CN101213127A - 在车轮转向致动器故障的情况下包括降低等级的工作模式的车辆转向系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于具有至少四个转向轮(1AvG，1AvD，1ArG，1ArD)的车辆的转向控制系统，所述系统包括每个转向轮一个的致动器(3AvG，3AvD，3ArG，3ArD)，所述系统包括用于每个转向轮的实际转向角度传感器(αrAvG，αrAvD，αrArG，αrArD)，所述系统包括驾驶员可用的并且传递所需转向角度(θ)的控制元件，所述转向系统包括转向控制单元(4)，该转向控制单元通过输入变量使用至少一个所述所需转向角度(θ)来确定用于操作所述致动器的转向控制角度(αpAvG，αpAvD，αpArG，αpArD)，所述系统包括用于检测转向轮致动器中的一个的锁定的装置(5)，当检测到锁定时所述装置能够传送识别致动器已经锁定的警报，在致动器变为锁定的情况下所述转向控制单元具有至少一个正常模式和至少一个降低等级模式，降低等级模式通过使用第一降低等级的模式策略计算未锁定车轮的转向控制角度 (αpi)，由此车辆的瞬时转动中心(CIR)或多或少地位于垂直于已经锁定车轮的平面并且通过锁定车轮的地面接触面积的中心的直线上、在取决于所需转向角(θ)的位置上。

Description

在车轮转向致动器故障的情况下包括降低等级的工作模式的车辆转向系统
技术领域
本发明涉及一种配置有转向系统的道路运行机动车辆，其中每个转向轮通过其自己的转向致动器转向。本发明尤其旨在在转向轮和方向盘之间没有机械连接并且同样没有机械连接以将转向轮相对于彼此的转动同步。
背景技术
线控转向(Steer-by-wire)转向系统包括公知的每个转向轮的单独的电力致动器，该转向系统能够有选择地转动每个转向轮到对其特定的角度，每个转向轮的转向角度的一致性通过电子控制设备确保。每个车轮的电力致动器具有将通过电子控制设备所选择的转向角分配至所述的车轮的作用。车辆驾驶员可使用的转向控制可以是传统的方向盘或操纵杆类型的杆或任意其它适合的装置。由车辆的驾驶员对其控制装置发出的命令发送到装有适当的程序的电子控制设备，从而它们可以恰当地控制一个或多个致动器。
该技术的优点之一是电子设备和计算的理想结合，该领域的发展允许了日益复杂的控制系统，这意味着车轮的转向不仅可以手动控制而且可以在安全系统的监控下。例如，因此，转向轮的设置不仅考虑到由车辆驾驶员的命令输入，而且也要考虑到在车辆上观测到的动力学参数。
由于线控转向技术，为了影响车辆的航向稳定性，可以实现更宽广范围的可能性。例如，鉴于当前自动车辆路线修正系统具有通过一个或多个车轮的制动器作用的修正的偏摆力矩，车辆中切换到各个功能的电气控制将允许车辆的各个转向轮的转向角被用于修正该车辆的路线。
然而，像制动器一样，车辆转向系统是确保安全的一个基本的、必须的功能部件。因此，为了能够替代目前几乎普遍应用在所有道路运行车辆中的有辅助动力或没有辅助动力的机械转向机构，非常重要的是，线控转向是极其可靠的。这就是为什么通常设计成冗余的电力系统的原因，因为即使其一个部件发生故障，也能允许系统工作。这就是在故障容许系统后面的想法。如果系统的一个部件，或至少被认为是系统的最重要的一个部件出现故障，所有的功能被执行。因此，例如，车轮致动器的电气部分最好是冗余的。例如，关于这个问题，可以查阅提供了用于控制线控转向系统的冗余系统的例子的美国专利申请US2003/0098197。
美国专利US5014802说明了一种用于4轮转向车辆的转向系统，该专利提出了当第一转向轮到达其转向移动的端点并且驾驶员希望进一步增加转向角度时，梯形转向机构(Ackerman steering)接下来完成从而在全部转向环境下防止车轮沿地面打滑。即使发明者已经预料到，将该发明应用到所有车轮被单独控制的系统中，故障的可能性和在此采用的策略不是该说明的一部分。
