CN103085871A

CN103085871A - 使用轮内系统控制车辆的系统和方法

Info

Publication number: CN103085871A
Application number: CN2012102807815A
Authority: CN
Inventors: 黄盛郁
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2032-06-29
Also published as: JP5955128B2; CN103085871B; KR20130047309A; US8788150B2; DE102012211349B4; DE102012211349A1; JP2013099242A; KR101734277B1; US20130110332A1

Abstract

本发明公开一种使用轮内系统控制车辆的系统和方法，该轮内系统独立地控制安装在车辆的各个车轮内的电动机。更具体地，控制单元配置成基于车辆驾驶信息确定车辆的转向模式，基于所确定的转向模式计算车辆的当前阿克曼率，基于当前阿克曼率生成控制命令，并且使用控制命令独立控制各个车轮的电动机。

Description

使用轮内系统控制车辆的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年10月31日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2011-0112247号的优先权和权益，其全部内容引入本文以供参考。

技术领域

本发明涉及一种使用轮内系统控制车辆的系统和方法。更具体地，本发明涉及一种使用轮内系统控制车辆的方法，其通过使用阿克曼趋势转向原理可以使旋转半径最小化且具有转向稳定性。

背景技术

轮内系统通常具有安装在车辆的各个车轮内的电动机，并直接控制各个车轮的驱动。轮内系统通常被用于使用电动机作为动力源的车辆中，例如混合动力车、燃料电池车、和电动车。

通常，设置这种类型的转向装置，用于控制车辆的行驶方向。转向装置将动力从齿轮装置转移至车辆的前轮，并且包括转向横拉杆和转向节臂用于支撑左轮与右轮之间的相关位置。

转向装置通常遵循阿克曼趋势转向原理。可在由转向角和轮胎角生成的齿条行程之间建立阿克曼几何条件，并且可在阿克曼几何条件下如下面所述地定义阿克曼角和阿克曼率。

可将阿克曼角定义为当前轮和后轮的法线通过旋转中心时外轮的轮胎角，并且可将阿克曼率定义为理论阿克曼角与实际驾驶中生成的实际轮胎角之间的比率(％)。可通过图1示出的式计算阿克曼角和阿克曼率。

如果阿克曼率为100％是理想的，但实际上根据基于其它连接部件的限制条件的转向角，将阿克曼率设计为40-80％。如果未适当地应用阿克曼率，可能出现例如轮胎滞后(tire drag)或转向传感退化的一些问题。

在传统技术的情况中，如图1所示，在车辆转向时向车辆施加离心力。向车辆的轮胎施加侧向反力，并且发生轮胎滑移来抵消离心力。当发生轮胎滑移时，不能满足阿克曼几何条件，因为由于轮胎滑移，枢轴中心(O)移动到上面的位置(O’)。结果在传统技术中发生轮胎滞后并且转向传感退化。而且，如图2所示，传统技术存在问题，即由于正常转向时转向角非常小，所以在车辆正常转向时阿克曼率下降。

另一方面，当车辆需要以最小旋转半径转向时，大的外轮角对使旋转半径最小化是更有利的。在这种情况下，转向角应该更大以使旋转半径最小化，并且当转向角变大时，如图2所示，阿克曼率则增加。

然而，根据图1所示的阿克曼率式，当内轮角大于外轮角时，阿克曼率具有较大的值。结果，在传统技术中，难以通过保持转向稳定性来使旋转半径最小化，因为为了增加阿克曼率外轮角应当更小，而这不利于使旋转半径最小化。

上述在该背景技术部分公开的信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此其可能含有不构成在该国本领域普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。

发明内容

本发明致力于提供一种使用轮内系统控制车辆的系统和方法，其具有经由阿克曼函数改善转向稳定性并使旋转半径最小化的优点。

本发明的示例性实施方式提供一种使用轮内系统控制车辆的系统和方法，该轮内系统控制安装在车辆的各个车轮内的电动机。具体地，控制单元可配置成基于车辆驾驶信息确定车辆的转向模式并且相应于转向模式计算车辆的当前阿克曼率。然后控制单元可基于当前阿克曼率生成控制命令，并使用控制命令分别控制各个车轮的电动机。

当转向模式处于转向稳定改善模式(即第一模式)时，可通过将车辆的当前偏航率(yaw rate)与取决于车辆的当前阿克曼率的目标偏航率进行比较来生成控制命令。当转向模式处于转向半径最小化模式(即第二模式)时，可通过计算当前阿克曼率的最小转向半径并将当前阿克曼率的最小转向半径与100％阿克曼率的最小转向半径进行比较来生成控制命令。

