一种车辆防侧翻控制装置

1.本实用新型涉及车辆防侧翻控制系统领域，具体涉及一种车辆防侧翻控制装置。


背景技术：

2.在高速过弯、规避障碍、急转并道等驾驶场景中，车辆侧翻是一种常见的交通事故，对驾驶员、乘客和行人均会造成严重的伤害。车辆侧翻现象常见于重型卡车、suv、皮卡等轴距长、重心高车辆。这类车辆在转向时由于横向加速度过大，导致左右轮胎的配重不均衡，一旦超过临界点后，就会发生侧翻。针对这一重大交通事故类型，各大汽车制造商分别研制了多种防侧翻控制系统，包括差速制动系统(differential breaking)、主动悬挂系统(active suspending)、主动转向系统(active steering)等，旨在控制车辆的横向加速度在一定范围之内，预防侧翻的发生。其中，主动转向系统和差速制动系统具有应用范围广、控制效果好的特点，是当前研究的热点。当前主动转向系统和差速制动系统主要面临着会影响驾驶员控制意图的问题，即生成的主动转向控制信号可能会对驾驶员产生干预。同时，在车辆行驶的过程中，主动转向系统和差速制动系统可能与其他车辆横向控制系统(如横摆力矩控制器)产生冲突，造成安全隐患。因此，如何有效的协同多种车辆横向控制系统生成的控制信号，对于保持车辆的横向稳定性和提高驾驶舒适性具有重要意义，也是当前关于底盘集成控制的重要研究方向。最后，车辆在进行急转弯时的非线性动力学约束、动态避障约束和状态测量扰动等因素也对车辆防侧翻控制的设计提出了挑战。综上，如何在保证系统稳定的前提下，设计结构和构造经过改进的车辆防侧翻控制装置，以优化当前主动转向系统的防侧翻能力，具有重要的实际应用意义。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提出一种车辆防侧翻控制系统，有效控制车辆横向加速度，防止车辆侧翻。
4.为实现上述目的，本实用新型一种车辆防侧翻控制装置，包括车辆状态观测模块、中控单元和协同分布式防侧翻模块；所述车辆状态观测模块包括车辆传感器和监测部件；中控单元中包括若干个控制器；协同分布式防侧翻模块包括横摆力矩控制器、主动转向控制器和差分制动控制器；
5.其中，车辆传感器和监测部件并联设置，其分别与控制器一连接；若干个控制器串联设置，横摆力矩控制器、主动转向控制器和差分制动控制器采用并联设置，其分别与控制器n、车辆系统连接，车辆系统再分别与车辆传感器和监测部件相连接，来整体形成车辆防侧翻控制的回路连接线路。
6.进一步，从所述控制器中选择一个或若干个来与所述车辆系统连接，形成多路控制连接线路。
7.进一步，所述车辆传感器包括imu传感器、方向盘传感器、油门踏板传感器、和制动踏板传感器。
8.进一步，所述监测部件包括摄像头和激光雷达。
9.进一步，所述横摆力矩控制器与驱动车轮相连接，通过控制左右两侧车轮的驱动力矩，产生横摆力矩。
10.进一步，所述主动转向控制器与车辆的动转向执行器连接，控制主动转向执行器对转向系统的助转角通过行星齿轮施加到转向管柱上，驾驶员转向角盘和主动转向执行器的转角通过行星齿轮机构叠加到转向轴，使得主动前轮转角应为双行星齿轮机构产生的前轮转角与伺服电机通过转向机构产生的前轮转角之和。
11.进一步，所述差分制动控制器与驱动车轮相连接，通过给各个车轮单独施加制动力来改变汽车的运动状态。
12.进一步，所述imu传感器包括由3个加速度计和3个陀螺仪组成的组合单元，加速度计和陀螺仪安装在互相垂直的测量轴上。
13.本实用新型通过全新的结构设计，优化了车辆防侧翻控制装置的内部控制线路和各个部件的连接关系，提供了车辆的安全性，有效防止车辆侧翻。
附图说明
14.图1为本实用新型实施例一种车辆防侧翻控制装置结构示意图；
