CN116749697A - 非道路多轴车辆的车高车姿与车轮支反力耦合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开非道路多轴车辆的车高车姿与车轮支反力耦合控制方法，涉及非道路多轴车辆主动悬架技术。所述车辆的每个车轮均配置一个具有轴向伸缩功能的执行机构，同时配置测量所述执行机构位移和载荷，以及车身俯仰、侧倾姿态的测量系统。所述控制方法首先测量车辆的承载与变形联合控制矩阵以及当前的状态参数；解算车辆当前的车高车姿和车轮支反力；根据驾驶员的俯仰、侧倾和高度控制期望，解算执行机构的车姿调节量；叠加车轮支反力的控制期望，解算执行机构的车高车姿与车轮支反力混合调节量；最后实施各执行机构的同步调节。本发明可解决任意轴数车辆的车高车姿与车轮支反力耦合控制，显著提升多轴车辆在复杂路面条件的通过性、机动性和稳定性。

Description

非道路多轴车辆的车高车姿与车轮支反力耦合控制方法

技术领域

本发明涉及主动悬架技术领域，特别涉及非道路多轴车辆的主动悬架技术领域。

背景技术

先进车辆的主动悬架系统及其控制方法应能实现行进间的车高车姿主动控制。而对于有广泛的非道路环境行驶需求的多轴(包括两轴及以上轴数)车辆，通过纵横坡、坑洼路、乱石废墟等极端地形时极易出现车轮支反力分配不理想，甚至一个或多个轮胎悬空或过载情况，造成附着力、牵引力不足，车身剧烈震荡，甚至车辆卡顿难以继续行驶。若能在复杂路面通行中实施车高车姿和车轮支反力的耦合控制，可大幅提升车辆复杂路面行进的通过性、机动性和稳定性。

US 2019/0359025 A1开了一种主动悬架控制系统和控制方法。该悬架通过传感器获取车辆与路面特征，检测车辆的俯仰和侧倾状态；当车辆超过水平阈值时，电子控制器控制可调悬架弹簧腔内压力实现车辆的水平控制，纠正车辆的俯仰和侧倾。车辆在水平状态时，通过压力传感器检测可调悬架弹簧腔内压力是否超过阈值，判断是否需要调节各腔内压力来使各车轮内的压力基本相等。不足之处是该控制系统的车身姿态和车轮压力是交替控制，而非混合、同步控制。

当前多轴车辆在复杂路面条件下的车高车姿和车轮支反力的耦合控制尚属空白。核心难题在于车辆悬架的主动控制属于超静定问题，任意车轮关联的执行机构的升降作动都将造成车高车姿改变，同时造成车轮支反力的重新分配。轴数越多，控制越复杂。如果对车高车姿和车轮支反力进行交替控制，在任一目标的迭代逼近过程中极易造成另一目标的显著改变，并进而产生对当前目标的扰动，造成控制精度、速度缺陷，甚至造成控制的失效。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明提出一种非道路多轴车辆的车高车姿与车轮支反力耦合控制方法。该控制方法以准确表征车辆固有的承载与变形耦合属性为前提，首先根据当前的状态参数解算车辆当前的车高车姿和车轮支反力；然后，根据驾驶员的俯仰、侧倾和高度控制期望，解算执行机构的车姿调节量；再次，叠加车轮支反力的控制期望，解算执行机构的车高车姿和车轮支反力混合调节量；最后，实施各执行机构的同步调节。理想情况下，任意轴数车辆通过复杂路面时可以同步达到所述的车高车姿和车轮支反力期望，从而大幅提升车辆通过复杂路面时的通过性、机动性和稳定性。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。非道路多轴车辆的车高车姿与车轮支反力耦合控制方法，所述车辆可具有2轴或以上的任意轴数m。所述车辆的车轮和车身通过主动悬架连接，所述主动悬架采用双横臂独立悬架构型，车身相对水平面的侧倾角与车轮相对纵向铅锤面的侧倾角一致。所述主动悬架为每个车轮配置一个具有轴向伸缩功能的执行机构，所述执行机构与减震器串接，所述减震器刚度已标定。值得注意的是，我们对所述执行机构的类型不加以限制，所述执行机构可以由流体系统或机电系统驱动。当利用流体系统进行驱动时，该流体可以是液压流体、压缩气体中的任一种。所述主动悬架的每个车轮及其附属的执行机构和减震器被赋予序号i，i＝1,2,...n,n为车轮数量。所述车辆配置有测量所述执行机构轴向伸缩位移的位移传感器和轴向力的力传感器，以及测量所述车身俯仰角、侧倾角的倾角传感器。所述车辆的驾驶舱内配置有俯仰、侧倾、高度和车轮支反力调节开关，以及有输入、输出功能的显示屏，允许驾驶员输入俯仰、侧倾、高度调节基准值以及各车轮的支反力占比。所述控制方法指定了若干反映车轮、悬架和车身姿态的关键节点，包括但不限于车轮底面中心点和车轮轮廓点、主动悬架的上止点和下止点、双横臂的各铰接点、以及由车身纵向参考线与主动悬架横截面交点定义的车高参考点。所述控制方法以车辆行驶在高低起伏的非道路环境为前提，所述控制方法的具体步骤如下：

