CN105164001A - 确定交通工具的转向柱的转向角度的机动交通工具、系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种系统和方法将交通工具的转向柱的转向角度确定为变动的转向角度和偏移的总和的。通过响应于检测到所述转向角度和侧向交通工具动态性之间的不相干而调整所述偏移来更新所述转向角度。

Description

确定交通工具的转向柱的转向角度的机动交通工具、系统和方法

技术领域

本发明总体涉及一种交通工具的电动助力转向系统，并且更具体地涉及确定交通工具的转向柱的转向角度。

背景技术

交通工具的转向柱的转向角度可以用于控制转向系统、悬架系统和制动系统。通常情况下，转向传感器用于测量转向角度。在制造交通工具的时候装设并校准转向传感器。然而，每当转向系统几何形状由于操作交通工具而改变时需要重新校准转向传感器。

一些常规方法通过检测交通工具的直线运动以及在此直线运动期间调整转向传感器的转向偏移来确定转向角度。例如，参见U.S.2010/235,052、U.S.5,465,210或U.S.2009/0125187。然而，由于道面的曲率，并不总是可以准确地检测交通工具的直线运动。另外，当交通工具实际上笔直地驾驶时，可能存在相对较少的周期，因此在确定发生之前，相当多的时间可能已经流逝掉。因此，需要准确确定转向角度而不依赖于交通工具的直线运动。

一些方法基于交通工具动态性的详细模型来校准转向传感器。例如，参见U.S.6,775,604或U.S.6,498,971。然而，这些模型需要知晓道路摩擦和各种交通工具参数，诸如质量、惯性、轮胎刚度、重量分布和悬架角度。在操作交通工具期间知晓这些是困难的并且几乎不可能获得。另外，由于轮胎的磨损以及交通工具质量的改变，模型随时间而改变。

因此，在本领域中需要在操作交通工具期间确定转向角度。还期望在交通工具经历侧向运动时确定转向角度。还期望在不使用详细的交通工具模型的情况下确定转向角度。

发明内容

本发明各实施方式的一个目标是在操作交通工具期间确定交通工具的转向柱的转向角度。一些实施方式在没有转向角度传感器的情况下确定转向角度。在一些实施方式中，转向角度传感器的使用得以避免。替代实施方式确定转向角度，以调整或校准转向角度传感器或监测转向角度传感器和/或交通工具传感器中可能发生的故障。

本发明的各种实施方式基于以下观察事实：有时可以把转向角度表示为偏移和变动的转向角度的总和。在一些情形下，变动的转向角度更容易确定或直接测量。此外，可以通过响应于检测转向角度和侧向交通工具动态性之间的不相干而调整偏移来更新转向角度。因此，可以确定转向角度，以最小化或避免对转向角度传感器的需要。

例如，本发明的一些实施方式基于以下实现策略：有关转向角度的操作的一些参数另外由电动助力转向系统(EPS)的传感器测量。这引入了可以用于监测转向系统状态的传感器的冗余。由此，EPS的传感器的测量结果可以用于确定转向角度。

例如，转向角度是EPS的转向马达的角度的函数，使得转向马达的角度成为变动的转向角度。由此，转向马达的角度可以用于确定转向柱的转向角度。这样的确定可能是有利的，这是因为EPS的转向马达通过操作交通工具会比转向柱影响更小，并且由此EPS可以在更长的时间段内保持测量精度。

替代实施方式基于以下实现策略：变动的转向角度可以用相对编码器测量，而不是绝对编码器。相对编码器比绝对编码器更简单建造且更小，由此更便宜且更容易包装。然而，在相对编码器中，只测量相对位置，即，关于未知转向角度的角度。

此外，一些实施方式基于以下认识：可以在存在误差的情况下确定转向角度的值。例如，转向角度可以由绝对编码器测量；但由于编码器在交通工具中的不精确安装，存在恒定误差。另外，由于主动前轮转向系统中的致动器的误差和/或故障，有效的方向盘角度可能因偏移而变动。

偏移一般是未知的。然而，可以在操作交通工具期间使用由转向角度影响的至少一个交通工具动态性来确定偏移。转向角度可以影响侧向动态性，诸如偏航率、交通工具的侧向加速度、方向盘的扭矩、转向扭矩和交通工具的每个轮的转速。值得注意的是，使用侧向动态不需要检测交通工具的直线运动。

具体而言，转向角度信号与在交通工具动态性的某一频率带宽下表示侧向交通工具动态性的信号相干。因此，转向角度可以确定为马达的角度的函数，使得转向角度的信号与某一频率带宽下侧向交通工具动态性的信号相干。

如果两个信号在任何时间点的值具有相同的符号，则这两个信号是相干的。如果符号相同，则两个信号的乘积始终为零或正的(即，非负的)。由此，当转向角度和侧向交通工具动态性的乘积为负的时，一些实施方式检测到不相干。

当乘积为负的时，一些实施方式调整偏移，以使这样的乘积为零。该过程重复，直到检测不到不相干。例如，偏移可以初始化为预定的正值，用以检测不相干。接下来，每次迭代时均修正偏移，直到满足终止条件。

一个实施方式基于交通工具的动态性的信号来调整偏移。该实施方式保证最大估值误差不大于从单个传感器获得的最大估值误差。例如，一个实施方式初始化转向角度，确定转向角度的估值，每个估值与交通工具的动态性的一个信号相干，并且将转向角度调整为转向角度的多个估值的加权平均。另外，在该实施方式中，由于以不同方式影响不同交通工具动态性的外部不可预知的因素，误差得以减小。

