CN116766853A

CN116766853A - 主动悬架车辆及其控制方法

Info

Publication number: CN116766853A
Application number: CN202310236995.0A
Authority: CN
Inventors: 张帆; 蔡金田; 李褚; 刚宪约; 李丽君; 焦学健
Original assignee: Shandong University of Technology
Current assignee: Shandong University of Technology
Priority date: 2023-03-13
Filing date: 2023-03-13
Publication date: 2023-09-19

Abstract

本发明公开主动悬架车辆及其控制方法。所述主动悬架车辆的每个车轮均配置有一个具有伸缩调节功能的主动执行机构。所述控制方法首先构造车辆的承载与变形联合控制矩阵，并测量当前的车体状态参数；由前路预瞄系统确定当前时刻的下一时刻各车轮即将承受的垂向位移激励，超前解算所述下一时刻的车高车姿与轮荷的被动响应；确定同一时刻的车高车姿和可行轮荷期望，并逆向解算车辆行驶到该垂向位移激励时的悬架主动调节量；最后通过主动调节使行驶中的车辆实时追逐所述的车高车姿和可行轮荷期望。本发明可实施任意轴数车辆行进间的车高车姿和轮荷分配的同步、主动控制，显著提升车辆在复杂路面下的通过性、机动性和稳定性。

Description

主动悬架车辆及其控制方法

技术领域

本发明属于主动悬架技术领域，特别涉及多轴车辆复杂路面行进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。对于有广泛的非道路环境行驶需求的多轴(包括两轴及以上任意轴数)车辆，包括乘用越野车、中型和重型商用车、军用轮式车辆等，在通过纵横坡、坑洼路、乱石废墟等极端地形时有着迫切的车身高度主动升降，俯仰和侧倾姿态主动调节需求。然而，车辆作为超静定乃至高次超静定系统，车高车姿主动控制中极易出现各车轮的轮荷分配不理想，甚至个别车轮悬空或过载的情况，造成非道路环境行进中的附着力、牵引力不足，车体剧烈震荡，从而严重影响车辆的通过性、机动性和稳定性。若能在复杂路面通行中同步的实施车高车姿以及各车轮载荷的主动控制，对于大幅提升车辆复杂路面行进的通过性、机动性和稳定性具有重要意义。

例如，CN110901325A公开了一种主动悬架控制方法，在车辆行驶的过程中，对前方道路进行观测获取道路不平度曲线，并对车辆行驶至该路面具备平顺性所应保持的自身姿态进行预估，得到车身姿态期望值；主动悬架控制器根据路面不平度曲面计算补偿信息，并结合当前车辆姿态，计算得到悬架调节指令；当车辆行驶至该处不平路面时，主动悬架控制器向底盘控制器发送悬架调节指令；底盘控制器控制各个悬架的作动机构对相对应的悬架进行独立调节，从而使车辆能够适应路面起伏变化，保持良好的整车平顺性，提高车辆乘坐舒适性。

另外，US2019/0359025Al公开了另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，判断车辆是否超过水平阈值；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轮胎内的压力基本相等。值得注意的是，该控制系统的水平控制和压力平衡控制是交替作用，无法进行车姿和轮荷的同步控制。

可以看出，当前的主动悬架系统及其控制方法主要关注车高车姿的主动控制，具有一定的行驶稳定性提升能力。然而，当前技术尚未能实现车高车姿和轮荷的同步、主动控制，尤其是多轴车辆复杂路面条件下车高车姿和轮荷的同步、主动控制尚属空白。核心难题在于，车辆悬架的主动控制属于超静定问题，且随轴数增多超静定次数逐渐提高，任意车轮关联的主动执行机构的升降作动都将造成车高车姿改变，并同时造成全部车轮的载荷重分配。轴数越多，控制难度越复杂。有鉴于此，本发明提出一种能够实现车高车姿和轮荷分配同步、主动控制的主动悬架系统及其控制方法，实现任意轴数车辆灵活且普适的行进间主动悬架控制，突破任意轴数车辆非道路环境行进的通过性、机动性和稳定性瓶颈。

