CN107303903A - 使用eps信号的驾驶员手触方向盘检测 - Google Patents

使用eps信号的驾驶员手触方向盘检测 Download PDF

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Abstract

一种用于检测手轮控制的系统，包括：驾驶员扭矩估计模块，基于多个电动转向信号来估计驾驶员扭矩状态；以及抓握检测模块，通过所述驾驶员扭矩状态来确定抓握水平、手触轮标志和转变混合因子中的一个，所述抓握水平用于控制驾驶员辅助动力转向系统。

Description

使用EPS信号的驾驶员手触方向盘检测
背景技术
各种高级驾驶员辅助系统(ADAS)算法可能需要知道驾驶员的手在方向盘上的时间。驾驶员与方向盘接触表示驾驶员意图从汽车重新取回控制。对于各种ADAS应用，转向跟随特定的转向角度轨迹以引导汽车在适当的路径上，在这种情况下，驾驶员的手离开方向盘。在这些情况下，当驾驶员考虑到某种危险而决定超驰汽车的路径，或者驾驶员打算突然停止机动时，必须以及时和直观的方式将该决定传送给汽车。将手放回方向盘可以是指示驾驶员意图重新控制车辆的一种这样的方式。因此，重要的是检测驾驶员对手轮的干预。
发明内容
一种用于检测手轮控制的系统，包括：驾驶员扭矩估计模块，基于多个电动转向信号估计驾驶员扭矩状态；以及抓握检测模块，通过所述驾驶员扭矩状态来确定抓握水平、手触轮标志和转变混合因子中的一个，所述转变混合因子有助于动力转向系统从位置控制模式转变到扭矩控制模式。
一种用于检测驾驶员手轮控制的检测系统，所述检测系统在高级驾驶员辅助系统中实施，所述检测系统包括：驾驶员扭矩估计模块，基于多个电动转向信号估计驾驶员扭矩状态；以及抓握检测模块，通过所述驾驶员扭矩状态来确定抓握水平、手触轮标志和转变混合因子中的一个，所述转变混合因子有助于动力转向系统从位置控制模式转变到扭矩控制模式。
一种用于检测驾驶员的手轮控制的方法，包括：基于多个电动转向信号估计驾驶员扭矩状态；以及从所述驾驶员扭矩状态来确定抓握水平、手触轮标志和转变混合因子中的一个，所述转变混合因子有助于动力转向系统从位置控制模式转变到扭矩控制模式。
根据以下结合附图进行的描述，这些和其它优点以及特征将变得更加明显。
附图说明
被认为是本发明的主题在说明书的结尾处的权利要求书中被特别指出并明确地要求保护。根据以下结合附图进行的详细描述，本发明的前述和其它特征以及优点是显而易见的，其中：
图1示出了根据一些实施例的包括转向系统的车辆的功能框图；
图2示出了应用于动力转向系统的双质量模型；
图3示出了根据一些实施例的手触轮检测模块；
图4示出了根据一些实施例的抓握水平检测模块；以及
图5示出了根据一些实施例的包括手触轮检测模块的高级驾驶员辅助系统。
具体实施方式
现在参考附图，其中在不限制本发明的情况下将参考具体实施例来描述本发明，示出了包括转向系统12的车辆10的示例性实施例。在各个实施例中，转向系统12包括结合到转向轴16的手轮(handwheel)14。在示出的示例性实施例中，转向系统12是还包括转向辅助单元18的电动转向(EPS)系统，转向辅助单元18耦接到转向系统12的转向轴16并耦接到车辆10的左拉杆20和右拉杆22。应当指出，转向系统12还可以是齿条辅助EPS(REPS)。转向辅助单元18包括例如可以通过转向轴16耦接到转向致动器马达和齿轮的齿条和小齿轮转向结构(未示出)。在操作过程中，当手轮14由车辆操作者转动时，转向辅助单元18的马达提供辅助，以移动左拉杆20和右拉杆22，继而分别使左转向关节24和右转向关节26移动。左关节24耦接到左道车轮28，右关节26耦接到车辆10的右道车轮30。
如图1中所示，车辆10还包括检测和测量转向系统12和/或车辆10的信号的各种传感器31-34。传感器基于测量的信号生成传感器信号。在一个实施例中，提供扭矩传感器31来感测置于手轮14上的扭矩。在所示的示例性实施例中，扭矩传感器31置于手轮14上，然而将理解的是，扭矩传感器31可以不一定置于手轮14附近或手轮14上。在一个实施例中，马达位置/速度传感器32感测马达位置和/或速度，手轮位置/速度传感器33感测手轮位置和/或速度。另外，车辆10可以包括车轮速率传感器34，以辅助测量车辆速率。在图1中示出的实施例中，单个车轮速率传感器34附接在车辆10的后车轮附近。尽管在图1中示出了单个车轮速率传感器34，但也可以包括多个车轮速率传感器。车轮速率传感器34可以位于变速箱壳体上，并可以由车辆10的变速器的输出齿轮驱动。