现在，主要部件的故障将永不会完全地排除。例如，电力车轮致动器可以以这样的方式发生故障，即其采用一些任意的角度位置，在这种情况下将不再能够传递转向力(或用于保持直线的力)。可替换地，作为机械故障的结果，其可以在某一角度位置保持锁定，例如沿直线。那就是该专利申请所解决的致动器锁定的情况。
在公知的解决方式中，专利申请US2004/0140147提出了将在同一车轴上的另一个车轮致动器控制至修正的参考角度位置，从而车轴产生横向推力，该横向推力尽可能小地与在没有致动器故障的情况下获得的推力不同。这种解决方案对导入相对的应力不利，尤其是轮胎。因此只是需要采用这种方法作为最后的尝试。在没有产生这样的相对力的情况下，仍然需要发现解决方案以处理电致动器锁定。
因此，本发明的目的是，证明改变转向轮中的一个的转向角是不可能的，根据驾驶员的意愿尽可能地维持车辆路线的控制，优选不会引起车轮打滑，至少从而车辆可以到某处停车，这样对乘客是安全的。
本发明的另一目的是，当证明不可能防止车辆打滑时，不管一切，能够采用用于将未锁定的车辆的转向尽可能适当地控制至至少车辆可以在某处停车的情况的策略，对乘客是安全的。
发明内容
本发明提出了一种用于具有至少四个转向轮的陆地车辆的转向控制系统，所述系统包括每个转向轮一个的致动器，所述系统包括用于每个转向轮的实际转向角度传感器，所述系统包括驾驶员可用并且传递所需转向角度的控制元件，所述转向系统包括转向控制单元，该转向控制单元通过输入变量使用至少一个所述所需转向角度确定用于操作所述致动器的转向控制角度，其特征在于所述系统包括用于检测一个转向轮致动器的锁定的装置，当检测到锁定时所述装置能够传送识别致动器已经锁定的警报，在致动器变为锁定的情况下所述转向控制单元具有至少一个正常模式和至少一个降低等级的模式，降低等级的模式通过使用第一降低等级的模式策略计算未锁定车轮的转向控制角度，由此车辆的瞬时转动中心或多或少地位于在垂直于锁定车轮的平面上并且通过锁定车轮的地面接触面积的中心的直线上、在取决于所需转向角的位置上。
上文中提出的操作可以称作“降低等级模式”。并不是仍然执行所有的功能，但根据环境应尽可能保持车辆的工作安全。降低等级模式将允许车辆转向系统以公认的较少愉快的同时，避免了车辆乘客的任何悲剧后果的方式工作。
当然，在其他方面满足上述前序部分提及的特征的线控转向系统，提供了本发明受欢迎的应用领域。然而，这是不具有限制性的，其同样可以用于按本发明的提出而构造的液压转向系统。
车辆移动的速度越快，车辆的动态平衡对安全而言越重要。应当注意，当以持续不变的速度移动时，车轮转向角度总是相当的小。车轮在稍稍转向的位置锁定时，当通过方向盘输入的零角度命令回到直线时，由本发明提出的原理将意味着车辆将在降低等级的模式中偏行，也就是说将在车辆的纵轴和车辆移动方向之间用非零的角度移动。这也是完全可接收的，因为所述角度非常小。如果致动器在低速出现故障，该角度可能变大，并且于是将导致更严重的偏行的角度特征，这可能将不会非常愉快，但在这类降低等级模式将发生时的低速下根本不会有危险。
优选，基于作为机械地到达其移动端点的第一未锁定车轮的函数的CIR的定位，根据本发明的转向控制系统包括至少一个第二降低等级模式控制策略。
当然，以上所提出的仅仅给出了尽管具有所述转向系统中的冗余元素，当转向系统变得不可能会将对应于驾驶员的意愿或由车辆方向控制电子管理系统计算出的必要条件中的任一个使用在转向轮中的一个的转向角度时，只在其它方法已经实践过以后而被应用的降低等级模式的工作。这些降低等级模式可以由可能或不可能作用在一些车轮的转向角上的其它策略补充。
附图说明
通过附图说明本发明，其中：
·图1是根据本发明的线控转向系统的安装图；
·图2示出了当右前轮致动器锁定时在用于向右转向的结构中的四轮转向车辆；
·图3示出了允许车辆在直线运行的降低等级的模式中工作的该车辆的情况；
·图4示出了允许车辆向左转向的降低等级的模式中运行的该车辆的情况；
·图5示意性地示出了用于当右前轮致动器锁定时用于向右转向的结构中的四轮转向车辆的降低等级模式策略。
具体实施方式
