CN102275611A - 分布式汽车线控转向系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种分布式汽车线控转向系统，设置于方向盘与连接于车轮上的方向机之间，其包括FlexRay总线、若干FlexRay节点、转角转矩传感器、路感电机、位移传感器和转向电机，所述转角转矩传感器和路感电机同时与所述方向盘连接，所述位移传感器和转向电机同时与所述方向机连接，所述转角转矩传感器、路感电机、位移传感器和转向电机分别与若干FlexRay节点中不同的一FlexRay节点连接，所述若干FlexRay节点中的所有FlexRay节点与所述FlexRay总线连接。本发明采用分布式的冗余结构并使用FlexRay通信协议，有利于汽车线束减少，具有良好的可扩容性、开放性、实时性和高可靠性，并且调试方便，有利于保障安全。

Description

分布式汽车线控转向系统及控制方法

技术领域：

本发明涉及汽车转向系统，特别涉及一种分布式汽车线控转向系统及其控制方法，属于汽车技术领域。

背景技术：

汽车转向系统是提高车辆操纵稳定性、降低驾驶员操纵负担以及改善人——车闭环控制系统性能的关键因素。汽车转向系统根据提供动力方式的不同又可以分为液压助力转向系统、电控液压助力转向系统、电动助力转向系统和线控转向系统。

线控转向与其他转向系统的根本区别是取消了转向盘和转向轮之间的机械或液压连接装置，摆脱了齿轮啮合的固定传动比限制，使系统惯性、系统摩擦和传动部件之间的总间隙降低，提高了系统的响应速度和响应准确性。

国内在线控转向方面的研究起步得比较晚，但在近几年有了很大的突破。2004年同济大学在工博会上展出的“春晖三号”电动车运用了线控转向技术，其转向器与方向盘间无机械连接。武汉理工大学利用电磁施力器进行转向盘力反馈，设计了模糊-PID混合控制器，开发的线控转向系统可以实现转向随动。吉林大学进行了变传动比、转向盘回正力矩和稳定性算法研究。

分布式系统因其开放性好，安装灵活，可组装性、可扩容性好，调试方便等优点，在一些场合逐步替代了传统的集散式控制系统。但是由于线控转向系统中转向盘和转向轮之间没有机械或液压连接装置，当电子节点出现故障时，势必危及生命和财产安全，因此必须采用容错控制技术。

FlexRay总线因其高带宽、通信线路冗余、通讯灵活等优点，成为未来主要的安全型车载总线。国外著名的汽车公司奔驰、宝马、奥迪都对FlexRay总线在汽车上的应用做了尝试。虽然国外很早就开始研究线控转向系统和FlexRay通信，可是直至今日，也未能在汽车上将两者合二为一。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是克服现有汽车线控转向系统的不足，提供一种分布式汽车线控转向系统，其在系统中的电子节点使用FlexRay总线分布式网络，并且采用冗余结构，使所述汽车线控转向系统不仅开放性好、可扩容性好、调试方便，而且具有良好的扩展性和可配置性，当电子节点出现故障时也能保证安全。

本发明所要解决的另一技术问题是提供所述分布式汽车线控转向系统的控制方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案如下：

一种分布式汽车线控转向系统，设置于方向盘与连接于车轮上的方向机之间，其包括FlexRay总线、若干FlexRay节点、转角转矩传感器、路感电机、位移传感器和转向电机，所述转角转矩传感器和路感电机同时与所述方向盘连接，所述位移传感器和转向电机同时与所述方向机连接，所述转角转矩传感器、路感电机、位移传感器和转向电机分别与若干FlexRay节点中不同的一FlexRay节点连接，所述若干FlexRay节点中的所有FlexRay节点与所述FlexRay总线连接。

