CN104428190A - 用于在转向期间减小游隙的影响的控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在车辆转向期间减小游隙的影响的控制系统。所述控制系统包括适用于确定所述车辆的方向盘角δ_SW(t)并且基于所述方向盘角δ_SW(t)来产生方向盘角信号的方向盘角探测器(1)、适用于确定所述车辆的速度v_x(t)并且基于所述速度v_x(t)来产生速度信号的速度探测器(2)、以及适用于确定车辆的实际方向改变y_z(t)并且基于所述实际方向改变y_z(t)来产生转动信号的探测器(3)；所述控制系统还包括控制单元，其适用于接收所述信号并且将所述方盘角δ_SW(t)，速度v_x(t)和实际方向改变y_z(t)用作计算转向角增加量δ_ADD(t)的基础，用以减小所述车辆的转向负重轮的预期方向改变与所述车辆的转向负重轮在所述方向盘角δ_SW(t)下的实际方向改变之间的差别，并且所述控制单元适用于基于所述转向角增加量δ_ADD(t)来产生转向角增加信号，因此所述控制系统适用于将转向角增加量δ_ADD(t)添加到所述车辆的手动操作转向系统(6)。本发明还包括用于在车辆转向期间减小游隙的影响的方法。

Description

用于在转向期间减小游隙的影响的控制系统和方法

技术领域

根据独立权利要求的前序部分，本发明涉及用于提高驾驶员的转向感觉的控制系统和方法。

背景技术

在使车辆转向时，驾驶员通常通过向方向盘施加力来转动方向盘以使方向盘转动到与他/她希望车辆行驶的方向相对应的期望的角。在具有方向盘与负重轮之间具有直接连接的系统的车辆中，或替代地在具有经由动力伺服系统来发生转向的系统的车辆中，转动方向盘所需的力与转向时的给定角摩擦、负重轮角的给定设置以及道路的摩擦和状态相对应。同样地，车道的不平整以及转向中的不足(例如游隙)将导致施加到方向盘的力发生改变。

各种研究已经显示，驾驶员的方向盘角输入信号与车辆的例如横向加速度或横摆角速率的响应之间的关系是转向感觉的关键。卡车需要容易在长距离上驾驶，并且不会感觉到转向紧张。“转向紧张”是指给定的方向盘角与方向盘产生的转向之间的比过于线性。期望一定的延迟或阻力，否则车辆对于方向盘的最轻微的移动都会产生反应。同时，驾驶员需要经历从车辆到他/她的转向动作的清楚的响应。当转向管路中存在游隙时，例如由于机械部件的磨损、控制系统中的弹性或轮胎的非线性行为，可能发生的是驾驶员必须在车辆做出响应之前将方向盘转动一定角。

图1中的示图中示出了当转向管路存在游隙时方向盘角δ_SW与车辆横摆角速率ω之间的关系的问题。当驾驶员将方向盘从初始位置0转动到方向盘角时，必须要在车辆通过转动负重轮来做出响应之前达到一定的方向盘角，如示图中通过在方向盘角增加时(A)车辆的横摆角速率初始未增加所示出的。在一小段时间后，随着方向盘角增加(B)，游隙终止并且车辆开始逐步地改变方向。当驾驶员需要向相反方向转动车辆时，会出现相同的问题，但是问题加倍。初始出现(A)中所描述的游隙，然后在向相反方向转向期间出现另一个游隙(C)。在一小段时间后，随着方向盘角增加(D)，游隙终止并且车辆开始逐步地改变方向。

对给定方向盘角的响应的最佳模式由示图中的直线E表示。

US2006/0006020描述了用于具有助力转向的车辆的控制系统。控制系统被配置为以如下方式控制转向机制：所谓的转向角传动比在转向角很小的中央转向范围内增大，并且在转向角接近其最大值的转向范围内减小。因此防止了由转向机制的跟踪延迟所产生的助力损失。当转向角增大时，所应用的角速率因此逐步下降，从而带给驾驶员良好的转向感觉。

