本发明属于汽车技术领域，具体涉及一种基于三维光扫描的可调附加气室空气悬架系统及其自适应控制方法。
背景技术：
汽车悬架系统是指连接车身与车桥并传递力及力矩装置的总称，其主要作用就是承受载荷、缓和冲击。随着汽车电子控制技术的快速发展，汽车悬架一改传统被动汽车悬架参数一经确定就无法更改的情况。譬如，空气悬架结合电子控制技术可以实现在不同路况下的悬架参数匹配，根据路面来主动调节悬架参数，从而提升汽车的乘坐舒适性。
目前，电子控制悬架系统按照有源和无源分为半主动悬架和全主动悬架。无源类的悬架主要是根据需要进行弹性元件的刚度或减震器阻尼的调节。全主动悬架作为一种有源控制悬架可以根据汽车的运动和路面状况适时的调节悬架反作用力，来保证汽车始终处于最佳的减震状态。主动悬架控制系统具体包括路面感应、车身姿态和悬架参数控制。但是，目前的主动悬架并没有很好的实现对路面的预测，提前检测路面的信息状况，根据行车速度和路面状况预先做出应对策略，提前进行悬架参数的预设，当行驶到该路段时主动的调整悬架参数。譬如选用立体摄像头去拍摄路面，实现路面的预测，然而这种预测方式存在明显的缺点。首先，立体摄像头拍摄的路面状况为视频，对于视频的路面信息采集量的处理量相对较大，存在一定的迟滞性，尤其是全速运行的状况下，所要处理的路面采集信息量的处理更加大。其次，路面采集摄像头在像素的要求上很高，另外立体摄像机的聚焦也是一个问题。另一方面，摄像头容易受到外界环境的干扰。尤其是雨天能见度底，路上存在积水，当车子驶过路面积水区域时，镜头容易被污水弄脏，对于路面状况的采集影响十分明显。
技术实现要素：
发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于三维光扫描的可调附加气室空气悬架系统及其自适应控制方法。
技术方案：本发明的一种基于三维光扫描的可调附加气室空气悬架系统，包括汽车空气悬架装置、三维光路面扫描及信息处理系统、传感器组、ecu控制器、容积可调空气弹簧；所述三维光路面扫描及信息处理系统安装于车头部位，采集路面状况并传输至ecu控制器；所述传感器组实时采集车辆状态信息并传输至ecu控制器；所述ecu控制器实时处理路面信息及传感器组信息，然后通过计算判断和决策，实时控制空气弹簧容积；所述容积可调空气弹簧承载车辆载荷，并根据ecu控制器指令要求调节其气体容积大小。
进一步的，所述三维光路面扫描及信息处理系统包括三维光扫描装置、点云优化模块、路面模型逆向重建及特征提取模块和路面信息处理模块，通过三维光扫描装置预见前方道路信息，获取路面模型点云数据，并将所获取的路面点云数据经过点云优化模块传送至路面逆向三维路面模型重建模块，然后对重建好的路面模型进行特征提取进一步获取路面信息，然后将提取到的路面信息经过转换输送至路面信息处理模块，路面信息处理模块再将预测与感知的路面信号输送给ecu控制器；其中路面信息包括路面平整度、路面破损度、路面强度。
进一步的，传感器组包括转向盘角度传感器、车速传感器，节气门传感器、车高传感器及压力传感器，所述转向盘角度传感器安装在转向柱开关和转向盘之间的转向柱上；所述车速传感器安装在汽车驱动桥壳内；所述节气门传感器安装在节气门体上；所述车高传感器安装在四个车轮的车身与车桥之间。所述压力传感器安装在悬架气路开闭电磁阀下游，所述传感器组的各个传感器将所采集的信号输送给ecu控制器。
