[發(fā)明專利]一種基于棧式自編碼的主動(dòng)懸架系統(tǒng)及其工作方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810767109.6
• 申請(qǐng)日: 2018-07-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110712490B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-11-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫玲玲;侯力文;牛寧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號(hào): B60G17/018
• 分類號(hào): B60G17/018
• 代理公司: 濟(jì)南金迪知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37219
• 代理人: 葉亞林

1.一種基于棧式自編碼的主動(dòng)懸架系統(tǒng)，其特征在于，包括控制單元和分別設(shè)置在四個(gè)車輪上的信號(hào)采集單元；所述信號(hào)采集單元包括，車身加速度傳感器、車輪加速度傳感器、輪速傳感器、空氣彈簧和磁流變減振器；控制單元與四個(gè)信號(hào)采集單元連接。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于棧式自編碼的主動(dòng)懸架系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)采集單元依次通過(guò)電荷放大器和數(shù)據(jù)采集儀與控制單元連接。

3.一種如權(quán)利要求1-2任意一項(xiàng)所述主動(dòng)懸架系統(tǒng)的工作方法，其特征在于，包括步驟如下：

1)構(gòu)建棧式自編碼神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；

1.1)訓(xùn)練第一隱藏層；在不同路況下，將四個(gè)信號(hào)采集單元采集的信號(hào)作為輸入信號(hào)，訓(xùn)練棧式自編碼器；所述棧式自編碼器學(xué)習(xí)得到輸入信號(hào)的一階特征；

1.2)訓(xùn)練第二隱藏層；將輸入信號(hào)的一階特征作為輸入，訓(xùn)練棧式自編碼器得到二階特征；

1.3)將所述二階特征作為softmax分類器層的輸入，訓(xùn)練得到一個(gè)能將所述二階特征映射到數(shù)字標(biāo)簽的模型；

2)通過(guò)棧式自編碼網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行主動(dòng)懸架系統(tǒng)的模式識(shí)別；主動(dòng)懸架系統(tǒng)的模式包括舒適模式和安全模式；

3)根據(jù)主動(dòng)懸架系統(tǒng)的模式進(jìn)行相應(yīng)的控制；

3.1.1)為實(shí)現(xiàn)舒適模式的控制，建立車輛懸架系統(tǒng)七自由度車模型，其中，車身具有垂向、側(cè)傾、俯仰三個(gè)自由度，四個(gè)車輪分別具有一個(gè)垂向運(yùn)動(dòng)的自由度；其中，a、b為前、后軸距，前軸距是指車輛質(zhì)心到前軸的距離，后軸距是指車輛質(zhì)心到后軸的距離，B為輪距，z_s為車身垂向位移，θ為車身俯仰角，為車身側(cè)傾角，z_sf1、z_sf2、z_sr1、z_sr2為簧上質(zhì)量垂向位移、z_tf1、z_tf2、z_tr1、z_tr2為簧下質(zhì)量垂向位移，k_sf1、k_sf2、k_sr1、k_sr2為空氣彈簧的彈簧剛度、c_sf1、c_sf2、c_sr1、c_sr2為磁流變減振器的阻尼系數(shù)，k_tf、k_tr為前排輪胎、后排輪胎的剛度，q_f1、q_f2、q_r1、q_r2為路面輸入；

3.1.2)為實(shí)現(xiàn)安全模式的控制，建立車輛懸架系統(tǒng)四自由度半車模型，其中車身具有垂向、側(cè)傾兩個(gè)自由度，左右兩側(cè)車輪分別具有一個(gè)垂向運(yùn)動(dòng)的自由度；m_s為車身質(zhì)量；z_sl、z_sr分別為車身左、右兩側(cè)的位移；m_tl、m_tr為左右兩側(cè)車輪的質(zhì)量，左右兩側(cè)車輪垂向位移分別為z_tl、z_tr；h_s為簧上質(zhì)量質(zhì)心到側(cè)傾軸線的距離，q_l、q_r分別為左、右兩側(cè)車輪的路面輸入；k_sl、k_sr分別為左、右兩側(cè)懸架彈簧的彈簧剛度，c_sl、c_sr分別為左、右兩側(cè)減振器的阻尼系數(shù)；h為簧上質(zhì)量質(zhì)心到地面的距離；