在本发明的一些示例性实施方式中，驾驶信息可包括转向角、转向角速度、车辆速度、和偏航率中的至少一种。可通过考虑齿条齿轮转向传动比、轮胎角、转向角、和车辆数据中的至少一种来计算当前阿克曼率，并且可基于车辆的当前阿克曼率、转向角、和车辆速度中的至少一种计算目标偏航率。另外，可基于齿条齿轮转向传动比、轮胎角、转向角、和车辆数据中的至少一种计算当前阿克曼率的最小转向半径。

根据本发明的示例性实施方式，可通过保持高阿克曼率来改善车辆的转向稳定性，并且可通过使用轮内电动机独立地控制各个车轮的扭矩来使旋转半径最小化。此外，可通过独立地控制各个车轮的扭矩来改善车辆的驾驶性能。

附图说明

图1为示出用于计算阿克曼角和阿克曼率的式的示意图。

图2为示出转向角与阿克曼率之间的关系的图。

图3是根据本发明的示例性实施方式的使用轮内系统控制车辆的方法的流程图。

图4是根据本发明的示例性实施方式的轮内系统的示意图。

图5是示出阿克曼率与偏航率之间的关系的图。

附图标记

10：轮内系统

100：轮毂

200：轮内电动机

300：减速器

具体实施方式

在下文中将参考附图详细地描述本发明的示例性实施方式。

应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。

此外，用于执行本发明的示例性实施方式的控制逻辑可实施为含有通过处理器、控制器等执行的可执行程序命令的非暂时性计算机可读介质。计算机可读介质的例子包括但不限于，ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、优盘、智能卡和光学数据存储装置。还能够在网络耦合的计算机系统中分布计算机可读记录介质，使得例如通过远程信息处理服务器或控制器局域网(CAN)以分散的方式存储并且执行计算机可读介质。

另外，在不偏离本发明的示例说明的实施方式的整体概念和意图的情况下，本文描述的控制单元可实施为单一控制单元或多个控制单元。由于任何公知的能够进行高级计算的控制单元都可被本发明的示例说明的实施方式进行利用，所以省略了描述控制单元的说明和附图。

图3是根据本发明的示例性实施方式的使用轮内系统控制车辆的方法的流程图。如图3所示，使用控制安装在车辆的各个车轮内的电动机(下文中，“轮内电动机”)的轮内系统来控制车辆的方法可包括：在步骤10中通过控制单元，基于车辆驾驶信息确定车辆的转向模式；在步骤S13和S23中通过控制单元，相应于所确定的转向模式计算车辆的当前阿克曼率；在步骤S16和S26中基于当前阿克曼率生成控制命令；以及在步骤S17和S27中使用控制命令分别地控制系统内各个车轮的电动机。

轮内系统是通过分别操作安装在各个车轮内的电动机来分别控制车辆的各个车轮的系统。如图4所示，根据轮内系统的示例性实施方式，电动机可分别安装在前轮和后轮的左轮和右轮内，并且独立控制各个电动机的扭矩。

如图4所示，在一个或多个实施方式中，轮内系统10可以包括配置成随车轮的输出轴105旋转的轮毂100、配置成旋转与输出轴105连接的输入轴205并且安装在车轮内的电动机200、以及布置在输入轴与输出轴105之间用于使输入轴205的旋转速度减速的减速器300。

可以独立地控制安装在各个车轮内的电动机200，使得可以通过适当地分配各个车轮的扭矩来改善车辆的驾驶性能。例如，可使用侧向力使车辆转向，该侧向力是通过控制左轮与右轮之间的不同扭矩来生成的。

如图3所示，在步骤S10中，基于车辆驾驶信息确定转向模式。在一个或多个示例性实施方式中，转向模式可以包括转向稳定性改善模式S12和转向半径最小化模式S22。当车辆处于正常转向状态S11时可以应用转向稳定性改善模式S12。换句话说，当例如在弯曲的道路上驾驶车辆时应用转向稳定性改善模式S12。另一方面，当车辆需要以最小转向半径缓慢驾驶S21时，例如当停车或U形转向时，可以应用转向半径最小化模式S22。

用于确定转向模式的驾驶信息可以包括转向角、转向角速度、车辆速度、和偏航率中的至少一种。可以通过使用传感器来测量车辆速度、转向角、转向角速度等。偏航率指的是表示车辆转向的转向程度并且通过使用例如安装在车辆内的偏航率传感器来测量的值。

通常，转向角、转向角速度、和偏航率在转向半径最小化模式S22中比在转向稳定性改善模式S12中更大，并且速度在转向半径最小化模式S22中比在转向稳定性改善模式S12中更低。因而，在步骤S10中，可以基于上述驾驶信息确定车辆的转向模式。

另外，在本发明的示例性实施方式中，在确定出转向模式时在步骤S13和S23中基于转向模式计算车辆的当前阿克曼率，在步骤S16和S26中基于当前阿克曼率生成控制命令，并且在步骤S17和S27中使用控制命令独立控制各个车轮的轮内电动机。

