CN107512305A - 线控转向系统及其稳定性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种线控转向系统及其稳定性控制方法。线控转向系统包括转向盘模块，前轮转向模块以及ECU电子控制单元三大模块，其中，ECU电子控制单元包括变传动比控制器，模糊自适应PID控制器以及全状态反馈控制器。稳定性控制方法为：变传动比控制器根据转向盘转角信号和车速信号计算出此刻的理想传动比，从而得到此刻的理想前轮转角；汽车全状态反馈控制器根据汽车横摆角速度信号和侧向加速度信号，计算出前轮的补偿转角，实现对线控转向系统的外环控制；最后设计出模糊自适应PID控制器，从而实现对前轮转向系统的内环控制。通过对线控转向系统的内外环的协同控制，有效地改善了汽车的操纵稳定性。

Description

线控转向系统及其稳定性控制方法

技术领域：

本发明涉及一种线控转向系统及其稳定性控制方法，可在低速时转向轻便，高速时转向稳定，属于汽车线控转向系统领域。

背景技术：

转向系统作为汽车的三大关键核心部件之一，其性能的好坏直接决定驾驶员转向感觉和汽车的主动安全性。现阶段电控液压助力转向系统及电动助力转向(EPS)系统传动比固定不变，虽然能够实现转向轻便和路感的协调统一，但其转向灵活性和主动安全性存在不足，即无法针对汽车在行驶过程中所遇到的各种状况自由调整转向系统的传动比，采用不同的控制策略实现对前轮转角的精确控制，也无法对外界干扰和转向输入实施转向干预稳定性控制，因而转向系统无法发挥其对汽车操纵稳定性的重要作用。

为了帮助驾驶员更有效的操控车辆，并且提高汽车的行驶稳定性，线控转向系统得到了越来越多的关注。

除了可以实现自由设计变传动比，采用不同的控制策略对前轮转角的精确控制外，线控转向系统能够在驾驶员输入的基础上对转向系统主动施加补偿转角，从而实现变传动比和转向干预稳定性控制等功能。

一方面，对传统的转向系统来说，转向系统的传动比是固定不变的，但在车辆实际行驶中，理想的转向传动比应根据车速和转向盘转角的变化而改变，在低速时，应该采用较小的转向传动比，增加转向的灵敏性，从而便于驾驶员以较小的转向盘转角对汽车进行转向或泊车的操纵；在汽车高速行驶时，应采用较大的转向传动比，从而避免了转向盘一个较小的扰动使汽车发生显著的侧向运动的可能，为保证了汽车行驶稳定性。

线控转向系统取消了转向系统之间的机械连接，可以依据不同驾驶员的驾驶习惯自由设计传动比，从而实现转向轻便性和转向稳定性的协调统一。

另一方面，汽车在行驶过程中时常会遭遇各种意外情况，例如路面附着系数的变化，侧向风干扰等，这些外界干扰都会对汽车的行驶稳定性产生巨大的影响，且驾驶员一般无法及时而准确的对此做出修正。线控转向系可以基于车辆行驶状态，通过稳定性控制策略，对前轮施加补偿转角，从而保证车辆行驶稳定性。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种可动态补偿转角的线控转向系统，还涉及该系统的稳定性控制方法，从而克服上述现有技术中的缺陷。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种线控转向系统，包括转向盘模块，前轮转向模块以及ECU电子控制单元，具体为：

转向盘模块包括转向盘、转向管柱、路感电机和转向盘转角传感器，路感电机与转向管柱固定连接；转向盘转角传感器与转向管柱固定连接；路感电机用来模拟路面的反馈，给驾驶员一个反馈力矩；转向盘转角传感器采集转向盘的转角，并将采集到的信号输入到ECU电子控制单元；

前轮转向模块包括前轮转向电机、行星齿轮减速器、齿轮齿条转向器的小齿轮、齿条、前转向轮以及前轮转角传感器；转向电机的输出轴与行星齿轮减速器相连；行星齿轮减速器的输出轴与齿轮齿条转向器的小齿轮以弹性联轴器相连；小齿轮与齿条啮合，齿条通过转向横拉杆传动连接转向轮；转向轮转角传感器连接在齿条上，并将采集到的前轮转角信号输入到ECU电子控制单元，

ECU电子控制单元包括变传动比控制器、模糊自适应PID控制器以及全状态反馈控制器；所述ECU电子控制单元上连接着转向盘转角传感器、前轮转角传感器、车速传感器，横摆角速度传感器以及侧向加速度传感器，其中，转向盘转角传感器用来获得转向盘的转角信号，前轮转角传感器用来获得实际的前轮转角信号，车速传感器用来获得整车车速信号，横摆角速度传感器用来获得整车的横摆角速度信号，侧向加速度传感器用来获得整车的侧向加速度信号。

