一种基于控制力矩陀螺的车辆防侧翻方法技术

本发明专利技术涉及车辆抗侧翻领域，具体涉及一种基于控制力矩陀螺的车辆防侧翻方法。本发明专利技术在车辆转向或受到外部干扰激励下，测量装置检测车辆的响应，结合车辆本身的悬架机构动力学，通过车辆侧翻模型估计车辆的状态，控制力矩陀螺产生几千N·m的扭矩，用来保持车身的平衡，使车辆在任何情况下甚至碰撞的情况都不会翻倒。本发明专利技术的侧翻判断系统能准确估计车辆的侧倾状态，进行车辆侧翻的判断；同时充分考虑了车辆自身的机构特性，通过控制力矩陀螺输出的连续抗侧翻力矩，使车辆在任何情况下甚至碰撞的情况都不会翻倒；相应的控制算法能保证避免奇异和精确输出力矩。

A vehicle anti rollover method based on CMG

【技术实现步骤摘要】
一种基于控制力矩陀螺的车辆防侧翻方法
本专利技术涉及车辆抗侧翻领域，具体涉及一种基于控制力矩陀螺的车辆防侧翻方法。
技术介绍
伴随着我国高速公路总里程和公路旅客运输总量的迅速增加，大客车辆在公路运输中的作用也越来越突出。由于大客车辆的载客量大，侧翻会造成较大的人员伤亡，社会影响较恶劣，大客车辆的侧翻安全问题已然成为全社会关注的焦点。研究如何提高大车辆的侧翻稳定性具有十分重要的现实意义。汽车的防侧翻稳定措施主要有悬架组件、主动防侧翻杆、制动力调节、液压装置及主动转向等，但现有技术中的抗侧翻装置，结构庞大，控制程序复杂及造价较高。以往应用控制力矩陀螺(ControlMomentGyroscope，简称CMG)来解决车辆的抗侧翻问题，主要应用在单轴两轮车上。控制力矩陀螺的优势在于动态响应平稳快速、输出连续光滑的控制力矩、提高力矩放大能力、控制精度高且主要使用电能，工作寿命高。如中国专利CN203199113U中公布了一种应用电子平衡陀螺仪的新型自行平衡摩托车；美国LIT公司申报的专利CN103189267A和CN104246431A中公开了一种陀螺稳定车辆，通过调整与车辆框架联接的第一陀螺仪和第二陀螺仪飞轮的取向和旋转速度形成抵抗车辆侧翻的反力矩。美国LIT公司申报的专利CN104136311A中公开了一种避免车辆碰撞的控制系统。美国LIT公司申报的专利CN104583063A和US8919788B2中公开了一种车辆悬架中的陀螺仪系统。采用的车内电控陀螺仪能够产生几千N·m的扭矩，用来保持车身的平衡，使车辆在任何情况下甚至碰撞的情况都不会翻倒。但是现有技术只考虑了车辆运行时的一些状态参数，例如速度、加速度等，没有考虑车辆本身的机构特性，例如动力学的影响以及悬架的侧倾力学特性等，且没有公开相应的陀螺力矩计算方法，这就导致对于一些车型较大、载重较大或者一些特种车辆的防侧翻效果较差，甚至不能实现防侧翻。在车辆上应用控制力矩陀螺并考虑车辆动力学以及悬架力学特性的影响，开发一种应用控制力矩陀螺的车辆抗侧翻方法，用于改善车辆的稳定性及安全性，已成为车辆抗侧翻
迫切的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于控制力矩陀螺的车辆防侧翻方法，用以解决现有技术没有考虑车辆的悬架机构动力学导致防侧翻效果较差的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于控制力矩陀螺的车辆防侧翻方法，包括以下步骤：检测车辆当前运行状态下的状态参数；将所述状态参数代入侧翻计算模型，根据所述侧翻计算模型的计算结果与设定阈值的关系判断车辆是否有侧翻危险；如果判定车辆有侧翻危险，则发出控制指令并结合车辆的悬架机构动力学，然后通过控制力矩陀螺输出控制力矩，所述控制力矩用来抵消使车辆发生侧翻的力矩。