用于控制配备有半主动悬架的车辆的稳定性的系统和方法与流程

1.本发明涉及用于控制车辆的稳定性的系统及方法，特别是用于控制配备有半主动悬架的车辆的稳定性的系统及方法。


背景技术：

2.悬架系统对车辆的驾驶性能和安全性以及驾驶员在不平路面上的舒适度有很大影响。
3.现代稳定性控制系统主要涉及两种类型的悬架：电子气动悬架和半主动悬架。
4.这两种类型的悬架的区别在于：电子气动悬架是主动的并且能够施加力，而半主动悬架是被动的并且悬架的收缩和伸展的阻力是可调节的。
5.然而，半主动悬架具有如下优点：具有较高的控制频率并在重量和空间方面不太笨重，并且由于它们是被动的而能耗较少。
6.迄今为止已知的控制方法实施天棚(skyhook)类型的算法，该算法被设计为尽可能地限制被阻尼质量(即，车辆车身)的动力学—与和地面接触的基本无阻尼质量(即，车轮)相比。
7.基于由特定传感器测量的车身和车轮的竖直速度，天棚算法计算出为了确保最佳驾驶品质而减振器必须施加的理想阻尼水平。
8.开发的大多数悬架控制方法基于车辆角度的数学模型，以局部衰减由路面凹凸不平引起的冲击。
9.然而，这些系统未能控制影响车辆稳定性和驾驶乐趣的车辆的总体动力学，例如由驾驶员给出的转向、制动和加速命令确定的左右侧倾和前后颠簸动力学。
10.为了控制这些动力学，现有技术教导了分级系统的使用，其中低级控制器用于处理各个车辆动力学，而高级控制器用于基于预定的逻辑确定哪个低级控制器具有优先权。
11.因此，悬架控制以次优方式进行管理，因为一个控制系统优先于其他控制系统，其他控制系统的命令因此被忽略。
12.因此，当为左右侧倾和前后颠簸控制系统分配较高的优先权时，由对路面凹凸不平的阻尼进行控制的系统发出的命令被忽略，反之亦然。
13.因此，这些基于优先权的控制系统无法确保对车辆动力学进行全面、同步的控制，这会对车辆的驾驶舒适度和抓地能力有不利影响。
14.因此，在车辆稳定性控制领域中特别强烈地感到需要提供总系统：，能够同时处理路面凹凸不平和总体车辆动力学的系统。


技术实现要素：

15.在这种背景下，本发明的主要目的是克服上述缺点。
16.具体而言，本公开的目的是提出一种用于配备有半主动减振器的车辆的稳定性的控制系统，该控制系统允许同时处理由路面凹凸不平引起的振荡以及由于驾驶员的操纵引
起的车辆左右侧倾和前后颠簸动力学。
17.根据本公开的一个方面，用于配备有半主动减振器的车辆的稳定性的控制系统包括：
18.‑
多个致动器，其被配置为连续调节半主动减振器的阻尼水平；
19.‑
第一组传感器，其被配置为检测车辆的至少一个动力学参数；
20.‑
第二组传感器，其被配置为捕获来自车辆驾驶员的输入；
21.‑
高级控制单元，其被配置为通过模型根据两组传感器检测到的量来计算标称阻尼参数；
22.‑
至少一个中级控制单元，其被配置为通过参数化算法根据第一组传感器检测到的量来计算要由高级控制单元施加到每个减振器的阻尼水平；
23.‑
至少一个低级控制单元，其被配置为向减振器的致动器发送驱动信号。
24.根据另一个方面，本公开涉及一种控制车辆的稳定性的方法，其包括以下步骤：捕获车辆的动力学参数、捕获驾驶员所输入的输入、执行算法以计算要施加到车辆配备的每个减振器上的最佳阻尼水平以及最后实施计算出的阻尼水平。
附图说明
25.在附图所示的用于车辆的稳定性的控制系统的优选但非排他的实施方式的非限制性描述中，本发明的另外的特征和优点更加清楚，在附图中：
26.‑
图1表示配备有本专利说明书的稳定性控制系统的车辆的示意性侧视图；
27.‑
图2示意性示出了图1的稳定性控制系统的细节；
28.‑
图3通过灰度图示出了车辆的动力学参数与阻尼水平之间的匹配。
具体实施方式
29.具体参照附图，附图标记100表示用于车辆1的稳定性的控制系统。
30.如图所示，车辆1具有车辆车身2和多个车轮3，该多个车轮3是车辆与地面接触的点。
31.优选地，车辆1具有四个车轮3。
32.车辆1还具有纵向延伸轴线x、横向延伸轴线y和竖直延伸轴线z。