线控转向系统及其稳定性控制方法，包括以下步骤：

1)变传动比控制：通过采用模糊控制算法，控制器的输入信号为两个分别为转向盘转角传感器的信号和汽车速度传感器的信号，输出信号为传动比的数值；

2)进行前轮转角内环控制：通过步骤1)的传动比数值和转角传感器的转角信号计算出理想的前轮转角；

3)进行汽车稳定性控制：根据变传动比控制器得到汽车此刻的理想传动比；根据转向盘转角传感器传来的转角信号和理想传动比可以计算出该时刻的理想前轮转角；横摆角速度传感器和侧向加速度传感器传来的横摆角速度信号和侧向加速度信号就可以得到实际的数值信号，实际的数值信号和理想的数值信号两者的差值，运用μ综合鲁棒控制理论，设计出全状态反馈控制器，计算汽车前轮转向所需要的补偿转角，从而进行汽车稳定性控制。

本发明方法进一步完善的技术方案如下：

优选地，第1)步包括如下分步骤：

1.1)对转向盘转角传感器测得的转向盘转角和汽车速度传感器测得的车速进行模糊化，转向盘转角，车速和传动比三个语言变量均选择左边开始部分取Z型隶属函数zmf，y＝zmf(x,[a b])，x为自变量，a和b为参数，确定曲线的形状；

中间部分取三角形隶属函数trimf，Y＝trimf(x,[a b c])，其中定义域由向量x确定，曲线形状由参数a,b,c确定，参数a和c对应三角形下部的左右两个顶点，参数b对应三角形上部的顶点，这里要求a生成的隶属函数总有一个统一的高度；

右边结束部分取S型隶属函数smf；Y＝smf(x,[a b])，其中x为变量，a、b为参数，用于定位曲线的斜坡部分；

1.2)根据驾驶员的驾驶习惯，本专利采用的是5×5的模糊推理规则，由转向盘转角和车速推理得到传动比的模糊语言变量；

1.3)将传动比的模糊语言变量清晰化，乘以相应的比例因子得到精确的传动比数值，从而实现变传动比控制。

优选地，第2)步的具体过程为：ECU电子控制单元根据步骤1)的变传动比设置方案，计算出汽车此时的理想传动比；再根据转向盘转角传感器传来的前轮转角信号，就可以计算出汽车此刻理想的前轮转角，理想的前轮转角与前轮转角传感器传来的实际前轮转角构成偏差量e，再经微分得到偏差的变化率ec，偏差量e和偏差的变化率ec输入到模糊自适应PID控制器19，模糊自适应PID控制器不间断地检测e和ec，把两个输入量模糊化，然后根据设定好的7×7模糊规则进行模糊推理，经过模糊推理对PID调节器的比例系数kp，微分系数kd，积分系数ki三个参数进行实时在线地调整，最后经过解模糊化，输出最优的PID的三个参数，从而满足了不同e和ec时转向系统的控制要求，改善了线控转向车辆响应的灵敏度，提高了汽车的整体性能。

优选地，第3)步还包括，根据变传动比控制器得到汽车此刻的理想传动比；根据转向盘转角传感器5传来的转角信号和理想传动比可以计算出该时刻的理想前轮转角，基于参考模型

其中i是传动比，u是车速，L是汽车前后轴之间的距离，可以得到此刻的理想的数值信号；

横摆角速度传感器和侧向加速度传感器传来的横摆角速度信号和侧向加速度信号，经过参考模型B＝K₁a_y+K₂uω_r,

其中ay是侧向加速度，ωr是横摆角速度，K1，K2是系数，且K1+K2＝1，就可以得到实际的数值信号，实际的数值信号和理想的数值信号两者的差值，运用μ综合鲁棒控制理论，设计出全状态反馈控制器，计算汽车所需要的补偿转角，从而进行汽车稳定性控制。

采用本发明方法，本发明的有益效果：

1.综合考虑车速和方向盘转角对传动比的影响，基于模糊控制算法，设计出了一种可以实现低速时转向轻便，高速时转向稳定的变传动比控制方法，

2.基于模糊自适应PID控制算法的前轮转角内环控制。由于线控转向系统本身存在着诸多的等不确定性因素，另外车辆实际运行工况比较复多变，汽车需要频繁地加速、减速、启动和制动，而且整车系统受侧向风、负载扰动等外部因素的影响较大，导致车辆模型结构参数随着时间变化而变化，所以想要建立系统对应的精确的数学模型是比较困难的，如果单纯地依靠PID控制方法来实现对转向轮的精确控制将会难以达到预期的目标。但是基于模糊控制理论设计的模糊自适应PID控制器可以根据车辆运行的状况在线地对自身三个参数进行实时调整，从而可以实现对目标前轮转角准确跟踪的目标。