发明内容

本发明提出一种能够实现任意轴数车辆的车高车姿和轮荷分配同步、主动控制的主动悬架车辆及其控制方法。该主动悬架车辆的每个车轮均配置有一个具有伸缩调节功能的主动执行机构，进而依托控制在行驶中对所述主动执行机构实施主动伸缩调节以实现车辆通过复杂路面时车高车姿实时追逐车高车姿期望，与此同时车轮的轮荷分配同步追逐可行轮荷期望。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，在车辆行驶的过程中，首先超前解算下一时刻车高车姿与车轮载荷的被动响应；进而确定同一时刻的车高车姿和可行轮荷期望，并逆向解算同一时刻车辆行驶到相应路面形貌特征时车辆达到所述车高车姿和可行轮荷期望需要的悬架主动调节量；最后同步控制车辆行驶和悬架主动调节。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可行轮荷期望，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。

本发明的一个方面在于所述的主动悬架车辆的车桥轴数可以是两轴或两轴以上任意轴数，所述主动悬架车辆的车轮和车桥通过主动悬架系统与车体连接，每个所述车轮均配置有所述主动悬架系统的一个主动执行机构，所述主动执行机构具有伸缩调节功能，并分别被赋予序号1～n。

传感系统作为控制系统的输入端，主要包括车体状态测量系统、前路预瞄系统、车速测量系统、行驶测量系统。所述车体状态测量系统配置测量车体侧倾角、俯仰角、偏航角及其相应加速度的姿态传感器，测量每个所述主动执行机构的垂向支撑载荷的力传感器，并将车轮载荷定义为所述垂向支撑载荷的函数，测量每个所述主动执行机构的伸缩位移的位移传感器，并将车体高度定义为所述伸缩位移的函数。所述前路预瞄系统配置有测量第一车桥的车轮以前直至至少一倍车长的纵向距离，车辆纵向前方至少120°水平视角范围内的路面形貌特征的传感器。所述车速测量系统配置有安装于第一车桥和末尾车桥两侧车轮的轮速传感器，并有各车轮上对应的所述力传感器配合，系统根据所述力传感器的信号判断对应车轮是否空载滑转，进而基于非空载车轮的轮速确定行驶车速。值得注意的是，当前所述车速测量系统配置的轮速传感器仅为最小配置，随着轴数增多还可配置更多的轮速传感器来准确的确定行驶车速。所述行驶测量系统配置测量方向盘、油门和刹车等驾驶员输入的传感器，并结合所述车体状态测量系统、车速测量系统测量得到的车体状态及运动参数，确定未来的行驶和转向参数。所述主动悬架车辆的各车轮未来驶过路径与驶过时间的关系由所述车体状态测量系统、前路预描系统、车速测量系统、行驶测量系统联合规划确定，并将各车轮未来的垂向位移激励定义为所述未来驶过路径上的路面形貌特征和驶过时间的数据阵列。所述主动悬架车辆未来的车高车姿和轮荷分配期望是预定义的适配未来驶过路径的形貌特征的数据阵列，由所述控制系统基于所述未来驶过路径上的路面形貌特征和驶过时间，以及所述车体当前时刻的车高车姿和车轮载荷确定。值得注意的是，所述传感系统并不局限于当前所述配置，以任何方式获取所需信号的仪器设备及方法都应包含在权利要求范围内。主动悬架系统作为控制系统的输出端，所述主动执行机构的伸缩调节量由所述控制系统调用所述控制方法确定，在行驶中对所述主动执行机构实施主动伸缩调节以便实现车辆真实的通过所述未来驶过路径时车高车姿追逐所述的车高车姿期望，与此同时，各车轮的轮荷分配同步且实时追逐可行轮荷期望。值得注意的是，我们对所述主动执行机构的类型不加以限制，所述主动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。

本发明的另一个方面在于提供了一种悬架系统的主动控制方法，所述控制方法以所述车体的质心为坐标系的原点，x轴平行于地面指向车辆行进方向，z轴垂直指向上方，y轴指向驾驶员左侧，各所述车轮的纵、横向坐标依次记为(x_i，y_i)，i＝1,2,...n，所述车轮的序号与所述主动执行机构的序号顺序相一致，所述车体总重量记为G。所述控制方法的具体步骤如下：

