CN106945715A - 车辆转向设备、自主车辆转向设备、车辆和车辆转向方法 - Google Patents

车辆转向设备、自主车辆转向设备、车辆和车辆转向方法 Download PDF

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Abstract

提供了用于车辆(3)的车辆转向设备(1)，包括齿条(5)、位置传感器(7)、转向柱(9)、方向盘(11)、被构造为感测施加到方向盘上的转矩和被设置为提供表示转矩的转矩信号的转矩传感器(15)、设置有虚拟转向模型的电子控制单元(17)、齿条安装机电致动器(19)和被构造为获取转向轮(13)作用于齿条(5)上的力的力获取设备(22)。电子控制单元被构造为基于虚拟转向模型和所获取的力与转矩信号的至少组合提供虚拟齿条位置，电子控制单元被设置为控制所述齿条安装机电致动器使得齿条(5)的当前位置被控制为趋近虚拟齿条位置。本发明还涉及自主车辆转向设备(29)、车辆(3)和令车辆转向的方法(100)。

Description

车辆转向设备、自主车辆转向设备、车辆和车辆转向方法
技术领域
本发明涉及用于车辆的车辆转向设备、自主车辆转向设备、以及使用车辆转向设备的车辆和使用车辆转向设备令车辆转向的方法。
背景技术
几乎所有的市售汽车当今都具有被设置为在车辆的转向轮转向时辅助驾驶员的一些动力辅助转向系统。大多数汽车制造商已经开始在他们的车辆中使用电力辅助系统(Electrical Power Assist Systems，EPAS)，逐步淘汰之前使用的液压动力辅助系统(HPAS)。这样做的理由是减小重量、节省空间，以及EPAS比HPAS的制造成本低。此外，电系统具有燃料效率的优点，因为不论是否需要辅助，都没有皮带驱动的液压泵持续运转。但是，通常，EPAS隔离了更多的道路接触反馈，因此为驾驶员提供的道路信息的反馈比HPAS少。
一些汽车制造商使用线控转向系统(steer-by-wire systems)，其提供汽车的转向控制而无方向盘与车轮之间的机械构件/链接。反而，通过电马达或马达形成对车轮方向的控制，电马达或马达由使用传感器监控来自驾驶员的方向盘输入的电子控制单元致动。线控转向系统的固有问题是这些系统需要大量元件来确保它们安全，因为方向盘与转向轮之间不存在机械连接。线控转向系统的成本常常大于常规系统，因为复杂性更高、开发成本更高和需要大量元件确保系统安全。此外，线控转向系统没有至驾驶员的自然道路接触反馈，所以需要从专用的力反馈电动机人工反馈给驾驶员。
有鉴于此，对于转向控制、至驾驶员的反馈信息、车辆转向设备的安全性和制造成本方面尚有改进空间。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的车辆转向设备，消除或至少减少了与现有技术方案有关的问题和/或缺陷。
根据本发明的一个方面，通过一种用于车辆的车辆转向设备实现该目的，所述车辆转向设备包括齿条、被设置为感测齿条当前位置的位置传感器、转向柱、与车辆的转向轮经由齿条和转向柱机械连接的方向盘、被构造为感测施加到所述方向盘上的转矩和被设置为提供表示所述转矩的转矩信号的转矩传感器、设置有虚拟转向模型的电子控制单元、被设置为选择性地在齿条上施加力的齿条安装机电致动器和被构造为获取转向轮作用于齿条上的力的力获取设备，其中所述电子控制单元被构造为基于所述虚拟转向模型和至少所获取的力与所述转矩信号的组合提供虚拟齿条位置，其中所述电子控制单元被设置为控制所述齿条安装机电致动器从而将所述齿条的所述当前位置控制为趋近所述虚拟齿条位置。
由于电子控制单元被构造为基于虚拟转向模型以及所获取的转向轮作用于齿条上的力和表示施加到方向盘上转矩的转矩信号的至少组合来提供虚拟齿条位置，因此能为驾驶员提供期望的反馈同时保持道路干扰的减少。
此外，由于方向盘与车辆的转向轮经由齿条和转向柱机械连接，提供了一种安全的车辆转向设备而不需要多余的备用元件。
此外，提供了可以成本有效的方式制造的车辆转向设备。
更进一步地，由于车辆转向设备包括被设置为选择性地在齿条上施加力的齿条安装机电致动器，可以快速、直接和精确的方式控制齿条的位置。藉此，提供了对转向控制的改进。
更进一步地，由于电子控制单元设置有虚拟转向模型并且由于电子控制单元被设置为控制齿条安装机电致动器使得齿条的当前位置被控制为趋近虚拟齿条位置，所以虚拟转向模型能有效地确定驾驶员感受的反馈力，并且可提供能够实现定制、期望和一致转向感的车辆转向设备。此外，提供了能够实现针对各种各样车型的定制、期望和一致转向感的车辆转向设备。更进一步地，车辆转向设备可以较少取决于底层硬件部件的方式实现定制、期望和一致的转向感。
更进一步地，提供了有利于集成先进转向功能例如车道保持辅助、接近车辆操作极限的驾驶员转向支持、自主车辆转向、期望的触觉反馈信号(如车道保持辅助触觉引导)等等的车辆转向设备。此外，提供了能够迅速、安全和平滑地与这些先进转向功能之间切换的车辆转向设备。
因此，提供了消除或至少减少了与现有技术方案有关的问题和/或缺陷的改进车辆转向设备。
