车载平台主动减振方法与流程

本发明涉及车载平台的主动减振方法，特别涉及一种具有五个自由度的车载平台的主动减振方法。

背景技术：

目前，现有技术中对车载平台减振方法的研究主要集中在被动减振的方向，比如采用液压减振系统来减振，这种方法噪声大、响应慢而且效果并不明显；主动振动减缓的研究开发比较少，并且都没有形成主动减振的产品，主要原因在于所述车载平台主动减振存在如下技术瓶颈：

1)当地重力加速度数值及方向是任何主动减振方法的重要参数，然而车载平台自动获取当地重力加速度数值及方向比较困难，目前常用的方法是默认设定为9.8m/s/s，这与实际值存在一定误差，影响车载平台主动减振效果。

2)车载平台各自由度的运动行程有限，当平台某个自由度停留在临界极限位置时，下一时刻由于该自由度没有额外的行程而导致振动减缓效果大大降低。

3)由于惯性传感器采集得到的加速度数据存在一定漂移等误差，直接采用加速度控制会导致所述车载平台位移迅速发散。目前国内外没有针对该问题的成熟应对方法。

4)车载平台会发生位移和姿态运动变化，目前常用的仅针对加速度补偿方法是不考虑所述平台姿态变化影响的，使得补偿效果大打折扣。

5)车载平台运动空间有限，任何超出运动空间的控制指令都将带来一定的安全性问题。确保车载平台运动在安全空间的同时保证补偿效果至关重要。

针对目前存在的上述技术问题，提供一种新的基于加速度控制的五自由度车载平台主动减振方法具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种车载平台主动减振方法，基于具有五自由度的连接结构实现基于加速度控制的主动减振。

本发明的车载平台主动减振方法，所述车载平台包括下平台、上平台、以及用于连接所述上平台和下平台的连接机构，所述下平台固定设置于车体底面上，所述连接机构被构造为用于使得所述上平台相对于所述下平台能够分别沿x轴、z轴和y轴方向移动、并且能够分别绕所述x轴和z轴转动，其中所述x轴和z轴为在所述下平台所在的平面上预设的直角坐标系中两条互相垂直的坐标轴，所述y轴为与所述下平台所在的平面垂直的坐标轴，所述车载平台还包括：固定设置于所述下平台上的传感器，所述传感器用于测量所述下平台沿所述x轴、z轴和y轴方向的加速度sensordata_x、sensordata_z、sensordata_y、以及绕所述x轴、z轴和y轴转动的角速度sensordata_ωx、sensordata_ωz、sensordata_ωy；设置于所述连接机构上的主动减振器，所述主动减振器被构造为能够控制所述上平台相对于所述下平台沿x轴、z轴和y轴方向分别以加速度acc1、acc2和acc3从所述上平台相对于所述下平台的当前速度v1,t、v2,t和v3,t变速至目标速度v1,t+1、v2,t+1和v3,t+1、并且沿x轴、z轴和y轴方向分别移动到目标位置p1,t+1、p2,t+1和p3,t+1，以及被构造为能够控制所述上平台相对于所述下平台绕所述x轴和z轴分别以角加速度acc_rx和acc_rz从所述上平台相对于所述下平台的当前角速度ω1,t和ω2,t变速至目标角速度ω1,t+1和ω2,t+1、并且绕所述x轴和z轴分别转动到目标角度θ1,t+1和θ2,t+1，所述方法包括：根据所述传感器的测量结果、所述当前速度v1,t、v2,t和v3,t、以及当前位置p1,t、p2,t和p3,t来计算所述加速度acc1、acc2和acc3，并且根据所述传感器的测量结果、所述当前角速度ω1,t和ω2,t、以及当前角度θ1,t和θ2,t来计算所述角加速度acc_rx和acc_rz；根据所述加速度acc1、acc2和acc3计算所述目标速度v1,t+1、v2,t+1和v3,t+1以及所述目标位置p1,t+1、p2,t+1和p3,t+1，并且根据所述角加速度acc_rx和acc_rz计算所述目标角速度ω1,t+1和ω2,t+1以及所述目标角度θ1,t+1和θ2,t+1；控制所述主动减振器以控制所述上平台相对于所述下平台沿x轴、z轴和y轴方向分别以所述加速度acc1、acc2和acc3从所述当前速度v1,t、v2,t和v3,t变速至所述目标速度v1,t+1、v2,t+1和v3,t+1、并且沿x轴、z轴和y轴方向分别移动到所述目标位置p1,t+1、p2,t+1和p3,t+1，以及控制所述上平台相对于所述下平台绕所述x轴和z轴分别以所述角加速度acc_rx和acc_rz从所述当前角速度ω1,t和ω2,t变速至所述目标角速度ω1,t+1和ω2,t+1、并且绕所述x轴和z轴分别转动到所述目标角度θ1,t+1和θ2,t+1。

