CN105283370B - 用于控制车辆的eps系统的转矩的方法和车辆的eps系统 - Google Patents

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Abstract

一种对车辆的电动助力转向(EPS)系统的转矩进行控制的方法。该方法基于车辆的运动状态来确定满足约束的EPS系统的转矩值的范围。约束包括关于EPS系统的转矩对方向盘的效果的至少一个约束。方法基于车辆的运动目的在值的范围内选择转矩的值，并且命令EPS系统根据转矩的值生成转矩。

Description

用于控制车辆的EPS系统的转矩的方法和车辆的EPS系统
技术领域
本发明总体涉及车辆中的电动助力转向(EPS)系统，更具体地涉及EPS系统的控制。
背景技术
电动助力转向(EPS)系统对车辆的转向柱生成转矩。用于EPS的控制方法的共同目的是减小司机转动方向盘时的施力。例如参见U.S.5719766、U.S.5894205、U.S.5878360，其中描述了EPS系统的各种构造和减小司机转动方向盘时的施力的EPS系统的操作。
转向系统架构对车辆的运动有影响。一些方法描述了使用EPS系统改善车辆的转弯性能和横摆稳定性控制，例如参见U.S.4951199、U.S.20110112716、U.S.5719766。类似地，U.S.8103411描述了一种过度转向控制法。然而，因为EPS致动器机械地连接到方向盘且EPS系统的致动影响司机，所以限制了这些概念的应用。EPS的不当设计或控制可能有害，并且范围可从对司机的轻微打扰(例如，降低对于道路的“感触”)到严重问题(诸如丧失对车辆的横向响应的敏感度和可能丧失车辆稳定性的维持等)。在一些情况下，EPS的不当设计或控制可能导致对司机有威胁的损伤(诸如导致受伤的对司机手臂的过度负担等)。
由此，传统的EPS系统为了避免EPS动作对司机的不当影响而被设计成司机手臂的延伸，并且由EPS系统向转向柱施加的转矩的值经由转向机构的当前状态来唯一地确定。
因此，传统的系统不将EPS用于诸如转弯性能和车辆稳定性控制等的不同驾驶目的。例如，传统的横摆稳定性控制系统通过借助向不同车轮施加不同转矩而生成横摆力矩来实施车辆稳定性控制。例如，US7966113 B2中所描述的系统使用刹车实现不同的转矩。该系统可以对快速稳定性恢复有效，但可能由于突然的意外旋转减速和纵向减速而引起司机的不适。另外，刹车致动机构不精确，使得系统的接合尽可能地延迟且仅用于稳定性恢复，而不用于精确的稳定性控制。
还可以通过使用也称为允许改变方向盘角与车轮之间的关系的主动转向机构的可变转向齿轮来改善车辆转弯性能。然而，该方案需要昂贵且具有以下缺点的特定致动器：司机可能丧失“对于道路的感触”(即，司机感觉不到作为对于稳定性丧失的指示的对准转矩)；并且转向总是沿最小阻力的方向运动，因此如果司机松开方向盘，则致动器使转向柱而不是车轮转动。
因此，需要使用EPS系统在避免EPS动作对司机的不当效果的同时，辅助上述所有情况和许多其他情况。
发明内容
发明的各种实施方式通过不限制EPS系统对于车辆运动的给定状态生成单个转矩动作，对于车辆运动的不同目的利用电动助力转向(EPS)的不同能力。相反地，根据发明的一些实施方式的EPS系统例如根据车辆的当前状态和车辆的方向盘的状态来生成对于运动状态的EPS动作的容许值的范围。这种值的范围至少部分地由包括关于EPS系统的转矩对方向盘的效果的约束在内的约束来确定。
然后，在EPS转矩的容许值中，基于车辆运动的当前目的选择施加于车辆的转矩值。运动的目的的示例包括相对于车道的中心将车辆维持在特定位置、改善车辆的转动角、维持并恢复车辆运动稳定性以及将司机的施力减小至舒适而安全的水平。在一些实施方式中，运动的目的可以在车辆的运行期间变化。
基于特定的运动目的而选择EPS转矩的当前值使得EPS能够对于不同的目的生成不同的转矩。例如，将车辆维持在车道内所需的EPS转矩可以不同于优化转弯性能所需的转矩。另外，关于EPS转矩对方向盘的影响的约束确保司机的舒适性，而与目的无关。
因此，一个实施方式公开了一种用于对车辆的电动助力转向(EPS)系统的转矩进行控制的方法。该方法基于车辆的运动状态确定满足约束的EPS系统的转矩值的范围。约束包括关于EPS系统的转矩对方向盘的效果的至少一个约束。该方法基于车辆的运动目的在值的范围内选择转矩的值，并且命令EPS系统根据转矩的值生成转矩。方法的步骤可以由处理器来执行。
另一个实施方式公开了一种用于对车辆的电动助力转向(EPS)系统的转矩进行控制的方法。该方法包括以下步骤：确定所述车辆的运动的目的；基于所述运动的所述目的确定所述车辆的所述运动的成本函数；确定限定所述EPS系统的所述转矩的值的范围的约束，其中，所述约束基于所述运动的状态并且包括关于所述EPS系统的所述转矩对所述车辆的方向盘的效果的至少一个效果约束和基于所述车辆的所述运动的所述目的而选择的至少一个目的约束；以及服从于所述约束对所述成本函数进行优化。
又一个实施方式公开了一种车辆的电动助力转向(EPS)系统，该EPS系统包括：处理器，该处理器用于基于所述车辆的运动状态，确定满足约束的所述EPS系统的所述转矩的值的范围，所述约束包括关于所述EPS系统的所述转矩对所述方向盘的效果的至少一个约束，并且该处理器用于基于所述车辆的所述运动的目的在所述范围内选择所述转矩的值；和马达，该马达根据所选择的值生成所述转矩。
附图说明
图1A是根据发明的一些实施方式的用于控制车辆的电动助力转向(EPS)系统的转矩的方法的图；
图1B是例示了基于函数生成EPS转矩值与基于约束生成EPS转矩值的范围之间的差作为时间函数的示意图；