因此，实现了上述目的。
可选择地，力获取设备包括齿条安装机电致动器、位置传感器和电子控制单元，其中力获取设备被构造为通过比较齿条的当前速度与供应至齿条安装机电致动器的电流和供应至齿条安装机电致动器的电压中的至少一种来获取力。因此，可以直接和有效的方式获取转向轮作用于齿条上的力而不需要将该任务分配给独立的传感器。由于以直接和有效的方式获取力，可进一步改进转向控制。此外，由于可获取转向轮作用于齿条上的力而不需要承担该任务的独立传感器，可以成本有效的方式提供车辆转向设备。
可选择地，设备包括被设置为监控所述车辆运动的运动传感器，并且其中所述电子控制单元进一步被构造为基于所监控的运动提供所述虚拟齿条位置。由于电子控制单元进一步被构造为基于监控的运动提供虚拟齿条位置，提供了对转向控制的更进一步改进。
可选择地，设备包括转向轮和悬挂转向轮的车辆悬架装置，其中车辆悬架装置的后倾托距(mechanical trail)被构造为低于转向轮的轮胎托距(pneumatic trail)的峰值，并且其中电子控制单元被设置为控制齿条安装机电致动器以提供有效回正力矩(active aligning torque)。车辆悬架装置的后倾托距被构造为低于转向轮的轮胎托距的峰值的效果是使得装有车辆转向设备的车辆能够更快地转向。此外，机械自回正力矩的影响较低。因此，提供了更进一步改进的转向控制。更进一步地，由于机械自回正力矩的影响较低，总回正力矩也将较低，这减少了转向轮作用于齿条上的力。因此，可使用比车辆悬架装置的后倾托距被构造为高于转向轮的轮胎托距的峰值的情形更小的功率和更便宜的齿条安装机电致动器。
更进一步地，由于机械自回正力矩的影响较低并且由于电子控制单元被设置为控制齿条安装机电致动器以提供有效回正力矩，有效回正力矩可被调整为以比在机械自回正力矩的高影响情况下所可能的更大的范围和更深的程度配合驾驶情形、监控的驾驶环境、驾驶员偏好等等。因此，也正是因为此，提供了对转向控制的更进一步改进。
可选择地，车辆悬架装置的后倾托距在1-3cm的范围内。
可选择地，所述设备包括被设置为监控所述车辆的周围驾驶环境的至少一个驾驶环境监控单元，并且其中所述虚拟转向模型被构造为根据所监控驾驶环境调节所述车辆转向设备的转向特性。由于虚拟转向模型被构造为根据监控的驾驶环境调节车辆转向设备的转向特性，可提供取决于监控的驾驶环境的期望转向特性。由于车辆转向设备包括设置有虚拟转向模型的电子控制单元，能仅通过根据监控的驾驶环境调节虚拟转向模型的参数来调节转向特性。这样，很容易根据监控的驾驶环境调节转向特性。根据一些实施例，电子控制单元被设置为逐渐地调整转向控制以根据监控的驾驶环境匹配常规电力辅助系统(EPAS)的响应。因此，完成了更进一步改进的转向控制。
可选择地，虚拟转向模型被构造为根据驾驶员偏好调节车辆转向设备的转向特性。因此，提供了取决于驾驶员偏好的期望转向特性。驾驶员因而可主动或被动地选择适宜的转向特性。由于车辆转向设备包括设置有虚拟转向模型的电子控制单元，能仅通过根据驾驶员偏好调节虚拟转向模型的参数来调节转向特性。这样，很容易根据驾驶员偏好调节转向特性。因此，完成了改进的转向控制。
可选择地，车辆转向设备包括被设置为监控车辆的横向加速度和横摆率(yawrate，也称偏航率)的运动传感器，其中电子控制单元可被构造为通过比较横向加速度、横摆率、齿条的当前位置和虚拟齿条位置提供当前道路摩擦力估算值。因此，提供了能够以迅速和可靠的方式提供当前道路摩擦力估算值的车辆转向设备。当前道路摩擦力估算值可用作电子控制单元的进一步输入。在这些实施例中，电子控制单元进一步被构造为基于当前道路摩擦力估算值提供虚拟齿条位置。因此，根据当前道路摩擦完成了对转向控制的更进一步改进。作为可选方案或额外地，当前道路摩擦力估算值可用于车辆的其它应用和车辆控制系统例如自适应巡航控制系统、撞击缓冲系统等等。
此处的其它实施例旨在提供包括根据一些实施例的车辆转向设备的自主车辆转向设备。自主车辆转向设备利用的车辆转向设备使得能够与其中自主车辆转向设备自主转向车辆的自主模式之间平滑切换。
可选择地，自主车辆转向设备被构造为通过移动虚拟齿条位置令装有该设备的车辆自主转向。
此处的其它实施例旨在提供包括根据一些实施例的车辆转向设备和根据一些实施例的自主车辆转向设备的车辆。
本发明的一个进一步目的是提供一种改进的车辆转向方法，消除或至少减少了与现有技术方案有关的问题和/或缺陷。
根据本发明的一个方面，通过使用一种车辆转向设备令车辆转向的方法实现该目的，所述设备包括齿条、位置传感器、转向柱、与车辆转向轮经由齿条和转向柱机械连接的方向盘、转矩传感器、设置有虚拟转向模型的电子控制单元、被设置为选择性地将力施加到齿条上的齿条安装机电致动器和力获取设备，
其中所述方法包括：
-使用位置传感器感测齿条的当前位置，
-使用转矩传感器感测施加到方向盘上的转矩和提供表示所述转矩的转矩信号，
-使用力获取设备获取转向轮作用于齿条上的力，
-使用电子控制单元基于虚拟转向模型和所获取力与转矩信号的至少组合来提供虚拟齿条位置，并且
