一种用于提高越野汽车驾驶舒适性的控制方法
阅读说明：本技术 一种用于提高越野汽车驾驶舒适性的控制方法 (Control method for improving driving comfort of off-road vehicle ) 是由 曾繁鸣 付畅 黄祖胜 张志勇 胡孝恒 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及汽车控制方法技术领域,具体地指一种用于提高越野汽车驾驶舒适性的控制方法。采集车身的垂向加速度信号,基于垂向加速度信号获得车身的垂向加速度均方根值和均方根值变化率、最大功率谱对应振动频率和振动频率变化率,以垂向加速度均方根值和均方根值变化率为基础进行二维阻尼模糊控制得到最佳阻尼；以最大功率谱对应振动频率和振动频率变化率为基础进行二维刚度模糊控制得到最佳刚度；对最佳阻尼和最佳刚度进行修正获得目标阻尼和目标刚度；车身的悬架控制器调节悬架的阻尼至目标阻尼、调节刚度至目标刚度。本发明获取目标阻尼和目标刚度,主动调节达到提高驾驶舒适性的目的,能够让车身振动频率远离人体共振频率范围。(The invention relates to the technical field of automobile control methods, in particular to a control method for improving driving comfort of an off-road automobile. Acquiring a vertical acceleration signal of the vehicle body, obtaining a vertical acceleration root mean square value and a root mean square value change rate of the vehicle body and a vibration frequency change rate corresponding to a maximum power spectrum based on the vertical acceleration signal, and performing two-dimensional damping fuzzy control on the basis of the vertical acceleration root mean square value and the root mean square value change rate to obtain optimal damping; carrying out two-dimensional rigidity fuzzy control on the basis of the vibration frequency corresponding to the maximum power spectrum and the vibration frequency change rate to obtain the optimal rigidity; correcting the optimal damping and the optimal rigidity to obtain target damping and target rigidity; a suspension controller of the vehicle body adjusts damping of the suspension to a target damping, and adjusts stiffness to a target stiffness. The invention obtains the target damping and the target rigidity, actively adjusts to achieve the purpose of improving the driving comfort, and can lead the vibration frequency of the vehicle body to be far away from the human body resonance frequency range.)
技术领域
本发明涉及汽车控制方法技术领域，具体地指一种用于提高越野汽车驾驶舒适性的控制方法。
背景技术