图1C是例示了由发明的一些实施方式采用的基于约束生成EPS转矩值的范围的原理的示意图；
图2是由EPS系统生成的转矩与由司机生成的转矩和车辆与道路的摩擦生成的转矩的相互作用的示意图；
图3是描述了车辆的运动的单轨模型(single track model)的表示图；
图4A是例示了前轮胎力与车辆的状态的关系的示意图；
图4B是例示了对准转矩与车辆的状态的关系的示意图；
图5是例示了根据发明的一个实施方式的反馈转矩约束的示意图；
图6是例示了根据发明的一个实施方式的司机转矩约束的示意图；
图7是例示了对根据发明的一个实施方式的对准转矩的百分比的约束的示意图；
图8是例示了根据发明的一个实施方式的介入转矩约束(intervention torqueconstraint)的示意图；
图9是例示了对根据发明的一个实施方式的对准转矩约束的介入的示意图；
图10是根据发明的一个实施方式的用于周期性地确定EPS系统的最佳转矩的流程图；以及
图11是采用根据发明的各种实施方式的控制方法的机动车辆转向系统的实施方式的示意图。
具体实施方式
图1A示出了根据发明的一些实施方式的用于控制车辆的电动助力转向(EPS)系统1110的转矩的方法的图。该方法的步骤可以由处理器1101来实施。实施方式确定1120满足约束1122的EPS系统的转矩的值的范围1125。约束1122包括关于EPS系统的转矩对方向盘的效果的至少一个约束1124。约束1124确保对于范围1125内的任意转矩值，车辆的司机的舒适性和安全性维持在例如由EPS系统1110的设计者确定的可接受的水平内。
可以基于车辆的运动目的而预先确定或选择1155约束1124。约束1122还可以包括附加约束。例如，在一些实施方式中，约束1122包括基于目的1153选择的至少一个目的约束1126。目的约束确保满足运动的目的。
在一些实施方式中，车辆的运动目的还由处理器1101来确定。在另选的实施方式中，从外部系统1160接收目的。外部系统1160的示例可以包括连接到用于追踪车辆在道路车道内的位置的GPS或摄像头或感测轮胎与道路的摩擦的传感器的应用。在一个实施方式中，处理器1101与EPS系统1110集成，从EPS系统的各种传感器接收测量值，并基于该测量值确定1150运动的目的1153和约束1122。
在各种实施方式中，在车辆的运动期间且基于运动的状态1117来确定1120值的范围1125。例如，状态1117可以包括方向盘的状态1111、EPS系统的状态1113以及车辆的状态1115中的一个或组合。在一些实施方式中，范围响应于状态1117的变化而周期性地更新。这些实施方式允许响应于例如运动状态的变化(例如，车辆的状态1115的变化)除了司机的动作之外或独立于司机的动作更新范围1125。
实施方式基于车辆的运动目的1153在值的范围1125内选择1130转矩的值1135，并且和到EPS系统的命令1140以根据值1135生成转矩。一些实施方式在范围1125内随意选择值1135。另选地，一些实施方式通过服从于约束1122而优化成本函数1133来选择值1135。在一些实施方式中，该成本函数基于目的1153来选择。在另选实施方式中，该成本函数基于例如节能的其他优化参数来选择。
图1B示出了作为时间函数基于函数生成EPS转矩值与范围基于约束生成EPS转矩值之间的差。为清楚起见，在图1B中，仅考虑由EPS系统生成的EPS转矩和由司机向方向盘施加的力所生成的司机转矩。
如果司机转矩的函数1171用于选择EPS转矩，则对于司机转矩1172的给定值，EPS转矩1174的仅一个值1173可以被选择。另一方面，如果使用基于约束的选择，则由EPS系统生成的转矩约束在区域1175内，并且对于司机转矩1172的给定值，可以选择EPS转矩1176的范围(例如线段1177)。确保线段1177中所选择的EPS转矩的任意值尊重司机的舒适性和安全性，因此可以操作选择，以优化车辆的运动的任意当前目的。
图1C例示了由发明的一些实施方式采用的基于约束生成EPS转矩值的范围的原理。在不同的时间点(诸如时段1180、1184以及1188等)，EPS系统的转矩的值的范围通过使由关于EPS系统的转矩对方向盘的效果的效果约束控制的值的范围与由基于运动的目的而选择的目的约束控制的值的范围交叉来选择。
例如，在时段1180，目的约束1181与效果约束1182的交叉限定EPS系统的转矩的可能值的范围1183。在时段1184，目的约束1185与效果约束1186的交叉限定EPS系统的转矩的可能值的范围1187。类似地，在时段1188，目的约束1189与效果约束1190的交叉限定EPS系统的转矩的可能值的范围1191。通过对于不同的时段改变目的和/效果约束，一些实施方式对于车辆的运动的不同目的利用EPS系统的不同能力，并且确保司机的舒适性，而与目的无关。
图2示出了EPS系统与司机和车辆的相互作用的示意图。EPS系统通过向车辆的转向柱施加转矩来影响车辆的转向。对转向柱的转矩引起转向柱的旋转。对转向柱的转矩还可以通过由用户旋转方向盘和由道路209的摩擦借助由柱上的转向齿条传递的对车轮的对准转矩经由车轮反馈转矩来施加。
例如，转向柱201的运动借助EPS转矩TEPS203而受EPS系统202影响，借助司机转矩Tdrv205而受司机204影响并且借助作为由车轮与道路之间的摩擦生成的转矩的对准转矩Taln207而受车辆206的运动影响。
转矩对转向柱的效果经由转向柱运动方程式
来描述，其中，φ是转向柱的角度，点指示关于时间的一阶导数，并且两个点指示关于时间的二阶导数，β是转向柱旋转时的摩擦，并且Jc是包括所有共同旋转部件的转向柱的惯性。
对准转矩Taln可以根据
从方程式(1)的反演来确定。
