CN104118295B - 具有载荷检测和自适应的主动悬架 - Google Patents

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Abstract

一种用于估计车辆的簧载质量的重心(CG)的位置的方法，包括步骤：a)确定车辆是静止的或是移动的；b)如果车辆是静止的，计算CG的估计的x和y坐标；c)将估计的坐标存储在存储器中；以及d)重复步骤a)‑c)直到车辆不再是静止的。

Description

具有载荷检测和自适应的主动悬架
技术领域
本发明总体上涉及车辆的悬架***，更具体地涉及包含估计车辆的簧载质量重心的位置的装置的主动悬架***及估计车辆的簧载质量重心的位置的方法。
背景技术
机动车辆的质量取决于包括车辆设计、载荷、液位、选项和配件的各种因素。由于这些因素，车辆设计是假定从空载整备重量变化至GVW(车辆总重量)的一系列质量。车辆质量以及更具体地车辆簧载质量的重心(CG)的位置，对车辆的动态行为有影响。车辆质量和CG位置的不确定性常常导致操控和驾乘上的折中。例如，尽管低的悬架弹簧刚度(其提高了驾乘质量)对于空载车辆来说是可行的，这样低的悬架弹簧刚度对于更重地装载的车辆来说是不可接受的，因为额外的载荷可以占用悬架的所有可用行程。如果可以测量或估计车辆质量和簧载CG位置，许多这些妥协的需求可以被消除，导致改进的车辆性能、驾乘和操控。
发明内容
在这里描述的实施例的一个方面中，提供了一种用于估计车辆的簧载质量的重心(CG)的位置的方法。该方法包括步骤：a)确定车辆是静止的或是移动的；b)如果车辆是静止的，计算CG的估计的x和y坐标；c)将估计的坐标存储在存储器中；以及d)重复步骤a)-c)直到车辆不再是静止的。
在这里描述的实施例的另一个方面中，提供了一种用于估计车辆的簧载质量的重心(CG)的位置的方法。该方法包括步骤：a)确定车辆是静止的或是移动的；b)如果车辆不是静止的，确定车辆的侧倾加速度；以及c)如果侧倾加速度实际上是非零的，重复步骤a)和b)直到侧倾加速度实际上是零或直到车辆是静止的。
附图说明
图1是包含自适应主动悬架控制***的车辆控制***的示意图。
图2是在实施用于估计车辆的簧载质量的重心(CG)的位置的方法的车辆中可用的主动悬架***的一个实施例的一部分的示意图。
图3是在实施用于估计车辆的簧载质量的重心(CG)的位置的方法的车辆中可用的主动悬架***的另一个实施例的一部分的示意图。
图4和4A显示了当车辆是静止时作用在车辆每个车轮上的支承力的表示的原理图。
图5显示了说明用于估计与车辆车身有关的CG的x、y和z坐标的方法的流程图。
图5A显示了用于更新估计的CG的x和y坐标的进程的流程图。
图6是显示了在估计车辆重心中使用的各种参数的示意图。
具体实施方式
结合至在这里描述的***的各种实施例中的相似元件给予了相同的附图标记。
图1是包含主动悬架***的车辆控制***12的示意图。控制***12包括一批设计用于监控各种车辆参数和车辆外部的环境条件的车辆传感器。传感器阵列包括可操作地联接至一个或多个***控制模块的各种类型的传感器，以便实现传感器输入至控制模块的传输。传感器阵列可以包括用于检测车辆环境的方面和用于检测例如即将发生的碰撞的单独的传感器或相关传感器群组(比如雷达/激光雷达14f、激光扫描或视觉传感器14g/照相机***)；惯性传感器(例如，已知或适当的惯性测量单元(IMU)22)、各种车轮速度传感器14w、纵向&横向加速度传感器14d、加速器和制动踏板传感器14e，如果某些道路条件的直接测量是可能时的道路状况传感器102、雨量传感器14a、悬架高度传感器30、方向盘角度传感器14b、转向扭矩传感器、制动压力传感器、轮胎压力传感器14c；针对帮助车辆定位和导航的传感器(比如全球定位***(GPS)125)；(若有的话)用于实现并且促进车辆至车辆的通信和车辆至基础设施的通信***的操作的协同传感器以及其他类型的传感器。