在对越野汽车进行测试和试乘试驾过程中发现，车辆在越野路上行驶时，限制越野平均车速的主要因素是驾驶员无法承受剧烈颠簸造成的疲劳。一般来说，随着车速增加，由路面引起的车内振动增加，同时车辆稳定性变差，乘员疲劳程度增加。并且在车辆振动过程中，若振动频率集中在人体共振频率范围为，乘员会感到非常不适。
有专利提出可以通过主动调节阻尼来达到提高驾驶舒适性的方法，专利号为“CN103204043A”的名为“汽车半主动悬架系统的频域控制方法”的中国发明专利，该专利提出以车身垂直加速度、车轮动载荷、悬架动挠度的频域传递特性为基础，可自适应地判别半主动悬架系统振动所述频段范围，从而施加响应的阻尼，在整个频域上都能达到较好的控制性能，显著地提高车辆的悬架性能。该方法主要是对阻尼的主动控制来达到提高车辆悬架性能的目的，但实际上影响车身悬架和驾驶舒适性不仅仅是阻尼一个因素，阻尼影响的主要是车身悬架的振动幅度，如果车身振动频率处于人体共振频率范围内，会使驾乘人员产生严重的不适感，而对于振动频率产生影响的车身刚度的调节目前暂无公开资料进行提及。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种用于提高越野汽车驾驶舒适性的控制方法。
本发明的技术方案为：一种用于提高越野汽车驾驶舒适性的控制方法，其特征在于：通过车身上安装的加速度传感器采集车身的垂向加速度信号，基于垂向加速度信号获得车身的垂向加速度均方根值和均方根值变化率、最大功率谱对应振动频率和振动频率变化率，以垂向加速度均方根值和均方根值变化率为基础进行二维阻尼模糊控制得到最佳阻尼；以最大功率谱对应振动频率和振动频率变化率为基础进行二维刚度模糊控制得到最佳刚度；对最佳阻尼和最佳刚度进行修正获得目标阻尼和目标刚度；车身的悬架控制器调节悬架的阻尼至目标阻尼、调节刚度至目标刚度。
进一步的对最佳刚度进行修正的方法包括：采集车身的纵向加速度信号和车速信号，基于车身的纵向加速度和车速查询通过标定获得的刚度二维表得到最小刚度限值；取最佳刚度和最小刚度限值中的较大值作为目标刚度。
进一步的对最佳阻尼进行修正的方法包括：采集车身的纵向加速度信号和车速信号，基于车身的纵向加速度和车速查询通过标定获得的阻尼二维表得到最小阻尼限值；取最佳阻尼和最小阻尼限值中的较大值作为目标阻尼。
进一步的以最大功率谱对应振动频率和振动频率变化率为基础进行二维刚度模糊控制得到最佳刚度的方法包括：将最大功率谱对应振动频率和最大功率谱对应振动频率的量化因子的乘积记为二维刚度模糊控制规则的频率模糊论域值，将振动频率变化率和振动频率变化率的量化因子的乘积记为二维刚度模糊控制规则的频率变化率模糊论域值，输入二维刚度模糊控制规则中对应最大功率谱对应振动频率和振动频率变化率的输入隶属函数，将频率模糊论域值和频率变化率模糊论域值转化为模糊子集，再根据二维刚度模糊控制规则得到最佳刚度的模糊子集，通过对应最佳刚度的输出隶属函数，将最佳刚度的模糊子集转化为最佳刚度的模糊论域值，最佳刚度的模糊论域值与最佳刚度的比例因子相乘，即可得到最佳刚度。
进一步的所述二维刚度模糊控制中最大功率谱对应振动频率的量化因子为：
其中：kf——最大功率谱对应振动频率的量化因子；
f1——通过实车标定获得最大功率对应振动频率f变化范围的较小值；
f2——通过实车标定获得最大功率对应振动频率f变化范围的较大值；
x3——二维刚度模糊控制规则中最大功率谱对应振动频率的模糊论域范围；
振动频率变化率的量化因子为：
其中：kΔf——振动频率变化率的量化因子；
Δf0——通过实车标定获得最大振动功率对应频率变化率Δf的单边变化范围；
x4——二维刚度模糊控制规则中振动频率变化率的模糊论域范围；
输出变量即最佳刚度的量化因子为：
其中：kK——最佳刚度的量化因子；
K1——主动悬架刚度调节的最小值；
K2——主动悬架刚度调节的最大值；
y2——二维刚度模糊控制规则中最佳刚度的模糊论域范围。
进一步的以垂向加速度均方根值和均方根值变化率为基础进行二维阻尼模糊控制得到最佳阻尼的方法包括：将垂向加速度均方根值和垂向加速度均方根值的量化因子的乘积记为二维阻尼模糊控制规则的均方根值模糊论域值，将均方根值变化率和均方根值变化率的量化因子的乘积记为二维阻尼模糊控制规则的均方根值变化率模糊论域值，输入二维阻尼模糊控制规则中对应垂向加速度均方根值和均方根值变化率的输入隶属函数，将均方根值模糊论域值和均方根值变化率模糊论域值转化为模糊子集，再根据二维阻尼模糊控制规则得到最佳阻尼的模糊子集，通过对应最佳阻尼的输出隶属函数，将最佳阻尼的模糊子集转化为最佳阻尼的模糊论域值，最佳阻尼的模糊论域值与最佳阻尼的比例因子相乘，即可得到最佳阻尼。