-控制齿条安装机电致动器从而使用电子控制单元将齿条的当前位置控制为趋近虚拟齿条位置。
由于所述方法包括基于虚拟转向模型以及所获取的转向轮作用于齿条上的力和表示施加到方向盘上转矩的转矩信号的至少组合来提供虚拟齿条位置，因此可为驾驶员提供期望的反馈同时保持道路干扰的减少。
此外，由于所述方法包括控制齿条安装机电致动器使得齿条的当前位置被控制为趋近虚拟齿条位置，所以提供了一种能够实现定制、期望和一致转向感的方法。此外，提供了一种不论底层的硬件部件如何能针对广泛车型实现定制、期望和一致转向感的方法。
更进一步地，提供了有利于集成先进转向功能例如车道保持辅助、接近车辆操作极限的驾驶员转向支持、自主车辆转向、期望的触觉反馈信号如车道保持辅助触觉引导等等的方法。
因此，提供了消除或至少减少了与现有技术方案有关的问题和/或缺陷的改进方法。
因此，实现了上述目的。
可选择地，力获取设备包括齿条安装机电致动器、位置传感器和电子控制单元，其中所述方法进一步包括：
-使用力获取设备通过比较齿条的当前速度与供应至齿条安装机电致动器的电流和供应至齿条安装机电致动器的电压中的至少一种来获取力。
因此，可以直接和有效的方式获取转向轮作用于齿条上的力而不需要将该任务分配给独立的传感器。由于以直接和有效的方式获取力，可进一步改进转向控制。
可选择地，所述设备包括转向轮和悬挂转向轮的车辆悬架装置，其中车辆悬架装置的后倾托距被构造为低于转向轮的轮胎托距的峰值并且所述方法可进一步包括：
-使用电子控制单元控制齿条安装机电致动器以提供有效回正力矩。
车辆悬架装置的后倾托距被构造为低于转向轮的轮胎托距峰值的效果是使得装有车辆转向设备的车辆能够更快地转向。此外，机械自回正力矩的影响较低。因此，提供了更进一步改进的转向控制。
更进一步地，由于机械自回正力矩的影响较低并且由于所述方法包括控制齿条安装机电致动器以提供有效回正力矩，因此有效回正力矩可被调整为以与在机械自回正力矩影响较高的情形下所可能的相比更大的范围和更深的程度匹配驾驶情形、监控的驾驶环境、驾驶员偏好等等。因此，也正是因为此，提供了对转向控制的更进一步改进。
可选择地，所述设备进一步包括运动传感器，并且所述方法进一步包括：
-使用运动传感器监控车辆的横向加速度和横摆率，以及
-使用电子控制单元通过比较监控的横向加速度、监控的横摆率、齿条的当前位置和虚拟齿条位置来提供当前道路摩擦力估算值。
因此，提供了能够以迅速和可靠的方式提供当前道路摩擦力估算值的方法。当前道路摩擦力估算值可用作电子控制单元的进一步输入。在这些实施例中，方法进一步包括基于当前道路摩擦力估算值提供虚拟齿条位置。因此，根据当前道路摩擦完成了对转向控制的甚至进一步改进。
当研究所附权利要求和随后的详细说明时，本发明的特征和优点将更为清楚。本领域技术人员将认识到，所述的不同特征可组合以产生除了在下文中描述之外的实施例而不脱离本发明由所附权利要求限定的范围。
附图说明
将很容易从以下详细说明和附图理解此处本发明包括其特定特征和优点的本发明的各种方面，其中：
图1示出用于车辆的车辆转向设备，
图2示出包括根据一些实施例的车辆转向设备的车辆，并且
图3示出使用车辆转向设备转向车辆的方法。
具体实施方式
现在将进一步完全地参照示出示例实施例的附图描述此处的实施例。本领域技术人员显而易见，示例实施例的公开特征可组合。相同的附图标记在文中指的是相同的元件。
为了简明和/或清楚起见，已知的功能或结构不再赘述。
图1示出用于车辆的车辆转向设备1。设备1包括齿条5和被设置为感测齿条5当前位置的位置传感器7。设备1进一步包括转向柱9和方向盘11，方向盘11与装有设备1的车辆的转向轮13经由齿条5和转向柱9机械连接。齿条5可包括设置有元件(例如齿、轨迹等等)的细长形臂。转向柱9可包括被设置为与齿条5的元件啮合的嵌齿轮(cogwheel)等等从而转向柱9的旋转运动被转换为齿条5的线性运动或反之亦然。设备1进一步包括转矩传感器15，转矩传感器15被设置为感测施加到方向盘11上的转矩且被设置为提供表示转矩的转矩信号。转矩传感器15可包括被设置为扭转与施加到方向盘11上的转矩成正比的量的扭杆和被设置为感测所述扭转的量从而提供表示施加到方向盘11上的转矩的转矩信号的传感器。
设备1进一步包括设置有虚拟转向模型的电子控制单元17。此外，设备1包括被设置为选择性地将力施加到齿条5上的齿条安装机电致动器(rack-mountedelectromechanical actuator)19。齿条安装机电致动器19可设置在齿条5处并且可被设置为直接地或经由传动装置选择性地将力施加到齿条5上。但是，齿条安装机电致动器19被设置为将力施加到齿条5上但是施加的力不经过转向柱9。齿条安装机电致动器19可进一步围绕齿条5设置。齿条安装机电致动器19可包括电动机和传动装置，其中传动装置被设置为将电动机的旋转运动转换为齿条5的线性运动。此外，齿条安装机电致动器19可包括直线电动机。
