CN115023355A - 车辆系统的前瞻控制 - Google Patents

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Abstract

提供了用于对系统的部件进行前瞻控制的方法。系统可以包括车辆，并且部件可以包括车辆的悬架。根据各个方面，方法可以包括：获得关于沿着系统将在未来时间处行驶的行驶路径的行驶表面的信息；以及基于关于行驶表面的信息，控制系统的部件经过行驶表面。基于关于行驶表面的信息来控制部件可以包括：将关于行驶表面的信息与关于系统的至少一个物理约束的信息进行比较；以及/或者将关于行驶表面的信息的频率内容与阈值频率进行比较。前瞻控制方法可以提供对干扰的改进的响应以及改进的跟踪和隔离，因为可以以减小的或基本上为零的延迟来控制悬架。

Description

车辆系统的前瞻控制
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年12月30日提交的标题为“PROACTIVE CONTROL OF VEHICLESYSTEMS”的美国临时申请序列号62/954,982的优先权，该申请通过引用整体并入本文。
背景技术
诸如车辆的系统可以具有悬架，悬架提供对从系统在其上行驶的行驶表面到系统的输入的响应。例如，来自行驶表面的输入可以是道路上的隆起。常规系统可以具有当来自行驶表面的输入被输入时对所述输入做出反应的被动或主动悬架。
发明内容
根据本公开内容的方面，提供了一种方法，该方法包括：获得关于沿着系统将在未来时间处行驶的行驶路径的行驶表面的信息；以及基于关于行驶表面的信息，控制系统的至少一个部件经过行驶表面。基于关于行驶表面的信息来控制至少一个部件包括：将关于行驶表面的信息与关于系统的至少一个物理约束的信息进行比较；以及基于与比较的结果相关的至少一个设定点来控制系统的至少一个部件。
在一些实施方式中，基于与将关于行驶表面的信息与关于系统的至少一个物理约束的信息进行比较的结果相关的至少一个设定点来控制系统的至少一个部件包括：当与关于行驶表面的信息相关联的第一量值小于阈值量值时，应用具有第一滤波频率的第一滤波器；以及当与关于行驶表面的信息相关联的第二量值大于阈值量值时，应用具有第二滤波频率的第二滤波器，第二滤波频率大于第一滤波频率。
在一些实施方式中，系统是汽车，并且控制系统的至少一个部件经过行驶表面包括：控制汽车的至少一个部件经过行驶表面。
在一些实施方式中，至少一个部件包括汽车的悬架；并且系统的至少一个物理约束包括悬架的行驶限制。
在一些实施方式中，基于关于行驶表面的信息来控制至少一个部件还包括：基于关于行驶表面的信息，确定当系统经过行驶表面时响应于检测到行驶表面的系统的传感器的预期信号；以及当系统在未来时间处经过行驶表面时，基于当系统经过行驶表面时响应于检测到行驶表面的传感器的预期信号以及传感器输出的信号，附加地控制系统的至少一个部件。
在一些实施方式中，该方法还包括：在获得之前的时间处，捕捉关于沿着行驶路径的行驶表面的信息。
在一些实施方式中，关于行驶表面的沿着行驶路径的信息包括道路表面的地形。
在一些实施方式中，基于关于行驶表面的信息来控制至少一个部件还包括：对关于行驶表面的沿着行驶路径的信息应用零相位滤波器。
在一些实施方式中，基于至少一个设定点来控制系统的至少一个部件包括：基于至少一个频率、增益或校准因子来控制系统的至少一个部件。
根据本公开内容的方面，提供了其上编码有可执行指令的至少一个计算机可读存储介质，该可执行指令当由至少一个控制器执行时使至少一个控制器执行前述实施方式中的任一项或任何组合所述的方法。
根据本公开内容的方面，提供了系统，该系统包括至少一个控制器。该至少一个控制器被配置成执行方法，该方法包括：获得关于沿着系统将在未来时间处行驶的行驶路径的行驶表面的信息；以及基于关于行驶表面的信息，控制系统的至少一个部件经过行驶表面。基于关于行驶表面的信息来控制至少一个部件包括：将关于行驶系统的信息与关于系统的至少一个物理约束的信息进行比较；以及基于与比较的结果相关的至少一个设定点来控制系统的至少一个部件。
在一些实施方式中，将关于行驶表面的信息与关于系统的至少一个物理约束的信息进行比较包括：当与关于行驶表面的信息相关联的第一量值小于阈值量值时，应用具有第一滤波频率的第一滤波器；以及当与关于行驶表面的信息相关联的第二量值大于阈值量值时，应用具有第二滤波频率的第二滤波器，第二滤波频率大于第一滤波频率。
在一些实施方式中，系统是汽车，并且控制系统的至少一个部件经过行驶表面包括：控制汽车的至少一个部件经过行驶表面。
在一些实施方式中，至少一个部件包括汽车的悬架；并且系统的至少一个物理约束包括悬架的行驶限制。
在一些实施方式中，基于关于行驶表面的信息来控制至少一个部件还包括：对关于沿着行驶路径的行驶表面的信息应用零相位滤波器。
根据本公开内容的方面，提供了一种方法，该方法包括：获得关于沿着系统将在未来时间处行驶的行驶路径的行驶表面的信息，以及基于关于行驶表面的信息，控制系统的至少一个部件经过行驶表面。基于关于行驶表面的信息来控制至少一个部件包括：将关于行驶表面的信息的频率内容与阈值频率进行比较；以及基于比较的结果来控制系统的至少一个部件。
在一些实施方式中，基于关于行驶表面的信息来控制至少一个部件还包括：当频率内容低于阈值频率时，控制系统的至少一个部件跟踪频率内容，以及当频率内容高于阈值频率时，控制系统的至少一个部件隔离频率内容。
在一些实施方式中，系统是汽车，并且控制系统的至少一个部件经过行驶表面包括：控制汽车的至少一个部件经过行驶表面。
在一些实施方式中，至少一个部件包括汽车的悬架。
在一些实施方式中，该方法还包括：在过去时间处，捕捉关于沿着行驶路径的行驶表面的信息。
在一些实施方式中，关于行驶表面的沿着行驶路径的信息包括道路表面的地形。
在一些实施方式中，基于关于行驶表面的信息来控制至少一个部件还包括：对关于沿着行驶路径的行驶表面的信息应用零相位滤波器。
附图说明
图1A是车辆的一个实施方式的示意图；
图1B是配置成控制车辆的一个或更多个主动和/或半主动系统的处理器的一个实施方式的示意图；
图2是与车辆系统的前瞻(proactive)控制相关的方法的一个实施方式的流程图；
图3是与基于关于行驶表面的信息来控制系统的至少一个部件相关的方法的一个实施方式的流程图；
图4是与基于关于行驶表面的信息来控制系统的至少一个部件相关的方法的一个实施方式的流程图；
图5是与将关于行驶表面的信息与关于系统的至少一个物理约束的信息进行比较的方法的一个实施方式的流程图；
图6是与基于关于行驶表面的信息来控制系统的至少一个部件相关的方法的一个实施方式的流程图；
图7示出了四分之一汽车模型的阶跃响应的一个实施方式；
图8示出了反馈控制回路的一个实施方式；
图9示出了零相位滤波的效果的一个实施方式；
图10示出了轨迹规划示意图的一个实施方式；
图11示出了在较低和较高频率下的零相位滤波的一个实施方式；
图12示出了时变滤波器的效果的一个实施方式；
图13示出了反馈回路中的前瞻控制块的布局的一个实施方式；
图14示出了前瞻控制计算块的内容的一个实施方式；
图15示出了四分之一汽车模型的一个实施方式；
图16示出了跟踪和隔离滤波器及其组合的一个实施方式；
图17示出了降低性能跟踪和隔离及其组合的一个实施方式；
图18示出了前瞻控制命令计算的细节的一个实施方式；
图19示出了启用和未启用前瞻控制的本体加速度比率的一个实施方式；
