CN114312202B - 一种基于路况识别的半主动悬架控制方法及控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于路况识别的半主动悬架控制方法及控制系统，针对现有半主动悬架控制方法存在的数据检测结构复杂，控制逻辑计算复杂等问题，根据路面激励振动与车身振动实时改变悬架系统阻尼，以实现车辆悬架系统在不同路况下输出合理的阻尼实现车辆的操稳和平顺性要求。而本发明仅需要两个车轮加速度传感器和1个车身传感器，整个数据检测结构大幅简化，而控制算法需要处理的数据也大幅减少，使整个系统简单化，成本降低。
Description
技术领域
本发明属于悬架系统控制技术领域，具体地说，涉及一种基于路况识别的半主动悬架控制方法及控制系统。
背景技术
在汽车设计中，汽车悬架系统性能总需要是在平顺性和操稳性之间做平衡，选择提升平顺性则会牺牲部分操稳性能，选择提升操稳性能则会牺牲平顺性，为了能解决这个问题，越来越多的汽车采用半主动悬架系统。目前半主动减振器的控制系统主要包含数据检测、控制逻辑和结果输出三个部分。
在半主动悬架系统可调整的部分通常为减振器的阻尼和弹簧的刚度，在数据检测部分现在大部分控制系统和控制方法需要包含4个车身加速度传感器、4个车轮加速度传感器或高度传感器；也有部分控制系统包只包含5个传感器。但不管是什么类型的控制系统，其都包含了5个及以上的传感器，使整个系统复杂，并且成本较高。
在控制逻辑部分，大部分控制系统采用的是天棚或地棚原理及其衍生算法，整个算法要求输入数据较多，且对系统的实时性要求较高，这增加了系统的计算难度和复杂度。
在结果输出方面，输出和控制对象相关，目前主流的控制对象包括电磁阀控的半主动减振器或磁流变半主动减振器，但最终都是控制输出电流，各种算法都相似。
因此对半主动悬架控制系统，简化数据检测方式与优化控制逻辑是目前比较核心的两个需求方向。
发明内容
本发明针对现有技术的上述缺陷和需求，提出了一种基于路况识别的半主动悬架控制方法及控制系统，针对现有半主动悬架控制方法存在的数据检测结构复杂，控制逻辑计算复杂等问题，根据路面激励振动与车身振动实时改变悬架系统阻尼，以实现车辆悬架系统在不同路况下输出合理的阻尼实现车辆的操稳和平顺性要求。而本发明仅需要两个车轮加速度传感器和1个车身传感器，整个数据检测结构大幅简化，而控制算法需要处理的数据也大幅减少，使整个系统简单化，成本降低。
本发明具体实现内容如下：
本发明提出了一种基于路况识别的半主动悬架控制方法，包括以下步骤：
步骤1：在汽车的前左轮和前右轮上分别设置对应的车轮加速度传感器，并在汽车车身上设置车身传感器；分别获取车轮加速度传感器得到的路面激励振动数据和车身传感器获取的车身姿态数据；所述路面激励振动数据包括车轮垂直地面方向受地面激励的振动加速度数据；
步骤2：分别对两个车轮加速度传感器获取的路面激励振动数据进行特征提取，获得对应的路面激励数据特征值；
步骤3：根据获取的路面激励数据特征值识别出汽车左侧和右侧的路况；
步骤4：建立包含专家评价数据的专家系统，结合步骤3获取到的左侧和右侧的路况，获得对应路况下半主动悬架的车辆左侧减震器阻尼输出和车辆右侧减震器阻尼输出；
步骤5：根据车身传感器获取汽车的车身姿态数据，根据车身姿态数据计算得到阻尼力闭环修正值；使用阻尼力闭环修正值分别对车辆左侧减震器阻尼输出和车辆右侧减震器阻尼输出进行修正，得到最终的车辆左侧减震器阻尼输出和最终的车辆右侧减震器阻尼输出。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤1的具体操作为：
获取前左轮的车轮加速度传感器得到的车轮垂直地面方向受地面激励的振动加速度数据
；获取前右轮的车轮加速度传感器得到的车轮垂直地面方向受地面激励的振动加速度数据
；获取车身传感器得到的车身垂直于地面的振动数据
。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤2的具体操作为：