例如可以经由转向柱的角度和转速而测量的转向柱201的运动根据方程式
来影响车辆206的运动，其中，x包括描述车辆的状态的值(例如，横摆角速度、横向加速度、速度、纵向加速度、轮胎滑移角、车辆在道路上的位置或车辆的地点)，并且其中，函数f根据描述车辆的运动所期望的详细程度来指定。
方程式(3)中的函数f可以以多种方式来定义。例如，一个实施方式在横摆角速度和横向速度方面定义函数。另一个实施方式包括使车辆的位置模型化的项，并且使用诸如纵向速度和加速度等的附加量。另一个实施方式使用描述车辆的运动的模型来限定方程式(3)中的函数f。
图3示出了根据发明的一些实施方式的用于确定函数f的、描述车辆的运动的单轨模型的表示图。模型包括近似轮胎力特性和车辆的运动对轮胎力和对准转矩的效果。在该单轨模型中，车辆被表示为单轨车辆(自行车)，这假定车辆的左侧和右侧对称运行。
模型包括道路车轮角δ301以及轮胎横滑的角度αf 302和αr 303(即，分别是车轮处速度与针对前后轮胎的车轮方向vf 304和vr 305之间的角度)。模型还包括前后轮胎处的力Ff 306和Fr 307、车辆质量中心c 310处的纵向速度vx 308和横向速度vz 309、车辆质量m、沿着质量中心c 310处的垂直轴的车辆惯性Iz、离前面a 311和后面b312的从车辆质量中心起的距离。
使用图3中所描述的模型，函数f可以根据以下来定义，
其中，Gg是转向柱与车轮角之间的齿轮比。另外，轮胎力通常是滑移角302、303以及道路摩擦系数μ的函数。
图4A示出了表示作为车辆状态的函数并且在角度αφ内的前轮胎力的函数f的曲线313。对于固定的道路摩擦系数μ，曲线313具有由界线314、315限定的线性区域330和由界线316、317限定的稳定区域340。在线性区域中，可预测车辆的控制。在位于线性区域外的稳定区域中，车辆的控制困难但是可能的。在线性区域外部，车辆的控制非常难甚至是不可能的，这例如意味着角速度320变得难管理，并且车辆失去控制。
图4B经由根据前轮处的滑移角和道路摩擦系数μ的曲线323示出了对准转矩与车辆的状态(特别是αφ的状态)的关系。曲线具有由界线324、325限定的线性区域350和由326、327限定的稳定区域360。在线性区域中，对准转矩通过与前轮处的滑移角(与车辆角速度成比例)成线性比例增加对方向盘的抵抗转矩来提供对车辆的运动的良好指示。在位于线性区域外的稳定区域中，由对准转矩提供的指示更难察觉但仍存在。在线性区域外部，对准转矩基本上不提供对车辆的运动的指示。
司机受诸如车辆的角速度和速度等的车辆运动量210影响。同样地，司机借助经由方向盘的对转向柱的抵抗转矩的变化受EPS影响。司机感测到的抵抗转矩(被称为反馈转矩Tfb)为
Tfb＝Taln-TEPS (5)
如果不存在EPS转矩，那么反馈转矩等于对准转矩，因此司机可以感测车辆行为。然而，当EPS系统施加转矩时，反馈转矩不再等于对准转矩，并且可能影响司机对车辆行为的感知。反馈转矩Tfb等于对司机手臂的张力Tstr。由此，如果转矩大，则大的张力转矩影响司机，这是不期望的且是危险的。
为了避免对司机的这种负效果，EPS转矩可以由固定函数(通常是由车辆速度调整的司机转矩Tdrv的固定函数)来限定，以避免潜在问题。然而，在这种情况下，EPS系统可以仅生成限制可由EPS系统执行的操作类型的辅助转矩的单个值。例如，为了保持司机对于道路的感觉，一些EPS系统可能只生成沿与由司机生成的转矩相同方向的转矩。因此，这种EPS系统可以仅放大司机行为，而无法帮助实现一般车辆运动目的。实际上，这种EPS系统无法通过施加主动的引导动作来改善车辆的转弯性能(因为这需要随后消除抵消司机转矩的车辆横摆角速度超调量)。
与此相反，发明的各种实施方式是基于对可以通过允许EPS生成对于给定车辆和司机状态的辅助转矩的值的范围，而在不过度限制EPS系统的行为的情况下保持司机的安全性和舒适性的认识。司机转矩的范围由被设计为保持司机的安全性和舒适性的适当约束来限定。约束可以在当前方向盘转矩(司机转矩)、当前对准转矩以及EPS转矩方面来限定。组合地，约束限定相对于司机和对准转矩，EPS可以可能施加的转矩值的范围。在可应用转矩的范围内，实际施加的转矩可以根据运动的特定目的且可能根据对运动的附加约束来选择。
效果约束
各种效果约束由发明的不同实施方式单独或组合使用。下面详述了更多通用约束中的一些，但应当理解的是，可以设计更多约束，以确定适合于司机的舒适度的量和类型。
反馈转矩约束
图5示出了根据发明的一个实施方式的、关于对方向盘的最小反馈转矩和最大反馈转矩的反馈转矩约束。反馈转矩约束限制司机从方向盘感测到的反馈转矩，以防止司机的不适和可能的伤害。反馈转矩约束可以根据以下来确定
最左项和最右项是被限定为确保司机特定程度的舒适性的负常数和正常数。由区域501在对准转矩和EPS转矩方面描述满足方程式(6)的条件，其中，线502指示反馈转矩是零的条件。在一些实施方式中，反馈转矩约束界定对准转矩Taln与EPS转矩TEPS之间的差。
例如，给定对准转矩Taln的值504，线段503指示EPS转矩的值的该可接受范围505。宽度521和522分别由方程式(6)中的右常数和左常数来确定。
司机转矩相关EPS转矩约束
图6示出了根据发明的一个实施方式的相对于由司机对方向盘当前施加的转矩、对EPS系统转矩的最小量和最大量的司机转矩相关EPS转矩约束的说明图。司机转矩相关EPS转矩约束根据下式基于由司机施加的当前转矩来限制EPS转矩的量
最左项和最右项是被限定为确保司机特定程度的舒适性的负常数和正常数。司机转矩相关EPS转矩约束确保与司机动作相比，EPS系统未施加过度动作，由此避免司机的不适和可能的伤害。
