阅读说明：本技术 一种基于路谱信息的空气悬挂系统及控制方法 (Air suspension system based on road spectrum information and control method ) 是由 王方炜 兰志强 孙小云 于 2019-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于路谱信息的空气悬挂系统,包括ECU单元、储气罐、与ECU单元相连接的空气压缩机、分配阀、左前高度传感器、右前高度传感器、左后高度传感器、右后高度传感器、左前可变阻尼减震器、右前可变阻尼减震器、左后可变阻尼减震器、右后可变阻尼减震器、至少一个加速度传感器、电子陀螺仪、前路谱传感器、后路谱传感器,储气罐、分配阀均与空气压缩机相连接,储气罐与分配阀相连接,分配阀连接有左前空气弹簧、右前空气弹簧、左后空气弹簧、右后空气弹簧。本发明还涉及一种基于路谱信息的空气悬挂系统的控制方法。本发明能够有效降低对减震器和空气弹簧执行器件响应速度的要求,减小执行器的影响,提高空气悬挂系统的舒适性和安全性。(The invention relates to an air suspension system based on road spectrum information, which comprises an ECU unit, an air storage tank, an air compressor, a distribution valve, a left front height sensor, a right front height sensor, a left rear height sensor, a right rear height sensor, a left front variable damping shock absorber, a right front variable damping shock absorber, a left rear variable damping shock absorber, a right rear variable damping shock absorber, at least one acceleration sensor, an electronic gyroscope, a front road spectrum sensor and a rear road spectrum sensor, wherein the air storage tank and the distribution valve are connected with the air compressor, the air storage tank is connected with the distribution valve, and the distribution valve is connected with a left front air spring, a right front air spring, a left rear air spring and a right rear air spring. The invention also relates to a control method of the air suspension system based on the road spectrum information. The invention can effectively reduce the requirement on the response speed of the shock absorber and the air spring actuator, reduce the influence of the actuator and improve the comfort and the safety of the air suspension system.)

一种基于路谱信息的空气悬挂系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种汽车的空气悬挂系统，尤其涉及一种基于路谱信息的空气悬挂系统及控制方法。

背景技术

传统的空气悬挂系统控制分为两类，一种是机械式的，即通过机械的高度阀来控制车身恒高度不变，该类只能设置一个车身高度，能够调整车身高度，但不能调整悬架的阻尼；另外一类是电子可控的空气悬挂系统(ECAS),该类可以通过驾驶意愿主动的或者自动对车身底盘进行高度控制和悬架阻尼控制，但此类的控制方式受到执行器件响应速度的影响，例如，空气弹簧的充放气速度，可变阻尼减震器的执行速度会影响实际的使用效果。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种基于路谱信息的空气悬挂系统及控制方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于路谱信息的空气悬挂系统，包括ECU单元、储气罐、与所述ECU单元相连接的空气压缩机、分配阀、左前高度传感器、右前高度传感器、左后高度传感器、右后高度传感器、左前可变阻尼减震器、右前可变阻尼减震器、左后可变阻尼减震器、右后可变阻尼减震器、至少一个加速度传感器、电子陀螺仪、前路谱传感器、后路谱传感器，所述储气罐、分配阀均与所述空气压缩机相连接，所述储气罐与所述分配阀相连接，所述分配阀连接有左前空气弹簧、右前空气弹簧、左后空气弹簧、右后空气弹簧。

本发明一个较佳实施例中，一种基于路谱信息的空气悬挂系统进一步包括所述前路谱传感器和后路谱传感器均采用双目摄像头、三目摄像头或毫米波雷达。

本发明一个较佳实施例中，一种基于路谱信息的空气悬挂系统进一步包括还包括人机交互设备，所述人机交互界面与所述ECU单元相连接。

一种基于路谱信息的空气悬挂系统的控制方法，使用上述空气悬挂系统，包括以下步骤：

(1)获取轮胎行驶的路面信息；

(2)确定预估位置的预设高度和预设阻尼；

(3)在轮胎到达预估位置时，车身的高度达到所述预设高度，且悬架的阻尼达到所述预设阻尼。

本发明一个较佳实施例中，一种基于路谱信息的空气悬挂系统的控制方法进一步包括获取轮胎行驶的路面信息包括通过前路谱传感器和后路谱传感器采集车辆行驶的路面信息，并将所得到的路谱信息按照轮胎的胎面能够引起最小干扰的面积进行分割。

