CN101066682A - 稳定的转向控制系统 - Google Patents

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Abstract

为车辆提供的转向控制系统具有一个方向盘、多个转向轮和一个用于响应液压控制信号来控制转向轮的转向角的液压转向执行器。此转向控制系统包括一个液压机械阀，此液压机械阀与方向盘连接并生成一个作为方向盘位置的函数的第一液压信号；一个电动液压阀，此电动液压阀生成一个作为电子控制信号的函数的第二液压信号；一个电子控制单元，此电子控制单元生成电子控制信号；以及一个液压合并单元，此液压合并单元合并第一和第二液压信号并将此液压控制信号供给液压转向执行器。此转向控制系统还包括一个方向盘角度传感器，一个偏转速率传感器和一个转向轮角度传感器。此控制单元生成一个作为传感器信号的函数的电子控制信号。

Description

稳定的转向控制系统
技术领域
本发明涉及车辆的转向控制系统。
背景技术
越野车辆在驾驶中会遇到范围极宽的路面条件。而且，大多数越野车辆运载笨重货物。例如，农用汽车经常运载或牵引挂在车辆后面的沉重的机具，并且前端装卸机在铲斗中装载尽可能多的材料。这些大载荷经常会改变车辆的转向性能。例如，在载荷轻时车辆具有一个所需的和相对稳定的“不足转向”的特性。但是，重载的同一个车辆会具有一个不所需的相对不稳定的“过度转向”的特性。
最所需是能够提供一种带有如下转向控制系统的农用车：该系统允许车辆设计者考虑操纵特性之外的因素来设计车辆转向系统的参数，并且其后能利用控制系统优化转向系统操纵特性。例如，最所需是能够提供一种带有如下的转向控制系统的农用车辆：该系统在尽管车辆牵引或运载的载荷变化也可以始终一致地以“不足转向”或相对稳定的方式驾驶。
1995年授予Ackermann的专利号为5428536的美国专利描述了一种用于公路车辆的转向系统。该Ackermann系统不是利用前轮角度传感器，但要求有一个方向盘角度传感器，一个车辆速度传感器，一个偏转速率传感器和一个前轴横向加速度传感器。在这个Ackermann系统中，偏转速率和前轴横向加速度是用来计算受到转向的前轮的角度变化速率。对Ackermann系统的描述是使操纵特性与车辆速度无关。一般认为，即使是不考虑在车辆牵引或运载的荷重显著变化，该Ackermann转向控制系统也不会始终一致地工作，而且，Ackermann系统是一种纯粹的“用线转向”的系统，它不能与采用传统的液压机械转向系统合并使用。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种带车辆载荷变化补偿的转向系统。
本发明的再一个目的是提供这样一种转向系统，该系统能够与采用传统的液压机械转向系统合并使用。
本发明再一个目的是提供一种只需要少数几个传感器的转向系统。
本发明的再一个目的是提供这样一种转向控制系统，该系统允许车辆设计者考虑操纵特性之外的因素来设计车辆转向系统的参数，并且其后利用控制系统来优化转向系统操纵特性。
本发明达到了这些目的和其他目的，其中为车辆提供的转向控制系统具有一个方向盘、多个转向轮和一个用于响应液压控制信号来控制转向轮的转向角的液压转向执行器。此转向控制系统包括一个液压机械阀，此液压机械阀与方向盘连接并生成一个作为方向盘位置的函数的第一液压信号；一个电动液压阀，此电动液压阀生成一个起电子控制信号作用的第二液压信号；一个电子控制单元，此电子控制单元生成电子控制信号；以及一个液压合并单元，此液压合并单元合并第一和第二液压信号并将此液压控制信号供给液压转向执行器。此转向控制系统还包括一个方向盘角度传感器，一个偏转速率传感器和一个转向轮角度传感器，此控制单元生成一个作为传感器信号的函数的电子控制信号。
附图说明