由区域601在司机转矩和EPS转矩方面描述满足方程式(7)的条件，其中，线602指示EPS转矩等于司机转矩的条件。在一些实施方式中，司机转矩约束界定司机转矩Tdrv与EPS转矩TEPS之间的差。
例如，给定司机转矩Tdrv的值604，线段603指示EPS转矩的值的该可接受范围605。宽度621和622分别由方程式(7)中的右常数和左常数来确定。
关于对准转矩的百分比的约束
图7示出了根据发明的一些实施方式的、关于传递到方向盘的对准转矩的百分比的约束的说明图。关于对准转矩的百分比的约束保持司机对于道路的感觉，该感觉由司机用于了解车辆的行为并对方向盘施加需要的控制动作。
在一个实施方式中，该约束可以由下式实施
其中，c是对准转矩的容许失真的百分比，并且e是允许以低对准转矩维持操作的常数偏移量。选择常数c和常数ε这两者，以确保司机特定程度的舒适性。通常，常数c的值在0与1之间，并且常数ε的值大于0。
由区域701在对准转矩和EPS转矩方面描述满足方程式(7)的条件，其中，线702指示EPS转矩等于零并且通过方程式(5)，对方向盘的反馈转矩等于司机转矩的条件。例如，给定对准转矩Taln的值704，可准许条件的范围703指示EPS转矩的范围705可接受。线721和722的倾角以及线723的宽度由方程式(8)中的常数c和常数ε的值来确定。
介入转矩约束
图8示出了使由司机感觉到的对方向盘的反馈转矩与司机对方向盘施加的转矩有关的介入转矩约束的说明图。介入转矩约束限制EPS转向系统的力量及其修改司机动作的能力。在一些实施方式中，介入转矩约束被设计为使得EPS系统能够根据
克服司机动作至多固定值，并且能够辅助司机动作至多另一固定值，其中，常数ε大于0并被选择为确保司机特定程度的舒适性和EPS系统实现运动目的的特定程度的能力。
由区域801在对转向柱的司机转矩和EPS转矩方面描述满足方程式(9)的条件，其中，线802指示EPS转矩抵消司机对方向盘的动作的条件，806、807指示EPS转矩克服司机转矩的区域，并且区域808、809指示EPS转矩辅助司机的区域。
例如，给定司机转矩Tdrv的值804，线段803指示包括辅助范围810和克服范围811的EPS转矩的值的该可接受范围805。宽度821和822由方程式(9)中的常数ε的值来确定。
超越对准转矩约束的介入
图9示出了使因EPS动作而产生的反馈转矩的成分与司机超过对准转矩对方向盘施加的转矩有关的超越对准转矩约束的介入的说明图。该约束与方向盘速度的期望变化有关，并且因此与车辆横摆角速度的期望变化有关。该约束限制由EPS系统进行的对相对于司机所期望的车辆行为的车辆行为变化的修改。超越对准转矩约束的介入实施司机的可预测性和舒适性，并且可以由以下描述
其可等效写为
其中，常数ε是对于对准转矩减损的司机转矩的允许协助转矩最大克服。常数ε大于0并被选择为确保司机特定程度的舒适性和EPS系统实现汽车的运动目的的特定程度的能力。
区域901描述了在对转向柱的司机转矩和EPS转矩方面满足方程式(11)的条件，其中，线902指示EPS转矩抵消因司机而引起的方向盘的加速度的条件，区域906、907指示EPS转矩降低方向盘的加速度的区域，并且区域908、909指示EPS转矩提高方向盘的加速度的区域。
例如，给定超过对准转矩的司机转矩Tdrv-Taln的值904，线段903指示包括辅助范围910和克服范围911的EPS转矩的值的该可接受范围905。宽度921和922由方程式(11)中的常数ε的值来确定。
因为这些约束具有各表示在由“如果语句”(最右的方程式)指示的特定条件下有效的约束(最左的方程式)的两个项目，所以方程式(8)至方程式(11)中的约束是切换约束。“如果语句”值的变化改变基于当前条件实施的约束项目。由于该原因，最左的方程式是切换约束的项目，并且最右项是切换约束的切换条件。
运动目的约束和优化
效果约束限定来自实现司机舒适性的EPS系统的转矩的可接受范围。效果约束可以单独实施或者与基于车辆的运动目的而选择的其他目的约束组合实施。
例如，发明的一个实施方式为了保证车辆停留在轮胎力特性313的线性范围330中而使用限制车辆的侧滑角的约束。
例如，发明的一个实施方式使用由于EPS马达功率的物理限制而限制可以由EPS系统施加的绝对转矩的、根据下式的约束
另一个实施方式使用由于硬件和控制系统的物理限制而限制EPS马达的瞬时转矩变化的、根据下式的约束
实际施加于系统的EPS转矩的值可以通过优化表示车辆的运动目的的各种成本函数Ji从由效果约束确定的范围选择，i＝1,……,M，并且M是目的的个数。例如，一些实施方式确定作为成本函数的函数Ji，使得优化使成本函数最小化。
例如，一个实施方式使用描述所期望的横摆角速度yref的、根据下式的成本函数，
Ji＝(y(s)-yref(s))2，(14)
其中，y是可以由方程式(3)中的模型定义的当前横摆角速度。该成本函数可以表示对应于用于改善车辆转弯的运动目的的车辆轨道追踪。
运动的另一个目的是将车辆的位置维持在道路内所期望的位置pref附近。该目的还可用于将车辆保持在车道内，用于避免碰撞并且用于其他用途。对应于该运动目的的成本函数是
Ji＝(p(s)-pref(s))2，(15)
其中，车辆在道路中的实际位置由方程式(3)中的模型来限定。
运动的另一个目的是维持所期望的前轮胎滑移角和后轮胎滑移角。针对该目的的成本函数可以是
其中，滑移角由方程式(3)中的模型(例如由方程式(4))来限定。
各种实施方式使用上述目的的不同组合。一些实施方式还改变函数Ji的形式。例如，一个实施方式使用根据
的方程式(17)的另选形式，其中，仅仅是大于基准的滑移角贡献于Ji。该修改在一些情况下可以是有利的，因为大的滑移角与不稳定的车辆运动相关联，并且因此减小大于期望滑移角的滑移角可以避免不稳定性。