一组相关传感器(例如，道路状况传感器套件)可以包括多种不同类型的传感器，取决于套件在给定的控制***中需要执行的任务。在图1所示的具体实施例中，传感器阵列包括道路状况传感器或包含一个或多个已知的道路状况传感器的传感器套件102。道路状况传感器可以测量比如例如道路温度、是否道路表面是湿的或干的、任何道路表面水分的盐度以及道路上的雪的存在这样的特征。道路状况传感器可以包括比如激光扫描器或照相机这样的元件，以用于实现对车辆正在穿过的道路表面的一部分的视觉或数字扫描。
控制***12也包括一个或多个可操作地联接至相关传感器(或传感器群组)、至其他控制模块和/或至控制***的其他元件的控制模块。这样的控制模块的示例包括车辆动态控制模块(或VDCM)99或相似的主控制模块以及结合至各种车辆子***中的控制模块，比如动力传动控制模块201、底盘控制模块203、车辆乘员约束控制模块204以及制动控制模块205。在本技术领域已知的方式中，VDCM 99接收来自各种传感器的输入、依照存储的控制逻辑或控制程序处理这些输入，并且生成传输至各种可驱动的控制***元件或至控制主动悬架***(在图1中总体上标示为210)的元件的适当的次级或下级控制模块(例如，底盘控制模块203)的控制信号。
虽然所有可驱动的车辆***之间的交互都是有关的，使用主动悬架***210的元件(例如悬架刚度调节装置210a、悬架高度调节装置210b、悬架阻尼调节装置210c和防侧倾调节装置210d)实施一种如在这里描述的用于估计车辆的簧载质量的重心(CG)的位置的方法，其中比如悬架行程或高度、悬架阻尼、悬架刚度和悬架力这样的特征是实时地可调节的，其具有足够小的驱动响应时间以实现响应于车辆车轮遇到的预测的或实际的异常道路条件的悬架***控制。悬架驱动适应于使用前述传感***和相关处理装置(例如，体现在VDCM 99中)估计或预测确定的道路条件，相关处理装置配置成处理接收自传感***的数据并且确定异常道路条件的类型和严重度。
在本技术领域已知的方式中，各种控制模块包括接收和处理来自相关传感器或来自控制***(比如其他控制模块)的其他元件的输入以生成响应于输入的控制信号的处理装置。这些控制信号然后以本技术领域已知的方式传输至一个或多个相关的可驱动的车辆元件。可驱动的车辆元件和子***响应于接收到的控制信号操作以控制与车辆有关的驾乘和操控特征。在某些实施例中，车辆也可以包含协同的或交互式通信***，比如车辆至车辆和/或车辆至基础设施的通信***。
在这里描述的实施例中，由在车辆的每个角落的主动悬架生成的悬架力被用来估计车辆总质量、簧载质量以及簧载质量的重心的位置。
图2-3是在包含可以使用VDCM或本技术领域已知的基于微处理器的控制器控制的主动悬架***类型的车辆的一个车轮上的悬架的各种实施例的示意图。在本技术领域还已知的是，在包含主动悬架***的车辆中，通过响应于来自VDCM或其他车辆控制模块的控制信号调节悬架阻尼和/或弹簧刚度特征可以改善驾乘特征。图2-3显示了可用于支承车辆车轮的各种主动悬架结构的实施例。也可以使用其他车轮悬架结构，条件是他们的弹簧和阻尼特征使用如在这里描述的适当的控制器是可控制的。
图2显示了总体上标示为100的液压气动主动车轮悬架的示例。由车辆发动机驱动的高压泵(未显示)增压液压液体并且蓄能器114维持液压动力的储存。通过液压回路至悬架驱动器108的压力流增压驱动器，因此移动驱动器里面的活塞。阻尼是由位于主液压管路和一个或多个气压弹簧102、104之间的阻尼阀110、112提供。VDCM 99根据具体应用的要求控制充气阀116和排气阀118的操作。