本发明所述的分布式汽车线控转向系统的若干FlexRay节点包括有FlexRay节点A、FlexRay节点B、FlexRay节点C、FlexRay节点D和FlexRay节点E；所述FlexRay节点E接受车速信号且传送到FlexRay总线上；所述FlexRay节点A连接转角转矩传感器，并且将之测得的方向盘转角转矩模拟信号转换成数字量后送到FlexRay总线上；所述FlexRay节点D连接位移传感器，并且将之测得的方向机位移模拟信号转换成数字量后，求得车轮实际转角送到FlexRay总线上；所述FlexRay节点B连接转向电机，并且由FlexRay总线上获得方向盘转角转矩信号、车轮实际转角信号和车速信号以求得闭环控制值控制转向电机；所述FlexRay节点C连接路感电机，并且由FlexRay总线上获得方向盘转角转矩信号、车轮实际转角信号和车速信号以求得闭环控制值控制路感电机；所述分布式汽车线控转向系统还包括有备用FlexRay节点A’、备用FlexRay节点B’、备用FlexRay节点C’、备用FlexRay节点D’、冗余转角转矩传感器、冗余路感电机、冗余位移传感器和冗余转向电机，它们以与FlexRay节点A、FlexRay节点B、FlexRay节点C、FlexRay节点D、转角转矩传感器、路感电机、位移传感器和转向电机相同的连接方式连接成冗余结构并与之并联，所述FlexRay总线具有双通信通道；所述转向电机为直流电机，路感电机为力矩电机。

本发明所采取的另一技术方案是：

一种用于所述分布式汽车线控转向系统的控制方法，其控制流程如下：

(1)所述转角转矩传感器由方向盘上获得转向的转角转矩模拟信号传给FlexRay节点A，FlexRay节点A将之转换成数字量后，在规定的FlexRay通信静态时隙内送到FlexRay总线上；

(2)所述位移传感器由方向机上获得车轮转向的方向机线性位移模拟信号传给FlexRay节点D，FlexRay节点D将之转换成数字量后，求得车轮实际转角在规定的FlexRay通信静态时隙内送到FlexRay总线上；

(3)所述FlexRay节点E接受车速信号且传送到FlexRay总线上；

(4)所述FlexRay节点B在规定的FlexRay通信静态时隙内由FlexRay总线上获得方向盘转角转矩信号、车轮实际转角信号和车速信号，使用闭环控制算法求得闭环控制值以控制转向电机；

(5)所述FlexRay节点C在规定的FlexRay通信静态时隙内由FlexRay总线上获得方向盘转角转矩信号、车轮实际转角信号和车速信号，使用闭环控制算法求得闭环控制值控制路感电机以模拟路感；

(6)在实施上述步骤(1)至(5)的同时，所述备用FlexRay节点A’、备用FlexRay节点B’、备用FlexRay节点C’和备用FlexRay节点D’处于监听FlexRay总线情况状态，通信在FlexRay总线的双通信通道上进行；

(7)当工作节点或设备出现故障时，与之相应的备用节点或冗余设备将启动工作以替代故障节点或设备，该故障节点或设备退出FlexRay总线通信。

本发明所述分布式汽车线控转向系统的控制方法中，所有的信号通讯采用FlexRay通信协议，并以报文形式传送。

与现有分布式汽车线控转向系统相比较，本发明取得了如下有益效果：

1、使用分布式结构并采用FlexRay通信协议，有利于汽车线束减少，提高了线控转向系统中各个控制单元的可扩容性、开放性和实时性，并且调试方便，便于在线故障诊断。

2、本发明采用了冗余结构，设置有备用FlexRay节点和冗余设备，当工作节点或设备出现故障时，相应的备用节点或冗余设备将启动工作以替代故障节点或设备，因此提高了所述分布式汽车线控转向系统的可靠性，保障了车辆、人员的生命和财产安全。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的系统工作流程图。

图3是本发明备用节点的工作流程图。

图4是本发明转向电机的控制流程图。

图5是本发明路感电机的控制流程图。

具体实施方式：

现结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。

请参阅图1本发明的结构示意图，图示分布式汽车线控转向系统设置于方向盘1与方向机13之间，该方向机13连接于车轮12上。所述分布式汽车线控转向系统包括FlexRay总线20、若干FlexRay节点、转角转矩传感器3、路感电机14、位移传感器10和转向电机9。所述若干FlexRay节点包括有FlexRay节点A4、FlexRay节点B2、FlexRay节点C15、FlexRay节点D16和FlexRay节点E19，所述的所有FlexRay节点4、2、15、16和19均与所述FlexRay总线20相连接。所述转角转矩传感器3、路感电机14、位移传感器10和转向电机9分别与若干FlexRay节点中不同的一FlexRay节点连接。

