CN118961061A - 簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及车辆工程技术领域，特别涉及一种簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法及系统，用于主动悬架车辆，该方法包括：计算簧载质量在车体坐标系下的质心位置；在车辆水平状态下，进行车辆俯仰与侧倾运动，根据液压缸的支撑力和陀螺仪角速度，分别计算俯仰转动惯量和侧倾转动惯量；在车辆匀速转弯行驶过程中，对车辆进行制动，根据车身横摆角速度与制动力，计算横摆转动惯量；基于质心位置、俯仰转动惯量、侧倾转动惯量、横摆转动惯量与车辆行驶的工况，计算安全阈值范围，并基于安全阈值范围对驾驶员进行预警。本申请弥补了底盘控制器使用固定的设计参数而无法有效控制车辆的弊端，提供给底盘控制器，优化整车控制效果。

Description

簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法及系统

技术领域

本申请涉及车辆工程技术领域，特别涉及一种簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法及系统。

背景技术

车辆质心的位置是影响车辆操控的最主要因素，车辆质心位置靠近前轴，转向时会产生转向不足问题，尤其是在雨雪、沙土等低附着路面行驶时，容易无法跟随驾驶员意图，弯道容易冲出路面。当车辆货物装载过多时，会导致质心位置靠近后轴，车辆行驶时出现转向过度，发生急转，失去控制。此外大型车辆由于质心位置偏高，导致弯道行驶速度不能过高，容易发生侧翻。在车辆设计时，对质心位置进行过详细测量，但实际使用时，很多场合超出车辆设计规范，如大型车辆，装载货物过多，货物装载不均匀等，因此，车辆质心的动态在线测量与大偏差预警是保证车辆行驶安全的重要内容之一。

测量车辆质心平面坐标的传统方法是在车辆每个车轮下摆放电子称重传感器，根据前后车轮分担的整车重量，进行计算质心到前后轴距离，根据左右轮分担的整车重量，计算质心到左右侧距离。测量质心高度的方法是将车辆停放在具有一定坡度的坡道上，同样需要在每个车轮下摆放电子称重传感器，根据坡道角度和各个称重传感器数值，计算质心高度。同样，上述测量方法可以在专用的试验台进行实现，需要保证试验台水平和固定某一倾斜角度。传统转动惯量测试方法，是将车辆放置在专用的摇摆试验台上，每个车轮下面安装载荷传感器。对整个试验台进行俯仰与侧倾、横摆控制，对试验台施加一定频率的往复运动，根据安装的加速度传感器进行角速度控制，同时测量连接部件受力，根据力矩平衡关系，求得转动惯量。

传统方法对质心位置和惯量的测量优势是测试环境较好，无其他干扰，测量结果相对准确，然而，其缺点是无法考虑到车辆实际使用过程中的各种变化因素，尤其是车辆载人与装载货物较多时，超出车辆转动惯量的安全范围、载荷变化引起的质心高度的降低、转动惯量的增大等。此外，测量结果的准确性还受到车辆运动状态的影响，比如车辆转向行驶时的侧倾，导致质心位置发生的偏移等。使得制动防抱死系统(ABS)、转弯车身稳定性控制(ESC)、主动悬架控制(ASS)等底盘安全控制系统的控制效果大大降低，甚至失效。因此，车辆惯量的动态在线测量是保证车辆底盘控制系统控制能力的关键内容之一。

发明内容

本申请实施例提供一种簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法及系统，弥补底盘控制器使用固定的设计参数而无法有效控制车辆的弊端，提供给底盘控制器，优化整车控制效果。

为解决上述技术问题，第一方面，本申请实施例提供一种簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法，用于主动悬架车辆，包括以下步骤：首先，根据车辆在行驶状态下液压缸的支撑力、行驶坡道角以及液压缸支点在车体坐标系下的位置，计算簧载质量在车体坐标系下的质心位置；质心位置包括质心在车体坐标系下的横向位置、纵向位置和垂向位置；然后，在车辆水平状态下，进行车辆俯仰与侧倾运动，根据液压缸的支撑力和陀螺仪角速度，分别计算俯仰转动惯量和侧倾转动惯量；接下来，在车辆匀速转弯行驶过程中，对车辆进行制动，根据车身横摆角速度与制动力，计算横摆转动惯量；最后，基于质心位置、俯仰转动惯量、侧倾转动惯量、横摆转动惯量与车辆行驶的工况，计算安全阈值范围，并基于安全阈值范围对驾驶员进行预警。

在一些示例性实施例中，根据车辆在行驶状态下液压缸的支撑力、行驶坡道角以及液压缸支点在车体坐标系下的位置，计算簧载质量在车体坐标系下的质心位置，包括：若车辆在平直道路上匀速行驶或小加速度行驶时，控制主动液压悬架保持车辆水平，根据每个液压缸的支撑力与液压缸支点在车体坐标系的位置，分别计算簧载质量质心在车体坐标系下的横向位置与纵向位置；若车辆产生较大的纵向与侧向加速度或车辆在坡度较大的道路上匀速行驶时，质心的偏移对液压缸产生载荷转移，根据每个液压缸的支撑力与行驶坡道角和液压缸在车体坐标系的位置，计算簧载质量质心的垂向位置。