图3显示了主动悬架***的另一个实施例的一个角落的示意图。在一个实施例中，在图3中显示的元件可以看作是在垂直方向上可移动的单个车辆车轮。在这个表示中，车辆的车身的质量是由簧载质量11表示。由非簧载质量13表示的车轮可以通过控制臂(未显示)连接至车辆车身11。车身11是由包括控制臂、驱动器70和与驱动器平行作用的弹簧S的主动悬架***支承在非簧载车轮质量13的上面。在这个***中，支承簧载质量的所有的力是通过驱动器70和弹簧S施加。在显示的实施例中，驱动器70是可操作地联接至控制阀72的双作用缸的形式。通过控制液体流入或流出驱动器70(例如，通过使用从VDCM 99至控制阀72的适当的控制信号)，可以控制车辆悬架力和离地高度。车轮的非簧载质量13是通过道路表面G、在图3中由弹簧25表示的轮胎变形和减震器26支承。
在这里描述的悬架***实施用于估计车辆重心CG或质量中心的(在空间的)位置的方法。图4和4A显示了当车辆是静止时作用在车辆每个车轮上的支承力的一个表示。在图4和4A显示的实施例中，坐标x和y表示了车轮轮胎区片(tire patch)P1—P4的中心距离参考位置0,0的距离。在图4中可看到，x轴平行于车辆的纵轴L延伸或在车辆的纵向方向上。Y轴横向地或垂直于x轴延伸。Z轴垂直地延伸，垂直于x和y轴。此外，z轴坐标的零参考值如图4所示看作是在道路水平面上。
在一个实施例中，参考0,0,0是由穿过前轴FA的旋转轴BF和后轴RA的旋转轴BR的每个的延伸垂直面212、214来定义。当左边车轮是与车辆纵轴L平行对准时另一个垂直面200平分左(LH)车轮的宽度。当右边车轮是与车辆纵轴L平行对准时另一个垂直面202平分右(RH)车轮的宽度。
平面200和212在线220处相交。线220与道路表面G的交点提供了第一车轮W1的轮胎区片的坐标x1、y1。
平面202和212在线222处相交，线222与道路表面G的交点提供了第二车轮W2的轮胎区片的坐标x2、y2。
平面202和214在线224处相交，线224与道路表面G的交点提供了第三车轮W3的轮胎区片的坐标x3、y3。
平面200和214在线226处相交，线226与道路表面G的交点提供了第四车轮W4的轮胎区片的坐标x4、y4。
线230连接点x1、y1和x2、y2。另一条线232连接点x3、y3和x4、y4。线236平分线230和232。线236与纵轴L一致或共面。
线240连接点x1、y1和x4、y4。另一条线242连接点x3、y3和x2、y2。另一条线250平分线240和242。线236和250的交点定义了点0,0。
图4A显示了对准的车轮W4和车轮W1从车辆的后面的视图，并且显示了平分车轮的宽度的平面200。图4A还显示了沿着平行于轴L延伸的轴对准的轮胎区片P1(与车轮W1有关)和P4(与车轮W4有关)。
为了定义坐标参考的目的，当车辆是处于空载条件时可以确定上述的尺寸和位置。因为点0,0存在于道路表面G上，CG的z坐标的正方向是从道路表面向上测量。
尽管图4和4A描述了一种用于建立用于确定在这里描述的方法的实施例中使用的参数的坐标系的可能方法，也可以使用可选的坐标系。
当车辆是静止时，车辆的总簧载质量MSPRUNG可以根据关系式定义为车辆角落受力(corner force)的总和：
MSPRUNG＝(∑Fi)/g (1)
其中Fi是在车辆ith角落支承簧载质量的角落的悬架力，以及g是万有引力常数。当车辆是静止时CG的x和y坐标是通过下面的关系式给出：
xCG＝(∑Fixi)/∑Fi (2)
yCG＝(∑Fiyi)/∑Fi (3)
其中xi是施加于簧载质量的力Fi的位置的x坐标，yi是施加于簧载质量的力Fi的位置的y坐标。在每个车轮上的力Fi的施加位置对于给定的悬架配置来说是已知的。
