本发明属于车辆悬挂控制领域，具体涉及一种用于应急救援车辆悬挂的智能预瞄控制方法。
背景技术：
应急救援车辆载重量大、行驶速度高，在行驶过程中易受恶劣路面冲击。因此，其对性能优越的悬挂系统有着迫切的需求。目前主动式可控悬挂常用来提高车辆的行驶平顺性和操纵稳定性，开发性能稳定和适用广泛的控制方法一直是主动悬挂系统设计的关键问题。
因信号的采集和传输，控制器的计算和作动器的作动过程等因素影响，悬挂控制系统中不可避免地存在着时滞现象，导致作用于结构的控制滞后于实时控制的要求，最终控制效果并不理想且可能引起控制系统失稳。
近年来，预瞄控制在车辆悬挂系统实时控制方面取得了显著效果。车辆预瞄控制分为车前预瞄和轴间预瞄两种。车前预瞄以车辆前部安装的专用预瞄传感器所测量的前方道路状态作为悬挂控制器设计的信息。其控制效果受系统响应时滞的影响，预瞄时间应大于控制系统硬件响应时滞，车辆高速行驶时预瞄时间较短可能导致控制性能上的恶化，甚至造成控制系统的不稳定。轴间预瞄利用前轮的路面位移输入信号作为后轮未来的路面输入信号。其控制系统响应时滞量小，可适应较高车速行驶时悬挂控制要求，但仅控制后轮振动情况，在恶劣路面难以有效改善车辆行驶平顺性和操纵稳定性。
技术实现要素：
为解决现有主动悬挂预瞄控制方式单一，无法满足应急救援车辆在高速和低速行驶时均达到良好控制效果的要求和解决复杂路面高速行驶时预瞄控制系统的稳定性问题。本发明提供一种用于应急救援车辆悬挂的智能预瞄控制方法，具有车前预瞄控制或轴间预瞄控制两种方式。
本发明为达到上述目的，采取如下技术方案：
一种用于应急救援车辆悬挂的智能预瞄控制方法，所述预瞄方法采用的检测系统包括车速检测器、电控单元ecu、车前预瞄传感器和加速度传感器；
所述车速检测器用于测量应急救援车辆当前行驶速度；
所述电控单元ecu用于决策前方路面所采用的控制方式，根据车速检测器检测的车辆行驶速度v与预处理模块计算的速度节点vmax判断前方路面所采用的控制方式；所述速度节点vmax也就是允许的最大车辆行驶速度vmax；所述电控单元ecu包括预处理模块，车前预瞄控制模块和轴间预瞄控制模块；所述预处理模块为电控单元ecu决策前方路面所采用的控制方式提供速度节点，具体方法为根据当前车辆速度v和前方路面不平度zt信息计算主动悬挂系统车前预瞄控制允许的最大车辆行驶速度vmax；所述车前预瞄模块根据车前路面信息控制整车悬挂系统；所述轴间预瞄模块根据前轮状态信息控制后轮悬挂作动器；
所述车前预瞄传感器用于应急救援车辆采集前方一定距离内的路面信息，其中包括：车辆前方的路面不平度zt，车辆的预瞄距离l；
所述加速度传感器用于测量车辆前轮加速度信息，根据加速度计算前轮的状态信息。
该方法内容包括如下步骤：
步骤1：用驾驶室内的车速检测器测量当前车辆行驶速度v；用车辆前部的车前预瞄传感器测量前方一定距离内的路面信息，包括车辆前方的路面不平度zt和车辆的预瞄距离l；用车辆前轮的加速度传感器测量前轮的加速度信息；
步骤2：将测得的当前车辆行驶速度v和前方路面不平度zt信息传输到电控单元ecu中的预处理模块，并计算主动悬挂系统车前预瞄控制允许的速度节点vmax；
步骤3：将测得的路面信息传输到电控单元ecu中的车前预瞄控制模块；将测得的前轮加速度信息传输到电控单元ecu中的轴间预瞄控制模块；