在继续之前，先限定以下的注释：
·当参考符号附有后缀“AV”时，意思是由参考符号表示的对象涉及车辆的前方，并且当参考符号附有后缀“Ar”时，意思是由参考符号表示的对象涉及车辆的后方；
·当参考符号附有后缀“D”时，意思是由参考符号表示的对象涉及车辆的右手侧，并且当参考符号附有后缀“G”时，意思是由参考符号表示的对象涉及车辆的左手侧；
·当参考符号附有后缀“B”时，意思是由参考符号表示的对象具有锁定的致动器，并且当参考符号附有后缀“NB”时，意思是由参考符号表示的对象具有未锁定的致动器。
图1示意性地说明了具有都转向的四个车轮1的车辆。转向轮安装在转向节(未示出)上并且围绕转向枢轴10转动。转向臂11牢固地固定到转向节上。每个转向轮由电力致动器3转向，一方面该电力致动器3连接到车辆的车体或底盘上，另一方面，该电力致动器3连接到转向臂11上以控制所述车轮的转向角度。例如，每个电力致动器3包括由转动的电动机驱动的螺杆/螺母设备(未示出)。螺杆-螺母设备的螺杆连接到转向臂11上。每个致动器优选包括位置传感器，当需要时以便从由位置传感器传递来的测量尺寸通过几何结构和相关的计算来确定所述转向轮的精确的角度位置。举例来说，电力致动器的该用途在专利US6820715中进行了说明。
还有机械地连接到用于测量在方向盘上的角度“θ”的装置21上的方向盘2。“θ”表示任意特定值(根据幅度和根据符号)，该任意特定值表现了驾驶员输入到控制构件中以便影响车辆的转向的命令的特征；例如，是通过预定角度范围转动的方向盘(角度的概念对于诸如操纵杆或滑动器的可以替代方向盘的任意等同形式设备是没有限制的)。
所述系统包括用于检测转向轮致动器中的一个已经锁定的装置5，当它们检测到锁定时，这些装置能够发送识别已经锁定的致动器的警报信号。为了检测锁定，例如可能测量由致动器引出的电流并且将它与所述致动器的位置的变化进行比较。如果当致动器的位置不再变化的同时电流仍保持在高电平或甚至增加，这表示致动器已经锁定。然后这可能使该致动器电力失效，并且切换到降低等级(degrade)模式。
图2至图4给出了用于计算根据本发明在降低等级模式中致动器没有锁定的用于致动器的控制角度的第一策略。这些附图示出了在向右转期间右前致动器锁定的情况。降低等级模式计算用于非锁定车轮1NB的转向控制角度αpi，也就是说角度αpAvG，αpArD，αpArG。为了防止车轮打滑，车辆的瞬时转动中心CIR需要或多或少地被保持大约沿着垂直于右前轮1AvD，即锁定的车轮的平面的直线，并且通过所述右前轮1AvD的地接触面积的中心。沿着所述垂直直线的CIR的精确位置取决于所需的转向角θ，其对应于驾驶员所需的转弯半径R。注意计算该转弯半径并不构成本发明的一部分，其与用多种方式确定半径R不矛盾。
如果，从图2所示的情况出发，驾驶员减少所需的转向角θ，也就是说希望增加转弯半径R，CIR将切换至点划线中所描述的直线上的右侧，也就是说将远离车辆。如果驾驶员希望将车辆引回带直线上来，然后获得了图3所示的配置。然后半径R倾向于朝向无穷大，未锁定的1NB的车轮致动器的控制角度与所有车轮的相同并且取锁定车轮1AvD的致动器的角度的值。CIR被推回到无穷大，允许车辆沿直线开动。在降低等级模式中工作的车辆以“螃蟹状”的方式沿直线开动。
图4示出了如果驾驶员现在希望将他的车辆向左侧转向时，在从图2所示的锁定的降低等级模式中工作的该车辆的情况。相对于锁定的车轮1AvD，未锁定的另一个车轮1NB以这样的方式转向，从而将CIR仍然定位在点划线上所描述的直线上，垂直于锁定的车轮1AvD，并且在相对于车辆在左手侧上。