进一步的，所述容积可调空气弹簧包括空气弹簧本体、通过连接管道安装于空气弹簧本体的副气室；其中，副气室包括气缸、推杆、螺纹套筒、套筒螺母、蜗轮、传动蜗杆、伺服电机及滑动导轨；活塞竖向安装于气缸内，推杆一端横向连接于活塞、且推杆另一端与第一滚子轴承外圈相连；第一滚子轴承内圈与传动蜗杆前端相连，传动蜗杆后端伸出气缸盖后通过第二滚子轴承与滑块相连；在传动蜗杆与气缸盖的连接处，所述传动蜗杆与螺纹套筒通过螺纹啮合；螺纹套筒通过套筒螺母固定于气缸盖；输入的动力源为伺服电机，伺服电机带动涡轮；所述滑块沿滑动导轨内自由滑动，抵消蜗杆传动过程中的径向力；
其中，推杆与第一滚子轴承的外圈、以及蜗杆与第一滚子轴承的内圈之间分别采用过盈配合和键连接，键采用双键对称180°分布以传递扭矩；
附加气室调节变化量由伺服电机进行驱动，即：当ecuecu控制器给出容积调节量δv；由公式(1)、(2)和(3)
δv＝a×δx(2)
δx＝n1×s＝n1×p×z1(3)
可得：
最终获得伺服电机的旋转圈数n2，从而确定伺服电机的脉冲数；
其中，a为气缸活塞面积，δx为活塞杆的移动距离；s为蜗杆螺旋导程，p为螺杆的轴向齿距，z1为螺杆头数，z2为涡轮齿数，n1为蜗杆旋转圈数，n2为涡轮旋转圈数。
进一步的，所述ecu控制器包括上层控制器和下层控制器，上层控制器处理三维光路面扫描及信息处理系统，并采集的路面信息传输至下层控制器；根据路面信息和传感器组信号，所述下层控制器计算判断决策和生成控制指令，最终来实时调节容积可调空气弹簧的容积大小。
本发明还公开了一种基于三维光扫描的可调附加气室空气悬架系统的自适应控制方法，依次包括以下步骤：
(1)、建立容积可调空气悬架车辆系统数学模型
基于拉格朗日法，建立容积可调空气悬架车辆系统参考模型及其实际模型，并分别转化为传递函数形式来描述，即
式中：n(s)和d(s)为系统模型传递函数表达的常系数多项式；km为参考模型增益；kp为实际模型增益；s拉普拉斯变换复变量；
(2)、确定容积可调空气悬架车辆系统自适应控制律
基于容积可调空气悬架车辆系统数学模型，应用局部参数最优化方法的设计思想，将空气悬架车辆闭环自适应控制系统模型转化为时域算子形式描述微分方程组来表征，即
式中：kc为自适应控制律；r(t)为系统输入量；e(t)参考模型输出与实际模型输出之差；
(3)、考察容积可调空气悬架车辆闭环自适应控制系统的稳定性
在t＝t0初始时刻给系统一个幅值为r的阶跃输入r(t)，将系统稳定性转化为输出偏差e(t)的稳定性；
利用步骤(2)中的微分方程组，得到偏差e(t)的微分方程
(4)、编制控制程序
在保证系统稳定性的前提下，将步骤(1)的系统模型和步骤(2)自适应控制律应用计算机c语言编写控制程序，经过编译链接成功后下载到ecu控制器存储器中。
有益效果：本发明通过三维光路面扫描及信息处理系统预见前方道路信息，获取路面模型点云数据，所获取的路面点云数据经过点云优化模块，传送至路面逆向三维路面模型重建模块，然后对重建好的路面模型进行特征提取进一步获取路面信息，判断路面状况，对前方路面进行预测，将预测结果输送给ecu控制器，并结合传感器组信号ecu控制器进行计算判断决策，给悬架执行机构输送控制指令，使得悬架刚度适应车辆行驶要求。
本发明应用劳斯稳定性判据其有益效果在于，在得到偏差微分方程e(t)后不必求解微分方程所对应的特征方程的根，只需要判定根的符号就可以判断系统的零解稳定性，所以劳斯稳定判据的应用使得系统稳定性判断更加简洁，实用。同时由于不需要求解微分方程的根，减少处理结果所需要的时间，提高了系统的相应速度。
