CN114801631B - 一种用于主动稳定杆系统的舒适性控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于主动稳定杆系统的舒适性控制方法，综合转向输入控制与路面输入控制来计算前后抗侧倾力矩分配，侧倾天棚控制在车身和惯性基准之间的侧倾方向上安装虚拟天棚阻尼器，隔离车身侧倾运动，采用道路输入算法来减少由道路激励引起的瞬时侧倾运动，并且通常使用转向输入算法来控制由转向引起的稳态侧倾角。本发明用于主动稳定杆系统的舒适性控制方法，采用侧倾天棚阻尼控制方法，针对车辆在侧倾摆动时产生侧倾角速度引起的头部甩头的行驶舒适性研究，结合天棚控制理论开发了侧倾天棚阻尼控制原理，通过主动横向稳定杆输入辅助侧倾力矩，减小因路面激励输入引起的车辆侧倾角速度，降低车辆驾乘人员的颠簸感和头部晃动，增强乘坐舒适性。
Description
技术领域
本发明属于汽车智能辅助驾驶技术领域，具体涉及一种用于主动稳定杆系统的舒适性控制方法。
背景技术
汽车的舒适性是现代高速车辆的主要性能之一。车辆在行驶过程中，常因路面不平而引起强烈的车身振动，对乘坐者产生不利的影响，振动使车辆产生动载荷，加速零件磨损，使某些部件早期疲劳失效。汽车在行驶过程中，当路面激励在左右车轮上的输入相同时，车身将不会发生侧倾响应。然而，当路面激励在左右车轮上的输入不同时，将会引起车身的侧倾响应，进而影响乘员的乘坐舒适性。
主动横向稳定杆控制系统平顺性控制算法主要采用侧倾天棚阻尼控制方法，天棚理论已普遍应用于悬架领域和控制器设计中，天棚阻尼原理是一种基于惯性阻尼器的控制方法，是状态反馈控制的一种特殊情况，在车身和惯性基准之间的侧倾方向上安装虚拟天棚阻尼器，隔离车身侧倾运动。
目前的舒适性控制相关现有技术中多以描述对主动悬架和半主动悬架在垂向路面激励下的行驶舒适性等，均不存在应用于主动稳定杆的车辆平顺性算法的描述。现有技术公开了一种车辆舒适性和操稳性的控制方法，进行舒适性控制时，根据所述垂向加速度、侧倾角和俯仰角计算每一悬架的第一期望附加垂向力，并控制每一悬架输出所述第一期望附加垂向力。现有技术还公开了一种新型磁流变减震器及车辆平顺性控制方法。
车辆在侧倾摆动时产生侧倾角速度会引起头部甩头(head toss)，而上述控制方法关于舒适性控制研究主要是对主动悬架和半主动悬架在垂向路面激励下的行驶舒适性，并不适用于车身侧倾摆动时的行驶舒适性的控制。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种用于主动稳定杆系统的舒适性控制方法，以解决减小因路面激励或转向输入引起的车辆侧倾角速度，增强乘坐平顺性的问题。通过控制车辆侧倾角速度，来达到减小因路面激励或转向输入引起的车辆侧倾角速度的控制目的，从而增强乘坐平顺性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于主动稳定杆系统的舒适性控制方法，能够综合转向输入控制与路面输入控制来计算前后抗侧倾力矩分配，包括以下步骤：
A、在车身和惯性基准之间的侧倾方向上安装虚拟天棚阻尼器，通过惯性阻尼器隔离车身侧倾运动；
B、采用转向输入控制算法来控制由转向引起的稳态侧倾角；
C、采用道路输入算法来减少由道路激励引起的瞬时侧倾运动；
D、通过分别将转向输入控制MstrF，MstrR和道路输入控制MroadF，MroadR的抗侧倾力矩相加来计算目标抗侧倾力矩MtgtF和MtgtR，进而得出主动稳定杆系统FstbF，FstbR的控制力；
E、将转向输入引起的稳态侧倾角信号，路面干扰引起的侧倾角速度信号，转向输入控制与路面输入控制计算出的目标抗侧倾力矩信号，输入到虚拟天棚阻尼器，输出控制衰减后的侧倾角速度。
进一步地，步骤B，具体为：由公式(1)计算转向引起的侧倾力矩：
(Kθf+Kθr)θ＝Mbhsay+Mbghsθ-(MstrF+MstrR) (式1)
