CN102039928A - 用于自动转向系统中的驾驶员干预的系统和方法 - Google Patents
用于自动转向系统中的驾驶员干预的系统和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及用于自动转向系统中的驾驶员干预的系统和方法。具体地,提供了一种车辆转向系统,其包括:自动转向控制单元,所述自动转向控制单元被配置成在自动操作状态中时控制车辆转向系统;以及驾驶员干预单元,所述驾驶员干预单元被配置成在自动操作状态期间确定驾驶员干预。驾驶员干预单元包括决策软件模块,所述决策软件模块被配置成确定驾驶员干预。
Description
技术领域
本技术领域总体上涉及用于使车辆自动转向的系统和方法,更具体地,涉及用于驾驶员干预的系统和方法。
背景技术
对于结合了半自动和全自动转向系统和方法的车辆,从车辆受控转向到驾驶员受控转向的转变是很难的。例如,在使用了电子动力转向(EPS)系统的车辆的自动操作期间,驾驶员通常被指示将手从方向盘上移开或不用紧握方向盘,这是因为EPS系统在其使车辆转向时对方向盘施加显著的扭矩。当驾驶员想超越自动转向操作来控制车辆时,抓紧方向盘对于驾驶员而言是给出意图征用车辆控制的信号的直觉手段。但是,由EPS系统施加于方向盘的大扭矩会抑制经由方向盘的驾驶员干预。而且,在驾驶员干预仅需要很小扭矩或不需要扭矩的情况下,其可能不会被对方向盘上的扭矩进行测量的扭矩传感器检测到,这是因为扭矩传感器可能区分不了驾驶员干预与噪声。因此,以及时可靠的方式来检测驾驶员干预仍存在困难。
发明内容
通过提供用于自动转向过程中的驾驶员干预的系统和方法克服了现有技术的不足,其中所述系统和方法被配置成在驾驶员对方向盘施加(相对而言)很小的扭矩或不施加扭矩时对驾驶员干预进行检测。本文所教导的系统和方法使驾驶员干预检测系统能够足够灵敏,从而使得在干预被检测到之前驾驶员无需施加大的转向扭矩。
根据第一示例性实施例,车辆转向系统包括:转向角传感器,所述转向角传感器被配置成对转向角进行测量;自动转向控制单元,所述自动转向控制单元被配置成在自动操作状态中时控制车辆转向系统;以及驾驶员干预单元,所述驾驶员干预单元被配置成在自动操作状态期间检测驾驶员干预。驾驶员干预单元包括决策软件模块,所述决策软件模块被配置成将驾驶员干预作为测量转向角和第二转向角的函数来进行确定。
根据第二示例性实施例,车辆转向系统包括:存储器,所述存储器存储转向系统的离手转动惯量;自动转向控制单元,所述自动转向控制单元被配置成在自动操作状态中时控制车辆转向系统;以及驾驶员干预单元,所述驾驶员干预单元被配置成在自动操作状态期间检测驾驶员干预。驾驶员干预单元包括决策软件模块,所述决策软件模块被配置成将驾驶员干预作为离手转动惯量和计算转动惯量的函数来进行确定。
根据第三示例性实施例,车辆转向系统包括:扭矩传感器,所述扭矩传感器被配置以测量施加至车辆转向系统的方向盘的驾驶员扭矩;自动转向控制单元,所述自动转向控制单元被配置成在自动操作状态中时控制车辆转向系统;以及驾驶员干预单元,所述驾驶员干预单元被配置成在自动操作状态期间检测驾驶员干预。驾驶员干预单元包括决策软件模块,所述决策软件模块被配置成将驾驶员干预作为由扭矩传感器测量的驾驶员扭矩的高频噪声的函数来进行确定。
本发明还提供了以下方案:
方案1.一种车辆转向系统,所述车辆转向系统包括:
转向角传感器,所述转向角传感器被配置成对转向角进行测量;
自动转向控制单元,所述自动转向控制单元被配置成在自动操作状态中时控制所述车辆转向系统;以及