33.车辆1还包括用于车辆1配备的每个车轮3的至少一个半主动减振器4；由于半主动减振器4优选对于每个车轮在技术上都是相同的，因此为简单起见，下文仅提及一个减振器4。
34.减振器4介于相应的车轮3与车辆车身2之间，并被配置为阻尼车辆车身2沿着车辆1的竖直延伸轴线z的振荡。
35.优选地，减振器4具有在最小阻尼水平c
min
和最大阻尼水平c
max
之间连续可调的阻尼水平c
ref
。
36.换言之，可能的阻尼水平c
ref
的数量不是有限的和预定的，而是可在由c
min
和c
max
限定的范围内根据需要设置。
37.有利地，与具有有限数量的调节水平的传统天棚系统相比，阻尼水平c
ref
可连续调节的事实允许系统100实际上具有设置阻尼水平的无限可能性，从而在车辆1的稳定性和驾
驶乐趣方面具有明显优势。
38.在优选但非限制性的实施方式中，半主动减振器4是磁流变减振器：也就是说，通过施加磁场来调节对振荡的阻力以改变包含在减振器4本身中的液体的流体动力学特性的一种减振器。
39.在另一个实施方式中，半主动减振器4是电流变或电流体力学减振器。
40.车辆1的稳定性系统100负责控制和驱动车辆1的减振器4，以限制车辆车身2沿着竖直延伸轴线z的振荡，从而确保车辆1的驾驶员的最佳舒适度。
41.如图2所示，系统100包括被配置为连续调节减振器4的阻尼水平c
ref
的至少一个致动器5。
42.优选地，车辆1配备的每个减振器4与负责驱动相应的减振器4的致动器5相关联。
43.致动器5将控制信号转换成用于连续改变半主动减振器4的物理特性的机械、电或磁刺激，这样调节其对对应的车轮3和/或车辆车身2沿着竖直延伸轴线z的振荡的响应。
44.系统100包括至少第一传感器6d，该第一传感器被配置为测量车辆1的至少一个动力学参数并发送包含关于动力学参数的信息项的至少第一信号s1。
45.优选地，至少第一传感器6d包括以下中的至少一个：
46.‑
加速度计10，其被配置为测量接近于一个车轮3的车身2沿着平行于竖直延伸轴线z的方向的加速度；
47.‑
电位计11，其被配置为测量减振器4沿着其延伸轴线的压缩；
48.‑
gps传感器，其被配置为捕获车辆1的位置。
49.同样如所示的，系统100包括至少第二传感器6c，该第二传感器被配置为捕获由车辆1的驾驶员所输入的输入并发送包含关于该输入的信息项的至少第二信号s2。
50.优选地，至少第二传感器6c包括以下传感器中的至少一个：
51.‑
转向角传感器12，其被配置为测量由方向盘13确定的转向角δ；
52.‑
加速器传感器14，其被配置为测量通过来自加速器15的命令施加的动作；
53.‑
制动器传感器16，其被配置为测量通过来自制动器17的命令施加的动作。
54.换言之，第二传感器6c监测驾驶员的行为，驾驶员的动作反映(在响应间隔之后)在车辆1的平移和振荡运动上，该平移和振荡运动则由第一传感器6d监测。
55.有利地，使用两种不同类型的传感器(一种用于监测车辆1的运动，另一种用于监测驾驶员的动作)允许通过模型预测车辆1的未来动力学，具体是车辆1将要经受的纵向加速度和横向加速度。
56.可以预测车辆1的未来动力学还确保了系统100可以预防性地调整减振器4的状态，以保证驾驶员的驾驶舒适度，同时保证良好的抓地。
57.同样如所示的，系统100包括与第一传感器6d和第二传感器6c通信的高级控制单元8h。
58.高级控制单元8h被配置为根据第一信号s1和第二信号s2计算标称阻尼参数c
nom
。
59.标称阻尼参数c
nom
表示减振器4在使车辆车身2或相应的车轮3不沿着车辆1的竖直延伸轴线z发生振动时必须施加的阻尼水平。
60.有利地，依赖于从第二传感器6c接收到的第二信号s2允许高级控制单元8h还基于驾驶员的动作来计算标称阻尼水平c
nom
，从而可以预测并因此改进系统100对车辆1的动力
学的响应。
61.系统100还包括与高级控制单元8h和第一传感器6d通信的中级控制单元8m。
62.中级控制单元8m被配置为从高级控制单元8h接收标称阻尼参数c
nom