式中Kθf、Kθr是前、后侧倾刚度；θ为车身侧倾角；Mb为簧上质量；hs为簧载质心到侧倾轴线距离；ay为侧向加速度；g为重力加速度；MStrF和MsrrR为前后悬架的抗侧倾系数。
更进一步地，所述前、后侧倾刚度由公式(2)和公式(3)计算：
Kθf＝((KsFr/2)+KstbFr)(KwFr/2)/(KsFr/2)+KstbFr+(KwFr/2)×T2 (式2)
Kθr＝((KsRr/2)+KstbRr)(KwRr/2)/(KsRr/2)+KstbRr+(KwRr/2)×T2 (式3)
式中KsFr，KsRr为前后悬架的刚度；KstbFr，KstbRr是前后稳定杆刚度；KwFr，KwRr是前后轮胎的垂向刚度。
更进一步地，根据前、后悬架分配侧倾刚度系数Rstr：
Rstr＝(Kθfθ+MstrF)/[(Kθf+Kθr)×θ+MstrF+MstrR] (式4)
更进一步地，所述前、后悬架的抗侧倾系数由公式(5)和公式(6)计算：
MstrF＝(Mbhsay+Mbghsθ)×Rstr-Kθfθ (式5)
MstrR＝(Mbhsay+Mbghsθ)×(1-Rstr)-Kθrθ (式6)
进一步地，步骤C，具体包括以下步骤：
C1、在反向道路输入上，路面凸起一侧车轮产生压缩悬架的压缩力，而在相反侧产牛拉伸悬架的拉伸力；
C2、使用主动稳定杆吸收来自道路激励的能量；
C3、由侧倾天棚阻尼系数和侧倾角速度计算出所需的抗侧倾力矩Mroad；
C4、根据分布路面侧倾力矩分配系数Rroad分配前/后侧倾力矩。
更进一步地，步骤C4，取Rroad＝Rstr，侧倾天棚阻尼系数Crsh和前稳定杆力矩分配比Rroad为标定量。
更进一步地，步骤C4，采用公式(7)-公式(9)计算：
MroadF＝Rrroad·MRoad (式8)
MroadR＝(1-Rroad)·Mroad (式9)。
进一步地，步骤D，目标抗侧倾力矩MtgtF和MtgtR的计算公式为：
MtgtF＝MstrF+MroadF (式10)
MtgtR＝MstrR+MroadR (式11)。
更进一步地，主动稳定杆系统FstbF，FstbR的控制力从公式(12)和公式(13)导出，其中T为轮距；
FstbF＝MtgtF/T (式12)
FstbR＝MtgtR/T (式13)。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明结合天棚控制理论开发了侧倾天棚阻尼控制原理提供了一种用于主动稳定杆系统的舒适性控制方法；用于主动稳定杆系统的舒适性控制方法，主要采用侧倾天棚阻尼控制方法，针对车辆在侧倾摆动时产生侧倾角速度引起的头部甩头的行驶舒适性研究，结合天棚控制理论开发了侧倾天棚阻尼控制原理，通过主动横向稳定杆输入辅助侧倾力矩，减小因路面激励输入引起的车辆侧倾角速度，降低车辆驾乘人员的颠簸感和头部晃动，增强乘坐舒适性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为天棚阻尼控制模型示意图；
图2为平顺性功能逻辑框图；
图3为车辆侧倾天棚理论示意图；
图4为侧倾天棚控制系统示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
本发明针对车辆在侧倾摆动时产生侧倾角速度引起的头部甩头的行驶舒适性研究，结合天棚控制理论开发了侧倾天棚阻尼控制原理，减小因路面激励输入引起的车辆侧倾角速度，增强乘坐舒适性。主动横向稳定杆控制系统舒适性控制算法主要采用侧倾天棚阻尼控制方法。
天棚阻尼控制算法由美国学者D.Karnopp在1973年最先提出，最早是为了解决被动悬架参数在优化后仍然不能适应外界干扰的问题，天棚阻尼控制算法被广泛应用于汽车主动悬架和半主动悬架的控制中。在汽车控制中，天棚阻尼原理是一种基于惯性阻尼器的控制方法，是状态反馈控制的一种特殊情况。