本发明一个较佳实施例中，一种基于路谱信息的空气悬挂系统的控制方法进一步包括确定预估位置的预设高度包括：

当车速小于低速阈值时，且相邻预估位置的路线上路面信息与高度信息值的变异系数的乘积大于预定值，设置预估位置的预设高度为最高高度；

当车速小于标准速度阈值时，且相邻预估位置的路线上路面信息与高度信息值的变异系数的乘积小于预定值，设置预估位置的预设高度为标准高度；

如果车速大于高速阈值时，设置预估位置的预设高度为最低高度。

本发明一个较佳实施例中，一种基于路谱信息的空气悬挂系统的控制方法进一步包括确定预估位置的预设阻尼包括以预估路径上的簧下加速度变化与预估位置的簧上加速度变化的乘积为判定，当两者的乘积＞0时，设置预估位置的预设阻尼为最大阻尼；当两者的乘积≤0时，设置预估位置的预设阻尼为最小阻尼。

本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明能够有效降低对减震器和空气弹簧执行器件响应速度的要求，减小执行器对系统控制效果的影响，提升了空气悬挂系统的控制效果，通过前路谱传感器和后路谱传感器提前将路面信息传递给ECU单元，在还没未达到指定路面位置时就能提前将车身的高度和悬架的阻尼调整到最佳状态，提高空气悬挂系统的舒适性和安全性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的优选实施例的结构框图；

图2是本发明的优选实施例的前路谱传感器和后路谱传感器设置在车上的结构示意图；

图3是本发明的优选实施例的基于路面信息图计算得到的高度阻尼数据图；

图4是本发明的优选实施例的左前轮和右前轮在高度阻尼数据图上的运动轨迹图。

具体实施方式

现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，一种基于路谱信息的空气悬挂系统，包括ECU单元1、空气压缩机2、储气罐3、分配阀4、左前空气弹簧5-1、右前空气弹簧5-2、左后空气弹簧5-3、右后空气弹簧5-4、左前高度传感器6-1、右前高度传感器6-2、左后高度传感器6-3、右后高度传感器6-4、左前可变阻尼减震器7-1、右前可变阻尼减震器7-2、左后可变阻尼减震器7-3、右后可变阻尼减震器7-4、至少一个加速度传感器、电子陀螺仪9、前路谱传感器10-1、后路谱传感器10-2、人机交互11。本发明优选加速度传感器的数量为三个，分别为第一加速度传感器8-1、第二加速度传感器8-2、第三加速度传感器8-3。

其中ECU单元1具有控制电磁阀开关的功能、具有控制左前可变阻尼减震器7-1、右前可变阻尼减震器7-2、左后可变阻尼减震器7-3、右后可变阻尼减震器7-4的阻尼大小功能、具有AD(模拟量转数字量)功能、具有通信功能(例如CAN、Flexray、Flexlin等)。

其中空气压缩机2用于为系统中的左前空气弹簧5-1、右前空气弹簧5-2、左后空气弹簧5-3、右后空气弹簧5-4提供气源，ECU单元1通过控制空气压缩机2的控制端可以实现对空气压缩机2的启停控制。空气压缩机2可以是内循环压缩机也可以是外循环压缩机，本发明优选采用内循环压缩机，即气体不与外界接触，左前空气弹簧5-1、右前空气弹簧5-2、左后空气弹簧5-3、右后空气弹簧5-4中的气体都来自于储气罐3中的空气，左前空气弹簧5-1、右前空气弹簧5-2、左后空气弹簧5-3、右后空气弹簧5-4充气时，空气压缩机2将储气罐3中的气体压缩到左前空气弹簧5-1、右前空气弹簧5-2、左后空气弹簧5-3、右后空气弹簧5-4中；左前空气弹簧5-1、右前空气弹簧5-2、左后空气弹簧5-3、右后空气弹簧5-4需要放气时，空气压缩机2将左前空气弹簧5-1、右前空气弹簧5-2、左后空气弹簧5-3、右后空气弹簧5-4中的气体压缩到储气罐3中。合理控制左前空气弹簧5-1、右前空气弹簧5-2、左后空气弹簧5-3、右后空气弹簧5-4以及储气罐3中的气压可以实现系统快速响应，同时，因气体不与外界接触，能够有效防止气温过低储气罐3失效时造成空气悬挂系统的失效。

其中储气罐3用于存储左前空气弹簧5-1、右前空气弹簧5-2、左后空气弹簧5-3、右后空气弹簧5-4中所需要的气体，其与空气压缩机2通过气管路相连接。

其中分配阀4通过气管路与左前空气弹簧5-1、右前空气弹簧5-2、左后空气弹簧5-3、右后空气弹簧5-4、储气罐3、空气压缩机2相连接；分配阀4与ECU单元1通过线束电气连接。

其中左前空气弹簧5-1、右前空气弹簧5-2、左后空气弹簧5-3、右后空气弹簧5-4分别设置在对应车辆左前、右前、左后、右后四个悬架。

其中左前高度传感器6-1、右前高度传感器6-2、左后高度传感器6-3、右后高度传感器6-4分别设置在对应车辆左前、右前、左后、右后四个悬架，用于检测4个位置的悬架高度，均与ECU单元1电气连接。左前高度传感器6-1、右前高度传感器6-2、左后高度传感器6-3、右后高度传感器6-4可以是模拟量直接通过ECU单元1进行数据采集，也可以通过通信方式(例如CAN)与ECU单元1连接，本系统中直接采用通信方式，采用该方式能够降低ECU单元1的需求，将一些数据采集的基础运算之际放在传感器端。

其中前可变阻尼减震器7-1、后可变阻尼减震器7-2、左可变阻尼减震器7-3、右可变阻尼减震器7-4分别设置在对应车辆左前、右前、左后、右后四个悬架，均与ECU单元1电气连接。前可变阻尼减震器7-1、后可变阻尼减震器7-2、左可变阻尼减震器7-3、右可变阻尼减震器7-4可以是阀系改变流通孔大小的一类，也可以是磁流变类改变液体粘度类，还可以是电磁改变发电量类的减震器，本控制方法不限定前可变阻尼减震器7-1、后可变阻尼减震器7-2、左可变阻尼减震器7-3、右可变阻尼减震器7-4的种类。

其中第一加速度传感器8-1、第二加速度传感器8-2、第三加速度传感器8-3均用于检测车身底盘的加速度特性，通过第一加速度传感器8-1、第二加速度传感器8-2、第三加速度传感器8-3就可以识别车身底盘平面的加速度特征，均与ECU单元1电气连接。本发明优选第一加速度传感器8-1、第二加速度传感器8-2、第三加速度传感器8-3采用通信的方式与ECU单元1连接。

其中电子陀螺仪9用于检测车身的偏转、俯仰、倾斜等状态，设置于车身的居中位置，与ECU单元1电气连接。

其中前路谱传感器10-1、后路谱传感器10-2分别设置于车辆的前端和后端，能够在一定距离范围内检测出路面的状况，能够将路面的实时情况传递给ECU单元1，前路谱传感器10-1、后路谱传感器10-2均与ECU单元1电气连接。具体的，其中前路谱传感器10-1、后路谱传感器10-2可以与汽车的ADAS(驾驶辅助系统)相结合，采用双目或三目摄像头来实现，也可以采用毫米波雷达来实现路面信息的采集。前路谱传感器10-1和后路谱传感器10-2通过将车辆前进方向上的路面识别为三维数据，轮胎位于三维数据的已知位置，通过车速与时间的关系，可以预测车轮所要经过的路面三维数据，路面三维数据包含路面的起伏情况、路面破损情况等然后进行数据预处理，将路面信息的MAP图传递给空气悬挂系统的ECU单元1进行计算。本发明优选前路谱传感器10-1和后路谱传感器10-1均采用毫米波雷达。

其中人机交互11为用户(驾驶员)提供接口，方便用户对空气悬挂系统模式的切换，例如高度的切换、阻尼的切换或故障的报警提示等。人机交互1可以是按键也可以是多媒体屏幕，与ECU单元1电气连接。

该空气悬挂系统能够调整车身的高度和悬架的阻尼。

调整车身的高度：

通过对左前空气弹簧5-1、右前空气弹簧5-2、左后空气弹簧5-3、右后空气弹簧5-4的充气或放气能够实现车身高度的调整。可预先设置几种高度。充放气时，ECU单元1通过实时检测左前高度传感器6-1、右前高度传感器6-2、左后高度传感器6-3、右后高度传感器6-4的高度值自动的调整车身底盘的高度到预先设置的位置。

调整悬架的阻尼：

通过控制左前可变阻尼减震器7-1、右前可变阻尼减震器7-2、左后可变阻尼减震器7-3、右后可变阻尼减震器7-4的阻尼值实现悬架阻尼的调整。通过加速度传感器8-1、加速度传感器8-2、加速度传感器8-3此三个加速度传感器识别车身底盘平面的加速度特征实时的对减震器的阻尼进行控制。