步骤1：预先构造承载与变形联合控制基础矩阵：将车姿水平、车高已知的车辆置于水平良好路面；驱动第i个所述执行机构主动伸长，并由对应的所述位移传感器实时测量，直至产生单位位移，期间保持其他执行机构不主动调节；由所述力传感器测量每个所述执行机构的轴向力的增量，将其视为相应车轮支反力的增量，按照从1到n的次序将所述车轮支反力的增量依次存放入矩阵第i列的第1到n行。

同时，由所述倾角传感器测量所述车身的侧倾角和俯仰角增量，按照从上到下的次序将所述增量依次存放入所述矩阵第i列的第n+1到n+2行。

依次驱动各执行机构，并执行上述测量和数据存放，直至构造出承载与变形联合控制基础矩阵如公式1

步骤2：由所述倾角传感器实时测量所述车身当前的俯仰角和侧倾角，由所述位移传感器实时测量所述执行机构当前的轴向伸缩位移，由所述力传感器实时测量所述执行机构当前的轴向力；

步骤3：确定各车轴的各关键节点的局部坐标函数，具体包括：基于所述车辆任一侧的各车轮，按照从第1轴至第m轴的顺序依次建立各车轴的局部直角坐标系o_ix_iy_iz_i，i＝1,2,...,m，其中o点始终定位于车轮最低点，yz坐标面随动地与各车轴主动悬架的横截面平行，x轴与yz坐标面垂直，指向车辆前进方向，y轴水平向左，z轴向上；在各轴的所述局部直接坐标系内，基于车身侧倾角、车轴双横臂相对车身的转角依次建立各车轴的各所述关键节点的局部坐标函数；

步骤4：确定各车轴两侧主动悬架的上止点和下止点之间的距离：由所述执行机构当前的轴向伸缩位移确定各执行机构的绝对长度，进而确定各车轴两侧主动悬架的上止点和下止点之间的距离；

步骤5：求解各车轴两侧双横臂相对车身的转角：根据所述各车轴两侧主动悬架的上止点和下止点之间的距离，求解各车轴两侧双横臂相对车身的转角；

步骤6：确定全部关键节点在局部直角坐标系中的坐标：将所述各车轴两侧双横臂相对车身的转角代入各车轴的各关键节点的局部坐标函数，确定全部关键节点在相应局部直角坐标系中的坐标，简称局部坐标；

步骤7：确定全部关键节点在全局坐标系中的坐标，简称全局坐标，具体包括：

以任一车轴的局部直角坐标系原点为原点建立全局坐标系OXYZ，X轴水平指向所述车辆前方，Y轴水平向左，Z轴竖直向上；根据所述倾角传感器测量的车身的俯仰角，以及全局坐标系所在车轴的各关键节点的局部坐标，确定该轴的各关键节点的全局坐标。

根据所述倾角传感器测量的车身俯仰角，确定其他各车轴所述车高参考点的全局坐标；根据其他各关键节点的局部坐标以及相应车高参考点的全局坐标计算其全局坐标；

步骤8：判断车轮是否全部触地，实施触地调节：若为否，即有车轮悬空，则驱动悬空车轮关联的执行机构作动，直至全部车轮均与地面接触；若为是，即全部车轮触地，则重新调用所述步骤2至所述步骤6，重新计算全部关键节点的局部坐标；

步骤9：构造承载与变形联合控制修正矩阵：根据全部关键节点的局部坐标计算当前状态下各所述执行机构相对车身纵向铅锤面的角度；将所述承载与变形联合控制基础矩阵中的各车轮支反力的增量分别除以相应执行机构相对车身纵向铅锤面的角度；将所述承载与变形联合控制基础矩阵中的各侧倾角和俯仰角增量分别除以主动伸长的执行机构相对车身纵向铅锤面的角度；由此得到承载与变形联合控制修正矩阵如下