首先，所述主动悬架车辆在水平良好路面上驱动第i个所述主动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，期间保持其他主动执行机构不主动调节，由所述力传感器测量每个所述车轮载荷的增量，按照从1到n的次序将所述车轮载荷的增量依次存放入矩阵第i列的第1到n行。其中，所述的单位位移其范围为所述主动执行机构的最大作动行程的1％～5％。

同时，由所述姿态传感器测量所述车体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。

依次驱动各主动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矩阵：

其次，由所述姿态传感器测量所述车体当前时刻的侧倾角与俯仰角/>利用所述力传感器测量当前时刻各车轮的车轮载荷，并构造当前时刻的车轮载荷阵列其次，根据权利要求2所述的各车轮未来的垂向位移激励确定当前时刻的下一时刻各车轮即将承受的垂向位移激励阵列[d₁…d_i…d_n]^T，并计算所述垂向位移激励阵列的平均值/>其中，所述当前时刻与所述下一时刻间的所述单位时间间隔，其取值由所述控制系统基于所述未来驶过路径上的路面形貌特征的复杂程度决定。

其次，根据所述的承载与变形联合控制矩阵、所述当前时刻的侧倾角、俯仰角、车轮载荷阵列，以及所述的垂向位移激励阵列，构建无主动控制时车姿与车轮载荷的被动响应超前解算方程

公式(2)中，F_i ^v是超前解算得到的所述下一时刻行驶到所述垂向位移激励阵列的形貌特征上时各车轮将承受的载荷，i＝1,2,...n，是超前解算得到的所述下一时刻车体将产生的侧倾角和俯仰角，j＝x,y，所述平均值/>是所述下一时刻车体将产生的车高增量；

其次，所述控制系统基于权利要求1所述未来的车高车姿期望确定所述下一时刻行驶到所述垂向位移激励阵列的形貌特征上时的车高期望和车姿期望；

同时，给出所述下一时刻的轮荷分配期望F_i ^s，i＝1,2,...n，并由以下步骤确定可行轮荷期望：首先，以车轮轮荷F_i与轮荷分配期望F_i ^s的均方差最小为优化目标，以力学平衡条件为约束，解算出轮荷期望初值F_i ^*1，i＝1,2,...n。由于该方法是以所有轮荷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轮荷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，以所述轮荷期望初值F_i ^*1为优化初值，设定轮荷的有效优化范围，进而以力学平衡条件为约束，继续优化解算得出所述下一时刻行驶到所述垂向位移激励阵列的形貌特征上时的可行轮荷期望F_i ^*，i＝1,2,...n。

其次，根据所述的承载与变形联合控制矩阵、所述的车姿与车轮载荷的被动响应，所述的车姿期望和可行轮荷期望，构建悬架主动调节逆向解算方程：

公式(3)中，为所述的车姿期望，j＝x,y。

其次，求解公式(3)得到悬架主动调节基础阵列[a₁ … a_i … a_n]^T，并计算其平均值将所述悬架主动调节基础阵列减去所述平均值/>并补偿所述的车高期望a_h，得到

其次，求解公式(4)得到所述主动悬架车辆在所述下一时刻行驶到所述垂向位移激励阵列的形貌特征上时，同步达到所述车高、车姿和可行轮荷期望的悬架主动调节修正阵列最后，所述控制系统控制所述的主动悬架车辆于所述下一时刻行驶到所述垂向位移激励阵列的形貌特征上，同时控制所述主动执行机构实施主动伸缩调节，于所述下一时刻同步的完成所述悬架主动调节修正阵列的作动调节，即完成单位时间间隔内的车高车姿和轮荷分配的同步、主动控制。

