CN117103928A - 一种基于悬架主动控制的车辆行车调平方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于悬架主动控制的车辆行车调平方法，属于悬架控制技术领域，包括只利用车载传感器可以直接测量的悬架动态行程及俯仰角和侧倾角等物理量，构建动态基准和基准误差。动态基准能够反映出路面整体起伏的大趋势，并确保需要调节的基准误差，不超出作动器的有效行程。当车辆静止于水平路面时，动态基准回归零位；解决现有方法对车身铅垂高依赖和限制的实际问题。本发明可使行车调平系统设计思路更加清晰，控制方法实现更加简单，并且突破了对车身铅垂高依赖的技术瓶颈，开拓了车辆行车调平新思路。

Description

一种基于悬架主动控制的车辆行车调平方法

技术领域

本发明涉及悬架控制技术领域，尤其是一种基于悬架主动控制的车辆行车调平方法。

背景技术

车辆需要具备在行驶中调平车身姿态的能力，为车载专用装置正常运行提供平稳可靠的支撑条件。例如，防空激光武器作战车，在追击无人机等目标时需要保持车身水平，便于高能激光炮将激光锁定目标某一点持续照射，实现能量攻击。举高消防机器人，其在跟随火势实施机动举高喷水作业时，需要底盘始终保持水平，防止高举臂架的机器人发生倾倒。车辆的行驶调平技术是国防军事、航天发射、应急救援、农业生产等事关国计民生重要领域的共同需求。

现有方法大多直接基于整车行驶动力学模型，设计以期望控制力或者期望位移为输出的控制器，再由作动器执行，通过调控车身俯仰角、侧倾角和身质心铅垂高(车身质心空间绝对垂向位移)收敛至常值基准位来实现行驶调平。然而，这暴露出现有设计方法两方面的不足。

其一，整车模型适合表征车辆的行驶力学特性，但并不是面向控制器设计的友好形式。一方面，整车行驶动力学模型系统输入数量大于被控状态的数量。直接基于此模型设计控制器，将导致解算控制算法时需要求解增益矩阵的右逆矩阵，十分麻烦。另一方面，直接以车身俯仰角、侧倾角和身质心铅垂高3个量为被控状态，需要实现位移和姿态的混合调控，控制算法设计和参数整定都相对困难。因此，建立便于控制器设计的模型形式将是优化控制方法设计的重要突破口。

其二，调平时需要调控车身质心铅垂高收敛至常值基准的方式存在固有缺陷。一方面，生产实际中无法通过外部标定等方式对车辆的空间坐标进行测量，车身铅垂高无法精准获取，这使得现有控制方法难以付诸实践；另一方面，车身质心铅垂高时刻跟踪常值基准的思路，实际上妨碍了各通道作动器之间的协作配合。因为，当车轮遇到路面激励时，常值基准只允许由该车轮所对应作动器做出调节，其他作动器则必须保持不动，才能确保车身质心铅垂高保持在基准位。即使在路面激励幅值超过作动器行程时，其他作动器也不能及时给予行程互补。而这将导致该作动器到达行程设定上限，发生限位碰撞，带来极差的乘坐体验和安全隐患。因此，对车身质心铅垂高的依赖和限制成为制约行驶调平方法发展的突出技术瓶颈。鉴于此，亟需一种使用非常值基准的车辆行车调平方法，以解决调平过程对车身质心铅锤高的依赖。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种基于悬架主动控制的车辆行车调平方法，综合权衡调平难度与精度，解决调平过程中对车身质心铅垂高的依赖。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于悬架主动控制的车辆行车调平方法，步骤如下：

步骤1：对整车垂向模型中的悬架节点进行分组；

步骤2：构建基于悬架动行程的动态基准；

步骤3：构建表示悬架节点i簧载部分的状态与动态基准间的差值的基准误差；

步骤4：控制各悬架节点i作动器按基准误差进行输出调节，使车身质心铅垂高收敛至动态基准实现车辆行车调平。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤1具体步骤如下：

步骤1.1：将整车垂向模型分解为由作动器驱动的带有相互耦合特性的多智能体悬架节点i；

步骤1.2：通过车载传感器直接测量悬架动态行程、俯仰角和侧倾角物理量，基于这些物理量构建出几何关系式(1)和式(2)