如示意图2所示，在车身的前部设置前路谱传感器10-1，车身的后部设置后路谱传感器10-2，前路谱传感器10-1和后路谱传感器10-2能够实时采集左前轮、右前轮、左后轮、右后轮所经过的路谱状态。通过前路谱传感器10-1和后路谱传感器10-2的数据对比，可以实时调整车轮经过的路面信息，前轮作为路面信息的采集，后轮作为路面信息的定位和校验，通过后路谱传感器10-2能够定位和修正轮胎经过的路面信息，也就是根据车轮是前进或后退，进行路面信息的实时调整。设前轮距离前路谱传感器10-1能够识别的距离为L1，车身长度为L2,车辆前进的速度为V,则前轮到达位置L1时所用的时间为L1/V，后轮到达位置L1时所用的时间为(L1+L2)/V，则前轮所能够提前控制的时间是Tf＝L1/V，后轮能够提前的时间为Tr＝(L1+L2)/V。如上所述，可以结合前路谱传感器10-1和后路谱传感器10-2，在能够提前的时间内提前控制车身的高度和悬架的阻尼。

一种基于路谱信息的空气悬挂系统控制方法，使用上述空气悬挂系统，包括以下步骤：

(1)获取轮胎行驶的路面信息；

(2)确定预估位置的预设高度和预设阻尼；

(3)在轮胎到达预估位置时，车身的高度达到所述预设高度，且悬架的阻尼达到所述预设阻尼。

本发明实施例中，确定预估位置的预设高度包括：

当车速小于低速阈值时，且相邻预估位置的路线上路面信息与高度信息值的变异系数的乘积大于预定值，设置预估位置的预设高度为最高高度；

当车速小于标准速度阈值时，且相邻预估位置的路线上路面信息与高度信息值的变异系数的乘积小于预定值，设置预估位置的预设高度为标准高度；

如果车速大于高速阈值时，设置预估位置的预设高度为最低高度。

本发明实施例中，确定预估位置的预设阻尼包括以预估路径上的簧下加速度变化与预估位置的簧上加速度变化的乘积为判定，当两者的乘积＞0时，设置预估位置的预设阻尼为最大阻尼；当两者的乘积≤0时，设置预估位置的预设阻尼为最小阻尼。

本发明实施例中，获取轮胎行驶的路面信息包括通过前路谱传感器和后路谱传感器采集车辆行驶的路面信息，对路面信息进行处理得到路谱信息，该路谱信息为路面信息的集合，并将所得到的路谱信息按照轮胎的胎面能够引起最小干扰的面积进行分割。路面信息为X、Y、Z坐标的路面信息，其中X、Y坐标分别代表车辆前进、左右方向上的坐标，Z坐标代表对应X、Y坐标下的路面高度。路谱信息是路面信息的集合。

具体的，如示意图3中所示，通过前路谱传感器10-1和后路谱传感器10-2将车辆前进方向上的路面识别为三维数据，发送到ECU单元1进行处理得到路谱信息，并对路谱信息进行面积分割，组成i行j列的路面信息(MAP)图。其中干扰指的是轮胎的胎面跳动引起的车身震动。面积分割的基准是需要试验或经验通过使可变阻尼系统不工作时，轮胎的胎面跳动引起的车身震动(加速度)最小值对应的分割面积。加速度的值可以通过加速度传感器8-1、加速度传感器8-2、加速度传感器8-3进行检测。由于不同宽度的轮胎与地面的接触面积不一样，因此，不同宽度的轮胎对车身能产生的干扰是不一样的，比如同一宽度的轮胎，压在小面积的障碍物上可能对轮胎不造成影响，但是压在大面积的障碍物上就会造成轮胎的胎面跳动。分割面积的设定可以根据轮胎的特性、车辆的重量以及实际应用需求进行试验分析来确定。每个分割面积中包括多个X、Y、Z坐标，通过每个X、Y坐标对应的Z坐标得出该分割面积中路面的平整、凹陷或凸起状况，得到该分割面积的路面状况，找到与将该路面状况相对应的值，如此进行，从而确定每个分割面积的值，组成i行j列的路面信息(MAP)图。ECU单元将路面信息(MAP)图的每行每列Sij进行高度和阻尼计算得到预期的空气悬架的高度和阻尼输出图Uij，每个路面信息Sij都与Uij一一对应。图3中具体设定i＝9、j＝9，S11、S12、…、S99是针对同一轮胎，S11、S12、…、S99的分割面积是相同的，则对应的能够得到U11、U12…、U99。面积分割个数也可以根据车辆的实际情况和实际应用需求进行设定，并不局限于本实施例中的81个分割面积。