控制模块50基于一个或多个传感器信号并进一步基于本公开的转向控制系统和方法来控制转向系统12的操作。在一个实施例中，控制模块50包括驾驶员扭矩估计模块60。驾驶员扭矩估计模块60接收作为EPS系统的测量信号的输入信号。例如，驾驶员扭矩估计模块60可以基于从多个传感器接收的输入信号来估计驾驶员扭矩。输入信号可以包括但不限于马达指令、如由小齿轮或手轮14上的扭矩传感器31测量的t杆扭矩信号、马达位置信号和马达速度信号。
图2示出了电动转向(EPS)系统的双质量模型200。EPS可以表示为由两个惯性组件(即手轮(HW)202和辅助机构(AM)204)组成的线性系统模型。AM 204可以表示典型的EPS齿轮中的组合马达和齿条惯性。
如图2中所示，双质量模型可以包括两个输入，即，马达扭矩和驾驶员扭矩。双质量模型的三个输出可以包括T杆扭矩(HWT)、马达位置(θm)和马达速度(ωm)。HWT是扭力弹簧k1上的扭矩。在该双质量机械系统中，在系统中将共有四个状态，每个惯性有两个状态。系统的四个状态是手轮位置(θhw)、手轮速度(ωhw)、辅助机构位置(θam)和辅助机构速度(ωam)。马达扭矩(Tm)是系统的控制输入，而驾驶员扭矩(Td)是系统的扰动输入。将要施加的马达扭矩的量由各种内部EPS算法来决定，因此是已知的量。内部马达控制循环确保由马达产生的马达扭矩与马达扭矩指令相同。
图3示出了图1的控制模块50的手触轮(Hands-On-Wheel)检测模块300。在各个实施例中，控制模块50可以包括一个或多个子模块和数据存储库。如本文所使用的，术语模块和子模块是指专用集成电路(ASIC)、电子电路，执行一个或多个软件或固件程序的存储器和处理器(共享的、专用的或成组的)、组合逻辑电路或提供所述功能的其它合适的组件。如可以认识到的，在图3中示出的模块可以进一步划分。
向控制模块50的输入可以由车辆10(图1)的扭矩传感器31(图1)以及马达位置/速度传感器32生成。另外，可以从车辆10(图1)内的其它控制模块(未示出)接收输入，并且输入可以是建模的或预定义的。可选地，控制模块50可以从手轮位置/速度传感器33接收手轮位置/速度信号。手轮位置/速度信号被缩放到马达坐标，而不是由马达位置/速度传感器32直接提供这些信号。
在图3中，手触轮检测模块300可以包括驾驶员扭矩观测器模块302和抓握检测模块304。如下面更详细地描述的，驾驶员扭矩观测器可以使用增强的双质量模块来生成驾驶员扭矩的估计，而不是接收驾驶员扭矩作为输入。驾驶员扭矩的估计指示驾驶员扭矩状态。
驾驶员扭矩观测器模块302可以接收马达指令、手轮扭矩、马达位置和马达速度作为输入。如果可以估计系统中的驾驶员扭矩的量，则可以预测驾驶员是否正在接触方向盘。
在双质量模型中，物理参数(Jhw、Jam、k1、k3、c1、c3、ch和cm)可以通过进行基于系统识别的频率响应和从EPS齿轮收集数据来测量或估计。以上模型的线性方程可以写成如下：
y＝Cpx+Dpu
其中，x表示装置的4个状态，y是测量输出，u表示向装置的输入。这些矩阵如下所示：
x＝[θhw；
ωhw；
θam，
ωam]
u＝[Td；
Tm]
y＝[HWT；
θm；
ωm]
对于EPS双质量模型，矩阵Ap、Bp、Cp和Dp为如下。
Cp＝[k1 0 -k1 0；
0 0 1 0；
0 0 0 1]
Dp＝[0 0 0 0；
0 0 0 0].
矩阵Bp是扰动输入矩阵，其可以被分成两个较小的矩阵，一个表示驾驶员扭矩的输入矩阵(Bd＝扰动输入矩阵)。矩阵Bt是表示马达扭矩的输入矩阵的控制输入矩阵(Bt＝控制输入矩阵)。
驾驶员扭矩观测器模块302使用增强的双质量模型EPS系统预测Td，以提供第五状态Td。在原始模型中，如由方程1所表示的，Td被视为扰动输入。在增强的双质量模型中，其被视为扰动状态。为了将Td增强为现有方程1的状态，Td的状态方程由双质量模型使用。在一个实施例中，增强的双质量模型在Td不快速变化并且低频下的Td值与增强的双质量模型相关的假设下使用以下状态方程。
然而，应当理解的是，由本申请想到的其它实施例包括结果为非零导数值的Td的变化率。因此，由方程2表示的Td的导数将不为零。可以理解，通过用方程2扩展方程1，得到五状态系统。五状态系统由驾驶员扭矩观测器模块302使用。增强的系统的方程如下：
y＝Caugxaug+Dauguaug
xaug＝[θhw；
ωhw；
θam；
ωam；
Td]
uaug＝[Tm]
四个矩阵Aaug、Baug、Caug和Daug如下：
Caug＝[Cp 0]；
Daug＝0.