被设置为感测齿条5当前位置的位置传感器7可包括被设置为感测齿条5或转向柱9的当前位置的独立传感器，或可整合于其它部件，例如如图1所示齿条安装机电致动器19的传动装置或齿条安装机电致动器19。此外，位置传感器7可设置在方向盘11与转矩传感器15之间的位置处。在这些实施例中，可通过将转矩传感器15的扭转量加上位置传感器获得的数值来确定齿条5的位置。此外，位置传感器7可包括和利用传感器和/或传感器输入的组合来感测齿条5的当前位置。例如，位置传感器7可包括感测方向盘11的角度的传感器和用于齿条安装机电致动器19的编码器。通过使用传感器和/或传感器输入的组合来感测齿条5的当前位置，可提供更精确的感测。
设备1进一步包括力获取设备22，力获取设备22被构造为获得转向轮13作用于齿条5上的力。
电子控制单元17被构造为基于虚拟转向模型以及转向轮13作用于齿条5上所获取的力与表示施加到方向盘11的转矩的转矩信号的至少组合提供虚拟齿条位置。电子控制单元17进一步被设置为控制齿条安装机电致动器19以使齿条5的当前位置被控制为趋近虚拟齿条位置。
藉此，虚拟转向模型能有效地确定驾驶员感受的反馈力并且提供了能够实现定制的、期望的和一致的转向感觉的车辆转向设备1。此外，提供了能够减少由于道路不平或轮胎不平衡可能发生的转向轮干扰的车辆转向设备1。更进一步地，提供了有利于集成高级转向功能例如车道保持辅助设备、接近车辆操作极限的驾驶员转向支持、自主车辆转向、期望的触觉反馈信号(如车道保持辅助触觉指导)等等的车辆转向设备1。可为驾驶员提供期望的反馈同时保持减少道路干扰并且能快速、直接和精确的方式控制齿条5的位置。通过使用齿条安装机电致动器19选择性地施加力至所述齿条5上，可结合期望的触觉反馈信号。
虚拟转向模型是车辆转向设备的虚拟显示。虚拟转向模型可包括表示车辆转向设备的摩擦力、刚度、阻尼、转向惯性、动态瞬时行为和/或复位刚度(return stiffness)的参数。此外，虚拟转向模型可包括表示装有车辆转向设备1的车辆的参数，例如车辆的操纵特性、瞬态特性、动态瞬时行为、质量、重心位置、轴距和有效轴特性。因而，在这些实施例中，将不仅基于车辆转向设备的模型而且基于装有车辆转向设备1的车辆的模型提供驾驶员感受的反馈力。因此，提供了对转向的更进一步的改进控制，并且提供了一种车辆转向设备1，其中进一步改进了实现定制、期望和一致转向感觉的能力。虚拟转向模型和虚拟转向模型的参数可使用现有车辆转向设备上的频率响应函数提供，或例如使用计算机模拟获取。
根据一些实施例，电子控制单元17进一步被构造为基于虚拟转向模型以及至少所获取的力和转矩信号的组合(即基于虚拟转向模型以及至少转向轮13作用于齿条5上的力和施加到方向盘11上的转矩)来提供估算的施加力。在这些实施例中，电子控制单元17被设置为控制齿条安装机电致动器19使得通过在齿条5上施加估算的施加力将齿条5的当前位置控制为趋近虚拟齿条位置。藉此，提供了对转向控制的更进一步改进。同样，由于方向盘11与车辆3的转向轮13经由齿条5和转向柱9连接，所以估算的施加力将形成驾驶员感受到的反馈力的一部分。因此，提供了一种车辆转向设备1，其中进一步改进了实现定制、期望和一致的转向感的能力。
电子控制单元17可被构造为基于齿条5的当前位置与虚拟齿条位置之间的差异提供虚拟齿条速度并且被设置为控制齿条安装机电致动器19从而将齿条5的当前速度控制为趋近虚拟齿条速度。电子控制单元17可进一步被构造为基于表示装有设备1的车辆的车身侧偏角(body side slip angle)、轮胎滑移(tire slip)、当前道路摩擦力估算值、方向盘角度、方向盘速度和/或齿条的速度来提供虚拟齿条位置。
道路干扰可能由装有设备1的车辆所行进的道路的表面不平所导致。这种道路干扰被感知为常规车辆转向设备的方向盘急抖。根据提供的车辆转向设备1，这种道路干扰将被有效地减少，因为虚拟转向模型中不存在这种道路干扰。也即，导致转向轮13在齿条5上施加力的道路干扰将被减少，因为电子控制单元17被设置为控制齿条安装机电致动器19以使齿条5的当前位置被控制为趋近虚拟齿条位置。由于车辆转向设备1包括被设置为直接或经由传动装置在齿条5上选择性地施加力的齿条安装机电致动器19而无施加力经过转向柱9，因此可以快速、直接和精确的方式减少转向轮13作用于齿条5上的力。
根据一些实施例，力获取设备22包括齿条安装机电致动器19、位置传感器7和电子控制单元17。在这些实施例中，力获取设备22被构造为通过比较齿条5的当前速度与供给齿条安装机电致动器19的电流和供给齿条安装机电致动器19的电压中的至少一个来获取转向轮13作用于齿条5上的力。因此，可以直接和有效的方式获取转向轮13作用于齿条5上的力而不需要独立的传感器完成该任务。因为由于力是以直接和有效的方式获取的，可进一步改进转向控制。
根据一些实施例，力获取设备22包括电子控制单元17和被设置为感测转向轮13作用于齿条5上的力的传感器21。因而，在这些实施例中，力获取设备22使用传感器21获取转向轮13作用于齿条5上的力。如图1所示，力获取设备22可包括两个传感器21，每个分别用于一个转向轮13，传感器21设置在齿条5的相应一端处和/或相应一侧处。传感器21可为压电力传感器。