3.基于μ综合鲁棒控制算法的汽车稳定性外环控制：与前轮转角内环控制实现汽车内外环协同控制，能更好地改善线控转向车辆的整体性能。另外，相对于H_∞控制，一方面，μ综合鲁棒控制器具有更好的性能鲁棒性和鲁棒稳定性，进一步改善了汽车的操纵稳定性和主动安全性；另一方面，μ分析与综合控制很好地解决了控制理论在考虑摄动时过于保守的问题。

附图说明：

图1为线控转向系统结构图；

图2为线控转向系统的内外环协同控制方法框图；

图3为理想传动比模糊规则曲面图；

图4为前轮转角内环控制的流程示意图；

图5为△kp模糊规则曲面图；

图6为△ki模糊规则曲面图；

图7为△kd模糊规则曲面图；

图8为基于全状态反馈的线控转向车辆稳定性控制系统框图

图9为闭环系统的鲁棒性能

图中主要附图标记含义为：

1、转向盘 2、路感电机 3、转向管柱 4、ECU电子控制单元 5、转向盘转角传感器6、前轮转向电机 7、行星齿轮减速器 8、齿轮齿条转向器的小齿轮 9、齿条 10、转向轮 11、车速传感器 12、横摆角速度传感器 13、侧向加速度传感器 14、前轮转角传感器 15、道路模型 16、驾驶员模型 17、转向盘模块 18、变传动比控制器 19、模糊自适应PID控制器 20、转向电机 21、转向模块 22、整车模型 23、参考模型A 24、参考模型B 25、全状态反馈控制器。

具体实施方式：

下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

一种线控转向系统，如图1所示，包括转向盘模块，前轮转向模块以及ECU电子控制单元4三大模块。其中，ECU电子控制单元4包括变传动比控制器18，模糊自适应PID控制器19以及全状态反馈控制器25。

所述转向盘模块包括转向盘、转向管柱、路感电机和转向盘转角传感器，路感电机与转向管柱固定连接；转向盘转角传感器与转向管柱固定连接；路感电机用来模拟路面的反馈，给驾驶员一个反馈力矩；转向盘转角传感器采集转向盘的转角，并将采集到的信号输入到ECU电子控制单元；

前轮转向模块包括前轮转向电机、行星齿轮减速器、齿轮齿条转向器的小齿轮、齿条、前转向轮以及前轮转角传感器；转向电机的输出轴与行星齿轮减速器相连；行星齿轮减速器的输出轴与齿轮齿条转向器的小齿轮以弹性联轴器相连；小齿轮与齿条啮合，齿条通过转向横拉杆传动连接转向轮；转向轮转角传感器连接在齿条上，并将采集到的前轮转角信号输入到ECU电子控制单元，

ECU电子控制单元包括变传动比控制器、模糊自适应PID控制器以及全状态反馈控制器；ECU电子控制单元上连接着转向盘转角传感器、前轮转角传感器、车速传感器，横摆角速度传感器以及侧向加速度传感器，其中，转向盘转角传感器用来获得转向盘的转角信号，前轮转角传感器用来获得实际的前轮转角信号，车速传感器用来获得整车车速信号，横摆角速度传感器用来获得整车的横摆角速度信号，侧向加速度传感器用来获得整车的侧向加速度信号。

2、线控转向系统的稳定性制方法

线控转向系统的稳定性制方法的实现，具体包括以下几个步骤：

1)首先建立驾驶员模型，转向盘模型，前轮转向系统模型，整车二自由度模型以及轮胎模型；

2)变传动比控制：通过采用模糊控制算法，控制器的输入信号为两个，转向盘转角传感器5的信号和汽车速度传感器11的信号，输出信号为传动比的数值，具体如下：

2.1)对转向盘转角传感器5测得的转向盘转角和汽车速度传感器11测得的车速进行模糊化，转向盘转角，车速和传动比三个语言变量均选择左边开始部分取Z型隶属函数(zmf)，中间部分取三角形隶属函数(trimf)，右边结束部分取S型隶属函数(smf)；

