基于车辆底盘集成控制技术的防侧翻主动控制方法

摘要

本发明公开了一种基于车辆底盘集成控制技术的防侧翻主动控制方法，一、车辆底盘子系统耦合构成以及系统状态参数的选择；二、车辆系统输出变量的异值率计算；三、道路激励q与输出矩阵Y之间的相关关系计算；四、当前行驶工况下的车辆侧翻风险区域判定；五、设计车辆底盘集成控制的防侧翻协同耦合控制策略；本发明能够在车辆底盘子系统集成技术的基础上，根据车辆动态状态参数实现对车辆侧翻风险进行评价与预测，以及采用系统集成控制技术对车辆侧翻进行主动控制。

说明书

技术领域

本发明属于车辆主动控制技术，具体涉及一种基于车辆底盘集成控制技术的防侧翻主动控制方法。

背景技术

随着信息技术的不断发展，其先进理念和技术也开始逐渐影响到传统的车辆领域，从而使智能驾驶、系统安全预测和半主动/主动控制成为研究的焦点。车辆系统不再是不同子系统的机械式简单组装，而逐渐变成由不同硬件机构和先进辅助驾驶系统进行集成而得到的综合智能化平台。于是在这样的基础上，现代车辆底盘控制技术融入了更多考虑人机工程和性能智能化的因素，从而使得车辆各个子系统以及车辆与车辆之间成为一个控制集群。

车辆侧翻事故作为典型的车辆事故之一，它的发生与各个底盘子系统之间密切相关。目前针对车辆所进行的研究工作，大部分集中于借助单一或者部分子系统的协同控制来降低车辆的车翻风险，这就导致所降低的车辆侧翻风险局限于特定工况。而如果从底盘子系统集成的角度出发来进行研究，那么车辆侧翻的主动控制策略则可以推广到复杂多变的道路条件和极限操纵工况中，控制策略的鲁棒性和泛化性也得到了进一步的提升。

此外，车辆侧翻事故与底盘各个子系统密切相关，对于性能卓越和日益智能化的车辆系统而言，其内部时刻存在着数据大量交互与控制系统智能决策所形成的信息流动。大量数据信息的传输与交互，同步增加了控制系统决策计算的工作量，这也使“如何有效实现基于大量冗杂信息所进行的系统状态辨识和控制决策”成为车辆底盘集成技术在研究与实际应用过程中所存在的难题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于车辆底盘集成控制技术的防侧翻主动控制方法，能够在车辆底盘子系统集成技术的基础上，根据车辆动态状态参数实现对车辆侧翻风险进行评价与预测，以及采用系统集成控制技术对车辆侧翻进行主动控制。

实现本发明的技术方案如下：

基于车辆底盘集成控制技术的防侧翻主动控制方法，包括以下步骤：

步骤一、车辆底盘子系统耦合构成以及系统状态参数的选择；

步骤二、车辆系统输出变量的异值率计算；

步骤三、道路激励q与输出矩阵Y之间的相关关系计算；

步骤四、当前行驶工况下的车辆侧翻风险区域判定；

步骤五、设计车辆底盘集成控制的防侧翻协同耦合控制策略。

进一步地，步骤一具体包括：

1.1车辆底盘集成控制系统包括电动助力转向系统、主动制动系统、电动空气悬架系统与主动悬架控制系统；这四个子系统对应的控制输入变量分别为：

电动助力转向系统的控制输入：助力电流i

主动制动系统的控制输入：四个轮胎理想制动压强P＝[P

电动空气悬架系统的控制输入：进气阀和排气阀的接通时间T＝[T

主动悬架控制系统的控制输入：直线电机的控制电流i

1.2车辆侧翻相关的状态变量矩阵X＝[X

车辆侧翻相关的输出变量矩阵Y＝[Y

1.3计算1.2中状态变量矩阵X和输出变量矩阵Y对应的相对熵熵值矩阵D

进一步地，步骤二具体包括：

2.1相对概率(即在B条件下A发生的概率)值为P(A|B)；由此，在采样次数为n的前提下，可以得到矩阵Y对应的变量异值率P(y

式中，d

基于车辆状态矩阵X和输出矩阵Y及其对应的相对熵熵值矩阵D

M

＝[max(x

M

＝[max(y

2.2容差风险概率区间为P

i＝1,2,…,5；p＝1,2,…,11

2.3基于车辆系统输出变量Y

若P(y

若P

若P(y

进一步地，步骤三具体包括：

3.1在k时刻下，道路激励q与系统输出变量矩阵Y之间相关系数γ(y

式中，Θ为系统修正因子，其对应取值范围一般为[1.38,1.89]，t为系统时间步长，q

3.2对3.1中的相关系数γ(y

表1道路激励q与输出变量Y

进一步地，步骤四具体包括：

4.1根据车辆系统输出矩阵Y、车辆输出变量Y的变量异值率P(y

4.1.1若变量输出变量Y

(1)如果道路激励q与输出变量Y

(2)如果道路激励q与输出变量Y

(3)如果道路激励q与输出变量Y

4.1.2若变量输出变量Y

(1)如果道路激励q与输出变量Y

(2)如果道路激励q与输出变量Y

(3)如果道路激励q与输出变量Y

4.1.3若变量输出变量Y

(1)如果道路激励q与输出变量Y

(2)如果道路激励q与输出变量Y

(3)如果道路激励q与输出变量Y

4.2在不同的车辆侧翻风险区间内，底盘集成控制子系统和子系统控制变量、输出矩阵Y中第i个输出变量Y

表2车辆输出变量与底盘子系统匹配关系

上述表格中，[]