图20示出了启用和未启用前瞻控制的悬架位置比率的一个实施方式；
图21示出了车辆悬架控制架构的一个实施方式；以及
图22示出了具有前瞻控制集成的控制架构的一个实施方式。
具体实施方式
根据本公开内容的各个方面，提供了用于对系统的一个或更多个部件进行前瞻控制的方法。在一些实施方式中，系统包括车辆并且部件包括车辆的部件，例如车辆的悬架或下面讨论的车辆部件的其他示例。在一些实施方式中，该方法可以包括：获得与系统要行驶的行驶路径的行驶表面相关的先验信息，以及使用与行驶表面相关的先验信息来控制系统的部件。
根据本公开内容的各个方面，基于与行驶表面相关的先验信息来控制部件可以包括：将与行驶表面相关的先验信息与和系统的一个或更多个物理约束相关的信息进行比较，以及基于与比较的结果相关的设定点来控制部件。在一些实施方式中，这样的设定点可以是频率、增益或校准因子。
系统的物理约束可以是系统的要被控制的部件的物理约束。例如，在要控制的部件是车辆的悬架的情况下，系统的物理约束可以是悬架的行驶限制。悬架的行驶限制可以是悬架能够在其最压缩位置与最展开位置之间行驶的竖直距离。与行驶表面相关的先验信息可以包括与行驶表面的地形相关的信息，例如行驶表面的粗糙度特性，包括行驶表面的凸和/或凹特征。在行驶表面是车辆正在或将要在其上行驶的道路表面(例如，柏油路、土路或其他道路)的情况下，行驶表面的凸和/或凹特征可以包括凹陷、隆起、坑洼或与道路特征相关的其他信息，这些信息可能引起道路表面在某一点的竖直位置高于或低于道路表面在沿着道路表面的前面和/或后面的点处的平均竖直位置(例如，平均超过三英尺、五英尺、十英尺、二十英尺或其他合适的距离)。根据本文描述的技术，可以将关于行驶表面的这种地形的先验信息(例如行驶表面的竖直特征)与诸如悬架的行驶限制之类的物理约束进行比较以确定如何操作诸如悬架之类的部件。
如上所述并且如下文详细描述的，基于先验信息来控制系统的部件可以包括：基于将关于行驶表面的信息与关于系统的物理约束(例如要控制的系统部件的物理约束)的信息进行比较的结果相关的设定点来控制部件。在一些实施方式中，这样的比较可以包括：将关于行驶表面的信息与和物理约束相关的一个或更多个阈值进行比较，以及基于结果来识别设定点。在包括以下描述的示例的一些实施方式中，该设定点可以是频率设定点。下面描述了使用该频率的方式的示例。作为一个示例，当与行驶表面相关的信息的第一量值小于阈值量值时，可以应用具有第一频率的滤波器，并且当与行驶表面相关的信息的第二量值大于阈值量值时，可以应用具有第二频率的滤波器。第二频率可以大于第一频率。在某些情况下，可以将具有所识别的频率的滤波器应用于与行驶表面相关的至少一些信息，并且滤波的结果可以用于控制部件。
通过使用关于行驶表面的先验信息对一个或更多个部件进行前瞻控制，系统可以能够增加对与部件的操作或系统行驶相关的一个或更多个目标的遵从性或更好地实现一个或更多个目标。例如，在要控制的部件是悬架的情况下，与悬架或车辆的操作相关的目标可以是限制车辆乘员所感知的本体的竖直、侧倾或俯仰运动的数目和/或量值(和/或其他合适的特性)。因此，在基于将具有不同频率的滤波器应用于关于行驶表面的信息来控制悬架的一些实施方式中，当在较小干扰下行驶时，悬架可以为车辆乘客提供改进的舒适度，同时确保不超过在较大干扰下行驶时悬架的行驶限制。
在某些情况下，前瞻控制器可能是有利的，因为使用相关行驶表面的预先信息可以允许部件以在系统到达行驶表面的特定特征(例如，道路的坑洼)之前或者在使用一个或更多个传感器或系统的其他检测部件检测特定特征之前考虑行驶表面状况的方式进行操作。这可以提供对这种干扰的改进的响应，因为与仅响应于到达或检测到干扰而控制部件的反应系统相比，系统的部件可以以减小的或基本上为零的延迟来控制。
根据本公开内容的一些方面，基于与行驶表面相关的先验信息来控制部件可以包括：将与行驶表面相关的先验信息的频率内容与阈值频率进行比较，并且基于比较的结果来控制部件。
例如，当关于行驶表面的信息的第一频率范围内的内容低于阈值频率时，可以控制该部件跟踪行驶表面，并且当该第一频率范围内的内容高于阈值频率时，可以控制该部件以通过以补偿特征的方式操作一个或更多个部件来隔离由内容信息指示的行驶表面特征。
在某些情况下，跟踪行驶表面的低频输入可以为车辆驾驶员提供车辆处于控制状态的改进的感知。在某些情况下，隔离行驶表面的高频输入可以为车辆乘客提供更好的舒适度。前瞻控制器可以提供改进的跟踪和隔离，因为可以以减小的或基本上为零的延迟来控制悬架。
根据一些实施方式，控制器可以通过使用零相位滤波器来提供减小的或基本上为零的延迟，以提供对干扰的改进的响应或提供改进的跟踪和隔离。零相位滤波器可以利用行驶表面的先验知识。在一些实施方式中，可以在行驶表面的先前旅行期间收集行驶表面的先验知识。
诸如道路车辆之类的系统可以包括控制器，控制器控制系统对行驶表面输入的响应的多个方面。行驶表面可以包括系统沿着行驶路径的表面，例如道路或工厂地板。控制器的性能可能会受到其响应时间的限制，因为常规控制器在感测到环境输入(例如，道路输入，如道路引起的干扰和/或车辆动力学)之后才响应于这些环境输入，然后才以特性响应系统响应时间进行响应。响应式控制可能导致性能不佳。发明人已认识到，这种性能可能无法通过常规方式得到改进。
发明人还认识到，诸如道路的行驶表面的先验知识可以用于改进车辆的一个或更多个系统的性能。例如，行驶表面的先验知识可以包括关于沿着系统尚未行驶并且将在未来时间处行驶的行驶路径的行驶表面的一部分的信息，并且该信息由系统在该未来时间之前获得。未来时间可以是当前时间之后的持续时间，例如当前时间之后一秒、当前时间之后三秒、当前时间之后五秒、当前时间之后十秒、当前时间之后二十秒或者当前时间之后的其他时间量。未来时间可以附加地或可替选地是在未来某个设定时间量之后开始(而不是从当前时间开始)的持续时间，其中持续时间开始的未来时间量可以是一秒未来、未来三秒、未来五秒、未来十秒、未来二十秒或其他时间量。在一些实施方式中，持续时间和/或开始时间可以基于系统的运行而变化，例如基于系统的运行速度而变化。在一些实施方式中，行驶表面的先验知识可以包括关于在车辆的运动方向上车辆前轮前面的行驶表面的一部分的信息。
关于行驶表面的先验信息可以由系统从关于行驶表面的信息的一个或更多个数据存储中获得。在一些实施方式中，作为非限制性示例，存储在数据存储中的先验信息可以基于来自众包道路绘制系统的数据和/或来自以下的数据：摄像装置或其他视觉传感器、基于干扰的传感器，例如激光、Lidar、探地雷达、回声定位或此类传感器或技术的任何组合。系统前方的行驶表面可以从先前的绘制获知，例如在系统的先前旅行期间或其他类似系统的先前旅行期间，使用卫星图像，或使用行驶表面扫描工具。发明人已认识到，当系统前面的行驶表面的方面是已知的，并且当系统可以定位在行驶表面上时，可以改进受控系统的性能例如系统的反馈控制器。
可以使用本文描述的技术基于对行驶系统的预先知识来控制各种类型的部件。在一些实施方式中，作为非限制性示例，受控系统的部件可以包括以下中的一个或更多个：主动和半主动车辆和/或座椅悬架系统；驾驶室悬架；例如救护车或卧铺床或有效载荷存储系统的有效载荷悬架系统；防抱死制动器；稳定性控制；以及自主驾驶系统，例如转向系统、车道保持系统和主动制动系统。
在一些实施方式中，经过行驶表面(例如，道路表面或轨道)的系统可以是轮式车辆(例如，客车或厢式货车、诸如自卸卡车之类的多用途车辆、拖拉机或推土机)、履带式车辆(例如，坦克或推土机)或轨道车辆。应当理解，实施方式不限于使用遵循行驶路径的特定形式的系统或者当系统是车辆时使用特定类型的车辆来操作。根据本公开内容的一些方面，所描述的系统可以在自动化和机器人环境中使用，其中自主或半自主系统重复地经过区域的部分。例如，所描述的系统可以与仓库或制造设施中的自动化机器人一起使用，或者与从一个地方移动到另一个地方的工业机器人一起使用。
在下文描述的一些示例中，为了便于描述，系统被描述为车辆，行驶表面是车辆将在其上行驶的道路表面，并且要基于关于行驶表面的预先信息来控制的部件是车辆的悬架。然而，应当理解，实施方式不限于使用这些特定示例进行操作。
图1A描绘了经过行驶表面102的系统100，该行驶表面102可以包括沿着其长度的一个或更多个行驶表面特征。在一些实施方式中，系统100可以包括车辆，例如汽车。如上所述，行驶表面特征可以包括与行驶表面的地形相关的特征，例如行驶表面的凸和/或凹特征或者导致行驶表面在某一点处的竖直位置高于或低于行驶表面的沿着道路表面的前面和/或后面点处的平均竖直位置(例如，平均超过三英尺、五英尺、十英尺、二十英尺或其他合适的距离)的其他特征。在一些实施方式中，行驶表面102可以包括道路(例如由泥土、沥青或其他合适的道路材料制成的道路)的道路表面。在行驶表面是道路表面的情况下，行驶表面特征可以包括凹陷、隆起、坑洼或其他道路表面特性，例如粗糙度特性。
系统100可以包括各种传感器和控制系统，如图1B所示。如图1B所示，系统可以包括一个或更多个处理器，例如所示的处理器150。处理器150可操作地与定位系统152、一个或更多个输入154、一个或更多个主动和/或半主动系统156、非瞬态处理器可读存储器158或无线通信系统160耦接。
根据各种实施方式，处理器150可以是系统的中央处理器、与特定主动和/或半主动系统相关联的一个或更多个处理器、前述的组合和/或任何其他合适的处理器，因为本公开内容不限于用于执行所公开的方法的处理器所位于的位置。
在一些实施方式中，定位系统152可以包括GPS系统、基于地形的定位系统和/或能够向处理器150提供车辆在道路表面上的位置的任何其他合适的定位系统。
在一些实施方式中，向处理器150的输入154可以包括传感器输入和/或来自车辆的各种系统的输入，所述系统可以包括车辆的测速仪输出、速度传感器、轴编码器、转向输入、制动输入和/或来自车辆中包括的传感器或系统的任何其他适当类型的输入。
在诸如缓冲道路图的信息被传送到车辆的实施方式中，无线通信系统160可以在处理器150与一个或更多个远程数据库和/或服务器之间传输信息。
与一个或更多个处理器相关联的存储器158可以包括处理器可执行指令，当这些指令被执行时使处理器150和相关联的系统执行本文描述的任何方法。
图2示出了与车辆系统的前瞻控制相关的方法的一个实施方式的处理流程200。处理流程200可以由系统的控制器(例如图1B的示例的处理器150)执行。处理流程200包括步骤202和步骤204。在步骤202中，控制器获得关于沿着系统将在未来时间处行驶的行驶路径的行驶表面的信息。在步骤204中，基于关于行驶表面的信息，控制器控制系统的一个或更多个部件经过行驶表面。
实时操作的因果控制器可能会受到约束，因为它是因果的。例如，当因果控制器只能对感测到的已发生的事情做出反应时，该因果控制器可能是因果关系。由于其操作的物理系统的限制，因果控制对因果控制器的性能施加了限制。四分之一汽车模型(如图15中所示)可以包括非簧载质量、簧载质量以及非簧载质量与簧载质量之间的悬架系统。四分之一汽车模型可以用于对悬架系统的响应进行建模或演示。例如，图7与四分之一汽车模型相关，并且示出了四分之一汽车模型的簧载质量对力的阶跃输入的响应。
如图7所示，在因果控制器的一些实施方式中，一旦车辆接收到致动器力命令，在其响应之前就存在延迟。延迟意味着响应存在滞后。延迟可以确定系统可以操作的最高频率或者由系统可以操作的最高频率确定，这可以限制因果控制器的性能。
在一些实施方式中，常规因果控制器可以具有图8所示的结构。设备(以深灰色示出，可以对应于上述示例中的车辆)响应于来自一个或更多个致动器的控制输入，并且响应于一个或更多个干扰输入(例如来自行驶表面)。在一些实施方式中，可以使用一个或更多个传感器来检测要控制的相关参数的变化。例如，车辆参数之一可以被测量或者与簧载质量运动相关。从期望的状态值中减去传感器输出会导致误差信号，该信号可以被输入到控制器。然后控制器可以计算改进的响应并相应地命令致动器。
图8中所示的架构在功能上类似于将控制器块放置在反馈路径中的架构。在一些实施方式中，图8所示架构类型的控制器可以是用于车辆悬架中的行驶控制的天棚控制器。
前瞻控制器可以包括在算法中利用预发式(pre-emptive)(例如，非因果或反因果)信息的控制器。非因果信息可以包括不是由实时发生的事件引起的和/或预测未来输入的信息。
根据本公开内容的方面，示例性前瞻控制器可以包括使用即将到来的输入的先验知识的控制器。在一些实施方式中，可以在系统之前向前瞻控制器提供行驶表面的先验知识，例如道路轮廓。
在一些实施方式中，行驶表面可以包括道路表面。在一些实施方式中，道路轮廓包括关于道路表面特性的信息。例如，道路轮廓可以包括关于道路表面地形、道路高度变化的信息；道路表面不连续性的大小和位置，所述道路表面不连续性例如裂缝、坑洼、井盖或者z方向或竖直方向的其他突然变化；转弯半径和位置；车道数目。
道路轮廓可以直接或间接用于控制车辆上的系统。例如，道路轮廓可以用于控制车辆底盘控制系统，例如主动或半主动悬架系统、座椅主动悬架系统、制动系统、转向系统。在前瞻控制器的一些实施方式中，可以在第一旅行期间记录给定道路的道路轮廓，然后在同一道路上的后续旅行期间用作前瞻控制器的输入。这种先验知识的一个优点可能是改进系统的性能，例如响应。
如上所述，因果控制器的性能可能至少部分地受到因果控制器的响应时间的限制。对于这样的常规因果控制器，系统的相位响应可能会滚降(这可能在功能上等效于延迟)，从而导致反馈回路稳定性的上限。在对信号进行滤波时，例如在通过对误差信号应用滤波器来计算控制信号时，滤波器的相位响应会影响得到的命令的相位。
根据本公开内容的方面，在数学上，可以用零相位滤波器对信号进行滤波。零相位滤波器可以包括非因果滤波器。零相位滤波器可能无法实时应用。例如，零相位滤波器可能需要输入信号的先验知识。在一些实施方式中，零相位滤波器可以在后处理期间应用于整个信号。例如，在信号处理中，应用零相位滤波器可以通过首先对输入信号正向应用滤波器，然后对结果反向应用相同的滤波器来实现(例如，通过将输入的至少一部分的时间顺序进行反转并对其进行滤波器，然后将顺序反转)。可以将得到的滤波信号与原始数据并且与通过相同量值的因果滤波器处理的信号进行比较(意味着，仅在前向方向上应用滤波器，但是其量值效应与在两个方向上应用的滤波器的总结果相同)。图9示出了因果滤波器和零相位滤波器二者对给定输入信号的示例性结果。
图9示出了虽然因果滤波器对原始信号产生延迟响应，但是零相位滤波器不会，因此改进了性能，例如响应时间。为了实现改进的性能，零相位滤波器可能需要在事件发生之前起作用，或者换言之，在事件实际发生之前接收关于事件的信息，因此是非因果关系。
