CN101823502B - 用于控制车辆转向系统的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制车辆转向系统的装置和方法，其中转向系统具有多个子系统(111、112、113、114......)，每个子系统被配置为将至少一个转向请求引向转向系统。该装置具有裁定和限制逻辑(130)，根据不同子系统(111，112，113，114，...)的驾驶状况，该裁定和限制逻辑(130)将引向转向系统的转向请求进行优先次序排序，并且以不超出转向系统所施加的预定的转向扭矩的总体水平的方式抑制可能同时发生的转向请求。

Description

用于控制车辆转向系统的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制车辆转向系统的装置和方法。

背景技术

未来的驾驶辅助系统和主动安全装置必须能通过电子控制器影响转向系统。转向中的自由度通常包含转向位置(车轮的角位置)和转向感觉(手动/方向盘扭矩)。该两个自由度都能由适宜的执行器控制，这通常称为ECS(电子可控控制系统)。ECS系统(其中转向位置能独立于驾驶员的输入而被控制)的例子是主动转向系统(AFS，即“主动前转向(ActiveFront Steering)”)，“线控转向系统”(其中转向指令专门通过电子手段传递到执行转向指令的驱动器，也简称为SbW系统)，以及具有转向后轴的系统(RAS，即“后轴转向(Rear Axle Steering)”)。

如果驾驶员不对车辆的横向运转状态施加任何影响(也就是说，比如他把手从方向盘上移开)，则转向位置控制能够通过控制转向扭矩的附加的转向系统来执行，比如在电力辅助转向系统(EPAS，即“电动助力转向(Electric Power-Assisted Steering)”)的情况下。EPAS系统或组合，比如，AFS/SbW系统与EPAS系统的组合能够实现转向感觉/扭矩控制过程。在这种情况下，驾驶员也施加一定的转向扭矩，应当将其考虑至控制架构中。此外，电动液压辅助转向系统(EHPAS，即“电动液压助力转向(Electro-Hydraulic Power-Assisted Steering)”)能够辅助转向扭矩，但是，这通常发生在控制范围内，与EPAS系统相比，该控制范围通常是受到限制的。

在车辆未来的发展中，需要同时包括不同的转向功能，特别是甚至在用于转向位置和转向扭矩的控制回路(control loops)同时发出指令的情形下。

一个特有的问题产生了，即尽管每个单独的系统相对于特定驾驶状态和/或驾驶员输入检查其开启，但是相互之间不直接兼容的多个系统会同时请求开启。此外，可能发生这种情况，即尽管每个单独的系统监视着由各自系统生成的角度请求或扭矩请求，但是生成的角度或扭矩的总值超过特定的极限值，该极限值是由驾驶员方面的可操控性预先设定的。不正确的裁定和限制会增加不舒适的转向状态，在最坏的情况下甚至会导致普通水平的驾驶员失去对转向系统的控制的情形。

US 7 263 419 B2号专利公开了一种用于车辆的控制系统，该车辆具有驾驶员输入、控制开启装置和控制处理器，该控制处理器配置成处理驾驶员输入、得出当前驾驶员请求并根据驾驶员请求使用控制开启装置控制车辆。

US 7 243 014 B2号专利公开了一种集成的车辆控制系统，其具有多个控制单元，该多个控制单元包含至少一个驱动系统控制单元和一个制动系统控制单元，该两者每个都具有开环/闭环控制功能、处理单元和记录(registration)部分，其中，开环/闭环控制是基于开启请求对车辆的驾驶状态的控制；处理单元用于在车辆移动一定距离或移动到一个位置(该距离或位置是基于驾驶员的视觉信息而设定的)时生成用于在每个控制单元使用的信息，并用于向每个控制单元输出生成的信息；寄存部分用于记录关于至少一个控制单元的操作请求。