步骤2.1：对振动加速度数据
和振动加速度数据
分别维持滚动一段时间，计算出在不同频率f下对应的振动幅值A；
步骤2.2：将对应的频率f除以车辆的速度v作为路面距离的表征，并计算得到单位距离下振动幅值A的分布
；
步骤2.3：将单位距离下振动幅值A的分布
划分为按照频率区段划分为高中低三个频率范围段；并分别选取出三个频率范围段中对应的最大振幅作为特征值来对汽车左侧和右侧的路况进行判断；所述最大振幅包括高频率范围段的最大振幅
、中频率范围段的最大振幅
和低频率范围段的最大振幅
。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤3的具体操作为：
步骤3.1：设置不同的对比路况，将设置的对比路况在不同速度下进行标定，提取标定后的特征值得到特征值组合形成的标定路况数据库；
步骤3.2：将步骤2.2计算得到的单位距离下振动幅值A的分布
和三个最大振幅对应的特征值与标定路况数据库中的速度和特征值进行对比来获得汽车左侧和右侧的路况。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤4的具体操作为：
步骤4.1：针对汽车选择各种路况进行仿真、实车标定、经验分析，形成汽车在不同车速和不同路况下的最佳的阻尼力输出，并集成得到专家数据库；
步骤4.2：根据步骤3.2获取到的汽车左侧和右侧的路况，结合汽车的速度，对比专家数据库的数据，得到车辆左侧减震器阻尼输出和车辆右侧减震器阻尼输出。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤5的具体操作为：
步骤5.1：对获取的车身姿态数据进行车身振动及俯仰侧倾程度解算，得到阻尼力闭环修正值；
步骤5.2：使用阻尼力闭环修正值分别与步骤4.2计算得到的车辆左侧减震器阻尼输出和车辆右侧减震器阻尼输出相加，得到最终的车辆左侧减震器阻尼输出和最终的车辆右侧减震器阻尼输出。
一种基于路况识别的半主动悬架控制系统，包括数据采集模块、特征计算模块、阻尼值计算模块；
所述数据采集模块包括车轮加速度传感器、车身传感器；所述车轮加速度传感器设置两组，分别安装在汽车的前左轮和前右轮上，所述车身传感器安装在汽车的车身上；
所述特征计算模块包括阻尼力修正计算单元、特征提取单元、路况识别单元、专家数据库；
所述特征提取单元的输入端连接两个所述车轮加速度传感器，用于对车轮的加速度进行特征提取，特征提取单元的输出端与路况识别单元、专家数据库依次链路连接，并通过所述专家数据库与所述阻尼值计算模块连接；
所述阻尼力修正计算单元的输入端与所述车身传感器连接，基于车身传感器获得的车身姿态数据计算得到阻尼力闭环修正值，并将阻尼力闭环修正值发送到阻尼值计算模块；
所述阻尼值计算模块基于专家数据库内的数据和汽车左侧和右侧的路况对比得到车辆左侧减震器阻尼输出和车辆右侧减震器阻尼输出，并使用阻尼值修正计算单元发送的阻尼力闭环修正值对车辆左侧减震器阻尼输出和车辆右侧减震器阻尼输出进行修正。
本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：
（1）本发明的控制系统结构简单，仅需3个加速度传感器即可实现测量，这方便整车集成，同时具有更低的成本；
（2）本发明的控制方法通过模糊算法和专家系统实现对路况的识别以及基于路况的控制策略进行控制，避免了复制的动力学微分方程求解等，计算过程简单高效，对控制器的算力要求低。
（3）本发明的控制方法可实现车辆半主动减振器的自适应阻尼力控制，提升车辆的舒适和操稳性能。
附图说明
图1为本发明方法流程示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
