CN116339210A - 一种基于动态基准误差的多作动器协同行车调平控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于动态基准误差的多作动器协同行车调平控制方法，属于汽车悬架控制技术领域，包括将悬架节点簧载部分及非簧载部分的垂向位移作为***状态，建立主动悬架***模型；再基于各个作动器的动行程设计实时动态调整的趋势引导动态基准及基准误差，将整车的位姿控制问题转化为单纯的相对位置控制问题；针对悬架节点设计协同算法，保证簧载部分的垂向位移和垂向速度分别趋于一致，进而实现特种车辆的行车调平。本发明使得***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，得到了更好地控制效果。
Description
技术领域
本发明涉及汽车悬架控制技术领域，尤其是一种基于动态基准误差的多作动器协同行车调平控制方法。
背景技术
悬架***对于改善汽车的平顺性和操稳性来说至关重要。通用车辆的主动悬架控制技术已经发展多年，并已逐步趋于成熟，主要是利用其等效任意刚度和阻尼特性的特点，提升车辆的驾乘舒适性和操控稳定性。目前，对车辆调平普遍采用的支腿式驻车调平方式，该方法无法满足特种车辆行车调平的使用需求，而特种装备车辆又对行驶中调平车身姿态的能力需求很大，例如高消防机器人，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。然而，与通用车辆主动悬架控制专注于行驶过程中的舒适平稳极为不同，特种车辆行车调平更为注重行驶过程中车身姿态的保持，而主动悬架通过作动器产生主动控制力，可以在较大带宽范围内等效任意刚度和阻尼特性，作动器伸缩完全可控，使得车身位置和姿态完全可控，是用作特种车辆行车调平执行机构的不二之选。
现有主动悬架行车调平方法，普遍基于整车垂向动力学模型，结合各种先进的控制理论解决行车调平中的各种问题。董绪斌等人设计的行车调平控制方法都是基于整车垂向动力学模型，设计以调控车身俯仰角、侧倾角和身质心铅垂高(车身质心空间绝对垂向位移)为目的控制器，存在对车身质心铅垂高有依赖的问题。
行车调平控制的主要难点在于控制方法实现复杂并要特种车辆处理对车身质心铅垂高的过度依赖问题。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种基于动态基准误差的多作动器协同行车调平控制方法，针对特种车辆悬架***，建立悬架节点动力学模型，并构建基于悬架动行程的趋势引导动态基准和基准误差，设计基于动态基准误差的多作动器协同特种车辆行车调平方法，综合权衡调平难度与精度，实现特种车辆的行车调平。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于动态基准误差的多作动器协同行车调平控制方法，将悬架节点簧载部分及非簧载部分的垂向位移作为***状态，建立主动悬架***模型；再基于各个作动器的动行程设计实时动态调整的趋势引导动态基准及基准误差，将整车的位姿控制问题转化为单纯的相对位置控制问题；针对悬架节点设计协同算法，保证簧载部分的垂向位移和垂向速度分别趋于一致，进而实现特种车辆的行车调平；包括以下步骤：
步骤1，悬架节点动力学模型的建模；
步骤2，构建基于悬架动行程的趋势引导动态基准和基准误差；
步骤3，设计基于动态基准误差的多作动器协同行车调平方法。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤1中，具体包括以下步骤：
1.3，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；
1.4，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；
悬架节点动力学模型的建模：
式中，下标i＝1,2,3,4,依次表示左前、左后、右前和右后四个悬架节点；针对悬架节点i，zs,i表示簧载部分的垂向位移，zt,i表示非簧载部分的垂向位移，zr,i表示所受路面激励的垂向幅值；ms,i表示等效簧载质量，mt,i表示等效非簧载质量；Gs,i＝-ms,ig表示等效弹簧重力，Gt,i＝-mt,ig表示等效非簧载重力，g为重力加速度；Fc,i表示作动器所需提供的控制力；
表示作动器等效阻尼力，cs表示作动器等效阻尼系数；/>
kt(zr,i-zt,i)和/>
分别表示轮胎等效弹性力和阻尼力，kt和ct分别表示轮胎等效刚度和等效阻尼系数；Fcp,i表示节点间的耦合力。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤2中，具体包括以下步骤：