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，该主动悬架车辆及其控制方法可以实现车高车姿和轮荷分配的同步、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，可以保证车轮载荷同步达到可行轮荷期望，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.该主动悬架车辆及其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，构建出当前时刻的下一时刻的被动响应超前解算方程和目标期望下的悬架主动调节逆向解算方程，由此实现快速、可靠的悬架主动调节量精确解算，从原理上提供了一种无需迭代即可实现车高车姿和轮荷分配同步达到目标期望的主动控制方法论。该方案有效避免了当前控制方案反复测量车高车姿与轮荷分配误差，进而循环判断、迭代控制造成的耗时、振荡，甚至不能收敛至目标期望的不足。同时，该方案不需要人工智能控制所需的庞大的感知力、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。

附图说明

图1为本发明主动悬架车辆及其控制方法的控制方法流程图；

图2为本发明主动悬架车辆及其控制方法的主动悬架车辆的结构原理示意图；

图3为本发明主动悬架车辆及其控制方法的右前轮迈上凸台时车高车姿与车轮载荷的调节过程示意图。

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、3所示的3轴独立主动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所述主动悬架车辆及其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，本发明不限于具体实施例采用的执行系统、传感系统和控制系统等具体实现方式。

如图2和图3所示，所述主动悬架车辆的车轮1和车桥2通过主动悬架系统15与车体3连接。传感系统14和主动悬架系统15分别为控制系统16的输入端和输出端。所述主动悬架车辆的车桥轴数可以是两轴或两轴以上的任意轴数，每个所述车轮1均配置有所述主动悬架系统15的一个主动执行机构13。所述主动执行机构13具有伸缩调节功能，并分别被赋予序号1～n。所述传感系统14包括车体状态测量系统14a、前路预瞄系统14b、车速测量系统14c、行驶测量系统14d。本领域的技术人员应当意识到，所述主动执行机构13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。因此，图2所示仅为以流体密封腔13b和电磁换向阀组13a作为主动执行机构13的一种实施例。

所述车体状态测量系统14a配置有测量车体3侧倾角、俯仰角、偏航角及其相应加速度的姿态传感器10；测量每个所述主动执行机构13的垂向支撑载荷的力传感器11，并将车轮载荷定义为所述垂向支撑载荷的函数；测量每个所述主动执行机构13的伸缩位移的位移传感器12，并将车体高度定义为所述伸缩位移的函数。本领域的技术人员应当意识到，车体状态测量系统14a所包括的力传感器11、位移传感器12、姿态传感器10仅限于此实施例配置，有多种配置及方法可以获取车体状态测量系统14a得到的车体状态参数，而这些不同的配置及方法也属于本发明公开范围内。

所述前路预瞄系统14b配置有测量第一车桥的车轮以前直至至少一倍车长的纵向距离，车辆纵向前方至少120°水平视角范围内的路面形貌特征的传感器。本领域的技术人员应当意识到，前路预瞄系统14b可以采用多种不同的方式组合，例如可以采用激光雷达扫描前方路面点云阵列，可以使用机器视觉方法获取前方路面形貌特征，这些不同方式及其组合也应该包括在本发明的公开范围内。

所述车速测量系统14c配置有安装于第一车桥和末尾车桥两侧车轮的轮速传感器17，并有各车轮上对应的所述力传感器11配合，系统根据所述力传感器11的信号判断对应车轮是否空载滑转，进而基于非空载车轮的轮速确定行驶车速。本领域的技术人员应当意识到，当前所述车速测量系统配置的轮速传感器17仅为最小配置，随着轴数增多还可配置更多的轮速传感器17来准确的确定行驶车速。所述行驶测量系统14d配置有测量方向盘、油门和刹车输入等的传感器，并结合所述车体状态测量系统14a、车速测量系统14c测量得到的车体状态及运动参数，进而确定未来的行驶和转向参数。本领域的技术人员应当意识到，行驶测量系统14d用以获得车轮转角和方向盘转角等车体状态及运动参数，而获取各参数的方式本发明并不加以限制，例如采用倾角传感器来直接测量或者通过运动参数进行计算等不同的获取车轮转角和方向盘转角的方式均包括在本发明的公开范围内。

