技术特征：
1.一种基于车前地形的主动悬挂惯性调控方法，其特征在于包括以下步骤；s1：计算车辆驶过车前地形的车轮接地点轨迹和各车轮接地点高程信息；根据惯性测量单元、双天线gps定位系统测得的车辆在大地坐标系下的位置坐标、激光雷达扫描得到的车前地形和各车轮转向角，由车辆运动学计算出车辆在车前地形上行驶时各个车轮接地点的轨迹t1、t2、
…
、t
m
，j＝1、2、
…
、m，m为车轮的个数；通过插值算法计算出各车轮接地点轨迹上各规划数据点的高程信息；s2：计算车辆以被动悬挂驶过车前地形的质心轨迹与姿态历程；s21：根据车速、转向角、各车轮驱/制动力和车轮在地面的滚动摩擦系数，由车辆的动力学模型计算出车辆以被动悬挂沿步骤s1中车轮接地点轨迹t1、t2、
…
、t
m
行驶时车辆坐标系的6维坐标历程{x
i y
i z
i α
i β
i γ
i
}
t
，和车辆的质心轨迹和姿态历程{x
wi y
wi z
wi α
wi β
wi γ
wi
}
t
，其中：x
wi
、y
wi
、z
wi
、α
wi
、β
wi
、γ
wi
分别为车辆质心处的三维坐标和三维姿态角，i＝0、1、2、
…
、n，n为规划数据点的个数；s22：取平滑系数为ξ，对步骤s21中的被动悬挂车辆质心轨迹和姿态历程进行过起点的平滑处理，得到质心轨迹和姿态历程的平滑函数{x
w
(t
i
)、y
w
(t
i
)、z
w
(t
i
)、α
w
(t
i
)、β
w
(t
i
)、γ
w
(t
i
)}
t
；s3：基于前述平滑处理后的质心轨迹与姿态历程，计算车辆以主动悬挂驶过车前地形的悬挂行程历程s
i,j
和悬挂支撑力历程w
ij
；s31：将步骤s22中平滑后的车辆质心轨迹和姿态历程作为输入，计算车辆以主动悬挂驶过车前地形时各悬挂相对于被动悬挂的行程历程和速度历程其中j＝1、2、
…
、m，m为车轮数；s32：在与步骤s21相同的车速、转向角、各车轮驱/制动力、地面滚动摩擦系数情况下，依照步骤s31中获得的主动悬挂相对于被动悬挂行程历程和速度历程由动力学模型计算车辆以主动悬挂驶过车前地形的各悬挂相对于中位的行程历程s
i,j
和支撑力历程w
ij
；s4：依据车辆以主动悬挂驶过车前地形时悬挂相对中位的行程历程s
i,j
和悬挂支撑力历程w
ij
，对悬挂作动器实施基于力
‑
位移的阻抗控制。2.根据权利要求1所述的基于车前地形的主动悬挂惯性调控方法，其特征在于，在所述步骤s21、s32中，车辆的动力学模型及其解法如下：建立固定坐标系oxyz，它与地面固连，该坐标系以惯性测量单元基准点o为坐标原点，以车辆的正前方为y轴正方向，以车辆的右侧方向为x轴正方向，以垂直xoy平面向上的方向为z轴正方向；为确定车辆在固定坐标系中的位置，再引入车辆坐标系oxyz，它与车体固连；车辆坐标系与固定坐标系在初始位置重合，其在固定坐标系中的定位坐标分别为x、y、z、α、β、γ；为提高计算速度，将车辆看作刚体，设其质量为m，它在车辆坐标系中的坐标为w(x
w
,y
w
,z
w
)；车辆具有m个车轮，对应有m个悬挂；将主动悬挂简化为作动器、弹簧和阻尼器的并联；设对主动悬挂的控制方法为位移控制；各悬挂弹簧的刚度系数分别为k
s1
、k
s2
、
…
、k
sm
，各悬挂阻尼器的阻尼系数分别为c
s1
、c
s2
、
…
、c
sm
；将轮胎简化为垂向弹簧与阻尼的并联，忽略轮胎侧向与切向弹性和阻尼对车辆动力学特性的影响；各轮胎垂向弹簧的刚度系数分别为
k
w1
、k
w2
、
…
、k
wm
，各轮胎垂向阻尼的阻尼系数分别为c
w1
、c
w2
、
…
、c
wm