2.1，构建相对于车辆静止时各个作动器的平衡中位；
2.2，计算悬架节点簧载部分的运动状态与动态基准之间的差值；
构建动态基准：
式中，上角标m表示导数阶次，m＝0,1；nl表示作动器压缩的悬架节点数量，nk表示作动器伸展悬架节点数量，Ωl表示所有作动器压缩悬架节点的集合，Ωk表示所有作动器伸展悬架节点的集合，
为一常数，表示预设行程中位偏移量；
全部作动器处于压缩状态时nk＝0，nl＝n；全部作动器处于伸展状态时nk＝n，nl＝0；其中，n表示悬架节点总数量，n＝nl+nk；此时，动态基准通过式(3)进行计算：
构建动态基准误差：
悬架节点i簧载部分的运动状态与动态基准之间的差值，即zs,i-zs,0和
将式(2)代入式中，并利用
进行变量替换，使得式(4)算出结果，如(5)所示：
式中，
表示/>
与所有作动器在压缩状态的悬架节点簧上状态的相对平均差；/>
表示/>
与所有作动器在伸展状态的悬架节点簧上状态的相对平均差；/>
表示所有作动器动态行程或其变化率的平均值；
全部作动器处于压缩状态时nk＝0，nl＝n；全部作动器处于者伸展状态时nk＝n，nl＝0；此时，悬架节点i簧载部分的垂向状态与动态基准状态之间差值的需要通过式(6)进行计算：
式(5)和式(6)中的
和/>
通过几何关系(7)和(8)求得；
2.3，将作动器的整体运动趋势数据导入到动态基准误差公式中，得到结果。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤3中，具体包括以下步骤：
3.1，获取所有悬架节点的基准状态信息；
3.2，针对悬架节点，设计多作动器协同算法；
考虑所有悬架节点均能获取基准状态信息，且各个节点两两连通的情况，针对悬架节点i，设计多作动器协同算法：
式中，通过-Fcp,i解耦合，通过-Fs,i-Gs,i进行反馈线性化将***等效为双积分动力标准模型，其余项为针对双积分标准型动力***的一致性协议；zs,i-zs,0和
分别表示悬架节点i簧载部分与动态基准之间的位置和速度差，zs,i-zs,j和/>
分别表示悬架节点i簧载部分与其连通节点之间的位置和速度差；γ表示算法中位置偏差和速度偏差的权重分配，选取0＜γ＜1；a0反映算法中i节点的状态与动态基准间误差所占权重，选取a0＞0，每个节点都能获取基准信息；ai,j反映算法中节点间相对状态误差所占权重，鉴于车辆的结构对称性和完善的总线信息交互机制，可选取ai,j为相等的正常数，保证所有悬架节点间为两两连通的无向连通拓扑；
3.3，保证所有悬架节点簧载部分的垂向位移和垂向速度分别趋于一致，进而实现整车的行车调平控制。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
1、本发明通过建立悬架节点模型，把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，解决了整车模型考虑多个影响因素的问题。
2、本发明通过构建基于悬架动行程的趋势引导动态基准和基准误差，解决了现有调平方法对车身质心铅垂高的依赖的问题。
3、本发明设计的基于动态基准误差的多作动器协同特种车辆行车调平方法，将特种车辆的行车调平精度提高了1到2个数量级。
4、本发明使得***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，得到了更好地控制效果。
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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1为本发明实施例中七自由度整车模型；
图2为随机路面激励示意图；
图3为本发明实施例在10km/h情况下与半车和整车算法对比的俯仰角和侧倾角变化曲线图；
图4为本发明实施例在10km/h情况下与半车和整车算法对比的悬架节点铅垂高变化曲线图；
图5为本发明实施例在10km/h情况下与半车和整车算法对比的悬架节点铅锤速度变化曲线图；
图6为本发明实施例在10km/h情况下与半车和整车算法对比的作动器行程变化曲线图；
图7为本发明实施例在10km/h情况下左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的控制力变化曲线图；
图8为本发明实施例在30km/h与半车和整车算法对比的俯仰角、侧倾角均方根统计图。
具体实施方式