所述主动悬架车辆的各车轮未来驶过路径与驶过时间的关系由所述车体状态测量系统14a、前路预描系统14b、车速测量系统14c、行驶测量系统14d联合规划确定，并将各车轮未来的垂向位移激励定义为所述未来驶过路径上的路面形貌特征和驶过时间的数据阵列。

所述主动悬架车辆未来的车高车姿和轮荷分配期望是预定义的适配未来驶过路径的形貌特征的数据阵列，由所述控制系统16基于所述未来驶过路径上的路面形貌特征和驶过时间，以及所述车体3当前时刻的车高车姿和车轮载荷确定。

基于以上主动悬架车辆的硬件配置，所述控制系统16将调用所述控制方法确定所述主动执行机构13的伸缩调节量，在行驶中对所述主动执行机构13实施主动伸缩调节以便实现车辆真实的通过所述未来驶过路径时车高车姿追逐所述的车高车姿期望，与此同时，各车轮的轮荷分配同步且实时追逐可行轮荷期望。而为了进行控制方法的阐述，需以所述车体3的质心为坐标系的原点，x轴平行于地面指向车辆行进方向，z轴垂直指向上方，y轴指向驾驶员左侧定义坐标系。各车轮的纵、横向坐标依次记为(x_i，y_i)，i＝1,2,...n，所述车轮的序号与所述主动执行机构13的序号顺序相一致，所述车体3总重量记为G，具体包括以下步骤：

步骤101，构造承载交互作用矩阵。利用控制系统16驱动第i个流体密封腔13b垂向作动伸长，由所述的位移传感器12实时测量，直至产生单位位移，期间保持其他主动执行机构不主动调节。由所述力传感器11测量每个流体密封腔13b的每个流体线路的压力值，计算流体线路载荷差值的绝对值得到车轮载荷的增量，按照从1到n的次序将各载荷增量除以所述单位位移并依次放入一个n×n维矩阵第i列的第1到n行中；循环驱动各流体密封腔13b并测量每个流体密封腔13b的载荷增量继而完成如下所示承载交互作用矩阵的构造：

其中，所述的单位位移为所述流体密封腔13b的最大作动行程的1％～5％。

步骤102，构造变形交互作用矩阵。在利用控制系统16驱动第i个流体密封腔13b产生所述单位位移的同时，由所述车体状态测量系统14a中姿态传感器10分别测量车身绕x轴和y轴的倾角增量，将各倾角增量除以所述单位位移，并依次放入一个2×n维矩阵的第i列的第1、2行，完成如下所示变形交互作用矩阵的构造：

步骤103，构造承载与变形联合控制矩阵。将步骤101得到的承载交互作用矩阵依次输入到(n+2)×n维矩阵的第1行到第n行；将步骤102得到的变形交互作用矩阵依次输入到(n+2)×n维矩阵的最后两行，完成如下所示承载与变形联合控制矩阵的构造：

步骤104，测量当前的车轮载荷。利用所述力传感器11测量各流体密封腔13b每个流体线路的压力，再根据流体密封腔13b有杆腔和无杆腔的面积，计算流体线路载荷差值的绝对值，继而计算得到相应车轮当前的载荷F_i ^c：

F_i ^c＝P₁S₁-P₂S₂(4)，

公式(4)中，P₁为有杆腔流体线路压力，S₁为有杆腔面积，P₂为无杆腔流体线路压力，S₂为无杆腔面积。

步骤105，利用姿态传感器10测量所述车体3当前时刻的侧倾角与俯仰角/>

步骤106，利用前路预瞄系统14b获取第一车桥车轮以前直至至少一倍车长的纵向距离，车辆纵向前方至少120°水平视角范围内的路面形貌特征。

步骤107，检测驾驶员的油门、刹车和方向盘转角等输入。

步骤108，利用所述车体状态测量系统14a、车速测量系统14c以及行驶测量系统14d获取车体状态及运动参数。

步骤109，根据步骤106得到的前方路面形貌特征、步骤107检测的驾驶员输入，以及步骤108得到的车体状态及运动参数，规划车辆未来驶过路径，并将各车轮未来的垂向位移激励定义为所述未来驶过路径上的路面形貌特征和驶过时间的数据阵列。