WO2011/035960描述了一种方法，其中确定了方向盘角并且施加了取决于车辆的具体参数的转向角增加。

US20100280716描述了用于主动转向的方法，其中方向盘角与转向角之间的关系可以通过角度叠加来改变。所需要的发动机角与当前发动机角之间的偏移可以通过算法来减小，这使过渡柔和。

US20100332081描述了具有角度叠加的主动转向系统，由此，方向盘角与转向角之间的关系作为相对于时间延迟的车辆速度的函数而改变。

US20090026003描述了主动转向系统，其中取决于车辆速度和方向盘角速率来产生转向角增加。

以上描述的系统涉及帮助驾驶员使车辆转向的各种方式。

本发明的目的是提出用于使驾驶员在车辆转向时具有良好的转向感觉的改进的系统和改进的方法。

发明内容

上述目的通过用于在车辆转向期间减小游隙的影响的控制系统来实现，所示系统包括适用于确定车辆方向盘角δ_SW(t)并且基于车辆方向盘角δ_SW(t)来产生方向盘角信号的方向盘角探测器、适用于确定车辆的速度v_x(t)并且基于车辆的速度v_x(t)来产生速度信号的速度探测器、以及适用于确定车辆的实际方向改变y_z(t)并且基于车辆的实际方向改变y_z(t)来产生转动信号的探测器。控制系统还包括控制单元，其适用于接收所述信号，适用于将所述方向盘角δ_SW(t)、车辆速度v_x(t)和实际方向改变y_z(t)用作计算转向角增加量δ_ADD(t)的基础，用以减小车辆的转向负重轮的预期方向改变与车辆的转向负重轮在所述方向盘角δ_SW(t)下的实际方向改变之间的差别，并且适用于基于转向角增加量δ_ADD(t)来产生转向角增加量信号，因此控制系统适用于将转向角增加量δ_ADD(t)添加到车辆的手动操作转向机制上。

另一方面，所述目的通过用于在车辆转向期间减小游隙的影响的方法来实现，所述方法包括：确定车辆的方向盘角δ_SW(t)；确定车辆的速度v_x(t)；确定车辆的实际方向改变y_z(t)；将所述方向盘角δ_SW(t)、速度v_x(t)和实际方向改变y_z(t)用作计算转向角增加量δ_ADD(t)的基础，用以减小车辆的转向负重轮的预期方向改变与车辆的转向负重轮在所述方向盘角δ_SW(t)下的实际方向改变之间的差别，并且将转向角增加量δ_ADD(t)添加到车辆的手动操作转向机制上。

本发明实现了车辆对方向盘移动的响应的增强，由此大体上消除了由于机械游隙、负重轮等原因而出现在车辆的转向管路中的游隙的影响。因此减小了车辆对驾驶员的给定方向盘角的响应的延迟。