附图说明
图1为本发明的整体系统组成图；
图2为本发明中容积可调空气弹簧结构图；
图3为本发明中空气悬架自适应闭环控制系统的结构图；
图4为本发明中空气悬架自适应ecu控制器开发流程图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1所示，本发明的基于三维光扫描的可调附加气室空气悬架系统，包括汽车空气悬架装置、三维光路面扫描及信息处理系统、传感器组、ecu控制器8、容积可调空气弹簧；三维光路面扫描及信息处理系统安装于车头部位，采集路面状况并传输至ecu控制器8；传感器组实时采集车辆状态信息并传输至ecu控制器8；ecu控制器8实时处理路面信息及传感器组信息，然后通过计算判断和决策，实时控制空气弹簧容积；容积可调空气弹簧承载车辆载荷，并根据ecu控制器8指令要求调节其气体容积大小。
三维光路面扫描及信息处理系统安装于汽车前端(例如前保险杠)，包括三维光扫描装置1、点云优化模块2、路面模型逆向重建以及重建模型特征提取模块3和路面信息处理模块4。三维光路面扫描及信息处理系统实时采集路面状况，获取路面点云数据，经过处理后进行路面逆向建模，为ecu控制器8提供路面信息。
传感器组包含转向盘角度传感器5、车速传感器6、节气门位置传感器7、压力传感器9、车高传感器14-1，实时采集车辆状态信息；ecu控制器8可以实时处理路面信息及传感器组的对应传感器信息，然后通过计算判断和决策生成控制指令进行实时控制空气弹簧容积；容积可调空气弹簧承载车辆载荷，并可以根据ecu控制器8的指令要求调节其气体容积大小。
如图1所示，本发明整个系统包括上层预测与处理、下层控制与执行两大部分。上层预测与处理部分包括三维光扫描装置1、点云优化模块2、逆向三维路面模型重建模块3，路面模型信息处理模块4；下层控制层包括ecu控制器8、空气悬架单元、气源、储气罐开闭电磁阀，在气源与储气罐之间设有空气过滤器和空气干燥器，这两部分的设置将压缩空气中的灰尘，水分去除，保证了储气罐里空气的纯净。空气悬架单元包括空气弹簧本体、容积可调式附加气室、簧上质量、压力传感器、车高传感器空气悬架截至阀、悬架气路开闭电磁阀。
本发明系统的气路部分采用前后并联的方式，前空气悬架与后空气悬架并联设置，并且在储气罐的右端设有两个储气罐开闭电磁阀，可以实现并联气路的开闭。
其中，下层控制与执行中的气源单元包括电机19、空气过滤器20、空气干燥器18、储气罐17、第一储气罐开闭电磁阀16和第一储气罐开闭电磁阀21。
其工作原理为：ecu控制器8根据路面信息及传感器组信息，发出指令，电机19开始工作，压缩空气，压缩后的空气进入空气过滤器20，在此过程中除去空气中的灰尘和其他微小颗粒杂质；过滤后的空气进入空气干燥器18，在此过程中除去空气中的水分；经过滤和干燥后的纯净空气被存储在储气罐17。分别打开第一储气罐开闭电磁阀16和第一储气罐开闭电磁阀21，气体分别进入第一并联回路1-1和第二并联回路2-2。
本实施例以左前空气悬架为例，悬架电磁阀15在接收到ecu控制器8发出的信号，悬架电磁阀15打开，气体进入空气弹簧本体11-1(即空气弹簧主气室)，空气弹簧进入充气状态，截止阀13打开，容积可调附加气室12-1容积变小，进一步可描述为伺服电机带动涡轮13a逆时针转动，涡轮13a带动传动蜗杆12a逆时针转动与螺纹套筒11a啮合往左侧移动，进一步推动推杆6a带动活塞5a向左移动，使附加气室容积变小，从而实现车身高度的快速调整。车高传感器14-1检测车身高度，当到达合适位置后悬架电磁阀15关闭，储气罐开闭电磁阀16关闭，车高调整完成，悬架参数特性调整完成。容积可变附加气室12-1，为实现后续的补偿。