现有技术中已知的其它解决方法包括称为多输入多输出(Multi-InputMulti-Output，简称MIMO)概念的方法，其中互相耦合的多个控制回路通过中央控制器来控制。即使不同的功能(假定单个系统的最大功能)能够通过这样的概念来控制，甚至是在多系统同时开启的情况下，在管理发向转向系统的同时请求的过程中，还是会出现各种各样的不利因素。一方面，这种情况可能出现在MIMO概念不能完全覆盖非线性的情况中。此外，中央MIMO控制器的建立大大增加了调节复杂性。如果增加或移除某个系统，就必须重新调节整个MIMO控制器。另外，相对于参数变化(如由于老化过程)的中央MIMO控制器的鲁棒性小于具有单个输出的控制回路的情况下的鲁棒性。

发明内容

针对上述背景技术，本发明的目的是提供一种用于控制车辆转向系统的装置和方法，通过该装置和方法，能够根据车辆的状态和当前驾驶风格协调发向转向系统的不同请求。

该目的通过具有独立权利要求1的特征的装置和具有独立权利要求7的特征的方法来实现。

一种用于控制车辆转向系统的装置，其中，转向系统具有多个子系统，每个子系统配置为将至少一个转向请求引至转向系统，转向系统还具有裁定和限制逻辑，其根据不同子系统的驾驶状况，将引至转向系统的转向请求按优先次序排序，并且以不超出转向系统所施加的预定的转向扭矩的总体水平的方式，抑制可能同时发生的转向请求。

根据本发明，发向转向系统的不同请求接受裁定或按优先次序排序，以根据车辆状态和当前驾驶风格来互相协调这些转向功能。此外，根据本发明，为了确保在所有驾驶条件下的功能可靠性，实施到达一定程度或级别的转向干预的限制，该限制可以由驾驶员控制或处理，并且适宜时，在该限制处，同时发生的请求被限制到对功能的不利影响最小的总体可接受的水平内。

本发明的裁定和限制逻辑特别能够在电子可控控制系统(ECS)系统的电子控制单元(ECU)内部实现，因为外部请求必须与生成典型转向感觉的内部转向功能相协调。作为对此的一种选择，使用其他控制模块也是可行的。

特别地，本发明的主题是用于外部转向请求的裁定和限制逻辑。这些外部转向请求通常根据(测量或估算的)驾驶状态来计算。这些请求可以包含大量的信号波形。

本发明特别提供一种裁定和限制逻辑，其独立于子系统和输出各自转向请求的函数的数学描述(例如以代数微分方程、神经网络、模糊逻辑等形式)。本发明的逻辑能够根据功能请求容易地实施和调整。模块设计相对于参数变化提供鲁棒性。

在上下文中，本发明集中式裁定和限制逻辑使得多种驾驶辅助功能和/或安全功能的组合成为可能，其中，驾驶员在所有驾驶状态下都不会脱离可操控性的范围。

裁定和限制逻辑最初以执行器的信号电平来定义，因此，在EPAS系统的情况下，这基于电动机所施加的扭矩来进行。为此，在进行裁定和限制处理之前，在专门为该目的提供的控制回路中，将基于角度的请求转换为基于扭矩的请求。相比之下，在基于角度的执行器的情况下，如在AFS系统的情况下，裁定和限制逻辑是基于角度进行的，结果是首先相应地转换逻辑的其他请求。