通常需要转向管路中的一定的滞后，否则转向可能会显示出紧张的表现。图4中的示图中的示例示出了本发明的效果，如以下阐述的具体实施方式中所解释的。

在从属权利要求和具体实施方式中描述了优选实施例。

附图说明

下面参考附图来描述本发明，附图中：

图1是示出由于转向管路中的游隙而在转向期间出现的迟滞形式的差别的示图。

图2描绘了根据本发明的实施例的控制系统。

图3示出了根据本发明的系统如何经由电动机(EM)连接到车辆中。

图4是示出本发明的效果的示图。

图5是根据本发明的实施例的所述方法的流程图。

具体实施方式

图2描绘了根据本发明的实施例的控制系统，现在将参考图2来解释所述控制系统。控制系统包括方向盘角探测器1，其适用于确定车辆的方向盘角δ_SW(t)并且基于车辆的方向盘角δ_SW(t)来产生方向盘角信号。方向盘角探测器可以例如是车辆的转向柱中的探测器，以测量方向盘的转动。系统还包括速度探测器2，其适用于确定车辆的速度v_x(t)并且基于车辆的速度v_x(t)来产生速度信号。测量车辆速度的各种不同方式通常包括确定车辆的以与车辆的速度相关的速率旋转的一些可移动部件的速度。速度探测器可以例如适用于测量车辆负重轮的旋转速度并且由此确定车辆的速度。控制系统还包括探测器3，其适用于确定车辆的实际方向改变并且基于车辆的实际方向改变来产生转动信号。车辆的实际方向改变是在驾驶员使车辆转向时发生的方向改变。探测器3可以例如是横摆角速率探测器，其适用于确定车辆的横摆角速率ω_z(t)并且基于车辆的横摆角速率ω_z(t)来产生横摆角速率信号。横摆角速率描述了车辆围绕其重心转动得有多快，这在车辆改变其移动方向时发生。在另一个实施例中，探测器3可以适用于确定车辆的横向加速度a_y(t)以确定车辆的实际方向改变。横向加速度描述了用于使车辆保持在车道上所需的力并且可以例如通过使用适用于确定横向加速度的加速度探测器来确定该力。

然后将方向盘角信号、速度信号和描述了车辆的实际方向改变的转动信号发送到控制系统中的控制单元。控制单元适用于接收所述信号并且适用于计算转向角增加量δ_ADD(t)，用以减小车辆的转向负重轮的预期方向改变与车辆的转向负重轮在所述方向盘角δ_SW(t)下的实际方向改变之间的差别。计算基于所述方向盘角δ_SW(t)、车辆速度v_x(t)和实际方向改变y_z(t)。控制单元还适用于基于转向角增加量δ_ADD(t)来产生方向盘角增加量信号，因此控制系统适用于将转向角增加量δ_ADD(t)添加到车辆的手动操作转向机制6上，如图3中所示出的。

预期方向改变是在转向管路或轮胎等中没有游隙的情况下车辆在相应的方向盘角处将最佳执行的方向改变。

通过这种方式，可以补偿转向管路中的游隙并且驾驶员不需要确切地了解特定车辆是如何表现的并且进行相应地改变。因此转向变得更安全并且更可预知。利用本发明，车辆的实际方向改变将因此更好地对应于驾驶员的方向盘角输入信号。因此减小了车辆的响应时间。

在一个实施例中，控制单元适用于计算车辆的预期方向改变y_REF(t)与其实际方向改变y_z(t)之间的差异y_DIFF(t)，并且基于此来产生差异信号。通过这种方式，可以得到车辆的预期方向改变与实际方向改变之间的差别。然后可以通过适用于基于所述差异y_DIFF(t)来确定转向角增加量δ_ADD(t)的控制系统来补偿该差别。车辆的预期方向改变y_REF(t)优选地通过车辆在所述方向盘角δ_SW(t)和车辆速度v_x(t)下的预期方向改变的模型4来确定。利用在转向管路中不存在游隙的情况下车辆如何对方向盘角做出反应的模型，使得可以找出差别有多大并且可以补偿该差别。

如前面所解释的，车辆的实际方向改变可以例如由车辆的横摆角速率ω_z(t)或车辆的横向加速度a_y(t)来描述。

当需要基于车辆的横摆角速率来调节车辆时，然后由车辆的横摆角速率ω_z(t)来确定车辆的实际方向改变y_z(t)。在该实施例中，车辆的实际方向改变y_REF(t)通过车辆的预期横摆角速率ω_REF(t)的模型4来确定，

$\frac{v_x\left(t\right)\·\mathrm{\δ}\left(t\right)}{L+K_{\mathrm{us}}\·v_x^2\left(t\right)}---\left(1a\right)$

其中，v_x(t)是车辆的速度，转向角其中i是车辆的齿轮速比，L是车辆的轴距(轴向间隔)并且K_us是车辆的转向不足梯度。因此可以补偿预期横摆角速率与实际横摆角速率之间出现的差别。