一个实施方式分别针对逆时针(左)和顺时针(右)转动方向盘来确定转向角度，并且将转向角度确定为转向角度的左估值和右估值的平均。这减小了由于外部因素和交通工具动态性中的较高频率而产生的误差。

在一些实施方式中，在当前偏移估算与时间平均的偏移估算的差以及偏移方差小于与期望的偏移估值精度有关的两个预定义的阈值时，确定转向角度已收敛。当这样的条件被验证时，偏移被存储在存储器中并保持恒定，直到交通工具电气系统的永久电源供电给交通工具电气系统。

在一些实施方式中，随时间的平均偏移与当前偏移之间的差、和/或偏移的方差、和/或左右转动之间的估算的差、和/或从不同传感器获得的估算的差用于提供与偏移和转向角度的当前估算的不确定性有关的分数。

因此，本发明的一个实施方式公开了一种用于确定交通工具的转向柱的转向角度的方法。所述方法包括：将所述转向角度确定为偏移和变动的转向角度的总和；以及通过响应于检测所述转向角度和侧向交通工具动态性之间的不相干而调整所述偏移来更新所述转向角度。所述方法的各步骤由处理器执行。

例如，所述侧向交通工具动态性可以包括所述交通工具的至少一个轮的转速、偏航率、侧向加速度、转向对准扭矩以及转向扭矩中的至少一者。所述变动的转向角度可以包括转向马达的角度、关于所述转向角度测量的相对角度、存在误差下确定的所述转向角度的值以及因所述偏移而变动的有效方向盘角度中的至少一者。

另一实施方式公开了一种用于确定交通工具的转向柱的转向角度的系统。所述系统包括处理器，所述处理器：将所述转向角度确定为偏移和变动的转向角度的总和；以及通过响应于检测所述转向角度和侧向交通工具动态性之间的不相干而调整所述偏移来更新所述转向角度。

又一实施方式公开了一种具有电动助力转向系统(EPS)的机动交通工具。所述机动交通工具包括：至少一个传感器，所述至少一个传感器用于测量所述机动交通工具的至少一个侧向交通工具动态性；传感器，所述传感器用于测量表示变动的转向角度的信号；以及处理器，所述处理器用于将所述机动交通工具的转向柱的转向角度确定为偏移和变动的转向角度的总和，并且用于响应于检测所述转向角度和所述侧向交通工具动态性之间的不相干来迭代地调整所述转向角度。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方式的机动交通工具转向系统的实施方式的示意图。

图2是本发明的一些实施方式使用的信号的时序图。

图3是用于使用图2的实现策略来确定交通工具的转向柱的转向角度的方法的图表。

图4A和图4B是根据本发明的一个实施方式基于转向角度和侧向交通工具动态性的相应值的乘积来确定不相干的图示。

图5是示出根据本发明的一个实施方式的调整偏移的图形。

图6是根据本发明的一个实施方式的转向角度的迭代调整的图形。

图7是用于根据本发明的一个实施方式迭代地调整转向角度的方法的流程图。

图8是补充图7的方法的根据本发明的一个实施方式用动态滤波算法迭代地调整具有滤波增益的偏移的方法的框图。

图9是根据一些实施方式的传感器融合方法的框图。

图10是偏移估算、偏移估算的时间平均以及偏移估算随时间的方差的图形。

图11是图示根据本发明的一个实施方式基于期望的估算置信区间来确定终止条件的图形。

图12是示出转向角度的当前值的不确定性的图形。

具体实施方式

机动交通工具转向系统的概述

图1是机动交通工具转向系统100的实施方式的示意图。整个说明书和权利要求书使用的术语“交通工具”或“机动交通工具”指的是能够载运一个或多个人类乘员并且由任何形式的能量产生动力的任何移动的交通工具。术语“交通工具”或“机动交通工具”包括但不限于：轿车、卡车、面包车、小型货车、越野车、摩托车、滑板车、游艇、私人船只和飞行器。在一些情况下，机动交通工具包括一个或多个发动机。整个说明书和权利要求书使用的术语“发动机”指的是能够转换能量的任何装置或机器。

出于图示的目的，示意性地示出机动交通工具100的一些部件。在一个实施方式中，机动交通工具100可以包括方向盘10，方向盘10进一步连接到转向柱12。转向柱12可以连接到齿条14，齿条14可以使用横拉杆进一步连接到机动交通工具100的前轮。

机动交通工具100可以包括助力转向系统102。助力转向系统102可以是设计成减小驾驶员用于使机动交通工具转动或转向的转向力的任何系统。在一些情况下，助力转向系统102可以是液压式助力转向系统。在其它情况下，助力转向系统102可以是电动助力转向系统。在示例性实施方式中，助力转向系统102可以是使用电动马达来辅助使机动交通工具转动或转向的电动助力转向系统(EPS)。

助力转向系统102可以包括齿轮箱130。齿轮箱130可以是本领域中已知的任何类型的齿轮箱。在助力转向系统102的一些实施方式中，齿轮箱130可以是齿条小齿轮类型。在助力转向系统102的一些实施方式中，齿轮箱130可以是双小齿轮类型。在一些实施方式中，齿轮箱可以是循环的球齿条类型。

图1示出了具有齿条小齿轮的齿轮箱的实施方式。齿轮箱130的功能可以是允许方向盘10转动以使机动交通工具100转动。方向盘10绕圈转动。方向盘10的转动在转向柱12中创建角向力。在一些机动交通工具100中，该角向力可以重新定向以使交通工具转动。在一些实施方式中，角向力可以重新定向为齿条14的横向运动(侧向运动)。齿轮箱130可以是将角向力从转向柱12重新定向到齿条14中的侧向力的齿轮的组合。