步骤4：比较当前车辆行驶速度v和速度节点vmax，电控单元ecu选择执行车前预瞄模块或轴间预瞄模块，形成最后的控制方法；当前车辆行驶速度v小于速度节点vmax时，电控单元ecu执行车前预瞄控制模块；根据车前预瞄传感器测量的路面信息计算预瞄控制指令，并将控制信号分别送至相应的主动悬挂执行机构中；当前车辆行驶速度v大于速度节点vmax时，电控单元ecu执行轴间预瞄控制模块；根据加速度传感器测量的前轮状态信息计算预瞄控制指令，并将控制信号分别送至相应的主动悬挂执行机构中。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)当车辆行驶速度小于速度节点时执行车前预瞄模块，当车辆行驶速度大于速度节点时执行轴间预瞄模块，结合了车前预瞄控制和轴间预瞄控制的各自优点，从而使悬挂系统在高速和低速行驶时均获得良好的控制效果，并且方法在低速、高速控制时的切换是连续的；提高了应急救援车辆在高速和低速行驶时控制效果及解决其复杂路面高速行驶时预瞄控制系统稳定性的问题。
(2)本发明提出的悬挂控制方法综合了车前预瞄控制和轴间预瞄控制。车前预瞄控制在恶劣路面低速行驶时效果较好，在高速行驶时效果不好；轴间预瞄控制在良好路面高速行驶时效果较好，在恶劣路行驶时效果不好。高低速分界的速度节点由控制系统的最大允许时滞决定，因此本发明提出的控制方法在复杂路面高速行驶时可显著地提高悬挂控制系统的稳定性，达到良好的控制效果。
(3)本发明提出的控制系统稳定性高，实时性好，控制方法简单易行，适用广泛，易于实现和推广。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为二分之一车辆主动悬挂系统的示意图；
图3为本发明方法的流程示意图；
图4为四分之一车辆主动悬挂系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明方法的具体实施方式做进一步描述：
为提高应急救援车辆在高速和低速行驶时控制效果及解决其复杂路面高速行驶时预瞄控制系统稳定性的问题。本发明提供一种用于应急救援车辆悬挂的智能预瞄控制方法。
本发明方法采用的检测系统，如图1所示，包括车前预瞄传感器1，车速检测器2，加速度传感器3和电控单元ecu4。其中，车前预瞄传感器1以合理的安装角度和安装高度安装于车辆前部，采集前方一定距离l内的路面不平度zt；车速检测器2安装在车辆驾驶室内；加速度传感器3通过焊接固定在车辆主动悬挂作动器上；电控单元ecu4安装在车辆驾驶室内，其中包括预处理模块，车前预瞄控制模块和轴间预瞄控制模块。
所述车速检测器用于测量应急救援车辆当前行驶速度；
所述电控单元ecu用于决策前方路面所采用的控制方式，根据车速检测器的行驶速度v与预处理模块计算的速度节点vmax判断前方路面所采用的控制方式；所述速度节点vmax就是允许的最大车辆行驶速度vmax；所述电控单元ecu包括：预处理模块，车前预瞄控制模块和轴间预瞄控制模块；
所述预处理模块为电控单元ecu决策前方路面所采用的控制方式提供速度节点，具体方法为根据当前车辆速度v和前方路面不平度zt信息计算主动悬挂系统车前预瞄控制允许的最大车辆行驶速度vmax，即速度节点vmax；
所述车前预瞄模块根据车前路面信息控制整车悬挂系统；
所述轴间预瞄模块根据前轮状态信息控制后轮悬挂作动器；
所述车前预瞄传感器用于应急救援车辆采集前方一定距离内的路面信息，其中包括：车辆前方的路面不平度zt和车辆的预瞄距离l；
所述加速度传感器用于测量车辆前轮加速度信息，根据加速度计算前轮的状态信息。
如图2所示：典型的二分之一车辆主动悬挂系统模型，其中m表示半车车身质量，i表示半车车身转动惯量，θ表示车身质心处的俯仰角，zm为质心垂直位移，df和dr分别为车身质心至前、后轴的距离，mf和mr分别表示前、后轴的非簧载质量，ksf和ksr分别为前、后悬挂减震弹簧的刚度系数，csf和csr分别为前、后悬挂阻尼系数，uf和ur分别为前后悬挂作动器输入力，ktf和ktr分别为前、后轮胎的刚度系数。zt为车前预瞄传感器测量的前方路面不平度，l为车前预瞄距离。