进一步地，所述根据所述传感器的测量结果以及所述当前速度v1,t、v2,t和v3,t以及所述当前位置p1,t、p2,t和p3,t来计算所述加速度acc1、acc2和acc3包括：当所述当前速度vi,t和所述当前位置pi,t满足预定的安全空间条件时，其中，i＝1,2,3，acc_min为预定的最小加速度，acc_max为预定的最大加速度，acc_ti＝acc_convi+acc_compi，其中，acc_convi＝kp·(pi,t-p0)+kv·vi,t，其中，kp和kv均为预定的回复系数并且均为负值，p0为预定的初始位置，其中，acc_gravity为当地重力加速度；当所述当前速度vi,t和所述当前位置pi,t不满足所述预定的安全空间条件时，若pi,t>0，则acci＝-acc_out，若pi,t<0，则acci＝acc_out，其中，acc_out为预定的返回加速度。

进一步地，所述根据所述传感器的测量结果以及所述当前角速度ω1,t和ω2,t以及所述当前角度θ1,t和θ2,t来计算所述角加速度acc_rx和acc_rz包括根据如下公式计算所述角加速度acc_rx和acc_rz：其中，acc_comp_rx和acc_comp_rz分别为对所述上平台绕所述x轴和z轴方向转动的角加速度的补偿值，并且：其中，kwx、kvx、kwz和kvz均为预定的补偿系数并且均为负值，θt1和θt2分别为所述上平台绕所述x轴和z轴方向转动的参考角度，ωt1和ωt2分别为所述上平台绕所述x轴和z轴方向转动的参考角速度，并且根据如下公式计算：

其中，

具体地，所述预定的安全空间条件为：0≤vi,t≤vmax且或者-vmax≤vi,t<0且其中，vmax为预定的最大速度，pmax为预定的最大位移。

进一步地，所述当地重力加速度acc_gravity根据如下公式进行迭代更新：

acc_gravity＝coeff·sensordata_y+(1-coeff)·acc_gravity′，其中coeff为预定的衰减系数，acc_gravity′为更新前的重力加速度。

具体地，所述根据所述加速度acc1、acc2和acc3计算所述目标速度v1,t+1、v2,t+1和v3,t+1以及所述目标位置p1,t+1、p2,t+1和p3,t+1包括：分别将所述加速度acc1、acc2和acc3在计算周期内对时间进行一次积分得到所述目标速度v1,t+1、v2,t+1和v3,t+1，以及进行二次积分得到所述目标位置p1,t+1、p2,t+1和p3,t+1；所述根据所述角加速度acc_rx和acc_rz计算所述目标角速度ω1,t+1和ω2,t+1以及所述目标角度θ1,t+1和θ2,t+1包括：分别将所述角加速度acc_rx和acc_rz在所述计算周期内对时间进行一次积分得到所述目标角速度ω1,t+1和ω2,t+1、以及进行二次积分得到所述目标角度θ1,t+1和θ2,t+1。

本发明的车载平台主动减振方法，基于加速度的控制能够减缓道路工况引起的所述平台振动情况，还能够确保车载平台在任何时刻均拥有行程空间进行主动减振，并且能够抵消由加速度漂移误差引起的位移发散。

附图说明

图1为本发明的车载平台主动减振方法基于的车载平台的结构示意图；

图2为本发明的车载平台主动减振方法中安全空间的示意图；

图3a～图3e为应用本发明的车载平台主动减振方法和不采用减振的效果对比图，其分别为沿x轴的加速度、沿y轴的加速度、沿z轴的加速度、绕x轴转动的角速度、以及绕z轴转动的角速度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的车载平台主动减振方法作进一步的详细描述，但不作为对本发明的限定。

本发明的车载平台主动减振方法，其基于的车载平台的结构如图1所示。该车载平台包括下平台10、上平台20、以及用于连接上平台20和下平台10的连接机构30，其中，下平台10固定设置于车体底面上。连接机构30被构造为能够使得上平台20相对于下平台10能够分别沿x轴、z轴和y轴方向移动、并且能够分别绕x轴和z轴转动。其中，x轴和z轴为在下平台10所在的平面上预设的直角坐标系中两条互相垂直的坐标轴，y轴为与下平台10所在的平面垂直的坐标轴。