在一些示例性实施例中，在车辆水平状态下，进行车辆俯仰与侧倾运动，根据液压缸的支撑力和陀螺仪角速度，分别计算俯仰转动惯量和侧倾转动惯量，包括：在车辆水平状态下，控制主动液压悬架产生不同角加速度的俯仰运动，根据多种角加速度情况下测量得到的不同俯仰转动惯量，得到准确的俯仰转动惯量；所述不同俯仰转动惯量包括液压缸的支撑力、位移、俯仰与侧倾角、角速度以及侧向加速度；在车辆水平状态下，控制主动液压悬架产生不同角加速度的侧倾运动，根据多种角加速度情况下测量得到的不同侧倾转动惯量，得到准确的侧倾转动惯量；所述不同侧倾转动惯量包括液压缸的支撑力、位移、俯仰与侧倾角、角速度以及侧向加速度。

在一些示例性实施例中，在车辆匀速转弯行驶过程中，对车辆进行制动，根据车身横摆角速度与制动力，计算横摆转动惯量，包括：在车辆转向时，保持车身水平，同时对车辆进行制动，根据车身横摆角加速度的变化与制动力，计算车辆的横摆转动惯量，并进行多次计算，获取准确的横摆转动惯量。

在一些示例性实施例中，质心位置的计算包括质心水平位置的计算和质心高度的计算，其中，质心水平位置的计算公式如下所示：

F_LF+F_RF+F_LR+F_RR＝M_sg

(F_LF+F_RF)L＝M_sg L_R

(F_LR+F_RR)L＝M_sg L_F

(F_LF+F_LR)T＝M_sg T_R

(F_RF+F_RR)T＝M_sg T_L

其中，F_LF，F_RF，F_LR，F_RR分别为左前、右前、左后、右后悬架液压缸的支撑力；M_sg为车辆的重力，M_s为车辆的质量；T_L，T_R分别为质心到左侧、右侧悬架液压缸支点的距离；L_R，L_F分别为质心到前、后轴液压缸支点的距离；T＝T_L+T_R，T为液压缸左右支点的距离；L＝L_F+L_R，L为液压缸前后支点的距离。

在一些示例性实施例中，在测量质心高度时，使车辆分别处于最大俯仰角和最大侧倾角时来测量，共计四种车身姿态，分别为+α_max，-α_max，+β_max，-β_max，得到的质心高度分别为Z₁，Z₂，Z₃，Z₄；质心高度的计算公式如下：

(F_LF+F_RF)L＝M_sg(L_F-Z₁ sinα_max)

(F_LR+F_RR)L＝M_sg(L_R-Z₂ sinα_max)

(F_LF+F_LR)T＝M_sg(T_R-Z₃ sinβ_max)

(F_RF+F_RR)T＝M_sg(T_L-Z₄ sinβ_max)

在得到质心高度Z₁，Z₂，Z₃，Z₄之后，根据均值确定准确的质心高度。

在一些示例性实施例中，俯仰转动惯量、侧倾转动惯量、横摆转动惯量的测量分别通过俯仰运动方程式、侧倾运动方程式、横摆运动方程式计算；其中，

车辆的俯仰运动方程式为：

车辆的侧倾运动方程式为：

车辆的横摆运动方程式为：

其中，I_y，I_x，I_z分别为车辆的俯仰转动惯量、侧倾转动惯量和横摆转动惯量；分别为车辆的俯仰角加速度、侧倾角加速度、横摆角加速度；F_LF，F_RF，F_LR，F_RR分别为左前、右前、左后、右后悬架液压缸的支撑力；T_L，T_R分别为质心到左侧、右侧悬架液压缸支点的距离；L_R，L_F分别为质心到前、后轴液压缸支点的距离；R_LF，R_RF，R_LR，R_RR分别为左前、右前、左后、右后车轮制动力；B_L，B_R分别为质心到左右侧车轮轮心接地点连线的距离。

在一些示例性实施例中，所述安全阈值范围的计算，包括：计算行驶工况预警指数；基于行驶工况预警指数，计算安全阈值范围；行驶工况预警指数的计算公式为：

J＝ω₁V+ω₂a_y+ω₃δ+ω₄ΔI_x+ω₅ΔI_y+ω₆ΔI_z+ω₇ΔX+ω₈ΔY+ω₉ΔZ

其中，J为行驶工况预警指数；V为车速，a_y为侧向加速度，δ为方向盘转角，ΔI_x，ΔI_y，ΔI_z均为转动惯量超出设计值的偏差，ΔX，ΔY，ΔZ均为质心位置超过设计值的偏差；ω₁，ω₂，…ω₉为参数按权重累加得到的加权系数。

第二方面，本申请实施例提供了一种簧载质量关键参数动态测试与车辆安全行驶预警系统，采用上述实施例所述的簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法进行测试和预警，包括：液压缸、陀螺仪、方向盘角度传感器、制动管路压力传感器以及数据采集与计算控制器；液压缸用于支撑车辆，并分别控制各个悬架的压缩与回弹，实现车辆的升沉、俯仰、侧倾与扭转控制；方向盘角度传感器是用于测量车辆行驶时方向盘角度，从而识别驾驶员的驾驶意图，并根据所述方向盘角度计算车辆转向半径、行驶轨迹以及车身及车轮侧偏角；陀螺仪用于测量车辆运动时的纵向加速度、侧向加速度、垂向加速度、俯仰角速度、侧倾角速度以及横摆角速度；制动管路压力传感器是测量车辆制动时液压管路的压力，将压力信号转换为电压或者电流信号，并将电压或者电流信号发送至数据采集与计算控制器，用来计算制动力矩；数据采集与计算控制器用于实时采集车辆悬架各个液压缸的两腔压力，根据压差计算对车身的支撑力，同时采集液压缸位移作为控制输入，并读取陀螺仪、制动管路压力传感器、方向盘角度传感器测得的参数数据，实现车辆各个悬架的液压缸自动升降控制，满足在线测试质心位置与转动惯量的要求，并根据行车速度、侧向加速度、方向盘转角、以及质心位置和转动惯量超出设计中的偏差数据，加权平均，给出行驶工况预警。