助力转向系统102可以包括用于辅助驾驶员使机动交通工具转动的元件。在一个实施方式中，助力转向系统102可以包括转向马达104。一般情况下，转向马达104可以是任何类型的马达。在示例性实施方式中，转向马达104可以是构造成驱动机动交通工具的一个或多个部件以辅助转动机动交通工具的电动马达。

转向马达104可以布置在机动交通工具100内的各种地点中。转向马达104可以配置成最接近转向柱12。转向马达可以配置成最接近齿轮箱130的齿轮。如图1所示，转向马达104可以围绕齿条14同心地装设，以辅助将齿条14移向左或移向右。在使用不同类型的转向系统的其它实施方式中，转向马达104可以设置在各种地点中，以辅助使机动交通工具转动。

助力转向系统102可以包括用于监测转向柱12的旋转的元件。在一些情况下，助力转向系统102可以包括位置传感器，该位置传感器被构造成监测转向柱12的绝对位置。在其它情况下，助力转向系统102可以包括构造成直接监测转向柱12的某一种旋转传感器。在使用转向马达104辅助转动的实施方式中，助力转向系统102可以包括构造成测量马达的角旋转的传感器。因为助力转向系统中的马达的旋转通常与固定传动比的转向柱的旋转有关，所以马达的旋转的测量可以直接与转向柱的旋转的测量有关。

在一些实施方式中，助力转向系统102可以包括旋转传感器106。一般情况下，旋转传感器106可以是构造成检测转向马达104的旋转的任何类型的传感器。例如，在一个实施方式中，多个霍尔效应传感器可以与转向马达104关联，用以测量转子的移动。在一些实施方式中，分解器或旋转式电力变压器可以用于检测转向马达104内的转子的旋转。在其它实施方式中，其它类型的传感器可以用于检测转向马达104的旋转。

旋转传感器106可以布置在助力转向系统102的各种地点处。助力转向系统102可以采用不同类型的齿轮箱130。每种类型的齿轮箱130可以将齿轮定位在不同的地点中。转向马达104和各种传感器可以基于齿轮箱130的类型而定位在不同的地点中。例如，旋转传感器106的定位可以取决于许多因素，包括但不限于齿轮的放置、齿轮箱130的类型、转向马达104的类型、转向马达104的放置及其它因素。

助力转向系统102还可以包括用于检测由驾驶员施加到转向系统的扭矩的元件。在一个实施方式中，助力转向系统102可以包括转向扭矩传感器108。在一些情况下，转向扭矩传感器108可以与齿轮箱130关联。然而，在其它情况下，转向扭矩传感器108可以设置在转向系统的任何其它地点处。使用这种布置，助力转向系统可以确定可能需要的转向辅助的量。

机动交通工具100可以包括用于与助力转向系统102关联的各种部件通信(并且在一些情况下控制)的元件。在一些实施方式中，机动交通工具100可以与计算机或类似的装置关联。在当前实施方式中，机动交通工具100与助力转向系统电子控制单元关联，该单元在此被称为第一电子控制单元(第一ECU)120。在一个实施方式中，第一ECU120可以被构造成与转向马达104、旋转传感器106和转向扭矩传感器108以及其它部件或系统通信，和/或控制它们。

第一ECU120可以包括多个端口，这便于输入以及输出信息和动力。如本文中使用的术语“端口”指的是两个导体之间的任何接口或共享边界。在一些情况下，端口可以便于插入以及去除导体。这些类型的端口的示例包括机械连接器。在其它情况下，端口是一般情况下不容易插入或去除的接口。这些类型的端口的示例包括焊接或电路板上的电子迹线。

所有以下端口以及与第一ECU120关联的元件均是可选的。一些实施方式可以包括给定的端口或元件，而其它的可以排除它。以下描述公开了许多可以使用的可能的端口和元件，然而，应当记住的是，并非每一个端口或元件都必须使用或包括在给定的实施方式中。

在一个实施方式中，第一ECU120可以包括：用于与转向扭矩传感器108通信的第一端口121；用于与转向马达104通信的第二端口122；以及用于与旋转传感器106通信的第三端口123。特别是，使用第一端口121，第一ECU120可以从转向扭矩传感器108接收与施加到转向柱12的扭矩有关的信息。利用该信息，第一ECU120可以确定需要多少转向辅助，并且将控制信号发送到转向马达104，以提供需要的转向辅助的方式使用第二端口122来操作转向马达104。此外，第一ECU120可以经由第三端口123从旋转传感器106接收关于转向马达104的旋转的信息，该信息可以用于进一步确定转向柱12的旋转。

机动交通工具100可以包括用于在驾驶期间提供交通工具稳定性辅助的元件。在示例性实施方式中，机动交通工具100可以包括交通工具稳定性辅助系统140(VSA)。交通工具稳定性辅助系统140可以是通过检测并且防止诸如打滑的非期望运动而能够修正交通工具的操作的任何电子稳定性控制系统。特别是，交通工具稳定性辅助系统140可以被构造成检测转向控制的损失并且提供不同轮的单独制动，以帮助重新定向交通工具。