3.2.1)對(duì)于空氣彈簧，當(dāng)識(shí)別出的模式為舒適模式時(shí)，以車身質(zhì)心處的垂向加速度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化參數(shù)為四個(gè)空氣彈簧的剛度k_sf1、k_sf2、k_sr1、k_sr2，在進(jìn)行基于差分進(jìn)化算法的彈簧剛度尋優(yōu)時(shí)，所取的系統(tǒng)適應(yīng)度函數(shù)為：

為優(yōu)化后簧上質(zhì)量垂向速度均方根值，為優(yōu)化后簧上質(zhì)量垂向加速度均方根值，為被動(dòng)懸架系統(tǒng)簧上質(zhì)量垂向速度均方根值，為被動(dòng)懸架系統(tǒng)簧上質(zhì)量垂向加速度均方根值；

約束條件如下：

考慮車輪與路面間輪胎動(dòng)載荷及車身懸架動(dòng)撓度；車輛行駛時(shí)，要避免輪胎離開(kāi)地面，輪胎與路面的動(dòng)載荷小于靜載荷，即

其中，f_ktf1、f_ktf2、f_ktr1、f_ktr2為四個(gè)輪胎靜載荷；根據(jù)車輛靜態(tài)力平衡及力矩平衡方程獲得四個(gè)輪胎的靜載荷為：

其中，g為重力加速度，m_tf為前排的單個(gè)輪胎質(zhì)量，m_tr為后排的單個(gè)輪胎質(zhì)量；

由于懸架機(jī)械結(jié)構(gòu)的行程限制，將懸架的動(dòng)行程z_si-z_ti(i＝f1、f2、r1、r2)限制在一定范圍內(nèi)；避免撞擊限位塊破壞舒適性；對(duì)應(yīng)的約束條件為：

其中，S_max為允許的車輛懸架工作空間限位；

最終，得到尋優(yōu)后的四個(gè)空氣彈簧剛度，作為舒適模式的彈簧剛度；

3.2.2)對(duì)于空氣彈簧，當(dāng)識(shí)別出的行駛模式為安全模式時(shí)，以車身側(cè)傾角的加速度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)化，優(yōu)化參數(shù)為空氣彈簧的剛度k_sf1、k_sf2、k_sr1、k_sr2，在進(jìn)行基于差分進(jìn)化算法的彈簧剛度尋優(yōu)時(shí)，所取的系統(tǒng)適應(yīng)度函數(shù)為：

為優(yōu)化后車身側(cè)傾角均方根值，為優(yōu)化后車身側(cè)傾角的加速度均方根值，為被動(dòng)懸架系統(tǒng)車身側(cè)傾角均方根值，為被動(dòng)懸架系統(tǒng)車身側(cè)傾角的加速度均方根值；

約束條件包括步驟3.2.1)的約束條件和車輛的側(cè)翻因數(shù)LTR；

最終，尋優(yōu)得到的彈簧剛度為安全模式下的空氣彈簧剛度；

3.2.3)對(duì)于磁流變減震器，當(dāng)識(shí)別出的行駛模式為舒適模式時(shí)，同時(shí)考慮車輛的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性；

采用等效的方法使阻尼力在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)天棚阻尼控制；

式中，F(xiàn)_si為天棚阻尼力，為簧上質(zhì)量垂向速度，為簧下質(zhì)量的垂向速度，z_si為簧上質(zhì)量垂向位移，z_ti為簧下質(zhì)量垂向位移，F(xiàn)_imax為磁流變減振器最大可調(diào)力；β_si為天棚阻尼系數(shù)，根據(jù)懸架參數(shù)優(yōu)化確定；

采用等效的方法使F_MR在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)地棚阻尼控制；

地棚控制策略為：

式中：F_gi為地棚阻尼力，β_gi為地棚阻尼系數(shù)；

混合阻尼控制策略集成天棚控制和地棚控制的特點(diǎn)，兼顧平順性和操縱穩(wěn)定性；綜合控制力輸出為：

F_h＝αF_s+(1-α)F_g

式中：F_h為磁流變減振器的輸出力，α為調(diào)節(jié)因子；

采用差分進(jìn)化算法求得最佳調(diào)節(jié)因子，在進(jìn)行調(diào)節(jié)因子的參數(shù)尋優(yōu)時(shí)，系統(tǒng)適應(yīng)度函數(shù)設(shè)為：