在一些示例性实施例中，上述簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警系统，还包括：液压动力单元、伺服阀、第一压力传感器、第二压力传感器、位移传感器、蓄能器；液压动力单元用于给液压系统提供压力油；伺服阀用于驱动液压缸升降；第一压力传感器和第二压力传感器为测量油缸两腔工作压力的变送器，将压力信号转换为电流信号，并将电流信号输入至数据采集与计算控制器中；位移传感器为测量液压缸伸缩行程的传感器，所述位移传感器通过固定部件安装在液压缸外壳上，并通过随动部件与液压杆连接在一起；当液压杆伸缩时，位移传感器实时测量到位移的变化，并将对应的电压或者电流信号发动给数据采集与计算控制器；蓄能器为液压系统能量存储部件，通过存储液压能，在车辆连续动作时，能够快速供给大量的液压油，从而降低对液压泵的排量和总功率的要求。

本申请实施例提供的技术方案至少具有以下优点：

本申请实施例提供一种簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法及系统，用于主动悬架车辆，该方法包括以下步骤：首先，根据车辆在行驶状态下液压缸的支撑力、行驶坡道角以及液压缸支点在车体坐标系下的位置，计算簧载质量在车体坐标系下的质心位置；质心位置包括质心在车体坐标系下的横向位置、纵向位置和垂向位置；然后，在车辆水平状态下，进行车辆俯仰与侧倾运动，根据液压缸的支撑力和陀螺仪角速度，分别计算俯仰转动惯量和侧倾转动惯量；接下来，在车辆匀速转弯行驶过程中，对车辆进行制动，根据车身横摆角速度与制动力，计算横摆转动惯量；最后，基于质心位置、俯仰转动惯量、侧倾转动惯量、横摆转动惯量与车辆行驶的工况，计算安全阈值范围，并基于安全阈值范围对驾驶员进行预警。

本申请提供的簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法及系统通过控制车辆俯仰与侧倾，可根据测控系统获得的支撑力、位移、俯仰与侧倾角、角速度、侧向加速度等，依据车辆动力学原理计算出质心位置和转动惯量。本申请提供的动态测试方法不仅适用于安装主动液压悬架的两轴车，也可用于安装有主动悬架的多轴车辆，将多轴车最前轴和最后轴作为两轴车计算，中间轴根据侧倾与俯仰角，按比例折算实际位移，保证车体个油缸支点都在同一平面内。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为本申请一实施例提供的一种簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法的流程示意图。

图2为本申请一实施例提供的簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法系统的示意图。

图3为本申请一实施例提供的两轴车辆坐标系与参数定义的示意图。

图4为本申请一实施例提供的多轴车辆坐标系与参数定义的示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，传统方法存在着无法考虑到车辆实际使用过程中的各种变化因素、测量结果的准确性还受到车辆运动状态的影响的技术问题。

车辆质心的动态在线测量与大偏差预警是保证车辆行驶安全的重要内容之一。车辆质心位置的变化影响车辆底盘安全控制效果的另一个方面是引起转动惯量的变化。在车辆动态行驶(如转弯车身稳定性控制(ESC)、制动防抱死系统(ABS)、主动悬架控制(ASS)系统等)控制中，转动惯量对控制效果起到至关重要的作用，ESC、ABS、ASS控制器均使用出厂默认、且固定不变的质心位置和转动惯量。

传统方法无法考虑到车辆实际使用过程中的各种变化因素，尤其是车辆载人与装载货物较多时，超出车辆转动惯量的安全范围。载荷变化引起的质心高度的降低、转动惯量的增大等，此外，还受到车辆运动状态的影响，比如车辆转向行驶时的侧倾，导致质心位置发生的偏移等。ABS、ESC、ASS等底盘安全控制系统的控制效果大大降低，甚至失效。这些变化因素，导致使用质心固定坐标和常数转动惯量的底盘控制系统，控制时效果大大降低，出现控制不足或者控制过度等危险工况，此外，对于驾驶员来说，车辆质心和惯量的变化，使车辆稳定性系数降低，常规的安全驾驶经验，如空载或半载的安全转弯车速，在满载时，也会导致车辆出现失去控制的情况，因此，对质心位置与惯量变化的监测和对驾驶员预警提示是提高车辆安全控制的重要内容。