进一步的，所述状态参数包括车速、方向盘转角和侧向加速度。进一步的，所述控制指令与车辆状态的反馈产生控制力矩陀螺操纵率，将所述控制力矩陀螺操纵率输入到所述控制力矩陀螺的框架机构动力学，然后控制CMG运动学，产生所述控制力矩。进一步的，所述框架机构动力学通过框架角进行反馈，从而调整所述控制力矩陀螺操纵率。进一步的，所述车辆状态的反馈由车辆动力学得到。进一步的，所述控制指令的计算方法为：车辆自身的角动量为Hs，所述控制力矩陀螺的转子的角动量为HR，则车辆系统的总成角动量HT为：HT＝Hs+HR当所述控制力矩陀螺的转子的角动量方向发生变化时，车辆通过调整自身的角动量来维持所述总成角动量守恒；车辆相对于惯性空间的角速度为ωs，所述控制力矩陀螺的转子相对于车辆坐标系的角速度为ωR，使车辆发生侧翻的力矩为M，则：当所述控制力矩陀螺的转子的角动量的变化量和/或所述控制力矩陀螺的转子的角动量的方向变化量(ωs+ωR)×HR发生改变时，会产生作用于车辆的所述控制力矩；当所述控制力矩与使车辆发生侧翻的力矩相等时，保持车辆的姿态稳定不变，所述控制力矩与框架角速度成正比；所述控制力矩与悬架弹簧力矩共同抵抗使车辆发生侧翻的力矩：MsaQ+MsgφQ＝φKφ+M式中，Ms为簧载质量，a为侧向加速度，Q为簧载质量的质心到力矩中心的距离，Kφ为侧倾角刚度，φ为侧倾角，M为所述控制力矩陀螺产生的力矩；车辆的侧倾角度为：φ＝(MsaQ-M)/(Kφ-MsgQ)框架角速度计算为：式中，h为所述控制力矩陀螺的转子角动量，为所述控制力矩陀螺的框架角速度，σ为框架转轴的单位矢量；J(θ)为关于θ的雅克比矩阵，根据不同的框架结构构型进行计算。进一步的，控制所述控制力矩陀螺的框架角速度不产生奇异；奇异度量函数为：D＝det(JJT)D为奇异的度量值，D0为奇异度量的阀值，当D≥D0时，所述控制力矩陀螺远离奇异；当D＜D0时，所述控制力矩陀螺接近奇异。本专利技术的有益效果是：本专利技术在车辆转向或受到外部干扰激励下，测量装置检测车辆的响应，通过车辆侧翻模型估计车辆的状态，结合车辆本身的悬架机构动力学控制力矩陀螺产生几千N·m的扭矩，用来保持车身的平衡，使车辆在任何情况下甚至碰撞的情况都不会翻倒。本专利技术的侧翻判断系统能准确估计车辆的侧倾状态，进行车辆侧翻的判断；同时充分考虑到了车辆自身的机构特性，通过控制力矩陀螺输出的连续抗侧翻力矩，使车辆在任何情况下甚至碰撞的情况都不会翻倒；相应的控制算法能保证避免奇异和精确输出力矩。附图说明图1是本专利技术中安装有控制力矩陀螺的车辆的结构示意图；图2是本专利技术中车辆的悬架侧倾力学模型；图3是本专利技术中单框架控制力矩陀螺结构；图4是控制力矩陀螺力矩输出原理的第一示意图；图5是控制力矩陀螺力矩输出原理的第二示意图；图6是本专利技术中由四个控制力矩陀螺构成的金字塔构型示意图；图7是本专利技术中车辆主动抗侧翻控制算法计算过程；图8是本专利技术中控制力矩陀螺抗侧翻奇异操纵律；图9是本专利技术中控制力矩陀螺的框架伺服控制系统。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细的说明。本专利技术提供了一种基于控制力矩陀螺的车辆防侧翻方法，该方法涉及一种应用控制力矩陀螺的车辆，能够广泛应用于车辆的主动抗侧翻控制技术中。