步骤110，以当前时刻为时间起点，设定单位时间间隔，并从步骤109所述各车轮未来的垂向位移激励数据阵列中拾取当前时刻的单位时间间隔后各车轮即将承受的垂向位移激励阵列[d₁…d_i…d_n]^T，并计算所述垂向位移激励阵列的平均值其中，所述的单位时间间隔，其取值由所述控制系统16基于所述未来驶过路径上的路面形貌特征的复杂程度决定。

步骤111，构建车姿与车轮载荷的被动响应超前解算方程。根据步骤103得到的承载与变形联合控制矩阵，步骤104得到的当前车轮载荷，步骤105得到的车体当前时刻的侧倾角与俯仰角，以及步骤110得到的垂向位移激励阵列，构建无主动控制时车姿与车轮载荷的被动响应超前解算方程

步骤112，超前解算车高车姿与车轮载荷的被动响应。解算步骤111构建的被动响应超前解算方程，得到所述下一时刻行驶到所述垂向位移激励阵列的形貌特征上的车高车姿和车轮载荷。在公式5中，F_i ^v是超前解算得到的所述下一时刻行驶到所述垂向位移激励阵列的形貌特征上时各车轮将承受的载荷，i＝1,2,...n；是超前解算得到的所述下一时刻行驶到所述垂向位移激励阵列的形貌特征上时车体3将产生的侧倾角和俯仰角，j＝x,y；步骤110中垂向位移激励阵列的平均值d则是所述下一时刻行驶到所述垂向位移激励阵列的形貌特征上时车体3将产生的车高增量。

步骤113，确定车高车姿期望，解算可行轮荷期望。所述控制系统16基于步骤109确定的未来驶过路径上的路面形貌特征和驶过时间预定义主动悬架车辆未来的车高车姿期望。其中，车高车姿期望可根据不同的实际需求进行设定。同时，控制系统还需预定义适配未来驶过路径上形貌特征的轮荷分配期望F_i ^s，并由以下步骤确定可行轮荷期望：

首先，以车轮轮荷F_i与轮荷分配期望F_i ^s的均方差最小为优化目标，以力学平衡条件为约束，利用如下所示优化模型解算出轮荷期望初值F_i ^*1

在公式(6)中，F_i ^s＝F_i ^*为对某些重点关注车轮设定的强制轮荷期望，为对其他一般性车轮设定的均匀性轮荷期望，其中p为有强制轮荷分配的车轮数量。分别为车辆的垂向力平衡约束，绕x轴和绕y轴的力矩平衡约束。

对公式(6)进行求解可求得的各车轮的轮荷期望初值F_i ^*1。然而，由于该方法是以所有轮荷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轮荷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，还需要以所述轮荷期望初值F_i ^*1为优化初值，设定轮荷的有效优化范围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下一时刻行驶到所述垂向位移激励阵列的形貌特征上时的可行轮荷期望F_i ^*，i＝1,2,...n。

步骤114，构建悬架主动调节逆向解算方程。根据步骤103得到的承载与变形联合控制矩阵，步骤112得到所述下一时刻的的车姿与车轮载荷的被动响应，步骤113得到的所述下一时刻的车姿和可行轮荷期望，构建悬架主动调节逆向解算方程：

公式(7)中，为所述的车姿期望，j＝x,y。

步骤115，对步骤114构建的悬架主动调节逆向解算方程进行求解，得到悬架主动调节基础阵列[a₁ … a_i … a_n]^T，并计算其平均值

步骤116，将所述悬架主动调节基础阵列减去所述平均值并补偿步骤113所述的车高期望a_h，得到悬架主动调节量，满足

求解公式(8)即可得到所述主动悬架车辆在所述下一时刻行驶到所述垂向位移激励阵列的形貌特征上时，同步达到所述车高、车姿和可行轮荷期望的悬架主动调节修正阵列

步骤117，实施悬架主动调节。所述控制系统16控制所述的主动悬架车辆于所述下一时刻行驶到所述垂向位移激励阵列的形貌特征上，同时控制所述主动执行机构13实施主动伸缩调节，于所述下一时刻同步的完成所述悬架主动调节修正阵列的作动调节，即完成所述单位时间间隔内的车高车姿和轮荷分配的同步、主动控制。