当需要基于车辆的横向加速度来调节车辆时，然后可以由车辆的横向加速度a_y(t)来确定车辆的实际方向改变y_z(t)。在该实施例中，车辆的预期方向改变y_REF(t)通过车辆的预期横向加速度a_y(t)的模型4的方式来确定，

$\frac{\mathrm{\δ}\left(t\right)\·v_x^2\left(t\right)}{L+\frac{v_x^2\left(t\right)\·K_{\mathrm{us}}^2}{L}}---\left(1b\right)$

因此可以补偿预期横向加速度与实际横向加速度之间出现的差别。

然后在一个实施例中，控制系统包括调节器5，其适用于接收所述差异信号并且将所述差异y_DIFF(t)转化成转向角增加量δ_ADD(t)。这使得可以确定要被添加到当前方向盘角δ_SW(t)的方向盘角δ_ADD的量值，并且可以分别实现横摆角速率和横向加速度的调节。调节器可以例如是P、PI或PID调节器。使用调节器使得可以产生添加的转动角δ_ADD(t)的“温和”的增加。调节器特性可以有利地适用于例如驾驶员或驾驶情况。在城市交通中，可能例如需要较快的响应，因此移动的速度通常比在国道上的速度快。

图3示出了如何将计算出的转向角增加量δ_ADD(t)添加到由驾驶员通过转动方向盘来施加的转向角δ_SW(t)。转向角增加量δ_ADD(t)可以例如通过使用电动机(EM)来产生。两个转向角作为输入信号而被传送到车辆的手动操作转向机制，车辆的手动操作转向机制可以包括谐波传动6、行星齿轮箱6，其可以使伺服7将所需角δ_CONTROL传送到负重轮。在一个实施例中，车辆的手动操作转向机制可以包括“线控转向”，由此通过电子控制系统来使车辆转向。

图4示出了本发明的效果，此处在示图中，驾驶员的当前方向盘角δ_SW(t)和车辆的横摆角速率ω_z(t)是叠加的。δ_SW，1(t)表示驾驶员的方向盘角并且车辆产生的横摆角速率未被补偿。因此车辆仅在一定时间段后才开始转动，即存在一定延迟。当转向角增加量δ_ADD(t)添加到当前方向盘角δ_SW，1(t)时，产生的方向盘角δ_SW，2(t)变大。然后迫使车辆利用产生的增加的横摆角速率ω_z，2(t)来更快地转动。因此本发明产生转向角的瞬间增加，其作为输入信号被传送到车辆的手动操作转向机制，如图3中所示出的。如图2中所示，然后确定产生的横摆角速率ω_z(t)并且将其反馈回控制系统中。当使用的调节参数是横摆角速率ω_z(t)时，此处示出了本发明的效果，但是通过进行选择来相对于横向加速度a_y(t)调节车辆获得了相同或者至少相似的效果。

在另一方面，本发明包括用于在车辆转向期间减小游隙的影响的方法。方法在图5中的流程图中示出，其初始包括确定车辆的方向盘角δ_SW(t)的步骤A1、确定车辆的速度v_x(t)的步骤A2以及确定车辆的实际方向改变y_z(t)的步骤A3。这前三个步骤A1-A3可以以不同的顺序发生。当已经执行这些步骤时，然后步骤A4使用所述方向盘角δ_SW(t)、速度v_x(t)和实际方向改变y_z(t)作为计算转向角增加量δ_ADD(t)的基础，用以减小车辆的转向负重轮的预期方向改变与车辆的转向负重轮在所述方向盘角δ_SW(t)下的实际方向改变之间的差别。然后步骤A5将转向角增加量δ_ADD(t)添加到车辆的手动操作转向机制。