15.图2为本实用新型实施例一种车辆防侧翻控制装置的控制系统结构示意图。
具体实施方式
16.下面将结合附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
17.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
18.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
19.以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
20.如图1和2所示，本实用新型的一个实施例公开了一种基于协同分布式优化的车辆防侧翻控制装置。汽车的防侧翻控制属于汽车运动姿态保持控制的一种，车辆运动姿态控制涉及到的主要动力学参数包括横摆角速度和质心侧偏角以及侧倾角等，而转向角输入是汽车产生横摆运动和侧向运动的直接原因，因此，通过调整汽车的转向角就能够直接调整
汽车的横摆运动和侧倾运动，从而实现车辆运动姿态保持控制。
21.根据本实用新型的车辆防侧翻控制装置按照系统的功能可以分成三个部分：车辆状态观测模块100、中控单元200和协同分布式防侧翻模块300以及执行机构400。
22.车辆状态观测模块100包括车辆传感器101和监测部件102；中控单元200中包括若干个控制器，如控制器一201
…
控制器n202(n为数量，其可以根据具体使用需要，设置具体的数量)；协同分布式防侧翻模块300包括横摆力矩控制器301、主动转向控制器302和差分制动控制器303；其中，车辆传感器101和监测部件102并联设置，其分别与控制器一201连接；若干个控制器串联设置，横摆力矩控制器301、主动转向控制器302和差分制动控制器303采用并联设置，其分别与控制器n202、车辆系统连接，车辆系统再分别与车辆传感器101和监测部件102相连接，来整体形成车辆防侧翻控制的回路连接线路。实际应用中，从控制器中选择一个或若干个来与车辆系统连接，形成多路控制连接线路，以达到快速、精准控制的目的。
23.本实用新型中，车辆状态观测模块100、车辆传感器101、监测部件102、中控单元200中的若干个控制器、协同分布式防侧翻模块300横摆力矩控制器301、主动转向控制器302和差分制动控制器303、执行机构400，均采用现有技术中常规的传感器、机械部件、元器件，本实用新型并不对这些传感器、机械部件、元器件做相关的技术改进，也不对其检测方法、控制指令、控制形式、决策指令等中间过程做相关的技术改进，上述部件的功能均为其基本功能，以下记载的各项部件功能只是对其做完整性说明，本实用新型中各项检测技术、控制技术、控制指令均采用现有技术，其不是本实用新型的技术发明点。本实用新型只是对各个传感器、监测部件、控制器、相关单元部件、车辆的原有线路的连接关系、结构和构造所做出相关的技术改进，以形成全新的车辆防侧翻控制的连接线路和构造。
24.车辆状态观测模块100用于检测车辆状态信息和道路状态信息，所述车辆状态信息包括车速、横摆角速度、横向加速度、纵向加速度、和横摆角加速度。车辆状态观测模块100将上述车辆状态信息和道路状态信息发送到中控单元200，中控单元200对车辆状态信息和道路状态信息进行计算并估计侧翻概率，对于侧翻概率超过预设阈值的情况下生成防侧翻路径并将规划路径和速度发送到协同分布式防侧翻模块300，从而通过执行机构400对车辆系统进行防侧翻控制。
25.具体的，状态观测模块100包括车辆传感器101、监测部件102，车辆传感器101包括imu传感器、方向盘传感器、油门踏板传感器、制动踏板传感器等；监测部件102可采用摄像头、激光雷达。