步骤118，由驾驶员主观决策，或者由控制器基于路面特征判断车辆是否已经通过复杂路面，若是，则主动控制结束；若否，则返回至步骤104、步骤105、步骤106、步骤107、步骤108，重新进行悬架主动调节量的解算，并执行循环控制，直至通过复杂路面。

更直观的，下面以三轴车辆右前轮抬轮迈上凸台4为例，阐述控制方法的具体实施方式：

首先，由前路预瞄系统14b扫描到凸台4特征如图3a所示。对于此类小凸台，假设控制系统计划以所述下一时刻右前车轮无负载的迈上凸台4，并保持其他五个车轮的载荷均衡为轮荷分配期望，以车高、车姿维持稳定为车高车姿期望。则所述下一时刻的各车轮即将承受的垂向位移激励阵列为{d,0,0,0,0,0}^T，d即为作用于右前轮的垂向位移激励的高度。由所述车体状态测量系统14a测量车辆当前时刻的车身高度、侧倾角与俯仰角/>车轮载荷阵列[F₁ ^c … F_i ^c … F_n ^c]^T。根据车姿与车轮载荷的被动响应超前解算方程即可超前求解出车辆行进到右前车轮被动的迈上凸台4即如图3b所示状态时的车姿与车轮载荷的被动响应，满足

然后，以车姿维持稳定为车姿期望，则以右前车轮无负载的迈上凸台4，并保持其他五个车轮的载荷均衡为轮荷分配期望，则轮荷分配期望F_i ^*＝{0,G/5,G/5,G/5,G/5,G/5}^T。将车身姿态与车轮载荷的被动响应，车姿和轮荷分配期望代入悬架主动调节逆向解算方程，即可计算出车辆右前轮迈上凸台4时，以车姿和轮荷分配期望为目标的各悬架的主动调节量{a_i}：

再次，计算主动调节量{a_i}的平均值以车高维持稳定为车高期望，则a_h＝0，修正后即可得到悬架主动调节修正阵列/>最后，根据计算出的悬架主动调节修正阵列，由所述控制系统16控制所述的主动悬架车辆于所述下一时刻迈到凸台4上，同时控制所述主动执行机构13实施主动伸缩调节，于所述下一时刻同步的完成所述悬架主动调节修正阵列的作动调节，即完成单位时间间隔内的车高车姿和轮荷分配的同步、主动控制。如图3c所示车辆迈上凸台4时车高维持稳定且右前车轮迈上凸台4时无负载，其他五个车轮的载荷保持均衡。

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

1.一种主动悬架车辆，所述主动悬架车辆的车轮和车桥通过主动悬架系统与车体连接，传感系统和主动悬架系统分别为控制系统的输入端和输出端，每个所述车轮均配置有所述主动悬架系统的一个主动执行机构，所述主动执行机构具有伸缩调节功能，其特征在于：

所述主动悬架车辆的车桥轴数可以是两轴或两轴以上的任意轴数；

所述主动执行机构由流体系统或机电系统驱动；当利用流体系统进行驱动时，该流体是液压流体、压缩气体中的任一种；

所述主动执行机构的伸缩调节量由所述控制系统确定，在行驶中对所述主动执行机构实施主动伸缩调节以便实现车辆真实的通过所述未来驶过路径时车高车姿实时追逐所述的车高车姿期望，与此同时，各车轮的轮荷分配同步且实时追逐可行轮荷期望。

2.如权利要求1所述的主动悬架车辆，其特征在于权利要求1所述传感系统包括车体状态测量系统、前路预瞄系统、车速测量系统、行驶测量系统；所述车体状态测量系统配置测量车体侧倾角、俯仰角、偏航角及其相应加速度的姿态传感器，测量每个所述主动执行机构的垂向支撑载荷的力传感器，并将车轮载荷定义为所述垂向支撑载荷的函数，测量每个所述主动执行机构的伸缩位移的位移传感器，并将车体高度定义为所述伸缩位移的函数；