在步骤S13中，当转向模式是转向稳定性改善模式S12时，相应于转向稳定性改善模式计算车辆的当前阿克曼率。阿克曼率指的是理论阿克曼角与实际驾驶过程中生成的实际轮胎角之间的比率，并且阿克曼角指的是当前轮和后轮的法线通过转向中心时外轮的轮胎角。

可考虑齿条齿轮转向传动比、轮胎角、转向角、和车辆数据中的至少一种计算当前阿克曼率。通常，车辆在转向装置的转向轴的端部具有齿轮转向机构(pinion steering gear)，以及与齿轮传动装置(piniongear)连通的通过左右移动来控制车轮的方向的齿条传动装置(rackgear)。齿条齿轮转向传动比指的是齿条转向机构(rack steering gear)与齿轮转向机构之间的比率。

进一步，可通过图1所示的阿克曼角式和阿克曼率式计算当前阿克曼率。然后，在步骤S16中，基于步骤S14中的当前偏航率与步骤S15中的和当前阿克曼率相应的目标偏航率之间的比较而生成控制命令。

步骤S14中的当前偏航率指的是表示当前车辆转向的转向程度并且可通过使用安装在车辆内的偏航率传感器进行测量的值。

另一方面，在步骤S15中根据当前阿克曼率确定目标偏航率。在一个或多个示例性实施方式中，可考虑车辆的当前阿克曼率、转向角、和车辆速度中的至少一种计算目标偏航率。如图5所示，针对与阿克曼率相应的目标偏航率、车辆速度、和转向角之间的关系，可以预先制出三维图。

在步骤S16中，基于目标偏航率与当前偏航率之间的比较，生成控制命令。更具体地，控制命令是分别控制独立安装在各个车轮内的各个电动机的命令。在一个或多个示例性实施方式中，在当前偏航率遵循目标偏航率时生成控制命令。

在步骤S17中，通过生成的控制命令分别控制安装在各个车轮内的轮内电动机，以使当前偏航率与目标偏航率相等。换句话说，分别控制轮内电动机，以抵消当前偏航率与目标偏航率之间的差异。

在一个或多个示例性实施方式中，在步骤S17中，当前偏航率与目标偏航率之间的差异可减小，并且可通过增加安装在外轮内的轮内电动机的扭矩或者减小或保持安装在内轮内的轮内电动机的扭矩来改善转向稳定性。

另一方面，在步骤S23中，当转向模式是转向半径最小化模式S22时，相应于转向半径最小化模式计算车辆的当前阿克曼率。可考虑齿条齿轮转向传动比、轮胎角、转向角、和车辆数据中的至少一种计算当前阿克曼率。然后，在步骤S24中可计算当前阿克曼率的最小转向半径。可考虑齿条齿轮转向传动比、轮胎角、转向角、和车辆数据中的至少一种计算当前阿克曼率的最小转向半径。

在步骤S26中，当在步骤S24中计算出当前阿克曼率的最小转向半径时，可基于当前阿克曼率的最小转向半径与步骤S25中100％阿克曼率的最小转向半径之间的比较而生成控制命令。控制命令是分别控制独立安装在各个车轮内的各个电动机的命令。在一个或多个示例性实施方式中，在步骤S26中，可在当前阿克曼率的最小转向半径遵循100％阿克曼率的最小转向半径时生成控制命令。

在步骤S27中，通过生成的控制命令分别控制安装在各个车轮内的轮内电动机，以将当前阿克曼率的最小转向半径转换为100％阿克曼率的最小转向半径。换句话说，分别控制轮内电动机，以抵消当前阿克曼率的最小转向半径与100％阿克曼率的最小转向半径之间的差异。在一个或多个示例性实施方式中，在步骤S27中，可以通过增加安装在外轮内的轮内电动机的扭矩并且减小或保持安装在内轮内的轮内电动机的扭矩来使转向半径最小化。

在步骤S21中，通常，需要转向半径减小模式S22的驾驶情况在低速例如在停车或完成U形转向时出现。在传统技术的情况中，在这些情形下，可通过增加阿克曼率改善转向稳定性，但不利的是旋转半径最小化，因为以传统技术的高阿克曼率，外轮轮胎角变得小于内轮轮胎角，并且外轮的小轮胎角使得难以使车辆的旋转半径最小化。

然而，本发明在转向半径最小化模式S22中通过控制各个车轮的各个轮内电动机，允许分别控制外轮和内轮的扭矩，使得本发明能够使旋转半径最小化而降低转向稳定性。因而，根据本发明的示例性实施方式，可通过保持高阿克曼率来改善车辆的转向稳定性，并且可通过使用轮内电动机独立控制各个车轮的扭矩来使旋转半径最小化。