26.imu传感器指惯性测量单元，包括由3个加速度计和3个陀螺仪组成的组合单元，加速度计和陀螺仪安装在互相垂直的测量轴上。所述imu传感器能够测量各轴方向的线性运动，以及围绕各轴的旋转运动。
27.监测部件102通过摄像头获取车辆周围的图像并分析障碍物信息，通过激光雷达进行障碍物测距，在道路状态信息发生变化，如道路不平或前方有障碍物时，将监测信息发送到中控单元进行计算处理。
28.中控单元200可采用常见的车辆控制cpu、单片机即可满足基本要求。协同分布式防侧翻模块300包括横摆力矩控制器301、主动转向控制器302和差分制动控制器303三个部分，用以生成输入到车辆的控制信号。
29.横摆力矩控制器301与驱动车轮相连接，用于控制车辆的横向运动状态，横摆力矩控制器通过控制左右两侧车轮的驱动力矩，产生横摆力矩，进而保证车身的横向稳定性，车辆的横向控制可以躲避路侧障碍物，防止车辆侧面的摩擦从而提高车辆行驶的安全性，降低交通事故的发生率。
30.主动转向控制器302与车辆的动转向执行器连接，用于主动改变转向角的大小来调整汽车的运动姿态，能够通过改变汽车的横摆角速度和侧向加速度来降低汽车的横向载荷转移率，从而提高汽车的防侧翻能力。主动转向控制器302能够实现独立于驾驶员的转向干预，通过控制主动转向执行器对转向系统的助转角通过行星齿轮施加到转向管柱上，从而，驾驶员转向角盘和主动转向执行器的转角通过行星齿轮机构叠加到转向轴，使得主动前轮转角应为双行星齿轮机构产生的前轮转角与伺服电机通过转向机构产生的前轮转角之和。通过主动转向减小驾驶员对汽车的输入转角可以降低横向载荷转移率，提高汽车的防侧翻性能。
31.差分制动控制器303与驱动车轮相连接，能够通过改变汽车的动力学特性来改变汽车的形式姿态，差分制动是指汽车运动过程中给各个车轮单独施加制动力来改变汽车的运动状态，保证汽车的操纵稳定性。差动制动可以同时改变汽车侧向运动、横摆运动和侧倾运动，因此可以根据汽车的运行状况对各个车轮单独施加制动力，研究表明，汽车在转向时对外前轮上施加制动力对整车的横摆运动影响最为明显，因此为了有效防止汽车发生侧翻，在满足启动条件时，差分制动控制器303选择外前轮进行稳定性控制。差分制动控制器303向制动力执行器发出工作指令，对目标车轮(外前轮)实施制动。
32.整个防侧翻控制装置的总体工作流程如下(该工作流程中所涉及的各项检测技术、控制技术、控制指令均采用现有技术，工作流程中所涉及的控制方法、控制指令等，并不作为对本实用新型权利要求保护范围的限定，本实用新型所要求保护的范围仅为对产品的结构、构造所提出的改进)：首先，在车辆行驶过程，通过状态观测模块100对车辆进行信息采集和处理，得到车辆的状态；然后，在中控单元200中，先依靠观测的车辆信息进行车辆侧翻概率估计，进而依据不同的概率计算相应的路径，生成具有防侧翻的规划路径，避免激进驾驶。路径规划考虑车辆侧翻非线性动力学约束条件。最后生成相应的决策指令并传输到协同分布式防侧翻模块300中，通过求解协同分布式优化问题的方式生成作用于车辆系统的控制指令。协同分布式优化问题的设计包括横摆力矩控制器301、主动转向控制器302和差分制动控制器303三个部分，通过对协同优化问题进行求解，得到三个控制器的最优输出，进而得到最终的控制指令。
33.最后说明的是，以上仅对本实用新型具体实施例进行详细描述说明。但本实用新型并不限制于以上描述具体实施例。本领域的技术人员对本实用新型进行的等同修改和替代也都在本实用新型的范畴之中。因此，在不脱离本实用新型的精神和范围下所作的均等变换和修改，都涵盖在本实用新型范围内。