现有底盘控制系采用车辆设计时的质心位置和固定的惯量进行控制，所进行的控制效果评估均是在理想条件和标准测试工况下进行，无法全面测量实时变化的质心位置和惯量值。

为了解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法及系统，用于主动悬架车辆，该方法包括以下步骤：首先，根据车辆在行驶状态下液压缸的支撑力、行驶坡道角以及液压缸支点在车体坐标系下的位置，计算簧载质量在车体坐标系下的质心位置；质心位置包括质心在车体坐标系下的横向位置、纵向位置和垂向位置；然后，在车辆水平状态下，进行车辆俯仰与侧倾运动，根据液压缸的支撑力和陀螺仪角速度，分别计算俯仰转动惯量和侧倾转动惯量；接下来，在车辆匀速转弯行驶过程中，对车辆进行制动，根据车身横摆角速度与制动力，计算横摆转动惯量；最后，基于质心位置、俯仰转动惯量、侧倾转动惯量、横摆转动惯量与车辆行驶的工况，计算安全阈值范围，并基于安全阈值范围对驾驶员进行预警。本申请通过对车辆在实际行驶过程中质心与转动惯量与设计参数偏差的动态在线测量，并根据车辆行驶的工况、评估安全阈值，当超出阈值后，给出报警，提醒驾驶员安全操作车辆。

车辆底盘控制技术的发展，越来越多的车辆安装有主动悬架，根据主动悬架的类型可以分为空气弹簧主动悬架、液压主动悬架、机电主动悬架等。空气悬架可以实现质心位置的在线测量，由于气体的可压缩性，对车辆悬架的控制速率很慢，无法实现快速测量。液压悬架由于液压油的不可压缩性，可以实现车辆悬架的快速运动，不仅可以实现质心位置在线测量，还可实现惯量的在线测量。整车质量根据所处的位置不同，包括簧载质量(悬架支撑的重量，也可称作簧上质量)，非簧载质量(悬架与车轮部分，也称簧下质量)。由于车辆底盘运动控制时，由于轮胎与地面接触，簧下质量的位置与重量不发生变化，对整车质心位置与转动惯量的变化不产生影响，而产生影响的是簧载质量相对于地面的质量与分布的变化。因此，簧载质量的质心位置与转动惯量测量是整车质心位置与转动惯量变化的决定性因素。本申请提出的动态测量方法是基于簧载质量的质心位置与转动惯量测量，并通过附加非簧载重量与分布，可以推算整车质心与转动惯量的计算。

下面将结合附图对本申请的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本申请各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

参看图1，本申请实施例提供了一种簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法及系统，用于主动悬架车辆，包括以下步骤：

步骤S1、根据车辆在行驶状态下液压缸的支撑力、行驶坡道角以及液压缸支点在车体坐标系下的位置，计算簧载质量在车体坐标系下的质心位置；质心位置包括质心在车体坐标系下的横向位置、纵向位置和垂向位置。

步骤S2、在车辆水平状态下，进行车辆俯仰与侧倾运动，根据液压缸的支撑力和陀螺仪角速度，分别计算俯仰转动惯量和侧倾转动惯量。

步骤S3、在车辆匀速转弯行驶过程中，对车辆进行制动，根据车身横摆角速度与制动力，计算横摆转动惯量。

步骤S4、基于质心位置、俯仰转动惯量、侧倾转动惯量、横摆转动惯量与车辆行驶的工况，计算安全阈值范围，并基于安全阈值范围对驾驶员进行预警。

本申请实施例提供的簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法及系统，用于主动悬架车辆，对于车辆载荷变化较大时引起的质心位置和转动惯量的变化，在配置全主动悬架的车辆(液压、气压，电动等)的车辆可以实现。由于可独立控制车辆俯仰与侧倾，可根据测控系统获得的支撑力、位移、俯仰与侧倾角、角速度、侧向加速度等，依据车辆动力学原理计算出质心位置和转动惯量。

在一些实施例中，步骤S1根据车辆在行驶状态下液压缸的支撑力、行驶坡道角以及液压缸支点在车体坐标系下的位置，计算簧载质量在车体坐标系下的质心位置，包括：

步骤S101、若车辆在平直道路上匀速行驶或小加速度行驶时，控制主动液压悬架保持车辆水平，根据每个液压缸的支撑力与液压缸支点在车体坐标系的位置，分别计算簧载质量质心在车体坐标系下的横向位置与纵向位置。

步骤S102、若车辆产生较大的纵向与侧向加速度或车辆在坡度较大的道路上匀速行驶时，质心的偏移对液压缸产生载荷转移，根据每个液压缸的支撑力与行驶坡道角和液压缸在车体坐标系的位置，计算簧载质量质心的垂向位置。

在一些实施例中，步骤S2在车辆水平状态下，进行车辆俯仰与侧倾运动，根据液压缸的支撑力和陀螺仪角速度，分别计算俯仰转动惯量和侧倾转动惯量，包括：

步骤S201、在车辆水平状态下，控制主动液压悬架产生不同角加速度的俯仰运动，根据多种角加速度情况下测量得到的不同俯仰转动惯量，得到准确的俯仰转动惯量；不同俯仰转动惯量包括液压缸的支撑力、位移、俯仰与侧倾角、角速度以及侧向加速度。

步骤S202、在车辆水平状态下，控制主动液压悬架产生不同角加速度的侧倾运动，根据多种角加速度情况下测量得到的不同侧倾转动惯量，得到准确的侧倾转动惯量；不同侧倾转动惯量包括液压缸的支撑力、位移、俯仰与侧倾角、角速度以及侧向加速度。

在一些实施例中，步骤S3在车辆匀速转弯行驶过程中，对车辆进行制动，根据车身横摆角速度与制动力，计算横摆转动惯量，包括：在车辆转向时，保持车身水平，同时对车辆进行制动，根据车身横摆角加速度的变化与制动力，计算车辆的横摆转动惯量，并进行多次计算，获取准确的横摆转动惯量。