上面描述的五状态系统使得可以构建观测器，以估计系统的全部五个状态。在该情况下，由观测器估计的状态之一将是驾驶员扭矩(Td)。
标准观测器方程为如下。
可以使用LQE(线性二次估计器)或Kalman滤波器方法，通过在测量到的输出上分配对扰动输入和噪声的权重来找出观测器矩阵L。在一个实施例中，对到系统的扰动输入和相应的扰动输入矩阵进行了定义，如下所示。应当理解，扰动输入和扰动输入矩阵可以是任何合适的形式，并且在内容形式上不限于以下提供的示例：
扰动输入
扰动输入矩阵
EPS系统的测量结果为构成向量y的HWT、θm和ωm。通过为每个测量结果的扰动输入和噪声中的每个分配相对权重来计算L矩阵。在一个实施例中，扰动和噪声加权矩阵如下：
可以理解，W扰动和V噪声矩阵中的一个或两个可以是另一种形式或结构。此外，矩阵的内容不限于所提供的实施例。通过将不同的值分配给wd、wm、vhwt、vpos和vvel，可以改变观测器矩阵L的值。
对于特定的L矩阵，观测器将估计Td的值。当Td的估计值在特定的可调时间段内保持在特定的可调阈值以上时，驾驶员的手被认为在方向盘上。另外，可以基于Td的值的大小以及持续时间来估计各种驾驶员抓握水平。在短持续时间内Td的高值可以被认为是高水平的抓握，并且可以表示来自驾驶员的较高的紧急性，而在较长时间段内Td的小值可能表示弱的抓握。可以从算法获得各种这样的可调的抓握水平。
可以对加权矩阵(W扰动和V噪声)进行优化，以产生合适的矩阵L，这可以有助于对在方向盘上的双手进行精确的和可重复的检测，并避免造成错误的检测。
驾驶员扭矩观测器模块302将驾驶员扭矩估计输出到抓握检测模块304。抓握检测模块304被配置为将抓握水平、手触轮标志和转变混合因子(transition blendingfactor)输出到系统EPS的控制模块。转变混合因子可以有助于动力转向系统从位置控制模式转变到扭矩控制模式。位置控制模式可以是由ADAS提供控制的模式，其中对手轮不进行驾驶员控制或进行有限的驾驶员控制。扭矩控制模式是驾驶员将扭矩施加到手轮以使车辆转向的模式。
图4更详细地示出了抓握检测模块304。抓握检测模块304接收驾驶员扭矩估计作为输入，并输出由抓握检测模块生成的低抓握标志和高抓握标志。在一些实施例中，在相应的绝对值框404、406处确定驾驶员扭矩的绝对值。在阈值估计框408、410处，将估计的驾驶员扭矩的幅值与低抓握扭矩阈值和高抓握扭矩阈值进行比较。在一些实施例中，将阈值估计框408、410的输出发送到相应的计时器框，其中计时器框416、418监测阈值估计框408、410输出逻辑值(例如，逻辑1值)的时间长度。计时器框416、418可以输出逻辑1值，例如，在此时间期间，在时间比较器框420、422处将计时器框416、418的输出与低抓握时间阈值和高抓握时间阈值进行比较。时间比较器框420、422根据是否超过低抓握时间阈值和高抓握时间阈值而分别输出低抓握标志和高抓握标志。抓握水平检测模块根据低抓握标志和高抓握标志输出抓握水平和HOW标志。表1示出了低抓握标志、高抓握标志、抓握水平和HOW标志之间的关系的示例。
表1：
低抓握标志 高抓握标志 抓握水平 HOW标志
0 0 0 0
1 0 1 1
0 1 2 1
1 1 2 1
如表1中所示，抓握水平取决于低抓握标志和高抓握标志。HOW标志也取决于低抓握标志和高抓握标志。尽管上面描述了低抓握标志、高抓握标志及它们相应的低抓握/高抓握时间阈值，但应当明白，任何数量的标志、阈值和/或计时器可以由抓握检测模块304使用。
图5示出了在自动EPS系统500中与高级驾驶员辅助系统一起实施的手触轮检测模块300。转变混合因子被输出到EPS扭矩控制器502和方向盘位置控制模块504。例如，手触轮标志和抓握水平由ADAS驾驶员干预中心506输出和处理，ADAS驾驶员干预中心506还从安装在车辆外部的相机接收视觉信息。ADAS驾驶员干预中心506还从连接到车辆的许多其它传感器接收感测信息。
虽然已经仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当容易地理解，本发明不限于这些公开的实施例。相反，本发明可以被修改为包括至此尚未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变化、变更、替代或等同布置。另外，尽管已经描述了本发明的各种实施例，但是应当理解，本发明的各方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明不被视为受前述描述的限制。