有了系统中即将发生的干扰的先验知识，零相位滤波可以应用于干扰，并且由此产生的控制系统可以能够实现改进的性能，例如改进的响应时间。如上所述，整体控制器增益可能受到系统的环路增益的相位的限制，因此应用不增加相位的控制滤波器的能力可以允许增加控制器增益，从而改进性能。例如，前瞻控制可以允许减小响应的延迟，因此允许增加响应的量值。减小响应延迟和增加响应量值可以改进性能，因为可以使干扰更快地被衰减。
根据各种实施方式，事件的先验知识不必无限延伸到很远的未来。例如，在一些实施方式中，当系统和控制器的相关动力学(例如，在道路车辆的情况下悬架上的本体共振)在1Hz附近最为显著时，则需要多秒(例如，约2至8秒之间或者约5秒)来了解即将到来的干扰可以允许控制器响应和减弱干扰。在一些实施方式中，相关动力学可以是最影响系统性能的动力学，例如车辆中乘员的整体舒适度，或者道路车辆中轮子与道路之间的牵引力。发明人已认识到，当预览时间的长度与由要控制的设备和用于控制该设备的致动器构成的系统的最相关动力学的频率相关时，可以确定预览时间的长度，该长度向控制系统提供显著的好处，而无需无限长。
在一些这样的情况下，该预览时间可以是实现期望目标例如对系统控制的期望效果的最低预览时间。较长的预览时间可能有助于基于行驶表面的即将出现的特征对系统的部件执行提前或及时控制。本领域技术人员可以理解，虽然较长的预览时间可能是有帮助的，但是随着预览时间延伸到未来越来越远，回报可能会递减，使得过长的预览时间可能没有明显的好处。此外，在某些情况下，预测系统行驶的行驶表面的视图可能不是系统确定要行驶的表面。在预测系统的运动时可能存在不确定性，例如在可能改变路线的人的手动操作下车辆的运动。随着预览时间延长到未来，这种不确定性可能会增加。与系统将在5、10或30分钟内行驶的行驶路径相比，控制器能够更准确地预测系统将在3、5或10秒内行驶的行驶路径。因此，本文描述的技术可以用于确定可能具有有利效果的预览时间的长度，这在一些实施方式中可以设置预览时间的下限。
在一些实施方式中，可以基于系统(例如车辆)的频率动力学来确定预览时间的长度。在一些实施方式中，系统的频率动力学可以包括系统的主要振动模式和/或可以包括系统的共振振动模式。在一些实施方式中，这些模式可以与车辆中乘客的舒适度相关，例如通过与乘客对车辆的振动、弹跳或其他运动的感知相关。这些模式可能与频率或频率范围相关。
在一些实施方式中，预览时间可以被确定为至少与和关注频率对应的周期的倍数(例如，1x、2x、3x等)例如系统的频率动力学(例如，系统的振动模式)一样长。在一些实施方式中，关注频率可以是最低关注频率。根据一个示例性实施方式，一组一个或更多个频率模式可以通过对系统的分析例如通过分析系统的运动或者系统对外部刺激的响应来识别。该分析可能与系统的一个或更多个部件相关。例如，在系统是车辆的情况下，分析可以包括：分析系统的部件的一个或更多个振动模式，该部件控制系统的本体相对于行驶表面的运动。在车辆是轿车或其他汽车的情况下，该部件可以是车辆的悬架，该悬架控制汽车的本体如何相对于行驶表面(例如，道路表面)移动。可以通过识别具有高于阈值量值的量值的模式来确定关注模式。该量值可以是模式对车辆运动的影响的量值。接下来可以识别与关注模式相关联的频率。关注模式可以按频率排序。接下来，可以识别与关注模式相关联的最低频率。然后，可以识别与最低频率的倒数对应的周期。根据示例性实施方式，然后可以将预览时间识别为至少与和所选择的最低振动模式频率的倒数对应的周期的倍数一样长。
在一些实施方式中，例如，预览时间的长度可以被设置为要操作的相关动力学的频率(例如，一个或更多个振动模式频率)的倒数的至少5倍的值。在一些实施方式中，可能需要更少的预览时间，例如，长于相关动力学的频率的倒数的3或4倍的持续时间可以用于降低性能，例如增加响应时间。根据各种实施方式，可以使用比上述预览时间更长或更短的预览时间的其他持续时间，原因是本公开内容不限于此。
在一些实施方式中，可以基于控制器性能与其他因素之间的权衡来识别预览时间的长度。例如，当选择较长的预览时间时，控制器可能需要执行更大的处理，例如，因为控制器正在确定在未来较长的时间段内要应用的控制信号。此外，当选择较长的预览时间时，更大的不确定性可能被引入到处理中，例如，因为控制器可能不确定系统在较长的预览时间内将采取的确切行驶路径。例如，控制器可能事先不知道车辆的驾驶员将转向另一条道路。
在一些实施方式中，处理来自大于与关注模式对应的周期的几倍的预览时间的信息可能不一定提供性能增加。例如，如果控制器可以使用与关注模式对应的周期的5倍来衰减该模式的动力学，则为控制器提供附加的预览时间可能不一定会增加控制器性能，因为只需要5倍来尽快提供控制信号就足以衰减该模式。
在一些实施方式中，预览时间的长度可以在系统沿着行驶路径的操作期间由控制器计算和设置。在其他实施方式中，预览时间的长度可以基于系统和/或系统的一个或更多个部件的已知属性来预先计算，例如通过由系统或控制器的用户或管理员在系统沿着行驶路径操作之前计算。在后一种情况下，控制器可以配置有计算出的预览时间长度，例如通过将计算出的长度存储在存储器中。
在一些实施方式中，前瞻控制的另一个优点可以是预测将要遇到的干扰输入的一个或更多个特性的能力，并且考虑某些系统物理限制以便选择适当的控制策略。控制器可以存储关于系统的物理限制的信息。物理限制可以作为预设信息提供给控制器，以及/或者控制器可以在系统使用时通过收集与物理限制相关的信息来确定或更新物理限制。
例如，系统的物理限制可以包括致动器限制，例如阻尼器行程限制、功率限制或速度限制或系统限制，例如连接到系统的各种致动器的运动之间的关系。例如，在悬架系统中，每个轮子在与其他部件(例如，车辆挡泥板或车架)发生干扰之前，或者在轮子与底盘部件发生干扰之前，可能只能移动一定的量。在一些实施方式中，可以通过机械和控制要求对悬架施加行驶限制。例如，系统限制可能是通常的道路车辆中的4个轮子通过底盘连接这一事实。因此，在共模前后或侧倾时，车辆在遇到障碍物时可以“避开”悬架，但不能在扭转或翘曲时这样做。例如，当遇到诸如倾斜坡道等障碍物时，其中两个相对(例如左前和右后)的轮子需要向车辆移动以吸收障碍物，则没有刚性车辆运动可能会改进舒适度.另一方面，如果在普通模式下遇到障碍物(例如减速带)，本体可能会跟随道路的轮廓，因此不会减小悬架运动并增加舒适度。
在一些实施方式中，通过关于系统的一个或更多个物理限制的信息以及对即将到来的干扰的先验知识，可以针对系统模型测试干扰。通过这种方式，可以预测是否会违反任何约束或限制。在一些实施方式中，可以计算车辆的一部分(例如，车体、活动座椅、悬架部件)的改进的路径，以便在保持改进的性能的同时不违反任何约束。
图10示出了悬架系统的实施方式的示例性示意图，该悬架系统经过具有小起伏和大起伏的道路。对悬架系统的一个约束可以是对致动器或悬架的行驶行程的限制。例如，悬架可以能够吸收一定大小的隆起，而悬挂在其上方的本体(例如，车体)不必在竖直方向上移动。然而，对于超过一定大小的道路输入，如果车辆不沿竖直方向移动，悬架可能无法完全吸收输入。
在图10所示的实施方式中，悬架吸收的行驶量是轮子路径与车体路径之间的差异，例如，因为悬架是插入在它们之间的元件。如下所述，干扰(例如，道路轮廓，因为轮子路径紧随其后)与车体运动之间的差异可以用作悬架行驶约束的度量。