参看图2，本申请实施例还提供了一种簧载质量关键参数动态测试与车辆安全行驶预警系统，采用上述实施例所述的簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法进行测试和预警，该系统包括：液压缸304、陀螺仪8、方向盘角度传感器9、制动管路压力传感器305以及数据采集与计算控制器7。

液压缸304用于支撑车辆，并分别控制各个悬架的压缩与回弹，实现车辆的升沉、俯仰、侧倾与扭转控制。

方向盘角度传感器9是用于测量车辆行驶时方向盘角度，从而识别驾驶员的驾驶意图，并根据所述方向盘角度计算车辆转向半径、行驶轨迹以及车身及车轮侧偏角。

陀螺仪8用于测量车辆运动时的纵向加速度、侧向加速度、垂向加速度、俯仰角速度、侧倾角速度以及横摆角速度。陀螺仪8是车辆底盘控制的关键传感器。

制动管路压力传感器305是测量车辆制动时液压管路的压力，将压力信号转换为电压或者电流信号，并将电压或者电流信号发送至数据采集与计算控制器7，用来计算制动力矩。

数据采集与计算控制器7用于实时采集车辆悬架各个液压缸的两腔压力，根据压差计算对车身的支撑力，同时采集液压缸位移作为控制输入，并读取陀螺仪8、制动管路压力传感器305、方向盘角度传感器9测得的参数数据，实现车辆各个悬架的液压缸自动升降控制，满足在线测试质心位置与转动惯量的要求，并根据行车速度、侧向加速度、方向盘转角、以及质心位置和转动惯量超出设计中的偏差数据，加权平均，给出行驶工况预警。

在一些实施例中，上述簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警系统还包括：液压动力单元6、伺服阀4、第一压力传感器302、第二压力传感器303、位移传感器301、蓄能器5。

液压动力单元6用于给液压系统提供压力油；液压动力单元6根据动力产生来源可分为，发动机取力、电动机驱动、外部动力源供给等方式。其中，发动机取力是最简化的动力方式。电动机驱动需要系统配有高压电池及专用的电机控制器，是混合动力和电动车辆的动力产生方式。外部动力源供给动力的方式，适合特定场合(如车辆脱困与重度越野、紧急救援等)下需要主动悬架工作体系，可以分为外部小型发电机、小型内燃机直接驱动液压泵方式。

伺服阀4用于驱动液压缸304升降，由控制系统输出的电流或者电压信号驱动伺服阀先导级，从而控制流入液压缸的液压油的压力和流量。

第一压力传感器302和第二压力传感器303为测量油缸两腔工作压力的变送器，将压力信号转换为电流信号，并将电流信号输入至数据采集与计算控制器7中。

位移传感器301为测量液压缸304伸缩行程的传感器，所述位移传感器301通过固定部件安装在液压缸304外壳上，并通过随动部件与液压杆连接在一起；当液压杆伸缩时，位移传感器301实时测量到位移的变化，并将对应的电压或者电流信号发动给数据采集与计算控制器7。

蓄能器5为液压系统能量存储部件，是液压系统缓存冲击、积蓄液压能的关键部件。蓄能器5通过存储液压能，在车辆连续动作时，能够快速供给大量的液压油，从而降低对液压泵的排量和总功率的要求。

车辆坐标系如附图3所示。车轮1位于悬架之下，与地面相接处，与车体通过连杆和液压缸304相连，约束车轮上下运动(也称簧下质量，车身2位于悬架之上，称作簧载质量。液压缸304位于悬架连杆与车身之间，通过主动悬架液压系统，可控制油缸伸缩，并测量伸缩位移。通过坐标原点O为地面上，X方向为车辆前后轴中点，Y左右轮距中点。车辆轴距为L，车辆轮距为T。X为车辆行驶方向，向前为正，Y为车辆行驶方向，向左为正，Z为垂直车辆，向上为正。

车辆俯仰角α为绕Y轴，根据右手定则，车辆前部低俯、后部抬升为正方向。车辆侧倾角β为绕X轴，根据右手定则，车辆右侧降低、左侧抬升为正方向。车辆横摆角γ为绕Z轴，车辆向左转向为正方向。车辆质心G的位置为(x,y,z)。

车辆质心水平位置(x，y)的测量是根据车辆各个悬架承载的重量分布确定的，以四轮车辆为例，当车辆匀速行驶时，车辆纵向和侧向加速度都很小，不发生载荷转移，则质心的平面坐标x，y值由每个悬架支撑力及轮距T和轴距L来确定。

当车辆紧急制动或者急加速时，发生载荷转移，在已知一定的加速度情况下，可计算出质心的垂向位置z对前后悬架作用力矩，因此可以通过测量悬架支撑力和已知的轮距T和轴距L，即可测量出质心垂向位置z。

在一些实施例中，质心位置的计算包括质心水平位置的计算和质心高度的计算，其中，质心水平位置的计算公式如下所示：

E_LF+F_RF+F_LR+F_RR＝M_sg

(F_LF+F_RF)L＝M_sg L_R

(F_LR+F_RR)L＝M_sg L_F

(F_LF+F_LR)T＝M_sg T_R

(F_RF+F_RR)T＝M_sg T_L

其中，F_LF，F_RF，F_LR，F_RR分别为左前、右前、左后、右后悬架液压缸的支撑力；M_sg为车辆的重力，M_s为车辆的质量；T_L，T_R分别为质心到左侧、右侧悬架液压缸支点的距离；L_R，L_F分别为质心到前、后轴液压缸支点的距离；T＝T_L+T_R，T为液压缸左右支点的距离；L＝L_F+L_R，L为液压缸前后支点的距离。

在一些实施例中，在测量质心高度时，使车辆分别处于最大俯仰角和最大侧倾角时来测量，共计四种车身姿态，分别为+α_max，-α_max，+β_max，-β_max，得到的质心高度分别为Z₁，Z₂，Z₃，Z₄；质心高度的计算公式如下：

(F_LF+F_RF)L＝M_sg(L_F-Z₁ sin α_max)

(F_LR+F_RR)L＝M_sg(L_R-Z₂ sinα_max)

(F_LF+F_LR)T＝M_sg(T_R-Z₃ sinβ_max)

(F_RF+F_RR)T＝M_sg(T_L-Z₄ sinβ_max)

在得到质心高度Z₁，Z₂，Z₃，Z₄之后，根据均值确定准确的质心高度。

车辆惯量的计算过程，需要车辆水平，按一定的频率进行车辆俯仰与侧倾运动，根据各个液压缸的支撑力和陀螺仪角速度，根据车辆动力学原理即可求出惯量。测量车辆横摆运动时，需要车辆匀速转弯行驶，行驶过程中，对车辆进行制动，测量横摆角速度与制动力，同时根据动力学公式可以求出横摆转动惯量。

在一些实施例中，俯仰转动惯量、侧倾转动惯量、横摆转动惯量车辆分别通过俯仰运动方程式、侧倾运动方程式、横摆运动方程式计算；其中，

车辆的俯仰运动方程式为：

车辆的侧倾运动方程式为：

车辆的横摆运动方程式为：

其中，I_y，I_x，I_z分别为车辆的俯仰转动惯量、侧倾转动惯量和横摆转动惯量；分别为车辆的俯仰角加速度、侧倾角加速度、横摆角加速度；F_LF，F_RF，F_LR，F_RR分别为左前、右前、左后、右后悬架液压缸的支撑力；T_L，T_R分别为质心到左侧、右侧悬架液压缸支点的距离；L_R，L_F分别为质心到前、后轴液压缸支点的距离；R_LF，R_RF，R_LR，R_RR分别为左前、右前、左后、右后车轮制动力；B_L，B_R分别为质心到左右侧车轮轮心接地点连线的距离。

本申请通过液压缸控制车身俯仰与侧倾运动时，可以同改变液压缸运动方向与频率，车辆运动时实现不同的俯仰与侧倾角加速度。根据运动学公式，得到每个角加速度对应的转动惯量，将这些动态测试的结果进行平均，得到更加准确的转动惯量。

设俯仰和侧倾角加速度分别为(n、m为大于2小于10的自然数)，测得的俯仰和侧倾转动惯量分别对应为，I_y1，I_y2，…，I_yn，I_x1，I_x2，…，I_xm，(n、m为大于2小于10的自然数)，则平均俯仰转动惯量为：

将作为车辆转动惯量的校准值，提供给底盘控制系统(如ABS，ESC，ASS等)，提高控制效果。

本申请提出的动态测量方法，不仅适用于安装主动液压悬架的两轴车，也可用于安装有主动悬架的多轴车辆，对于多轴车辆，需要根据第一轴和最后一轴作为两轴车计算侧倾与俯仰角，控制中间轴的液压缸产生的位移处于前后轴液压缸的位移中间，即中间轴根据侧倾与俯仰角，按比例折算实际位移，且保障所有液压缸支点都在同一平面，使车辆每个油缸的支撑力分布均匀。则可借鉴两轴车计算质心位置与转动惯量的计算公式，以此求得多轴车辆的质心与惯量参数，结果如附图4所示。

在一些实施例中，所述安全阈值范围的计算，包括：计算行驶工况预警指数；基于行驶工况预警指数，计算安全阈值范围；行驶工况预警指数的计算公式为：

J＝ω₁V+ω₂a_y+ω₃δ+ω₄ΔI_x+ω₅ΔI_y+ω₆ΔI_z+ω₇ΔX+ω₈ΔY+ω₉ΔZ

其中，J为行驶工况预警指数；V为车速，a_y为侧向加速度，δ为方向盘转角，ΔI_x，ΔI_y，ΔI_z均为转动惯量超出设计值的偏差，ΔX，ΔY，ΔZ均为质心位置超过设计值的偏差；ω₁，ω₂，…ω₉为参数按权重累加得到的加权系数。

本申请通过将车速V、侧向加速度a_y、方向盘转角δ、转动惯量超出设计值的偏差ΔI_x，ΔI_y，ΔI_z、质心位置超过设计值的偏差ΔX，ΔY，ΔZ这几个参数按权重累加，加权系数分别是ω₁，ω₂，…ω₉，得到行驶工况预警指数J。

根据每个量对车辆安全因素影响程度进行权值分配，如a_y，ΔZ对安全性影响很大，ω₂，ω₉可分配较大的值。根据实际测试的数据进行计算，得到安全阈值范围[J_min J_max]，提醒驾驶员安全操作车辆。