此外，车载平台还包括固定设置于下平台10上的传感器(图中未示出)和设置于连接机构30上的主动减振器(图中未示出)。

其中，传感器用于测量下平台10沿x轴、z轴和y轴方向的加速度sensordata_x、sensordata_z、sensordata_y、以及绕x轴、z轴和y轴转动的角速度sensordata_ωx、sensordata_ωz、sensordata_ωy。

主动减振器被构造为能够控制上平台20相对于下平台10沿x轴、z轴和y轴方向分别以加速度acc1、acc2和acc3从上平台20相对于下平台10的当前速度v1,t、v2,t和v3,t变速至目标速度v1,t+1、v2,t+1和v3,t+1、并且沿x轴、z轴和y轴方向分别移动到目标位置p1,t+1、p2,t+1和p3,t+1，以及被构造为能够控制上平台20相对于下平台10绕x轴和z轴分别以角加速度acc_rx和acc_rz从上平台20相对于下平台10的当前角速度ω1,t和ω2,t变速至目标角速度ω1,t+1和ω2,t+1、并且绕x轴和z轴分别转动到目标角度θ1,t+1和θ2,t+1。

本发明的车载平台主动减振方法包括：根据传感器测量的下平台10沿x轴、z轴和y轴方向的加速度sensordata_x、sensordata_z和sensordata_y、上平台20相对于下平台10沿x轴、z轴和y轴方向的当前速度v1,t、v2,t和v3,t、当前位置p1,t、p2,t和p3,t，来计算上平台20相对于下平台10沿x轴、z轴和y轴方向的加速度acc1、acc2和acc3，并且根据传感器测量的下平台10绕x轴、z轴和y轴转动的角速度sensordata_ωx、sensordata_ωz和sensordata_ωy、上平台20相对于下平台10绕x轴和z轴转动的当前角速度ω1,t和ω2,t、当前角度θ1,t和θ2,t，来计算上平台20相对于下平台10绕x轴和z轴转动的角加速度acc_rx和acc_rz；然后，根据加速度acc1、acc2和acc3计算目标速度v1,t+1、v2,t+1和v3,t+1以及目标位置p1,t+1、p2,t+1和p3,t+1，并且根据角加速度acc_rx和acc_rz计算目标角速度ω1,t+1和ω2,t+1以及目标角度θ1,t+1和θ2,t+1；最后，控制主动减振器以控制上平台20相对于下平台10沿x轴、z轴和y轴方向分别以加速度acc1、acc2和acc3从当前速度v1,t、v2,t和v3,t变速至目标速度v1,t+1、v2,t+1和v3,t+1、并且沿x轴、z轴和y轴方向分别移动到目标位置p1,t+1、p2,t+1和p3,t+1，并且控制上平台20相对于下平台10绕x轴和z轴分别以角加速度acc_rx和acc_rz从当前角速度ω1,t和ω2,t变速至目标角速度ω1,t+1和ω2,t+1、并且绕x轴和z轴分别转动到目标角度θ1,t+1和θ2,t+1。

具体地，根据加速度acc1、acc2和acc3计算目标速度v1,t+1、v2,t+1和v3,t+1以及目标位置p1,t+1、p2,t+1和p3,t+1包括：分别将加速度acc1、acc2和acc3在计算周期内对时间进行一次积分得到目标速度v1,t+1、v2,t+1和v3,t+1，将加速度acc1、acc2和acc3在计算周期内对时间进行二次积分得到目标位置p1,t+1、p2,t+1和p3,t+1。根据角加速度acc_rx和acc_rz计算目标角速度ω1,t+1和ω2,t+1以及目标角度θ1,t+1和θ2,t+1包括：分别将角加速度acc_rx和acc_rz在计算周期内对时间进行一次积分得到目标角速度ω1,t+1和ω2,t+1，将角加速度acc_rx和acc_rz在计算周期内对时间进行二次积分得到目标角度θ1,t+1和θ2,t+1。

其中，计算周期是指本次计算上平台20相对于下平台10的加速度到下次计算该加速度之间的时间间隔。为了便于实现，该时间间隔为固定值，即计算周期固定。根据上述本发明的车载平台主动减振方法，本方法在计算出加速度(或角加速度)、目标速度(或目标角速度)和目标位置(或目标角度)之后，控制主动减振器以该加速度(或角加速度)进行执行，最终达到该目标速度(或目标角速度)并且达到该目标位置(或目标角度)，从而进行主动减振。可见，该计算周期即主动减振的执行周期。