公式2中σ_j为第j个执行机构相对车身纵向铅锤面的角度，σ_i为第i个主动伸长的执行机构相对车身纵向铅锤面的角度；

步骤10：检测驾驶员的俯仰、侧倾和高度调节指令；拾取驾驶员输入或内部存储器预存的所述俯仰、侧倾和高度调节的基准值；

步骤11：解算执行机构的车姿调节量，具体包括：

根据所述俯仰角基准值、高度调节基准值，以及当前各车高参考点在相应的局部直角坐标系中的z轴坐标，确定主动控制后各车高参考点预期达到的z轴坐标；令主动控制后各车高参考点预期要达到的z轴坐标等于相应车高参考点的z轴局部坐标函数。

同时，令各车轴局部直角坐标系原点所在车轮的对侧车轮的底面中心点的z轴坐标等于该点的z轴局部坐标函数。

根据上述等式求解主动控制后各车轴的两侧双横臂相对车身的转角。

将所述各车轴两侧双横臂相对车身的转角代入各车轴关键节点的坐标函数，计算主动控制后各车轴两侧主动悬架的上止点和下止点坐标，进而确定执行机构需要的车姿调节量；

步骤12：构建车姿与车轮支反力耦合控制方程，具体包括：

根据车轮支反力调节指令计算所述各执行机构的可行最优轮荷：首先，给出车轮支反力调节期望F_i ^s，以车轮支反力F_i与车轮支反力调节期望F_i ^s的均方差最小为优化目标，以力学平衡条件为约束，解算出车轮支反力期望初值F_i ^*1。由于该方法是以所有车轮支反力的均方差最小值为优化目标，所以解算得到的结果对于某些特殊的车轮支反力分配期望未必能得到全局最优解，故而对其进一步优化。因此，以所述车轮支反力期望初值F_i ^*1为优化初值，设定车轮支反力的有效优化范围，进而以力学平衡条件为约束，继续优化解算得出所述可行最优轮荷F_i ^*。

基于所述承载与变形联合控制修正矩阵，所述可行最优轮荷，所述俯仰、侧倾调节基准值建立车姿与车轮支反力耦合控制方程如下

公式3中F^c为当前车轮支反力的列向量，F^*为可行最优轮荷的列向量，θ^*为侧倾和俯仰预期调节量，θ^c为侧倾和俯仰当前量，θ^*-θ^c即为侧倾和俯仰调节基准值构成的列向量；

步骤13：解算执行机构的车姿与车轮支反力混合调节量：求解所述公式3，将公式3所得结果通过以下公式修正即可得到车高车姿与车轮支反力混合调节量

公式4中{e_i}_r为所述车姿调节量的列向量，{e_i}_c为求解公式3得到的调节量列向量，为{e_i}_c的平均值；σ_i当前状态下各所述执行机构相对车身纵向铅锤面的角度；{e_i}_f即为车高车姿与车轮支反力混合调节量；

步骤14：控制全部执行机构同步实施主动伸缩调节：主动悬架控制系统驱动全部执行机构同步实施主动伸缩调节，于下一时刻同时完成所述伸缩调节量，即完成了车高车姿与车轮支反力的混合调节；

步骤15：循环检测驾驶员的调节指令是否停止：若仍存在调节指令，则跳转至步骤2继续执行；若是，则结束主动控制。

本发明的另一方面在于所述的非道路多轴车辆的车高车姿与车轮支反力耦合控制方法，在显式屏内实时输出的车高车姿信息通过调用步骤2至步骤7实现。

本发明的有益效果如下：

1.对于两轴或两轴以上的任意轴数车辆，该非道路多轴车辆的车高车姿与车轮支反力耦合控制方法都可以实现车高车姿和车轮支反力的同步、主动控制。在复杂路面情况下，保证车高车姿实时追逐目标车高车姿的同时，车轮支反力同步达到可行车轮支反力期望，降低触地支反力引起的车高车姿扰动，并最大化牵引效果，为车辆通过复杂路面提供灵活、高效、稳定、安全的悬架控制方法，显著提升任意轴数车辆的通过性、机动性和稳定性。

2.该非道路多轴车辆的车高车姿与车轮支反力耦合控制方法以准确表征车辆固有的承载与变形耦合属性为前提，从原理上提供了一种无需迭代即可实现车高车姿和车轮支反力同步达到目标期望的主动控制方法，该方案有效避免了当前控制方案反复测量车高车姿与车轮支反力，进而循环判断、迭代控制造成的耗时、振荡，甚至不收敛的不足。同时，该方案不需要庞大的感知力、计算力和响应速度需求；是一种高性价比、高效、可靠的控制方法。