利用主动悬架控制器，即将发生的事件的先验知识允许为车辆规划和/或选择改进的轨迹，以减小负面影响或者使负面影响(例如道路引起的输入到车辆的隆起，这可能会对车辆乘员的舒适度产生负面影响)基本上最小化。在没有先验知识的情况下，悬架调整可能需要妥协，这可能会对其他道路事件(包括小型事件)的整体性能产生不利影响。图10示出了在反应悬架(即，没有即将发生的干扰的先验知识的情况下的悬架)的情况下车体将采用的路径，当遇到大型事件时，这将导致急剧转变。可以使用控制行驶的算法(例如行驶结束算法)来操纵急剧转变，但如果不影响较小隆起的性能，这些算法可能无法很好地执行。图10还示出了具有主动悬架的车辆可能能够采取的路径，其中改进的轨迹可能需要悬架在约束事件发生之前开始移动车体。因为悬架在约束事件之前开始移动，所以从事件的角度来看，悬架控制可能是非因果关系的。
图3示出了与基于关于行驶表面的信息来控制系统的至少一个部件相关的方法的一个实施方式的处理流程300。处理流程300可以由系统的控制器(例如图1B的示例的处理器150)基于控制器接收到的先验行驶表面信息以及控制器可用的关于系统的一个或更多个物理约束的信息来执行。处理流程300包括步骤302和步骤304。在步骤302中，控制器将关于行驶表面的信息与关于系统的至少一个物理约束的信息进行比较。在步骤304中，控制器基于与比较的结果相关的至少一个设定点来控制系统的至少一个部件。
控制器可以以多种方式，包括控制系统的部件和/或准备用于控制部件的数据(例如，关于行驶表面的信息)来使用与比较的结果相关的设定点，例如频率、增益或校准因子。在一些实施方式中，例如，通过将行驶表面信息与系统的至少一个物理约束进行比较，控制器可以识别要在控制器应用于关于行驶表面的信息的滤波器中使用的频率。在滤波器中使用不同的频率可以导致对部件的有利控制，如下所述。
图11示出了用于遵循由干扰施加的轨迹的具有更积极策略的实施方式与具有较不积极策略的实施方式之间的差异。由干扰施加的轨迹可以包括，例如，用于行驶表面中向上偏离的向上轨迹(例如，道路表面上的减速带)或者用于行驶表面中向下偏离的向下轨迹(例如，道路表面上的坑洞)。更“积极”的策略可以更紧密地遵循干扰的轨迹，而不太“积极”的策略可能不会那么紧密地遵循干扰的轨迹。例如，如果悬架行驶的物理限制是0.1m，并且假设悬架行驶等于干扰(可以相当于轮子路径)与轨迹(表示车辆的期望运动)之间的差异，然后图11表明，虽然较不积极的方案在隔离较小的事件方面做得更好，但它不适合将悬架行驶保持在0.1m以下。另一方面，在该示例中，更积极的滤波器可以始终将悬架行驶保持在悬架行驶限制内，但不会在较小的事件中提供改进的性能(例如，减小车体的运动)。
可以以各种方式计算改进的轨迹。例如，计算改进轨迹的一种方式可以是将时变低通滤波器例如零相位低通滤波器应用于干扰输入。当即将到来的干扰不超过任何会导致系统违反任何(例如物理限制)的约束阈值时，则可以选择设计的滤波频率来设置特定的期望轨迹。例如，在车辆悬架中，对于干扰足够小以至于完全吸收干扰不需要悬架超过其行驶限制的部分，可以通过将滤波频率降低到例如低于0.1Hz来减小或基本上消除容纳乘员的车辆上部结构的运动，从而使乘员的舒适度增加或基本上最大化。在图12所示的实施方式中，低于0.1Hz的滤波频率对应于0-1秒之间和5.5-10秒之间的点划线。根据各种实施方式，可以使用高于或低于此处指出的频率的其他滤波频率，原因是本公开内容不限于此。
当即将到来的干扰包含可能引起系统违反一个或更多个约束(例如，超过受控悬架系统的行驶限制)的事件时，则干扰输入可以以更高频率来被滤波。在图12所示的实施方式中，更高滤波频率对应于1-5.5秒之间的部分，其中输入信号例如以0.8Hz被滤波。根据各种实施方式，可以使用高于或低于这里提到的频率的其他滤波频率，因为本公开内容不限于此。
图5示出了与将关于行驶表面的信息与关于系统的至少一个物理约束的信息进行比较相关的方法的一个实施方式的处理流程500。处理流程500可以由系统的控制器(例如图1B的示例的处理器150)基于接收到的关于行驶表面的信息以及由控制器获得的关于物理约束的信息来执行。处理流程500包括步骤502和步骤504。在步骤502中，当控制器确定与关于行驶表面的信息相关联的第一量值小于阈值量值时，控制器应用具有第一滤波频率的第一滤波器。步骤504包括：当控制器确定与关于行驶表面的信息相关联的第二量值大于阈值量值时，控制器应用具有第二滤波频率的第二滤波器，第二滤波频率大于第一滤波频率。
在一些实施方式中，考虑到即将到来的干扰，可以通过在约束内改进系统的性能来设置轨迹。例如，在悬架系统的一些实施方式中，车辆上部结构运动的三阶导数加加速度可能是与乘员舒适度相关的度量。控制器可以以可变滤波频率对即将到来的道路干扰进行滤波，以在满足系统约束的同时使抖动减小或基本上最小化。例如，算法可以定义成本函数来惩罚违反约束的行为，并且评估低加加速度水平。可替选地或附加地，算法可以首先考虑即将到来的路段中的最高违规。从这一点，可以导出与所需的最高滤波频率(例如，在上面的示例中为0.8Hz)对应的曲线，并且当包括如所述的滤波器绘制的轨迹时，可以找到超出限制的下一个最高点。因此，控制器可以连续构建以给定频率滤波的部分，直到整个配置文件满足系统约束。一旦信息变得可用，该处理就可以在不同大小的即将到来的部分上运行。例如，道路车辆可能会从一条道路转向另一条道路，并且在该点处可以通过该处理运行即将到来的可替选路段的信息，以便计算该路段的改进的轨迹。
在一些实施方式中，改进的轨迹可以是时间相关的，因为被控制的结构的动力学可能对约束的估计有影响。例如，对于道路车辆，当车辆以低速前进时，即使是大的道路输入也可能感觉相对平稳，并且车辆可以轻松地经过大的道路输入而不超过悬架行驶限制。当以较高的速度经过同一条道路时，车辆的动力学可能会导致车辆超过行驶限制，即使在较低的速度下这不是问题。因此，上述处理可以计算为速度的函数，同时考虑其他因素，例如但不限于车辆的质量、几何特性、诸如弹簧和轮子刚度的部件特性等，这些也可以随着时间的推移而变化。
约束可以包括行驶限制、功率、力/扭矩或其他致动器限制，或者约束可以与其他参数(例如车辆保持牵引力的能力或者关于其他外部参数受控系统保持界限范围内的能力)相关。外部参数可以与整体系统级约束相关，例如多个连接的控制设备的总功耗或总计算要求。在一些实施方式中，两个或更多个系统的运动可能相互干扰。通过对适当轨迹的先验知识，可以在保持高水平性能的同时避免冲突。
以上描述适用于许多不同类型的控制系统。当对即将到来的干扰的先验知识可用、性能目标和操作约束已知时，该处理可以用于规划前瞻控制器要遵循的策略。
图13示出了结合反馈回路的前瞻控制器的实施方式。根据各种实施方式，可以使用其他控制器配置，例如不具有反馈回路的控制器配置、具有前馈回路的控制器配置，以及用于半主动和部分主动系统的控制器配置，原因是本公开内容不限于此。
在图13的实施方式中，反馈回路类似于图8中描述的反馈回路。左边示出的前瞻控制计算块计算两个输出。首先，前瞻控制计算块计算致动器命令，致动器命令的大小使得在设备对干扰的响应方面产生期望性能。作为第二输出，所得到的预期传感器信号被计算出并作为参考命令被提供给控制器。因此，在本实施方式中，前瞻控制策略可能对反馈回路不敏感。如果来自前瞻控制的致动器命令导致来自传感器的预期参考输出，则反馈回路将看不到误差，因此不采取任何行动。另一方面，如果存在误差，例如由于预期干扰的不准确，则反馈回路可以工作以纠正产生的运动。
在前瞻控制器的实施方式中，车辆可以在已知表面例如先前记录的道路上行驶。因此，如果干扰预览和车辆位置可用，则如果车辆行驶速度也已知，则可以计算即将到来的干扰的时间信号。例如，如果定义为zroad＝f(sroad,y)的一般道路轮廓可用，其中道路zroad的竖直高度是沿着路径sroad的纵向坐标和横向位置y的函数。知道在任意给定时间处车辆在路径上的位置scurrent，并且知道行驶速度