进一步地，步骤五具体包括：

5.1根据车辆行驶速度v，如果系统输出矩阵Y中任一输出变量Y

5.2根据车辆行驶速度v，如果系统输出矩阵Y中的任一输出变量Y

5.3根据车辆行驶速度v，如果系统输出矩阵Y中的任一输出变量Y

5.4根据5.1、5.2和5.3的判定结果以及4.2所列出表2的匹配结果，进一步确定车辆底盘集成控制系统中外部参考输入w

5.5、k时刻下的优化步长为t，根据5.4中外部参考输入w

式中，n

5.6基于5.5中的系统性能目标优化函数min J(X

此时系统控制输入矩阵u

式中，χ和ξ都为大于0的正值，取值范围分别为[0.01,0.05]和[0.028,0.039]，

5.7若次优解

式中，矩阵u

修正之后的最优解u

式中，X

至此，考虑外部参考输入矩阵w

有益效果：

本发明充分考虑车辆底盘集成系统的耦合度与非线性特性，采取状态参数滚动优化的方式来进行求解计算。同时，采用相对熵熵值计算、风险概率分析与变量相关关系计算的方式来对车辆系统内部的大量状态参数进行分析，从而实现冗杂参数下的系统性能分析与判定。最终，根据判定结果来激活对应的主动控制系统，采取主动控制技术实现了车辆侧翻风险的预测与降低，也有效避免了侧翻事故的发生。

附图说明

图1为车辆底盘集成控制系统示意图。

图2为状态风险概率区间判定示意图。

图3为道路激励与输出变量相关关系判定示意图。

图4为车辆侧翻风险预测与判定示意图。

图5为车辆输出变量与底盘子系统匹配关系示意图。

图6为车辆状态最优化求解示意图。

图7为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于车辆底盘集成控制技术的防侧翻主动控制方法，如图7所示，首先，分别确定车辆底盘集成控制系统对应的控制输入变量，以及与车辆侧翻相关的状态变量和输出变量，建立对应的车辆状态矩阵X和输出变量矩阵Y，并计算其状态变量所对应的相对熵值大小。

其次，计算得到车辆状态矩阵X＝[x

在此基础上，可以根据系统输出状态变量异值率P(y

最后，由于车辆底盘子系统相互耦合集成，因此基于车辆侧翻风险判定结果与确定得到的控制输入u

本发明方法的详细实施过程如下：

步骤一、车辆底盘子系统耦合构成以及系统状态参数的选择与计算，其主要步骤包括：

1.1本发明内所描述的车辆底盘集成控制系统，主要包括电动助力转向系统、主动制动系统和电动空气悬架系统与主动悬架控制系统，其具体架构与组成如图1所示。这四个子系统进行耦合连结，构成车辆底盘集成控制系统。

1.2基于步骤一中1.1所描述的车辆底盘集成控制系统对应的四个子系统，确定系统控制输入变量分别如下为：

电动助力转向系统对应的控制输入为助力电流i

主动制动系统对应的控制输入为四个轮胎理想制动压强P＝[P

电动空气悬架对应的控制输入为进气阀和排气阀的接通时间T＝[T

而主动悬架控制系统对应的控制输入为直线电机的控制电流i

1.3确定车辆底盘集成控制系统对应与车辆侧翻相关的状态变量如下所示为：车辆行驶速度v，车辆横摆角速度ω

而车辆载荷转移率LTR需要进一步计算得到，其计算方程如下所示为：

式中，F

确定车辆底盘集成控制系统对应与车辆侧翻密切相关的输出变量如下所示为：车辆横摆角速度ω

1.4根据步骤一中1.3所描述的系统状态变量和输出变量，组成的车辆状态矩阵X和输出变量矩阵Y，其中，每种变量参数所对应的数据维度(即采样次数)为n，其形成的矩阵分别如下所示为：

针对车辆状态变量矩阵X和输出变量矩阵Y，分别计算其所对应的相对熵熵值矩阵，其对应的计算方程如下所示为：

i＝1,2,…,5；p＝1,2,…,11；j＝1,2,…,n

式中，P和Q分别代表两种不同的概率密度分布，P(x

步骤二、车辆系统输出变量异值率的计算，如图2所示，主要包括以下步骤：

2.1基于步骤一中1.4所描述的车辆状态矩阵X＝[X

M

＝[max(x

M

＝[max(y

式中，X

2.2基于步骤一中1.4所描述的车辆状态变量矩阵X＝[x

2.3随着车辆的行进过程，车辆系统中的状态变量会存在相应的波动，但是其波动幅值大小是否在正常范围内，需要进行进一步的辨识。因此，需要对步骤一中1.4所描述的车辆系统输出变量矩阵Y对应的异值率进行计算。相对概率(即B条件下A发生的概率)值为P(A|B)。由此，定义变量异值率为P(y