在说明书和从属权利要求中可以发现更多的改进。

附图说明

下文利用优选的示例性实施例并参照附图，对本发明进行更详细地说明。

图1为解释裁定和限制逻辑基本集成到根据本发明的方法中的示意图。

图2为解释裁定和限制逻辑的模块化设计的简图。

图3为解释说明图2中裁定和限制逻辑的“网关和限制器”模块设计的简图。

图4为解释图2中裁定和限制逻辑中出现的裁定单元的运行方法的简图。

图5为解释本发明的方法中所使用的裁定规则库的图表。

图6为解释本发明的方法中所使用的解除开启规则库的图表。

图7为解释图2中裁定和限制逻辑中的整体扭矩限制器的设计的简图。

图8为解释图7中整体扭矩限制器中的中央限制单元的设计的简图。以及

图9-13为解释图2中裁定和限制逻辑的运行方法的简图。

具体实施方式

图1以示意图的形式首先展示了裁定和限制逻辑130在多个子系统111、112、113......以及扭矩控制器140之间的基本集成。

根据示例性的实施例，子系统111、112、113......包含SAPP(Semi-Automatic Parallel Parking，半自动平行停车)系统111、PDC(Pull-Drift Compensation，拉漂移补偿)系统112、TSC(Torque-SteerCompensation，扭矩转向补偿)系统113、NDA(Nibble Detection Algorithm，半字节检测算法)系统，和DSR(Driver Steer Recommendation，驱动转向推荐)系统(未示出)，以及LDW(Lane Departure Warning，车道偏离警告)系统。

特别地，裁定和限制逻辑130执行以下任务：

根据驾驶状况确定系统干预，

确定子系统的优先次序，

以对所有驾驶状况都最佳的方式开启/解除开启每个子系统，

与子系统通信以交换各自的状态，

处理不同区域中的子系统请求：转向角度、方向盘扭矩和转向参数变化请求，

子系统之间平缓的和/或渐进的过渡，

抑制任何可能由子系统的组合引起的故障(比如不期望的振动)，

确保在所有驾驶状况下都不超出驾驶员可操控性的极限，

感测驾驶员释放方向盘的情形，

使调节的复杂性最小化，以及

协调多个子系统，该多个子系统以这样的方式分析相同的车辆信号：一个子系统的开启不会对其他子系统造成不利影响。

根据图2，本发明的裁定和限制逻辑130具有模块化设计，具体地，其包含下述功能块：

用于每个子系统的网关和限制模块211、212、213......

裁定装置220，

整体扭矩限制器230，以及

模式和故障处理器240

根据图2，分别指定给各个子系统的网关和限制模块211、212、213......接收来自相关子系统的请求，输出具有各自状态信息项的响应，并且，如果需要的话，将输出值限制在预定的范围内。与此同时，各个网关和限制模块211、212、213......将各自子系统的状态传送至中央裁定单元220，并从其接收开启/解除开启决定。“网关和限制器”概念是并行可用的，以将EPAS的不同输入信号电平(如方向盘扭矩基础)考虑在内。更进一步的“网关和限制器”信号流辅助转向系统参数的直接改变。在裁定和限制过程发生之前，必要的转向角度改变在闭合控制回路中进行处理，其中，向“网关和限制器”模块提供扭矩请求。更多的子系统可以集成到该设计中，而无需明显的调整支出。

在进一步的说明中，具体地，参照EPAS执行器的具体例子。

图3表示“网关和限制器”模块211的设计，具体地，其包含用于限制请求的绝对值和比率(例如“扭矩极限值”，“比率极限值”)的模块。另一个块211c(“淡入/淡出(fade-in/out)”)执行对转换过程的监视，而与系统的交换通过通信块211d进行。此外，在独立的模块211e中，收集与扭矩比率或扭矩极限值故障相关的信息。

根据图4，裁定单元220具有裁定规则库220a，其作出关于系统干预和优先次序的决定，裁定单元220还有独立的解除开启规则库220b，用于正确地解除开启系统和故障内存。在由于超出可控范围而异常终止请求的情况下，解除开启规则库220b用于将转向系统平缓地和/或渐进地恢复至有效状态，而不让驾驶员因此而感到任何困惑。

根据图5，裁定规则库220a在二维矩阵中限定了裁定和限制器模块对系统请求的反应。依赖于系统的当前状态(开启或未开启)，所述二维矩阵包含接受还是拒绝请求的信息。如果一些子系统已被开启，则某行中的“拒绝”字段已经足够来拒绝请求。矩阵值经受调节并依赖于其他子系统的可能的干预。

