架刚度数据库包括车辆处于不同状况下使车辆能达到最优的稳定性的悬架刚度信息。

本发明的线控底盘系统中控制单元采集各传感器传输的数据，分析车辆的状态情况，并向车辆各单元下达控制指令；控制单元分析主副方向盘的操作指令，判断是否符合当前路况，决定执行主方向盘或副方向盘的输入指令，或由控制单元自行控制；控制单元分析第一、第二制动踏板的操作指令，判断是否符合当前路况，决定执行第一制动踏板或第二制动踏板的输入指令，或由控制单元自行控制；控制单元根据当前车辆内部状态以及外部环境，计算得出使乘客最舒适的悬架刚度，向悬架系统发出指令，改变悬架刚度等。

参照图2所示，本发明的一种多模式线控底盘系统的优化方法，基于上述系统，包括步骤如下：

(1)建立线控底盘系统模型；

所述线控底盘系统模型由转向、悬架、制动的动力学模型推导得到，线控底盘系统模型为：

式中，J_m1为第一电机转动惯量，θ_m1为第一电机转角，B_m1为第一电机阻尼系数，T_em1为第一电机电磁转矩，T_n为第一电机扭矩，P_p为液压泵的最大工作压力，η_p为液压泵的总效率，γ为液压泵输送液体的重度，H为液压泵的扬程，q为电磁换向阀内流体流量，Δp为孔口或缝隙的前后压力差，η_h为电磁换向阀效率，x_c为液压缸活塞位移，A为液压缸活塞环形面积，m为指数，0.5≤m≤1；J_s为副方向盘转动惯量，θ_s为副方向盘输入转角，B_s为第二、第三传动轴阻尼系数，T_dri为驾驶员输入转矩，K_s为第一转矩传感器刚度，K_c为副转向操纵机构传动比，θ_e为齿轮齿条转向器小齿轮转角；T_eps为转向执行电机转矩，J_z为第一传动轴转动惯量，T_wc为齿轮齿条转向器作用力矩；m_c为齿轮齿条转向器齿条质量，F_z为转向横拉杆上阻力，r_pc为齿轮齿条转向器齿轮半径，x_h为齿轮齿条转向器齿条位移，也即转向横拉杆位移；x为横拉杆位移；m_s为簧载质量，m_u为非簧载质量，k_s为同上刚度，k_t为轮胎刚度，x_r为路面位移，x_s为簧载质量位移，x_u为非簧载质量位移；M_μ为制动器所受制动力矩，μ_b为制动器效能因数，η_b为制动器摩擦效率，R_b为制动鼓有效摩擦半径。

(2)选择线控底盘系统优化目标，并根据步骤(1)建立的模型，推导对应优化目标的评价公式；

所述步骤(2)中的优化目标包括：转向助力、底盘能耗、簧载质量位移、制动器所受制动力矩；转向助力计算模型为：

底盘能耗计算模型为：

簧载质量位移计算模型为：

制动器所受制动力矩计算模型为：

式中，E_j为线控底盘系统机械传动能耗，U₁表示第一电机输入电压，I₁表示第一电机输入电流，t₁表示第一电机运行时间，E_b为液压泵能耗，U₂表示第一电机输入电压，I₂表示第一电机输入电流，t₂表示第一电机运行时间，E_ecu为主控制器能耗，S为制动距离。

(3)进行线控底盘系统性能分析，选择对底盘性能影响大的机械参数和电机参数为优化变量；

优化变量包括：副转向操纵机构传动比K_c，齿轮齿条转向器齿轮半径r_pc，磁流变减振器半主动悬架的弹簧刚度k_s，轮胎刚度k_t，制动器效能因数μ_b，制动器的制动鼓有效摩擦半径R_b。

(4)在转向灵敏度、乘客舒适度、制动时间和优化变量取值范围的约束条件下，建立线控底盘系统优化模型；

所述步骤(4)中的线控底盘系统优化模型为：

式中，F_h(X)为根据转向助力公式得到的转向助力函数，E_waste(X)为根据底盘系统能耗公式得到的底盘能耗函数，x_s(X)为根据簧载质量位移公式得到的簧载质量位移函数，M_μ(X)为根据制动器所受制动力矩公式得到的制动力矩函数。