根据一些实施例，设备1包括被设置为监控装有设备1的车辆的运动的运动传感器23，并且其中电子控制单元17进一步被构造为基于监控的运动提供虚拟齿条位置。藉此，提供了对转向控制的更进一步改进。运动传感器可包括被设置为监控装有设备1的车辆的横向加速度和横摆率的加速计。作为可选方案或附加地，运动传感器23可包括被设置为监控装有设备1的车辆的纵向速度的速度传感器。在这些实施例中，电子控制单元17被构造为基于装有设备1的车辆的监控横向加速度、监控横摆率和监控纵向速度中至少一个提供虚拟齿条位置。此外，电子控制单元17可进一步被构造为基于所监控的运动提供估算的施加力并且被设置为控制齿条安装机电致动器19使得通过在齿条5上施加估算的施加力将齿条5的当前位置控制为趋近虚拟齿条位置。藉此，可提供对转向控制的更进一步改进。
可选择地，设备1包括转向轮13和悬挂转向轮13的车辆悬架装置25，其中车辆悬架装置25的后倾托距被构造为低于转向轮13的轮胎托距的峰值，并且其中电子控制单元17被设置为控制齿条安装机电致动器19以提供有效的回正力矩。因此，有效的回正力矩将增加经由转向轮获取的相对较低的自回正力矩(self-aligning torque)。
总回正力矩是横向力乘以后倾和轮胎托距总和的乘积。车辆悬架装置25的后倾托距能被定义为在地平面处转向轴与穿过转向轮13中心的竖直线之间的侧视距离。转向轴与地平面的交点位于车轮中心的前方时，后倾托距为正。当在侧视图中车轮中心处于转向轴上时，后倾托距是主销后倾角(caster angle)的直接结果。但是，后倾托距也可随着心轴偏移(spindle offset)而变化。心轴偏移是车轮中心与转向轴之间平行于地平面的侧视距离。当车轮中心位于转向轴的前方时，心轴偏移为负并且后倾托距将根据心轴偏移而减少。此处的后倾托距意图包含正后倾托距，其中转向轴与地平面的交点位于车轮中心的前方。
车辆悬架装置25的后倾托距可被调节从而通过具有车辆悬架装置25的一定后倾角和/或一定心轴偏移使得车辆悬架装置25的后倾托距低于转向轮13的轮胎托距的峰值。轮胎托距是在地平面处穿过转向轮13中心的竖直线与即时横向力压力中心之间的侧视距离，是轮胎结构、即时竖直和横向负载的函数。上面是忽略例如纵向力和车轮外倾效应(camber effects)的回正力矩的简化示例。
车辆悬架装置25的后倾托距被构造为低于转向轮13的轮胎托距峰值的效果是使得装有设备1的车辆更快地转向。由于能够更快地转向，齿条安装机电致动器的控制(即转向的控制)可被调整为在比更慢的转向(即车辆悬架装置25的更高的后倾托距)所可能的更大的范围内以更高的程度配合驾驶情形、所监控的驾驶环境、驾驶员偏好等等。因此，由于这些特征，提供了对转向控制的进一步改进。
车辆悬架装置25的后倾托距被构造为低于方向盘13的轮胎托距峰值的进一步效果是机械自回正力矩的影响较低。因此，转向轮13的作用于齿条5上的力也较低。藉此，与车辆悬架装置25的后倾托距被构造为高于转向轮13的轮胎托距的峰值的情形相比，能使用功率更低的齿条安装机电致动器。此外，由于机械自回正力矩的影响会较低，并且由于这些实施例中的电子控制单元17可被设置为控制齿条安装机电致动器以提供有效回正力矩，所述有效回正力矩可被调整为提供受控的转向感和适合的引导，可被调整为以比机械自回正力矩的高影响所可能的更大的范围和更深的程度配合驾驶情形、监控的驾驶环境、驾驶员偏好等等。因此，同样由于这些特征，提供了进一步改进的转向控制。
根据一些实施例，车辆悬架装置25的后倾托距在1-3cm的范围内。根据其它实施例，车辆悬架装置25的后倾托距在1.2-2.8cm，或1.4-2.6cm，或1.6-2.4cm，或1.8-2.2cm，或1.9-2.1cm的范围内，或大约2cm。通过使得车辆悬架装置25的后倾托距在这些范围内，车辆悬架装置25的后倾托距将低于转向轮13的轮胎托距的峰值。
图2示出包括根据一些实施例的车辆转向设备1的车辆3。图2中所示的设备1包括被设置为监控车辆3周围驾驶环境27的至少一个驾驶环境监控单元26，并且其中虚拟转向模型被构造为根据监控的驾驶环境27调节车辆转向设备1的转向特性。
驾驶环境监控单元26可包括一个或多个传感器，例如雷达(Radio Detection AndRanging，也称为无线电检测和测距)传感器和/或激光(Light Amplification byStimulated Emission of Radiation，也称为通过辐射受激发射的光放大)传感器和/或光检测和测距系统(Light Detection And Ranging)传感器或一个或多个成像传感器(例如一个或多个摄像机单元)。此外，驾驶环境监控单元26可包括定位单元和电子地图，其中定位单元可包括空基卫星导航系统例如全球定位系统(GPS)、俄罗斯全球卫星导航系统(GLONASS)、欧盟伽利略定位系统、中国指南针导航系统或印度地区卫星导航系统。驾驶环境监控单元26可被构造为监控距离装有设备1的车辆3前方的前车31的距离和装有设备1的车辆3与前车31之间的相对速度。驾驶环境监控单元26可进一步被构造为监控本车3所行进道路上即将出现路段的外形并且被构造为监控路上目标、车道标志和道路使用者例如其它车辆和行人的存在和位置。