本发明中，在本次计算周期计算加速度acc1、acc2和acc3时使用的当前速度v1,t、v2,t和v3,t以及当前位置p1,t、p2,t和p3,t是指，主动减振器在当前的执行周期正在执行的主动减振过程的目标速度以及目标位置，即上一个计算周期计算出来的目标速度以及目标位置。本次计算周期计算的目标速度v1,t+1、v2,t+1和v3,t+1以及目标位置p1,t+1、p2,t+1和p3,t+1是指，主动减振器在下一个执行周期将要执行的主动减振过程的目标速度以及目标位置。

同理，在本次计算周期计算角加速度acc_rx和acc_rz时使用的当前角速度ω1,t和ω2,t以及当前角度θ1,t和θ2,t是指，主动减振器在当前的执行周期正在执行的主动减振过程的目标角速度以及目标角度，即上一个计算周期计算出来的目标角速度以及目标角度。本次计算周期计算的目标角速度ω1,t+1和ω2,t+1以及目标角度θ1,t+1和θ2,t+1是指，主动减振器在下一个执行周期将要执行的主动减振过程的目标角速度以及目标角度。

为了确保车载平台一直工作在安全空间内，对上平台在x轴、z轴和y轴方向的当前位置p1,t、p2,t和p3,t以及当前速度v1,t、v2,t和v3,t设定了正常的工作空间，即安全空间条件。安全空间的设定范围如图2所示，其横坐标和纵坐标分别为速度v和位移p，其中的曲线为安全空间的边界，曲线内部的空间即为安全空间。如图所示，当0≤vi,t≤vmax且或者-vmax≤vi,t<0且时，上平台工作在安全空间内。其中，vmax为预定的最大速度，pmax为预定的最大位移。

当各自由度的当前速度vi,t和当前位置pi,t不满足该预定的安全空间条件时，说明上平台邻近或超过正常工作空间，此时应给予返回加速度，使上平台回到正常工作空间。即，若pi,t>0则acci＝-acc_out，若pi,t<0则acci＝acc_out。其中，acc_out为预定的返回加速度，为正值。

正常工作空间内还设置有最大加速度acc_max和最小加速度acc_min。当各自由度的当前速度vi,t和当前位置pi,t满足该预定的安全空间条件时，即上平台在正常工作空间内，将各自由度的加速度acci控制为该自由度的补偿加速度acc_compi与回复加速度之和acc_convi；若补偿加速度acc_compi与回复加速度之和acc_convi大于设定的最大加速度acc_max，则该自由度的加速度acci取最大加速度acc_max的值；若补偿加速度acc_compi与回复加速度之和acc_convi小于设定的最小加速度acc_min，则该自由度的加速度acci取最小加速度acc_min的值。

其中，回复加速度acc_convi与上平台的位置和速度有关。首先设置上平台在x轴、z轴和y轴三个方向的初始位置和初始速度，当上平台偏离初始位置、初始速度时，给予回复加速度acc_convi指令。偏离越大，回复加速度acc_convi就越大。每个自由度的回复加速度acc_convi与偏离大小之间呈线性关系，具体如下式：

acc_convi＝kp·(pi,t-p0)+kv·vi,t，

其中，kp和kv均为预定的回复系数且均为负值，p0为预定的初始位置。

该回复加速度acc_convi抵消了由传感器的加速度漂移误差引起的位移发散；同时当上平台处于极限位置时，该回复加速度acc_convi将上平台往初始位置拉回，确保下一时刻上平台继续有充分的行程空间进行主动减振。

对x轴、z轴和y轴三个方向的移动的补偿加速度acc_compi，协同对绕x轴和z轴方向转动的角加速度的补偿一起，可以使得在上平台自身的坐标系(即图1中的坐标系o2)下，上平台的加速度为沿y轴向上，数值等于当地重力加速度9.8m/s/s。其中补偿加速度acc_compi考虑了车载平台的姿态角的影响。

如图1所示，坐标系o1为设置在下平台上的直角坐标系，坐标系o2为设置在上平台上的直角坐标系。由于传感器固定设置在下平台上，因此传感器的坐标系的方向与下平台的坐标系一致，均为坐标系o1。