如前面关于控制系统所描述的，存在用于确定以上所指示的量值的各种替代物，由此所提及的替代物用于实施所述方法。

在一个实施例中，方法包括基于被计算为车辆的预期方向改变y_REF(t)与其实际方向改变y_z(t)之间的差异的差异y_DIFF(t)来确定所述转向角增加量δ_ADD(t)。然后车辆的预期方向改变y_REF(t)优选地通过在所述方向盘角δ_SW(t)和车辆速度v_x(t)下的车辆的预期方向改变y_REF(t)的模型4来确定。

在相对于车辆的横摆角速率ω_z(t)来调节车辆的情况下，方法包括通过确定车辆的横摆角速率ω_z(t)来确定车辆的实际方向改变y_z(t)，以及利用车辆的预期横摆角速率ω_REF(t)的模型4来确定车辆的预期方向改变。

在相对应车辆的横向加速度a_y(t)来调节车辆的情况下，方法包括通过确定车辆的横向加速度a_y(t)来确定车辆的实际方向改变y_z(t)，以及利用车辆的预期横向加速度a_y(t)的模型4来确定车辆的预期方向改变。

方法还可以包括将所述差异y_DIFF(t)转化成转向角增加量δ_ADD(t)的步骤。

本发明还包括计算机程序产品，其包括计算机程序指令，当计算机系统运行程序指令时，所述程序指令使得计算机系统执行根据上述方法所述的步骤。在一个实施例中，所述计算机程序产品具有存储在计算机系统可读的介质中的程序指令。

本发明并不限于上文所描述的实施例。可以使用各种的替代物、修改和等价物。因此上述实施例并不限于由所附权利要求所限定的本发明的范围。

Claims (13)

1.一种用于在车辆转向期间减小游隙的影响的控制系统，所述控制系统包括：

-方向盘角探测器(1)，其适用于确定所述车辆的方向盘角δ_SW(t)并且基于所述方向盘角δ_SW(t)来产生方向盘角信号，

-速度探测器(2)，其适用于确定所述车辆的速度v_x(t)并且基于所述速度v_x(t)来产生速度信号，

其特征在于，所述控制系统包括：

-探测器(3)，其适用于确定所述车辆的实际方向改变y_z(t)并且基于所述实际方向改变y_z(t)来产生转动信号；

所述控制系统还包括控制单元，所述控制单元适用于：

-接收所述信号，并且

-将所述方盘角δ_SW(t)、速度v_x(t)和实际方向改变y_z(t)用作计算转向角增加量δ_ADD(t)的基础，用以减小所述车辆的转向负重轮的预期方向改变与所述车辆的转向负重轮在所述方向盘角δ_SW(t)下的实际方向改变之间的差别，并且基于所述转向角增加量δ_ADD(t)来产生转向角增加量信号，因此所述控制系统适用于将所述转向角增加量δ_ADD(t)添加到所述车辆的手动操作转向系统(6)。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述控制单元适用于计算所述车辆的预期方向改变y_REF(t)与其实际方向改变y_z(t)之间的差异y_DIFF(t)并且基于所述差异y_DIFF(t)来产生差异信号，通过所述车辆在所述方向盘角δ_SW(t)和车辆速度v_x(t)下的预期方向改变的模型(4)来确定y_REF(t)，因此所述控制系统适用于基于所述差异y_DIFF(t)来确定所述转向角增加量δ_ADD(t)。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其中，所述车辆的实际方向改变y_z(t)由所述车辆的横摆角速率ω_z(t)来确定，并且所述车辆的预期方向改变y_REF(t)通过所述车辆的预期横摆角速率ω_REF(t)的模型(4)来确定，

$\frac{v_x\left(t\right)\·\mathrm{\δ}\left(t\right)}{L+K_{\mathrm{us}}\·v_x^2\left(t\right)}---\left(1a\right)$

其中，v_x(t)表示所述车辆的速度，其中，i是所述车辆的齿轮速比，L是所述车辆的轴距并且K_us是所述车辆的转向不足梯度。

4.根据权利要求2所述的控制系统，其中，所述车辆的实际方向改变y_z(t)由所述车辆的横向加速度a_y(t)来确定，并且所述车辆的预期方向改变y_REF(t)由所述车辆的预期横向加速度a_y(t)的模型来确定，