在图2所示的液压气动悬架实施例中，通过关系式可以估计由驱动器施加在ith车轮上的支承力Fai：
Fai＝pi ai (4)
其中量“pi”是至驱动器的液压(如指示的例如通过压力传感器106)以及量“ai”是驱动器活塞120在车轮上的有效面积。
对于比如在图3中所示的实施方式，车辆支承力是在驱动器力Fa和由一个或多个被动组件、比如弹簧S施加的力(或多个力)Fs之间分解。力Fsi根据以下关系式通过弹簧Si作用在ith车轮位置上：
Fsi＝ki xi (5)
其中如本技术领域已知的是，ki是在ith车轮位置的弹簧常数，以及xi是在ith车轮位置的弹簧的末端的相对位移。如果需要的话，量xi可以使用位移传感器测量。通过使用上述关系式计算由每个组件提供的力可以计算由在每个角落的悬架提供的组合的悬架力Fi：
Fi＝Fai+Fsi (6)
图5和5a显示了说明用于估计CG的x、y和z坐标的方法的流程图。在所示的实施例中，zCG是使用在车辆转向期间或在导致横向加速度分量ay的任何车辆机动期间收集并且传递至VDCM 99的车辆动态信息来计算。利用上述关系式连同接收来自相关车辆传感器的数据，当车辆是静止时和当车辆载荷变化时CG的x、y和z坐标可以动态地重新计算并且CG的位置可以动态地更新。
现在参照图5和5a，VDCM99或另外的车辆控制装置接收来自相关车辆传感器的持续的信息流(例如，弹簧位移值、驱动器液压值、横向加速度、车辆速度、侧倾角速度和可用于估计如在这里描述的车辆CG位置的其他信息)。这个原始数据集可以存储在存储器888中供进一步计算使用。
在步骤510中，车辆控制装置从接收到的传感器信息确定车辆是静止的或是移动的。在一个实施例中，使用可以用各种已知方法中的任何一种(例如，使用来自单独的车轮速度传感器的数据)估计的车辆速度做出这个确定。
如果车辆是静止的，进程接着至步骤520。如果车辆不是静止的，CG的估计的x和y坐标在这个时候没有确定并且进程移动至步骤530。
在步骤520中，计算或更新关于图4中的参考点(0,0,0)的CG的估计的x和y坐标(xCG和yCG)。
在步骤520a(图5a)中，使用先前描述的关系式(2)和(3)连同最新的传感器数据计算xCG和yCG的值。xCG和yCG的这些最新计算的值定义了量CGmeasured。
在步骤520b中，车辆控制装置确定是否存储器中有需要更新的先前计算的CG的估计的x和y坐标(xCG和yCG)的值。这些先前计算的值是由可变的CG(k)表示。如果用于存储CG(k)的值的存储器位置是零或空的(例如，车辆在关闭之后启动的情况下)，可以假定的是不存在xCG和yCG的当前值，并且xCG和yCG的最新计算值(由可变的CGmeasured表示)存储在存储器中用于进一步修正或在进一步计算中使用。此外，CGmeasured的值是分配给可变的CG(k)。
如果CG(k)的值已经存储在存储器中，执行使用最新的传感器信息重新计算或更新xCG和yCG的值的操作。在更新xCG和yCG期间，从最新的传感器信息计算的用于生成CGmeasured的xCG和yCG的值是可以连同CG(k)(表示存储的xCG和yCG的先前计算值)(例如，在移动平均操作或其他已知的处理操作中)被处理以平滑传感器数据中的短期波动和峰值，因此在提供xCG和yCG的更新值时有助于减少测量值的不确定性。这样的操作可以通过例如低通滤波器或其他适当的装置执行。一种在步骤520中更新xCG和yCG的方法包含如图5a所示的子步骤520c-d。
在步骤520c中，确定加权系数α以用于更新CG的x和y坐标值。加权系数α是在0和1之间的常数，其确定当前(最新计算的)CG的x和y坐标值关于先前计算值的权重。在可选的实施例中，在进入步骤520之前确定加权系数。