驾驶员干预单元,所述驾驶员干预单元被配置成在所述自动操作状态期间检测驾驶员干预,所述驾驶员干预单元包括决策软件模块,所述决策软件模块被配置成将驾驶员干预作为测量转向角和第二转向角的函数来进行确定。
方案2.根据方案1所述的车辆转向系统,其中,所述自动转向控制单元被配置成控制电动动力转向系统。
方案3.根据方案1所述的车辆转向系统,其中,所述决策软件模块被配置成在所述测量转向角与第二转向角之间的差超过阈值的情况下确定驾驶员干预。
方案4.根据方案1所述的车辆转向系统,其中,所述驾驶员干预单元被配置成控制所述车辆转向系统的操作状态,所述操作状态包括自动操作和手动操作。
方案5.根据方案1所述的车辆转向系统,其中,所述第二转向角为计算转向角,所述计算转向角被确定为所述车辆转向系统的模型的函数。
方案6.根据方案5所述的车辆转向系统,其中,所述模型为:
式中,Je为所述车辆转向系统的等效转动惯量,Be为所述车辆转向系统的等效阻尼,Ke为所述车辆转向系统的等效刚度,θs为所述转向角,Td为驾驶员施加的转向扭矩,Tm为等效的马达辅助扭矩,以及Ta为等效的轮胎调整扭矩。
方案7.根据方案1所述的车辆转向系统,其中,所述第二转向角为通过所述自动转向控制单元产生的转向角命令。
方案8.根据方案7所述的车辆转向系统,其中,所述转向角命令为期望路径的函数。
方案9.根据方案1所述的车辆转向系统,其中,所述决策软件模块包括低通滤波器,所述低通滤波器被配置成对所述测量转向角进行滤波。
方案10.一种车辆转向系统,所述车辆转向系统包括:
存储器,所述存储器存储所述车辆转向系统的离手转动惯量;
自动转向控制单元,所述自动转向控制单元被配置成在自动操作状态中时控制所述车辆转向系统;以及
驾驶员干预单元,所述驾驶员干预单元被配置成在所述自动操作状态期间检测驾驶员干预,所述驾驶员干预单元包括决策软件模块,所述决策软件模块被配置成将驾驶员干预作为所述离手转动惯量和计算转动惯量的函数来进行确定。
方案11.根据方案10所述的车辆转向系统,其中,所述自动转向控制单元被配置成控制电动动力转向系统。
方案12.根据方案10所述的车辆转向系统,其中,所述决策软件模块被配置成在所述离手转动惯量与所述计算转动惯量之间的差超过阈值的情况下确定驾驶员干预。
方案13.根据方案10所述的车辆转向系统,其中,所述驾驶员干预单元被配置成控制所述车辆转向系统的操作状态,所述操作状态包括自动操作和手动操作。
方案14.根据方案10所述的车辆转向系统,其中,所述计算转动惯量被确定为所述车辆转向系统的模型的函数。
方案15.根据方案14所述的车辆转向系统,其中,所述模型为:
式中,Je为所述车辆转向系统的计算转动惯量,Be为所述车辆转向系统的等效阻尼,Ke为所述车辆转向系统的等效刚度,θs为转向角,Td为驾驶员扭矩,Tm为等效的马达扭矩,以及Ta为等效的轮胎调整扭矩。
方案16.一种车辆转向系统,所述车辆转向系统包括:
扭矩传感器,所述扭矩传感器被配置成对施加至所述车辆转向系统的方向盘的驾驶员扭矩进行测量;
自动转向控制单元,所述自动转向控制单元被配置成在自动操作状态中时控制所述车辆转向系统;以及
驾驶员干预单元,所述驾驶员干预单元被配置成在所述自动操作状态期间检测驾驶员干预,所述驾驶员干预单元包括决策软件模块,所述决策软件模块被配置成将驾驶员干预作为通过所述扭矩传感器测量的所述驾驶员扭矩的高频噪声的函数来进行确定。
方案17.根据方案16所述的车辆转向系统,其中,所述自动转向控制单元被配置成控制电动动力转向系统。
方案18.根据方案16所述的车辆转向系统,其中,所述决策软件模块包括高通滤波器。
方案19.根据方案16所述的车辆转向系统,其中,所述决策软件模块被配置成在所述高频噪声超过阈值的情况下确定驾驶员干预。