图1是根据本发明的转向控制系统的示意图。
图2是示出图1的ECU执行的逻辑的流程图。
具体实施方式
参见图1。车辆转向系统10包括一个以公知方式连接到传统液压机械转向阀14的方向盘12。阀14通过液压方式连接到一个液压合并器或“T”单元16。电动液压转向阀18也通过液压方式连接到T单元16。阀14和18二者都连接到一个转向供应泵15和一个蓄液器17。优选是阀14和18是市售的转向阀，如由Sauer-Danfoss制造并且在John Deere拖拉机生产中使用的PVE-H阀。T单元16合并来自阀14和阀18的液流并且将合并的液流供给一个传统的转向活塞20，该活塞20通过一个传统的转向连杆系控制转向轮22的角度。转向轮22可以是前轮或后轮。
方向盘位置传感器24，如在美国专利No.6000490中描述的方向盘位置传感器24，连接到方向盘12。传感器24生成一个方向盘角度信号(SWA)，该信号在方向盘12转动时改变。方向盘角度传感器26连接到转向轮18并且生成转向轮角度信号。传感器26优选为流量计型的传感器，如在2002年6月12日提出的美国专利申请号10/170610的已放弃的申请中所描述的。下面将前轮角度信号(FWA)作为转向轮角度信号以避免与方向盘角度(SWA)混淆。一个陀螺偏转速度传感器28生成一个车辆偏转速率信号(Y)。
电子控制单元(ECU)40接收方向盘角度信号SWA、前轮角度信号FWA和偏转速率信号Y。ECU40执行一个算法并且生成一个脉冲宽度调制控制信号，该信号发送到电动液压阀18。
ECU40重复地(例如以20Hz)执行一个用流程图2和3表示的算法100。将此流程图转换成将由此流程图描述的算法应用到数字计算机或微处理器的标准语言对于普通的专业人士是显而易见的。
在步骤102开始后，在步骤104，ECU40读取并存储前轮角度FWA和方向盘角度SWA。
步骤106通过从当前存入的方向盘角度中减去老的或者前一个方向盘角度来计算出方向盘角度改变值ΔSWA。
步骤108通过将方向盘角度改变值加到当前前轮角度(NFWA＝FWA+α*ΔSWA，其中参数α确定系统有效转向比一前轮位移角度与方向盘位移的角度的比)来计算新的前轮角度值NFWA。
步骤110计算所需的前轮角度DFWA，其方法是通过限制NFWA的大小使转向轮的转动不能超过由机械限制器设定的物理限制。
步骤112，从传感器28读取偏转速率Y。优选为偏转速率信号通过低通滤波器滤波，既可用模拟方式也可用数字方式使用软件在其中去除高频偏差。
步骤114计算车轮角度偏置值WA_off，方法是将经过滤波的偏转速率Y乘以一个常数K(WA_off＝Y×K)。此K值可以改变和选择以改变转向系统的转向操纵特性。
步骤116计算所要求的前轮角度RFWA，方法是将所需的前轮角度和车轮角度偏置值相加：(RFWA＝DFWA+WA_off)。
步骤118读取转向轮角度传感器26并且由此获得当前前轮角度FWA。
步骤120计算车轮角度误差值WA-error＝RFWA-FWA。
步骤122将车轮角度误差值变换为脉冲宽度调制的阀控制信号VCS，其中VCS信号的占空周期基本上正比于车轮角度误差值WA-error的大小。步骤124将VCS信号传送到阀18。
再回到图1。阀18生成一个与VCS信号相关的的液压流，并且这一液压流与由阀14生成的液压流在“T”单元16中合并以使从阀18来的液压流由来自阀14的液压流改变。因为从阀18来的液压流是感测到的方向盘角度、感测到的前轮角度和感测到的偏转速率的函数，所以可知，进入到转向活塞20的液压流也将作为感测到的方向盘角度、感测到的前轮角度和感测到的偏转速率的函数而改变。
结果，由传感器28感测到的偏转速率的增加，例如，由于如道路颠簸或机具移动施加到车辆上的扰动载荷，将导致车轮角度偏置值增加、车轮角度误差值增加和来自阀18的相应的液压流的增加，而且，液压流的这一增加趋向于抵抗这些扰动载荷的效应而增加转向系统的稳定性。