如果α接近于1，低通滤波器将加权先前计算(或存储的)值比最当前的值更重。接近于0的α值将更重地加权最新计算的或当前的CG值(即CGmeasured)。在许多实施方式中α值是常数。在一个实施例中，α值的选择是基于CG的x和y坐标值的估计值的快速收敛的需求，以及在用于生成估计值的数据中预期的或遇到的噪声级。在一个具体实施例中，0.98的值分配给α以用于每100毫秒更新CG的x和y坐标值估计值的***。用这个值，估计在20秒内将捕获CG的x和y坐标位置的98％的变化。在预期CG的x和y坐标值相对频繁地变化的情况下，先前计算值应该给予相对少的权重。在这种情况下，α值可以最初设置在接近于0并且随着估计值的置信度的增加然后可以逐渐地增加至接近1.0。随着获得越来越多的数据并且估计更多的CG的x和y坐标值，噪音的效果可以计算在内和/或减少，以及增加了对估计的CG值的置信度。在一个示例中，当车辆感应到燃油液位已经变化或者车辆乘员载荷已经变化，α值开始于0.5并且在10秒的时段内逐渐地增加至0.98。
接着，在步骤520d中，由CGmeasured表示的xCG和yCG的值连同由CG(k)表示的xCG和yCG的值(其是先前计算的值，现在存在于存储器中)根据关系式被处理以生成估计的车辆CG位置的x和y坐标xCG和yCG的修正值CG(k+1)：
CG(k+1)＝(α*CG(k))+((1-α)*CGmeasured) (7)
这个关系式是应用于每个xCG和yCG。也就是说，xCG和yCG的修正值都是根据关系式生成。
xCG(k+1)＝(α*xCG(k))+((1-α)*xCG measured)
以及
yCG(k+1)＝(α*yCG(k))+((1-α)*yCG measured)
其中：
xCG(k+1)和yCG(k+1)＝xCG和yCG的修正值；
xCG(k)和yCG(k)＝存储的xCG和yCG的先前计算值；以及
xCG measured和yCG measured＝xCG和yCG的最新计算或当前值。
xCG和yCG的更新值然后在步骤525中存储在存储器中直到进一步修正或在进一步计算中使用。只要车辆保持静止，即执行进程回路510-520-525。当可以确定车辆是在运行中时，进程从步骤510转到步骤530。
在步骤530中，当车辆是移动时，评价车辆传感器信息以确定车辆的侧倾加速度条件。用零侧倾加速度，简化了CG的z坐标的计算。在例如长转向时，车辆将具有零侧倾加速度。使用侧倾率传感器或其他适当的传感器可以估计侧倾加速度。在一个实施例中，只要侧倾率传感器测量值是恒定在小于0.2度/秒的值，然后假定侧倾加速度实质上为零。可选地，只要测量的或计算的侧倾加速度低于1度/秒2，然后假定侧倾加速度实质上为零。如果认为侧倾加速度实质上为零，进程转到步骤540。
一旦已经确定了侧倾加速度是零或实际上是零，进程转到步骤540。在步骤540中，评价车辆传感器数据以确定是否车辆在转向。一种用于检测转向的方法是评价车辆的横向加速度数据。如果车辆是在转向，横向加速度将具有非零值。如果车辆是沿着直线路径或是静止的，然后横向加速度将为零。
如果例如正在从车辆装载或卸载乘客或货物时，假的非零读数可以出现在横向加速度传感器中。然而，在这种情况下，车辆没有移动，所以可以忽略在静止车辆中的这样的非零传感器读数以为了使用在这里描述的方法计算车辆CG的位置。
可以使用IMU22——一种在主动悬架***中常见的离散加速度计或任何其他适当的装置测量横向加速度。可选地，可以使用偏航率数据和车辆速度数据估计横向加速度。
如果横向加速度是零或者另外确定了车辆没有在转向，进程接着返回至步骤510，借以使用最新的传感器数据继续侧倾加速度和横向加速度的评价，直到横向加速度是非零的或直到车辆停止移动，在那时CG位置的x和y坐标xCG和yCG的重新计算和更新可以如先前的描述重新开始。如果横向加速度是非零的或者另外确定了车辆在转向，然后进程接着至步骤550。