其中，l_a和l_b分别表示前轴、后轴到质心的距离，l_c和l_d分别表示车轴左侧和右侧到质心的垂向距离，通常情况l_c＝l_d＝1/2轴长。θ为车身俯仰角，为车身侧倾角。

步骤1.3：对悬架节点i进行分组，分为Ω_l组和Ω_k组，具体为将悬架节点i的铅垂高与车身质心铅锤高进行比较，利用几何关系式(1)可求得z_si-z_s，以z_si-z_s的正负作为判据，若悬架节点i的铅垂高在车身质心以上，即z_si-z_s＞0时，则对应作动器需要压缩，分在Ω_l组，若悬架节点i的铅垂高在车身质心以下，即z_si-z_s＜0时，则对应作动器需要伸展，分在Ω_k组。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤2具体步骤如下：

步骤2.1：设计动态基准z_s0,m，如(3)所示

其中(3)式表示将将Ω_l组内所有悬架节点运动状态的平均值与Ω_k组内所有悬架节点运动状态的平均值，先求和，再除以2，h_0,m称为动态均衡量，如(5)所示，z_tl,m表示Ω_l组内悬架节点i的状态量，z_tk,m表示Ω_k组内悬架节点i的状态量，下角标m表示导数阶次，m＝0,1；n_l表示Ω_l组内悬架节点i的数量，n_k表示Ω_k组内悬架节点i的数量；

其中，当全部悬架节点i属于Ω_l组时，n_l＝n，n_k＝0；全部悬架节点i属于Ω_k组时，n_l＝0，n_k＝n，其中n表示悬架节点总数量，n＝n_l+n_k，此时动态基准需要通过式(4)进行计算

步骤2.2：构建动态均衡量，在式(3)和式(4)中，引入动态均衡量h_0,m，如(5)所示，其用于均衡分配Ω_p组和Ω_q组作动器的有效行程,

其中，Ω_p表示处于压缩状态的悬架节点i集合，Ω_q表示处于伸展状态的悬架节点i集合；n_p表示集合Ω_p中悬架节点i的数量，n_q表示集合Ω_q中悬架节点i的数量；Δz_stp表示集合Ω_q中作动器的动态行程，Δz_stq表示集合Ω_q中作动器的动态行程；

其中，全部作动器压缩时，n_p＝n，n_q＝0；全部作动器伸展时，n_p＝0，n_q＝n；式中，n为悬架节点总数量，n＝n_p+n_q，此时，动态均衡量h_0,m需要通过式(6)进行计算；

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤3具体步骤如下：

步骤3.1：获取所有悬架节点i的动态基准状态信息；

步骤3.2：针对车体上车载传感器直接测量悬架动态行程、俯仰角和侧倾角物理量，构建基准误差，基准误差e_si,m，如(7)所示

本发明技术方案的进一步改进在于：根据步骤3.2确定悬架节点i簧载部分的状态与动态基准间的差值，具体如下：

将动态基准式(3)(4)带入基准误差式(7)中，并利用z_ti,m＝z_si,m-Δz_sti,m进行变量替换，则具体基准误差可通过计算获得，如(8)所示

式中，表示z_si.m与Ω_l组内所有悬架节点运动状态分别求差的平均值；/>表示z_si.m与Ω_k组内所有悬架节点运动状态分别求差的平均值；/>表示所有悬架节点作动器运动状态平均值；

全部作动器属于Ω_l组时，n_l＝n，n_k＝0；全部作动器属于Ω_k组时，n_l＝0，n_k＝n此时，基准误差需要通过式(9)进行计算

式中，

其中和/>依据几何关系(1)和(2)计算求得；通过作动器行程传感器测量值计算获得。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：通过对整车模型分解出悬架节点，对悬架节点进行控制操作，将基于超静定整车垂向动力学模型的位姿混合控制问题，转换为基于全驱型悬架节点动力学模型的单纯位移控制问题。通过构建和常值基准完全不同的动态基准，动态基准将跟随非簧载部分的运动状态实时动态调整，能适应大范围机动过程中路面起伏变化较大的情况，可提高车辆对复杂地形的适应能力，并且动态基准可以反映出路面整体起伏的大趋势。通过引入动态均衡量，可促进两组作动器的有效行程均衡分配，进而可提高车辆的通过性。最终，通过动态基准和基准误差的提出和设计，摆脱了依赖和限制车身铅垂高的技术瓶颈，解决了现有方法对车身铅垂高依赖和限制的实际问题，进而在实现行驶调平的同时进一步提高车辆的通过性将很好地支持后续低复杂度行驶调平控方法的设计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图；