所述转角转矩传感器3连接于所述方向盘1上，并且检测该方向盘1的转角转矩模拟信号以获得驾驶者的转向意图；所述FlexRay节点A4连接转角转矩传感器3，并且将转角转矩传感器3测得的方向盘1的转角转矩模拟信号转换成数字量后送到FlexRay总线20上。

所述位移传感器10与所述方向机13连接，并且检测车轮12转向时方向机13的线性位移模拟信号；所述FlexRay节点D16连接位移传感器10，并且将位移传感器10测得的方向机13的位移模拟信号转换成数字量后，求得车轮实际转角送到FlexRay总线20上。

所述FlexRay节点E19接受车速信号且传送到FlexRay总线20上。所述路感电机14因其经常处于堵转状态，所以采用力矩电机，其与所述方向盘1连接，并通过力反馈方式模拟路感，使驾驶者知晓路面情况和汽车驾驶情况；所述FlexRay节点C15连接路感电机14，并且由FlexRay总线20上获得方向盘转角转矩信号、车轮实际转角信号和车速信号以求得闭环控制值控制路感电机14。

所述转向电机9为直流电机，要求有一定的转矩和响应速度，以保证车轮12随动，其与所述方向机13连接，以驱动车轮12转向；所述FlexRay节点B2连接转向电机9，并且由FlexRay总线20上获得方向盘转角转矩信号、车轮实际转角信号和车速信号以求得闭环控制值控制转向电机9；该FlexRay节点B2还可以通过FlexRay总线20获得汽车的其他信息，进而采用更优算法来控制。

本发明所述分布式汽车线控转向系统不仅使用了FlexRay总线分布式网络，而且采用了冗余结构，其还包括有备用FlexRay节点A’7、备用FlexRay节点B’5、备用FlexRay节点C’18、备用FlexRay节点D’21、冗余转角转矩传感器7、冗余路感电机17、冗余位移传感器11和冗余转向电机8，它们设置的位置分别与FlexRay节点A4、FlexRay节点B2、FlexRay节点C15、FlexRay节点D16、转角转矩传感器3、路感电机14、位移传感器10和转向电机9相对应，并且以与之相同的连接方式连接成一结构相同的冗余结构，该冗余结构与原有工作结构相并联。所述FlexRay总线20亦具有双通信通道，该双通信通道所传输的信息是一致的。

本发明所述分布式汽车线控转向系统中的所有FlexRay节点使用FlexRay总线分布式网络，其具有良好的扩展性和可配置性，可以与其他FlexRay总线通讯的节点之间进行交互，还可通过选用附加功能模块实现与其它形式的车载总线进行通讯，比如CAN、LIN总线。

本发明还提供了一种用于所述分布式汽车线控转向系统的控制方法，在该方法中所有的信号通讯采用FlexRay通信协议，并以报文形式传送。该控制方法的控制流程见图2，具体步骤如下：

(1)所述转角转矩传感器3由方向盘1上获得转向的转角转矩模拟信号传给FlexRay节点A4，FlexRay节点A4将之转换成数字量后，在连续的三个FlexRay静态时隙内以报文形式送到FlexRay总线20上。

(2)所述位移传感器10由方向机13上获得车轮12转向的方向机13的线性位移模拟信号传给FlexRay节点D16，FlexRay节点D16将之转换成数字量后，求得车轮实际转角在连续的三个FlexRay静态时隙内以报文形式送到FlexRay总线20上。

(3)所述FlexRay节点E19接受车速信号且在连续的三个FlexRay静态时隙内传送到FlexRay总线20上。

(4)所述FlexRay节点B2在规定的FlexRay通信静态时隙内由FlexRay总线20上接收到报文，见图4，以获得方向盘转角转矩信号、车轮实际转角信号和车速信号，使用闭环控制算法求得闭环控制值以控制转向电机9。

(5)所述FlexRay节点C15在规定的FlexRay通信静态时隙内由FlexRay总线20上接收到报文，见图5，以获得方向盘转角转矩信号、车轮实际转角信号和车速信号，使用闭环控制算法求得闭环控制值控制路感电机14以模拟路感。

(6)在实施上述步骤(1)至(5)的同时，如图3所示，所述备用FlexRay节点A’7、备用FlexRay节点B’5、备用FlexRay节点C’18和备用FlexRay节点D’21处于监听FlexRay总线20情况的状态，通信在FlexRay总线20的双通信通道上进行。