式中，為尋優(yōu)控制后簧上質(zhì)量垂向加速度均方根值與簧下質(zhì)量垂向加速度均方根值，為被動(dòng)懸架系統(tǒng)簧上質(zhì)量垂向加速度均方根值與簧下質(zhì)量垂向加速度均方根值；約束條件為步驟3.2.1)的約束條件；得到調(diào)節(jié)因子后，最終得到磁流變減振器的輸出阻尼力；

3.2.4)對(duì)于磁流變減震器，當(dāng)識(shí)別出的行駛模式為安全模式時(shí)，利用滑模變結(jié)構(gòu)控制，通過(guò)產(chǎn)生附加力矩實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛側(cè)傾的控制；

對(duì)車輛側(cè)傾運(yùn)動(dòng)的控制，通過(guò)磁流變減振器實(shí)現(xiàn)半主動(dòng)懸架阻尼的連續(xù)可調(diào)，產(chǎn)生防止車輛側(cè)傾的附加力矩M_R；運(yùn)動(dòng)方程為：

I_xx為車輛的側(cè)傾轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，a_y是設(shè)定的車架側(cè)向加速度；以側(cè)傾角為控制目標(biāo)，假設(shè)期望系統(tǒng)輸出側(cè)傾角為則跟蹤誤差e_rr為：

定義積分滑模面：

式中，為跟蹤誤差e_rr的一階導(dǎo)數(shù)；

進(jìn)一步的：

式中，k₁和k₂為非零正整數(shù)，如果期望系統(tǒng)輸出側(cè)傾角則對(duì)滑模面s進(jìn)行求導(dǎo)，得：

如果滑模控制處于理想狀態(tài)，則由此可得通過(guò)調(diào)整k₁和k₂的取值，使跟蹤誤差趨近于零；

同時(shí)，結(jié)合式(1)得：

其中，為保證滑模動(dòng)態(tài)品質(zhì)，選取指數(shù)趨近律作為接近條件：

式中，ε、c均為正的常數(shù)；

綜合式(3)、(6)和(7)，得：

由此可得，使懸架回到預(yù)期側(cè)傾角所需的附加力矩為：

對(duì)側(cè)傾進(jìn)行控制，f_MRl與f_MRr分別為左、右側(cè)磁流變減振器的阻尼力，具體決策過(guò)程如下：

A)當(dāng)且時(shí)，如果右側(cè)磁流變減振器輸出附加阻尼力會(huì)削弱抗側(cè)傾力矩，因此：

B)當(dāng)且時(shí)，如果左右兩側(cè)磁流變減振器同時(shí)輸出附加阻尼力會(huì)產(chǎn)生抗側(cè)傾力矩，因此：

C)當(dāng)且時(shí)，如果左右兩側(cè)磁流變減振器輸出附加阻尼力會(huì)增加側(cè)傾程度，因此：

D)當(dāng)且時(shí)，如果左側(cè)磁流變減振器輸出附加阻尼力會(huì)削弱抗側(cè)傾力矩，因此：

通過(guò)上述控制策略，即可得到安全模式下前、后磁流變減振器的輸出阻尼力。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的主動(dòng)懸架系統(tǒng)的工作方法，其特征在于，所述步驟2)中，舒適模式和安全模式的定義方法為，利用carsim軟件進(jìn)行仿真工況設(shè)置；

①車速為10km/h—100km/h的雙移線仿真工況，速度間隔為1km/h，≥30km/h時(shí)控制模式為安全模式，<30km/h時(shí)控制模式為舒適模式；

②車速為10km/h—100km/h的高速公路仿真工況，速度間隔為1km/h，此時(shí)控制模式為舒適模式；

③車速為10km/h—100km/h的魚鉤仿真工況，速度間隔為1km/h，≥30km/h時(shí)控制模式為安全模式，<30km/h時(shí)控制模式為舒適模式。