图1是本发明方法流程图；

图2是本悬架节点几何关系示意图；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1所示，为一种基于悬架主动控制的车辆行车调平方法的流程图，具体包括如下步骤。

步骤1：对整车垂向模型中的悬架节点进行分组。

步骤1.1：将整车垂向模型分解为由作动器驱动的带有相互耦合特性的多智能体悬架节点i；

步骤1.2：如图2所示，通过车载传感器直接测量悬架动态行程、俯仰角和侧倾角物理量，基于这些物理量构建出几何关系式(1)和式(2)

其中，l_a和l_b分别表示前轴、后轴到质心的距离，l_c和l_d分别表示车轴左侧和右侧到质心的垂向距离，通常情况l_c＝l_d＝1/2轴长。θ为车身俯仰角，为车身侧倾角。后续便可将基于超静定整车垂向动力学模型的位姿混合控制问题，转换为基于全驱型悬架节点动力学模型的单纯位移控制问题。

步骤1.3：对悬架节点i进行分组，分为Ω_l组和Ω_k组，具体为将悬架节点i的铅垂高与车身质心铅锤高进行比较，以z_si-z_s的正负作为判据，若悬架节点i的铅垂高在车身质心以上，即z_si-z_s＞0时，则对应作动器需要压缩，分在Ω_l组，若悬架节点i的铅垂高在车身质心以下，即z_si-z_s＜0时，则对应作动器需要伸展，分在Ω_k组。其中无需单独测量悬架节点i的铅垂高及车身质心的铅锤高，在做差值，直接可以依据式(1)的几何关系直接求得悬架节点模型分组所需的z_si-z_s。

步骤2：构建基于悬架动行程的动态基准；

步骤2.1：设计动态基准z_s0,m，如(3)所示

其中(3)式表示将将Ω_l组内所有悬架节点运动状态的平均值与Ω_k组内所有悬架节点运动状态的平均值，先求和，再除以2，h_0,m称为动态均衡量，如(5)所示，z_tl,m表示Ω_l组内悬架节点i的状态量，z_tk,m表示Ω_k组内悬架节点i的状态量，下角标m表示导数阶次，m＝0,1；n_l表示Ω_l组内悬架节点i的数量，n_k表示Ω_k组内悬架节点i的数量；

其中，当全部悬架节点i属于Ω_l组时，n_l＝n，n_k＝0；全部悬架节点i属于Ω_k组时，n_l＝0，n_k＝n，其中n表示悬架节点总数量，n＝n_l+n_k，此时动态基准需要通过式(4)进行计算

步骤2.2：构建动态基准中的动态均衡量，在式(3)和式(4)中，引入动态均衡量h_0,m，如(5)所示，其用于均衡分配Ω_p组和Ω_q组作动器的有效行程,

其中，Ω_p表示处于压缩状态的悬架节点i集合，Ω_q表示处于伸展状态的悬架节点i集合；n_p表示集合Ω_p中悬架节点i的数量，n_q表示集合Ω_q中悬架节点i的数量；Δz_stp表示集合Ω_q中作动器的动态行程，Δz_stq表示集合Ω_q中作动器的动态行程；

其中，全部作动器压缩时，n_p＝n，n_q＝0；全部作动器伸展时，n_p＝0，n_q＝n；式中，n为悬架节点总数量，n＝n_p+n_q，此时，动态均衡量h_0,m需要通过式(6)进行计算；