因此，本发明提出了第一降低等级模式策略，该策略允许所有的转向轮沿相同的瞬时转动中心CIR转向，该瞬时转动中心CIR或多或少地大约保持在垂直于右前轮1AvD、锁定车轮的平面的直线上。那样使得可能遵循梯形转向机构(Ackerman steering)并且因此防止车辆沿着地面打滑。然而，取决于其中一个锁定转向轮的初始位置，由于超过了一个转向轮的开始的锁定，一旦驾驶员所需转向角度变化，在没有接受地面上的车辆的某种程度的滑动的情况下，其将不再可能给予车辆驾驶员所需要的偏摆运动。这是因为，为了对驾驶员所需转向角度中的该变化作为响应，至少一个未锁定的车辆车轮将通过超过通过车辆的设计而导入的转向角度的机械极限的角度转动，一些东西非常显然是不可能的。因此不再可能将瞬时转动中心CIR大约保持在垂直于右前轮1AvD、锁定车轮的平面的直线上。
本发明提出了第二和第三降低等级模式策略，由此，通常，也就是说在实际上遇上的大多数情况下，可能给予在驾驶员所需要的方向上的偏摆运动。这样可能使得车轮在地面上打滑至某一程度，但在通常还算短的持续时间的机动过程中该打滑是完全可接受的，并且尽管故障，允许维持车辆路线的控制能力。
这就是参照图5所说明的，图5图解地说明了在当右前轮致动器锁定时转向至右侧的配置中，四轮转向车辆的降低等级模式策略。
假定，在右前致动器锁定的瞬间，车辆沿瞬时转动中心CIR0转向。然后假定驾驶员希望退出转动，也就是说希望逐渐增加转弯半径R。应用第一降低等级模式策略使得CIR沿直线“d”在趋向于将其远离车辆至瞬时转动中心(CIRb1)的位置CIRb1的方向移动，该瞬时转动中心在车轮到达其转向移动的端点的瞬间存在。在该阶段，给出车辆的配置，假定是到达其转向移动的端点的右后致动器。转弯半径的变长将需要进一步增加右后轮的向右的转向角度，并且这是不可能的。
此外，在这种情况下，当控制的转向角度关于未锁定的一个致动器到达其移动的端点，并且所述所需转向角θ中的变化对应于车辆的转弯半径的增加时，所述转向控制单元应用第二降低等级模式策略，由此车辆的瞬时转动中心CIR的轨迹由垂直于已经到达其移动端点的车轮的平面、通过所述车轮的地面接触面积的中心的直线B1限定，在这种情况下是右后车轮，并且位于相对于边界B1朝向车辆的前方的半平面π1中，并且相对于平行于车辆的纵轴并且通过在车轮到达其转向移动的端点的瞬间存在的瞬时转动中心CIRb1的直线d2朝向无穷大的一侧。
有利地，第二降低等级模式策略的瞬时转动中心CIR位于相对于车辆平行于横向方向、通过在车轮到达其转向移动的端点的瞬间存在的瞬时转动中心CIRb1的直线D上。CIR沿直线D移动；右后轮不再在其转向移动的端点。为了满足驾驶员的转向需求，该第二降低等级模式策略允许转弯半径R逐渐地增加，而同时尽可能地限制车轮在地面打滑。
现在假定转向变紧。驾驶员因此想逐渐地减小转弯半径R。应用第一降低等级模式策略使得CIR沿直线“d”在趋向于将其靠近车辆至在右后轮到达其转向移动的另一端的瞬间存在的瞬时转动中心(CIRb2)的方向移动。在该阶段，给出车辆的配置，假定是到达其转向移动的端点的右后致动器。减少转弯半径将意味着进一步右后轮的左侧转向角度，并且这是不可能的。
此外，在这种情况下，当控制的转向角度关于未锁定的一个致动器到达其移动的端点，并且所述所需转向角度θ中的变化对应于驾驶员需要的转弯半径的减少时，所述转向控制单元应用第三降低等级模式策略，由此车辆的瞬时转动中心CIR的轨迹由垂直于已经到达其移动端点的车轮的平面，在这种情况下是右后车轮，通过所述车轮的地面接触面积的中心的直线B2限定，瞬时转动中心CIR的轨迹，一方面，位于相对于所述边界朝向车辆的后方延伸的半平面π2中，另一方面，位于相对于平行于车辆的纵轴并且通过在车轮到达其转向移动的端点的瞬间存在的瞬时转动中心CIRb2的直线d3位于车辆侧上。
有利地，第三降低等级模式策略的瞬时转动中心CIR位于垂直于已经到达其移动的端点的车轮的平面、通过所述车轮的地面接触面积的中心的直线B2上。
最后，指出车轮致动器的意外的锁定是类似与到达其移动的端点的致动器的情况的现象。结果，本发明还可以应用到如下情况，其中尽管一个致动器已经到达其移动端点，但车辆的转弯半径需要显然地通过允许车辆将开始打滑来进一步减少。然后可以应用第三降低等级策略，采用已经锁定的致动器和已经到达其移动的端点的致动器为同一并且相同致动器。