对于子系统符合要求的干预来说，需要适当的解除开启程序。这可以通过与裁定规则库220a相似的方式达到。检查由裁定规则库启动的新运行的子系统是否需要解除已经开启的子系统。根据图6，解除开启规则库220b包含“继续”和“解除开启”指令，该两者是根据当前系统状态的输出。此外，在由优先次序预定的顺序下，来自整体扭矩限制器230的“超出极限”信号导致解除开启子系统。矩阵的内容和用于子系统的优先次序列表都经受调节。

根据图7，整体扭矩限制器230具有中央限制单元230a，其读入所请求的扭矩或所请求的转向器(steering rack)作用力、当前车速和用于释放方向盘的确认信号。基于该信息，中央限制器230a将两个请求通路上的最大允许值动态地限制在所期望的范围内。此外，限制单元230a监视状况，以防已经达到极限值和信号吞吐量进入饱和状态的状况。

根据图8，中央限制单元230a由多个块组成。极限值表格块231根据与方向盘的可能释放相关的坡道(ramp)、信号波形、频率和车速，以及状态(偏航率(yaw rate)、纵向加速度和转向扭矩请求)来限定最大允许转向扭矩。根据图9，该极限值表格块231可以作为查询表来实施。计算极限值的另一方法是在预定的时间段内观察请求，以将可操控性考虑在内。为最大允许扭矩和最小允许扭矩定义出了曲线，在这点上，分开的、减少的极限值还能用于已释放方向盘的情形中。在极限值之间的切换依赖于输入信号，就此而论，通过曲线之间的转变能够确保平缓的过渡。依赖于各自考虑的系统，还可以为负车速定义扭矩极限值。

根据图8，在转向器作用力请求的情况下，必须在一个独立块，“等效转向扭矩”块232中，将这些转换成转向扭矩。然后，将所请求的转向扭矩的总和与块231中限定的当前极限值进行比较，这由“≤-块”(“小于/等于块”)233执行。无论何时超出当前有效极限值，设置相应的标记。

在用于实施转向的“标准增长”方法的情况下，可以使用下面方向盘扭矩T_SW和所请求的转向器作用力或输出扭矩之间的间接关系：

T_SW+f(T_SW)＝T_{输出扭矩请求}                          (1)

函数f典型地定义为查询表，结果是T_SW的明确的评估不直接根据所请求的输出扭矩而发生。然而，用于评估的逆序查询表可以“离线”地(offline)确定。图10中的简图表示了用于车速的单一值的逆增长曲线(实线)的一般形式。由于增长曲线一般极大地依赖于车速，所以逆序表格也必须为所有可能的车速进行定义。这同样适用于附加的驾驶状态信号。

为了显著地减少必需的储存空间，使用逆增长曲线的近似描述(图10中的虚曲线)是可行的，其仅需要一个x/y坐标(A)和车速的斜率值(B)用于完整的定义，因为曲线相对于输出扭矩的值是对称的。基于X＝0和X＝∞时的正切值的近似曲线，总是大于或者等于原始逆值，其结果是在安全方面，极限值受到不必要的限制。

在图11所示的“极限值”块中，输出扭矩请求和最大允许方向盘扭矩转换成两个独立的用于转向扭矩和转向器作用力的扭矩极限的值。信号流的结构展示了任意转向器作用力请求都具有施加到方向盘侧的扭矩。

根据图8，感测到与方向盘的可能释放有关的状态，并将其发送信号给整体扭矩限制器230。这是基于下述事实：当行驶伴有释放的方向盘时，驾驶辅助系统或安全系统的相对于转向扭矩的任意请求都会给车辆带来从相对原始路线的偏离，该偏离大于预期。作为结果，在方向盘被释放的情况下，整体扭矩限制器230转向不同于前面描述的限制曲线。

根据图12，此处提出的用于主动感测方向盘被释放的情况的功能能够具体地用作为传感器信号、方向盘角度、车速、扭力(torsion)扭矩，以及整体扭矩限制器230所请求的扭矩。