本发明方法利用车速检测器和车前预瞄传感器的测量信息构建关于控制系统的位移和速度反馈增益矩阵，并且进一步的根据nyquist稳定性准则，计算控制系统允许的最大时滞tmax，从而确定电控单元ecu中的速度节点vmax。将测得的路面不平度zt信息传输到电控单元ecu中的车前预瞄控制模块；将测量的前轮加速度信息传输到电控单元ecu中的轴间预瞄控制模块。比较当前车辆行驶速度v和速度节点vmax，电控单元ecu选择执行车前预瞄模块或轴间预瞄模块，形成最后的控制方法。如图3所示的流程示意图，本发明方法的详细内容如下:
步骤1：用驾驶室内的车速检测器测量当前车辆行驶速度v；用车辆前部的车前预瞄传感器测量前方一定距离内的路面信息，包括车辆前方的路面不平度zt和车辆的预瞄距离l；用车辆前轮的加速度传感器测量前轮的加速度信息；
步骤2：将测得的当前车辆行驶速度v和前方路面不平度zt信息传输到电控单元ecu中的预处理模块，并计算主动悬挂系统车前预瞄控制允许的速度节点vmax；
由控制系统特性，整车允许的最大时滞量可由四分之一车辆悬挂系统计算得到。
如图4所示，建立四分之一车辆主动悬挂系统动力学方程：
其中，mb为簧载质量，mw为非簧载质量，cs为减振器阻尼系数，ks为弹簧刚度，kt为轮胎刚度，xb为车身垂直位移，xw为轮胎垂直位移，y为路面的不平度函数，uf为作动器的控制力。
对上式动力学方程实施模态坐标变换，令
x(t)＝αd(t)(3)
其中，α＝[α1,α2]是二阶阵型矩阵，d(t)是2x1阶模态坐标向量。
将方程(3)代入方程(1)，(2)并经适当整理，得解耦方程：
其中ζi和ωi分别是第i阶模态的频率和阻尼系数，ui(t)是第i阶模态的控制力。
其中g1和g2分别为位移和速度反馈增益矩阵，由步骤1中测量的当前车辆行驶速度v和前方路面不平度zt计算得到。
将方程(4)写成状态方程：
zi(t)＝aizi(t)+biui(t)(6)
取目标函数：
其中
运用lqr控制原理可求得控制力：
其中：
根据nyquist稳定性准则，控制系统允许的最大时滞tdi满足：
经适当整理运算得到：
时滞模态控制系统的最大允许时滞tmax为各控制模态最大允许时滞tdi(i＝1，2)的最小值：
tmax＝min{td1td2}。
为保证控制效果及其系统稳定性，车前预瞄控制时间t应大于控制系统的最大允许时滞tmax，即t＞tmax。
车前预瞄传感器的预瞄距离为l，则有车前预瞄控制允许的最大车辆行驶速度vmax，即
将车前预瞄控制允许的最大车辆行驶速度vmax定义为速度节点。
步骤3：将测得的路面信息传输到电控单元ecu中的车前预瞄控制模块；将测得的前轮加速度信息传输到电控单元ecu中的轴间预瞄控制模块；
步骤4：比较当前车辆行驶速度v和速度节点vmax，电控单元ecu选择执行车前预瞄模块或轴间预瞄模块，形成最后的控制方法。
当前车辆行驶速度v小于速度节点时vmax，电控单元ecu执行车前预瞄控制模块。
根据车前预瞄传感器测量的路面信息计算预瞄控制指令，并将控制信号分别送至相应的主动悬挂执行机构中。
经典的车前预瞄控制在低速行驶时控制系统具有良好的稳定性。但是在高速行驶时控制效果并不理想，且可能引起控制系统失稳。
当前车辆行驶速度v大于速度节点时vmax，电控单元ecu执行轴间预瞄控制模块。
根据加速度传感器测量的前轮状态信息计算预瞄控制指令，并将控制信号分别送至相应的主动悬挂执行机构中。
经典的轴间预瞄控制系统的控制时滞远小于车前预瞄控制系统，故可适应较高车速行驶要求，但仅控制后轮振动情况，在恶劣路面难以有效改善车辆行驶平顺性和操纵稳定性。