本实施例提出了一种基于路况识别的半主动悬架控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：在汽车的前左轮和前右轮上分别设置对应的车轮加速度传感器，并在汽车车身上设置车身传感器；分别获取车轮加速度传感器得到的路面激励振动数据和车身传感器获取的车身姿态数据；所述路面激励振动数据包括车轮垂直地面方向受地面激励的振动加速度数据；
步骤2：分别对两个车轮加速度传感器获取的路面激励振动数据进行特征提取，获得对应的路面激励数据特征值；
步骤3：根据获取的路面激励数据特征值识别出汽车左侧和右侧的路况；
步骤4：建立包含专家评价数据的专家系统，结合步骤3获取到的左侧和右侧的路况，获得对应路况下半主动悬架的车辆左侧减震器阻尼输出和车辆右侧减震器阻尼输出；
步骤5：根据车身传感器获取汽车的车身姿态数据，根据车身姿态数据计算得到阻尼力闭环修正值；使用阻尼力闭环修正值分别对车辆左侧减震器阻尼输出和车辆右侧减震器阻尼输出进行修正，得到最终的车辆左侧减震器阻尼输出和最终的车辆右侧减震器阻尼输出。
工作原理：本发明能够根据路面激励振动与车身振动实时改变悬架系统阻尼，以实现车辆悬架系统在不同路况下输出合理的阻尼实现车辆的操稳和平顺性要求。而本发明仅需要两个车轮加速度传感器和1个车身传感器，整个数据检测结构大幅简化，而控制算法需要处理的数据也大幅减少，使整个系统简单化，成本降低。
实施例2：
本实施例在上述实施例1的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：获取前左轮的车轮加速度传感器得到的车轮垂直地面方向受地面激励的振动加速度数据
；获取前右轮的车轮加速度传感器得到的车轮垂直地面方向受地面激励的振动加速度数据
；获取车身传感器得到的车身垂直于地面的振动数据
。
步骤2：
步骤2.1：对振动加速度数据
和振动加速度数据
分别维持滚动一段时间，计算出在不同频率f下对应的振动幅值A；
步骤2.2：将对应的频率f除以车辆的速度v作为路面距离的表征，并计算得到单位距离下振动幅值A的分布
；
步骤2.3：将单位距离下振动幅值A的分布
划分为按照频率区段划分为高中低三个频率范围段；并分别选取出三个频率范围段中对应的最大振幅作为特征值来对汽车左侧和右侧的路况进行判断；所述最大振幅包括高频率范围段的最大振幅
、中频率范围段的最大振幅
和低频率范围段的最大振幅
。
步骤3：
步骤3.1：设置不同的对比路况，将设置的对比路况在不同速度下进行标定，提取标定后的特征值得到特征值组合形成的标定路况数据库；
步骤3.2：将步骤2.2计算得到的单位距离下振动幅值A的分布
和三个最大振幅对应的特征值与标定路况数据库中的速度和特征值进行对比来获得汽车左侧和右侧的路况。
步骤4：
步骤4.1：针对汽车选择各种路况进行仿真、实车标定、经验分析，形成汽车在不同车速和不同路况下的最佳的阻尼力输出，并集成得到专家数据库；
步骤4.2：根据步骤3.2获取到的汽车左侧和右侧的路况，结合汽车的速度，对比专家数据库的数据，得到车辆左侧减震器阻尼输出和车辆右侧减震器阻尼输出。
步骤5：
步骤5.1：对获取的车身姿态数据进行车身振动及俯仰侧倾程度解算，得到阻尼力闭环修正值；
步骤5.2：使用阻尼力闭环修正值分别与步骤4.2计算得到的车辆左侧减震器阻尼输出和车辆右侧减震器阻尼输出相加，得到最终的车辆左侧减震器阻尼输出和最终的车辆右侧减震器阻尼输出。
本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例在上述实施例1-2任一项的基础上，提出了一种基于路况识别的半主动悬架控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：分别检测车辆两个前轮的路面激励振动数据，检测车身的振动和姿态变化数据；
步骤2：对两个前轮的路面激励振动数据进行特征提取；
步骤3：根据振动数据的特征值分别识别出当前车辆左侧和右侧所处的路况；
步骤4：结合路况以及专家系统给出相应路况下半主动悬架的阻尼输出；
步骤5：根据车身的振动数据进行闭环修正控制。
上述方案中，针对上述步骤1，通过加速度传感器得到左右两个前轮垂直地面方向受地面激励的振动加速度数据