交通工具稳定性辅助系统140可以与一个或多个传感器关联，该传感器被构造成接收与交通工具100的操作条件有关的信息。在一些实施方式中，机动交通工具100可以包括加速度传感器162。一般情况下，加速度传感器162可以是任何类型的加速度传感器。在一个实施方式中，加速度传感器162可以是陀螺传感器，该陀螺传感器被构造成接收与交通工具的偏航率有关的信息和/或侧向加速度信息。虽然在当前实施方式中可以使用单个传感器来检测偏航率和侧向加速度，但是在其它实施方式中，机动交通工具可以使用多于一个传感器。

加速度传感器162可以定位在机动交通工具100内的各种地点中。加速度传感器162的地点可能受齿轮箱130的类型以及本领域已知的其它因素的影响。例如，其它因素可以包括机动交通工具100中的发动机的类型以及传动系的类型。在一些实施方式中，加速度传感器162可以位于交通工具稳定性辅助系统电子控制单元内。

在一个实施方式中，机动交通工具100可以包括一组轮速度传感器164。在一些情况下，这一组轮速度传感器164可以包括与机动交通工具100的四个轮关联的一组四个独立的轮速度传感器。特别是，一组轮速度传感器164的每个轮速度传感器均可以被构造成检测机动交通工具100的相应轮的速度。使用该信息，交通工具稳定性辅助系统140可以检测机动交通工具100的四个轮中的每个轮的轮速度的变化，以检测滑移、打滑或其它非期望的交通工具运动。此外，虽然在示例性实施方式中可以使用四个轮速度传感器，但是其它实施方式可以包括任何其它数量的轮速度传感器。在包括具有多于四个轮的交通工具的替代实施方式中，例如，多于四个轮速度传感器可以设置在机动交通工具上。

轮速度传感器164可以放置在机动交通工具100内的各种地点中。轮速度传感器164的地点可能受许多因素影响，包括但不限于机动交通工具所采用的传动系的类型以及制动系统的构造。在一些实施方式中，轮速度传感器164可以与第一ECU120通信。

在一些实施方式中，机动交通工具100可以包括交通工具速度传感器166。在一些情况下，交通工具速度传感器166可以是与机动交通工具100的传动关联的交通工具速度脉冲传感器。在其它情况下，交通工具速度传感器166可以是构造成将交通工具速度信息提供给机动交通工具100的一个或多个系统的任何其它类型的传感器。通过监测从交通工具速度传感器166接收的信息，交通工具稳定性辅助系统140可以被构造成检测机动交通工具的异常操作条件。

机动交通工具100可以包括用于通信并且在一些情况下控制与交通工具转向辅助系统140关联的各种部件的元件。在一些实施方式中，机动交通工具100可以与计算机或类似的装置关联。在当前实施方式中，机动交通工具100可以与交通工具稳定性辅助系统电子控制单元关联，其在此被称为第二ECU150。在一个实施方式中，第二ECU150可以被构造成通信和/或控制机动交通工具100的在操作交通工具稳定性辅助系统140时利用的各种传感器和系统。

第二ECU150可以包括便于输入以及输出信息和动力的多个端口。在一个实施方式中，第二ECU150可以包括用于与加速度传感器162通信的第四端口124。特别是，第二ECU150可以被构造成从加速度传感器162接收与机动交通工具100的偏航率有关的信息。此外，第二ECU150可以被构造成从加速度传感器162接收与机动交通工具100有关的侧向加速度信息。另外，第二ECU150可以包括用于与一组轮速度传感器164通信的第五端口125。特别是，第二ECU150可以被构造成接收关于机动交通工具100的一个或多个轮的速度的信息。另外，第二ECU150可以包括用于与交通工具速度传感器166通信的第六端口126。特别是，第二ECU150可以被构造成接收与机动交通工具100的传动关联的交通工具速度脉冲信息。利用该布置，第二ECU150可以被构造成确定机动交通工具100的各种操作条件，以确定机动交通工具100是否打滑或滑动。

交通工具稳定性辅助系统140还可以包括用于控制机动交通工具的一个或多个系统以便提供稳定性控制的元件。在一些实施方式中，第二ECU150可以包括用于与制动系统180通信的第七端口127。例如，在一些情况下，在检测到机动交通工具的打滑条件时，第二ECU150可以将控制信号发送给制动系统180，以将单独的制动施加到机动交通工具100的轮，以便使驾驶条件稳定并且减小打滑。在其它实施方式中，交通工具稳定性辅助系统140可以与机动交通工具的另外的系统关联，用于在打滑或其它非期望的操作条件期间辅助控制机动交通工具。例如，在另一实施方式中，第二ECU150可以被构造成在转向控制失效的情形期间以减小动力的方式控制发动机。

机动交通工具100可以包括用于在各种系统之间提供通信的元件。在一个实施方式中，机动交通工具100可以包括用于在助力转向系统102和交通工具稳定性辅助系统140之间提供通信的元件。在一些情况下，机动交通工具100可以包括交通工具控制器局域网190。在一些情况下，交通工具控制器局域网190可以利用某种类型的电子控制单元在机动交通工具的任何系统之间提供通信。在示例性实施方式中，交通工具控制器局域网190被构造成在助力转向系统102和交通工具稳定性辅助系统140之间提供通信。特别是，助力转向系统102的第一ECU120可以使用第八端口128与交通工具控制器局域网190通信，而交通工具稳定性辅助系统140的第二ECU150可以使用第九端口129与交通工具控制器局域网通信。

机动交通工具可以包括用于确定转向角度供一个或多个子系统使用的元件。例如，出于比较实际交通工具运动(由各种传感器测量)与驾驶员的拟定运动(由转向角度测量)的目的，交通工具稳定性辅助系统可能需要转向角度。

转向角度确定

本发明的各种实施方式基于以下观察事实：有时可以把转向角度表示为变动的转向角度和偏移的总和。在一些情形下，变动的转向角度更容易确定或直接地测量。此外，可以通过响应于检测转向角度和侧向交通工具动态性之间的不相干而调整偏移来更新转向角度。

例如，本发明的一些实施方式基于以下实现策略：与方向盘角度有关的一些操作参数还由电动助力转向系统(EPS)的在传统液压式助力转向系统中无法使用的传感器进行测量。具体而言，转向角度是EPS102的转向马达104的角度的函数。由此，转向马达的角度的测量结果可以用于确定转向角度。这样的确定可能是有利的，因为EPS的马达相比转向柱受交通工具的操作影响更小，并且由此可以在更长的时间段内保持测量精度。

一个实施方式基于转向马达的角度和偏移的总和来确定转向角度。例如，根据以下公式，转向角度与转向马达的角度有关：

$\begin{array}{c}SWA\left(t\right)=SWA\left(0\right)+\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\frac{d}{d\mathrm{\τ}}SWA\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ}=\\ SWA\left(0\right)+\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\frac{d}{d\mathrm{\τ}}EMA\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ}=SWA\left(0\right)-EMA\left(0\right)+EMA\left(t\right)=EMA\left(t\right)+O\end{array}---\left(1\right)$

其中SWA(t)是作为时间t的函数的转向角度，EMA(t)是把转向马达的角度表示为时间的函数的信号，O是与时间无关的偏移，其等于时间t＝0时EMA和SWA之间的差。

只要机动交通工具的存储器不被清除，偏移就是恒定的，但一般是未知的。只有当交通工具电气系统的原始能量存储(通常是电池)不插电时，例如当检修交通工具时，就清除存储器。本发明的各种实施方式在操作交通工具期间使用交通工具的至少一个动态(诸如偏航率、交通工具的侧向加速度以及方向盘的扭矩)来确定偏移。

诸如偏航率传感器、侧向加速度传感器、轮速度传感器和方向盘扭矩传感器的各种传感器同步测量交通工具动态性的量。如结合图1描述的，传感器的测量结果可以由任何交通工具ECU读取，并且经由有线端口或网络链路(CAN)而被第一ECU(EPSECU)可用。另外地或替代地，可以根据其它测量结果来确定VS。例如，可以根据轮速度差来确定偏航率。可以根据由连接到EPSECU的适当的传感器感测的转向扭矩、EMA速率以及EPS马达的摩擦特性来确定转向对准扭矩。

本发明的一些实施方式基于以下实现策略：通过对传感器所获得的测量信号进行滤波而获得的某些交通工具动态性的值(VS)与正确的转向角度值相干，在这种背景下，如果两个值具有相同的符号，则这两个值是相干的。另一方面，如果转向角度值不正确，例如由于不正确的偏移值，则不相干可能发生。

图2示出了图示此实现策略的时序图。信号210是EMA(t)信号，其将变动的转向角度(诸如转向马达的角度)表示为时间的函数。信号230是SWA(t)，其把转向角度表示为时间的函数。如公式(1)描述的，转向角度230的值基于随偏移250变动的转向马达角度的信号210的值，例如，转向角度230是转向马达的角度和偏移的总和。

SWA(t)230与交通工具动态性的信号(例如，偏航率240的信号)的相干性可以用于确定偏移。具体而言，偏移误差255引起不正确的SWA(t)220，其与至少针对一些值(例如范围260和265内的值)的信号240不相干。由此，一些实施方式使用转向角度和VS之间的不相干来检测不正确的偏移值。根据公式(1)，通过使用EMA传感器，不相干可能只是由于错误地计算偏移O而引起的。这种错误的计算诱发偏移误差，这反映出转向角度和侧向交通工具动态性的不相干。

图3示出了方法300的图表，方法300用于使用图2的实现策略来确定交通工具的转向柱的转向角度。该方法的各步骤可以由处理器301执行。方法300基于随偏移320变动的转向马达的角度325来确定310转向角度315。接下来，该方法通过响应于检测到转向角度315和侧向交通工具动态性345之间的不相干而调整340偏移320来更新330转向角度。方法300可以迭代地执行，直到满足终止条件。

图4A至图4B以图形方式示出了根据本发明的一个实施方式基于转向角度和侧向交通工具动态性的相应值的乘积的不相干。具体而言，一些实施方式确定在移动机动交通工具期间同时确定的每对转向角度值和VS值的乘积，这允许一旦发生信号的不相干就能快速地检测到这种不相干。此外，在使用乘积的一个实施方式中，只有一个变量用于检测不相干，因此将操作和存储器存储减到了最少。

图4A示出了诸如VS信号420和SWA信号430这两个相干信号的相应值的乘积的乘积曲线410的图示。两个相干信号的相应值的乘积410始终为正。

图4B示出了诸如VS信号425和SWA信号435这两个信号的相应值的乘积曲线415的图示，这两个信号由于偏移误差255而不相干。由于发生不相干的区域440，乘积415并不始终为正。

图5示出了响应于检测到由乘积曲线550的负值确定的不相干来调整偏移的图形。乘积曲线550由转向角度520和交通工具动态性530的相应值的乘积形成。转向角度520和交通工具动态性530的相应值510是同时确定的，例如，这些值的测量是时间同步的。在一些实施方式中，传感器的测量结果用低通滤波器滤波，以去除噪音并且确保信号被同步。

确定值510的乘积540，并且如果乘积为负，则调整560偏移。在一些实施方式中，调整老的偏移580以确定新的偏移585，使得对应于值510的老的乘积540值的乘积570值等于零。相应地，新的偏移585调整转向角度，使之从转向角度520调整到转向角度521，这又会调整乘积曲线551。

例如，转向角度和交通工具动态性的值的乘积可以根据以下公式确定：

ρ(t)＝SWA(t)·VS(t)(2)

并且当ρ<0时检测到不相干。有利的是，通过测试值的乘积，通过存储以及操作单个数而不是通过检查两个值(SWA和VS)来检测到不相干。

当ρ<0发生时，通过增加/减少偏移来更新偏移计算，使得调整后的值导致当前值的不相干会消失。使这成为可能的值仅仅只是检测到不相干时的转向角度的值。

ΔO(t)＝-SWA(t)

(3)

O(t)＝O(t^-)+ΔO(t)

由此，更新的偏移转向角度变为0，乘积ρ＝0，并且因此这一对值的不相干得以消除。

通过重复不相干检测以及调整转向角度偏移，直到满足终止条件，本发明的一些实施方式迭代地更新转向角度。通过重复一组值的调整过程，与确定转向角度一次对比，由于不正确确定驾驶条件造成的可能误差可以被减到最少。另外，不同时间点的侧向交通工具动态性是不同的，由此，外部干扰的影响可能减小，这可以进一步改进对转向角度的确定。

图6是转向角度偏移的迭代调整的图形。因为偏移是独特的，所以在转向角度的单个值中操作的每一次校正均以正的方式影响所有其它转向角度值。例如，在修正610方向上调整对应于乘积曲线620的转向角度不仅调整具体值的乘积，而且调整整个乘积曲线630，因此有效地减小转向角度估值误差。由此，通过使发生不相干的区域更小直到确定对应于最终偏移估算的最终乘积曲线640，一些实施方式不断改进偏移估值并且始终减小转向角度的误差。

图7示出了用于迭代地调整转向角度偏移的方法的流程图。确定710转向角度和交通工具动态性的相应值的乘积。可以根据先前的迭代初始化或确定转向角度。测试720乘积的符号，并且如果乘积为负，则调整730偏移，以例如使乘积为零，并且使用新的偏移估算来调整740转向角度。

实际上，当交通工具执行侧向移动时，即，当使交通工具转动时，上述实施方式可以调整偏移。因此，交通工具直行驾驶的要求不再适用。这是有益的，这是因为由于诸如道路坡度角、粗糙的表面以及弯曲的道路的外部影响，直行驾驶条件可能难以精确地检测。因此，实施方式可以更快速地确定转向角度。另外，因为偏移和转向角度的估值可以在多种驾驶条件下执行，外部因素的影响得以减小，这是因为这些因素只影响某一侧向交通工具动态性，还因为实施方式可以继续迭代地调整估算，而不是执行单个计算。

与交通工具的直线运动期间转向角度的单个估值对比，一些实施方式迭代地确定转向角度，这样如果外部干扰发生在一个时间点并且诱发非期望的影响，则这些影响可以因随后的迭代而减小。

此外，一些实施方式基于以下实现策略：在某一低频率带宽的交通工具动态性下保证相干性。由此，转向角度和VS信号需要由低通滤波器适当地滤波以检测不相干。这可能需要使用同步滤波器，这可能困难并且实施起来昂贵。另外，低通滤波器频率的不正确选择可能会减小确定转向角度的精度。

因此，一些实施方式通过确定先前和当前偏移估算之间的加权平均来执行被滤波的偏移更新。例如，一个实施方式根据以下公式用转向角度和增益的乘积来调整偏移：

O(t)＝γO(t)+(1-γ)O(t^-)＝O(t^-)+γΔO(t)(4)

其中0<γ≤1。由此，通过校正ΔO(当检测到不相干时其等于转向角度，参见公式(3))乘滤波增益γ而获得被滤波的偏移更新。

图8示出了用迭代地调整具有滤波增益的偏移的动态滤波算法补充图7方法的方法的框图。将转向角度810确定为转向马达815的角度和偏移820的总和805。在一个实施方式中，例如用转向角度的当前值来初始化偏移820。

将转向角度810乘以830交通工具动态性825，以确定乘积ρ。如果乘积为负840，则用转向角度和滤波增益的乘积调整850偏移。滤波增益越大，收敛越快且外部事件的影响越大；滤波增益越小，收敛越慢且外部干扰的影响越小。由此，一个实施方式根据以下差公式来更新增益γ：

α(k+1)＝c·α(k)+(1-c)β

γ(k)＝α(k)(5)

其中k、α、β和c是正的系数。在一些实施方式中，系数α(0)设定为接近1，系数β设定为接近0，而系数c在0和1之间，以限制增益为非常大的k，α(k)＝β。

本发明的一些实施方式基于以下实现策略：由于不适当的信号滤波造成的可能估值误差在由于交通工具动态性的对称而左右转动时具有相反的符号。由此，一些实施方式确定860两个分隔的偏移值，以便进一步减小不正确滤波的影响。第一偏移O_l对应于在检测到不相干之后(例如，左转)的VS的正值。第二偏移O_r对应于VS≤0(例如，右转)的负值或零值。基于分别从左转和右转获得的转向角度的偏移估算来确定865偏移的值。例如，一个实施方式根据以下公式来确定左右偏移的平均值。