方案20.根据方案16所述的车辆转向系统,其中,所述驾驶员干预单元被配置成控制所述车辆转向系统的操作状态,所述操作状态包括自动操作和手动操作。
前面已广泛概括了本发明的一些方面和特征,这些方面和特征应当被认为是仅仅表示了各种可能的应用。通过以不同方式使用公开的信息或对公开实施例的不同方面进行组合,可得到其它有益的结果。因此,除了由所附权利要求限定的范围之外,通过参考结合了附图对示例性实施例的详细描述,可得到其它的方面和更全面的理解。
附图说明
图1为包括了根据本发明实施例的转向系统的车辆的局部示意图;
图2为示出了图1的转向系统中的马达控制单元的示意图;
图3为示出了图1的转向系统中的驾驶员干预单元的决策软件模块的示意图;
图4为示出了图1的转向系统中的驾驶员干预单元的决策软件模块的示意图;
图5为示出了图1的转向系统中的驾驶员干预单元的决策软件模块的示意图;
图6为与图5中的决策软件模块相关联的转向角命令信号和测量转向角信号的图示;
图7为与图5中的决策软件模块相关联的转向角命令信号和测量转向角信号的图示;
图8为示出了图1的转向系统中的驾驶员干预单元的决策软件模块的示意图;
图9为与图8中决策软件模块相关联的转向角命令信号和测量转向角信号的图示;
图10为与图8中决策软件模块相关联的测量扭矩信号的高频噪声的图示。
具体实施方式
按照需要,本文公开了详细的实施例。必需要理解的是,所公开的实施例仅为示例性的,并可具体实现为各种形式和替代形式,以及它们的组合。如这里所用的,措词“示例性”被广泛使用,以指用作例示、实例、模型或样式的实施例。这些图都不必按照比例,且一些特征可被放大或缩小,以便表示特定部件的细节。在其它情形中,为本领域普通技术人员所已知的那些熟悉的部件、系统、材料或方法不再被详细描述,以免使本发明不清楚。因此,本文所公开的具体的结构和功能细节都不被解释为限制,而是仅作为权利要求的基础以及作为教导本领域技术人员的代表性基础。
尽管所例示的实施例是在电动动力转向系统的背景中被描述,但该教导也适用于包括了液压系统、电动液压系统等等的其它驾驶员辅助系统。
车辆和转向系统
参照图1,车辆10包括转向系统12,转向系统12包括方向盘20、转向轴22、齿轮齿条副26(所述齿轮齿条副包括第一小齿轮28和齿条30)、系杆32、轮34、速度传感器36、转向轴扭矩传感器38,以及转向角传感器40。方向盘20与转向轴22相连,转向轴22与第一小齿轮28相连,使得方向盘20的旋转运动被传至第一小齿轮28。第一小齿轮28将该旋转运动转换为齿条30的直线运动。系杆32将齿条30连接到轮34,并将齿条30的运动转换成轮34的旋转。扭矩传感器38测量施加至方向盘20的驾驶员扭矩Td,并且以转向轴22或扭转杆的扭转位移为基础。这里,驾驶员扭矩Td的产生源为驾驶员,并且,如果驾驶员的手离开方向盘20,那么将没有驾驶员扭矩Td施加至转向轴22。速度传感器36测量车辆10的测量车辆速度Vs。转向角传感器40测量方向盘20的测量转向角θs。通常,驾驶员扭矩Td测量结果的噪声大于测量转向角θs的噪声。转向角传感器40包括数字编码器,该数字编码器比扭矩传感器38具有更高的精度、更精细的分辨率和更小的噪声。