相对于下平台坐标系o1，上平台绕x轴的当前角度θ1,t、绕z轴的当前角度θ2,t，则上平台坐标系o2相对于下平台坐标系o1的转动矩阵为r1*r2，即：

上平台的调整的理想加速度为在其自身坐标系o2下沿y轴向上，即为：

则补偿加速度矩阵的计算方法如下：

因此，x轴、z轴和y轴三个方向的补偿加速度acc_comp1、acc_comp2和acc_comp3分别为：

acc_comp1＝-sinθ2,t·acc_gravity-sensordata_x

acc_comp2＝sinθ1,tcosθ2,t·acc_gravity-sensordata_z，

acc_comp3＝cosθ1,tcosθ2,t·acc_gravity-sensordata_y

其中，acc_gravity为当地重力加速度。

在对x轴、z轴和y轴三个方向的加速度进行控制的同时，还对绕x轴和z轴的角加速度acc_rx和acc_rz进行补偿，即：

其中，acc_comp_rx和acc_comp_rz分别为对绕x轴和z轴方向转动的角加速度的补偿值，并且：

其中，kwx、kvx、kwz和kvz均为预定的补偿系数且均为负值，θt1和θt2分别为上平台绕x轴和z轴方向转动的参考角度，ωt1和ωt2分别为上平台绕x轴和z轴方向转动的参考角速度。

由于对上平台绕x轴和z轴方向进行角加速度的补偿目标是使上平台的加速度在其自身坐标系o2下为沿y轴向上，即为：

其中，sensordata_total为传感器三轴加速度总和值，即：

则当绕x轴和z轴的两个角加速度达到目标补偿角加速度时，如下等式成立：

由上式解得上平台绕x轴和z轴方向转动的参考角度为θt1、θt2：

上平台绕x轴和z轴方向转动的参考角速度ωt1、ωt2为：

对x轴、z轴和y轴三个方向的移动的补偿加速度acc_compi，协同对绕x轴和z轴方向转动的角加速度的补偿一起，可以使得在上平台自身的坐标系(即图1中的坐标系o2)下，上平台的加速度为沿y轴向上，数值等于当地重力加速度9.8m/s/s，能够减缓道路工况引起的平台振动情况。

为了获得车载平台所在的当地重力加速度的真实值及其方向，设定初始重力加速度为沿y方向数值为9.8m/s/s，x轴和z轴两个方向的初始重力加速度值为0。利用传感器感测得到的数据，根据如下公式对当地重力加速度进行迭代更新，不断地计算真实的当地重力加速度的数值和方向：

acc_gravity＝coeff·sensordata_y+(1-coeff)·acc_gravity′

acc_x＝coeff·sensordata_x+(1-coeff)·acc_x′

acc_z＝coeff·sensordata_z+(1-coeff)·acc_z′，

其中coeff为预定的衰减系数，acc_gravity′、acc_x′和acc_z′分别为更新前y轴、x轴和z轴方向的重力加速度的数值。随着传感器数据的不断采集，该方法将重力加速度收敛至当地真实数值和方向。实际的重力加速度的方向与x轴和z轴方向的重力加速度的数值acc_x′和acc_z′有关，当acc_x′和acc_z′均为零时，重力加速度的方向为竖直向上。

本发明的车载平台主动减振方法，用x轴、y轴、z轴三个方向的加速度半衰方法获得车载平台所在的当地重力加速度的真实值及其方向；回复加速度能够确保车载平台在任何时刻均拥有足够的行程空间以进行主动减振，并且抵消了由加速度漂移误差引起的位移发散；补偿加速度能够减缓道路工况引起的车载平台的振动情况；设定正常工作空间来保护上平台始终工作在安全空间之内；计算各自由度的总加速度，综合考虑上述因素，通过加速度控制的方法对车载平台进行减振控制。

为了验证本发明的车载平台主动减振方法的减振效果，对躺在车在平台上的人体的在各方向的加速度进行了测试实验。如图3a～3e所示，其中，图3a～图3e中的实线分别为应用本发明的车载平台主动减振方法后沿x轴的加速度、沿y轴的加速度、沿z轴的加速度、绕x轴转动的角速度、以及绕z轴转动的角速度；图3a～图3e中的虚线分别为未使用减振方法的情况下沿x轴的加速度、沿y轴的加速度、沿z轴的加速度、绕x轴转动的角速度、以及绕z轴转动的角速度。为了体现减振效果，图3a～3e中所示的实验环境为颠簸路段。可以看出，本发明的车载平台主动减振方法的实际减振效果在60％以上。

以上具体实施方式仅为本发明的示例性实施方式，不能用于限定本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这些修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。