2.2)根据驾驶员的驾驶习惯，本专利采用的是5×5的模糊推理规则，由转向盘转角和车速推理得到传动比的模糊语言变量；

2.3)将传动比的模糊语言变量清晰化，乘以相应的比例因子得到精确的传动比数值，即汽车此刻的理想传动比，从而实现变传动比控制。

3)进行前轮转角内环控制，具体实施方式如下：

ECU电子控制单元4根据步骤2的变传动比设置方案，计算出此时的传动比；再根据转向盘转角传感器5传来的转角信号，就可以计算出理想的前轮转角，理想的前轮转角与前轮转角传感器传来的实际前轮转角构成偏差量e，再经微分得到偏差的变化率ec，偏差量e和偏差的变化率ec输入到模糊自适应PID控制器19，模糊自适应PID控制器19不间断地检测e和ec，把两个输入量模糊化，然后根据设定好的7×7模糊规则进行模糊推理，经过模糊推理对PID调节器的比例系数kp，微分系数kd，积分系数ki三个参数进行实时在线地调整，最后经过解模糊化，输出最优的PID的三个参数，从而满足了不同e和ec时转向系统的控制要求，改善了线控转向车辆响应的灵敏度，提高了汽车的整体性能。

4)进行汽车稳定性控制，具体内容如下：

根据变传动比控制器18得到汽车此刻的理想传动比；根据转向盘转角传感器5传来的转角信号和理想传动比可以计算出该时刻的理想前轮转角，基于参考模型A2，

参考模型

其中i是传动比，u是车速，L是汽车前后轴之间的距离，可以得到此刻的理想的数值信号；横摆角速度传感器和侧向加速度传感器传来的横摆角速度信号和侧向加速度信号，经过参考模型B，

参考模型B＝K₁a_y+K₂uω_r，

其中ay是侧向加速度，ωr是横摆角速度，K1，K2是系数，且K1+K2＝1，就可以得到实际的数值信号，实际的数值信号和理想的数值信号两者的差值，运用μ综合鲁棒控制理论，以横摆加速度跟踪、干扰抑制以及系统具有较强的鲁棒稳定性为控制目标，其中横摆角速度跟踪||z₁||₂＝||W₁(ω_r ^*-ω_r)||₂，其中，W₁为加权函数，通常设置成低通滤波器再根据前轮转向模型、整车二自由度模型以及轮胎模型计算出标称模型，即稳定性控制的被控对象，考虑被控对象存在的模型不确定性，K为全状态反馈控制器，控制系统的扰动输入ω_r ^*为理想的横摆角速度，控制输入u为前轮的补偿转角，干扰输入为理想的前轮转角δ_f ^*，侧向风干扰F_v以及路面的干扰力矩T_r，W₁，W₂为加权函数，从而求解出全状态反馈控制器25，通过五次D-K迭代算法得到19阶次的全状态反馈鲁棒控制器，求解的结构奇异值的峰值μ＝0.6196<1，因而闭环系统达到了被控系统鲁棒性能的要求，最后再由控制器计算出汽车前轮所需要的补偿转角，具体的线控转向车辆稳定性控制系统框图如下图所示，仿真结果表明，所设计的全状态反馈鲁棒控制器相对H_∞控制器，具有较好的性能鲁棒性和鲁棒稳定性，如图9所示。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (6)

1.一种线控转向系统，包括转向盘模块，前轮转向模块以及ECU电子控制单元（4）三大模块，其特征是：

所述转向盘模块（17）包括转向盘（1）、转向管柱（3）、路感电机（2）和转向盘转角传感器（5）；

所述路感电机（2）与转向管柱（3）固定连接，用来模拟车辆行驶过程中路面给车轮反馈回来的路感；

所述转向盘转角传感器（5）与转向管柱（3）固定连接，用来获得转向盘的转角信号；

所述前轮转向模块包括前轮转向电机（6）、行星齿轮减速器（7）、齿轮齿条转向器的小齿轮（8）、齿条（9）、转向轮（10）以及前轮转角传感器（14）； 所述转向电机（6）的输出轴与行星齿轮减速器（7）相连，并通过行星齿轮减速器减速增扭；所述行星齿轮减速器（7）的输出轴与齿轮齿条转向器的小齿轮（8）以弹性联轴器相连；小齿轮（8）与齿条（9）啮合，齿条（9）通过转向横拉杆传动连接转向轮（10）；转向轮转角传感器（14）连接在齿条（9）上，用来获得实际的前轮转角信号；