，并通过算法或计算例程a根据从第一传感器6d接收到的第一信号s1计算阻尼水平c
ref
。
63.换言之，中级控制单元8m与高级控制单元8h通信，高级控制单元8h使负责计算要在减振器4的水平处应用的阻尼水平c
ref
的算法a参数化。
64.因此，术语“算法的参数化”用于表示计算参数，该参数在作为输入应用于算法时以与独立输入变量(在我们的情况下，信号s1)基本相同的方式影响算法的结果。
65.术语算法用于表示通过根据有限的规则集合执行的有限数量的步骤允许根据输入变量和/或输入参数来获得输出变量的值的任何计算例程。
66.在一个实施方式中，系统100包括用于车辆1配备的每个减振器4的中级控制单元8m，因此每个中级控制单元8m负责计算单个减振器4的阻尼水平c
ref
。
67.优选地，高级控制单元8h向中级控制单元8m发送构成算法a中的输入变量的标称阻尼水平c
nom
。
68.因此，算法a根据从第一传感器6d接收到的第一信号s1和从高级控制单元8h接收到的标称阻尼参数c
nom
来计算阻尼水平c
ref
。
69.具体地，每个中级控制单元8m执行各自的算法a以独立于其他中级控制单元8m计算与其相关联的减振器4的最佳阻尼水平c
ref
。
70.有利地，车辆1的每个减振器4的中级控制单元8m的存在允许每个减振器4与其他减振器4不同地且截然不同地执行各自的算法a。
71.由高级控制单元8h计算的标称阻尼水平c
nom
被发送到所有中级控制单元8m。
72.在一个实施方式中，相同的标称阻尼水平c
nom
被发送到中级控制单元8m并因此构成所有算法a共有的输入变量，每个中级控制单元8m则独立地执行算法a以计算分别与其相关联的减振器4的最佳阻尼水平c
ref
。
73.在另一个实施方式中，不同且特定的标称阻尼水平c
nom
被发送到每个中级控制单元8m并构成相应的算法a的输入变量，因此该算法a独立于其他中级控制单元8m的其他算法而执行以计算与其相关联的减振器4的最佳阻尼水平c
ref
。
74.系统100包括低级控制单元8l，该低级控制单元8l与中级控制单元8m和致动器5通信并被配置为向致动器5发送驱动信号。
75.更确切而言，低级控制单元8l被配置为从中级控制单元8m接收包含所需阻尼水平c
ref
的信息项并且为致动器5生成对应的驱动信号。
76.优选地，系统100包括用于车辆1配备的每个致动器5的低级控制单元8l，因此每个低级控制单元8l负责驱动单个致动器5。
77.在优选的实施方式中，系统100包括与第一传感器6d、第二传感器6c、高级控制单元8h和中级控制单元8m通信的计算机化计算单元7。
78.单元7被配置为处理来自第一传感器6d的第一信号s1和来自第二传感器6c的第二信号s2。
79.单元7还被配置为向高级控制单元8h和中级控制单元8m发送至少一个导出信号。
80.换言之，单元7接收由第一传感器6d和从第二传感器6c捕获的原始数据作为输入，
并通过过滤或积分来处理它们，以导出用于计算要施加到存在于车辆1中的每个减振器4上的阻尼水平c
ref
。
81.在包括至少一个加速度计10和至少一个电位计11的实施方式中，计算机化计算单元7处理包含来自包括在系统100中的加速度计10和电位计11的信息项的第一信号s1，以获得接近于车轮3的车辆车身的竖直速度z
c
和减振器压缩速度z
d
。
82.换言之，根据加速度计10捕获的加速度和电位计11捕获的运动，计算机化计算单元7分别通过积分和微分(以及过滤，如果需要)导出接近于车轮3的车辆车身的竖直速度z
c
和减振器的压缩速度z
d
。
83.下面描述的是图2所示的优选实施方式，其中减振器4的阻尼水平c
ref
由相应的中级控制单元8m通过算法a根据车辆车身的竖直速度z
c
和减振器的压缩速度z
d
来计算。
84.根据该优选实施方式中采用的惯例，当车辆车身2沿着竖直延伸轴线z向下移动时z
c
被定义为正，而当参考减振器4受到压缩时z
d
被定义为正。
85.在本实施方式中，由相应的中级控制单元8m执行的算法a如下定义：
[0086][0087]
其中c
min
和c
max