式中，x

2.4定义容差风险概率区间为P

i＝1,2,…,5；p＝1,2,…,11；j＝1,2,…,n

2.5基于步骤二中2.3所描述的车辆系统输出变量Y

如果P(y

如果P

如果P(y

步骤三、道路激励q与输出变量矩阵Y＝[y

3.1在车辆的行进过程中，针对同一种等级道路条件，即相同随机道路激励q的输入，驾驶员的驾驶体验感和乘坐舒适感会随着车辆行驶速度v的升高而逐渐降低。由此可知，车速v与道路激励q之间存在相互耦合的关系。因此，为了更好地表征道路激励q与输出变量矩阵Y之间的关系，在计算过程中需要对二者之间存在的约束关系进行分离。

车速v与道路激励q对应的数据序列维度都为n。引进约束分离因子Γ

式中，Θ>1，为系统修正因子，其对应的取值范围一般为[1.38,1.89]，t为时刻k下的系统时间步长，q

3.2基于步骤三中3.1描述的k时刻下的分离因子Γ

3.3对步骤三中3.2计算得到的相关系数γ(y

如果相关系数γ(y

如果相关系数γ(y

如果相关系数γ(y

步骤四、当前行驶工况下的车辆侧翻风险区域的判定，具体的判定过程如图4所示，主要包括以下步骤：

4.1根据步骤一中1.4所描述的车辆系统输出变量Y＝[y

在风险判定过程中，车辆的侧翻风险区间等级被划分为低风险、中风险和高风险这三个风险区域范围，相应的判定结果如下所示为：

4.1.1若变量输出变量Y

(1)如果道路激励q与输出变量Y

(2)如果道路激励q与输出变量Y

(3)如果道路激励q与输出变量Y

4.1.2若变量输出变量Y

(1)如果道路激励q与输出变量Y

(2)如果道路激励q与输出变量Y

(3)如果道路激励q与输出变量Y

4.1.3若变量输出变量Y

(1)如果道路激励q与输出变量Y

(2)如果道路激励q与输出变量Y

(3)如果道路激励q与输出变量Y

4.2车辆输出变量与底盘子系统的匹配流程与匹配关系如图5所示。

根据步骤四中4.1所得到的对车辆侧翻风险的判定结果，可以得到在不同的车辆侧翻风险区间内，步骤一中1.4所描述的车辆输出变量矩阵Y＝[y

表1车辆输出变量与底盘子系统匹配关系

上述表格中，

步骤五、基于步骤四中4.1所列出的车辆侧翻风险判定结果，设计得到车辆底盘集成控制技术的防侧翻协同耦合控制策略，整体思路如图6所示，主要包括以下步骤：

5.1在当前车辆的行驶速度v下，如果步骤一中1.4所描述的系统输出变量矩阵Y＝[y

5.2在当前车辆的行驶速度v下，如果步骤一中1.4所描述的系统输出变量矩阵Y＝[y

5.3在当前车辆的行驶速度v下，如果步骤一中1.4所描述的系统输出变量矩阵Y＝[y

5.4在当前车辆行驶的道路条件下，根据步骤五中5.1、5.2和5.3的判定结果，以及步骤四中4.2所列出表2的匹配结果，则可以进行相应的变量匹配与系统决策控制。

如果步骤一中1.4所描述的系统输出变量Y

而针对车辆底盘集成控制系统所进行的滚动优化求解过程，需要进一步确定车辆底盘集成控制系统中的外部参考输入w

5.5由于步骤一中1.1所描述的四种底盘子系统相互耦合集成在一起，因此车辆系统的动力学模型处于非线性状态。如果采用传统的动力学建模和线性优化的控制方式，那么耦合集成系统的优化计算和动态求解结果会出现较大的随机误差。因此，本发明采用建立性能目标优化函数的形式来对集成车辆底盘系统的防侧翻稳定性性能进行滚动优化。

在已知车辆底盘子系统控制变量的前提下，在时刻k下的优化步长对应为t，根据步骤五中5.4所确定的外部参考输入w

式中，n

同时，上述系统性能目标优化函数min J(X

式中，Y

5.6基于步骤五中5.5所建立的系统性能目标优化函数min J(X

那么，此时的系统控制输入矩阵u

而在实际的求解过程中，通常得到的结果，是满足步骤五中5.5所建立的系统性能目标优化函数min J(X

式中，χ和ξ都为大于0的较小正值，其取值范围分别为[0.01,0.05]和[0.028,0.039]，

但是，如果最终求解得到的次优解

采用线性变换补偿与非线性项相结合的补偿方式，来对控制输入矩阵次优解

式中，矩阵u

此时的最优解u

式中，X

至此，可以在外部参考输入矩阵w

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。