$O=\frac{O_l+O_r}{2}---\left(6\right)$

本发明的一些其它实施方式基于以下实现策略：外部干扰以不同的方式影响不同的VS。例如，道路坡度角可能对侧向加速度和转向对准扭矩具有相反的影响。如果侧向加速度因道路坡度角的存在而增加，由此表明偏航率高于平坦道路上将要经历的偏航率；转向对准扭矩减小，由此表明扭矩低于平坦道路上将要经历的扭矩。由此，虽然存在坡度角，但是基于侧向加速度的转向角度的确定可以产生大于真正偏移的偏移，但基于对准扭矩的转向角度的确定可以产生低于真正偏移的偏移。由此，例如使用凸传感器融合的工艺，一些实施方式根据从不同交通工具动态性获得的相同的SWA值但不同的VS值而多次执行转向角度的确定，并且取为所有估算的加权平均的最终估算。

图9示出了根据一些实施方式的传感器融合方法的框图。偏移的多个估计器910、920、930并行执行，所有都使用转向马达905的相同角度，但不同的交通工具动态性。例如，估计器910的交通工具动态性是偏航率911。估计器920的交通工具动态性是侧向加速度921。估计器930的交通工具动态性是转向对准扭矩931。因此，不同的估计器确定不同的偏移，例如915、925和935。每个估计器可以采用上面描述的任何转向角度偏移确定方法。

将最终偏移950确定940为所有不同偏移的组合。例如，一个实施方式根据以下公式确定偏移950。

$O\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{w}_i{O}^{\left(i\right)}\left(t\right),0\&le;w_i\&le;1,\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{w}_i=1---\left(7\right)$

由于通过根据公式(1)用偏移调整转向马达的角度来确定转向角度的性质，转向角度偏移是恒定的。由此，在正确确定偏移之后，如果不是由于外部不可预知的影响，不应发生不相干。由此，一些实施方式通过将当前偏移与过去一段时间的平均偏移比较来测试偏移和转向角度的正确性。

$\stackrel{\&OverBar;}{O}\left(t\right)=\frac{1}{t_0}\underset{t-t_0}{\overset{t}{\&Integral;}}O\left(\mathrm{\&tau;}\right)d\mathrm{\&tau;}---\left(8\right)$

其中t0是用于确定平均偏移的时间间隔跨度。

这样的间隔中的偏移方差(Ov)可以根据以下公式确定：

$O_v\left(t\right)=\frac{1}{t_0}\underset{t-t_0}{\overset{t}{\&Integral;}}{\left(O\right(\mathrm{\&tau;})-\stackrel{\&OverBar;}{O}(t\left)\right)}^{2}d\mathrm{\&tau;}---\left(9\right)$

然后，可以根据以下公式测试终止条件：

$O_v\left(t\right)<{\mathrm{\&epsiv;}}_v,|O\left(t\right)-\stackrel{\&OverBar;}{O}\left(t\right)|<{\mathrm{\&epsiv;}}_m---\left(10\right)$

其中正的常数ε_v、ε_m是方差和平均误差的公差，其取决于期望的终止精度而任意设定。

图10是图示偏移1010、平均偏移1020以及随时间而改变的偏移1010的方差1030的收敛的图形。在一些实施方式中，公式(10)中平均差的阈值和协方差的阈值被设定为0。当终止条件实现时，停止偏移估算，并且偏移的当前值被存储在永久存储器中，直到交通工具电气系统的原始能量源变为不活动。

图11的图形示出的是，在一些实施方式中，ε_v、ε_m如何根据置信区间表设定假设在稳定状态(例如，高斯)下O的具体分布，以便确保将偏移误差界定在期望值内，至少有一定的可能性。例如，在时间1130，当偏移估算和平均值之间的差为0并且协方差1110进入终止区域1120时，其根据假设的偏移估算分布1140的置信区间1150进行限定，这保证偏移估值的误差低于某一值，至少具有要求的预定可能性，估值终止。以这样的方式，偏移误差由具有预定可能性的预定值界定。

因此，一些实施方式使用对应于预定可能性的偏移误差的分布1140的置信区间1150来确定第一阈值和第二阈值，使得满足第一阈值和第二阈值的方差1110和平均偏移保证偏移误差小于具有预定可能性的期望值。

一些实施方式在离散的时间使用指数衰减滤波器以存储器高效的方式来确定平均值和方差。在采样步骤n，根据以下公式来确定平均值和方差。

其中是指数衰减增益。根据公式(11)计算平均值和方差会降低存储要求，因为根据公式(8)、(9)的计算需要存储在时间窗口的整个跨度上的所有数据。

图12示出的图形图示的是，方差和平均差测量可以用于评估转向角度的当前值中的不确定性。转向角度知识的总体不确定性U1210可以表示为：

$U\left(t\right)={\mathrm{\&sigma;}}_v{O}_v\left(t\right)+{\mathrm{\&sigma;}}_m|O\left(t\right)-\stackrel{\&OverBar;}{O}\left(t\right)|+{\mathrm{\&sigma;}}_s|O_l\left(t\right)-O_r\left(t\right)|---\left(12\right)$

其中σv、σm、σs是大于或等于0的值。值U(t)＝0表明没有不确定性，这是因为方差为0，平均值和当前值之间的差不得不为0，并且左转和右转之间的估值差为0。这表明没有外部影响会影响估算精度。

本发明的上面描述的实施方式可以采用任何多种方式实施。例如，实施方式可以使用硬件、软件或它们的组合来实施。当在软件中实施时，软件代码可以在任何合适的处理器或处理器的集合上执行，而不论设置在单个计算机中或分布在多个计算机之中。这样的处理器可以实施为集成电路，在集成电路部件中具有一个或多个处理器。但是，处理器可以使用任何合适的格式的电路来实施。