同样地，例如由方程式(4)确定的车辆模型可以用于预测车辆运动和转向系统运动的未来行为，因此可以对整个未来时间间隔执行最佳EPS转矩选择。这样，EPS转矩选择由方程式(18)来确定。
使得(s.t.)方程式(1)，
方程式(6)、方程式(10)，
方程式(12)、方程式(13)，
附加约束，
其中，附加约束还可用于实施所期望的运动目的。
方程式(18)的解提供对于车辆的当前状态的EPS操作可接受的范围中的EPS转矩(在当前时刻以及沿着根据运动目的Ji为最佳持续时间θ的时间间隔)，其中t是当前时刻并且θ是EPS转矩被选择的未来时间间隔的持续时间。
方程式(18)中的附加约束可以涉及车辆运动中所使用的任意标准约束，诸如速度限制、对滑移角、横摆角速度以及加速度限制的约束等。
图10示出了根据发明的一个实施方式的用于周期性地确定EPS系统的最佳转矩的流程图。该实施方式对车辆运动状态的各种变化进行适应地响应。另外，在该实施方式的一些变型例中，使用了有限时间水平优化法来进一步优化车辆的性能。
在步骤1010，实施方式确定运动的目的并选择适当的目的函数和约束。在步骤1020，实施方式确定当前的车辆运动状态，其包括车辆的状态、转向系统的状态以及EPS系统的状态中的一个或组合。
在步骤1030，实施方式选择要实施的EPS系统约束，并且确定对于在步骤1020所获得的当前状态的可接受的EPS值的范围。在步骤1040，实施方式选择在步骤1030所限定的范围中的EPS转矩的值，并且对在步骤1010所选择的目的函数和附加约束进行优化。在步骤1050，实施方式控制EPS系统，以在从当前时刻t起达至多θ秒产生在步骤1040所获得的转矩。在短于θ的时间之后(1060)，响应于车辆的运动状态的变化，实施方式重复步骤1010、1020、1030、1040、1050以及1060。
在该实施方式的各种实施中，顺序或(至少部分地)同时执行步骤1010、1020、1030、1040、1050以及1060。转矩的最佳值的选择可以经由包括数值优化问题(诸如二次规划、非线性规划、两点边界值问题、全局优化等)的解法的许多方法来进行。
在一些实施方式中，为了简化实施作为切换约束的方程式(8)至(10)中的约束的计算，假定切换条件在选择EPS系统转矩时考虑的长度θ的未来时间间隔期间不改变。
一个实施方式使用以下步骤根据方程式(8)至(10)中的一个或组合来确定值的范围。该实施方式基于当前车辆、转向以及EPS状态来确定当前时刻的切换条件，并且基于当前时刻的切换条件来选择约束的项目。接着，实施方式在用于选择EPS系统转矩的整个未来运动间隔，基于约束的切换条件的当前值来实施所选择的项目。
车辆转向系统
图11是采用根据发明的各种实施方式的控制方法的机动车辆转向系统100的实施方式的示意图。贯穿整个说明书和权利要求使用的术语“车辆”或“机动车辆”指的是任意可运动物体。术语“车辆”或“机动车辆”包括，但不限于，汽车、卡车、大篷货车、小型货车、SUV、摩托车、小型摩托车、船、私人喷气艇以及飞机。在一些情况下，机动车辆包括一个或更多个发动机。
为了说明的目的，示意性地示出机动车辆100的一些部件。在一个实施方式中，机动车辆100可以包括进一步连接到转向柱112的方向盘110。转向柱112可以连接到可以使用连杆进一步连接到机动车辆100的前轮的齿条114。
机动车辆100可以包括助力转向系统102。助力转向系统102可以是被设计为减小司机用于使机动车辆转弯或转向的转向施力的任意系统。在一些情况下，助力转向系统102可以是油压式助力转向系统。在其他情况下，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可以是使用提供使机动车辆转弯或转向时的辅助的电动马达的电动助力转向系统(EPS)。
助力转向系统102可以包括变速箱130。变速箱130可以是技术领域中已知的任意类型的变速箱。在助力转向系统102的一些实施方式中，变速箱130可以是齿轮齿条式。在助力转向系统102的一些实施方式中，变速箱130可以是双齿轮式。在一些实施方式中，变速箱可以是循环球齿条式。
图11示出了具有齿轮齿条式变速箱的实施方式。变速箱130的功能可以是允许转动方向盘10以使机动车辆100转弯。方向盘10以圆状转动。方向盘10的转动在转向柱12中产生角向力。在一些电动车辆100中，可以重定向该角向力，以使车辆转弯。在一些实施方式中，角向力可以被重定向为齿条14的侧向运动(横向运动)。变速箱130可以是将来自转向柱12的角向力重定向为齿条14中的横向力的齿轮的组合。
助力转向系统102可以包括用于辅助司机使机动车辆转弯的装置。在一个实施方式中，助力转向系统102可以包括转向马达104。通常，该转向马达104可以是任意类型的马达。在示例性实施方式中，转向马达104可以是被构造为驱动辅助机动车辆转弯的机动车辆的一个或更多个部件的电动马达。
转向马达104可以设置在机动车辆100内的各种位置中处。转向马达104可以布置在转向柱12附近。转向马达可以布置在变速箱130的齿轮附近。如图1所示，转向马达104可以围绕齿条14同心安装，以提供使齿条14向左或向右运动的辅助。在使用不同类型的转向系统的其他实施方式中，转向马达104可以提供在各种地点中，以提供使机动车辆转弯的辅助。
助力转向系统102可以包括用于监测转向柱12的旋转的装置。在一些情况下，助力转向系统102可以包括被构造为监测转向柱12的绝对位置的位置传感器。在其他情况下，助力转向系统102可以包括被构造为直接监测转向柱12的旋转的某种旋转传感器。在将转向马达104用于辅助转弯的实施方式中，助力转向系统102可以包括被构造为测量马达的角旋转的传感器。因为助力转向系统中马达的旋转通常与转向柱的固定齿轮比的旋转有关，所以马达的旋转的测量值可以与转向柱的旋转的测量值直接有关。