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明以七自由度整车模型为实施例，以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
一种基于动态基准误差的多作动器协同行车调平控制方法，将悬架节点簧载部分及非簧载部分的垂向位移作为***状态，建立主动悬架***模型；再基于各个作动器的动行程设计实时动态调整的趋势引导动态基准及基准误差，将整车的位姿控制问题转化为单纯的相对位置控制问题；针对悬架节点设计协同算法，保证簧载部分的垂向位移和垂向速度分别趋于一致，进而实现特种车辆的行车调平；具体包括如下的步骤：
步骤1：悬架节点动力学模型的建模；包括如下的步骤：
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；
1.2，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；
悬架节点动力学模型的建模：
式中，下标i＝1,2,3,4,依次表示左前、左后、右前和右后四个悬架节点；针对悬架节点i，zs,i表示簧载部分的垂向位移，zt,i表示非簧载部分的垂向位移，zr,i表示所受路面激励的垂向幅值；ms,i表示等效簧载质量，mt,i表示等效非簧载质量；Gs,i＝-ms,ig表示等效弹簧重力，Gt,i＝-mt,ig表示等效非簧载重力，g为重力加速度；Fc,i表示作动器所需提供的控制力；
表示作动器等效阻尼力，cs表示作动器等效阻尼系数；/>
kt(zr,i-zt,i)和/>
分别表示轮胎等效弹性力和阻尼力，kt和ct分别表示轮胎等效刚度和等效阻尼系数；Fcp,i表示节点间的耦合力。
步骤2：构建基于悬架动行程的趋势引导动态基准和基准误差；包括以下步骤：
2.1，构建相对于车辆静止时各个作动器的平衡中位；
2.2，计算悬架节点簧载部分的运动状态与动态基准之间的差值；
构建动态基准：
式中，上角标m表示导数阶次，m＝0,1；nl表示作动器压缩的悬架节点数量，nk表示作动器伸展悬架节点数量，Ωl表示所有作动器压缩悬架节点的集合，Ωk表示所有作动器伸展悬架节点的集合；
为一常数，表示预设行程中位偏移量。
特别地，全部作动器处于压缩状态时nk＝0，nl＝n；全部作动器处于伸展状态时nk＝n，nl＝0。其中，n表示悬架节点总数量，n＝nl+nk。此时，动态基准通过式(3)进行计算。
构建动态基准误差：
悬架节点i簧载部分的运动状态与动态基准之间的差值，即zs,i-zs,0和
将式(2)代入式(4)中，并利用
进行变量替换，使得式(4)可以算出结果，如(5)所示：
式中，
表示/>
与所有作动器在压缩状态的悬架节点簧上状态的相对平均差；/>
表示/>
与所有作动器在伸展状态的悬架节点簧上状态的相对平均差；/>
表示所有作动器动态行程或其变化率的平均值。
特别地，全部作动器处于压缩状态时nk＝0，nl＝n；全部作动器处于者伸展状态时nk＝n，nl＝0。此时，悬架节点i簧载部分的垂向状态与动态基准状态之间差值的需要通过式(6)进行计算。
需要说明，式(5)和式(6)中的
和/>
可以通过几何关系(7)和(8)求得；/>
可以通过作动器行程传感器测量值计算获得。
2.3，将作动器的整体运动趋势数据导入到动态基准误差公式中，得到结果。
步骤3，设计基于动态基准误差的多作动器协同特种车辆行车调平方法；包括以下步骤：
3.1，获取所有悬架节点的基准状态信息；
3.2，针对悬架节点，设计多作动器协同算法；
考虑所有悬架节点均能获取基准状态信息，且各个节点两两连通的情况，针对悬架节点i，设计多作动器协同算法：
式中，通过-Fcp,i解耦合，通过-Fs,i-Gs,i进行反馈线性化将***等效为双积分动力标准模型，其余项为针对双积分标准型动力***的一致性协议；zs,i-zs,0和
分别表示悬架节点i簧载部分与动态基准之间的位置和速度差，zs,i-zs,j和/>
分别表示悬架节点i簧载部分与其连通节点之间的位置和速度差；γ表示算法中位置偏差和速度偏差的权重分配，选取0＜γ＜1；a0反映算法中i节点的状态与动态基准间误差所占权重，选取a0＞0，每个节点都能获取基准信息；ai,j反映算法中节点间相对状态误差所占权重，鉴于车辆的结构对称性和完善的总线信息交互机制，可选取ai,j为相等的正常数，保证所有悬架节点间为两两连通的无向连通拓扑。
3.2，保证所有悬架节点簧载部分的垂向位移和垂向速度分别趋于一致，进而实现整车的行车调平控制。