；设前述阻尼均为粘性阻尼；前述弹簧均设为非线性弹簧，并以分段线性近似；以上所建的是主动悬挂车辆的动力学模型，它具有6个自由度；若去掉各悬挂中的作动器，则前述动力学模型就变为被动悬挂车辆的动力学模型；当部分主动悬挂设计时不设悬挂弹簧和阻尼器时，应将上述主动悬挂车辆动力学模型中的悬挂弹簧和阻尼器略去；通过拉格郎日方程建立该车辆动力学模型的运动微分方程，用矩阵表示如下：式中：[m6×6]、[c6×6]、[k6×6]分别为质量阵、阻尼阵和刚度阵，均为6
×
6的对称方阵；{f6}为力矩阵，为6
×
1的列阵；取车辆在固定坐标系的位移向量为：{q6}＝{x、y、z、α、β、γ}
t
基于上面的运动微分方程构建动力学矩阵如下：设状态变量为：代入动力学矩阵得状态方程式如下：其中：上面的状态方程式可通过四阶龙格库塔法求解，得出状态变量{q
12
}的值。3.根据权利要求2所述的基于车前地形的主动悬挂惯性调控方法，其特征在于，在所述步骤s21中，计算车辆以被动悬挂驶过车前地形的质心轨迹和姿态历程的具体方法如下：由动力学模型求得的车辆以被动悬挂驶过车前地形的各时点{q
12
}
i
，求得车辆轨迹历程中的与悬挂特性相关的三个坐标为：上式是假设α、β是微小变量，取cosα≈1，cosβ≈1，sinα≈α，sinβ≈β，并忽略了车身的变形得出的。4.根据权利要求1所述的基于车前地形的主动悬挂惯性调控方法，其特征在于，在所述步骤s31中，计算车辆以主动悬挂驶过车前地形的各悬挂相对于被动悬挂的行程历程和速度历程的具体步骤如下：
①
基于s21中求得的车辆以被动悬挂驶过车前地形的车辆坐标系6维坐标历程{x
i y
i z
i α
i β
i γ
i
}
t
，由下式求出各悬挂上支撑点q1、q2、
…
、q
m
的垂向位移历程为：式中：b
j
——编号为j的悬挂上支撑点在oxyz坐标系中的x坐标；l
j
——编号为j的悬挂上支撑点在oxyz坐标系中的y坐标；则各悬挂上支撑点q1、q2、
…
、q
m
的垂向速度历程为：
②
根据s22中平滑处理后得到的质心轨迹和姿态历程的函数{x
w
(t
i
)、y
w
(t
i
)、z
w
(t
i
)、α
w
(t
i
)、β
w
(t
i
)、γ
w
(t
i
)}
t
，反求出车辆坐标系相对固定坐标系三个相关坐标的时间历程函数为：再由z(t
i
)、α(t
i
)、β(t
i
)求出各悬挂上支撑点q1、q2、
…
、q
m
的垂向位移为：各悬挂上支撑点q1、q2、
…
、q
m
的垂向速度为：
③
求各主动悬挂相对于被动悬挂的行程历程和速度历程各主动悬挂相对于被动悬挂的行程历程等于平滑处理后各主动悬挂上支撑点的垂向位移历程w
i,j
与平滑处理前被动悬挂上支撑点的垂向位移历程之差：各主动悬挂相对于被动悬挂的速度历程等于平滑处理后各主动悬挂上支撑点的垂向速度历程与平滑处理前被动悬挂上支撑点的垂向速度历程之差：5.根据权利要求1所述的基于车前地形的主动悬挂惯性调控方法，其特征在于，所述步骤s32中由车辆动力学模型计算以主动悬挂驶过车前地形的车辆各悬挂行程历程s
i,j
和支撑力历程w
ij
的具体步如下：
①
求各主动悬挂上支撑点的垂向位移历程w
′
i,j
和垂向速度历程根据主动/被动悬挂行程差历程和速度差历程由车辆动力学模型求解得到主动悬挂车辆驶过车前地形的新状态变量{q
′
12
}
i
，将其中所包括的位移变量z
′
i
,α
′
i
,β
′
i
，代入下式求出各悬挂上支撑点q1、q2、
…
、q
m
的垂向位移历程：w
′
i,j
＝z
′
i
‑
b
j
β
′
i
+l
j
α
′
i
，i＝0、1、2、
…
、n；j＝1、2、
…
、m将其中的速度变量值，代入下式求出各悬挂上支撑点q1、q2、
…
、q
m
的垂向速度历程为：
②
求各主动悬挂相对于中位的行程历程s
i,j
因轮胎的垂向变形远小于主动悬挂的行程，这里暂且略去轮胎的垂向变形，轮胎的垂向变形将在s4中的悬挂阻抗控制中得到补偿；则各主动悬挂相对于中位的行程历程等于各主动悬挂上支撑点q1、q2、
…
、q
m