进一步的所述二维阻尼模糊控制中垂向加速度均方根值的量化因子为：
其中：kA——垂向加速度均方根值的量化因子；
A1——通过实车标定获得垂向加速度均方根值变化范围的较小值；
A2——通过实车标定获得垂向加速度均方根值变化范围的较大值；
x1——二维阻尼模糊控制规则中垂向加速度均方根值的模糊论域范围；
均方根值变化率的量化因子为：
其中：kΔA——均方根值变化率的量化因子；
ΔA0——通过实车标定获得垂向加速度均方根值变化率变化ΔA的单边变化范围；
x2——二维阻尼模糊控制规则中均方根值变化率的模糊论域范围；
输出变量即最佳阻尼的量化因子为：
其中：kC——最佳阻尼的量化因子；
C1——主动悬架阻尼调节的最小值；
C2——主动悬架阻尼调节的最小值；
y1——二维阻尼模糊控制规则中最佳阻尼的模糊论域范围。
进一步的所述基于垂向加速度获得车身的垂向加速度均方根值的方法包括：根据以下公式计算垂向加速度均方根值：
其中：AZt——t时刻采集到的车身垂向加速度；
ns——垂向加速度信号采集周期；
T——时间周期。
进一步的所述基于垂向加速度获得最大功率谱对应振动频率的方法包括：根据以下公式计算最大功率谱对应振动频率：
f(t)＝f(P＝Pmax)
其中：f(t)——周期T(t-T，t)内最大功率谱对应振动频率；
pmax——周期T(t-T，t)内最大功率谱；
所述功率谱密度函数p(f)的表示方法如下：
其中：p(f)——功率谱密度函数；
X(f)——垂向加速度时域信号进行频率归一化取值；
fs——采样频率；
所述周期T(t-T，t)内垂向加速度时域信号进行频率归一化取值X(f)的计算方法如下：
其中：N——周期T(t-T，t)内采样点数量；
AZn——垂向加速度时域信号；
fs——采样频率；
n——取值为1、2、3…N的自然数；
j——虚数单位，j^2＝-1。
进一步的所述基于垂向加速度获得车身的振动频率变化率的方法包括：按照下列公式计算振动频率变化率：
其中：Δf(t)——t时刻最大功率谱对应振动频率变化率；
f(t)——周期T(t-T，t)内最大功率谱对应振动频率；
f(t-Δt)——周期T(t-Δt-T，t-Δt)内最大功率谱对应振动频率；
Δt——计算步长。
本发明针对现有控制技术不能使车身振动频率远离人体共振频率的缺陷，建立阻尼和模糊控制规则，通过二维模糊控制器调节阻尼，以减小振动幅值；建立刚度模糊控制规则，通过二维模糊控制器调节主动悬架的刚度，使振动频率远离人体共振频率范围，提高车辆驾驶舒适性。
同时，本发明还考虑到了在车速较高的情况下，过低的阻尼和刚度会使车辆稳定性变差，在制动和转向时车辆俯仰角和侧倾角较大，会使驾驶员感到不适，因此根据车速及纵向加速度对目标刚度和目标阻尼进行限制，维持车辆稳定性，达到提高驾驶舒适性的目的。
本发明的控制方法充分考虑到了影响车辆驾驶舒适性的各种因素，通过模糊控制规则获取合适的目标阻尼和目标刚度，主动调节达到提高驾驶舒适性的目的，能够让车身振动频率远离人体共振频率范围，具有极大的推广价值。
附图说明
图1：本发明控制逻辑流程示意图；
图2：本发明的车身悬架刚度调节示意图；
图3：本发明的模糊控制器示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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发明和简化描述，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发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1～3，本实施例在座椅下方安装加速度传感器，通过加速度传感器采集车身的垂向加速度和纵向加速度的时域信号，将垂向加速度时域信号传递给整车控制器，整车控制器计算时间周期T内垂向加速度均方根值A，计算公式如下：
其中：AZt——t时刻采集到的车身垂向加速度；
ns——垂向加速度信号采集周期；
T——时间周期。
通过对时间周期T(t-T，t)内采集到的垂向加速度进行平方、求和再开方，得到垂向加速度均方根值A。
对t时刻时，周期T(t-T，t)内的垂向加速度时域信号进行频谱分析，周期T内采样点数量N＝T/ns，垂向加速度时域信号记为AZn，n＝1，2，3…..N，对该信号进行频率归一化，具体计算公式如下：