其中可知，式(3)和式(4)构建的动态基准，与常值基准的设定方法极为不同，动态基准将跟随非簧载部分的运动状态实时动态调整，能适应大范围机动过程中路面起伏变化较大的情况，可提高车辆对复杂地形的适应能力。本发明的一个很重要的设置是(3)式和(4)式中的参数若根据非簧载部分的绝对空间垂向运动状态计算得出，实际中很难实现，而本发明提出的低复杂度控制方法并不需要直接计算动态基准，而真正需要计算的是各悬架节点簧载部分的运动状态与动态基准之间的差值。

步骤3：构建用于表示各悬架节点i簧载部分的运动状态与动态基准之间的差值的基准误差；

步骤3.1：获取所有悬架节点i的动态基准状态信息；

步骤3.2：针对车体上车载传感器直接测量悬架动态行程、俯仰角和侧倾角物理量，基于此，构建并解算基准误差，基准误差e_si,m，如(7)所示

根据步骤3.2确定悬架节点i簧载部分的状态与动态基准间的差值，具体如下：

将动态基准式(3)(4)带入基准误差式(7)中，并利用z_ti,m＝z_si,m-Δz_sti,m进行变量替换，则具体基准误差可通过计算获得，如(8)所示

式中，表示z_si.m与Ω_l组内所有悬架节点运动状态分别求差的平均值；/>表示z_si.m与Ω_k组内所有悬架节点运动状态分别求差的平均值；/>表示所有悬架节点作动器运动状态平均值；

当全部作动器属于Ω_l组时，n_l＝n，n_k＝0；当全部作动器属于Ω_k组时，n_l＝0，n_k＝n此时，基准误差需要通过式(9)进行计算

式中，

需要说明的是，其中和/>依据几何关系(1)和(2)计算求得；/>可以通过作动器行程传感器测量值计算获得。

步骤4：控制各悬架节点i作动器按基准误差进行输出调节，使车身质心铅垂高收敛至动态基准实现车辆行车调平。

特质分析

通过动态基准和基准误差的构建，能够确保车辆行车调平的四项特质。

第一，基准误差可以基于车载传感器的测量值计算得到，得益于动态基准(3)和(4)的巧妙设计，悬架节点i簧载部分的状态与动态基准间的差值即动态误差e_si,m均可通过式(8)和式(9)计算得出。

第二，动态基准z_s0,m能反映出路面整体起伏的大趋势，并且可确保需要调节的基准误差e_si,m，不会超出作动器的有效行程。一方面，(3)式和(4)式表明动态基准的本质是Ω_l和Ω_k两个组非簧载部分铅垂高的平均值，能够反映路面整体起伏的大趋势。另一方面，动态基准的上下边界由式(4)限定，其上下界分别为悬架行程设置的上下限。当作动器全部完全压缩，得到动态基准上限，即悬架行程的设置上限；当作动器全部完全伸展时，得到动态基准下限，即悬架行程的设置下限。其他情况时，动态基准将介于悬架行程设置的上下界之间。

第三，动态基准z_s0,m基于非簧载部分的铅锤高度设计，这可以确保当车辆静止与水平路面时，动态基准z_s0,m回归零位。当路面绝对平坦时z_ti＝0，i＝1,2,3,4，此时，根据式(3)或式(4)均可得出动态基准z_s0,m＝0。

第四,动态均衡量h_0,m的引入，促进Ω_p和Ω_q两组作动器的有效行程的均衡分配。进而，可提高车辆的通过性。最终，通过动态基准和基准误差的提出和设计，摆脱了依赖和限制车身铅垂高的技术瓶颈,解决了现有方法对车身铅垂高依赖和限制的实际问题，进而在实现行驶调平的同时进一步提高车辆的通过性将很好地支持后续低复杂度行驶调平控方法的设计。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于悬架主动控制的车辆行车调平方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1：对整车垂向模型中的悬架节点进行分组；

步骤2：构建基于悬架动行程的动态基准；

步骤3：构建表示悬架节点i簧载部分的状态与动态基准间的差值的基准误差；

步骤4：控制各悬架节点i作动器按基准误差进行输出调节，使车身质心铅垂高收敛至动态基准实现车辆行车调平。

2.根据权利要求1所述的一种基于悬架主动控制的车辆行车调平方法，其特征在于，步骤1具体步骤如下：

步骤1.1：将整车垂向模型分解为由作动器驱动的带有相互耦合特性的多智能体悬架节点i；

步骤1.2：通过车载传感器直接测量悬架动态行程、俯仰角和侧倾角物理量，基于这些物理量构建出几何关系式(1)和式(2)