如图2所示，容积可调空气弹簧包括空气弹簧本体11-1、截止阀13、悬架气路开闭电磁阀15、容积可调气室12-1(即副气室)。其中，容积可调气室12-1包含气缸4a、活塞5a、推杆6a、第一滚子轴承7a、套筒螺母10a、螺纹套筒11a、气缸盖9a、传动蜗杆12a、涡轮13a、第二滚子轴承14a、滑块15a及滑动导轨16a。
所述容积可调空气弹簧包括空气弹簧本体、通过连接管道安装于空气弹簧本体的副气室；其中，副气室包括气缸4a、推杆、螺纹套筒、套筒螺母、蜗轮、传动蜗杆、伺服电机及滑动导轨；活塞5a竖向安装于气缸4a内，推杆6a一端横向连接于活塞5a、且推杆6a另一端与第一滚子轴承7a外圈相连；第一滚子轴承7a内圈与传动蜗杆12a前端相连，传动蜗杆12a后端伸出气缸盖9a后通过第二滚子轴承14a与滑块15a相连；在传动蜗杆12a与气缸盖9a的连接处，所述传动蜗杆12a与螺纹套筒11a通过螺纹啮合；螺纹套筒11a通过套筒螺母10a固定于气缸盖9a；输入的动力源为伺服电机，伺服电机带动涡轮13a；所述滑块15a沿滑动导轨16a内自由滑动，抵消传动蜗杆12a传动过程中的径向力；
推杆6a与第一滚子轴承7a的外圈、以及传动蜗杆12a与第一滚子轴承7a的内圈之间分别采用过盈配合和键连接，键采用双键对称180°分布以传递扭矩。
上述基于三维光扫描的可调附加气室空气悬架系统的空气悬架自适应闭环控制如图3所示。图中，
车辆行驶受到路面干扰r(s)时，自适应控制空气悬架系统的增益kp可能发生变化，使得其动态特性偏离参考模型的动态特性，kp的变化是不可测量的。为了克服由于kp的摄动所造成的影响，在控制系统中设置一个可调增益kc，来抑制其变化所产生的影响，期望使得kc与kp的乘积始终与参考模型的增益km相一致。那么，如何设计空气弹簧容积自适应机构来实时地调整kc，即如何设计的空气弹簧容积自适应控制律是下一步解决的问题。
如图4所示，上述基于三维光扫描的可调附加气室空气悬架系统的自适应控制方法为：
1)建立容积可调空气悬架车辆系统数学模型
基于拉格朗日法，建立容积可调空气悬架车辆系统参考模型及其实际模型，并进一步分别转化为传递函数形式来描述，即
式中：n(s)和d(s)为系统模型传递函数表达的常系数多项式；km为参考模型增益；kp为实际模型增益；s拉普拉斯变换复变量。
2)确定容积可调空气悬架车辆系统自适应控制律
基于步骤1)的空气悬架车辆系统模型，应用局部参数最优化方法的设计思想，将空气悬架车辆闭环自适应控制系统模型转化为时域算子形式描述微分方程组来表征，即
式中：kc为自适应控制律；r(t)为系统输入量；e(t)参考模型输出与实际模型输出之差；
3)考察容积可调空气悬架车辆闭环自适应控制系统的稳定性
为了考察系统的稳定性，在t＝t0初始时刻给系统一个幅值为r的阶跃输入r(t)，将系统稳定性转化为输出偏差e(t)的稳定性。
利用步骤2)微分方程组，得到偏差微分方程
4)编制控制程序
在保证系统稳定性的前提下，将步骤1的系统模型和步骤2自适应控制律应用计算机c语言编写控制程序，经过编译链接成功后下载到ecu控制器8存储器中。