在步骤550中，使用下面的关系式(8)连同先前讨论的其他关系式和参数计算(或如果先前计算过时，更新)估计的CG的z坐标或高度zCG：
zCG＝((∑Fi(yi–yCG))/(MSPRUNGay))+zRC (8)
其中：
zCG＝CG的z坐标
zRC＝侧倾中心轴的z坐标
ay＝车辆加速度的横向分量
zRC的大致位置如图6中所示。依赖于悬架配置和其他相关因素，使用已知方法可以计算和更新zRC，或者这个参数可以分配常数值。
在步骤560中，在CG的z坐标zCG计算之后，这个坐标可以与最新计算的xCG和yCG值结合以提供车辆CG关于预定参考点的空间坐标(xCG、yCG、zCG)的估计值。然后可以使用在车辆运行期间收集的相关传感器数据动态地更新这个位置。进程然后返回至步骤510以如先前的描述继续处理新进来的传感器信息。
可以理解的是，前述各种实施例的描述是仅用于说明的目的。同样地，在这里公开的各种结构和操作特征易受许多修改，其并不背离所附权利要求的范围。

Claims (9)

1.一种用于估计车辆的簧载质量的重心(CG)的x、y和z坐标的方法，其特征在于，所述方法包含步骤：
a)确定车辆是静止的或是移动的；
b)如果车辆是静止的，则只计算所述x、y和z坐标的估计的x和y坐标；
c)如果车辆是移动的，则只计算x、y和z坐标的z坐标。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算估计的x和y坐标的步骤包含步骤：
b1)使用最新的传感器数据集计算最新估计的x和y坐标；
b2)确定是否先前计算的x和y坐标的估计值存储在存储器中；以及
b3)如果先前计算的x和y坐标的估计值没有存储在存储器中，将最新估计的x和y坐标分配至存储器中。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，计算估计的x和y坐标的步骤进一步地包含步骤，如果先前计算的x和y坐标的估计值存储在存储器中，使用先前计算的x和y坐标的估计值和最新估计的x和y坐标，重新计算x和y坐标的估计值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，重新计算x和y坐标的估计值的步骤包含确定表明最新的x和y坐标值关于先前计算的x和y坐标值的权重的加权系数α的步骤。
5.一种用于估计车辆的簧载质量的重心(CG)的位置的方法，其特征在于，所述方法包含步骤：
a)确定车辆是静止的或是移动的；
b)如果车辆是移动的，确定车辆的侧倾加速度；以及
c)如果侧倾加速度实际上是非零的，重复步骤a)和b)直到侧倾加速度实际上是零或直到车辆是静止的。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步地包含步骤：
d)如果侧倾加速度实际上是零，确定是否车辆在转向；以及
e)如果车辆没有在转向，重复步骤a)–d)直到确定了车辆在转向或直到车辆是静止的。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步地包含步骤，如果车辆在转向，计算车辆簧载质量的CG的估计的z坐标。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步地包含将CG的估计的z坐标与最新计算的CG的x和y坐标的值结合以提供车辆CG关于预定参考点的空间坐标(xCG、yCG、zCG)的估计值的步骤。
9.一种主动悬架***，其特征在于，包含用于估计车辆的簧载质量的重心(CG)的位置的装置，所述装置用于执行上述权利要求中任一项所述的方法。
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