另外，本文中概述的各种方法或工艺可以被编码为能在一个或多个处理器上执行的软件，其采用各种操作系统或平台中的任何一个。另外地，这样的软件可以使用任何多种合适的程序设计语言和/或程序设计或脚本工具写入，并且还可以被编译为在框架或虚拟机上执行的可执行机器语言代码或中间代码。

在这方面，本发明可以体现为非暂时性计算机可读介质或多个计算机可读介质，例如，计算机存储器、压缩磁盘(CD)、光盘、数字视频盘(DVD)、磁带和闪速存储器。术语“程序”或“软件”在本文中在一般意义上用来指任何类型的计算机代码或一组计算机可执行指令，其可以被采用以使计算机或其它处理器程序化，以实施如上面讨论的本发明的各种方面。

计算机可执行指令可以采取由一个或多个计算机或其它装置执行的许多形式，诸如程序模块。一般情况下，程序模块包括例程、程序、对象、部件、执行特定任务或实施特定抽象数据类型的数据结构。通常情况下，程序模块的功能可以根据期望被组合或分布在各种实施方式中。

另外，本发明的实施方式可以体现为方法，其示例已被提供。执行为方法的一部分的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以建造出以不同于图示的顺序执行动作的实施方式，其可以包括同时执行一些动作，即使在例证性实施方式中示出为连续动作。

Claims (20)

1.一种用于确定交通工具的转向柱的转向角度的方法，所述方法包括以下步骤：

将所述转向角确定为偏移和变动的转向角度的总和；以及

通过响应于检测所述转向角度和侧向交通工具动态性之间的不相干而调整所述偏移来更新所述转向角度，

其中所述方法的步骤由处理器执行。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述侧向交通工具动态性包括所述交通工具的至少一个轮的转速、偏航率、侧向加速度、转向对准扭矩以及转向扭矩中的至少一者，并且其中所述变动的转向角度包括转向马达的角度、关于所述转向角度测量的相对角度、存在误差下确定的所述转向角度的值以及因所述偏移而变动的有效方向盘角度中的至少一者。

3.根据权利要求2所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：

通过对交通工具传感器的测量结果进行低通滤波来确定所述侧向交通工具动态性。

4.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：

响应于确定所述转向角度和所述侧向交通工具动态性的相应值的乘积为负值来检测所述不相干。

5.根据权利要求4所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：

调整所述偏移以使所述乘积为非负。

6.根据权利要求5所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：

针对一组所述转向角度的值和一组所述交通工具动态性的值，重复所述检测以及所述调整，直到满足终止条件。

7.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：

用所述转向角度和滤波增益的乘积来调整所述偏移。

8.根据权利要求7所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：

通过α(0)来初始化所述滤波增益，使得0<α(0)<1；以及

每次迭代均减少所述滤波增益，直到满足终止条件，使得最终增益β为0<β<α(0)。

9.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：

初始化所述转向角度；

确定所述转向角度的多个估值，其中每个估值均与相应的侧向交通工具动态性相干；以及

将所述转向角度调整为所述转向角度的多个估值的加权平均。

10.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：

初始化所述转向角度；

针对方向盘的左转，确定转向角度的左估值；

针对所述方向盘的右转，确定转向角度的右估值；以及

将所述转向角度确定为所述左估值和所述右估值的平均。

11.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：

迭代地调整所述偏移，直到所述偏移和所述偏移在一段时间内的平均值之间的差低于第一阈值，和/或所述偏移在所述一段时间内的方差低于第二阈值。

12.根据权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：

使用指数衰减滤波器来确定所述偏移的所述平均值和所述偏移的所述方差。

13.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：

基于所述偏移和所述偏移在一段时间内的方差之间的差来确定所述转向角度的不确定性；以及

迭代地调整所述偏移，直到所述转向角度的所述不确定性等于零。

14.根据权利要求13所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：

基于分别根据所述交通工具的左转和右转确定的偏移之间的差来确定所述转向角度的所述不确定性。

15.根据权利要求13所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：

基于分别针对不同的侧向交通工具动态性确定的偏移之间的差来确定所述转向角度的所述不确定性。

16.根据权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：

使用对应于预定可能性的所述偏移的误差的分布的置信区间来确定所述第一阈值和所述第二阈值，使得满足所述第一阈值和所述第二阈值的所述偏移的所述方差和所述平均值保证所述偏移的所述误差小于具有所述预定可能性的期望值。

17.一种用于确定交通工具的转向柱的转向角度的系统，所述系统包括处理器，所述处理器：

将所述转向角度确定为偏移和变动的转向角度的总和；以及

通过响应于检测所述转向角度和侧向交通工具动态性之间的不相干而调整所述偏移来更新所述转向角度。

18.一种机动交通工具，所述机动交通工具包括：

至少一个传感器，所述至少一个传感器用于测量所述机动交通工具的至少一个侧向交通工具动态性；

传感器，所述传感器用于测量表示变动的转向角度的信号；以及

处理器，所述处理器用于将所述机动交通工具的转向柱的转向角度确定为偏移和变动的转向角度的总和，并且用于响应于检测所述转向角度和所述侧向交通工具动态性之间的不相干来迭代地调整所述转向角度。

19.根据权利要求18所述的机动交通工具，其中，所述信号表示电动助力转向系统的转向马达的角度，并且其中所述传感器是用于测量所述转向马达的角度的转向马达传感器。

20.根据权利要求18所述的机动交通工具，其中，所述传感器是相对编码器，该相对编码器用于测量表示关于所述转向角度的角度的所述信号。