主动感测方向盘被释放的情况的概念旨在为驾驶员提升更高程度的功能可用性。为此，只有驾驶员没有将手放在方向盘上并且系统请求引起横向偏离时，“释放的方向盘”的标记才输出为“真”。至于实施，该感测概念监视从方向盘角度得出的方向盘速度和方向盘加速度，还监视扭转扭矩，并根据各自系统请求检查下列情形的存在：

存在系统请求，

车速在特定范围内，

方向盘的高加速度和低扭转扭矩发生在方向盘加速度的相反方向上，

方向盘的高速度和低扭转扭矩发生在速度的相反方向上，以及

方向盘角度在中央位置周围的定义的范围内或者窗口内。

该方法基于物理学背景，即驾驶员相对于所生成的转向角度向转向系统引入一定程度的阻尼和惯性，结果是方向盘被紧握或方向盘被释放的情况由具有显著不同的参数组的积分方程来描述。下述方程描述了为简化的转向系统的情况而产生的转向角度，其从中央位置计数器向转向器作用力发生作用(在模型中术语表述为弹簧)，并且没有摩擦力影响：

其中

因此，方向盘被握紧的状态与方向盘被释放的状态之间的分化(differentiation)可以基于转向角度和扭转扭矩对发动机扭矩变化的反应来作出。

对于具体的驾驶辅助系统或安全系统，发动机扭矩请求可以超出预定的扭矩极限值，而不在此处实际生成相应的关键的方向盘扭矩。一个例子是相对高频的谐波扭矩请求，在该情况下，转向系统上的惯性影响和阻尼影响对用于所生成的方向盘扭矩的低通滤波器产生影响。在这种情况下，整体扭矩限制器230应该以不必限制谐波信号的振幅的方式来更新。

图13展示了整体扭矩限制器230的概念，其中，等效方向盘扭矩请求的最大值是在将其与当前极限值进行比较之前通过适当级别的低通滤波器来引入的。低通滤波器的时间常量是以体现转向机制的动态行为的方式来配置的。对于整体扭矩限制器230的功能，以下方式是有利的，即滤波不包含在输入/输出信号通道中，而仅包含在决定部分中，以使不对所生成的转向扭矩产生不利影响。

Claims (5)

1.一种用于控制车辆转向系统的装置，其中，转向系统具有多个子系统(111、112、113、114......)，每个子系统配置为将至少一个转向请求引至转向系统，

其特征在于，

引至转向系统的转向请求由裁定和限制逻辑(130)根据不同子系统(111，112，113，114，...)的驾驶状况按优先次序排序，并且以不超出转向系统所施加的预定的转向扭矩的总体水平的方式，抑制可能同时发生的转向请求；其中

配置裁定和限制逻辑(130)来根据驾驶状况开启和／或解除开启至少一个子系统(111、112、113、114......)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

裁定和限制逻辑(130)包含：

裁定单元(220)，其具有裁定规则库(220a)，转向请求的优先次序排序基于该裁定规则库，以及

解除开启规则库(220b)，其独立于裁定单元(220)，并且子系统(111、112、113、114......)的解除开启或开启基于该解除开启规则库。

3.根据前述权利要求1或2所述的装置，其特征在于，

裁定和限制逻辑(130)配置为独立于由子系统(111、112、113、114......)引至转向系统的转向请求的数学描述之外。

4.根据前述权利要求1或2所述的装置，其特征在于，

转向系统具有电动辅助转向系统(EPAS)。

5.一种用于控制车辆转向系统的方法，其中转向系统具有多个子系统(111、112、113、114......)，每个子系统配置为将转向请求引至转向系统，

其特征在于，

根据不同子系统(111，112，113，114，...)的驾驶状况，将引至转向系统的转向请求按优先次序排序，并且以不超出转向系统所施加的预定的转向扭矩的总体水平的方式，抑制可能同时发生的转向请求；以及

根据驾驶状况开启和／或解除开启至少一个子系统(111、112、113、114......)。

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