转向系统12还包括电动动力转向(EPS)系统50、自动转向控制单元52、以及驾驶员干预单元54。EPS系统50包括马达控制单元60和马达62,马达62驱动第二小齿轮64,第二小齿轮64联接至齿条30。参照图1和图2,马达控制单元60包括手动软件模块66和自动软件模块68。在手动操作期间,手动软件模块66确定马达扭矩Tm,并产生驱动马达62以对第二小齿轮64施加适当扭矩的相应驱动信号。马达扭矩Tm是测量车辆速度Vs、测量转向角θs和驾驶员扭矩Td的函数,而测量车辆速度Vs、测量转向角θs和驾驶员扭矩Td分别由速度传感器36、转向角传感器40和扭矩传感器38提供。这里,马达扭矩Tm对施加至方向盘20的驾驶员扭矩Td进行补充。在自动操作期间,自动软件模块68确定马达扭矩Tm,并产生驱动马达62以对第二小齿轮64施加适当扭矩的相应驱动信号。这里,马达扭矩Tm是来自自动转向控制单元52的转向角命令θc和车辆速度命令Vc的函数。驾驶员干预单元54控制操作状态。如这里所用的,“操作状态”包括手动操作和自动操作。如图2所示,驾驶员干预单元54控制哪个软件模块66、68是马达扭矩Tm的产生源,该产生源用来产生用于马达62的驱动信号。可替代地,转向系统包括准双曲面齿轮,而不是双小齿轮布置。
为教导的目的,利用如下的二阶方程,以简化的方式对转向系统12进行建模,
式中Je为转向系统12的等效转动惯量,Be为转向系统12的等效阻尼,Ke为转向系统12的等效弹簧刚性系数或刚度,θs为方向盘角度,Td为驾驶员施加的转向扭矩,Tm为作用于转向系统12上的等效的马达辅助扭矩,以及Ta为作用于转向系统12上的等效的轮胎调整(alignment)扭矩。驾驶员扭矩Td由扭矩传感器38测量,马达扭矩Tm由如上所述的马达控制单元60确定,轮胎调整扭矩Ta是测量转向角θs和测量车辆速度Vs的函数,如以下被进一步详细描述的那样,而刚度Ke、阻尼Be和转动惯量Je等参数则由实验测量结果来确定。参数Je、Be和Ke在转向系统12不受驾驶员干扰的情况下被确定。在线性操作区域内,路面影响在确定轮胎调整扭矩Ta时可被忽略。
自动转向控制单元
继续参照图1,自动转向控制单元52被配置成选取期望的路径并产生转向角命令θc以使车辆10沿期望的路径运动。该路径由路径单元70提供,例如视觉系统、带有数字地图数据库的全球定位系统(GPS),以及它们的组合等。转向角命令θc被马达控制单元60的自动软件模块68使用,以便产生马达扭矩Tm,从而如上所述那样使车辆10转向,并且转向角命令θc还被驾驶员干预单元54使用,如以下被进一步详细描述的那样。
驾驶员干预单元
所例示的驾驶员干预单元54被配置成控制EPS系统50的操作状态。这样,驾驶员干预单元54可使操作状态从自动操作改变成手动操作,以允许驾驶员接管车辆10的控制。这种改变包括指令处理器69执行软件模块66、68中之一的指令以产生如图2所示的马达扭矩Tm。参照图1、图3、图4、图5和图8,驾驶员干预单元54包括一个或多个决策软件模块80、82、84、86,这些决策软件模块被配置成检测驾驶员干预,并响应地产生指令以改变EPS系统50的工作状态。决策软件模块80、82、84、86及相关联的方法可独立地或组合地使用,以确定驾驶员干预。诸如C、C++、C#、Java、JavaScript、Perl、PHP、Python、Ruby和SQL之类的编程语言都可被用来编写软件模块,所述软件模块的指令由处理器88执行。
参照图3,决策软件模块80被配置成将驾驶员干预作为测量转向角θs和计算转向角θs′的函数来进行检测。决策软件模块80包括调整扭矩模块90,调整扭矩模块90将调整扭矩Ta作为测量转向角θs和测量车辆速度Vs的函数来进行计算。调整扭矩Ta可从实验数据的表格或图表中查找。决策软件模块80还包括系统模型软件模块92,系统模型软件模块92对计算转向角θs′进行计算。利用如上引入的函数,计算转向角θs′由给出。以下的每一项均为到系统模型软件模块92的输入:从调整扭矩模块90接收调整扭矩Ta,从EPS系统50接收马达扭矩Tm,由扭矩传感器38测量驾驶员扭矩Td,以及从存储器94中获取参数Je、Be、Ke。