和
，通过传感器得到车身垂直于地面的振动
。
上述方案，针对上述步骤S2包括以下步骤：
步骤2.1：对于
和
分别滚动一段时间（约0.5到5s）计算出其不同频率
对应的振动幅值A；
步骤2.2、由于车辆受路面激励的频率除了和路面有关外，还和车辆速度v有关，为了消除车速影响，故对频率在除以速度作为路面距离的表征，可理解为单位距离的振动幅值分布情况，表示为：
；
步骤2.3、由于
在
轴上连续分布的，为量化提取其特征，故选择三个频率范围段选取最大的振幅分布作为特征值进行路况判断，如下表1，其中
，
：
表1
步骤2.4、选取若干个标准路况在不同速度下进行标定，提取其特征值可得到下面的特征值组合的标定路况数据库，如下表2：
表2
步骤3操作为：根据车速及对应的三个频段的特征值比对标定的路况数据库即可实现路况识别。其中对于数据库中典型路况的数据间的其他数据采用模糊控制进行匹配，其隶属度函数在各特征值之间成连续变化。
上述方案，针对上述步骤4包括以下步骤：
步骤4.1：为达到最佳舒适性，针对车辆选择若干路况进行仿真或实车标定或经验分析，形成车辆在不同车速和不同路况下最佳的阻尼力输出，形成如下表3的专家数据库：
表3
步骤4.2、根据车辆左右两侧分别所处的路况和车辆速度，比对专家数据库可以得到车辆左右两侧四个轮子所需的阻尼力输出
；
其中，
为左前轮减振器所需的阻尼力，
为右前轮减振器所需的阻尼力，
为左后轮减振器所需的阻尼力，
为右后轮减振器所需的阻尼力，在计算时间内可以认为车辆前后轮所处的路况是一样的，故有
，
。
上述方案，针对上述步骤5包括以下步骤：
步骤5.1、根据车身传感器得到车身垂直于地面的振动
计算阻尼力闭环修正值：
。其中
为
的正相关函数，当
越大，则阻尼力闭环修正值
越大。
步骤5.2、最终将阻尼力闭环修正值叠加到S42步骤中的阻尼力输出值中即可得到最终的阻尼力输出：
其中，
为左前轮减振器输出阻尼力，
为右前轮减振器输出阻尼力，
为左后轮减振器输出阻尼力，
为右后轮减振器输出阻尼力。
本实施例的其他部分与上述实施例1-2任一项相同，故不再赘述。
实施例4：
本实施例还提出了一种基于路况识别的半主动悬架控制系统，用于上述实施例1-3的一种基于路况识别的半主动悬架控制方法；所述系统包括数据采集模块、特征计算模块、阻尼值计算模块；
所述数据采集模块包括车轮加速度传感器、车身传感器；所述车轮加速度传感器设置两组，分别安装在汽车的前左轮和前右轮上，所述车身传感器安装在汽车的车身上；
所述特征计算模块包括阻尼力修正计算单元、特征提取单元、路况识别单元、专家数据库；
所述特征提取单元的输入端连接两个所述车轮加速度传感器，用于对车轮的加速度进行特征提取，特征提取单元的输出端与路况识别单元、专家数据库依次链路连接，并通过所述专家数据库与所述阻尼值计算模块连接；
所述阻尼力修正计算单元的输入端与所述车身传感器连接，基于车身传感器获得的车身姿态数据计算得到阻尼力闭环修正值，并将阻尼力闭环修正值发送到阻尼值计算模块；
所述阻尼值计算模块基于专家数据库内的数据和汽车左侧和右侧的路况对比得到车辆左侧减震器阻尼输出和车辆右侧减震器阻尼输出，并使用阻尼值修正计算单元发送的阻尼力闭环修正值对车辆左侧减震器阻尼输出和车辆右侧减震器阻尼输出进行修正。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于路况识别的半主动悬架控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在汽车的前左轮和前右轮上分别设置对应的车轮加速度传感器，并在汽车车身上设置车身传感器；分别获取车轮加速度传感器得到的路面激励振动数据和车身传感器获取的车身姿态数据；所述路面激励振动数据包括车轮垂直地面方向受地面激励的振动加速度数据；
步骤2：分别对两个车轮加速度传感器获取的路面激励振动数据进行特征提取，获得对应的路面激励数据特征值；