(5)根据上述线控底盘系统优化模型，进行参数优化；

所述步骤5)中采用多目标遗传算法、多目标粒子群算法及其改进算法中的一个或多个融合进行优化。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多模式线控底盘系统，其特征在于，包括：主方向盘、主转向管柱总成、副转向操纵机构、路感总成、电动液压助力模块、控制单元、可测距红外线传感器、压力传感器、红外摄像头、电磁离合器、转向横拉杆、转向梯形及转向车轮、悬架系统及制动系统；

所述主方向盘连接主转向管柱总成，主转向管柱总成包括：第一转向管柱、第一转矩传感器、第一转角传感器、第二转向管柱、滚珠丝杆及位移传感器；第一转向管柱上分别固定安装第一转矩传感器、第一转角传感器，第二转向管柱连接滚珠丝杆的螺母，滚珠丝杆的丝杆一端与转向横拉杆同轴线固定连接，滚珠丝杆上固定安装位移传感器，位移传感器输出转向横拉杆位移信号；第一转向管柱和第二转向管柱通过电磁离合器连接；电磁离合器断开时，主方向盘输入的作用力经过第一转向管柱作用于路感总成；电磁离合器闭合时，主方向盘输入的作用力经第一转向管柱、电磁离合器、第二转向管柱、滚珠丝杆转化为转向横拉杆的位移；转向横拉杆带动转向梯形与转向车轮，完成车辆的转向；

副转向操纵机构包括：副方向盘、第一传动轴、第二传动轴、第三传动轴、第一转向万向节、第二转向万向节、转向执行电机、第二转角传感器、第二转矩传感器、电子助力转向器及齿轮齿条转向器；副方向盘连接第一传动轴，再经由第一转向万向节、第二传动轴连接到电子助力转向器的输入端，电子助力转向器的输出端经第三传动轴与第二转向万向节的输入端相连，第二转向万向节的输出端连接齿轮齿条转向器的小齿轮，齿轮齿条转向器的齿条端固定在转向横拉杆上；副方向盘发生转动时，转向力矩通过第一传动轴并经由第一转向万向节变向后通过第二传动轴传递给电子助力转向器，电子助力转向器在转向执行电机的驱动下输出转向助力力矩，再通过第三传动轴经第二转向万向节变向后传给齿轮齿条转向器，使齿条产生横向位移，带动转向横拉杆位移；

所述第二转角传感器、第二转矩传感器固定安装于所述第一传动轴上，与控制单元相连，用于获取副转向盘的转角、转矩信号；

所述路感总成包括：路感电机、第三转矩传感器及蜗轮蜗杆；路感电机输出端经过第三转矩传感器与蜗轮蜗杆的蜗轮端连接，蜗轮蜗杆的蜗杆端固定在第一转向管柱上；路感电机输出的力矩依次经过蜗轮蜗杆、第一转向管柱，传递至主方向盘，形成转向路感；

所述电动液压助力模块包括：油箱、液压泵、第一电机、电磁换向阀、液压缸、活塞、活塞杆及第四转矩传感器；活塞杆位于液压缸内，活塞杆上固定安装有活塞，活塞杆一端与转向横拉杆同轴线固定连接；第四转矩传感器安装在第一电机输出端；液压油在第一电机作用下，依次从油箱、液压泵流向电磁换向阀，通过电磁换向阀阀门开度不同，液压油流向液压缸内的活塞两侧，在活塞两侧产生压力差，从而对活塞杆产生轴向作用力，活塞杆在轴向力的作用下发生轴向位移运动，并传递至转向横拉杆，转换为转向横拉杆的位移运动；