决策软件模块80还包括评估模块96,评估模块96被配置成将驾驶员干预作为测量转向角θs和计算转向角θs′的函数来进行确定。根据示例性方法,在测量转向角θs与计算转向角θs′之间的转向角差△θ超过预定大小或阈值的情况下,检测到驾驶员干预。测量转向角θs与计算转向角θs′可通过替代性的已知方式进行比较,所述已知方式包括利用一个相对于另一个的比率。响应于检测,驾驶员干预单元54指令马达控制单元60从自动转向转变到手动转向,从而允许驾驶员恢复控制。在所例示的实施例中,驾驶员干预单元54选择手动软件模块66作为马达扭矩Tm的产生源。决策软件模块80的驾驶员干预检测方法是有利的,这是因为,由于上述的原因,转向角的差△θ比扭矩传感器38的测量结果对于驾驶员与方向盘20的相互作用更敏感。
参照图4,决策软件模块82被配置成将驾驶员干预作为转向系统12的“离手(hands-off)”转动惯量Je和计算转动惯量Je′的函数来进行检测。决策软件模块82包括调整扭矩模块100,调整扭矩模块100将调整扭矩Ta作为测量转向角θs和测量车辆速度Vs的函数来进行计算。决策软件模块80还包括系统模型软件模块102,系统模型软件模块102确定计算转动惯量Je′。利用以上引入的函数,计算转动惯量Je′可根据确定。以下的每一项均为到系统模型软件模块102的输入:从调整扭矩模块100接收调整扭矩Ta,从EPS系统50接收马达扭矩Tm,由扭矩传感器38测量的驾驶员扭矩Td,以及从存储器104中获取参数Be、Ke。通常,驾驶员与方向盘20的相互作用可改变或被反映在转向系统12的模型参数中。这样,计算转动惯量Je′需考虑由位于方向盘20上的驾驶员的手所导致的对离手转动惯量Je的影响。
决策软件模块82还包括评估模块106,评估模块106被配置成将驾驶员干预作为离手转动惯量Je和计算转动惯量Je′的函数来进行确定。根据示例性方法,在离手转动惯量Je与计算转动惯量Je′之间的差△J超过预定大小或阈值的情况下,检测到驾驶员干预。响应于检测,驾驶员干预单元54指令马达控制单元60从自动转向转变到手动转向,从而允许驾驶员恢复控制,如上所述那样。决策软件模块82的方法的优点是,转动惯量的差△J中的变化对驾驶员干预敏感。当仅很小的驾驶员扭矩Td或没有驾驶员扭矩Td施加至方向盘20时,也能够检测到驾驶员干预。
参照图5~图7,决策软件模块84被配置成将驾驶员干预作为测量转向角θs信号和转向角命令θc信号的函数来进行检测。决策软件模块84包括信号延迟模块110和低通滤波器112。信号延迟模块110调节转向角命令θc信号的延迟,使得转向角命令θc信号和测量转向角θs信号同相。低通滤波器112将高频噪声从测量转向角θs信号中去除。得到的转向角信号θs、θc被显示在图6和图7的两个示例中。
决策软件模块824还包括评估模块114,评估模块114被配置成将驾驶员干预作为得到的转向角信号θs、θc的函数来进行确定。根据示例性方法,在转向角的差△θ超过预定大小或阈值的情况下,检测到驾驶员干预。转向角的差△θ被多次显示在图6和图7中。响应于检测,驾驶员干预单元54指令马达控制单元60从自动转向转变到手动转向,从而允许驾驶员恢复控制,如上所述那样。