Claims (15)

1.一种用于检测手轮控制的系统，所述系统包括：
驾驶员扭矩估计模块，基于多个电动转向信号估计驾驶员扭矩状态；以及
抓握检测模块，通过所述驾驶员扭矩状态来确定抓握水平、手触轮标志和转变混合因子中的一个，所述转变混合因子有助于动力转向系统从位置控制模式转变到扭矩控制模式。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括被配置为对所述手触轮标志进行滤波以生成所述转变混合因子的低通滤波器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，通过所述驾驶员扭矩状态来确定高抓握标志，至少部分地通过将所述驾驶员扭矩状态的幅值与高抓握扭矩阈值进行比较来确定所述高抓握标志。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，通过所述驾驶员扭矩状态来确定低抓握标志，至少部分地通过将所述驾驶员扭矩状态的所述幅值与低抓握扭矩阈值进行比较来确定所述低抓握标志。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述驾驶员扭矩估计模块包括被配置为提供所述驾驶员扭矩状态的增强的双质量模型。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述多个电动转向信号包括马达指令、手轮扭矩、马达位置和马达速度中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述抓握水平包括驾驶员对所述手轮的抓握的水平。
8.一种用于检测驾驶员手轮控制的检测系统，所述检测系统在高级驾驶员辅助系统中实施，所述检测系统包括：
驾驶员扭矩估计模块，基于多个电动转向信号估计驾驶员扭矩状态；以及
抓握检测模块，通过所述驾驶员扭矩状态来确定抓握水平、手触轮标志和转变混合因子中的一个，所述转变混合因子有助于动力转向系统从位置控制模式转变到扭矩控制模式。
9.根据权利要求8所述的系统，还包括被配置为对所述手触轮标志进行滤波以生成所述转变混合因子的低通滤波器。
10.根据权利要求8所述的系统，其中，通过所述驾驶员扭矩状态来确定高抓握标志，至少部分地通过将所述驾驶员扭矩状态的幅值与高抓握扭矩阈值进行比较来确定所述高抓握标志。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，通过所述驾驶员扭矩状态来确定低抓握标志，至少部分地通过将所述驾驶员扭矩状态的所述幅值与低抓握扭矩阈值进行比较来确定所述低抓握标志。
12.根据权利要求8所述的系统，其中，所述驾驶员扭矩估计模块包括被配置为提供所述驾驶员扭矩状态的增强的双质量模型。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述多个电动转向信号包括马达指令、手轮扭矩、马达位置和马达速度中的至少一个。
14.根据权利要求8所述的系统，其中，所述抓握水平包括驾驶员对所述手轮的抓握的水平。
15.一种用于检测驾驶员的手轮控制的方法，所述方法包括：
基于多个电动转向信号估计驾驶员扭矩状态；以及
通过所述驾驶员扭矩状态来确定抓握水平、手触轮标志和转变混合因子中的一个，所述转变混合因子有助于动力转向系统从位置控制模式转变到扭矩控制模式。
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