分别是适用于减振器4的阻尼水平c
ref
的最小值和最大值，sat是将c
ref
的动力学限制在[c
min
,c
max
]范围内的饱和函数，并且其中k
sky
是表示算法a的增益的参数。
[0088]
换言之，当k
sky
z
c
z
d
+c
nom
落在[c
min
,c
max
]范围内时，函数sat保持值c
ref
不变，但当k
sky
z
c
z
d
+c
nom
大于c
max
时，函数sat适用c
ref
＝c
max
，并且当k
sky
z
c
z
d
+c
nom
大于c
min
时，函数sat适用c
ref
＝c
min
。
[0089]
优选地，增益k
sky
可由车辆1的驾驶员从对应于不同的车辆姿态配置的有限数量的值中选择。
[0090]
除了高级控制单元8h之外，图2所示的系统100的优选实施方式还包括四个中级控制单元8m、四个低级控制单元8l和四个致动器5(对于车辆1的每个车轮3使用一个)。
[0091]
在本实施方式中，高级控制单元8h和四个中级控制单元8m分别独立地针对每个车轮3计算标称阻尼水平c
nom,i
和阻尼水平c
ref,i
(其中i为从1到4的整体编号)。
[0092]
有利地，在本实施方式中，标称阻尼c
nom,i
和阻尼c
ref,i
的不同值之间的独立性允许对车辆1的姿态进行最佳调整。
[0093]
有利地，与具有两个阶段的传统天棚算法相比，算法a的使用允许更均匀地调节阻尼水平c
ref
，以增加舒适度。
[0094]
实际上，传统天棚算法根据车辆车身的竖直速度z
c
和减振器的压缩速度z
d
如下计算阻尼水平c
ref
：
[0095][0096]
当所涉及的速度几乎为零时，这种处理减振器操作的方式会导致不希望的颠簸，因为例如由传感器噪声引起的微小变化会导致阻尼水平允许的两种状态之间发生许多变化。
[0097]
在图3中所提出和所示出的实施方式中，在c
nom
＝0的配置中，速度值z
c
和z
d
的微小变化仅引起阻尼值c
ref
的微小变化，从而消除了传统天棚算法的实现方式中由状态变化引起的颠簸。
[0098]
有利地，天棚算法的这种更均匀变型的使用确保了减振器4的阻尼水平c
ref
的更广泛的调节(其可以更好地适应车辆1的颠簸)，从而提高驾驶员的驾驶舒适度。
[0099]
参数c
nom
由高级控制单元8h根据第一信号s1和第二信号s2计算(如果需要，由计算机化计算单元7处理)并传输到中级控制单元8m。
[0100]
如上所述，标称阻尼参数c
nom
是在没有振荡时(即，当z
c
＝0或z
d
＝0时)要应用于减振器的减振器参数。
[0101]
再次根据优选实施方式，标称阻尼参数c
nom
由高级控制单元8h通过以下关系获得：
[0102]
c
nom
＝c0+c
lat
+c
long
，
[0103]
其中c0是在车辆1没有纵向或横向加速度时施加的默认标称阻尼水平，并且其中c
lat
和c
long
分别是均由高级控制计算单元8h根据第一信号s1和第二信号s2计算的第一加法因子和第二加法因子。
[0104]
第一加法因子c
lat
和第二加法因子c
long
分别考虑了车辆1的横向加速度和纵向加速度的动力学。
[0105]
优选地，默认标称阻尼水平c0可由车辆1的驾驶员从对应于车辆1的不同姿态配置的有限数量的值中选择。
[0106]
更具体地，在本优选实施方式中，第一加法因子c
lat
由高级控制单元8h如下计算：
[0107]
c
lat
＝k
lat
a
y,hp
，
[0108]
其中k
lat
是可调增益因子，a
y,hp
是如下a
y
量的优选通过高通带滤波器过滤的形式：
[0109][0110]
其中v是车辆1的运动速度，k
us
是转向参考系数，l是描述车辆1轴距长度的模型参数。
[0111]
优选地，运动速度v由计算机化计算单元7通过处理由车辆1配备的gps传感器捕获和发送的至少第一信号s1来导出。
[0112]
再次根据优选实施方式，由高级控制单元8h如下计算第二加法因子c
long：
[0113]
