CN101450657B - 车辆稳定性控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及车辆稳定性控制装置。提供了一种利用车辆车轮的独立于驾驶员转动转向盘操作的转向的新颖车辆稳定性控制装置，其中，在确定转弯状态参数的目标值时选择合适的转向角参数。所述控制装置基于驾驶员的操作量和预定转向特性计算车轮的暂定目标转向角；计算转弯状态参数的目标值；计算车轮的目标转向角，用以在实际转弯状态参数与其目标值的偏差的大小达到或超过一基准值时减低该偏差的大小，从而基于目标转向角控制转向角。在基于目标转向角执行对转向角的控制期间，基于暂定目标转向角计算转弯状态参数的目标值。

Description

车辆稳定性控制装置

本申请是2005年3月15日在中国专利局提交的名称为“车辆稳定性控制装置”的专利申请200580000553.6的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于控制车辆例如汽车的行为(稳定性控制)的装置，更详细地，涉及一种通过控制转向车轮的转向角使车辆的运行行为稳定的装置。

背景技术

已开发出各种用于通过产生抑制由于在车辆横向上制动力或牵引力的不平衡、轮胎力的饱和等而造成的过度转向和不足转向趋势的反向横摆转矩来使车辆沿其横摆方向的运行行为稳定的控制装置。这种反向横摆转矩通常通过控制车辆中轮胎力分配而产生。此外，在配备有能够独立于驾驶员的转向动作使车轮转向的转向系统的车辆中，可通过车轮的自动转向产生反向横摆转矩。在日本专利特开平No.5-105055和日本专利No.2540742中公开了用于通过自动转向使车辆行为稳定的控制装置的示例，其中，控制转向车轮的转向角以产生抵抗由于车辆左右车轮之间的制动力不平衡而导致的横摆转矩的反向横摆转矩，从而确保车辆直线稳定性。

在上述控制装置中，通过比较表示转弯状态的参数例如横摆率的实际或测量值与由操作参数例如转向角和车速确定的相应目标值，来监控车辆行为的恶化程度，即过度转向和不足转向趋势。然后，通过调整各制动力和/或转向车轮的转向角而产生反向横摆转矩，以减低转弯状态参数的实际值与目标值之间的偏差。

在上述控制策略中，用于稳定性控制的自动转向的执行会使实际转向角与由驾驶员的转向操作确定的角度(由驾驶员操作的转向盘的转动角)不同。在需要大的反向横摆转矩来使车辆行为稳定的极端条件下，实际转向角的不仅大小而且方向可能都与由驾驶员的转向操作确定的转向角的大小和方向不同。然而，在上述常规的控制装置中没有考虑该事实。在这些装置中，总是使用实际转向角确定转弯状态参数的目标值，从而，如果通过自动转向控制改变实际转向角，则所产生的车辆的行为和/或行驶(跟踪，tracking)路线会偏离驾驶员的意愿。

因此，考虑到自动转向控制情况下的转向角变化，可改进上述常规的车辆稳定性控制装置，以更适当地操作。

发明内容

根据本发明，提供一种用于通过控制车辆的转向角而抑制过度转向和不足转向趋势的新颖的车辆稳定性控制装置，该控制装置被改进成通过在确定用于要控制的转弯状态参数的目标值时选择合适的转向角参数而比以往更适当地执行稳定性控制。

在本发明的一个方面中，本发明的装置可装配在车辆上用于控制车辆的运行行为。该车辆的转向装置适于独立于驾驶员的转向操作使车轮转向。本发明的控制装置包括：基于驾驶员的操作量例如由驾驶员转动的转向盘的转动角以及预定转向特性计算车轮的目标转向角(暂定)的部分；检测转弯状态参数例如横摆率的实际值的检测器；以及计算转弯状态参数的目标值的部分。将转弯状态参数的实际值和目标值彼此进行比较。然后，如果实际转弯状态参数与其目标值的偏差的大小(程度)达到或高于一基准值，则将转向角控制为为减低转弯状态参数的偏差而计算的目标转向角。在该结构中，根据本发明，在执行用于使行为稳定的自动转向控制期间，基于目标转向角(暂定)而不是实际转向角计算转弯状态参数的目标值。换句话说，只要执行自动转向控制，就选择暂定目标转向角，即基于驾驶员的操作量和预定转向特性而确定的目标转向角，作为用于确定目标转弯状态参数的转向角的参数。

作为转向角的函数而确定的转弯状态参数的目标值确定车辆的行驶路线或方向，从而驾驶员的意愿会在目标转弯状态参数值中反映出来。然而，应注意的是，自动转向控制下的实际转向角通过用于抑制过度转向和不足转向趋势的稳定性控制确定，从而实际转向角不会完全与驾驶员的意愿相一致。因此，在执行自动转向控制期间，基于驾驶员的操作量而确定的暂定目标转向角被用于确定目标转弯状态参数值。

另外，应注意的是，暂定目标转向角在确定目标转弯状态参数时的使用有利于补偿转向装置的响应性的延迟，因为所得到的目标转弯状态参数由不含转向装置的延迟的参数确定(实际转向角包括转向装置的延迟的影响)。

暂定目标转向角可计算为与驾驶员的操作量相对应的转向车轮的转向角和用于达成预定转向特性的控制转向角之和。在一个实施例中，暂定目标转向角可确定为车速的函数，优选地，暂定目标转向角可随由车速确定的转向器传动比而变化。暂定目标转向角例如通过根据车速改变车轮的转向量与驾驶员的转向盘(转向把)的转动量之比而确定。

在上述结构中，当不执行基于目标转向角的车轮的转向控制时，即当实际转向角可看作由驾驶员的操作产生而未通过稳定性控制进行修正时，可基于实际转向角计算转弯状态参数的目标值。因此，在这种情况下，本发明的装置可包括检测车轮的实际转向角的检测器。如果转弯状态参数的偏差的大小低于基准值，则可基于暂定目标转向角通过转向装置来控制转向车轮的转向角。

在本发明的装置中，不仅可通过自动转向而且也可通过调整各车轮上的各制动-驱动力(轮胎力)来执行用于使车辆行为稳定的控制。在这种情况下，本发明的装置还可包括：控制各车轮上的制动-驱动力的部分；基于转弯状态参数偏差计算用于减低该偏差的大小的稳定性控制的总目标量例如反向横摆转矩的部分；以及以预定比率将总目标稳定性控制量配分成分别用于车轮的转向控制以及制动-驱动力控制的目标稳定性控制量的部分。在该装置中，基于车轮的转向控制的目标稳定性控制量计算目标转向角，并且该目标转向角用于控制转向车轮的转向角。基于相应的目标值控制各车轮上的制动-驱动力，该相应的目标值基于制动-驱动力控制的目标稳定性控制量而计算。可通过计算横摆转矩而将稳定性控制的总目标量配分成分别用于车轮的转向控制以及制动-驱动力控制的目标稳定性控制量。应注意的是，在执行自动转向和调整各轮胎力的所述装置中，按上述方式确定目标转弯状态参数值，从而驾驶员的意愿反映在其中。

顺便说一句，当转向装置由于任何异常不能独立于驾驶员的转向操作使车轮转向时，不再执行自动转向。在这种情况下，要在确定目标转弯状态参数时选择的转向角可以是实际转向角(因为不对转向角执行用于稳定性控制的修正)。此外，仅通过调整各车轮上的轮胎力而执行稳定性控制(即，配分部分将总目标稳定性控制量全部配分成用于制动-驱动力控制的目标稳定性控制量)。

在这一点上，根据该策略，如果在执行稳定性控制期间不能进行自动转向，则在确定目标转弯状态时的转向角的参数将由暂定目标转向角变为实际转向角。转向角的参数的这种变化将导致目标转弯状态参数的阶式变化(逐级变化)，从而导致车辆运行行为的扰动。因此，本发明的装置可设计用于减低由于在计算目标转弯状态参数中使用的转向角从暂定目标转向角向实际转向角的变化而引起的转弯状态参数的变化。因为虽然应该尽可能快地完成参数的变化，但由于应避免高速车辆的行为的扰动，所以转弯状态参数的变化的减低程度在较高车速时可比在较低车速时大。在一个实施例中，可对在确定目标转弯状态参数时的转向角的参数进行平滑处理。

因此，考虑到转向角可独立于驾驶员转动转向盘的操作而改变，本发明的一个目的是通过经由车轮的转向产生用于使车辆的行为稳定的反向横摆转矩来提供用于车辆例如汽车的新型的和新颖的车辆稳定性控制装置。

本发明的另一个目的是通过根据操作状况在确定和控制目标转弯状态时选择转向角的参数而提供比以往更适当地操作的装置。

本发明的又一个目的是提供这种被改进成防止在执行稳定性控制期间错误操作的装置。

本发明的其它目的和优点中，一部分是显而易见的，另一部分将在下文中指出。

附图说明

在附图中：

图1是后轮驱动的四轮车辆的概略性视图，该车辆配备有用作自动转向装置的半线控转向(semi-steer-by-wire)型转向角可变装置以及根据本发明的车辆稳定性控制装置；

图2是在根据本发明的图1的车辆的优选实施例中执行的、用于控制左前轮和右前轮的转向角以及各车轮的制动压力的车辆稳定性控制程序的流程图；

图3示出车速V与转向器传动比Rg之间关系的曲线图；

图4示出为车速V的函数的过滤系数R的曲线图；以及

图5是图2所示流程图的变型的局部流程图。

具体实施方式

图1概略地示出后轮驱动的四轮车辆，它具有根据本发明优选实施例的车辆稳定性控制装置。在该图中，车身12具有左前轮10FL和右前轮10FR，左后轮10RL和右后轮10RR。通常，该车辆被构成为通过差速齿轮(差速器)系统等(未示出)将发动机(未示出)根据响应于驾驶员的加速踏板的踏下量的节气门开度输出的驱动转矩或转动驱动力传递到后轮10RL和10RR。

前轮10FL、10FR各自通过横拉杆20L、20R利用响应于驾驶员对转向盘14的转动(操作)而致动的齿条齿轮式动力转向装置16转向。但为了使车轮自动转向，这里所使用的转向装置16是半线控转向型，其设有作为能独立于驾驶员转动转向盘的操作而对前轮的转向角进行控制的辅助转向装置的转向角可变装置24。

转向角可变装置24包括驱动电动机32，该驱动电动机32具有通过上部转向(管柱)轴22与转向盘14可操作地相连接的壳体24A和通过下部转向(管柱)轴26和万向节28与齿轮轴30可操作地相连接的转子24B。驱动电动机32在如下所述的电子控制装置34的控制下使下部转向轴26相对于上部转向轴22转动。如果在装置24的转动驱动运动中出现任何异常，则壳体24A和转子24B通过锁定装置(未示出)相互机械地锁定，从而防止上部转向轴和下部转向轴相对转动。为了控制转向角可变装置24的操作，转向盘14的转向角θ即上部转向轴22的转动角θ以及从上部转向轴22测量的下部转向轴26(壳体24A与转子24B之间)的相对(转动)角θre分别用角度传感器50和52检测。

动力转向装置16可采用液压动力转向型或电动转向型。然而，为了减小在自动转向控制期间从装置24传递到转向盘14的反作用转矩，优选使用齿条同轴(rack-coaxial)型的电动转向装置，它具有电动机和用于将电动机的转矩转换成齿条18的线性运动力的机构。

在各车轮上产生制动力的制动系统36具有包括贮油器、油泵和各种阀等(未示出)的液压回路38，装配在各个车轮上的轮缸40FL、40FR、40RL和40RR，以及响应于驾驶员对制动踏板42的踏下量致动的主缸44。在该制动系统中，每个轮缸内的制动压力以及进而作用在每个轮上的制动力可通过响应于主缸压力的液压回路38进行调整。每个轮缸内的制动压力也可如下所述的由电子控制装置34控制。为控制制动压力，可安装用于检测轮缸40FR-40RL中的压力Pbi(i＝fl，fr，rl，rr)的压力传感器60i(i＝FL，FR，RL，RR)。

控制转向角可变装置24和各个车轮的制动压力(制动力)的电子控制装置34可以是普通类型的，该电子控制装置包括具有利用双向公用总线互连的CPU、ROM、RAM和输入/输出端口装置的微计算机和驱动电路。如图1中所示，输入到控制装置34的信号是：转向盘14的转向角θ；下部转向轴的相对角θre；由车速传感器54检测的或从由轮速传感器(未示出)检测的轮速Vwi(I＝fl，fr，rl和rr，分别是前左、前右、后左和后右)获得的车速V；由横摆率传感器56检测的横摆率γ；由横向加速度传感器58检测的横向加速度Gy；以及轮缸40FR-40RL中的压力Pbi(i＝fl，fr，rl，rr)。

控制装置34通过自动转向控制和/或调整各个车轮上的制动力或压力执行转向器传动比控制以及稳定性控制。

对于转向器传动比控制，控制装置34通过电动机32的转动来控制转向角可变装置24以改变转向器传动比，即前轮的转向角与转向盘14的转动角的比值，从而提供预定转向特性。在操作中，首先，在控制器34的一部分中基于可用轮速Vwi计算的车速V，利用图2A中所示的曲线图确定用于达成预定转向特性的转向器传动比Rg。然后，目标转向角(暂定)δst可这样计算：

δst＝θ/Rg(1)

并且转向角可变装置24被致动以使前轮转向，从而将其转向角调整为δst。因此，在这种情况下，转向角可变装置24用作转向器传动比可变装置。

在这一点上，可将目标转向角(暂定)δst看成是等于θ/Rgo的与驾驶员的转向动作的实际量(转向盘14的转动角)相对应的转向角和用于获得预定特性的控制量之和。δst也可以是用于提高车辆运动的瞬时响应的转向角速度的函数。应注意的是，转向器传动比也可用本领域公知的其它方法确定。

对于抑制不足转向和过度转向趋势的稳定性控制，控制器34监控车身的实际横摆率γ与使用操作变量-转向角和车速-算出的目标横摆率γt的偏差。目标横摆率γt是在给定操作变量下对车辆的理论期望值，因此，实际横摆率γ与目标横摆率γt的偏差Δγ(＝γ-γt)表示实际工况与理论期望工况的偏差的程度：车辆行为的恶化程度。通过调整各制动力和/或转向车轮的转向角产生反向横摆转矩，以减低实际横摆率与目标横摆率之间的偏差。因此，在所示实施例中，使用横摆率作为转弯状态参数。

目标横摆率γt可作为车速V和转向角δb的函数，由下式给出：

$\mathrm{\γt}=\frac{1}{(1+\mathrm{\τ}\·s)}\·\frac{1}{1+K_h\·V^2}\·\frac{V}{H}\·\mathrm{\δb}---\left(2\right)$

其中，H是轴距；K_h是稳定性系数；τ和s是时间常数和拉普拉斯变换中的频率变量(拉普拉斯算子)。从其它地方可找到该公式的详细来源。

对于表达式(2)中的转向角的参数δb，在不执行自动转向时，可认为实际转向角δa与基于驾驶员转动转向盘的操作利用表达式(1)确定的暂定目标转向角δst一致。因此，在不执行自动转向时，可使用实际转向角δa作为表达式(2)中的参数δb。

然而，如果一旦起动用于稳定性控制的自动转向，则实际转向角δa就从暂定目标转向角δst变化。在这种情况下，由下式给出转向角可变装置24被命令要达成的目标转向角δt：

δt＝δst+Δδt(3)

其中，Δδt是用于抑制行为恶化的稳定性控制中的转向角的修正值。因此，实际转向角δa不总是与驾驶员转动转向盘的操作一致。因此，在本发明的装置中，在用于稳定性控制的自动转向的执行期间，可使用暂定目标转向角δst作为表达式(2)中的参数δb，从而使驾驶员的意愿总可以反映在目标横摆率中。

如果在转向装置或转向角可变装置24中出现不能进行自动转向控制的任何异常，则上部转向轴和下部转向轴相互锁止。在这种情况下，由于不能继续执行自动转向，所以将使用实际转向角δa作为表达式(2)中的参数δb。

在这一点上，如果在用于稳定性控制的自动转向的执行期间出现不能进行自动转向控制的任何异常，则表达式(2)中的参数δb将由暂定目标转向角δst转换为实际转向角δa。然而，因为通常实际转向角δa与δt(＝δst+Δδt)一致，所以参数δb的这种转换可能导致表达式(2)中的目标横摆率值γt发生突变。然后，为了避免参数δb和目标横摆率γt的这种突变，可对参数δb进行渐进(平滑)处理：使参数δb逐渐改变。在下文结合图2中的流程图所述的控制程序的各循环中，参数δb由下式给出：

δb＝R·δ_bn+(1-R)·δ_bn-1(4)

其中，δ_bn是要在当前循环中选择的转向角参数，δ_bn-1是在前一循环中选择用于计算目标横摆率γt的转向角参数。R是作为车速V的函数使用图4中的曲线图确定的0至1之间的过滤系数。从曲线图和表达式(4)中可以看出，随着车速的增加，抑制参数δb变化的作用也增加，这是因为在较高速度时应避免目标值的较大变化。根据表达式(4)，假设在某个循环中已选择暂定目标转向角δst作为参数并且在下一循环中选择实际转向角δa，则δb由R·δa+(1-R)·δst给出(后一项中的δst可在前一循环中由表达式(4)给出)。在控制程序的重复循环中可以一直执行该平滑处理。

图2的流程图示出用于在本发明的控制装置中达成车辆稳定性控制的示例性控制程序。在本实施例中，仅当检测到要抑制的过度转向趋势或者车身滑转(spinning)状况时，(与车轮上的制动力的调整一起)执行独立于驾驶员转动转向盘的操作的自动转向控制。如果检测到不足转向趋势，则与通常的车辆稳定性控制一样，仅通过制动力的调整来抑制不足转向趋势。这是因为，作用在不足转向车辆的前轮上的横向力经常是饱和的。此外，如果在转向装置中出现任何异常，则不执行自动转向控制。在这种情况下，即使当车辆过度转向时，也仅通过制动力的调整而执行稳定性控制。

参照图2，在车辆运行期间，可通过点火开关(图1中未示出)的闭合而开始控制程序，并以例如几毫秒的周期(循环时间)周期性地重复该控制程序。

在该程序中，首先读入上述信号(步骤10)，并使用图3所示曲线图通过表达式(1)确定暂定目标转向角δst(步骤20)。然后，在步骤30-40中，判定转向装置中是否出现任何异常(步骤30)以及在前一循环中是否执行通过自动转向的稳定性控制(步骤40)。如图所示，当未出现异常并且执行通过自动转向的稳定性控制时，选择暂定目标转向角δst作为要用于计算目标横摆率γt的转向角参数δb(步骤50)。否则，选择实际转向角δa作为转向角参数δb(步骤60)。实际转向角δa可由任何合适的传感器直接测量，或通过下式推定(估计)：

δa＝(θ+θre)/Rg(5)

然后，在步骤70中，使用上述表达式(4)执行对转向角参数δb的平滑处理，并在步骤80中使用表达式(2)计算目标横摆率γt。

然后，在步骤90中，通过判定实际横摆率与目标横摆率之差Δγ的绝对值是否超过一为小的正常数的基准值γo，来评价车辆行为的恶化程度。如果未超过，则不执行稳定性控制，从而将暂定目标转向角δst设定为目标转向角δt(并且不执行制动压力调整)(步骤100)。

如果|Δγ|≥γo，则表示行为恶化进一步加剧，在步骤110中例如通过评价(计算)Δγ·signGy的量而判定车辆是过度转向还是不足转向，其中，signGy是横向加速度的符号。如果Δγ·signGy＞0，则车辆过度转向；否则，车辆不足转向。

如果车辆过度转向，则在步骤120中计算反向横摆转矩Mt，以减低横摆率的偏差Δγ，并将该反向横摆转矩配分成两个分量：一个是要通过车轮上的制动力的调整而产生的Mbt；另一个是要通过自动转向(在步骤130中)而产生的Mst。可以通过本领域普通技术人员已知的一种合适方法进行该反向横摆转矩的配分。然后，在步骤140中，计算目标转向角修正值Δδt，并由表达式(3)给出目标转向角δt，从而产生反向横摆转矩分量Mst。

另一方面，如果车辆不足转向，则在步骤150中计算反向横摆转矩Mt，并在步骤160中将目标转向角δt设定为暂定目标转向角δst，因为在这种情况下不执行自动转向控制。将要通过车轮上的制动力的调整而产生的横摆转矩分量Mbt设定为反向横摆转矩Mt。

然后，在步骤170中，计算各个车轮上的制动压力的修正值ΔPbti(i＝fl，fr，rl和rr)，以便通过本领域普通技术人员已知的一种合适方式产生横摆转矩分量Mbt。

最后，将转向角调整为目标转向角δt(步骤180)，并在步骤190和200中执行制动压力控制。在步骤190中，各车轮的制动压力Pbti可由例如下式给出：

Pbti＝Ki·Pm+ΔPbti(6)

其中，Pbti、Ki分别是各车轮的目标制动压力和转换系数；Pm是主缸压力。应注意的是，只要产生分量Mbt，就可以以本领域已知的任何其它方式执行制动压力控制。步骤190和200可以在步骤180之前执行。

在执行完步骤200后，控制程序返回到开始，并开始下一循环。

在上述程序中，应注意的是，仅当在前一循环中执行自动转向控制时选择暂定目标转向角δst作为转向角参数δb。如果在前一循环中没有执行自动转向控制或自动转向控制停止，则采用实际转向角δa作为转向角参数δb来计算目标横摆率γt。

在这一点上，通常使实际转向角δa与暂定目标转向角δst基本一致。因此，在没有任何异常的正常状况下，可总是选择暂定目标转向角δst作为转向角参数δb。然而，当在转向装置的运动中出现异常时，通常上部转向轴和下部转向轴锁定在任何非中间位置，即θre≠0的位置。在这种情况下，暂定目标转向角δst与实际转向角δa显著地不同。因此，当在转向装置中出现任何异常时，总是选择实际转向角δa作为转向角参数δb。

此外，应注意的是，在执行自动转向控制的情况下选择暂定目标转向角δst还可以补偿转向装置在自动转向控制期间的致动的机械延迟。在自动转向控制期间，可能要求转向装置(在每一个循环中以较大的量)相对快地致动前轮的横拉杆。在这种情况下，实际转向角δa的运动可能相对于目标转向角δt的变化延迟。然而，如果使用暂定目标转向角δst计算目标横摆率γt，则实际转向角δa的运动的延迟不会影响该计算(而且转向装置的后续动作会得到改善)。

虽然上述程序被设计成总是执行用于参数δb的平滑处理，但可以仅在发生参数的转换和/或参数的过度变化时执行该处理。然而，由于实际转向角δa的变化和修正值Δδt通常是平滑的，所以参数δb的变化不会被过度地平滑。

此外，如图5所示，所述程序可被设计成仅当各反向横摆转矩分量Mst、Mbt的大小超过相应的基准值Msto、Mbto(＞0)时执行自动转向控制和/或制动力的调整。

尽管已结合本发明的优选实施例及其一些局部变型详细说明了本发明，但本领域技术人员显然可以在本发明的范围内对所示实施例进行其它各种变型。

例如，本发明的控制装置可在前轮驱动车辆和四轮驱动车辆中使用。对于转向装置，可使用全线控转向型动力转向系统。此外，自动转向控制可应用于使后轮转向。

Claims (1)

1.一种用于控制具有车身、车轮以及可独立于驾驶员的转向操作使车轮转向的转向装置的车辆的行为的装置，该装置包括：基于驾驶员的操作量和预定转向特性计算车轮的暂定目标转向角的部分；检测转弯状态参数的实际值的检测器；计算所述转弯状态参数的目标值的部分；计算用于在实际转弯状态参数与其目标值的偏差的大小达到或高于一基准值时减低该偏差的大小的车轮的目标转向角的部分；以及基于所述目标转向角控制转向角的部分；其中，在基于所述目标转向角控制所述转向角的执行期间，所述目标转弯状态参数计算部分基于所述暂定目标转向角计算所述转弯状态参数的目标值，以及其中，基于所述目标转向角控制转向角的部分包括转向角可变装置(24)，该转向角可变装置(24)包括用于使下部转向轴(26)相对于上部转向轴(22)转动的驱动电动机(32)。

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