本实施例在Carsim与Matlab\Simulink环境下联合仿真验证，提出的多作动器协同算法(9)的控制效果与被动悬架情况及整车型行车调平算法进行对比。算法(9)中的参数设定为a0＝100,ai,j＝100，γ＝0.2。联合仿真中直接选用汽车***仿真软件Carsim样例车型“D-Class,SUV:4WD,Ext,Rr.Twin Clutch Ctrl”，整车主要参数：质量1430kg，轴距2660mm，轴长1565mm。悬架参数：被动悬架弹簧刚度系数为130N/mm，阻尼系数为6N/(mm/s)，设计行程范围为±100mm；主动悬架采用作动器直接替换被动弹簧，保留被动阻尼，阻尼系数为6N/(mm/s)，设计行程范围为±100mm。仿真情形设置如下：分别以10km/h、20km/h、30km/h的中低速驶过凹凸路面，如图2所示。即过程中左侧前后车轮依次通过高80mm的凸起，右侧车轮依次通过深度为80mm的凹坑。10km/h情况的仿真结果如图3～图5所示。图3表明，相对于整车型调平算法，本文算法更好地实现了车辆行车调平的目标，车辆的俯仰角和侧倾角明显更小。其主要原因在于在本文提出的多作动器协同算法的作用下，各个悬架节点间簧载部分的位移和速度呈现出明显的一致特性而整车型算法的各个节点呈现出杂乱无章状态，如图4和图5所示。动态行程如图6所示，在发明提出的多作动器协同算法的作用下，各作动器呈现出明显的协作特性。图7给出两种主动悬架算法的输出控制力曲线，一方面，控制力均在2000N～5000N的合理的范围之内，作动器足以提供所需控制力；另一方面，控制力变化平缓，未出现高频突变，作动器足以及时响应。
20km/h、30km/h情况仿真结果与10km/h情况的基本类似，鉴于篇幅不再列出具体仿真结果图。对3种情况的姿态角均方根进行统计，如图8所示，可见在各种情况下，协同算法(9)均表现出更好的调平特性，控制精度提高了1到2个数量级。如此，协同算法更适用于特种车辆追求高精度行车调平的特殊工况。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种基于动态基准误差的多作动器协同行车调平控制方法，其特征在于：将悬架节点簧载部分及非簧载部分的垂向位移作为***状态，建立主动悬架***模型；再基于各个作动器的动行程设计实时动态调整的趋势引导动态基准及基准误差，将整车的位姿控制问题转化为单纯的相对位置控制问题；针对悬架节点设计协同算法，保证簧载部分的垂向位移和垂向速度分别趋于一致，进而实现特种车辆的行车调平；包括以下步骤：
步骤1，悬架节点动力学模型的建模；
步骤2，构建基于悬架动行程的趋势引导动态基准和基准误差；
步骤3，设计基于动态基准误差的多作动器协同行车调平方法。
2.根据权利要求1所述的一种基于动态基准误差的多作动器协同行车调平控制方法，其特征在于：步骤1中，具体包括以下步骤：
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；
1.2，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；
悬架节点动力学模型的建模：
式中，下标i＝1,2,3,4,依次表示左前、左后、右前和右后四个悬架节点；针对悬架节点i，zs,i表示簧载部分的垂向位移，zt,i表示非簧载部分的垂向位移，zr,i表示所受路面激励的垂向幅值；ms,i表示等效簧载质量，mt,i表示等效非簧载质量；Gs,i＝-ms,ig表示等效弹簧重力，Gt,i＝-mt,ig表示等效非簧载重力，g为重力加速度；Fc,i表示作动器所需提供的控制力；
表示作动器等效阻尼力，cs表示作动器等效阻尼系数；/>
kt(zr,i-zt,i)和/>
分别表示轮胎等效弹性力和阻尼力，kt和ct分别表示轮胎等效刚度和等效阻尼系数；Fcp,i表示节点间的耦合力。
3.根据权利要求1所述的一种基于动态基准误差的多作动器协同行车调平控制方法，其特征在于：步骤2中，具体包括以下步骤：
2.1，构建相对于车辆静止时各个作动器的平衡中位；
2.2，计算悬架节点簧载部分的运动状态与动态基准之间的差值；
构建动态基准：
式中，上角标m表示导数阶次，m＝0,1；nl表示作动器压缩的悬架节点数量，nk表示作动器伸展悬架节点数量，Ωl表示所有作动器压缩悬架节点的集合，Ωk表示所有作动器伸展悬架节点的集合，
为一常数，表示预设行程中位偏移量；
全部作动器处于压缩状态时nk＝0，nl＝n；全部作动器处于伸展状态时nk＝n，nl＝0；其中，n表示悬架节点总数量，n＝nl+nk；此时，动态基准通过式(3)进行计算：
构建动态基准误差：
悬架节点i簧载部分的运动状态与动态基准之间的差值，即zs,i-zs,0和
将式(2)代入式中，并利用