结果就是一个用于具有方向盘12、转向轮22和转向执行器20的转向控制系统来控制转向轮22的转向角。转向阀14由连接到方向盘12并生成第一液压流输出信号的第一控制器件构成。控制单元40生成一个作为方向盘角度信号、偏转速率信号和转向轮角度信号的函数的由脉冲宽度调制的控制信号。阀18由响应来自控制单元40的控制信号而生成第二液压流输出信号的第二控制器件构成。T单元16将第一和第二液压输出信号合并为合并液压流控制信号，传送到转向执行器20。从而转向执行器20响应来自T单元16的合并液压流控制信号使转向轮22转向。
液压机械转向阀14形成一个与方向盘12非电连接并生成一个作为方向盘位置的函数的第一执行器信号的第一接口。传感器24和电动液压阀18形成一个生成一个作为电子控制信号的函数的第二执行器信号的第二接口。ECU40是一个生成电子控制信号的电子控制单元。液压T单元16是一个具有将从第一接口14接收第一执行器信号的第一输入，从第二接口18接收第二执行器信号的第二输入和将合并的执行器控制信号提供给转向执行器20的输出的合并单元。
结果就产生一种不管车辆牵引的载荷和运载的货物如何变化，始终一致地以“转向不足”或稳定的方式运行的转向控制系统。此系统不需要车辆速度传感器或横向轴向加速度传感器。此控制器连续地监测车辆偏转速率并将实际速率和由操作者通过方向盘向转向轮给出的指令速率进行比较。与指令偏转速率的任何偏差可通过调整车辆的转向轮得到补偿。这与汽车工业中的由单个车轮制动器执行的标准实践不同。这个系统的第二个优点是在该系统的液压机械部分中对任何死区或滞后进行自然补偿。此系统可连续地监测和增强车辆的稳定性。此系统可响应各种参数(即地速)有效地调节车辆的转向比。这可以改善车辆的驱动性并减轻驾驶者的操作负担。基本上，在对经过滤波的偏转速率的响应时，此系统使车辆(向相反方向)转弯。这使转向比随速度改变，与转向不足梯度的作用完全相同，并且可使车辆自动地转向任何滑行。
本发明的转向控制系统可提供更大的机械设计灵活性。例如，采用此控制系统，车辆转向系统的参数可考虑操纵特性之外的因素进行设计而成为更所需的参数，并且其后可利用控制系统优化转向系统操纵特性。特别是，当设计车轴时，要在低速牵引力和高速稳定性之间取得折衷。例如，增加转向轮外倾角或后倾角可以改善车辆的转向不足，但是牵引力减小。此外，增加外倾角或后倾角使得将双轮加到转向轴时变得困难。采用现有驾驶控制系统，车辆的操纵特性可以采用电子方式调整，以使机件可以在牵引力和性能方面得到优化设计而同时不牺牲高速输运性。
虽然本发明是结合一个特别实施例进行说明，但众所周知，在前面的描述中，可以有许多替换、变型和改变对本行业技术人员是显而易见的。例如，作为对以液压方式合并控制信号的替换方式，可以采用机械方式来合并控制信号，比如在转向管柱中采用行星齿轮系统。在这样的实施例中，方向盘可以连接到太阳齿轮，电子马达可以连接到环形齿圈，并且液压机械转向阀的输入可以连接到轨道齿轮。同样，本发明也可以应用于用线转向系统，在该系统中不需要液压机械阀和液压单元T。因此，本发明力求涵盖所有处于后附的权利要求的精神和范围中的这些替换、变型和变化。

Claims (11)

1.一种车辆转向控制系统，该系统具有一个方向盘、多个转向轮和一个用于响应合并执行器控制信号来控制转向轮的转向角的转向执行器，此转向控制系统包括：
一个与方向盘非电连接并生成一个作为方向盘位置的函数的第一执行器信号的第一接口；
一个生成一个作为电子控制信号的函数的第二执行器信号的第二接口；
一个生成电子控制信号的电子控制单元；以及
一个合并单元，具有从第一接口接收第一执行器信号的第一输入，从第二接口接收第二执行器信号的第二输入和将合并的执行器控制信号提供给转向执行器的输出。