如果车辆质心位置、转动惯量与设计时偏差很小，则安全行驶系数只与车速V，侧向加速度a_y，方向盘转角δ有关，可以进行一般行驶工况下的安全评估。

由以上技术方案，本申请实施例提供一种簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法及系统，用于主动悬架车辆，该方法包括以下步骤：首先，根据车辆在行驶状态下液压缸的支撑力、行驶坡道角以及液压缸支点在车体坐标系下的位置，计算簧载质量在车体坐标系下的质心位置；质心位置包括质心在车体坐标系下的横向位置、纵向位置和垂向位置；然后，在车辆水平状态下，进行车辆俯仰与侧倾运动，根据液压缸的支撑力和陀螺仪角速度，分别计算俯仰转动惯量和侧倾转动惯量；接下来，在车辆匀速转弯行驶过程中，对车辆进行制动，根据车身横摆角速度与制动力，计算横摆转动惯量；最后，基于质心位置、俯仰转动惯量、侧倾转动惯量、横摆转动惯量与车辆行驶的工况，计算安全阈值范围，并基于安全阈值范围对驾驶员进行预警。

本申请提供的簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法及系统通过控制车辆俯仰与侧倾，可根据测控系统获得的支撑力、位移、俯仰与侧倾角、角速度、侧向加速度等，依据车辆动力学原理计算出质心位置和转动惯量。本申请提供的动态测试方法不仅适用于安装主动液压悬架的两轴车，也可用于安装有主动悬架的多轴车辆，将多轴车最前轴和最后轴作为两轴车计算，中间轴根据侧倾与俯仰角，按比例折算实际位移，保证车体个油缸支点都在同一平面内。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本申请的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。任何本领域技术人员，在不脱离本申请的精神和范围内，均可作各自更动与修改，因此本申请的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法，用于主动悬架车辆，其特征在于，包括以下步骤：

根据车辆在行驶状态下液压缸的支撑力、行驶坡道角以及液压缸支点在车体坐标系下的位置，计算簧载质量在车体坐标系下的质心位置；所述质心位置包括质心在车体坐标系下的横向位置、纵向位置和垂向位置；

在车辆水平状态下，进行车辆俯仰与侧倾运动，根据液压缸的支撑力和陀螺仪角速度，分别计算俯仰转动惯量和侧倾转动惯量；

在车辆匀速转弯行驶过程中，对车辆进行制动，根据车身横摆角速度与制动力，计算横摆转动惯量；

基于所述质心位置、所述俯仰转动惯量、所述侧倾转动惯量、所述横摆转动惯量与车辆行驶的工况，计算安全阈值范围，并基于安全阈值范围对驾驶员进行预警。

2.根据权利要求1所述的簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法，其特征在于，根据车辆在行驶状态下液压缸的支撑力、行驶坡道角以及液压缸支点在车体坐标系下的位置，计算簧载质量在车体坐标系下的质心位置，包括：

若车辆在平直道路上匀速行驶或小加速度行驶时，控制主动液压悬架保持车辆水平，根据每个液压缸的支撑力与液压缸支点在车体坐标系的位置，分别计算簧载质量质心在车体坐标系下的横向位置与纵向位置；

若车辆产生较大的纵向与侧向加速度或车辆在坡度较大的道路上匀速行驶时，质心的偏移对液压缸产生载荷转移，根据每个液压缸的支撑力与行驶坡道角和液压缸在车体坐标系的位置，计算簧载质量质心的垂向位置。

3.根据权利要求1所述的簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法，其特征在于，在车辆水平状态下，进行车辆俯仰与侧倾运动，根据液压缸的支撑力和陀螺仪角速度，分别计算俯仰转动惯量和侧倾转动惯量，包括：

在车辆水平状态下，控制主动液压悬架产生不同角加速度的俯仰运动，根据多种角加速度情况下测量得到的不同俯仰转动惯量，得到准确的俯仰转动惯量；所述不同俯仰转动惯量包括液压缸的支撑力、位移、俯仰与侧倾角、角速度以及侧向加速度；

在车辆水平状态下，控制主动液压悬架产生不同角加速度的侧倾运动，根据多种角加速度情况下测量得到的不同侧倾转动惯量，得到准确的侧倾转动惯量；所述不同侧倾转动惯量包括液压缸的支撑力、位移、俯仰与侧倾角、角速度以及侧向加速度。

4.根据权利要求1所述的簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法，其特征在于，在车辆匀速转弯行驶过程中，对车辆进行制动，根据车身横摆角速度与制动力，计算横摆转动惯量，包括：

在车辆转向时，保持车身水平，同时对车辆进行制动，根据车身横摆角加速度的变化与制动力，计算车辆的横摆转动惯量，并进行多次计算，获取准确的横摆转动惯量。

5.根据权利要求1所述的簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法，其特征在于，所述质心位置的计算包括质心水平位置的计算和质心高度的计算，其中，

所述质心水平位置的计算公式如下所示：

F_LF+F_RF+F_LR+F_RR＝M_sg

(F_LF+F_RF)L＝M_sg L_R

(F_LR+F_RR)L＝M_sg L_F

(F_LF+F_LR)T＝M_sg T_R

(F_RF+F_RR)T＝M_sg T_L

其中，F_LF，F_RF，F_LR，F_RR分别为左前、右前、左后、右后悬架液压缸的支撑力；M_sg为车辆的重力，M_s为车辆的质量；T_L，T_R分别为质心到左侧、右侧悬架液压缸支点的距离；L_R，L_F分别为质心到前、后轴液压缸支点的距离；T＝T_L+T_R，T为液压缸左右支点的距离；L＝L_F+L_R，L为液压缸前后支点的距离。