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。通常，旋转传感器106可以是被构造为检测转向马达104的旋转的任意类型的传感器。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，以测量转子的运动。在一些实施方式中，分解器或旋转电力变压器可以用于检测转向马达104内的转子的旋转。在其他实施方式中，其他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可以设置在助力转向系统102中的各种地点处。助力转向系统102可以采用不同类型的变速箱130。变速箱130的每种类型都可以在不同地点中定位齿轮。转向马达104和各种传感器可以基于变速箱130的类型而定位于不同的地点中。例如，可以根据包括但不限于齿轮的放置、变速箱130的类型、转向马达104的类型、转向马达104的放置以及其他因素的许多因素来定位旋转传感器106。
助力转向系统102还可以包括用于检测由司机向转向系统施加的转矩的装置。在一个实施方式中，助力转向系统102可以包括转向转矩传感器108。在一些实施方式中，转向转矩传感器108可以与变速箱130关联。然而，在其他情况下，转向转矩传感器108可以提供在转向系统的任意其他地点处。使用该设置，助力转向系统可以确定可以需要的转向辅助量。
机动车辆100可以包括用于与和助力转向系统102关联的各种部件通信并在一些情况下控制这些部件的装置。在一些实施方式中，机动车辆100可以与计算机或类似设备关联。在当前实施方式中，机动车辆100与在此被称为第一电子控制单元(第一ECU)120的助力转向系统电子控制单元关联。在一个实施方式中，第一ECU 120可以被构造为与转向马达104、旋转传感器106和转向转矩传感器108以及其他部件或系统通信和/或控制转向马达104、旋转传感器106和转向转矩传感器108以及其他部件或系统。
第一ECU 120可以包括促进信息和功率的输入和输出的许多端口。这里所用的术语“端口”指的是两个导体之间的任意接口或共享的边界。在一些情况下，端口可以促进导体的插入和去除。这些类型的端口的示例包括机械连接器。在其他情况下，端口是通常不提供容易插入或去除的接口。这些类型的端口的示例包括电路板上的焊接或电子轨迹。
可以选择与第一ECU 120关联的以下端口和装置的全部。一些实施方式可以包括给定端口或装置，而其他实施方式可以不包括该给定端口或装置。以下描述公开了可以使用的可能端口和装置中的许多个，然而应当牢记的是，不是每个端口或装置都必须用于或包括在给定实施方式中。
在一个实施方式中，第一ECU 120可以包括用于与转向转矩传感器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。特别地，使用第一端口121，第一ECU 120可以从转向转矩传感器108接收与向转向柱12施加的转矩有关的信息。凭借该信息，第一ECU 120可以确定需要多少转向辅助，并且使用第二端口122向转向马达104发送控制信号，以提供所需的转向辅助的方式操作转向马达104。另外，第一ECU 120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。
机动车辆100可以包括用于在行驶期间提供车辆稳定性辅助的装置。在示例性实施方式中，机动车辆100可以包括车辆稳定性辅助系统140(VSA)。车辆稳定性辅助系统140可以是能够通过检测并防止诸如滑移等的不期望运动来修改车辆的操作的任意电稳定性控制系统。特别地，车辆稳定性辅助系统140可以被构造为检测转向控制的损失并在不同的车轮处提供个体制动，以帮助重定向车辆。
车辆稳定性辅助系统140可以与被构造为接收与车辆100的操作状况有关的信息的一个或更多个传感器关联。在一些实施方式中，机动车辆100可以包括加速度传感器162。通常，加速度传感器162可以是任意类型的加速度传感器。在一个实施方式中，加速度传感器162可以是被构造为与车辆的横摆角速度和/或横向加速度信息有关的信息的陀螺传感器。虽然单个传感器可以用在用于检测横摆角速度和横向加速度的当前实施方式中，但在其他实施方式中，机动车辆可以使用一个以上的传感器。
加速度传感器162可以定位于机动车辆100内的各种位置中。加速度传感器162的地点可能受变速箱130的类型以及技术领域中的技术人员已知的其他因素影响。例如，其他因素可以包括机动车辆100中的发动机的类型和传动系的类型。在一些实施方式中，加速度传感器162可以位于车辆稳定性辅助系统电子控制单元内。
在一个实施方式中，机动车辆100可以包括车轮速度传感器164组。在一些情况下，车轮速度传感器164组可以包括与机动车辆100的四个车轮关联的四个独立的车轮速度传感器的组。特别地，车轮速度传感器164组中的每个车轮速度传感器可以被构造为检测机动车辆100的对应车轮的速度。使用该信息，车辆稳定性辅助系统140可以检测机动车辆100的四个车轮中的每一个的车轮速度的变化，以便检测滑移、横滑或者其他不期望的车辆运动。此外，虽然在示例性实施方式中可以使用四个车轮速度传感器，但其他实施方式也可以包括任意其他数量的车轮速度传感器。在包括具有四个以上车轮的车辆的另选实施方式中，例如，四个以上的车轮速度传感器可以设置在机动车辆上。