Figure BDA0003773432410000171
则即将到来的竖直道路速度可以表示为时间的函数
Figure BDA0003773432410000172
如果针对沿着一段路径的每个位置确定该输入，则可以计算控制系统的命令输入的时间轨迹。在知道当前路径位置的情况下，可以在适当的时间处应用适当的命令以达到期望的结果。图14示出了采用前瞻控制器的实施方式的方面。
四分之一汽车模型可以表示车辆的悬挂在表示性四轮车辆的单个轮子上方的四分之一。四分之一汽车模型可以用于确定动力学和机制，但可能不是车辆或悬架或相关动力学的完整表示。例如，四分之一汽车模型可以用于确定整车或半车行为，例如车辆的起伏、俯仰或侧倾运动。四分之一汽车模型可以在控制器内部使用，并且选择参数来表示车辆的某些行为。例如，线性四分之一汽车模型可以表示道路车辆对于较大幅度输入的起伏和俯仰行为。图15示出了车辆的简单四分之一汽车模型。
在图15的四分之一汽车模型中，簧载质量Msprung表示车体和所有连接部件的质量，包括乘员、动力总成和附接到或有效附接到车体上的部分。Munsprung表示轮子的质量以及附接到或有效附接到轮子的所有移动部件，例如制动器、轮毂和悬架连杆的一部分。
根据一个实施方式，图15中的主动或半主动悬架可以将净力Fact施加在载簧质量和非载簧质量二者上，如系统的控制策略所定义的。例如，控制策略可以尝试减小簧载质量的竖直加速度(以减小乘员的不适)或者减小簧载质量的竖直加速度的导数，或者实现其他类似目标。
在一些实施方式中，作用在簧载质量上的力的总和可以写为
Figure BDA0003773432410000181
其中Ksus是悬架弹簧的简化刚度，Bsus是简化的总悬架阻尼，Fact是总致动力。参数可以被简化并且不一定考虑某些影响。
在车辆的悬架控制器的一些实施方式中，可以有两个目标，即隔离和跟踪。在一些实施方式中，隔离和跟踪可能看起来是矛盾的。例如，控制器可以根据隔离目标将乘员与道路输入隔离以及/或者控制器可以保持车辆与地面之间的接触，或者根据跟踪目标跟踪地面轮廓。在一些实施方式中，悬架系统还可以被设计为适当地响应于车辆操纵输入，例如来自转向系统的输入。在一些实施方式中，还可以通过监测或确定前方道路的曲率并且应用类似的前瞻控制策略来预测车辆操纵输入。在地面车辆的一些实施方式中，可能希望隔离乘员，但也希望遵循道路轮廓。当车辆由人而不是自主控制器驾驶时，提供隔离和跟踪可能是有利的。例如，减小跟踪可能导致驾驶员感觉与道路脱节，并且可能被一些驾驶员解释为失去控制。
发明人已认识到，驾驶员跟踪感知可能与道路轮廓的低频跟踪相关，并且驾驶员跟踪感知可以通过在低于例如1Hz或1.5Hz的阈值频率的频率处增加跟踪来改进。根据各种实施方式，可以使用高于和低于上述频率的两种跟踪阈值，原因是本公开内容不限于此。
根据各种实施方式，跟踪目标可以至少部分地与隔离目标相矛盾。例如，更多的跟踪可能意味着更少的隔离。在因果悬架设计中，跟踪与隔离之间的冲突可以通过严重的妥协来解决，但性能损失很大。例如，在常规的悬架中，可以调整弹簧和阻尼参数以权衡隔离与跟踪，并产生舒适轿车的隔离或跑车的抓地力，但很少两者兼而有之。
自汽车工业的早期以来，常规悬架已进行了许多尝试来改进提供跟踪与隔离之间的折衷，包括例如通过使用橡胶轮子、悬架弹簧、减震器以及半主动和主动悬架。因果控制的悬架系统可能在低频时较硬而在高频时较软，或者对于较小的干扰可能较软并且跟踪较大的干扰，但是这种因果控制的悬架系统具有局限性。
在一些实施方式中，因果控制器可以被配置成以例如高达1.5Hz的低频跟踪道路，如图16中通过跟踪滤波器图所示。在一些实施方式中，因果控制器可以被配置成隔离高于1.5Hz的车体，如图16中通过隔离滤波器图所示。在曲线图的上半部分中，示出了因果控制器的量值；其中为简单起见，期望的量值为1(或伯德(bode)表示中的0dB)。在下半部分中，示出了相位图。跟踪滤波器的相位角在最多约0.9Hz的频率下保持在0度的45度以内，而隔离滤波器的相位角在等于1.5Hz及以上的频率下保持在180度的45度以内。
在一些实施方式中，当组合两个滤波器时，可以在非常低的频率下尝试跟踪，并且可以在非常高的频率下尝试隔离，并且在大的频率范围内(在该示例中，在0.2Hz与4Hz之间)，既不跟踪也不隔离提供得很好(从相位可以看出)。此外，期望的量值可能会超过高达2倍，这可能会导致道路干扰放大到不可接受的程度。
在一些实施方式中，图16所示的行为可以通过降低频谱的一端或两端的性能来调整，即在低频和高频下，例如通过软化因果控制器形状和修改截止频率。图17示出了这种配置的示例。从图17中可以看出，峰值量(组合函数放大道路干扰的量)减小了，但代价是显著的相位损失。
在该示例中，保持在0相位的45度以内的跟踪目标可以仅维持到约0.6Hz，并且隔离目标仅维持在约3.5Hz以上。
这些说明性示例示出了因果控制器在跟踪和隔离输入两个方面的缺点，突出了使用前瞻控制的优势，如前所述。在受控悬架的一些实施方式中，跟踪和隔离的竞争要求可以由单独的控制器来满足并且通过仲裁块组合。在一些实施方式中，用于此目的的控制器可以是天棚控制器和地棚控制器。
在一些实施方式中，前瞻控制器可以提供对来自行驶表面的输入的隔离和跟踪二者。
图4示出了与基于关于行驶表面的信息来控制系统的至少一个部件相关的方法的一个实施方式的处理流程400。处理流程400可以由系统的控制器例如图1B的示例的处理器150执行。处理流程400包括步骤402和步骤404。在步骤402中，控制器将关于行驶表面的信息的频率内容与阈值频率进行比较。在步骤404中，控制器基于比较的结果来控制系统的至少一个部件。
图18示出了将前瞻控制应用于悬架系统的实施方式的算法布局。未来干扰输入可以如先前在图14中所示的那样计算，或者可选地从例如摄像装置、雷达或Lidar系统或即将到来的干扰的一些其他先验知识接收。可以将干扰输入解析为可以通过悬架控制的方向。在一些实施方式中，受控方向可以是车辆的起伏、俯仰和侧倾，但它们可以根据不同的取向(例如前、后和侧倾或者左、右和俯仰)对准并且取决于被控制的悬架致动系统的类型。
接下来，零相位滤波可以用于将要跟踪的干扰的频率内容与要隔离的车辆的内容分离。该频率分裂可以是基于期望性能确定的调谐参数，以及/或者频率分裂可以随时间、从车辆到车辆、以及/或者取决于外部因素和用户设置而变化。在存在频率分裂的情况下，这是相关的，并且应用于输入数据的滤波器是非因果关系的，因此可以在不增加或减小响应相位的情况下分离频率区域，从而不会产生任何延迟或相关的副作用。
接下来，根据干扰的跟踪分量计算跟踪命令，并根据干扰的隔离分量计算隔离命令。如图13所示，这两个命令都可以为传感器创建参考，以及致动器命令。
然后可以将跟踪和隔离命令集成到控制系统中，例如，如图13所示，并且创建实现跟踪和隔离二者的目标而几乎没有副作用或实际上没有副作用的命令。
下文描述了用于受控悬架系统的算法的实施方式。使用如前所述的四分之一汽车模型，可以确定所需的力和预期的运动，以改进跟踪和隔离。
根据一些实施方式，开始假设可以是轮子是无限刚性的。例如，该假设可以用于概念的简化或演示。在一些实施方式中，当系统的期望操作范围低于非载簧质量的自然频率时，可以使用这样的假设。在某些车辆中，固有频率约为12-15Hz，因此，当要应用的隔离仅高达约8-10Hz时，可以使用无限轮子刚度假设。在一些实施方式中，可以不使用无限轮子刚度假设。当车辆完美跟踪道路时：
1)载簧质量的加速度将等于或实际上等于由道路施加的加速度
2)悬架元件的位移为零或实际上等于零
在等式1中，将悬架位移设置为零并且将载簧质量加速度替换为道路加速度，当下式成立时，总力为零：
Figure BDA0003773432410000211
因此，
Figure BDA0003773432410000212
因此，算法跟踪部分的致动器命令是车辆上部结构在受控方向(例如起伏、俯仰、侧倾)上的估计的简化质量乘以干扰的加速度(在这种情况下为道路输入)。
隔离的目标之一是将载簧质量加速度减小到零或实际上为零。因此，将等式1中的载簧质量加速度设置为零，并且用道路干扰代替非载簧质量运动(在该算法的实施方式中假定轮子无限刚性)，所需的总力为
Figure BDA0003773432410000213
由此，在该实施方式中，可以通过将干扰位置、速度和加速度乘以适当的值来计算致动器命令的跟踪和隔离分量。
在该实施方式中，为了确定要发送到传感器的参考命令，计算传感器的预期输出。在该实施方式中，对于跟踪频率，假定簧载质量的运动等于干扰，并假设悬架运动为零或实际上为零。对于隔离频率，假设载簧质量的运动为零或实际上为零，并假设悬架的运动与干扰输入相等且相反。
在该实施方式中，当调整前瞻控制器时，可以在四分之一汽车模型中模拟主动悬架系统的行为，以提供最多1.5Hz的跟踪(因此，悬架位置减小)，并提供从1.5Hz到4Hz的隔离(因此，本体加速度降低)。图19示出了前瞻控制与反馈回路控制的性能之间的示例性比较。比较显示，相对于没有前瞻控制实现的本体加速度，前瞻控制可以实现至少90％的降低。
图6示出了与基于关于行驶表面的信息来控制系统的至少一个部件相关的方法的一个实施方式的处理流程600。处理流程600可以由系统的控制器例如图1B的示例的处理器150执行。处理流程600包括步骤602和步骤604。在步骤602处，对于由控制器识别为低于阈值频率的频率内容，控制器控制系统的至少一个部件跟踪低于阈值频率的频率内容。在步骤604处，对于由控制器识别为高于阈值频率的频率内容，控制器控制系统的至少一个部件隔离高于阈值频率的频率内容。在一些实施方式中，步骤602和604二者都针对两个范围内的检测频率执行，并且可以同时执行，而不是按顺序执行。
图20示出了示例性前瞻控制器和不具有前瞻控制的示例性系统的悬架位置的相应比率(作为跟踪度量的替代)，示出了在1.5Hz以下最多70％的降低。
该实施方式可以对每个要控制的自由度仅使用3组不同的参数。四分之一汽车模型可以以线性化的形式呈现(如上所述)，但也可以解释可能与悬架性能相关的许多常见非线性效应，例如摩擦、离析阻尼、渐进载簧和存在于道路和车辆悬架的其他典型的非线性效应。根据一些实施方式，一种非线性效应可以是根据温度的部件的可变性。例如，阻尼器在低温下可能比在高温下更硬，这可以映射并包括在参数设置中。
在上述实施方式中，该主动控制方法可能对与其一起操作的反馈控制器的存在或不存在不敏感。因此，如果反馈控制器的调整改变，则这种前瞻控制方法可能不需要改变。
上述算法的另一个特征是，与本文所述的其他前瞻控制算法一样，可以使用零相位滤波。使用零相位滤波允许使用非常尖锐或高阶的滤波器来分离要隔离和跟踪的频率范围。具有零相位滤波的高阶滤波器可以改进直到截止频率的性能。因果滤波器可能不会改进直到截止频率的性能，因为在因果滤波器中，滤波器的相位延迟随着其阶数增加，因此滤波的副作用变得越来越明显。
如上所述，算法的基本调整可以基于物理特性，因此可以通过测试、建模或估计来建立。测试可以包括运动学和合规台架测试(例如，K&C测试)，以建立车辆特性，例如弹簧刚度和阻尼，并且估计可以从设计参数或通过汽车衡或类似设备测量获得的不同自由度的车辆质量。
可替选地或附加地，算法可以在操作期间自动调整。估计器算法可以更新参数调整以增加性能。当干扰已知并且给定期望的性能目标时(例如，在定义的跟踪频率范围内减小悬架运动，以及/或者在另一个定义的频率范围内降低车体加速度)，可以例如基于卡尔曼(Kalman)滤波来实现自适应控制调整策略。通过这种方式，性能可以随着时间的推移而改进，并适应车辆参数的变化。这种变化可能是由于例如车辆载荷、部件磨损和部件特性的变化。
图21示出了车辆悬架因果控制系统的示例性布局。系统被分成乘坐(例如，舒适)控制器和操纵控制器。乘坐控制器控制车辆上部结构(例如，载簧质量或车体)和轮子(例如，非载簧质量或拐角模块)以提供来自轮子频率输入的舒适性和低振动和粗糙度水平，同时提供良好的道路跟随和行驶结束事件的低发生率。特定的控制器模块可以包括用于舒适性的天棚控制、车辆共振模式的模态控制等作为本体控制算法的一部分，以及轮子控制策略，如坑洼控制、山顶控制、减速带控制等作为轮子控制算法的一部分。
一些信号可以基于传感器输入和传感器融合技术进行估计，其中将多个传感器混合到一个输出中，同时考虑到每个传感器在给定频率范围、操作状态和时间中的准确性和质量。一些估计的信号可以包括悬架速度、车辆模态行为和道路特性，例如粗糙度或纹理。
图22示出了将前瞻控制集成到图21的算法结构中，其中添加了定义道路特性、道路事件和道路轮廓等的输入，并且添加了控制器块以支持本体和轮子控制模块内的附加信息。
所描述的前瞻控制方法可以应用于遇到可预测输入的系统，这些输入可以先验地测量；从以前的遭遇中大量预测；或者基本上基于其他用户的输入进行预测。可能受益于前瞻控制的系统包括任何道路或越野车辆，尤其是在硬道路表面上行驶的车辆，其输入可以在相当长的一段时间内重复；如果输入可以通过摄像装置或其他传感器系统预测，则包括船只；火车和其他铁路车辆；机器人设备，如仓库机器人、装配机器人或送货机器人；以及遇到可预测和/或位置相关的干扰信号的其他受控设备。
对于车辆悬架系统，所描述的前瞻控制方法可以应用于半主动和主动悬架、主动侧倾系统以及主动转向和制动系统。所描述的前瞻控制方法还可以应用于高级驾驶员辅助系统(ADAS)，以基于可重复的干扰输入(例如即将发生的道路事件)通知自动或半自动车辆的转向、加速和制动策略。
已描述了在电路和/或计算机可执行指令中实现技术的实施方式。应当理解的是，一些实施方式可以呈现方法的形式，已提供了这种方法的至少一种示例。作为该方法的一部分而执行的行动可以以任意合适的方式排序。因此，可以构造这样的实施方式，在该实施方式中以不同于所示的顺序执行动作，这可以包括同时执行一些动作，即使在示例性实施方式中示出为顺序动作。
上述实施方式的各种方面可以单独使用、组合使用或以在前述实施方式中未具体讨论的各种布置来使用，并且因此，其应用不限于上面描述中所阐述的或图中所图示出的部件的细节和布置。例如，一个实施方案中描述的方面可以与其他实施方案中描述的方面以任何方式组合。
在权利要求书中使用序数术语例如“第一”、“第二”、“第三”等来修饰权利要求要素本身并不意味着一个权利要求要素相对于另一权利要求要素的任何优先级、优先顺序或次序或者执行方法的动作的时间顺序，而仅仅被用作标记以对具有某个名称的一个权利要求要素和具有同一名称(要不是使用序数术语)的另一要素进行区分，以区分权利要求要素。
此外，本文所使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应被视为是限制性的。使用“包含”、“包括”、“具有”、“包含有”、“涉及”以及本文中的变体意在涵盖之后列出的项目及其等同形式以及附加项目。
在本文中使用词语“示例性”来表示“作为示例、实例或说明”。因此，除非另外指出，否则本文中描述为示例性的任何实施方式、实现方式、处理、特征等应被理解为说明性示例，而不应被理解为优选或有利示例。
至此已描述了至少一个实施方式的几个方面，应当理解，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。这样的改变、改型和改进旨在成为本公开内容的一部分，并且旨在落入本文所述原理的精神和范围内。因此，前述描述和附图仅作为示例。

Claims (23)

1.一种方法，包括：
获得关于沿着系统将在未来时间处行驶的行驶路径的行驶表面的信息；以及
基于关于所述行驶表面的信息，控制所述系统的至少一个部件经过所述行驶表面，其中，基于关于所述行驶表面的信息来控制所述至少一个部件包括：
将关于所述行驶表面的信息与关于所述系统的至少一个物理约束的信息进行比较；以及
基于与所述比较的结果相关的至少一个设定点来控制所述系统的所述至少一个部件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于与将关于所述行驶表面的信息与关于所述系统的至少一个物理约束的信息进行比较的结果相关的所述至少一个设定点来控制所述系统的所述至少一个部件包括：
当与关于所述行驶表面的信息相关联的第一量值小于阈值量值时，应用具有第一滤波频率的第一滤波器；以及
当与关于所述行驶表面的信息相关联的第二量值大于所述阈值量值时，应用具有第二滤波频率的第二滤波器，所述第二滤波频率大于所述第一滤波频率。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述系统是汽车，并且控制所述系统的所述至少一个部件经过所述行驶表面包括：控制所述汽车的至少一个部件经过所述行驶表面。
4.根据权利要求3所述的方法，其中：
所述至少一个部件包括所述汽车的悬架；并且
所述系统的所述至少一个物理约束包括所述悬架的行驶限制。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，基于关于所述行驶表面的信息来控制所述至少一个部件还包括：
基于关于所述行驶表面的信息，确定当所述系统经过所述行驶表面时响应于检测到所述行驶表面的所述系统的传感器的预期信号；以及
当所述系统在所述未来时间处经过所述行驶表面时，基于当所述系统经过所述行驶表面时响应于检测到所述行驶表面的所述传感器的所述预期信号以及所述传感器输出的信号，附加地控制所述系统的所述至少一个部件。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述获得之前的时间处，捕捉关于沿着所述行驶路径的所述行驶表面的信息。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，关于沿着所述行驶路径的所述行驶表面的信息包括道路表面的地形。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，基于关于所述行驶表面的信息来控制所述至少一个部件还包括：对关于沿着所述行驶路径的所述行驶表面的信息应用零相位滤波器。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，基于至少一个设定点来控制所述系统的所述至少一个部件包括：基于至少一个频率、增益或校准因子来控制所述系统的所述至少一个部件。
10.至少一个计算机可读存储介质，其上编码有可执行指令，所述可执行指令当由至少一个控制器执行时使所述至少一个控制器执行根据权利要求1至9中的任一项或任何组合所述的方法。
11.一种系统，包括：
至少一个控制器，所述至少一个控制器被配置成执行方法，所述方法包括：
获得关于沿着所述系统将在未来时间处行驶的行驶路径的行驶表面的信息；以及
基于关于所述行驶表面的信息，控制所述系统的至少一个部件经过所述行驶表面，其中，基于关于所述行驶表面的信息来控制所述至少一个部件包括：
将关于所述行驶系统的信息与关于所述系统的至少一个物理约束的信息进行比较；以及
基于与所述比较的结果相关的至少一个设定点来控制所述系统的所述至少一个部件。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，将关于所述行驶表面的信息与关于所述系统的至少一个物理约束的信息进行比较包括：
当与关于所述行驶表面的信息相关联的第一量值小于阈值量值时，应用具有第一滤波频率的第一滤波器；以及
当与关于所述行驶表面的信息相关联的第二量值大于所述阈值量值时，应用具有第二滤波频率的第二滤波器，所述第二滤波频率大于所述第一滤波频率。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述系统是汽车，并且控制所述系统的所述至少一个部件经过所述行驶表面包括：控制所述汽车的至少一个部件经过所述行驶表面。
14.根据权利要求13所述的系统，其中：
所述至少一个部件包括所述汽车的悬架；并且
所述系统的所述至少一个物理约束包括所述悬架的行驶限制。
15.根据权利要求11所述的系统，其中，基于关于所述行驶表面的信息来控制所述至少一个部件还包括：对关于沿着所述行驶路径的所述行驶表面的信息应用零相位滤波器。
16.一种方法，包括：
获得关于沿着系统将在未来时间处行驶的行驶路径的行驶表面的信息；以及
基于关于所述行驶表面的信息，控制所述系统的至少一个部件经过所述行驶表面，其中，基于关于所述行驶表面的信息来控制所述至少一个部件包括：
将关于所述行驶表面的信息的频率内容与阈值频率进行比较；以及
基于所述比较的结果来控制所述系统的所述至少一个部件。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，基于关于所述行驶表面的信息来控制所述至少一个部件还包括：
控制所述系统的所述至少一个部件跟踪低于阈值频率的频率内容；以及
控制所述系统的所述至少一个部件隔离高于所述阈值频率的频率内容。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述系统是汽车，并且控制所述系统的所述至少一个部件经过所述行驶表面包括：控制所述汽车的至少一个部件经过所述行驶表面。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述至少一个部件包括所述汽车的悬架。
20.根据权利要求16所述的方法，还包括：在过去时间处，捕捉关于沿着所述行驶路径的所述行驶表面的信息。
21.根据权利要求16所述的方法，其中，关于沿着所述行驶路径的所述行驶表面的信息包括道路表面的地形。
22.根据权利要求16所述的方法，其中，基于关于所述行驶表面的信息来控制所述至少一个部件还包括：对关于沿着所述行驶路径的所述行驶表面的信息应用零相位滤波器。
23.至少一个计算机可读存储介质，其上编码有可执行指令，所述可执行指令当由至少一个控制器执行时使所述至少一个控制器执行根据权利要求16至22中的任一项或任何组合所述的方法。
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