2.如权利要求1所述的转向控制系统，还包括：
一个生成方向盘角度信号的方向盘角度传感器；
一个生成表示车辆的偏转速率的偏转速率信号的偏转速率传感器；以及
一个生成表示转向轮的角度的转向轮角度信号的转向轮角度传感器，此控制单元生成一个作为方向盘角度信号、偏转速率信号及转向轮角度信号的函数的电子控制信号。
3.如权利要求1所述的转向控制系统，还包括：
一个生成方向盘角度信号的方向盘角度传感器；
一个生成表示车辆的偏转速率的偏转速率信号的偏转速率传感器；以及
一个生成表示转向轮的角度的转向轮角度信号的转向轮角度传感器，此控制单元生成一个作为方向盘角度信号的函数的所需的转向轮角度，此控制单元生成一个作为偏转速率信号的函数的车轮角度偏置值，此控制单元生成一个作为所需的转向轮角度和车轮角度偏置值的函数的所要求的转向轮角度，此控制单元生成一个作为所要求的转向轮角度和转向轮角度信号的函数的车轮角度误差值，并且此控制单元将车轮角度误差值变换为电子控制信号。
4.如权利要求1所述的转向控制系统，其中：
控制单元操作使得在即使是施加到车辆上的载荷改变时也可以使转向系统稳定。
5.如权利要求1所述的转向控制系统，其中：
控制单元操作使得在即使是施加到车辆上的载荷改变时也可以使转向系统在转向不足下动作。
6.一种车辆转向控制系统，该系统具有一个方向盘、多个转向轮和一个用于响应执行器控制信号来控制转向轮的转向角的转向执行器，此转向控制系统包括：
一个生成方向盘角度信号的方向盘角度传感器；
一个生成表示车辆的偏转速率的偏转速率信号的偏转速率传感器；
一个生成表示转向轮的角度的转向轮角度信号的转向轮角度传感器，此控制单元生成一个作为方向盘角度信号、偏转速率信号及转向轮角度信号的函数的电子控制信号；以及
一个与转向执行器非电连接并生成一个作为电子控制信号的函数的执行器信号的接口。
7.如权利要求6所述的转向控制系统，其中：
控制单元操作使得在即使是施加到车辆上的载荷改变时也可以使转向系统稳定。
8.如权利要求6所述的转向控制系统，其中：
控制单元操作使得在即使是施加到车辆上的载荷改变时也可以使转向系统在转向不足下动作。
9.一种车辆转向控制系统，该系统具有一个方向盘、多个转向轮和一个用于响应液压控制信号来控制转向轮的转向角的液压转向执行器，此转向控制系统包括：
一个与方向盘连接并生成一个作为方向盘位置的函数的第一液压信号的液压机械阀；
一个电动液压阀，此电动液压阀生成一个作为电子控制信号的函数的第二液压信号；
一个电子控制单元，此电子控制单元生成电子控制信号；以及
一个液压合并单元，此液压合并单元具有从液压机械阀接收第一液压信号的第一输入，从电动机械阀接收第二液压信号的第二输入和将液压控制信号提供给液压转向执行器的输出。
10.如权利要求9所述的转向控制系统，还包括：
一个生成方向盘角度信号的方向盘角度传感器；
一个生成表示车辆的偏转速率的偏转速率信号的偏转速率传感器；以及
一个生成表示转向轮的角度的转向轮角度信号的转向轮角度传感器，此控制单元生成一个作为方向盘角度信号、偏转速率信号及转向轮角度信号的函数的电子控制信号。
11.如权利要求10所述的转向控制系统，其中：
此控制单元生成一个作为方向盘角度信号的函数的所需的转向轮角度，此控制单元生成一个作为偏转速率信号的函数的车轮角度偏置值，此控制单元生成一个作为所需的转向轮角度和车轮角度偏置值的函数的所要求的转向轮角度，此控制单元生成一个作为所要求的转向轮角度和转向轮角度信号的函数的车轮角度误差值，并且此控制单元将车轮角度误差值变换为电子控制信号。
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Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication