CN101565043A

CN101565043A - 横摆稳定性控制系统

Info

Publication number: CN101565043A
Application number: CNA2009100004139A
Authority: CN
Inventors: 约翰·赫尔登; 本杰特·杰考布森; 内纳德·拉齐克
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Volvo Car Corp
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2009-01-06
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2029-01-06
Also published as: EP2112053A1; US8073608B2; CN101565043B; US20090271074A1; EP2112053B1

Abstract

本发明涉及一种用于装备有电动助力转向的车辆的横摆稳定性控制系统及其控制方法。该系统包含用于确定发生转向不足的装置(10)；用于在确定发生转向不足之后确定转向不足的角度的装置(20)；用于确定转向不足的角度是否超过阈值的装置；用于在确定计算的方向盘扭矩的下降(8)超过阈值时保存方向盘扭矩值和方向盘转角值的装置(30)；用于计算方向盘差值扭矩(3)、方向盘转角差值(9)并在差值扭矩计算的开始时更新方向盘转角(6)的装置；用于将计算的方向盘差值扭矩(3)应用至车辆的转向的装置；用于计算驾驶员意图的方向盘转角(5)并使用它来控制车辆的横摆稳定性控制运转的装置。

Description

横摆稳定性控制系统

技术领域

根据权利要求1的前序部分，本发明涉及用于装备有电动助力转向的车辆的横摆稳定性控制系统。此外，根据权利要求16的前序部分，本发明涉及控制装备有电动助力转向的车辆的横摆稳定性控制系统的方法。

背景技术

目前存在数种用于增加车辆驾驶员的驾驶能力的车辆控制系统。这些控制系统包括防抱死制动系统(ABS)、牵引力控制系统(TCS)和稳定性控制。示例稳定性控制系统为电子稳定性控制(ESC)系统或有时称为横摆稳定性控制(YSC)系统。这种类型的系统有时也称为电子稳定性程序(ESC)系统或动态稳定性牵引力控制(DSTC)系统。

稳定性控制系统用于维持受控稳定的车辆运转用于改善的车辆和乘客安全。稳定性控制系统经常用于在维持车辆的控制以防止车辆打滑并在转弯时帮助驾驶员维持方向稳定性。如果检测到侧向滑动或横向滑动则通过ABS系统启动该功能以制动一个或多个车轮。

更加具体地，上述横摆稳定性控制系统通常比较基于方向盘转角的驾驶员所需的车辆朝向与从位于车辆上的运动传感器确定的行驶路径。通过调节车辆每个拐角处的制动量与车辆的牵引力，可以维持期望的行驶路径。

现有的稳定性控制系统设计用于修正由轮胎力扰动(例如由于道路表面扰动或由于驾驶员的驾驶意图与道路表面条件不匹配的轮胎力差异)造成的不需要的车辆运动。这种不匹配常常在应用至车辆的前轮胎横向力和后轮胎横向力之间存在较大不同(称为横向轮胎力差异)或左轮胎纵向轮胎力和右轮胎纵向轮胎力之间存在较大不同(称为纵向轮胎力差异)或二者的组合时发生。这种轮胎力差异称为轮胎力扰动。

现有的横摆稳定性控制系统对控制由于上述的轮胎力扰动的不需要的车辆运动是有效的。横摆稳定性控制系统激活制动器、减少发动机扭矩、或改变个别车轮或车桥的驱动扭矩以便产生主动轮胎力差异以抵消轮胎力扰动的效果。即控制机构和车辆扰动来自于相同的来源：轮胎力变化或轮胎力差异。

例如，当高速驾驶车辆通过弯道时，车辆可使其前轮受到饱和的侧向反作用力，这样存在前后轮胎横向力差异。这种轮胎力扰动会产生横摆力矩扰动，其导致车辆转向比驾驶员要求的少。这称为转向不足情况。当使用现有的横摆稳定性控制系统时，制动内侧后轮以增加纵向力来产生横摆力矩以抵消由轮胎力扰动根据前后轮胎横向力差异产生的横摆力矩扰动。

然而，该制动干预常常被作为横摆率误差的函数来执行，其中横摆率误差确定为横摆率目标和感应到的横摆率的差异。通常使用非线性的所谓自行车模型从可被认为指示驾驶员意图的方向盘转角和车辆速度计算横摆角目标。根据轮胎与路面的摩擦补偿该自行车模型为非线性。

有经验的驾驶员对方向盘的扭矩反馈比较敏感。即使对于更大的方向盘转角，方向盘扭矩会在经过摩擦峰值的位置前降低。有经验的驾驶员可使用这种通过方向盘提供的信息来在前桥上执行补偿性转向以便以最佳方式利用轮胎与路面的摩擦。

然而，这种有经验的驾驶员的驾驶会在横摆稳定性控制系统中导致常常低于横摆稳定性控制系统的阈值的小的横摆率误差，因此横摆稳定性控制系统将不会执行横摆稳定性控制干预。因而，将不会以最佳方式使用车辆后桥轮胎与道路的摩擦。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种改进的用于装备有电动助力转向的车辆的横摆稳定性控制系统，通过该系统可以更加有效地在所有车桥上使用车辆的轮胎与路面摩擦。

依照本发明的第一个方面根据权利要求1实现了该目的，其描述了该用于装备有电动助力转向的车辆的横摆稳定性控制系统包含：用于确定发生转向不足的装置；用于在确定发生转向不足之后确定转向不足的角度的装置；用于确定转向不足的角度是否超过阈值的装置；用于在确定已确定的转向不足的角度超过阈值时保存方向盘扭矩值和方向盘转角值的装置；用于计算方向盘差值扭矩、方向盘转角差并在差值扭矩计算的开始时更新方向盘转角的装置；用于将计算的方向盘差值扭矩应用至车辆的转向的装置；用于计算驾驶员意图的方向盘转角并使用它来控制车辆的横摆稳定性控制运转的装置。

本发明的进一步目的在于提供一种改进的控制装备有电动助力转向的车辆的横摆稳定性控制系统的方法，通过该方法可更加有效地在所有车桥上使用车辆的轮胎与道路的摩擦。

依照本发明的第二个方面根据权利要求16实现了该目的，其描述了该控制装备有电动助力转向的车辆的横摆稳定性控制系统的方法包含下列步骤：确定发生转向不足；在确定了发生转向不足之后确定转向不足的角度；确定转向不足的角度是否超过阈值；在确定转向不足的角度超过阈值时保存方向盘扭矩值和方向盘转角值；计算方向盘差值扭矩和方向盘转角差值并在差值扭矩计算的开始时更新方向盘转角；将计算的方向盘差值扭矩应用至车辆的方向盘；计算驾驶员意图的方向盘转角并使用它来控制车辆的横摆稳定性控制运转。

附属权利要求中列出了其它实施例。

应了解本发明的特征可以任何组合方式组合而不脱离由权利要求限定的本发明的范围。

附图说明

现仅以示例的方式参考附图描述本发明实施例，其中：

图1为显示了作为方向盘转角的函数的方向盘扭矩的的示意图，图示说明了根据本发明的计算。

图2为说明了依照本发明的系统的不同状态的分离状态图表。

具体实施方式

从下面结合附图的详细说明中，本发明的其它目的及特征将变得显而易见。然而应了解，附图仅仅设计用于说明目的而并非作为对本发明的限定，本发明的范围限定应当参考所附权利要求。应进一步了解附图并不需要按比例绘制，且除非有所指示，否则其仅意味着概念性地说明本文描述的结构和步骤。相同的附图标记将用于说明不同附图中的相应特征。

本发明基于这样一种事实，即车辆驾驶员通过触觉感觉以驾驶员知道对应于曲率与车速的某一组合的扭矩这样的方式对方向盘扭矩非常敏感。因此，方向盘扭矩是指示转向意愿即驾驶员意图的方法。支持这一观点的论据在于几乎不可能在方向盘中没有任何扭矩反馈的情况下驾驶车辆。有一种普遍的认识即方向盘中的扭矩反馈改进了车辆的操作，并因此非常重要。

最普通的方向盘扭矩反馈效果是驾驶员扭矩随着车辆上的横向加速度的增加而增加(其导致方向盘似乎变重了)和当车辆达到转向不足时方向盘扭矩的突然下降8(这样方向盘似乎变得轻了很多)。这种方向盘扭矩下降经常被称为轮胎拖距效应。

现有的横摆稳定性控制系统用于控制由于例如转向不足的不需要的车辆运动。为了影响这种控制，制动车辆的内侧后轮以增加纵向力并减少制动的车轮的横向力来产生横摆力矩以抵消由于前后轮胎横向力差异的由轮胎力扰动产生的横摆力矩扰动。在现有技术横摆稳定性控制系统中这种制动干预常常被当作横摆率误差的函数来执行。

然而，尽管有经验的驾驶员可基于通过方向盘提供的方向盘扭矩反馈来执行补偿转向，这种补偿转向可在横摆稳定性控制系统中导致常常低于横摆稳定性控制系统的阈值的小的横摆率误差，因此现有技术横摆稳定性控制系统不会执行稳定性控制干预。其结果便是将不能以最佳方式使用车辆的后桥轮胎路面摩擦。

电动助力转向系统在本领域中众所周知。使用例如齿条和小齿轮传动装置将转向柱连接至转向桥的电动助力转向系统通过使用电动马达提供电动助力以对连接至小齿轮的转向轴应用旋转力或对其上具有齿条齿的转向部件应用线性力。通常响应驾驶员对车辆方向盘应用的扭矩和感应到的车速控制这种系统中的电动马达。

图1为对于某一速度将方向盘扭矩(SWT)作为方向盘转角(SWA)的函数来显示的示意图。最高处的虚线1指示当前轮保持在最大横向侧力区域中的方向盘扭矩，例如没有转向不足的自行车模型中的方向盘扭矩。实线2显示了当前轮受到饱和的最大横向侧力时的方向盘扭矩，例如在转向不足时后车中的方向盘扭矩。

根据本发明——在转向不足的情况下(实线2)——建议使用电动助力转向系统在方向盘上应用差值扭矩(ΔTq)3并因此增加方向盘扭矩以导引驾驶员不过度旋转方向盘而且向横摆稳定性控制系统提供指示驾驶员意图的方向盘转角5。因此根据本发明确保了在横摆稳定性控制系统能够在后桥上提供高干预(例如通过激活制动器、减小发动机扭矩、或改变独立车轮或车桥处的驱动扭矩)的同时实现对前桥处轮胎道路摩擦的完全利用。

图1的粗黑虚线显示了应用在方向盘上的差值扭矩(ΔTq)3的效果。从差值扭矩(ΔTq)3开始的点起的较低的虚线1b指示当前轮留在最大横向侧力区域中时的方向盘扭矩时。

驾驶员意图的方向盘转角5计算为如基于虚线1b(如图1中指示的)的相应于对于高轮胎道路摩擦的当前方向盘扭矩的角度。驾驶员意图的方向盘转角5而非实际的方向盘转角7将被发送给横摆稳定性控制系统并发送至例如制动控制系统上。横摆稳定性控制系统随后将在完全利用前桥轮胎与道路摩擦的同时给予后桥制动干预。从而，将增加转向不足情况下的稳定性。

图2为说明了根据本发明的系统的不同状态的分离状态图表。

在第一状态10，为了检测转向不足，假设一些具体的车辆物理参数，使用自行车模型以从车速和方向盘转角估算横摆率和横向加速度。尽管自行车模型给出了车辆如何以稳定状况运转的信息，横摆率和横向加速度的传感器值说明了车辆实际上是如何运转的，无论其是稳定的还是转向不足。通过比较自行车模型和传感器值可以断定车辆是否处于转向不足。

在后面的描述中将使用下列定义：

差值扭矩(ΔTq)(图1中指定为3)为应用在方向盘上的导引力矩。

转角差(ΔAn)(图1中指定为9)为增加至实际SWA的角度以指示驾驶员意图。(SWA_意图＝SWA_实际+转角差)

为来自自行车模型的横摆率。

为来自车辆传感器的测量的横摆率。

下面的概念性算法用在第一状态10中以检测转向不足：

如果

| {\overset{\cdot}{ψ}}_{mdl} - {\overset{\cdot}{ψ}}_{meas} | > δ_{thres_understeer}

则检测到转向不足

否则未检测到转向不足

其中δ_{thres_understeer}为依赖于车速的阈值，即δ_{thres_understeer}＝f(v)。应注意，上述算法为概念性的且主要意图提供对用于确定转向不足的量的变量的理解，并且可以其它本领域技术人员已知的方式执行对转向不足的检测并将其合并入本发明。

如果驾驶员继续在达到转向不足的传统车辆中转向，方向盘扭矩将下降，称为轮胎拖距效应。根据本发明，一旦检测到转向不足，在应用转向不足差值扭矩3之前允许小的扭矩下降。这是为了允许有经验的驾驶员避免过大的转向不足而不受来自转向不足算法的差值扭矩3影响。

一旦检测到发生转向不足则在状态10中确定转向不足的角度。在第一实施例中，在第二状态20中通过在转向不足发生时的方向盘扭矩和当前方向盘扭矩的差异检测扭矩下降Tq_drop。如果扭矩下降Tq_drop超过阈值则该计算前进至状态30，否则其转移回状态10。

在第二替代实施例中，在第二状态20中通过来自自行车模型的横摆率和来自车辆传感器的测量到的横摆率之间的差异确定横摆率误差。如果横摆率差异超过阈值则该计算前进至状态30，否则其转移回状态10。

在第三替代实施例中，在第二状态20中通过来自自行车模型的理想转向齿条力和来自车辆传感器的测量到的转向齿条力之间的差异确定转向齿条力。如果转向齿条力的差异超过阈值则该计算前进至状态30，否则其转移回状态10。作为其变形，在第三替代实施例中也可使用小齿轮扭矩。

为了计算方向盘差值扭矩3SWA_{dTq_start}，需要例如在差值扭矩的计算开始时方向盘转角6的值。因此，在第三状态30中保存此时的方向盘扭矩值和方向盘转角值，随之其转移至第四状态40。

在第四状态40中，计算方向盘差值扭矩3和方向盘转角差。

方向盘差值扭矩3是自差值扭矩计算的开始6起的方向盘转角变化的线性函数。在第二或第三替代实施例的情况下，每个差值扭矩计算开始时的方向盘转角6将通过使用横摆率误差或转向齿条力的改变而连续更新。方向盘差值扭矩计算为与起始转角的方向盘转角差异乘上可调增益k。通过使用合适的常数T为差值扭矩平稳地限定最大值。

ΔTq＝sat((SWA_actual-SWA_{dTq_start})*k，-T，T)

方向盘转角差9说明了将需要多大的附加转角以获得驾驶员意图的方向盘转角5，其中假定高的轮胎与道路摩擦且没有差值扭矩补偿。

从线性自行车模型使用差值扭矩(ΔTq)、扭矩对于横向加速度的导数(dTq/da_y)、车速(v)和横摆率与方向盘转角之间的准静态比例

来计算方向盘转角差9，

\overset{\cdot}{ψ} * v = a_{y}

&DoubleRightArrow; Δ \overset{\cdot}{ψ} * v = Δ a_{y}

&DoubleRightArrow; (ΔAn * k_{\frac{d \overset{\cdot}{ψ}}{dSWA}}) * v = \frac{ΔTq}{dTq / d a_{y}}

只要检测到发生转向不足就应用转向不足差值扭矩3以导引驾驶员甚至在转向不足时也不要旋转方向盘，并且将驾驶员意图的方向盘转角5发送至横摆稳定性控制系统且例如发送到制动控制系统上，其随后将在完全利用前桥轮胎与道路摩擦的同时给予后桥制动干预。如果没有检测到转向不足的发生则状态40转移至状态10。因此，根据本发明，将增加转向不足情况下的稳定性。

根据本发明还设想了一种机动车辆，其包含如上所述的横摆稳定性控制系统。

此外，根据本发明还设想了一种控制用于装备有电动助力转向的车辆的横摆稳定性控制系统的方法。根据本发明该方法包含下列步骤：确定发生转向不足；在确定了发生转向不足之后确定转向不足的角度；确定转向不足的角度是否超过阈值；在确定转向不足的角度超过阈值时保存方向盘扭矩值和方向盘转角值；计算方向盘差值扭矩和方向盘转角差值并在差值扭矩计算的开始时更新方向盘转角；将计算的方向盘扭矩应用至车辆的方向盘；计算驾驶员意图的方向盘转角并使用它来控制车辆的横摆稳定性控制运转。

本发明的原理可用于在一个或多个车辆车轮触发转向不足制动干预，以便于产生修正横摆力矩的过程以及用于使车辆减速。此外，本发明的原理还可用于进一步触发横摆率稳定性控制运转例如减少发动机扭矩或改变在个别车轮或车桥处的驱动扭矩。

因此，如上所述根据本发明实现了用于车辆的改进的横摆稳定性控制系统，其允许有经验的驾驶员基于通过方向盘提供的方向盘扭矩反馈执行补偿转向，同时确保稳定横摆稳定性控制干预例如制动干预，这样可更有效地在两个车桥上使用车辆的轮胎与道路的摩擦。

可以对前面描述的本发明实施例进行修改而不脱离有权利要求限定的本发明的范围。

用于描述和主张本发明的例如“包括”、“包含”、“合并”、“由……组成”、“具有”、“是”的表达意图以非排他方式解释，即还允许未被明确描述的项目、部件或元素存在。参照单数描述的也可被理解为涉及复数的，反之亦然。

所附权利要求中的括号内包括的数字意图帮助对权利要求的理解，且不应当以任何方式解释为限制这些权利要求所要求保护的主题。

因此，尽管已经显示、描述并指出了应用于本发明优选实施例的本发明的主要新颖性特征，应了解本领域技术人员可在所说明装置的形式和细节以及其操作上做出各种省略、替换和变化。例如，显然那些元件和/或以基本相同方式执行基本相同功能从而达到基本相同结果的方法步骤的所有组合都在本发明的范围之内。而且应当意识到，与本发明的任何公开形式或实施例相联系而显示和/或描述的结构和/或元件和/或方法步骤均可以结合到任何其它的公开或描述或启示的方法或实施例中，以作为设计选择的方案。因此，本发明旨在由所述权利要求的范围限定。

Claims

1.一种用于装备有电动助力转向的车辆的横摆稳定性控制系统，其特征在于，所述系统包含：用于确定发生转向不足的装置(10)；用于在确定发生转向不足之后确定转向不足的角度的装置(20)；用于确定转向不足的角度是否超过阈值的装置；用于在确定转向不足的角度超过阈值时保存方向盘扭矩值和方向盘转角值的装置(30)；用于计算方向盘差值扭矩(3)、方向盘转角差值(9)并在差值扭矩计算的开始时更新方向盘转角(6)的装置(40)；用于将计算的方向盘差值扭矩(3)应用至车辆的转向的装置(40)；用于计算驾驶员意图的方向盘转角(5)并使用它来控制车辆的横摆稳定性控制运转的装置(40)。

2.根据权利要求1所述的横摆稳定性控制系统，其特征在于其进一步包含与所述用于确定转向不足的角度的装置一样的用于在确定转向不足后计算方向盘扭矩的下降(8)的装置。

3.根据权利要求2所述的横摆稳定性控制系统，其特征在于所述用于确定转向不足的角度是否超过阈值的装置包含用于确定所述计算的方向盘扭矩下降(8)是否超过阈值的装置。

4.根据权利要求2或3中任一项所述的横摆稳定性控制系统，其特征在于所述用于计算方向盘扭矩的下降(8)的装置设置用于从当检测到转向不足时的方向盘扭矩和当前方向盘扭矩之间的差异计算所述方向盘扭矩下降(8)。

5.根据权利要求1所述的横摆稳定性控制系统，其特征在于其进一步包含与所述用于确定转向不足的角度的装置一样的用于在确定转向不足后计算横摆率误差的装置。

6.根据权利要求5所述的横摆稳定性控制系统，其特征在于所述用于确定转向不足的角度是否超过阈值的装置包含用于确定所述横摆率误差是否超过阈值的装置。

7.根据权利要求1所述的横摆稳定性控制系统，其特征在于其进一步包含与所述用于确定转向不足的角度的装置一样的用于在确定转向不足后计算转向齿条力的改变的装置。

8.根据权利要求7所述的横摆稳定性控制系统，其特征在于所述用于确定转向不足的角度是否超过阈值的装置包含用于确定所述转向齿条力的改变是否超过阈值的装置。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的横摆稳定性控制系统，其特征在于所述方向盘差值扭矩(3)为自方向盘差值扭矩计算开始(6)时起的方向盘转角的改变的线性函数。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的横摆稳定性控制系统，其特征在于所述方向盘差值扭矩(3)计算为ΔTq＝sat((SWA_actual-SWA_{dTq_start})*k，-T，T)，其中T平稳地为所述方向盘差值扭矩限定最大值。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的横摆稳定性控制系统，其特征在于在高轮胎与道路摩擦(1b)和没有方向盘差值扭矩补偿的假设下计算所述方向盘转角差(9)。

12.根据权利要求11所述的横摆稳定性控制系统，其特征在于从线性自行车模型使用差值扭矩(ΔTq)、扭矩对于横向加速度的导数(dTq/da_y)、车速(v)和横摆率与方向盘转角之间的准静态比例

来计算所述方向盘转角差(9)。

13.根据权利要求11所述的横摆稳定性控制系统，其特征在于从下列公式计算所述方向盘转角差(9)：

\overset{\cdot}{ψ} * v = a_{y}

&DoubleRightArrow; Δ \overset{\cdot}{ψ} * v = Δ a_{y}

&DoubleRightArrow; (ΔAn * k_{\frac{d \overset{\cdot}{ψ}}{dSWA}}) * v = \frac{ΔTq}{dTq / d a_{y}}

14.根据前述权利要求中任一项所述的横摆稳定性控制系统，其特征在于使用电动助力转向系统作为将计算的方向盘差值扭矩(3)应用至所述车辆的转向装置的装置。

15.一种机动车辆，其特征在于其包含根据前述权利要求中任一项所述的横摆稳定性控制系统。

16.一种控制用于装备有电动助力转向的车辆的横摆稳定性控制系统的方法，其特征在于其包含下列步骤：

确定发生转向不足；

在确定了发生转向不足之后确定转向不足的角度；

确定转向不足的角度是否超过阈值；

在确定转向不足的角度超过阈值时保存方向盘扭矩值和方向盘转角值；

计算方向盘差值扭矩和方向盘转角差值并在差值扭矩计算的开始时更新方向盘转角；

将计算的方向盘差值扭矩应用至车辆的方向盘；

计算驾驶员意图的方向盘转角并使用它来控制车辆的横摆稳定性控制运转。