3.针对这个悬架的构型，车姿与车轮支反力耦合控制方程解算的调节量有姿态、载荷同步控制效果，但精度有限，所以，配合精度较高的车姿调节量和精度较低的耦合调节量达到较精确姿态目标下的载荷同步控制。

附图说明

图1为本发明非道路多轴车辆的车高车姿与车轮支反力耦合控制方法的控制方法流程图；

图2为本发明非道路多轴车辆的车高车姿与车轮支反力耦合控制方法的车辆结构原理图；

图3为本发明非道路多轴车辆的车高车姿与车轮支反力耦合控制方法的控制系统框图；

图4为本发明非道路多轴车辆的车高车姿与车轮支反力耦合控制方法的坐标系设定图；

图5为本发明非道路多轴车辆的车高车姿与车轮支反力耦合控制方法的关键节点设定图；

图6为本发明非道路多轴车辆的车高车姿与车轮支反力耦合控制方法的车高参考点图。

图中：1、车辆；2、车轮；3、车身；4、主动悬架；5、横臂；6、执行机构；7、减震器；8、地面；9、位移传感器；10、力传感器；11、倾角传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。以下内容尤其是以图2、图3所示的3轴独立悬架车辆的执行系统、传感系统和控制系统，以及图1所示的控制方法流程图为实施例对非道路多轴车辆的车高车姿与车轮支反力耦合控制方法进行针对性说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

非道路多轴车辆的车高车姿与车轮支反力耦合控制方法，所述车辆1可具有2轴或以上的任意轴数m，也就是说所述控制方法适用于具有2轴或以上任意轴数的非道路车辆。所述车辆1的车轮2和车身3通过主动悬架4连接，所述主动悬架4采用双横臂独立悬架构型，车身3相对水平面的侧倾角与车轮2相对纵向铅锤面的侧倾角一致。所述主动悬架4为每个车轮2配置一个具有轴向伸缩功能的执行机构6，所述执行机构6与减震器7串接，所述减震器7的刚度已标定。所述主动悬架4的每个车轮2及其附属的执行机构6和减震器7被赋予统一的序号i，i＝1,2,...n,n为车轮2的数量。所述车辆1配置有测量所述执行机构6轴向伸缩位移的位移传感器9和轴向力的力传感器10，以及测量所述车身3俯仰角、侧倾角的倾角传感器11。所述车辆1的驾驶舱内配置有俯仰、侧倾、高度和车轮支反力调节开关，以及有输入、输出功能的显示屏，允许驾驶员输入俯仰、侧倾、高度调节基准值以及各车轮2的支反力占比。所述控制方法指定了若干反映车轮2、主动悬架4和车身3的姿态的关键节点，包括但不限于车轮2底面中心点E和车轮2轮廓点，主动悬架4的上止点G、I和下止点F、H，双横臂5的各铰接点A、B、C，以及由车身3纵向参考线与主动悬架4横截面交点定义的车高参考点T。需要说明的是，在针对任意车轴的计算中，所述的关键节点以无下标形式给出；而在各车轴之间的位置关系计算中，所述的关键节点以含有下标的形式给出。下标的1、2、3分别对应了图6所示3轴独立悬架车辆的第1、2、3轴。

所述控制方法以车辆行驶在高低起伏的非道路环境为前提，包括以下步骤：

步骤101：预先构造承载与变形联合控制基础矩阵：将车姿水平、车高已知的车辆1置于水平、良好路面；驱动第i个所述执行机构6主动伸长，并由对应的所述位移传感器9实时测量，直至产生单位位移，期间保持其他执行机构6不主动调节；由所述力传感器10测量每个所述执行机构6的轴向力的增量，将其视为相应车轮支反力的增量，按照从1到n的次序将所述车轮支反力的增量依次存放入矩阵第i列的第1到n行。

同时，由所述倾角传感器11测量所述车身3的侧倾角和俯仰角增量，按照从上到下的次序将所述增量依次存放入所述矩阵第i列的第n+1到n+2行。

依次驱动各执行机构6，并执行上述测量和数据存放，直至构造出承载与变形联合控制基础矩阵如公式1

步骤102：由所述倾角传感器11实时测量所述车身3当前的俯仰角和侧倾角，由所述位移传感器9实时测量所述执行机构6当前的轴向伸缩位移，由所述力传感器10实时测量所述执行机构6当前的轴向力；

步骤103：确定各车轴的各关键节点的局部坐标函数，具体包括：基于所述车辆1任一侧的各车轮，按照从第1轴至第m轴的顺序依次建立各车轴的局部直角坐标系o_ix_iy_iz_i，i＝1,2,...,m，其中o点始终定位于车轮的最低点，yz坐标面随动地与各车轴主动悬架4的横截面平行，x轴与yz坐标面垂直，指向车辆前进方向，y轴水平向左，z轴向上；在各轴的所述局部直接坐标系内，基于车身3侧倾角α、双横臂5相对车身3的转角β和γ，依次建立各车轴的各所述关键节点的局部坐标函数。例如参照图5所示，根据坐标变换理论，关键节点A在局部直角坐标系o₃x₃y₃z₃中的坐标满足公式2

公式2中r_w为车轮半径，r_f为双横臂高差的1/2，Rot(x,α)为坐标转换矩阵，满足公式3

关键节点B在局部直角坐标系o₃x₃y₃z₃中坐标可根据关键节点A的局部坐标递推得到，满足公式4

公式4中l_d为横臂长度，β为右侧双横臂相对车身3的转角。

各车轴的各关键节点的坐标函数均可由上述方法依此类推，可以理解所述关键节点在相应局部直角坐标中的坐标是各车轴双横臂5相对车身3的转角β和γ的函数；

步骤104：确定各车轴两侧主动悬架4的上止点和下止点之间的距离，具体包括：

由所述执行机构6当前的轴向伸缩位移确定各执行机构6的绝对长度，进而确定各执行机构6的绝对长度；

由所述力传感器10测量各车轴的各减震器7的轴向力，进而根据其刚度特性确定各减震器7的绝对长度。

合并二者确定各车轴的两侧所述主动悬架4的上止点和下止点之间的距离，即L_GF和L_HI；

步骤105：求解各车轴两侧双横臂5相对车身3的转角β和γ：

一种方式，可以针对各车轴所述主动悬架4，根据各车轴两侧所述主动悬架4的上止点和下止点的坐标函数以及确定的所述上止点和下止点间的距离建立方程组，求解各车轴两侧的双横臂5相对车身3的转角β和γ。

另一种方式，可以根据L_GF，关键节点G、B长度L_GB，关键节点F、B长度L_FB，依据三角形角度计算公式可求解转角β；根据L_HI，关键节点I、C长度L_IC，关键节点C、H长度L_CH，依据三角形角度计算公式可求解转角γ；

步骤106：确定全部关键节点在局部直角坐标系中的坐标：可以理解，将算得的所述各车轴两侧双横臂5相对车身3的转角β和γ代入各车轴各所述关键节点的坐标函数，即可确定全部关键节点在相应的局部直角坐标系中的坐标；

步骤107：确定全部关键节点在全局坐标系中的坐标，具体包括：

以任一车轴的局部直角坐标系原点为原点建立全局坐标系OXYZ，X轴水平指向车辆前方，Y轴水平向左，Z轴竖直向上；根据所述倾角传感器11测量的车身3的俯仰角以及全局坐标系所在车轴的各关键节点的局部坐标，确定该车轴的各关键节点的全局坐标。参照图4与图6，全局坐标系OXYZ与局部直角坐标系o₃x₃y₃z₃位于同一车轴，第3轴的关键节点G，记为G₃，它的全局坐标可通过公式5求得

公式5中为坐标转换矩阵，满足公式6

根据所述倾角传感器11测量的车身3俯仰角确定其他各车轴所述车高参考点的全局坐标。以第2轴为例，该轴车高参考点T₂的全局坐标满足公式7

根据其他各关键节点的局部坐标以及相应车高参考点的全局坐标计算其全局坐标。以第2轴为例，该轴的关键节点G，记为G₂，的全局坐标满足公式8

步骤108：判断车轮2是否全部触地，实施触地调节：若为否，即有车轮2悬空，则驱动悬空车轮2关联的执行机构6作动，直至全部车轮2均与地面8接触；若为是，即全部车轮2触地，则重新调用所述步骤2至所述步骤6，重新计算全部关键节点的局部坐标；

步骤109：构造承载与变形联合控制修正矩阵：根据全部关键节点的局部坐标计算当前状态下各所述执行机构6相对车身纵向铅锤面的角度；将所述承载与变形联合控制基础矩阵中的各车轮支反力的增量分别除以相应执行机构6相对车身纵向铅锤面的角度；将所述承载与变形联合控制基础矩阵中的各侧倾角和俯仰角增量分别除以主动伸长的执行机构6相对车身纵向铅锤面的角度；由此得到承载与变形联合控制修正矩阵如下

公式9中σ_j为第j个执行机构6相对车身纵向铅锤面的角度，σ_i为第i个主动伸长的执行机构6相对车身纵向铅锤面的角度；

步骤110：检测驾驶员的俯仰、侧倾和高度调节指令；拾取驾驶员输入或内部存储器预存的所述俯仰、侧倾和高度调节的基准值；

步骤111：解算执行机构6的车姿调节量，具体包括：

根据所述俯仰角基准值、高度调节基准值，以及当前各车高参考点在相应的局部直角坐标系中的z轴坐标，确定主动控制后各车高参考点预期达到的z轴坐标。

以图6所示车身参考点T₂为例，假设驾驶员同时触发了俯低、左倾和升高调节指令，且俯仰、侧倾和高度调节的基准值为默认值，则主动控制后车身参考点T₂的z轴坐标满足其中△z为高度调节基准值，k₁为升降指针，升高调节时k₁＝1，降低调节时k₁＝-1；/>为俯仰角调节基准值，k₂为俯仰指针，俯低调节时k₂＝-1，仰高调节时k₂＝1。

令所述主动控制后各车高参考点预期要达到的z轴坐标等于相应车高参考点的z轴坐标函数；同时，令各车轴局部直角坐标系原点所在车轮2的对侧车轮2的底面中心点，即E点的z轴坐标等于该点的z轴坐标函数。应当注意的是，所述车高参考点的z轴坐标函数和所述对侧车轮底面中心点的z轴坐标函数为各车轴双横臂5相对车身3的转角β和γ的函数。根据上述等式即可求解主动控制后各车轴的两侧双横臂相对车身3的转角。

将所述各车轴两侧双横臂相对车身3的转角代入步骤103，计算主动控制后各车轴两侧主动悬架的上止点和下止点坐标。根据主动控制后各车轴两侧主动悬架的上止点和下止点坐标计算主动控制后上止点和下止点之间的距离，并将其与当前上止点和下止点之间的距离相减，即可确定全部执行机构需要的车姿调节量；

步骤112：构建车姿与车轮支反力耦合控制方程，具体包括：

主动悬架控制器或驾驶员需定义适配路面形貌特征的车轮支反力调节指令，即车轮支反力调节期望F_i ^s；然后，以车轮支反力F_i与车轮支反力分配期望F_i ^s的均方差最小为优化目标，以力学平衡条件为约束，利用如公式10所示优化模型解算出车轮支反力期望初值F_i ^*1

在公式10中，F_i ^s＝F_i ^*为对某些重点关注车轮2设定的强制车轮支反力期望，为对其他一般性车轮2设定的均匀性车轮支反力期望，其中p为有强制车轮支反力分配的车轮2数量，G为车辆总重。/>分别为车辆1的垂向力平衡约束，绕x轴和绕y轴的力矩平衡约束。

对公式10进行求解可求得的各车轮的车轮支反力期望初值F_i ^*1。然而，由于该方法是以所有车轮支反力的均方差最小为目标，所以解算得到的结果对于某些特殊的车轮支反力分配期望未必能得到全局最优解，故而需要对其进一步优化。因此，还需要以所述车轮支反力期望初值F_i ^*1为优化初值，设定车轮支反力的有效优化范围F_i ^lb≤F_i≤F_i ^ub，并仍以力学平衡条件为约束，调用优化算法解算得出可行最优轮荷F_i ^*，i＝1,2,...n。

基于所述承载与变形联合控制修正矩阵，所述可行最优轮荷，所述俯仰、侧倾调节基准值建立车姿与车轮支反力耦合控制方程如公式11

公式11中F^c为当前车轮支反力的列向量，F^*为可行最优轮荷的列向量，θ^*为侧倾和俯仰预期调节量，θ^c为侧倾和俯仰当前量，θ^*-θ^c即为侧倾和俯仰调节基准值构成的列向量；

步骤113：解算执行机构6的车姿与车轮支反力混合调节量：求解所述公式11；将公式11所得结果通过以下公式12修正即可得到车高车姿与车轮支反力混合调节量

公式12中{e_i}_r为所述车姿调节量的列向量，{e_i}_c为求解公式11得到的调节量列向量，为{e_i}_c的平均值；σ_i当前状态下各所述执行机构6相对车身纵向铅锤面的角度；{e_i}_f即为车高车姿与车轮支反力混合调节量；

步骤114：控制全部执行机构6同步实施主动伸缩调节：所述主动悬架控制器调用所述控制方法，首先在所述显式屏内以图形化和数字化的形式输出所述车辆当前的车轮、悬架和车身姿态信息，以及根据各执行机构的轴向力解算的车轮载荷信息；然后驱动各执行机构同步实施主动伸缩调节，于下一时刻同时完成所述伸缩调节量，即完成了车高车姿与车轮支反力的混合调节；

步骤115：循环检测驾驶员的调节指令是否停止：若仍存在调节指令，则跳转至步骤2继续执行；若是，则结束主动控制。

2.如权利要求1所述的非道路多轴车辆的车高车姿与车轮支反力耦合控制方法，通过调用步骤2至步骤7在显式屏内以图形化的形式实时输出所述车辆1的车高车姿信息。

最后应说明的是，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 (2)

1.非道路多轴车辆的车高车姿与车轮支反力耦合控制方法，所述车辆可具有2轴或以上的任意轴数m；所述车辆的车轮和车身通过主动悬架连接，所述主动悬架采用双横臂独立悬架构型，车身相对水平面的侧倾角与车轮相对纵向铅锤面的侧倾角一致；所述主动悬架为每个车轮配置有一个具有轴向伸缩功能的执行机构，所述执行机构与减震器串接，所述减震器刚度已标定；所述主动悬架的每个车轮及其附属的执行机构和减震器被赋予序号i，i＝1,2,...n,n为车轮数量；所述车辆配置有测量所述执行机构轴向伸缩位移的位移传感器和轴向力的力传感器，以及测量所述车身俯仰角、侧倾角的倾角传感器；所述车辆的驾驶舱内配置有俯仰、侧倾、高度和车轮支反力调节开关，以及有输入、输出功能的显示屏，允许驾驶员输入俯仰、侧倾、高度调节基准值以及各车轮的支反力占比；所述控制方法指定了若干反映车轮、悬架和车身姿态的关键节点，包括但不限于车轮底面中心点和车轮轮廓点、主动悬架的上止点和下止点、双横臂的各铰接点、以及由车身纵向参考线与主动悬架横截面交点定义的车高参考点；所述控制方法以车辆行驶在高低起伏的非道路环境为前提，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：预先构造承载与变形联合控制基础矩阵：将车姿水平、车高已知的车辆置于水平良好路面；驱动第i个所述执行机构主动伸长，并由对应的所述位移传感器实时测量，直至产生单位位移，期间保持其他执行机构不主动调节；由所述力传感器测量每个所述执行机构的轴向力的增量，将其视为相应车轮支反力的增量，按照从1到n的次序将所述车轮支反力的增量依次存放入矩阵第i列的第1到n行；

同时，由所述倾角传感器测量所述车身的侧倾角和俯仰角增量，按照从上到下的次序将所述增量依次存放入所述矩阵第i列的第n+1到n+2行；

依次驱动各执行机构，并执行上述测量和数据存放，直至构造出承载与变形联合控制基础矩阵如公式1

步骤2：由所述倾角传感器实时测量所述车身当前的俯仰角和侧倾角，由所述位移传感器实时测量所述执行机构当前的轴向伸缩位移，由所述力传感器实时测量所述执行机构当前的轴向力；

步骤3：确定各车轴的各关键节点的局部坐标函数，具体包括：基于所述车辆任一侧的各车轮，按照从第1轴至第m轴的顺序依次建立各车轴的局部直角坐标系o_ix_iy_iz_i，i＝1,2,...,m，其中o点始终定位于车轮最低点，yz坐标面随动地与各车轴主动悬架的横截面平行，x轴与yz坐标面垂直，指向车辆前进方向，y轴水平向左，z轴向上；在各轴的所述局部直接坐标系内，基于车身侧倾角、双横臂相对车身的转角依次建立各车轴的各所述关键节点的局部坐标函数；

步骤4：确定各车轴两侧主动悬架的上止点和下止点之间的距离：由所述执行机构当前的轴向伸缩位移确定各执行机构的绝对长度，进而确定各车轴两侧主动悬架的上止点和下止点之间的距离；

步骤5：求解各车轴两侧双横臂相对车身的转角：根据所述各车轴两侧主动悬架的上止点和下止点之间的距离，求解各车轴两侧双横臂相对车身的转角；

步骤6：确定全部关键节点在局部直角坐标系中的坐标：将所述各车轴两侧双横臂相对车身的转角代入各车轴的各关键节点的局部坐标函数，确定全部关键节点在相应局部直角坐标系中的坐标，简称局部坐标；

步骤7：确定全部关键节点在全局坐标系中的坐标，简称全局坐标，具体包括：

以任一车轴的局部直角坐标系原点为原点建立全局坐标系OXYZ，X轴水平指向所述车辆前方，Y轴水平向左，Z轴竖直向上；根据所述倾角传感器测量的车身的俯仰角，以及全局坐标系所在车轴的各关键节点的局部坐标，确定该轴的各关键节点的全局坐标；

根据所述倾角传感器测量的车身俯仰角，确定其他各车轴所述车高参考点的全局坐标；根据其他各关键节点的局部坐标以及相应车高参考点的全局坐标计算其全局坐标；

步骤8：判断车轮是否全部触地，实施触地调节：若为否，即有车轮悬空，则驱动悬空车轮关联的执行机构作动，直至全部车轮均与地面接触；若为是，即全部车轮触地，则重新调用所述步骤2至所述步骤6，重新计算全部关键节点的局部坐标；

步骤9：构造承载与变形联合控制修正矩阵：根据全部关键节点的局部坐标计算当前状态下各所述执行机构相对车身纵向铅锤面的角度；将所述承载与变形联合控制基础矩阵中的各车轮支反力的增量分别除以相应执行机构相对车身纵向铅锤面的角度；将所述承载与变形联合控制基础矩阵中的各侧倾角和俯仰角增量分别除以主动伸长的执行机构相对车身纵向铅锤面的角度；由此得到承载与变形联合控制修正矩阵如下

公式2中σ_j为第j个执行机构相对车身纵向铅锤面的角度，σ_i为第i个主动伸长的执行机构相对车身纵向铅锤面的角度；

步骤10：检测驾驶员的俯仰、侧倾和高度调节指令；拾取驾驶员输入或内部存储器预存的所述俯仰、侧倾和高度调节的基准值；

步骤11：解算执行机构的车姿调节量，具体包括：

根据所述俯仰角基准值、高度调节基准值，以及当前各车高参考点在相应的局部直角坐标系中的z轴坐标，确定主动控制后各车高参考点预期达到的z轴坐标；令主动控制后各车高参考点预期要达到的z轴坐标等于相应车高参考点的z轴局部坐标函数；

同时，令各车轴局部直角坐标系原点所在车轮的对侧车轮的底面中心点的z轴坐标等于该点的z轴局部坐标函数；

根据上述等式求解主动控制后各车轴的两侧双横臂相对车身的转角；

将所述各车轴两侧双横臂相对车身的转角代入各车轴关键节点的坐标函数，计算主动控制后各车轴两侧主动悬架的上止点和下止点坐标，进而确定执行机构需要的车姿调节量；

步骤12：构建车姿与车轮支反力耦合控制方程，具体包括：

根据车轮支反力调节指令计算可行最优轮荷；

基于所述承载与变形联合控制修正矩阵，所述可行最优轮荷，所述俯仰、侧倾调节基准值建立车姿与车轮支反力耦合控制方程如下

公式3中F^c为当前车轮支反力的列向量，F^*为可行最优轮荷的列向量，θ^*为侧倾和俯仰预期调节量，θ^c为侧倾和俯仰当前量，θ^*-θ^c即为侧倾和俯仰调节基准值构成的列向量；

步骤13：解算执行机构的车姿与车轮支反力混合调节量：求解所述公式3；将公式3所得结果通过以下公式修正即可得到车高车姿与车轮支反力混合调节量

公式4中{e_i}_r为所述车姿调节量的列向量，{e_i}_c为求解公式3得到的调节量列向量，为{e_i}_c的平均值；σ_i当前状态下各所述执行机构相对车身纵向铅锤面的角度；{e_i}_f即为车高车姿与车轮支反力混合调节量；

步骤14：控制全部执行机构同步实施主动伸缩调节：主动悬架控制系统驱动全部执行机构同步实施主动伸缩调节，于下一时刻同时完成所述伸缩调节量，即完成了车高车姿与车轮支反力的混合调节；

步骤15：循环检测驾驶员的调节指令是否停止：若仍存在调节指令，则跳转至步骤2继续执行；若是，则结束主动控制。

2.如权利要求1所述的非道路多轴车辆的车高车姿与车轮支反力耦合控制方法，通过调用步骤2至步骤7在显式屏内以图形化的形式实时输出所述车辆的车高车姿信息。