由于车辆转向设备1包括设置有虚拟转向模型的电子控制单元17，因此能通过根据监控的驾驶环境27调节虚拟转向模型的参数来方便地调节转向特性。这样，能容易地根据监控的驾驶环境27调节转向特性。在转向重量(steering weight)、对中刚度(on-centring stiffness)、反馈水平、振动取消等等方面，转向特性都可被调节。
在车辆悬架装置25的后倾托距被构造为低于转向轮13的轮胎托距的峰值的实施例中，根据监控的驾驶环境27调节车辆转向设备1的转向特性是格外有利的。这是因为当车辆悬架装置25的后倾托距低于转向轮13的轮胎托距的峰值时允许更快地转向。车辆3更快的转向可被车辆驾驶员感知为车辆3的紧张行为。因而，通过监控车辆3周围的驾驶环境27并且通过根据监控的驾驶环境27调节车辆转向设备1的转向特性，能根据监控的驾驶环境27从而根据当前驾驶情形调节车辆驾驶员感知的车辆行为。
此外，根据一些实施例，根据监控的驾驶环境27提供有效的回正力矩。可进一步根据来自被设置为监控装有设备1的车辆3的运动传感器23的数据提供有效的回正力矩。这种数据例如可以是表示装有设备1的车辆3的纵向速度、横向加速度和横摆率的数据。因而，在这些实施例中，可根据当前驾驶情形以及根据车辆的运动提供有效的回正力矩。此外，通过根据监控的驾驶环境27使用齿条安装机电致动器选择性地在所述齿条上施加力，能提供期望的触觉反馈信号的结合。
此外，根据一些实施例，电子控制单元17被设置为逐渐地调整转向控制以匹配常规电力辅助系统(EPAS)的响应。因而，电子控制单元17可被设置为基于包括施加到方向盘11上的转矩的纯放大的前馈控制与基于虚拟转向模型的虚拟转向控制之间的混和来控制转向。可根据监控的驾驶环境27实现这种混合。在一些情况，例如当在未知和未识别的路面状况下驾驶时，转向控制匹配常规EPAS的响应被证明是更有效的。因而，通过根据监控的驾驶环境27逐渐地调整转向控制以匹配常规EPAS的响应，可完成对转向控制的更进一步改进。
根据一些实施例，虚拟转向模型被构造为根据驾驶员偏好调节车辆转向设备1的转向特性。在这些实施例中，驾驶员可以主动或被动地选择适宜的转向特性。由于车辆转向设备1包括设置有虚拟转向模型的电子控制单元17，因此仅通过根据驾驶员偏好调节虚拟转向模型的参数即可调节转向特性。这样，能容易地根据驾驶员偏好调节转向特性。
在车辆悬架装置25的后倾托距被构造为低于转向轮13的轮胎托距峰值的实施例中，根据驾驶员偏好调节车辆转向设备1的转向特性是格外有利的，因为允许更快地转向。因此，与车辆悬架装置25的后倾托距被构造为高于转向轮13的轮胎托距的峰值所可能的情形相比，能在更大的范围和更深的程度上调节车辆转向设备1的转向特性。因此，提供了使得驾驶员能够在跑车(sportier)的转向特性和更放松的转向特性之间选择的车辆转向设备1。就就转向重量、对中刚度、反馈水平、振动取消等等方面可调节转向特性。
根据一些实施例，车辆转向设备1包括被设置为监控车辆3的横向加速度和横摆率的运动传感器23，其中电子控制单元17被构造为通过比较横向加速度、横摆率、齿条5的当前位置和虚拟齿条位置来提供当前道路摩擦力估算值。作为可选方案或额外地，电子控制单元17被构造为通过比较横向加速度、横摆率、齿条5的当前速度和虚拟齿条速度来提供当前道路摩擦力估算值。在这些实施例中，虚拟齿条速度是通过电子控制单元17计算出的齿条期望到达虚拟齿条位置的期望速度。
作为可选方案或额外地，电子控制单元17被构造为通过比较横向加速度、横摆率和所获取的车轮13作用于齿条5上的力来进一步提供当前道路摩擦力估算值。如此处使用，上述当前道路摩擦力估算值可通过第一当前道路摩擦力估算值表示。类似地，上述直接介绍的进一步当前道路摩擦力估算值可通过第二当前道路摩擦力估算值表示。根据一些实施例，电子控制单元17被构造为通过比较当前道路摩擦力估算值与进一步当前道路摩擦力估算值来调整或核实当前道路摩擦力估算值。在这些实施例中，可提供更可靠的当前道路摩擦力估算值。
当前道路摩擦力估算值和/或进一步当前道路摩擦力估算值可用作电子控制单元17的进一步输入。在这些实施例中，电子控制单元17进一步被构造为基于当前道路摩擦力估算值和/或进一步当前道路摩擦力估算值提供虚拟齿条位置。因此，根据当前道路摩擦力完成了对转向控制的更进一步改进。
在其中力获取设备22使用两个分别用于一个转向轮13的传感器21获取转向轮13作用于齿条5上的力的实施例中，电子控制单元17可被构造为通过比较横向加速度、横摆率和每个车轮13作用于齿条5上的力来提供用于每个转向轮13的进一步当前道路摩擦力估算值。藉此，能为车辆一侧处的转向轮和车辆另一侧处的转向轮提供进一步当前道路摩擦力估算值。这种进一步当前道路摩擦力估算值可用作至电子控制单元17的输入，其中电子控制单元17进一步被构造为基于用于每个转向轮13的进一步当前道路摩擦力估算值来提供虚拟齿条位置。因此，根据用于每个转向轮13的进一步当前道路摩擦完成了改进的转向控制。用于每个转向轮13的进一步当前道路摩擦力估算值可被车辆的其它应用和车辆控制系统所使用，例如防抱死制动系统、自适应巡航控制系统、撞击缓冲系统等等。