如图1所示，天棚阻尼控制模型中，天棚阻尼减振器的一端与控制对象相连，减振器的另一端与虚拟的惯性参考空间相连。天棚阻尼控制算法不需要过多考虑被研究模型的复杂程度，其既可以适用于线性系统，又可以适用于高阶非线性系统，并且均能够取得较好的控制效果。
在实际应用中，天棚阻尼控制算法因为所需要的整车参数较少，相比其他控制算法需要的传感器数量较少，因此，天棚阻尼控制算法的控制成本较其他半主动控制算法较低。
本发明用于主动稳定杆系统的舒适性控制方法，综合转向输入控制与路面输入控制来计算前后抗侧倾力矩分配。包括以下步骤：
1、侧倾天棚阻尼控制原理是在车身和惯性基准之间的侧倾方向上安装虚拟天棚阻尼器，通过惯性阻尼器隔离车身侧倾运动，目的是减小因路面激励输入引起的车辆侧倾角速度，增强舒适性。如图3所示。
2、采用转向输入算法来控制由转向引起的稳态侧倾角，转向输入控制算法计算方法如下：
转向引起的侧倾力矩计算公式如下：
(Kef+Kθr)θ＝Mbhsay+Mbghsθ-(MstrF+MstrR) (式1)
式中Kθf、Kθr是前、后侧倾刚度；θ为车身侧倾角；Mb为簧上质量；hs为簧载质心到侧倾轴线距离；ay为侧向加速度；g为重力加速度；
前、后侧倾刚度计算公式：
Kθf＝((KsFr/2)+KstbFr)(KwFr/2)/(KsFr/2)+KstbFr+(KwFr/2)×T2 (式2)
Kθr＝((KsRr/2)+KstbRr)(KwRr/2)/(KsRr/2)+KstbRr+(KwRr/2)×T2 (式3)
式中KsFr，KsRr为前后悬架的刚度；KstbFr，KstbRr是前后稳定杆刚度；KwFr，KwRr是前后轮胎的垂向刚度。
根据前后悬架分配侧倾刚度系数Rstr：
Rstr＝(Kθfθ+MstrF)/[(Kθf+Kθr)×θ+MstrF+MstrR] (式4)
整理可以获得计算前后悬架的抗侧倾系数如下：
MstrF＝(Mbhsay+Mbghsθ)×Rstr-Kθfθ (式5)
MstrR＝(Mbhsay+Mbghsθ)×(1-Rstr)-Kθrθ (式6)
3、采用道路输入算法来减少由道路激励引起的瞬时侧倾运动，路面输入控制算法计算方法如下：
作为道路输入控制操作的结果，在反向道路输入上，路面凸起一侧车轮产生压缩悬架的压缩力，而在相反侧产生拉伸悬架的拉伸力。
使用主动稳定杆吸收来自道路激励的能量。
由侧倾天棚阻尼系数和侧倾角速度计算出所需的抗侧倾力矩Mroad。
根据分布路面侧倾力矩分配系数Rroad(取Rroad＝Rstr)分配前/后侧倾力矩，计算公式如下(侧倾天棚阻尼系数Crsh和前稳定杆力矩分配比Rroad为标定量)：
MroadF＝Rroad·MRoad (式8)
MroodR＝(1-Rroad)·Mroad (式9)
4、通过分别将转向输入控制MstrF，MstrR和道路输入控制MroadF，MroadR的抗侧倾力矩相加来计算目标抗侧倾力矩MtgtF和MtgtR。
MtgtF＝MstrF+MroadF (式10)
MtgtR＝MstrR+MroadR (式11)
主动稳定杆系统FstbF，FstbR的控制力可从公式12和13导出，其中T为轮距。
FstbF＝MtgtF/T (式12)
FstbR＝MtgtR/T (式13)
5、如图4所示，将转向输入引起的稳态侧倾角信号，路面干扰引起的侧倾角速度信号，转向输入控制与路面输入控制计算出的目标抗侧倾力矩信号，输入到虚拟天棚阻尼器，输出控制衰减后的侧倾角速度，最终达到减小因路面激励输入引起的车辆侧倾角速度的目的，增强舒适性。
本发明基于主动横向稳定杆控制系统的舒适性控制是针对车身侧倾摆动时的行驶舒适性研究，车辆在侧倾摆动时产生侧倾角速度引起的头部甩头(head toss)，通过主动横向稳定杆输入辅助侧倾力矩，减小车辆驾乘人员的颠簸感，降低头部晃动，使簧上部分更加的平稳，提高平顺性。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (6)