的垂向位移历程w
′
i,j
与各车轮接地点r1、r2、
…
、r
m
的垂向位移历程
△
i,j
之差；s
i,j
＝w
′
i,j
‑△
i,j
，i＝0、1、2、
…
、n；j＝1、2、
…
、m
③
求各主动悬挂的支撑力历程w
i,j
车辆各主动悬挂的支撑力历程为：式中，
△
i,j
与分别为车轮接地点的垂向位移历程与速度历程。6.根据权利要求1所述的基于车前地形的主动悬挂惯性调控方法，其特征在于，所述s4对悬挂作动器实施基于力
‑
位移的阻抗控制的具体实现方法如下：
①
求解悬挂阻抗控制的位移控制量设当前悬挂支撑力实测值为用下式来表达悬挂的理论支撑力和实际支撑力之差与期望悬挂行程增量δ
i,j
之间的关系：式中，m、k和c分别为目标惯性、目标刚度与目标阻尼，分别反映了簧下质量的惯性特性、轮胎接地的刚度特性和阻尼特性；上面的微分方程可用卷积积分方式求解：上式中的函数h
i,j
(t)是前式所对应单位脉冲响应函数；上式可由fft算法求解；实际控制时，由于车辆各悬挂行程增量δ
i,j
的运动速度和加速度均比较小，可认为故车轮与地面的接触力模型可简化为：
②
主动悬挂基于力
‑
位移的阻抗控制设悬挂相对中位行程的实测值为以为目标行程，设计自抗扰控制器，实现对各悬挂作动器的位移随动控制。7.根据权利要求1所述的基于车前地形的主动悬挂惯性调控方法，其特征在于，所述s4还包括基于力
‑
位移的阻抗控制实施之前用于校验全历程内悬挂行程是否存在越过极限行程的内容；校验式为：式中：s
min
——悬挂的下极限位移；
s
max
——悬挂的上极限位移；若存在某个悬挂行程超过极限行程，则首先降低对车辆轨迹曲线的平滑度，调整相应的平滑系数ξ，分以下两种情况分别进行处理：
②
若平滑系数ξ尚未达到预设的平滑系数极限值，则转到步骤s22；
②
若平滑系数ξ已达平滑系数极限值，仍然不能满足全历程内各悬挂行程不超过极限行程的条件，按照出现的时间顺序找到悬挂行程超过极限行程的第一个数据点，设其在步骤s2中规划数据点的编号为i
e
(1≤i
e
≤n)，则令n＝i
e
，并返回步骤s21；通过以上处理可使全历程内各悬挂行程均不超过极限行程。8.一种应用权利要求1
‑
7任一项所述的基于车前地形的主动悬挂惯性调控方法的控制系统，其特征在于：系统包括车体及m个车轮、激光雷达、惯性测量单元、双天线gps定位系统、与车轮相对应的悬挂缸及其位移传感器、支撑力传感器和伺服控制器组、车速传感器、方向盘转角传感器、油门开度传感器、制动力传感器、电控单元；其中，激光雷达、惯性测量单元、双天线gps定位系统、电控单元以及伺服控制器组固定于车体上，且激光雷达装于车体的前部用于测量车前地形，双天线gps定位系统的两个天线在空间上隔开一定的距离；所述车轮通过悬挂缸连接于车体下方，位移传感器与支撑力传感器安装于悬挂缸上用于测量悬挂缸的行程和支撑力；方向盘转角传感器、油门开度传感器、制动力传感器用于测量转向角和油门开度与制动强度；所述电控单元分别与惯性测量单元、激光雷达、双天线gps定位系统、方向盘转角传感器、油门开度传感器、制动力传感器、以及伺服控制器组通讯连接，伺服控制器组与悬挂缸的位移传感器和支撑力传感器通讯连接。
技术总结
本发明公开了一种基于车前地形的主动悬挂惯性调控方法及其控制系统。依据扫描获得的车前地形，计算车辆以被动悬挂驶过车前地形的质心轨迹和姿态历程，对其进行平滑处理后，控制主动悬挂使车辆按平滑后的轨迹行驶。期间，调整平滑系数使各悬挂行程限制在极限行程之内，并依据动力学模型计算出的各主动悬挂的支撑力和行程，对悬挂的作动器进行基于力
技术研发人员：赵丁选 倪涛 巩明德 刘爽 张祝新 孙志国
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：2021.06.26
技术公布日：2021/9/9