主动悬架车辆的侧倾-垂向耦合侧倾状态估计与协调控制

《Mathematics》：Roll–Vertical Coupled Roll State Estimation and Coordinated Control for Active Suspension Vehicles

　　

在主动悬架车辆中，由转向操控引起的侧倾运动与由路面不平度激发的垂向振动存在强烈耦合。忽略这种耦合可能会降低协同底盘控制(协同底盘控制)的性能，并损害侧倾稳定性和乘坐舒适性。为了改善在转向与路面激励组合条件下的侧倾稳定性与乘坐舒适性，本研究开发了一种侧倾-垂向耦合控制框架。首先，通过整合侧倾-横摆动力学(侧倾-横摆动力学)、簧载质量(簧载质量)垂向运动、侧倾与俯仰运动以及四个非簧载质量(非簧载质量)的垂向动力学，建立了一个九自由度侧倾-垂向耦合车辆模型。其次，设计了自适应平方根容积卡尔曼滤波(ASRCKF)来估计关键侧倾状态，包括侧倾角与侧倾角速度。平方根结构提高了数值稳定性，而Sage-Husa自适应估计器利用新息序列在线更新测量噪声协方差。第三，引入了基于载荷转移比率(LTR)的侧翻风险评估方法以及基于模型预测控制(MPC)的主动悬架控制器，以实现侧倾与垂向的协同控制。最后，利用MATLAB/Simulink-CarSim联合仿真平台对所提出的框架进行了验证。结果表明，所提出的方法有效改善了复杂行驶条件下的车辆侧倾稳定性和垂向乘坐性能。

车辆主动悬架系统被广泛应用于改善乘坐舒适性、道路保持、操纵稳定性和防侧翻性能。与被动悬架相比，主动悬架能够产生可控力来调节车身运动、悬架偏转、轮胎变形以及动态轮胎载荷变化。在直线行驶条件下，悬架控制通常主要旨在抑制由路面引起的垂向振动。然而，在转向操纵过程中，侧向加速度会产生显著的侧倾力矩，进而导致车身侧倾和侧向载荷转移。当路面不平度同时激发垂向振动时，悬架变形和动态轮胎载荷变化进一步加强了侧倾与垂向运动之间的耦合。现有的主动防侧翻控制研究大多侧重于防侧倾控制策略，未充分考虑转向引起的侧倾运动与路面引起的垂向振动之间的耦合。在复杂的行驶条件下，主动悬架控制不仅需要抑制车身侧倾，还要维持垂向乘坐舒适性和道路保持能力。因此，开发一种能够协调侧翻预防与垂向振动抑制的侧倾-垂向耦合控制框架显得尤为必要。此外，准确的侧倾状态信息对于侧翻风险评估和主动悬架控制至关重要，但在复杂行驶工况下，线性化或固定噪声的观测器往往面临精度与鲁棒性下降的问题。针对上述问题，研究人员开展了一项关于主动悬架车辆侧倾-垂向耦合状态估计与协调控制的研究，提出了一种基于自适应平方根容积卡尔曼滤波(ASRCKF)的侧倾状态估计方法，并将其集成到侧倾-垂向耦合主动悬架控制框架中。研究结果表明，该方法有效提升了复杂工况下的车辆侧倾稳定性与垂向性能。该研究具有重要的工程应用意义，论文发表在《Mathematics》期刊上。

为开展此项研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，建立了一个九自由度侧倾-垂向耦合车辆动力学模型，整合了七自由度整车垂向模型与两自由度侧倾-横摆动力学模型；其次，设计了结合平方根滤波与Sage-Husa自适应机制的ASRCKF估计算法，用于在线获取侧倾角与侧倾角速度；最后，提出了基于载荷转移比率(LTR)的侧翻风险评估与模型预测控制(MPC)相结合的协调控制策略，并利用MATLAB/Simulink与CarSim联合仿真平台进行了算法验证。其中，仿真车辆参数基于Santana 2000乘用车车型设定。