其中：N——周期T内采样点数量；
AZn——垂向加速度时域信号；
n——取值为1、2、3…N的自然数；
j——虚数单位，j^2＝-1；
fs——采样频率。
功率谱密度函数表示如下：
其中：p(f)——功率谱密度函数；
X(f)——垂向加速度时域信号进行频率归一化取值；
fs——采样频率。
则周期T(t-T，t)内功率谱密度函数最大功率对应频率计算公式如下：
f(t)＝f(P＝Pmax)
其中：f(t)——周期T(t-T，t)内最大功率谱对应振动频率；
P——功率谱；
Pmax——周期T(t-T，t)内最大功率谱。
计算在周期T(t-T，t)内垂向加速度均方根值和最大功率谱对应振动频率的变化率，计算公式如下：
其中：Δf(t)——t时刻最大功率谱对应振动频率变化率；
ΔA(t)——t时刻垂向加速度均方根值变化率；
f(t)——周期T(t-T，t)内最大功率谱对应振动频率；
A(t)——周期T(t-T，t)内垂向加速度均方根值；
f(t-Δt)——周期T(t-Δt-T，t-Δt)内最大功率谱对应振动频率；
A(t-Δt)——周期T(t-Δt-T，t-Δt)内垂向加速度均方根值；
Δt——计算步长。
如图3所示，按照图3中的模糊控制规则建立二维阻尼模糊控制器和二维刚度模糊控制器，将垂向加速度均方根值A及均方根值变化率ΔA作为二维阻尼模糊控制器的输入，根据阻尼模糊控制规则得到最佳阻尼C。将最大功率谱对应振动频率f及振动频率变化率Δf作为二维刚度模糊控制器的输入，根据二维刚度模糊控制规则得到最佳刚度K。
在二维阻尼模糊控制器中，输入变量中垂向加速度均方根值A恒大于0，可通过实车标定测量获取A的实际变化范围[A1，A2](A1是通过实车标定获得垂向加速度均方根值变化范围的较小值；A2是通过实车标定获得垂向加速度均方根值变化范围的较大值)，通过偏移零点转化为[-(A2-A1)/2，(A2-A1)/2]。垂向加速度均方根值变化率ΔA的实际变化范围可通过实车标定测量获得，记为[-ΔA0，ΔA0](ΔA0是通过实车标定获得垂向加速度均方根值变化率ΔA的单边变化范围)。输出变量最佳阻尼恒大于0，其变化范围[C1，C2](C1是主动悬架阻尼调节的最小值；C2是主动悬架阻尼调节的最大值)，通过偏移零点转化为[-(C2-C1)/2，(C2-C1)/2]。
在二维刚度模糊控制器中，输入变量中最大功率谱对应振动频率f恒大于0，可通过实车标定测量获取f的实际变化范围[f1，f2](f1是通过实车标定获得最大功率对应振动频率f变化范围的较小值；f2是通过实车标定获得最大功率对应振动频率f变化范围的较大值)，通过偏移零点转化为[-(f2-f1)/2，(f2-f1)/2]。振动频率变化率Δf可通过实车标定测量获得，记为[-Δf0，Δf0](Δf0是通过实车标定获得最大振动功率对应频率变化率Δf的单边变化范围)。输出变量最佳刚度恒大于0，其变化范围记为[K1，K2](K1是主动悬架刚度调节的最小值；K2是主动悬架刚度调节的最大值)，通过偏移零点转化为[-(K2-K1)/2，(K2-K1)/2]。
将输入变量实际范围转化为模糊论域的对应值，垂向加速度均方根值及其变化率、最大功率对应振动频率及其变化率的模糊论域对应值分别表示为X1、X2、X3、X4、X1＝{-x1，-x1+1，…0，1，x1-1，x1}，X2＝{-x2，-x2+2，…0，1，x2-1，x2}，X3＝{-x3，-x3+3，…0，1，x3-1，x3}，X4＝{-x4，-x4+4，…0，1，x4-1，x4}，将输出变量实际范围转化为模糊论域的对应值，输出的最佳阻尼、最佳刚度的模糊论域对应值分别表示为Y1、Y2，Y1＝{-y1，-y1+1，…0，1，y1-1，y1}，Y2＝{-y2，-y2+1，…0，1，y2-1，y2}。
则输入变量垂向加速度均方根值A的量化因子为：
其中：kA——垂向加速度均方根值的量化因子；
A1——通过实车标定获得垂向加速度均方根值变化范围的较小值；
A2——通过实车标定获得垂向加速度均方根值变化范围的较大值；
x1——二维阻尼模糊控制规则中垂向加速度均方根值的模糊论域范围，本方法中x1＝6；
垂向加速度均方根值变化率的量化因子为：
其中：kΔA——均方根值变化率的量化因子；
ΔA0——通过实车标定获得垂向加速度均方根值变化率ΔA的单边变化范围；
x2——二维阻尼模糊控制规则中均方根值变化率的模糊论域范围，本方法中x2＝6。
输出变量即最佳阻尼的量化因子为：
其中：kC——最佳阻尼的量化因子；
C1——主动悬架阻尼调节的最小值；
C2——主动悬架阻尼调节的最大值；
y1——二维阻尼模糊控制规则中最佳阻尼的模糊论域范围，本方法中y1＝6。
二维刚度模糊控制中最大功率谱对应振动频率的量化因子为：
其中：kf——最大功率谱对应振动频率的量化因子；
f1——通过实车标定获得最大功率对应振动频率f变化范围的较小值；
f2——通过实车标定获得最大功率对应振动频率f变化范围的较大值；
x3——二维刚度模糊控制规则中最大功率谱对应振动频率的模糊论域范围，本方法中x3＝6。
振动频率变化率的量化因子为：
其中：kΔf——振动频率变化率的量化因子；
Δf0——通过实车标定获得最大振动功率对应频率变化率Δf的单边变化范围；
x4——二维刚度模糊控制规则中振动频率变化率的模糊论域范围，本方法中x4＝6。
输出变量即最佳刚度的量化因子为：
其中：kK——最佳刚度的量化因子；
K1——主动悬架刚度调节的最小值；
K2——主动悬架刚度调节的最大值；
y2——二维刚度模糊控制规则中最佳刚度的模糊论域范围，本方法中y2＝6。
通过量化因子和比例因子，对输入输出变量进行尺度变换，将实际值变化为模糊论域上对应的值。
对输入输出变量的真实范围均划分为7个模糊子集(输入变量的实际变化范围与量化因子的乘积记为模糊论域的值，得到模糊论域的值后通过输入隶属函数，将两个输入转化为模糊子集，再根据模糊规则得到输出的模糊子集，将输出的模糊子集通过输出隶属函数，转化为模糊论域值，模糊论域值与比例因子相乘得到输出的实际值，即本实施例的最佳阻尼和最佳刚度)，7个模糊子集分别表述为：正大(PB)，正中(PM)正小(PS)，零(Z)，负小(NS)，负中(NM)，负大(NB)。
确定模糊子集和模糊论域后，通过隶属函数可将模糊论域转化为模糊子集，本实施例中模糊控制器类型选择Mamdani型，并采用隶属函数guassm对输入量的模糊子集进行划分，采用隶属函数trimf对输出量的模糊子集进行划分，输入表示为e和ec，输出表示为u。
得到模糊子集后，通过二维阻尼模糊控制规则，可根据垂向加速度均方根值A及其变化率ΔA的模糊子集得到最佳阻尼C的模糊子集。
二维阻尼模糊控制规则如表一所示，通过增大主动悬架的阻尼来减小垂向加速度均方根值。
表1二维阻尼模糊控制规则
通过二维刚度模糊控制规则，可根据最大振动功率对应频率f及其变化率Δf的模糊子集得到最佳刚度K的模糊子集。
二维阻尼模糊控制规则如表一所示，通过增大主动悬架的阻尼来减小垂向加速度均方根值建立二维刚度模糊控制规则，根据通过调节主动悬架刚度使最大振动功率对应频率远离人体共振频率区间[fmin，fmax]，如图2所示，其中[f1，f2]为振动频率真实范围。
表2为二维刚度模糊控制规则，如表2所示。
表2二维刚度模糊控制规则
经过二维阻尼模糊控制器和二维刚度模糊控制器后，通过比例因子kC得到最佳阻尼C，通过比例因子kK得到最佳刚度K。
同时，整车控制器接受ABS发送的车速信号和加速度传感器发送的纵向加速度信号，根据控制器预先设置好的实车表标定数据，获得最小刚度限值Kmin和最小阻尼限值Cmin。在车速较高(车速是通过ABS系统采集获得，具体的限值通过标定获得)时，设置较高的刚度限值阻尼限值，以确保车辆在高速行驶下有较好的稳定性。整车控制器将计算的到的最佳刚度K与最小刚度限值Kmin比较，最佳阻尼C和最小阻尼限值Cmin比较，取较大值得到目标刚度K1和目标阻尼C1，并将其传递给主动悬架控制器，同时主动悬架控制器接受主动悬架发送的实际刚度K2和实际阻尼C2，利用PID闭环控制来调节主动悬架的阻尼和刚度，达到增加驾驶舒适性的目的。
本发明的技术方案又分为三个阶段，具体策略是以如图1所示，其中一阶段是信号采集阶段，该阶段主要是通过加速度传感器采集垂向加速度和纵向加速度信号，并接受ABS发送的车速信号；二阶段是计算阶段，整车控制器接受垂向加速度时域信号并进行频谱分析，通过计算得到垂向加速度均方根值及其变化率、最大功率谱密度对应振动频率及其变化率，通过二维模糊控制得到最佳阻尼和最佳刚度，并与通过车速和纵向加速度得到的最小刚度限值和最小阻尼限值比较，取较大值得到目标刚度和目标阻尼；三阶段是调节主动悬架的刚度及阻尼阶段，悬架控制器接受整车控制器发送的目标阻尼和目标刚度和主动悬架反馈的实际刚度和实际阻尼，通过PID反馈控制来调节主动悬架的阻尼和刚度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
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