上述实施例中，电子控制单元17可被构造为使用轮胎模型(例如刷子轮胎模型(brush tire model))提供当前道路摩擦力估算值。也即，电子控制单元17可被构造为通过使用轮胎模型(例如刷子轮胎模型)比较横向加速度、横摆率、齿条5的当前位置和虚拟齿条位置提供当前道路摩擦力估算值。作为可选方案或额外地，电子控制单元17被构造为通过使用轮胎模型(例如刷子轮胎模型)比较横向加速度、横摆率和所获取的车轮13作用于齿条5上的力来提供进一步当前道路摩擦力估算值。
在其中车辆悬架装置25的后倾托距被构造为低于转向轮13的轮胎托距峰值的实施例中，电子控制单元17提供当前道路摩擦力估算值和进一步当前道路摩擦力估算值的能力进一步提高了。这是因为如下事实：在这些实施例中，轮胎自回正力矩将导致总自回正力矩达到比其它情形更高的程度。对于小的侧偏角(slip angles)，横向力相对不受转向轮附着力的极限的影响，使得在达到摩擦力极限之前难以区分不同的摩擦力极限。但是，轮胎托距对摩擦力极限比较敏感，即使当横向力位于线状操作区域中时也是如此，因此提供了能够尽早预期轮胎操作极限的可能并且提供了电子控制单元17在提供当前道路摩擦力估算值和进一步当前道路摩擦力估算值方面能力的改进。
图2还示出包括根据一些实施例的车辆转向设备1的自主车辆转向设备29。自主车辆转向设备29被构造为通过移动虚拟齿条位置令装有设备1的车辆3自主转向。藉此，提供了一种被构造为仅仅通过移动车辆转向设备1的虚拟齿条位置令装有设备1的车辆3自主转向的自主车辆转向设备29。此外，提供了能够以有效成本的方式制造且能够以快速、直接和精确方式控制齿条位置的自主车辆转向设备29。
自主车辆转向设备29可利用来自驾驶环境监控单元26的数据和/或一个或多个附加传感器单元来说明驾驶环境27并且根据其移动虚拟齿条位置从而自主转向车辆3。
自主车辆转向设备29利用的车辆转向设备1允许平滑转换到其中自主车辆转向设备29自主转向车辆3的自主模式或从该自主模式平滑转换过来。
图3示出使用车辆转向设备令车辆转向的方法100，所述车辆转向设备包括齿条、位置传感器、转向柱、经由齿条和转向柱与车辆的转向轮机械连接的方向盘、转矩传感器、设置有虚拟转向模型的电子控制单元、被设置为选择性地施加力到齿条上的齿条安装机电致动器和力获取设备，
其中所述方法100包括：
-使用位置传感器感测110齿条的当前位置，
-使用转矩传感器感测120施加到方向盘上的转矩和提供表示所述转矩的转矩信号，
-使用力获取设备获取130转向轮作用于齿条上的力，
-使用电子控制单元基于虚拟转向模型和至少所获取的力与转矩信号的组合提供140虚拟齿条位置，并且
-使用电子控制单元控制150所述齿条安装机电致动器从而将齿条的当前位置控制为趋近虚拟齿条位置。
根据一些实施例，所述方法包括：
-使用电子控制单元基于虚拟转向模型和至少所获取的力与转矩信号的组合提供估算的施加力，以及
-使用电子控制单元控制齿条安装机电致动器从而将估算的施加力施加到齿条上从而将齿条的当前位置控制为趋近虚拟齿条位置。
根据一些实施例，所述力获取设备包括齿条安装机电致动器、位置传感器和电子控制单元，并且如图3所示所述方法100可进一步包括：
-使用力获取设备通过比较齿条的当前速度与供应至齿条安装机电致动器的电流和供应至齿条安装机电致动器的电压中的至少一种来获取131力。
根据一些实施例，所述设备包括转向轮和悬挂转向轮的车辆悬架装置，其中车辆悬架装置的后倾托距被构造为低于转向轮的轮胎托距的峰值，并且如图3所示，方法100可进一步包括：
-使用电子控制单元控制151所述齿条安装机电致动器以提供有效的回正力矩。
根据一些实施例，设备进一步包括运动传感器，并且如图3所示，方法100可进一步包括：
-使用运动传感器监控160车辆的横向加速度和横摆率，并且
-使用电子控制单元通过比较所监控的横向加速度、所监控的横摆率、齿条的当前位置和虚拟齿条位置来提供161当前道路摩擦力估算值。

Claims (15)

1.一种用于车辆(3)的车辆转向设备(1)，包括：
-齿条(5)
-被设置为感测所述齿条(5)的当前位置的位置传感器(7)，
-转向柱(9)，
-与所述车辆(3)的转向轮(13)经由所述齿条(5)和所述转向柱(9)机械连接的方向盘(11)，
-转矩传感器(15)，被设置为感测施加到所述方向盘(11)上的转矩且被设置为提供表示所述转矩的转矩信号，
-设置有虚拟转向模型的电子控制单元(17)，
-被设置为选择性地施加力到所述齿条(5)上的齿条安装机电致动器(19)，以及
-力获取设备(22)，被构造为获取所述转向轮(13)作用于所述齿条(5)上的力，