车辆包括控制解算系统、测量装置、控制力矩陀螺和四个控制力矩陀螺。在车辆转向或受到外部干扰激励下，测量装置通过检测车辆的响应，估计车辆的状态，控制力矩陀螺产生几千N·m的扭矩，用来保持车身的平衡，使车辆在任何情况下甚至碰撞的情况都不会翻倒。控制力矩陀螺作为车辆姿态系统的执行部件，其工作原理为通过自身的高速旋转，形成一定的角动量与车辆构成一个总成角动量守恒系统。本专利技术采用以下技术方案。如图1所示，为本专利技术涉及的一种应用控制力矩陀螺的车辆，包括车辆1，控制解算系统2，测量装置3，控制力矩陀螺4，控制力矩陀螺5，控制力矩陀螺6和控制力矩陀螺7。结合图2，车辆1前后安装有前悬架组件11和后悬架组件12。前悬架组件11车轮与地面的接触点分别为111和112，导向系约束反力N′和N″的合力在与中性面的交点110处，可分解为垂直分力Nz与水平分力Ny，其中Nz作用在中性面上，并且只使车身产生垂直位移而不产生倾斜角位移；Ny与簧载质量惯性力Msa构成侧倾力偶产生的侧倾力矩。所述的控制力矩陀螺4、控制力矩陀螺5、控制力矩陀螺6和控制力矩陀螺7分别通过万向支架安装于车辆1的前悬架组件11和后悬架组件12的控制臂上。图3为控制力矩陀本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于控制力矩陀螺的车辆防侧翻方法，其特征在于，包括以下步骤：检测车辆当前运行状态下的状态参数；将所述状态参数代入侧翻计算模型，根据所述侧翻计算模型的计算结果与设定阈值的关系判断车辆是否有侧翻危险；如果判定车辆有侧翻危险，则发出控制指令并结合车辆的悬架机构动力学，然后通过控制力矩陀螺输出控制力矩，所述控制力矩用来抵消使车辆发生侧翻的力矩。

【技术特征摘要】
1.一种基于控制力矩陀螺的车辆防侧翻方法，其特征在于，包括以下步骤：检测车辆当前运行状态下的状态参数；将所述状态参数代入侧翻计算模型，根据所述侧翻计算模型的计算结果与设定阈值的关系判断车辆是否有侧翻危险；如果判定车辆有侧翻危险，则发出控制指令并结合车辆的悬架机构动力学，然后通过控制力矩陀螺输出控制力矩，所述控制力矩用来抵消使车辆发生侧翻的力矩。2.根据权利要求1所述的一种基于控制力矩陀螺的车辆防侧翻方法，其特征在于：所述状态参数包括车速、方向盘转角和侧向加速度。3.根据权利要求1或2所述的一种基于控制力矩陀螺的车辆防侧翻方法，其特征在于：所述控制指令与车辆状态的反馈产生控制力矩陀螺操纵率，将所述控制力矩陀螺操纵率输入到所述控制力矩陀螺的框架机构动力学，然后控制CMG运动学，产生所述控制力矩。4.根据权利要求3所述的一种基于控制力矩陀螺的车辆防侧翻方法，其特征在于：所述框架机构动力学通过框架角进行反馈，从而调整所述控制力矩陀螺操纵率。5.根据权利要求4所述的一种基于控制力矩陀螺的车辆防侧翻方法，其特征在于：所述车辆状态的反馈由车辆动力学得到。6.根据权利要求3所述的一种基于控制力矩陀螺的车辆防侧翻方法，其特征在于：所述控制指令的计算方法为：车辆自身的角动量为Hs，所述控制力矩陀螺的转子的角动量为HR，则车辆系统的总成角动量HT为：HT＝Hs+HR当所述控制力矩陀螺...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁金全，郭耀华，樊金磊，
申请(专利权)人：郑州宇通客车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：河南,41