尽管本发明结合目前被认为是实用的示例性实施方式进行了描述，但应当理解本发明不限于所公开的实施方式，相反，本发明意在涵盖包括在随附权利要求的精神和范围内的各种变更和等同布置。

Claims

1.一种使用轮内系统控制车辆的方法，所述轮内系统控制安装在车辆的各个车轮内的电动机，所述方法包括：

通过控制单元，基于车辆驾驶信息确定车辆的转向模式；

通过所述控制单元，基于所确定的转向模式计算车辆的当前阿克曼率；

通过所述控制单元，基于所述当前阿克曼率生成控制命令；以及

通过所述控制单元，分别使用所述控制命令独立控制所述各个车轮的电动机。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述转向模式处于第一模式时，通过将车辆的当前偏航率与取决于车辆的所述当前阿克曼率的目标偏航率进行比较来生成所述控制命令。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述转向模式处于第二模式时，通过计算所述当前阿克曼率的最小转向半径并将所述当前阿克曼率的最小转向半径与100％阿克曼率的最小转向半径进行比较来生成所述控制命令。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述车辆驾驶信息包括转向角、转向角速度、车辆速度、和偏航率中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，基于齿条齿轮转向传动比、轮胎角、转向角、和车辆数据中的至少一种计算所述当前阿克曼率。

6.根据权利要求2所述的方法，其中，基于车辆的所述当前阿克曼率、转向角、和车辆速度中的至少一种计算所述目标偏航率。

7.根据权利要求3所述的方法，其中，基于齿条齿轮转向传动比、轮胎角、转向角、和车辆数据中的至少一种计算所述当前阿克曼率的最小转向半径。

8.一种非暂时性计算机可读介质，其含有通过控制单元执行的程序指令，所述计算机可读介质包括：

基于车辆驾驶信息确定车辆的转向模式的程序指令；

基于所确定的转向模式计算车辆的当前阿克曼率的程序指令；

基于所述当前阿克曼率生成控制命令的程序指令；以及

分别使用所述控制命令独立控制各个车轮的电动机的程序指令。

9.根据权利要求8所述的非暂时性计算机可读介质，其中，当所述转向模式处于第一模式时，通过将车辆的当前偏航率与取决于车辆的所述当前阿克曼率的目标偏航率进行比较来生成所述控制命令。

10.根据权利要求8所述的非暂时性计算机可读介质，其中，当所述转向模式处于第二模式时，通过计算所述当前阿克曼率的最小转向半径并将所述当前阿克曼率的最小转向半径与100％阿克曼率的最小转向半径进行比较来生成所述控制命令。

11.根据权利要求8所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述车辆驾驶信息包括转向角、转向角速度、车辆速度、和偏航率中的至少一种。

12.根据权利要求8所述的非暂时性计算机可读介质，其中，基于齿条齿轮转向传动比、轮胎角、转向角、和车辆数据中的至少一种计算所述当前阿克曼率。

13.根据权利要求9所述的非暂时性计算机可读介质，其中，基于车辆的所述当前阿克曼率、转向角、和车辆速度中的至少一种计算所述目标偏航率。

14.根据权利要求10所述的非暂时性计算机可读介质，其中，基于齿条齿轮转向传动比、轮胎角、转向角、和车辆数据中的至少一种计算所述当前阿克曼率的最小转向半径。

15.一种使用轮内系统控制车辆的系统，所述轮内系统控制安装在车辆的各个车轮内的电动机，所述系统包括：

控制单元，其配置成基于车辆驾驶信息确定车辆的转向模式，基于所确定的转向模式计算车辆的当前阿克曼率，基于所述当前阿克曼率生成控制命令，并且分别使用所述控制命令独立控制所述各个车轮的电动机。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，当所述转向模式处于第一模式时，通过将车辆的当前偏航率与取决于车辆的所述当前阿克曼率的目标偏航率进行比较来生成所述控制命令。

17.根据权利要求15所述的系统，其中，当所述转向模式处于第二模式时，通过计算所述当前阿克曼率的最小转向半径并将所述当前阿克曼率的最小转向半径与100％阿克曼率的最小转向半径进行比较来生成所述控制命令。

18.根据权利要求15所述的系统，其中，所述车辆驾驶信息包括转向角、转向角速度、车辆速度、和偏航率中的至少一种，并且基于齿条齿轮转向传动比、轮胎角、转向角、和车辆数据中的至少一种计算所述当前阿克曼率。

19.根据权利要求16所述的系统，其中，基于车辆的所述当前阿克曼率、转向角、和车辆速度中的至少一种计算所述目标偏航率，并且基于齿条齿轮转向传动比、轮胎角、转向角、和车辆数据中的至少一种计算所述当前阿克曼率的最小转向半径。