可测距红外线传感器固定安装于车辆前保险杠两侧，与所述控制单元相连，用于获取车辆前方路障方向与距离信号；

压力传感器固定安装于车辆副驾驶座位下，与所述控制单元相连，用于获取副驾驶位压力信号，来判断副驾驶是否有人员；

红外摄像头固定安装于车辆副驾驶上方，与所述控制单元相连，并与压力传感器共同作用检测副驾驶位是否有人员存在；

悬架系统包括：磁流变减振器半主动悬架，其与控制单元连接；

制动系统包括：第一制动踏板、第二制动踏板、制动油缸、第二电机、制动器、第一位移传感器及第二位移传感器；第二电机驱动制动油缸，制动油缸带动制动器进行制动；

所述第一制动踏板位于主方向盘下方，第一位移传感器固定在第一制动踏板上，与控制单元相连，用于获取第一制动踏板的位移信号；

所述第二制动踏板位于副方向盘下方，第二位移传感器固定在第二制动踏板上，与控制单元相连，用于获取第二制动踏板的位移信号；

所述控制单元包括：主控制器和车辆其它状态单元；主控制器的输入端与上述各传感器电气连接，并获取第一转矩传感器发送的第一转矩信号、第二转矩传感器发送的第二转矩信号、第三转矩传感器发送的第三转矩信号、第四转矩传感器发送的第四转矩信号、第一转角传感器发送的第一转角信号、第二转角传感器发送的第二转角信号、第一位移传感器发送的第一位移信号、第二位移传感器发送的第二位移信号；所述车辆其它状态单元为主控制器提供当前车辆状态的车速信号和横摆角速度信号、可测距红外线传感器提供前方路况状态的障碍物距离及方向信号、压力传感器和红外摄像头提供副驾驶有无人员的压力信号、红外摄像头信号；主控制器的输出端分别连接电磁离合器、路感电机、电磁换向阀、第一电机、转向执行电机、第二电机、磁流变减振器半主动悬架；

电磁离合器包括：衔铁、主动轴、从动轴、电磁铁及摩擦片组；主动轴沿轴向固定在第一转向管柱，从动轴沿轴向固定在第二转向管柱，衔铁套在主动轴上，可轴向移动，电磁铁固定在主动轴上，摩擦片组固定在从动轴上，电磁铁位于衔铁与摩擦片组之间；主控制器输出的电磁离合器控制信号来控制电磁铁上的线圈的通断电，进而控制电磁离合器的开合状态。

2.根据权利要求1所述的多模式线控底盘系统，其特征在于，所述转向横拉杆分别与滚珠丝杆、活塞杆、齿轮齿条转向器的齿条固连，且与三者不同时工作，通过控制单元识别判断并改变转向横拉杆的工作状态。

3.根据权利要求1所述的多模式线控底盘系统，其特征在于，所述主控制器包括：信息处理单元、工作模式决策单元、工作模式数据库、转向数据库、制动模式数据库、悬架刚度数据库、转向执行电机驱动单元、助力电机驱动单元、路感电机驱动单元、电磁换向阀驱动单元、电磁离合器驱动单元、第二电机驱动单元及悬架刚度控制单元；信息处理单元与上述各传感器和车辆其他状态单元电气连接，实时获取各信号；工作模式决策单元接收信息处理单元、工作模式数据库、转向数据库、制动模式数据库的输入信号；转向执行电机驱动单元、助力电机驱动单元、路感电机驱动单元、电磁换向阀驱动单元、电磁离合器驱动单元、第二电机驱动单元分别接收工作模式决策单元输出的转向执行电机控制信号、助力电机控制信号、路感电机控制信号、电磁换向阀控制信号、电磁离合器控制信号、第二电机控制信号，完成转向、制动动作的控制以及不同工作模式的切换；悬架刚度控制单元接收信息处理单元的输出信号，与悬架刚度数据库进行比对，并输出悬架刚度信号给悬架系统，实时改变悬架刚度，使车辆处于最稳定的形式。

4.根据权利要求3所述的多模式线控底盘系统，其特征在于，所述工作模式数据库包括车辆处于不同工作模式时各车辆结构的工作状态信息；所述转向数据库包括车辆处于不同状况下进行转向时各车辆结构的信息；所述制动模式数据库包括车辆处于不同状况下进行制动时各车辆结构的信息；所述悬架刚度数据库包括车辆处于不同状况下使车辆能达到最优的稳定性的悬架刚度信息。