(7)当工作节点或设备出现故障时，处于监听状态的备用节点发出启动备用节点命令，与之相应的备用节点或冗余设备将启动工作以替代故障节点或设备，该故障节点或设备退出FlexRay总线20的通信，故障均以故障码形式存放在存储器中。

Claims (6)

1.一种分布式汽车线控转向系统，设置于方向盘与连接于车轮上的方向机之间，其特征在于：所述分布式汽车线控转向系统包括FlexRay总线、若干FlexRay节点、转角转矩传感器、路感电机、位移传感器和转向电机，所述转角转矩传感器和路感电机同时与所述方向盘连接，所述位移传感器和转向电机同时与所述方向机连接，所述转角转矩传感器、路感电机、位移传感器和转向电机分别与若干FlexRay节点中不同的一FlexRay节点连接，所述若干FlexRay节点中的所有FlexRay节点与所述FlexRay总线连接。

2.根据权利要求1所述的分布式汽车线控转向系统，其特征在于：所述若干FlexRay节点包括有FlexRay节点A、FlexRay节点B、FlexRay节点C、FlexRay节点D和FlexRay节点E；所述FlexRay节点E接受车速信号且传送到FlexRay总线上；所述FlexRay节点A连接转角转矩传感器，并且将之测得的方向盘转角转矩模拟信号转换成数字量后送到FlexRay总线上；所述FlexRay节点D连接位移传感器，并且将之测得的方向机位移模拟信号转换成数字量后，求得车轮实际转角送到FlexRay总线上；所述FlexRay节点B连接转向电机，并且由FlexRay总线上获得方向盘转角转矩信号、车轮实际转角信号和车速信号以求得闭环控制值控制转向电机；所述FlexRay节点C连接路感电机，并且由FlexRay总线上获得方向盘转角转矩信号、车轮实际转角信号和车速信号以求得闭环控制值控制路感电机。

3.根据权利要求2所述的分布式汽车线控转向系统，其特征在于：所述分布式汽车线控转向系统还包括有备用FlexRay节点A’、备用FlexRay节点B’、备用FlexRay节点C’、备用FlexRay节点D’、冗余转角转矩传感器、冗余路感电机、冗余位移传感器和冗余转向电机，它们以与FlexRay节点A、FlexRay节点B、FlexRay节点C、FlexRay节点D、转角转矩传感器、路感电机、位移传感器和转向电机相同的连接方式连接成冗余结构并与之并联，所述FlexRay总线具有双通信通道。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的分布式汽车线控转向系统，其特征在于：所述转向电机为直流电机，路感电机为力矩电机。

5.一种用于权利要求3所述分布式汽车线控转向系统的控制方法，其特征在于：控制流程如下：

(1)所述转角转矩传感器由方向盘上获得转向的转角转矩模拟信号传给FlexRay节点A，FlexRay节点A将之转换成数字量后，在规定的FlexRay通信静态时隙内送到FlexRay总线上；

(2)所述位移传感器由方向机上获得车轮转向的方向机线性位移模拟信号传给FlexRay节点D，FlexRay节点D将之转换成数字量后，求得车轮实际转角在规定的FlexRay通信静态时隙内送到FlexRay总线上；

(3)所述FlexRay节点E接受车速信号且传送到FlexRay总线上；

(4)所述FlexRay节点B在规定的FlexRay通信静态时隙内由FlexRay总线上获得方向盘转角转矩信号、车轮实际转角信号和车速信号，使用闭环控制算法求得闭环控制值以控制转向电机；

(5)所述FlexRay节点C在规定的FlexRay通信静态时隙内由FlexRay总线上获得方向盘转角转矩信号、车轮实际转角信号和车速信号，使用闭环控制算法求得闭环控制值控制路感电机以模拟路感；

(6)在实施上述步骤(1)至(5)的同时，所述备用FlexRay节点A’、备用FlexRay节点B’、备用FlexRay节点C’和备用FlexRay节点D’处于监听FlexRay总线情况状态，通信在FlexRay总线的双通信通道上进行；

(7)当工作节点或设备出现故障时，与之相应的备用节点或冗余设备将启动工作以替代故障节点或设备，该故障节点或设备退出FlexRay总线通信。

6.根据权利要求5所述分布式汽车线控转向系统的控制方法，其特征在于：所有信号通讯采用FlexRay通信协议，并以报文形式传送。

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