车轮速度传感器164可以放置在机动车辆100内的各种地点处。车轮速度传感器164的地点可以受包括但不限于机动车辆所采用的传动系的类型和制动系统的构造的许多因素影响。在一些实施方式中，车轮速度传感器164可以与第一ECU 120通信。
在一些实施方式中，机动车辆100可以包括车速传感器166。在一些情况下，车速传感器166可以是与机动车辆100的变速器关联的车速脉冲传感器。在其他情况下，车速传感器166可以是被构造为向机动车辆100的一个或更多个系统提供车速信息的任意其他类型的传感器。通过监测从车速传感器166接收到的信息，车辆稳定性辅助系统140可以被构造为检测机动车辆的异常操作状况。
机动车辆100可以包括用于与和车辆转向辅助系统140关联的各种部件通信并在一些情况下控制这些部件的装置。在一些实施方式中，机动车辆100可以与计算机或类似设备关联。在当前实施方式中，机动车辆100可以与在此被称为第二ECU 150的车辆稳定性辅助系统电子控制单元关联。在一个实施方式中，第二ECU 150可以被构造为与操作车辆稳定性辅助系统140时所使用的、机动车辆100的各种传感器和系统通信和/或控制这些传感器和系统。
第二ECU 150可以包括促进信息和功率的输入和输出的许多端口。在一个实施方式中，第二ECU 150可以包括用于与加速度传感器162通信的第四端口124。特别地，第二ECU150可以被构造为从加速度传感器162接收与机动车辆100的横摆角速度有关的信息。另外，第二ECU 150可以被构造为从加速度传感器162接收与机动车辆100有关的横向加速度信息。同样地，第二ECU 150可以包括用于与车轮速度传感器164组通信的第五端口125。特别地，第二ECU 150可以被构造为接收关于机动车辆100的一个或更多个车轮的速度的信息。同样地，第二ECU 150可以包括用于与车速传感器166通信的第六端口126。特别地，第二ECU150可以被构造为接收与机动车辆100的变速器关联的车速脉冲信息。凭借该设置，第二ECU150可以被构造为确定机动车辆100的各种操作状况，以确定是否机动车辆100横滑或滑移。
车辆稳定性辅助系统140为了提供稳定性控制还可以包括用于控制机动车辆的一个或更多个系统的装置。在一些实施方式中，第二ECU 150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，在检测到机动车辆的横滑状况时，第二ECU 150为了稳定行驶状况并降低横滑，可以向制动系统180发送向机动车辆100的车轮施加个体制动的控制信号。在其他实施方式中，车辆稳定性辅助系统140可以与用于在横滑或其他不期望的操作状况期间辅助控制机动车辆的、机动车辆的附加系统关联。例如，在另一个实施方式中，第二ECU 150可以被构造为在转向控制失败的状况期间以降低功率的方式来控制发动机。
机动车辆100可以包括用于提供各种系统之间的通信的装置。在一个实施方式中，机动车辆100可以包括用于提供助力转向系统102与车辆稳定性辅助系统140之间的通信的装置。在一些情况下，机动车辆100可以包括车辆控制器区域网络190。在一些情况下，车辆控制器区域网络190可以使用某种电子控制单元提供机动车辆的任意系统之间的通信。在示例性实施方式中，车辆控制器区域网络190被构造为提供助力转向系统102与车辆稳定性辅助系统140之间的通信。特别地，助力转向系统102的第一ECU 120可以使用第八端口128与车辆控制器区域网络190通信，而车辆稳定性辅助系统140的第二ECU 150可以使用第九端口129与车辆控制器区域网络通信。
机动车辆可以包括用于确定在一个或更多个子系统中使用的转向角的装置。例如，车辆稳定性辅助系统可以为了将实际车辆运动(如由各种传感器测量得的)与司机的意图运动(如由转向角测量得的)进行比较的目的而需要转向角。
另外，本发明的上述实施方式可以以众多方式中的任意一种方式来实施。例如，可以使用硬件、软件或它们的组合来实施实施方式。当以软件实施时，可以在任意合适的处理器或处理器的集合上执行软件代码，而不管是在单个计算机中提供还是分布在多个计算机中。这种处理器可以实施为集成电路，集成电路部件中含有一个或更多个处理器。虽然如此，但也可以使用任何合适的格式的电路来实施处理器。
同样地，这里概述的各种方法或过程可以被编码为可在采用各种操作系统或平台中的任意一种的一个或更多个处理器上执行的软件。另外，这种软件可以使用许多合适的编程语言和/或编程或脚本工具中的任意一种来书写，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。
在这点上，发明可以实施为永久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、质密盘(CD)、光盘、数字视频光盘(DVD)、磁带和闪存)。术语“程序”或“软件”在这里以一般意义使用，指的是可以用于编程计算机或其他处理器以实施如上所述的本发明的各种方面的任意类型的计算机代码或计算机可执行指令组。
计算机可执行指令可以是由一个或更多个计算机或其他设备执行的、诸如程序模块等的许多形式。通常，程序模块包括执行特定任务或实施特定抽象数据类型的例程、程序、目标、部件、数据结构。通常，程序模块的功能可以如各种实施方式中所期望的组合或分布。
同样地，发明的实施方式可以实施为已经提供了示例的方法。作为方法的一部分而执行的行为可以以任意合适的方式来排序。因此，可以构建以不同于例示的顺序执行行为的实施方式，虽然在例示的实施方式中被示出为顺序的行为，但也可以包括同时执行一些行为。

Claims (22)

1.一种用于对车辆的电动助力转向EPS系统的转矩进行控制的方法，该方法包括以下步骤：