通过应用到具有4轮转向的4轮车辆上说明了本发明。然而，这并不以任何方式进行限制。车辆可以具有任意数量的车轮，并不需要全部转向。例如，采用所有车轮转向的8轮车辆。正常模式的车辆的CIR的控制允许转向角度为八个车轮的每个计算出。想象八个车轮中的一个锁定。CIR然后位于垂直于锁定车轮的平面的直线上并且另外七个车轮的转向角以所有都沿该CIR转动的方式被控制。允许某一程度的车轮打滑的第二和第三降低等级模式控制策略，是基于CIR的位置，该CIR的位置是没有锁定的、到达其移动的机械端点的第一车轮的函数。三个或七个这样的车轮不太重要，其原理仍然相同。

Claims (7)

1.一种用于具有至少四个转向轮(1AvG，1AvD，1ArG，1ArD)的陆地车辆的转向控制系统，所述系统包括每个转向轮一个的致动器(3AvG，3AvD，3ArG，3ArD)，所述系统包括用于每个转向轮的实际转向角度传感器(αrAvG，αrAvD，αrArG，αrArD)，所述系统包括驾驶员可用的并且传递所需转向角(θ)的控制元件(2)，所述转向系统包括转向控制单元(4)，该转向控制单元通过输入变量使用至少一个所述所需转向角(θ)以确定用于操作所述致动器的转向控制角度(αpAvG，αpAvD，αpArG，αpArD)，其特征在于
所述系统包括用于检测转向轮致动器中的一个的锁定的装置(5)，当检测到锁定时所述装置能够传送识别致动器已经锁定的警报，在致动器变为锁定的情况下，所述转向控制单元具有至少一个正常模式和至少一个降低等级模式，所述降低等级模式通过使用第一降低等级模式策略计算未锁定车轮的转向控制角度(αpi)，由此车辆的瞬时转动中心(CIR)或多或少地位于在垂直于已锁定的车轮的平面并且通过已锁定车轮的地面接触面积的中心的直线上、在取决于所需转向角(θ)的位置上。
2.根据权利要求1所述的转向系统，其特征在于，此外，当控制的转向角度相对于未锁定的致动器中的一个到达其移动的端点时，基于作为机械地到达其移动端点的第一未锁定车轮的函数的CIR的定位，根据本发明的转向控制系统包括至少一个第二降低等级模式控制策略。
3.根据权利要求2所述的转向系统，其特征在于，此外，当控制的转向角度相对于未锁定的致动器中的一个到达其移动的端点，并且所述所需转向角(θ)中的变化对应于车辆的转弯半径的增加时，所述转向控制单元应用第二降低等级模式策略，由此车辆的瞬时转动中心CIR的轨迹由垂直于已经到达其移动的端点的车轮的平面、通过所述车轮的地面接触面积的中心的直线(B1)限定，并且位于相对于所述边界(B1)朝向车辆的前方的半平面(π1)中，并且相对于平行于车辆的纵轴并且通过在车轮到达其转向移动的端点的瞬间存在的瞬时转动中心(CIRb1)的直线(d2)朝向无限大的一侧上。
4.根据权利要求3所述的转向系统，其特征在于，用于第二降低等级模式策略的瞬时转动中心CIR位于相对于车辆平行于横向方向、通过在车轮到达其转向移动的端点的瞬间存在的瞬时转动中心(CIRb1)的直线(D)上。
5.根据权利要求2或3所述的转向系统，其特征在于，此外，当控制的转向角度相对于未锁定的致动器中的一个到达其移动的端点，并且所述所需转向角(θ)中的变化对应于驾驶员需要的转弯半径的减少时，所述转向控制单元应用第三降低等级模式策略，由此车辆的瞬时转动中心CIR的轨迹由垂直于已经到达其移动端点的车轮的平面、通过所述车轮的地面接触面积的中心的直线(B2)限定，并且位于相对于所述边界朝向车辆的后方的半平面(π2)中，并且在位于相对于平行于车辆的纵轴并且通过在车轮到达其转向移动的端点的瞬间存在的瞬时转动中心(CIRb2)的直线(d3)在车辆侧上。
6.根据权利要求5所述的转向系统，其特征在于，第三降低等级模式策略的瞬时转动中心CIR位于垂直于已经到达其移动的端点、通过所述车轮的地面接触面积的中心的车轮的平面的直线(B2)上。
7.根据上述任一权利要求所述的转向系统，其特征在于，车轮致动器是电力致动器。
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