所述前路预瞄系统配置测量第一车桥的车轮以前直至至少一倍车长的纵向距离，车辆纵向前方至少120°水平视角范围内的路面形貌特征的传感器；

所述车速测量系统配置安装于第一车桥和末尾车桥两侧车轮的轮速传感器，并有各车轮上对应的所述力传感器配合，系统根据所述力传感器的信号判断对应车轮是否空载滑转，进而基于非空载车轮的轮速确定行驶车速，当前所述车速测量系统配置的轮速传感器仅为最小配置，随着轴数增多还可配置更多的轮速传感器来准确的确定行驶车速；

所述行驶测量系统配置测量方向盘、油门和刹车等驾驶员输入的传感器，并结合所述车体状态测量系统、车速测量系统测量得到的车体状态及运动参数，确定未来的行驶和转向参数；

所述主动悬架车辆的各车轮未来驶过路径与驶过时间的关系由所述车体状态测量系统、前路预描系统、车速测量系统、行驶测量系统联合规划确定，并将各车轮未来的垂向位移激励定义为所述未来驶过路径上的路面形貌特征和驶过时间的数据阵列。

3.一种控制如权利要求1所述的主动悬架车辆的控制方法，所述控制方法中的坐标系定义以所述车体的质心为原点，x轴平行于地面指向车辆行进方向，z轴垂直指向上方，y轴指向驾驶员左侧，各所述车轮的纵、横向坐标依次记为(x_i，y_i)，i＝1,2,...n，每个车轮与所述主动执行机构分别一一对应，所述车体总重量记为G，其特征在于所述主动悬架车辆的控制方法包括以下步骤：

首先，所述主动悬架车辆在水平良好路面上驱动第i个所述主动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，期间保持其他主动执行机构不主动调节，由所述力传感器测量每个所述车轮载荷的增量，按照从1到n的次序将所述车轮载荷的增量依次存放入矩阵第i列的第1到n行，

同时，由所述姿态传感器测量所述车体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。依次驱动各主动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矩阵，如下

其次，由所述姿态传感器测量所述车体当前时刻的侧倾角与俯仰角/>利用所述力传感器测量当前时刻各车轮的车轮载荷，并构造当前时刻的车轮载荷阵列

其次，根据所述的各车轮未来的垂向位移激励确定当前时刻的下一时刻各车轮即将承受的垂向位移激励阵列[d₁ … d_i … d_n]^T，并计算所述垂向位移激励阵列的平均值

同时，给出所述下一时刻的轮荷分配期望F_i ^s，i＝1,2,...n，并由以下步骤确定可行轮荷期望：首先，以车轮轮荷F_i与轮荷分配期望F_i ^s的均方差最小为优化目标，以力学平衡条件为约束，解算出轮荷期望初值F_i ^*1，i＝1,2,...n；然后，以所述轮荷期望初值F_i ^*1为优化初值，设定轮荷的有效优化范围，进而以力学平衡条件为约束，继续优化解算得出所述下一时刻行驶到所述垂向位移激励阵列的形貌特征上时的可行轮荷期望F_i ^*，i＝1,2,...n；

公式(3)中，为所述的车姿期望，j＝x,y；

其次，求解公式(4)得到所述主动悬架车辆在所述下一时刻行驶到所述垂向位移激励阵列的形貌特征上时，同步达到所述车高、车姿和可行轮荷期望的悬架主动调节修正阵列

最后，所述控制系统控制所述的主动悬架车辆于所述下一时刻行驶到所述垂向位移激励阵列的形貌特征上，同时控制所述主动执行机构实施主动伸缩调节，于所述下一时刻同步的完成所述悬架主动调节修正阵列的作动调节，即完成单位时间间隔内的车高车姿和轮荷分配的同步、主动控制。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其中，所述的单位位移其范围为所述主动执行机构的最大作动行程的1％～5％。

5.根据权利要求3所述的控制方法，其中，所述当前时刻与所述下一时刻间的所述单位时间间隔，其取值由所述控制系统基于所述未来驶过路径上的路面形貌特征的复杂程度决定。