其中，l_a和l_b分别表示前轴、后轴到质心的距离，l_c和l_d分别表示车轴左侧和右侧到质心的垂向距离，l_c＝l_d＝1/2轴长；θ为车身俯仰角，为车身侧倾角；

步骤1.3：对悬架节点i进行分组，分为Ω_l组和Ω_k组，具体为将悬架节点i的铅垂高与车身质心铅锤高进行比较，利用几何关系式(1)可求得z_si-z_s，以z_si-z_s的正负作为判据，若悬架节点i的铅垂高在车身质心以上，即z_si-z_s＞0时，则对应作动器需要压缩，分在Ω_l组，若悬架节点i的铅垂高在车身质心以下，即z_si-z_s＜0时，则对应作动器需要伸展，分在Ω_k组。

3.根据权利要求1所述的一种基于悬架主动控制的车辆行车调平方法，其特征在于，步骤2具体步骤如下：

步骤2.1：设计动态基准z_s0,m，如(3)所示

其中(3)式表示将将Ω_l组内所有悬架节点运动状态的平均值与Ω_k组内所有悬架节点运动状态的平均值，先求和，再除以2，h_0,m称为动态均衡量，如(5)所示，z_tl,m表示Ω_l组内悬架节点i的状态量，z_tk,m表示Ω_k组内悬架节点i的状态量，下角标m表示导数阶次，m＝0,1；n_l表示Ω_l组内悬架节点i的数量，n_k表示Ω_k组内悬架节点i的数量；

其中，当全部悬架节点i属于Ω_l组时，n_l＝n，n_k＝0；全部悬架节点i属于Ω_k组时，n_l＝0，n_k＝n，其中n表示悬架节点总数量，n＝n_l+n_k，此时动态基准需要通过式(4)进行计算

步骤2.2：构建动态均衡量，在式(3)和式(4)中，引入动态均衡量h_0,m，如(5)所示，其用于均衡分配Ω_p组和Ω_q组作动器的有效行程,

其中，Ω_p表示处于压缩状态的悬架节点i集合，Ω_q表示处于伸展状态的悬架节点i集合；n_p表示集合Ω_p中悬架节点i的数量，n_q表示集合Ω_q中悬架节点i的数量；Δz_stp表示集合Ω_q中作动器的动态行程，Δz_stq表示集合Ω_q中作动器的动态行程；

其中，全部作动器压缩时，n_p＝n，n_q＝0；全部作动器伸展时，n_p＝0，n_q＝n；式中，n为悬架节点总数量，n＝n_p+n_q，此时，动态均衡量h_0,m需要通过式(6)进行计算；

4.根据权利要求1所述的一种基于悬架主动控制的车辆行车调平方法，其特征在于，步骤3具体步骤如下：

步骤3.1：获取所有悬架节点i的动态基准状态信息；

步骤3.2：针对车体上车载传感器直接测量悬架动态行程、俯仰角和侧倾角物理量，构建基准误差，基准误差e_si,m，如(7)所示

5.根据权利要求4所述的一种基于悬架主动控制的车辆行车调平方法，其特征在于，根据步骤3.2确定悬架节点i簧载部分的状态与动态基准间的差值，具体如下：

将动态基准式(3)(4)带入基准误差式(7)中，并利用z_ti,m＝z_si,m-Δz_sti,m进行变量替换，则具体基准误差可通过计算获得，如(8)所示

式中，表示z_si.m与Ω_l组内所有悬架节点运动状态分别求差的平均值；/>表示z_si.m与Ω_k组内所有悬架节点运动状态分别求差的平均值；/>表示所有悬架节点作动器运动状态平均值；

全部作动器属于Ω_l组时，n_l＝n，n_k＝0；全部作动器属于Ω_k组时，n_l＝0，n_k＝n此时，基准误差需要通过式(9)进行计算

式中，

其中和/>依据几何关系(1)和(2)计算求得；/>可以通过作动器行程传感器测量值计算获得。