参照图8~图10,决策软件模块86被配置成将驾驶员干预作为由扭矩传感器38测量的驾驶员扭矩Td信号的高频噪声Td′的函数来进行检测。决策软件模块86包括高通滤波器120和评估模块122。由高通滤波器120得到的高频噪声Td′信号被评估,以便确定驾驶员干预。根据示例性方法,在高频噪声Td′信号超过上阈值或下阈值124的情况下,检测到驾驶员干预。响应于检测,驾驶员干预单元54指令马达控制单元60从自动转向转变到手动转向,从而允许驾驶员恢复控制,如上所述那样。图9示出了转向角信号,而图10同时示出了高频噪声Td′信号。
当驾驶员进行转向或者驾驶员的手位于方向盘20上时,驾驶员扭矩Td信号显示了增加的高频幅值。在驾驶员的手离开方向盘时,并且在自动转向期间当驾驶员与方向盘20没有相互作用时,离手的噪声水平可通过实验或通过估计被预先确定。阈值124被作为离手的噪声水平的函数而确定。
上述实施例仅仅是为了用于更清楚地理解本发明原理而阐述的对实施方式的示例性说明。在不偏离本权利要求的范围内,可对上述实施例进行改变、修改和组合。所有的这些改变、修改和组合在这里都被包含在本公开及所附权利要求的范围内。
Claims (10)
1.一种车辆转向系统,所述车辆转向系统包括:
转向角传感器,所述转向角传感器被配置成对转向角进行测量;
自动转向控制单元,所述自动转向控制单元被配置成在自动操作状态中时控制所述车辆转向系统;以及
驾驶员干预单元,所述驾驶员干预单元被配置成在所述自动操作状态期间检测驾驶员干预,所述驾驶员干预单元包括决策软件模块,所述决策软件模块被配置成将驾驶员干预作为测量转向角和第二转向角的函数来进行确定。
2.根据权利要求1所述的车辆转向系统,其中,所述自动转向控制单元被配置成控制电动动力转向系统。
3.根据权利要求1所述的车辆转向系统,其中,所述决策软件模块被配置成在所述测量转向角与第二转向角之间的差超过阈值的情况下确定驾驶员干预。
4.根据权利要求1所述的车辆转向系统,其中,所述驾驶员干预单元被配置成控制所述车辆转向系统的操作状态,所述操作状态包括自动操作和手动操作。
5.根据权利要求1所述的车辆转向系统,其中,所述第二转向角为计算转向角,所述计算转向角被确定为所述车辆转向系统的模型的函数。
6.根据权利要求5所述的车辆转向系统,其中,所述模型为:
式中,Je为所述车辆转向系统的等效转动惯量,Be为所述车辆转向系统的等效阻尼,Ke为所述车辆转向系统的等效刚度,θs为所述转向角,Td为驾驶员施加的转向扭矩,Tm为等效的马达辅助扭矩,以及Ta为等效的轮胎调整扭矩。
7.根据权利要求1所述的车辆转向系统,其中,所述第二转向角为通过所述自动转向控制单元产生的转向角命令。
8.根据权利要求7所述的车辆转向系统,其中,所述转向角命令为期望路径的函数。
9.一种车辆转向系统,所述车辆转向系统包括:
存储器,所述存储器存储所述车辆转向系统的离手转动惯量;
自动转向控制单元,所述自动转向控制单元被配置成在自动操作状态中时控制所述车辆转向系统;以及
驾驶员干预单元,所述驾驶员干预单元被配置成在所述自动操作状态期间检测驾驶员干预,所述驾驶员干预单元包括决策软件模块,所述决策软件模块被配置成将驾驶员干预作为所述离手转动惯量和计算转动惯量的函数来进行确定。
10.一种车辆转向系统,所述车辆转向系统包括:
扭矩传感器,所述扭矩传感器被配置成对施加至所述车辆转向系统的方向盘的驾驶员扭矩进行测量;
自动转向控制单元,所述自动转向控制单元被配置成在自动操作状态中时控制所述车辆转向系统;以及
驾驶员干预单元,所述驾驶员干预单元被配置成在所述自动操作状态期间检测驾驶员干预,所述驾驶员干预单元包括决策软件模块,所述决策软件模块被配置成将驾驶员干预作为通过所述扭矩传感器测量的所述驾驶员扭矩的高频噪声的函数来进行确定。
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