$\frac{\mathrm{\δ}\left(t\right)\·v_x^2\left(t\right)}{L+\frac{v_x^2\left(t\right)\·K_{\mathrm{us}}^2}{L}}---\left(\text{1b}\right)$

其中，v_x(t)表示所述车辆的速度，其中，i是所述车辆的齿轮速比，L是所述车辆的轴距并且K_us是所述车辆的转向不足梯度。

5.根据权利要求2至4中的任一项所述的控制系统，其中，所述控制单元包括调节器(5)，其适用于接收所述差异信号并且将所述差异y_DIFF(t)转化成转向角增加量δ_ADD(t)。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其中，所述调节器(5)是P、PI或PID调节器。

7.一种用于在车辆转向期间减小游隙的影响的方法，包括：

-确定所述车辆的方向盘角δ_SW(t)，

-确定所述车辆的速度v_x(t)，

其特征在于，所述方法包括：

-确定所述车辆的实际方向改变y_z(t)，

-将所述方向盘角δ_SW(t)、速度v_x(t)和实际方向改变y_z(t)用作计算转向角增加量δ_ADD(t)的基础，用以减小所述车辆的转向负重轮的预期方向改变与所述车辆的转向负重轮在所述方向盘角δ_SW(t)下的实际方向改变之间的差别，以及

-将转向角增加量δ_ADD(t)添加到所述车辆的手动操作转向机制(6)。

8.根据权利要求7所述的方法，其包括：

-计算所述车辆的预期方向改变y_REF(t)与所述车辆的实际方向改变y_z(t)之间的差异y_DIFF(t)，通过车辆在所述方向盘角δ_SW(t)和所述车辆的速度v_x(t)下的预期方向改变y_REF(t)的模型(4)来确定y_REF(t)；

-基于所述差异y_DIFF(t)来确定所述转向角增加量δ_ADD(t)。

9.根据权利要求8所述的方法，其包括：

-通过确定所述车辆的横摆角速率ω_z(t)来确定所述车辆的实际方向改变y_z(t)，以及

-通过所述车辆的预期横摆角速率ω_REF(t)的模型(4)来确定所述车辆的预期方向改变，

$\frac{v_x\left(t\right)\·\mathrm{\δ}\left(t\right)}{L+K_{\mathrm{us}}\·v_x^2\left(t\right)}---\left(1a\right)$

其中，v_x(t)表示所述车辆的速度，其中，i是所述车辆的齿轮速比，L是所述车辆的轴距并且K_us是所述车辆的转向不足梯度。

10.根据权利要求8所述的方法，其包括：

-通过确定所述车辆的横向加速度a_y(t)来确定所述车辆的实际方向改变y_z(t)，以及

-通过所述车辆的预期横向加速度a_y(t)的模型(4)来确定所述车辆的预期方向改变，

$\frac{\mathrm{\δ}\left(t\right)\·v_x^2\left(t\right)}{L+\frac{v_x^2\left(t\right)\·K_{\mathrm{us}}^2}{L}}---\left(\text{1b}\right)$

其中，v_x(t)表示所述车辆的速度，其中，i是所述车辆的齿轮速比，L是所述车辆的轴距并且K_us是所述车辆的转向不足梯度。

11.根据权利要求8-10中的任一项所述的方法，其包括将所述差异y_DIFF(t)转化成转向角增加量δ_ADD(t)的步骤。

12.一种计算机程序产品，包括计算机程序指令，当在计算机系统上运行所述程序指令时，所述程序指令使得所述计算机系统执行根据权利要求7-11中的任一项所述的方法的步骤。

13.根据权利要求12所述的计算机程序产品，其中，所述程序指令存储在计算机系统可读的介质上。