c
long
＝k
long
a
x,hp
，
[0114]
其中k
long
是可调增益因子，a
x,hp
是如下量a
x
优选通过高通带滤波器过滤的形式：
[0115][0116]
其中ρ是空气密度，s是车辆1的前表面，c
x
是车辆1的气动摩擦系数，m是车辆1的质量，v是车辆1的运动速度，k
bk
是制动效率，p
bk
是制动器传感器16测量的制动控制器17上的压力，k
pos
是描述推进单元的效率的第一模型参数，k
neg
是描述推进单元的效率的第二模型参数，t
eng,pos
是描述发动机的正扭矩的正参数，t
eng,neg
是描述发动机的负扭矩的负参数，并且ω
eng
是描述车辆1的发动机的转数的参数。
[0117]
优选地，相应地，当t
eng，pos
大于0时，则t
eng,neg
等于0，而当t
eng，neg
小于0时，则t
eng，pos
等于0。换言之，前面等式中的最后两个加数不可能同时参与a
x
的计算。
[0118]
有利地，第一加法因子c
lat
和第二加法因子c
long
的存在允许稳定性控制系统100分别考虑车辆1的左右侧倾和前后颠簸动力学。
[0119]
更有利地，标称阻尼水平c
nom
(因此通过将第一加法因子c
lat
和第二加法因子c
long
相加计算得到)使算法a参数化的事实允许在存在左右侧倾和前后颠簸动力学的情况下同时管理驾驶舒适度和抓地。
[0120]
实际上，由高级控制单元8h计算的标称阻尼水平c
nom
的相加允许中级控制单元8m以先前根据第二信号s2(即，根据驾驶员所输入的输入)优化的车辆姿态来执行算法a。
[0121]
根据本发明还定义了一种用于控制车辆1的稳定性的方法200，车辆1具有纵向延伸轴线x、横向延伸轴线y和竖直延伸轴线z并包括车身2、多个车轮3以及用于每个车轮3的至少一个半主动减振器4，该至少一个半主动减振器4介于相应的车轮3和车身2之间。
[0122]
方法200包括用于捕获车辆1的动力学参数的第一测量步骤201。
[0123]
用于捕获车辆1的动力学参数的第一测量步骤201包括以下子步骤中的至少一个：
[0124]
‑
测量接近于车轮3的车身2沿着平行于车辆1的垂直轴线z的方向的至少一个加速度；
[0125]
‑
测量减振器4沿着几乎平行于竖直轴线z的方向的至少一次压缩。
[0126]
优选地，在至少包括车辆车身2的加速度的测量和减振器4的压缩的测量的实施方式中，第一测量步骤201包括处理车辆1的动力学参数以计算接近于车轮3的车辆车身的竖直速度z
c
和减振器的压缩速度z
d
的至少一个子步骤。
[0127]
在第一测量步骤201之后，方法200包括用于捕获由车辆1的驾驶员所输入的输入的第二测量步骤202。
[0128]
优选地，用于捕获由车辆1的驾驶员所输入的输入的第二测量步骤202包括以下子步骤中的至少一个：
[0129]
‑
测量由方向盘13确定的转向角δ；
[0130]
‑
测量通过来自加速器15的指令施加的加速动作；
[0131]
‑
测量通过来自制动器16的命令施加的制动动作。
[0132]
接下来，方法200包括执行算法a以根据在第一测量步骤201中捕获的动力学参数和在第二测量步骤202中捕获的输入来计算减振器4的阻尼水平c
ref
的步骤203。
[0133]
在至少包括车辆车身2的加速度的测量、减振器4的压缩的测量以及处理车辆1的动力学参数的子步骤的优选实施方式中，执行步骤203包括执行算法a，算法a被定义为
[0134][0135]
其中c
min
和c
max
分别是阻尼水平c
ref
的最小值和最大值，sat是将c
ref
的动力学限制在[c
min
，c
max
]范围内的饱和函数，并且其中k
sky
和c
nom
是两个可调参数，分别代表算法a的增益和在没有竖直车身速度z
c
和减振器压缩速度z
d
的情况下的标称阻尼水平。
[0136]
优选地，标称阻尼水平c
nom
是根据在第一测量步骤201期间捕获的车辆1的动力学参数和在第二测量步骤202期间捕获的输入来计算的。