6.根据权利要求5所述的簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法，其特征在于，在测量质心高度时，使车辆分别处于最大俯仰角和最大侧倾角时来测量，共计四种车身姿态，分别为+α_max，-α_max，+β_max，-β_max，得到的质心高度分别为Z₁，Z₂，Z₃，Z₄；

所述质心高度的计算公式如下：

(F_LF+F_RF)L＝M_sg(L_F-Z₁ sinα_max)

(F_LR+F_RR)L＝M_sg(L_R-Z₂ sinα_max)

(F_LF+F_LR)T＝M_sg(T_R-Z₃ sinβ_max)

(F_RF+F_RR)T＝M_sg(T_L-Z₄ sinβ_max)

在得到质心高度Z₁，Z₂，Z₃，Z₄之后，根据均值确定准确的质心高度。

7.根据权利要求1所述的簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法，其特征在于，所述俯仰转动惯量、所述侧倾转动惯量、所述横摆转动惯量的测量分别通过俯仰运动方程式、侧倾运动方程式、横摆运动方程式计算；其中，

车辆的俯仰运动方程式为：

车辆的侧倾运动方程式为：

车辆的横摆运动方程式为：

其中，I_y，I_x，I_z分别为车辆的俯仰转动惯量、侧倾转动惯量和横摆转动惯量；分别为车辆的俯仰角加速度、侧倾角加速度、横摆角加速度；F_LF，F_RF，F_LR，F_RR分别为左前、右前、左后、右后悬架液压缸的支撑力；T_L，T_R分别为质心到左侧、右侧悬架液压缸支点的距离；L_R，L_F分别为质心到前、后轴液压缸支点的距离；R_LF，R_RF，R_LR，R_RR分别为左前、右前、左后、右后车轮制动力；B_L，B_R分别为质心到左右侧车轮轮心接地点连线的距离。

8.根据权利要求1所述的簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法，其特征在于，所述安全阈值范围的计算，包括：

计算行驶工况预警指数；

基于所述行驶工况预警指数，计算安全阈值范围；

所述行驶工况预警指数的计算公式为：

J＝ω₁V+ω₂a_y+ω₃δ+ω₄ΔI_x+ω₅ΔI_y+ω₆ΔI_z+ω₇ΔX+ω₈ΔY+ω₉ΔZ

其中，J为行驶工况预警指数；V为车速，a_y为侧向加速度，δ为方向盘转角，ΔI_x，ΔI_y，ΔI_z均为转动惯量超出设计值的偏差，ΔX，ΔY,ΔZ均为质心位置超过设计值的偏差；ω₁，ω₂，…ω₉为参数按权重累加得到的加权系数。

9.一种簧载质量关键参数动态测试与车辆安全行驶预警系统，采用如权利要求1至8任一项的簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警方法进行测试和预警，其特征在于，包括：液压缸(304)、陀螺仪(8)、方向盘角度传感器(9)、制动管路压力传感器(305)以及数据采集与计算控制器(7)；

所述液压缸(304)用于支撑车辆，并分别控制各个悬架的压缩与回弹，实现车辆的升沉、俯仰、侧倾与扭转控制；

所述方向盘角度传感器(9)是用于测量车辆行驶时方向盘角度，从而识别驾驶员的驾驶意图，并根据所述方向盘角度计算车辆转向半径、行驶轨迹以及车身及车轮侧偏角；所述陀螺仪(8)用于测量车辆运动时的纵向加速度、侧向加速度、垂向加速度、俯仰角速度、侧倾角速度以及横摆角速度；

所述制动管路压力传感器(305)是测量车辆制动时液压管路的压力，将压力信号转换为电压或者电流信号，并将电压或者电流信号发送至数据采集与计算控制器(7)，用来计算制动力矩；

所述数据采集与计算控制器(7)用于实时采集车辆悬架各个液压缸的两腔压力，根据压差计算对车身的支撑力，同时采集液压缸位移作为控制输入，并读取陀螺仪(8)、制动管路压力传感器(305)、方向盘角度传感器(9)测得的参数数据，实现车辆各个悬架的液压缸自动升降控制，满足在线测试质心位置与转动惯量的要求，并根据行车速度、侧向加速度、方向盘转角、以及质心位置和转动惯量超出设计中的偏差数据，加权平均，给出行驶工况预警。

10.根据权利要求9所述的簧载质量参数动态测试与车辆安全行驶预警系统，其特征在于，还包括：液压动力单元(6)、伺服阀(4)、第一压力传感器(302)、第二压力传感器(303)、位移传感器(301)、蓄能器(5)；

所述液压动力单元(6)用于给液压系统提供压力油；

所述伺服阀(4)用于驱动液压缸(304)升降；

所述第一压力传感器(302)和所述第二压力传感器(303)为测量油缸两腔工作压力的变送器，将压力信号转换为电流信号，并将电流信号输入至数据采集与计算控制器(7)中；

所述位移传感器(301)为测量液压缸(304)伸缩行程的传感器，所述位移传感器(301)通过固定部件安装在液压缸(304)外壳上，并通过随动部件与液压杆连接在一起；当液压杆伸缩时，位移传感器(301)实时测量到位移的变化，并将对应的电压或者电流信号发动给数据采集与计算控制器(7)；

所述蓄能器(5)为液压系统能量存储部件，通过存储液压能，在车辆连续动作时，能够快速供给大量的液压油，从而降低对液压泵的排量和总功率的要求。