1.一种用于主动稳定杆系统的舒适性控制方法，其特征在于，能够综合转向输入控制与路面输入控制来计算前后抗侧倾力矩分配，包括以下步骤：
A、在车身和惯性基准之间的侧倾方向上安装虚拟天棚阻尼器，通过惯性阻尼器隔离车身侧倾运动；
B、采用转向输入控制算法来控制由转向引起的稳态侧倾角；
C、采用道路输入算法来减少由道路激励引起的瞬时侧倾运动；
D、通过分别将转向输入控制的抗侧倾系数MstrF，MstrR和道路输入控制的抗侧倾力矩MroadF，MroadR相加来计算目标抗侧倾力矩MtgtF和MtgtR，进而得出主动稳定杆系统的控制力FstbF，FstbR；
E、将转向输入引起的稳态侧倾角信号，路面干扰引起的侧倾角速度信号，转向输入控制与路面输入控制计算出的目标抗侧倾力矩信号，输入到虚拟天棚阻尼器，输出控制衰减后的侧倾角速度；
步骤B，具体为：由公式(1)计算转向引起的侧倾力矩：
(Kθf+Kθr)θ＝Mbhsay+Mbghsθ-(MstrF+MstrR) (式1)
式中Kθf、Kθr是前、后侧倾刚度；θ为车身侧倾角；Mb为簧上质量；hs为簧载质心到侧倾轴线距离；ay为侧向加速度；g为重力加速度；MStrF和MsrrR为前后悬架的抗侧倾系数；
步骤C，具体包括以下步骤：
C1、在反向道路输入上，路面凸起一侧车轮产生压缩悬架的压缩力，而在相反侧产生拉伸悬架的拉伸力；
C2、使用主动稳定杆吸收来自道路激励的能量；
C3、由侧倾天棚阻尼系数和侧倾角速度计算出所需的抗侧倾力矩Mroad；
C4、根据分布路面侧倾力矩分配系数Rroad分配前/后侧倾力矩；
步骤C4，取Rroad＝Rstr，侧倾天棚阻尼系数Crsh和前稳定杆力矩分配比Rroad为标定量；采用公式(7)-公式(9)计算：
MroadF＝Rroad-MRoad (式8)
MroadR＝(1-Rroad)·Mroad (式9)。
2.根据权利要求1所述的一种用于主动稳定杆系统的舒适性控制方法，其特征在于，所述前、后侧倾刚度由公式(2)和公式(3)计算：
Kθf＝((KsFr/2)+KstbFr)(KwFr/2)(KsFr/2)+KstbFr+(KwFr/2)×T2 (式2)
Kθr＝((KsRr/2)+KstbRr)(KwRr/2)/(KsRr/2)+KstbRr+(KwRr/2)×T2 (式3)
式中KsFr，KsRr为前后悬架的刚度；KstbFr，KstbRr是前后稳定杆刚度；KwFr，KwRr是前后轮胎的垂向刚度。
3.根据权利要求2所述的一种用于主动稳定杆系统的舒适性控制方法，其特征在于：根据前、后悬架分配侧倾刚度系数Rstr：
Rstr＝(Kθfθ+MstrF)/[(Kθf+Kθr)×θ+MstrF+MstrR] (式4)。
4.根据权利要求3所述的一种用于主动稳定杆系统的舒适性控制方法，其特征在于，所述前、后悬架的抗侧倾系数由公式(5)和公式(6)计算：
MstrF＝(Mbhsay+Mbghsθ)×Rstr-Kefθ (式5)
MstrR＝(Mbhsay+Mbghsθ)×(1-Rstr)-Kθrθ (式6)。
5.根据权利要求1所述的一种用于主动稳定杆系统的舒适性控制方法，其特征在于，步骤D，目标抗侧倾力矩MtgtF和MtgtR的计算公式为：
MtgtF＝MstrF+MroadF (式10)
MtgtR＝MstrR+MroadR (式11)。
6.根据权利要求5所述的一种用于主动稳定杆系统的舒适性控制方法，其特征在于：主动稳定杆系统的控制力FstbF，FstbR从公式(12)和公式(13)导出，其中T为轮距；
FstbF＝MtgtF/T (式12)
FstbR＝MtgtR/T (式13)。
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