研究结果部分总结如下：

车辆动力学模型：研究人员建立了一个九自由度侧倾-垂向耦合车辆模型。该模型结合了七自由度整车垂向模型（包括簧载质量的垂向、俯仰和侧向运动及四个非簧载质量的垂向运动）与两自由度侧倾-横摆动力学模型。通过将转向操作产生的侧向加速度转化为附加侧倾力矩引入垂向模型，该模型有效描述了路面引起的垂向振动、悬架偏转、轮胎变形与转向引起的侧倾运动之间的耦合机制。路面激励模型根据ISO 8608标准，通过空间功率谱密度(PSD)及滤波白噪声方法生成四轮路面位移输入，并保留了前后轮的空间相关性。

基于ASRCKF的估计器设计：为提高侧倾状态估计的数值稳定性和鲁棒性，研究人员设计了ASRCKF估计算法。该算法利用平方根容积卡尔曼滤波(SRCKF)传递误差协方差矩阵的Cholesky因子，以维持矩阵的正定性；同时引入Sage-Husa自适应滤波机制，通过新息序列在线更新测量噪声协方差。仿真验证表明，在双车道变换与正弦转向工况下，相较于仅依赖侧倾动力学的传统估计器，该耦合估计器在B级和D级路面上均大幅降低了侧倾角与侧倾角速度的均方根误差(RMSE)，展现出更高的估计精度与抗干扰能力。

LTR-MPC协调主动悬架控制器设计：基于估计的侧倾状态，研究人员设计了基于载荷转移比率(LTR)与模型预测控制(MPC)的协调控制器。该控制器利用LTR作为侧翻风险指标，引入双阈值迟滞机制在正常控制模式与防侧倾模式之间切换。在控制导向线性预测模型的基础上，通过优化目标函数协调了乘坐舒适性、悬架工作空间、道路保持和侧倾稳定性等多重控制目标。此外，还设计了道路自适应权重调整策略，利用粒子群优化(PSO)离线优化获取不同路面与风险状态下的MPC权重参数。结果表明，在双车道变换工况下，相较于被动悬架，协调切换MPC使侧倾角和侧倾角速度的RMSE分别降低了45.9%和42.2%；在正弦转向工况下分别降低了43.80%和41.74%，且未牺牲后轴的悬架或道路保持性能。

讨论部分总结：研究人员表明，相较于被动悬架和传统的MPC方法，所提出的协调切换MPC策略能够在复杂行驶条件下有效抑制侧倾运动并提升侧倾安全性。尽管在D级路面下优先保障侧倾安全会导致车身垂向加速度RMSE轻微增加，但经ISO 2631-1频率加权处理后，其加权加速度值仍与被动悬架处于同一“不舒适”类别，表明这种在乘坐舒适性上的轻微妥协是合理且可接受的。

研究结论（翻译）：本文针对在转向与路面激励组合条件下的主动悬架车辆，提出了一种侧倾-垂向耦合状态估计与协调控制框架。建立了九自由度侧倾-垂向耦合车辆模型，并使用自适应平方根容积卡尔曼滤波估计关键侧倾状态。仿真结果表明，在双车道变换和正弦转向工况下，耦合估计器比仅依赖侧向动力学的估计器具有更高的侧倾角和侧倾角速度估计精度。基于估计的侧倾状态，进一步引入了基于LTR的协调切换MPC策略。结果表明，所提出的控制器有效抑制了侧倾运动并提高了侧倾安全性。与被动悬架相比，在双车道变换条件下侧倾角和侧倾角速度分别降低了45.9%和42.2%，在正弦转向条件下分别降低了43.80%和41.74%。总体而言，所提出的方法在复杂行驶条件下平衡了乘坐舒适性、操纵稳定性、道路保持和侧倾安全性。未来的工作将重点关注所提出框架的实时实现与实验验证。将引入包含执行器动力学、带宽限制及响应延迟的更真实的执行器模型，以评估其对控制性能的影响。还将进行硬件在环仿真和道路测试，以进一步评估估计器和控制器在传感器噪声、执行器延迟以及更多样化道路条件下的鲁棒性。此外，将进一步研究主动悬架、转向、制动与驱动系统之间的协同控制，以提升智能底盘控制的整体性能。