步骤3：根据获取的路面激励数据特征值识别出汽车左侧和右侧的路况；
步骤4：建立包含专家评价数据的专家系统，结合步骤3获取到的左侧和右侧的路况，获得对应路况下半主动悬架的车辆左侧减震器阻尼输出和车辆右侧减震器阻尼输出；
步骤5：根据车身传感器获取汽车的车身姿态数据，根据车身姿态数据计算得到阻尼力闭环修正值；使用阻尼力闭环修正值分别对车辆左侧减震器阻尼输出和车辆右侧减震器阻尼输出进行修正，得到最终的车辆左侧减震器阻尼输出和最终的车辆右侧减震器阻尼输出；
所述步骤1的具体操作为：
获取前左轮的车轮加速度传感器得到的车轮垂直地面方向受地面激励的振动加速度数据
；获取前右轮的车轮加速度传感器得到的车轮垂直地面方向受地面激励的振动加速度数据
；获取车身传感器得到的车身垂直于地面的振动数据
；
所述步骤2的具体操作为：
步骤2.1：对振动加速度数据
和振动加速度数据
分别维持滚动一段时间，计算出在不同频率f下对应的振动幅值A；
步骤2.2：将对应的频率f除以车辆的速度v作为路面距离的表征，并计算得到单位距离下振动幅值A的分布
；
步骤2.3：将单位距离下振动幅值A的分布
划分为按照频率区段划分为高中低三个频率范围段；并分别选取出三个频率范围段中对应的最大振幅作为特征值来对汽车左侧和右侧的路况进行判断；所述最大振幅包括高频率范围段的最大振幅
、中频率范围段的最大振幅
和低频率范围段的最大振幅
。
2.如权利要求1所述的一种基于路况识别的半主动悬架控制方法，其特征在于，所述步骤3的具体操作为：
步骤3.1：设置不同的对比路况，将设置的对比路况在不同速度下进行标定，提取标定后的特征值得到特征值组合形成的标定路况数据库；
步骤3.2：将步骤2.2计算得到的振动幅值A的分布
和三个最大振幅对应的特征值与标定路况数据库中的速度和特征值进行对比来获得汽车左侧和右侧的路况。
3.如权利要求2所述的一种基于路况识别的半主动悬架控制方法，其特征在于，所述步骤4的具体操作为：
步骤4.1：针对汽车选择各种路况进行仿真、实车标定、经验分析，形成汽车在不同车速和不同路况下的最佳的阻尼力输出，并集成得到专家数据库；
步骤4.2：根据步骤3.2获取到的汽车左侧和右侧的路况，结合汽车的速度，对比专家数据库的数据，得到车辆左侧减震器阻尼输出和车辆右侧减震器阻尼输出。
4.如权利要求3所述的一种基于路况识别的半主动悬架控制方法，其特征在于，所述步骤5的具体操作为：
步骤5.1：对获取的车身姿态数据进行车身振动及俯仰侧倾程度解算，得到阻尼力闭环修正值；
步骤5.2：使用阻尼力闭环修正值分别与步骤4.2计算得到的车辆左侧减震器阻尼输出和车辆右侧减震器阻尼输出相加，得到最终的车辆左侧减震器阻尼输出和最终的车辆右侧减震器阻尼输出。
5.一种基于路况识别的半主动悬架控制系统，其特征在于，包括数据采集模块、特征计算模块、阻尼值计算模块；
所述数据采集模块包括车轮加速度传感器、车身传感器；所述车轮加速度传感器设置两组，分别安装在汽车的前左轮和前右轮上，所述车身传感器安装在汽车的车身上；
所述特征计算模块包括阻尼力修正计算单元、特征提取单元、路况识别单元、专家数据库；
所述特征提取单元的输入端连接两个所述车轮加速度传感器，用于将按照频率区域划分为高中低三个频率分段的单位距离下车轮的加速度在不同频率下的振动幅值的最大振幅作为特征值进行特征提取，特征提取单元的输出端与路况识别单元、专家数据库依次链路连接，并通过所述专家数据库与所述阻尼值计算模块连接；
所述阻尼力修正计算单元的输入端与所述车身传感器连接，基于车身传感器获得的车身姿态数据计算得到阻尼力闭环修正值，并将阻尼力闭环修正值发送到阻尼值计算模块；
所述阻尼值计算模块基于专家数据库内的数据和汽车左侧和右侧的路况对比得到车辆左侧减震器阻尼输出和车辆右侧减震器阻尼输出，并使用阻尼值修正计算单元发送的阻尼力闭环修正值对车辆左侧减震器阻尼输出和车辆右侧减震器阻尼输出进行修正。
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