所述ECU电子控制单元（4）包括变传动比控制器（18）、模糊自适应PID控制器（19）以及全状态反馈控制器（25）。

2.根据权利要求1所述线控转向系统，其特征是，所述ECU电子控制单元上连接着转向盘转角传感器、前轮转角传感器、车速传感器，横摆角速度传感器以及侧向加速度传感器，其中，转向盘转角传感器用来获得转向盘的转角信号，前轮转角传感器用来获得实际的前轮转角信号，车速传感器用来获得整车车速信号，横摆角速度传感器用来获得整车的横摆角速度信号，侧向加速度传感器用来获得整车的侧向加速度信号 。

3.线控转向系统稳定性控制方法，其特征是，包括以下步骤：

1)变传动比控制：通过采用模糊控制算法，控制器的输入信号为两个分别为转向盘转角传感器（5）的信号和汽车速度传感器（11）的信号，输出信号为汽车此刻理想传动比的数值；

2)进行前轮转角内环控制：通过步骤1)得到的理想传动比数值和转角传感器得到的转角信号计算出理想的前轮转角；

3)进行汽车稳定性控制：根据变传动比控制器（18）得到汽车此刻的理想传动比；根据转向盘转角传感器（5）传来的转角信号和理想传动比可以计算出该时刻的理想前轮转角；横摆角速度传感器和侧向加速度传感器传来的横摆角速度信号和侧向加速度信号就可以得到实际的数值信号，实际的数值信号和理想的数值信号两者的差值，运用μ综合鲁棒控制理论，设计出全状态反馈控制器（25），计算汽车所需要的补偿转角，从而进行汽车稳定性控制。

4.根据权利要求3所述，其特征在于：第1步包括如下分步骤：

1.1）对转向盘转角传感器（5）测得的转向盘转角和汽车速度传感器（11）测得的车速进行模糊化，转向盘转角，车速和传动比三个语言变量均选择左边开始部分取Z型隶属函数zmf，y=zmf(x,[a b])，x为自变量，a和b为参数，确定曲线的形状；

中间部分取三角形隶属函数trimf，Y = trimf(x,[a b c])，其中定义域由向量x确定，曲线形状由参数a,b,c确定，参数a和c对应三角形下部的左右两个顶点，参数b对应三角形上部的顶点，这里要求a生成的隶属函数总有一个统一的高度；

右边结束部分取S 型隶属函数smf；Y = smf(x,[a b])，其中x为变量，a 、b为参数，用于定位曲线的斜坡部分；

1.2）根据驾驶员的驾驶习惯，本专利采用的是5×5的模糊推理规则，由转向盘转角和车速推理得到传动比的模糊语言变量；

1.3）将传动比的模糊语言变量清晰化，乘以相应的比例因子得到精确的传动比数值，即汽车此刻的理想传动比，从而实现变传动比控制。

5.根据权利要求3所述线控转向系统稳定性控制方法，其特征在于：第2）步的具体过程为：ECU电子控制单元（4）根据步骤1）的变传动比设置方案，计算出此时的理想传动比；再根据转向盘转角传感器（5）传来的转角信号，就可以计算出理想的前轮转角，理想的前轮转角与前轮转角传感器传来的实际前轮转角构成偏差量e，再经微分得到偏差的变化率ec，偏差量e和偏差的变化率ec输入到模糊自适应PID控制器（19），模糊自适应PID控制器（19）不间断地检测e和ec，把两个输入量模糊化，然后根据设定好的7×7模糊规则进行模糊推理，经过模糊推理对PID调节器的比例系数kp，微分系数kd，积分系数ki三个参数进行实时在线地调整，最后经过解模糊化，输出最优的PID的三个参数，从而满足了不同e和ec时转向系统的控制要求，改善了线控转向车辆响应的灵敏度，提高了汽车的整体性能。

6.根据权利要求3所述线控转向系统稳定性控制方法，其特征在于：第3）步还包括，根据变传动比控制器（18）得到汽车此刻的理想传动比；根据转向盘转角传感器5传来的转角信号和理想传动比可以计算出该时刻的理想前轮转角，基于,式中：i是传动比，u是车速，L是汽车前后轴之间的距离，可以得到此刻的理想的数值信号；

横摆角速度传感器和侧向加速度传感器传来的横摆角速度信号和侧向加速度信号，经过,式中：ay是侧向加速度，ω _r 是横摆角速度，K₁、K₂是系数，且K₁+K₂=1，就可以得到实际的数值信号，实际的数值信号和理想的数值信号两者的差值，运用μ综合鲁棒控制理论，设计出全状态反馈控制器（25），计算汽车前轮转向所需要的补偿转角，从而进行汽车稳定性控制。