基于所述车辆的运动状态，确定满足约束的所述EPS系统的所述转矩的值的范围，所述约束包括关于所述EPS系统的所述转矩对方向盘的效果的至少一个约束；
基于所述车辆的所述运动的目的，在所述值的范围内选择所述转矩的值；以及
命令所述EPS系统的马达根据所述转矩的所述值生成所述转矩，
所述方法还包括以下步骤：
确定所述车辆的所述运动的所述目的；
根据所述目的选择所述约束和成本函数；以及
服从于所述约束对所述成本函数进行优化以使所述成本函数最小化，以确定所述值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，关于所述效果的所述约束是所述EPS系统的所述转矩、由道路借助所述车辆的车轮对所述车辆的转向柱施加的对准转矩以及施加于所述车辆的所述方向盘的转矩中的至少一些的函数。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，关于所述效果的所述约束包括关于对所述方向盘的反馈转矩的最小量和最大量的约束。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，关于所述效果的所述约束包括与由司机对所述方向盘施加的转矩有关的关于EPS系统转矩的最小量和最大量的约束。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，关于效果的所述约束包括关于对所述方向盘的最大介入转矩的约束。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，关于效果的所述约束包括关于传播到所述方向盘的对准转矩的百分比的约束。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，关于效果的所述约束包括对所述方向盘的介入转矩与由司机施加到所述方向盘的当前转矩之间的差。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，关于效果的所述约束包括关于对准转矩上的介入的约束。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述目的是所述车辆的转弯性能。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述目的是所述车辆的稳定性。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述目的是相对于道路维持所述车辆的位置。
12.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
响应于所述车辆的状态的变化，重复所述确定步骤、所述选择步骤以及所述命令步骤。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述车辆的状态为所述方向盘的状态。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述车辆的状态为所述EPS系统的状态。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，描述所述车辆的状态的值包括：横摆角速度、横向加速度、速度、纵向加速度、轮胎滑移角、车辆在道路上的位置或车辆的地点。
16.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
每隔时间段θ周期性地重复所述确定步骤、所述选择步骤以及所述命令步骤。
17.一种用于对车辆的电动助力转向EPS系统的转矩进行控制的方法，该方法包括以下步骤：
确定所述车辆的运动的目的；
基于所述运动的所述目的，确定所述车辆的所述运动的成本函数；
确定限定所述EPS系统的所述转矩的值的范围的约束，其中，所述约束基于所述运动的状态并且包括关于所述EPS系统的所述转矩对所述车辆的方向盘的效果的至少一个效果约束和基于所述车辆的所述运动的所述目的而选择的至少一个目的约束；以及
服从于所述约束对所述成本函数进行优化以使所述成本函数最小化。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述约束包括切换约束，所述方法还包括以下步骤：
确定所述切换约束的切换条件；
根据所述切换条件，选择所述切换约束的项目；
在所述优化的期间实施所述项目达时间段θ。
19.一种车辆的电动助力转向EPS系统，该EPS系统包括：
处理器，该处理器用于基于所述车辆的运动状态，确定满足约束的所述EPS系统的转矩的值的范围，所述约束包括关于所述EPS系统的所述转矩对方向盘的效果的至少一个约束，并且该处理器用于基于所述车辆的所述运动的目的在所述范围内选择所述转矩的值；和
马达，该马达根据所选择的值生成所述转矩，
所述处理器还用于确定所述车辆的所述运动的所述目的，根据所述目的选择所述约束和成本函数，并服从于所述约束对所述成本函数进行优化以使所述成本函数最小化，以确定所述值。
20.根据权利要求19所述的EPS系统，其中，所述处理器根据从外部系统接收的所述车辆的所述运动的所述目的来确定所述车辆的所述运动的所述目的。
21.根据权利要求19所述的EPS系统，其中，关于所述效果的所述约束是所述EPS系统的所述转矩、由道路借助所述车辆的车轮对所述车辆的转向柱施加的对准转矩以及施加于所述车辆的所述方向盘的转矩中的至少一些的函数。
22.根据权利要求21所述的EPS系统，其中，所述处理器响应于所述对准转矩的变化确定所述转矩的所述值。
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