其中，所述电子控制单元(17)被构造为基于所述虚拟转向模型和所述获取力与所述转矩信号的至少组合来提供虚拟齿条位置，其中，所述电子控制单元(17)被设置为控制所述齿条安装机电致动器(19)使得所述齿条(5)的当前位置被控制为趋近所述虚拟齿条位置。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，所述力获取设备(22)包括所述齿条安装机电致动器(19)、所述位置传感器(7)和所述电子控制单元(17)，其中，所述力获取设备(22)被构造为通过将所述齿条(5)的当前速度与供应至所述齿条安装机电致动器(19)的电流和供应至所述齿条安装机电致动器(19)的电压中的至少一个相比较来获取所述力。
3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，包括被设置为监控所述车辆(3)的运动的运动传感器(23)，并且其中，所述电子控制单元(17)进一步被构造为基于所监控的运动提供所述虚拟齿条位置。
4.根据前述权利要求任意一项所述的设备(1)，其中，所述设备(1)包括所述转向轮(13)和悬挂所述转向轮(13)的车辆悬架装置(25)，其中，所述车辆悬架装置(25)的后倾托距被构造为低于所述转向轮(13)的轮胎托距的峰值，并且其中，所述电子控制单元(17)被设置为控制所述齿条安装机电致动器(19)以提供有效的回正力矩。
5.根据权利要求4所述的设备(1)，其中，所述车辆悬架装置(25)的所述后倾托距在1-3cm的范围内。
6.根据前述权利要求任意一项所述的设备(1)，包括被设置为监控所述车辆(3)的周围驾驶环境(27)的至少一个驾驶环境监控单元(26)，并且其中，所述虚拟转向模型被构造为根据所述监控驾驶环境(27)调节所述车辆转向设备(1)的转向特性。
7.根据前述权利要求任意一项所述的设备(1)，其中，所述虚拟转向模型被构造为根据驾驶员偏好调节所述车辆转向设备(1)的转向特性。
8.根据前述权利要求任意一项所述的设备(1)，包括被设置为监控所述车辆(3)的横向加速度和横摆率的运动传感器(23)，其中，所述电子控制单元(17)被构造为通过比较所述横向加速度、所述横摆率、所述齿条(5)的当前位置和所述虚拟齿条位置来提供当前道路摩擦力估算值。
9.一种包括根据前述权利要求任意一项所述的车辆转向设备(1)的自主车辆转向设备(29)。
10.根据权利要求9所述的自主车辆转向设备(29)，其中，所述自主车辆转向设备(29)被构造为通过移动虚拟齿条位置令装有所述设备(1)的所述车辆(3)自主转向。
11.一种包括根据权利要求1-8任意一项所述的车辆转向设备(1)或根据权利要求9或10所述的自主车辆转向设备的车辆(3)。
12.一种使用车辆转向设备(1)令车辆(3)转向的方法(100)，所述车辆转向设备(1)包括齿条(5)、位置传感器(7)、转向柱(9)、与所述车辆的转向轮经由所述齿条(5)和所述转向柱(9)机械连接的方向盘(11)、转矩传感器(15)、设置有虚拟转向模型的电子控制单元(17)、被设置为选择性地施加力到所述齿条(5)上的齿条安装机电致动器(19)、以及力获取设备(22)，其中，所述方法(100)包括：
-使用所述位置传感器(7)感测所述齿条(5)的当前位置，
-使用所述转矩传感器(15)感测(120)施加到所述方向盘(11)上的转矩和提供表示所述转矩的转矩信号，
-使用所述力获取设备(22)获取(130)所述转向轮(13)作用于所述齿条(5)上的力，
-使用所述电子控制单元(17)基于所述虚拟转向模型和所述获取力与所述转矩信号的至少组合来提供(140)虚拟齿条位置，以及
-使用所述电子控制单元(17)控制(150)所述齿条安装机电致动器(19)以将所述齿条(5)的当前位置控制为趋近所述虚拟齿条位置。
13.根据权利要求12所述的方法(100)，其中，所述力获取设备(22)包括所述齿条安装机电致动器(19)、所述位置传感器(7)和所述电子控制单元(17)，其中，所述方法(100)进一步包括：
-使用所述力获取设备(22)通过将所述齿条(5)的当前速度与供应至所述齿条安装机电致动器(19)的电流和供应至所述齿条安装机电致动器(19)的电压中的至少一种进行比较来获取(131)所述力。
14.根据权利要求12或13所述的方法(100)，其中，所述设备(1)包括所述转向轮(13)和悬挂所述转向轮(13)的车辆悬架装置(25)，其中，所述车辆悬架装置(25)的后倾托距被构造为低于所述转向轮(13)的轮胎托距的峰值，并且其中，所述方法(100)进一步包括：
-使用所述电子控制单元(17)控制(151)所述齿条安装机电致动器(19)以提供有效的回正力矩。
15.根据权利要求12-14任意一项所述的方法(100)，其中，所述设备(1)进一步包括运动传感器(23)，并且其中，所述方法(100)进一步包括：
-使用所述运动传感器(23)监控(160)所述车辆(3)的横向加速度和横摆率，以及
-使用所述电子控制单元(17)通过比较所监控的横向加速度、所监控的横摆率、所述齿条(5)的当前位置和所述虚拟齿条位置来提供(161)当前道路摩擦力估算值。
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