5.一种多模式线控底盘系统的优化方法，基于权利要求1-4中任意一项所述系统，其特征在于，包括步骤如下：

(1)建立线控底盘系统模型；

(2)选择线控底盘系统优化目标，并根据步骤(1)建立的模型，推导对应优化目标的评价公式；

(3)进行线控底盘系统性能分析，选择对底盘性能影响大的机械参数和电机参数为优化变量；

(4)在转向灵敏度、乘客舒适度、制动时间和优化变量取值范围的约束条件下，建立线控底盘系统优化模型；

(5)根据上述线控底盘系统优化模型，进行参数优化。

6.根据权利要求5所述的多模式线控底盘系统的优化方法，其特征在于，所述步骤(1)中线控底盘系统模型为：

式中，J_m1为第一电机转动惯量，θ_m1为第一电机转角，B_m1为第一电机阻尼系数，T_em1为第一电机电磁转矩，T_n为第一电机扭矩，P_p为液压泵的最大工作压力，η_p为液压泵的总效率，γ为液压泵输送液体的重度，H为液压泵的扬程，q为电磁换向阀内流体流量，Δp为孔口或缝隙的前后压力差，η_h为电磁换向阀效率，x_c为液压缸活塞位移，A为液压缸活塞环形面积，m为指数，0.5≤m≤1；J_s为副方向盘转动惯量，θ_s为副方向盘输入转角，B_s为第二、第三传动轴阻尼系数，T_dri为驾驶员输入转矩，K_s为第一转矩传感器刚度，K_c为副转向操纵机构传动比，θ_e为齿轮齿条转向器小齿轮转角；T_eps为转向执行电机转矩，J_z为第一传动轴转动惯量，T_wc为齿轮齿条转向器作用力矩；m_c为齿轮齿条转向器齿条质量，F_z为转向横拉杆上阻力，r_pc为齿轮齿条转向器齿轮半径，x_h为齿轮齿条转向器齿条位移，也即转向横拉杆位移；x为横拉杆位移；m_s为簧载质量，m_u为非簧载质量，k_s为磁流变减振器半主动悬架的弹簧刚度，k_t为轮胎刚度，x_r为路面位移，x_s为簧载质量位移，x_u为非簧载质量位移；M_μ为制动器所受制动力矩，μ_b为制动器效能因数，η_b为制动器摩擦效率，R_b为制动鼓有效摩擦半径。

7.根据权利要求6所述的多模式线控底盘系统的优化方法，其特征在于，所述步骤(2)中的优化目标包括：转向助力、底盘能耗、簧载质量位移、制动器所受制动力矩；转向助力计算模型为：

底盘能耗计算模型为：

簧载质量位移计算模型为：

制动器所受制动力矩计算模型为：

式中，E_j为线控底盘系统机械传动能耗，U₁表示第一电机输入电压，I₁表示第一电机输入电流，t₁表示第一电机运行时间，E_b为液压泵能耗，U₂表示第一电机输入电压，I₂表示第一电机输入电流，t₂表示第一电机运行时间，E_ecu为主控制器能耗，S为制动距离，F_h(X)为根据转向助力公式得到的转向助力函数，m_h为横拉杆质量。

8.根据权利要求7所述的多模式线控底盘系统的优化方法，其特征在于，所述步骤(3)中的优化变量包括：副转向操纵机构传动比K_c，齿轮齿条转向器齿轮半径r_pc，磁流变减振器半主动悬架的弹簧刚度k_s，轮胎刚度k_t，制动器效能因数μ_b，制动器的制动鼓有效摩擦半径R_b。

9.根据权利要求8所述的多模式线控底盘系统的优化方法，其特征在于，所述步骤(4)中的线控底盘系统优化模型为：

式中，F_h(X)为根据转向助力公式得到的转向助力函数，E_waste(X)为根据底盘系统能耗公式得到的底盘能耗函数，x_s(X)为根据簧载质量位移公式得到的簧载质量位移函数，M_μ(X)为根据制动器所受制动力矩公式得到的制动力矩函数。

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