进行变量替换，使得式(4)算出结果，如(5)所示：
式中，
表示/>
与所有作动器在压缩状态的悬架节点簧上状态的相对平均差；/>
表示/>
与所有作动器在伸展状态的悬架节点簧上状态的相对平均差；
表示所有作动器动态行程或其变化率的平均值；
全部作动器处于压缩状态时nk＝0，nl＝n；全部作动器处于者伸展状态时nk＝n，nl＝0；此时，悬架节点i簧载部分的垂向状态与动态基准状态之间差值的需要通过式(6)进行计算：
式(5)和式(6)中的
和/>
通过几何关系(7)和(8)求得；/>
通过作动器行程传感器测量值计算获得；
2.3，将作动器的整体运动趋势数据导入到动态基准误差公式中，得到结果。
4.根据权利要求1所述的一种基于动态基准误差的多作动器协同行车调平控制方法，其特征在于：步骤3中，具体包括以下步骤：
3.1，获取所有悬架节点的基准状态信息；
3.2，针对悬架节点，设计多作动器协同算法；
考虑所有悬架节点均能获取基准状态信息，且各个节点两两连通的情况，针对悬架节点i，设计多作动器协同算法：
式中，通过-Fcp,i解耦合，通过-Fs,i-Gs,i进行反馈线性化将***等效为双积分动力标准模型，其余项为针对双积分标准型动力***的一致性协议；zs,i-zs,0和
分别表示悬架节点i簧载部分与动态基准之间的位置和速度差，zs,i-zs,j和/>
分别表示悬架节点i簧载部分与其连通节点之间的位置和速度差；γ表示算法中位置偏差和速度偏差的权重分配，选取0＜γ＜1；a0反映算法中i节点的状态与动态基准间误差所占权重，选取a0＞0，每个节点都能获取基准信息；ai,j反映算法中节点间相对状态误差所占权重，鉴于车辆的结构对称性和完善的总线信息交互机制，选取ai,j为相等的正常数，保证所有悬架节点间为两两连通的无向连通拓扑；
3.3，保证所有悬架节点簧载部分的垂向位移和垂向速度分别趋于一致，进而实现整车的行车调平控制。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310367488.0A CN116339210A (zh) | 2023-04-07 | 2023-04-07 | 一种基于动态基准误差的多作动器协同行车调平控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310367488.0A CN116339210A (zh) | 2023-04-07 | 2023-04-07 | 一种基于动态基准误差的多作动器协同行车调平控制方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN116339210A true CN116339210A (zh) | 2023-06-27 |
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| CN202310367488.0A Pending CN116339210A (zh) | 2023-04-07 | 2023-04-07 | 一种基于动态基准误差的多作动器协同行车调平控制方法 |
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| CN (1) | CN116339210A (zh) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107791773A (zh) * | 2017-09-04 | 2018-03-13 | 昆明理工大学 | 一种基于规定性能函数的整车主动悬架***振动控制方法 |
-
2023
- 2023-04-07 CN CN202310367488.0A patent/CN116339210A/zh active Pending
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|---|---|---|---|---|
| CN107791773A (zh) * | 2017-09-04 | 2018-03-13 | 昆明理工大学 | 一种基于规定性能函数的整车主动悬架***振动控制方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张聪: "多作动器协同的特种车辆行车调平控制方法", 《兵工学报》, vol. 44, no. 1, pages 98 - 106 * |
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