Uij是空气悬挂系统的输出，其输出有2种参数，一个是高度H，可表示为Uij_(H)，称为高度输出参数，另外一个是阻尼D，可表示为Uij_(D)，称为阻尼输出参数，两个参数共同组成空气悬架系统的输出Uij_(H,D)。

针对不同车型或者不同需求具有不同的计算公式，本实施例中只简单介绍其中一种Uij_(H)的计算公式：

其中，Sij为当前要计算的Uij的输入值，S(i+1)(j+1)、Si(j+1)等分别代表Sij在路面信息图中的相邻点的输入值，每个相邻点上下左右以及对角线共有8个相邻值。另外在路面信息图中，相邻点如果没有就对其值置1。

a1-a9为临近影响系数，该值与汽车的轮胎的特性以及悬架形式有关，为常数。

C为高度传感器检测出来的值并通过计算得到的变异系数，为计算值，系统通过采集高度传感器的输入值，然后通过输入值计算其变异系数。

R₀为常数，其与车辆的底盘参数、悬架形式以及期望值有关，该值可认为是一个高度切换的阈值。

H_(high)代表底盘默认最高位置，与悬架行程和期望值有关，低速行驶的默认高度。

H_(standard)代表底盘默认标准位置，与悬架行程和期望值有关，底盘的默认高度，最佳的舒适高度。

H_(low)代表底盘默认最低位置，与悬架行程和期望值有关，高速行驶的默认高度。

V₀代表低速不良路面的默认速度，为期望值，是可调整的阈值。

V₁代表舒适路面行驶的默认速度，为期望值，是可调整的阈值。

V₂代表高速路面行驶的默认速度，为期望值，是可调整的阈值。当速度高于该值时，为了保证最佳的稳定性和安全性，车辆在此速度下会自动下降到高度H_(low)。

V_(speed)为车辆到达Sij位置的速度，实时计算得到，可以通过车上的总线获取到，也可以通过路面上特征点移动的距离和时间计算得到。

以上的情况为自动行驶情况，不包含手动操作高度。

根据不同的可变阻尼减震器类型有不同的计算公式，通过对悬架进行建模，不同的减震器或者控制算法以及针对不同的期望值是有不同的算法的，由于本发明是针对路谱信息的控制方法，因此以下只简单介绍其中一种Uij_(D)的计算公式：

为了保证最佳的舒适性，该方法将减震器的可变阻尼作为近似二级式可变阻尼减震器，其中为D_(min)针对指定车型，指定悬架下的最小允许值；同理，D_(max)为最大允许值。上式中Sij为指定分区内的路面信息输入值，Se1为预估的前一个路面信息输入值，Se2为前一个的前一个路面信息输入值。b11-b33为矩阵计算变换值，其与详细的参数匹配和期望值有关，为常数。L为每个分区块的长度，例如Sij到Si(j+1)的中心距离，为固定值。V_(speed)为车辆到达Sij位置的速度，实时计算得到，可以通过车上的总线获取到，也可以通过路面上特征点移动的距离和时间计算得到。A₍₁₎到A₍₃₎为系统中第一加速度传感器8-1、第二加速度传感器8-2、第三加速度传感器8-3的实时加速度值。

在空气悬挂系统控制中，空气弹簧以及可变阻尼减震器执行的延迟时间为t，车速V是已知条件，通过转向角度r我们能够如示意图4所示，在Uij组成的MAP图上找到车轮预计运动轨迹，由于前轮预计到达预计路面的时间Tf＝L1/V小于后轮预计到达预计路面的时间Tr＝(L1+L2)/V，因此，保证在车辆的轮胎到达指定位置时，高度和阻尼能够在前轮最先预计到达预计路面的时间Tf＝L1/V内达到预设高度和预设阻尼。因此，我们只要在采集路面信息时能够保证t<<Tf。如示意图4所示，左前轮的运动轨迹为U13→U23→U33→U43→U53→U63→U73→U84→U94，右前轮的运动轨迹为U16→U26→U36→U46→U57→U67→U77→U87→U97，也就是左前轮的高度和阻尼按照U13→U23→U33→U43→U53→U63→U73→U84→U94的顺序执行，右前轮的高度和阻尼按照U13→U23→U33→U43→U53→U63→U73→U84→U94的顺序执行，能够使车辆空气悬挂系统的输出效果达到最佳，达到最佳的舒适性和安全性。

以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。