CN109017974A - 具有主动转向功能的辅助转向系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有主动转向功能的辅助转向系统及其控制方法，该系统包括顺序连接的转向机械模块、转角控制模块、电动液压助力模块、ECU控制模块和车载传感器；该系统的控制方法为：驾驶员通过转动方向盘传递驾驶意图，由ECU控制模块根据车速，横摆角速度、侧向加速度、质心侧偏角、路面信息等确定是否进行转向干预，如需转向干预则通过转角控制模块对转向系统附加一定转角（方向依据控制系统确定），根据转向系统实际转角由电动液压助力模块为转向系统提供助力，液压泵驱动电机转速由ECU控制模块计算确定；本发明提供的辅助转向功能的智能转向系统通过辅助主动转向可以帮助驾驶员改善路感，提高车辆的主动安全性，保障驾驶员的生命财产安全。

Description

具有主动转向功能的辅助转向系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及汽车智能转向系统领域，特别是一种具有主动转向功能的辅助转向系统及其控制方法。

背景技术

转向系统是汽车控制系统的重要组成部件，对汽车安全行驶具有即为重要的作用。转向系统的发展经历了机械转向、液压助力转向、电控液压助力转向、电动助力转向、主动转向、线控转向等，其中电控液压助力转向系统兼具可变助力特性以及可提供大助力的优点，在前轴载荷较大的商用车上应用广泛。

然而，目前市场上商用车转向系统多为常流式电控液压助力转向，且未对电机进行转速控制。这样在高速或者直线行驶时，电机依然高速运转，造成能源浪费，转向助力依据电机的自然特性，驾驶员操纵路感较差；其次，现有商用车电控液压助力转向系统的传动比是固定的，无法针对汽车在行驶过程中所遇到的各种状况进行变传动比控制，因而不能兼顾汽车低速行驶时转向的灵敏性和高速行驶时转向的稳定性要求，在紧急工况下也无法保证汽车的主动安全性；第三，现有的自动驾驶研究主要针对于前轴载荷较小的轿车，对于前轴载荷较大的商用车研究较少，而如电动公交、长途货车等对自动驾驶的市场需求越来越大。因此，提供一种具有辅助转向功能的车用智能转向系统已成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种具有主动转向功能的辅助转向系统及其控制方法，该系统在驾驶员模式下，能够根据车速、方向盘转角、横摆角速度、激光雷达、前视摄像头等信号实时改变汽车转向角，转向助力大小由液压泵驱动电机控制，具有辅助转向功能，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种具有主动转向功能的辅助转向系统，包括依次连接的转向机械模块、转角控制模块、电动液压助力模块、ECU控制模块和车载传感器；

所述转角控制模块包括转角电机和双行星齿轮机构，所述双行星齿轮机构包括输入太阳轮、行星轮、齿圈、输出太阳轮；输入太阳轮的输出端和输出太阳轮的输入端分别与行星轮的上下两端内啮合，所述齿圈设置在行星轮的外部并与行星轮外啮合，所述转角电机与齿圈外啮合；

所述转向机械模块包括方向盘、转矩传感器、循环球式转向器，转向横拉杆、车轮；所述方向盘包括转向轴；转矩传感器设置在方向盘的转向轴和输入太阳轮之间；所述输出太阳轮和循环球式转向器的输入轴相连；循环球式转向器和车轮通过转向横拉杆相连；

所述电动液压助力模块包括液压油箱、液压泵、液压泵驱动电机、转阀；液压泵驱动电机与液压泵相连，将来自油箱的液压油泵入转阀，在转阀作用下形成压差，通过液压油管输入到循环球式转向器中。

进一步，本发明所提供的具有主动转向功能的辅助转向系统中，所述ECU控制模块包括传感器融合单元、路径规划单元、路径跟踪单元、转角电机转角控制单元、助力电机转速控制单元、车辆稳定性控制单元；ECU控制模块用于根据接受到的传感器信号，向转角电机、助力电机传递控制信号，在有人驾驶情况下，控制汽车转向助力大小及附加转角大小，实现对汽车转向助力和变传动比的控制。

进一步，本发明所提供的具有主动转向功能的辅助转向系统中，所述车载传感器包括车速传感器、方向盘转角传感器、方向盘角速度传感器、横摆角速度及侧向加速度传感器、前轮转角传感器、转矩传感器、助力电机实际转速传感器和转角电机实际转角传感器。其中，车速传感器安装在汽车车体质心位置，方向盘转角传感器与方向盘角速度传感器安装于方向盘与转向轴的连接处，横摆角速度及侧向加速度传感器安装于ECU控制单元内，前轮转角传感器安装于循环球式转向器输出端，转矩传感器安装于前轴横拉杆处，助力电机实际转速传感器和转角电机实际转角传感器分别安装在助力电机及转角电机的输出端。

本发明同时提供了上述具有主动转向功能的辅助转向系统的控制方法，具体步骤如下：

1)通过车载传感器获取车速信号、方向盘转角信号、方向盘角速度信号、横摆角速度信号、侧向加速度信号、质心侧偏角信号、前轮转角信号、转矩传感器信号、助力电机实际转速信号和转角电机实际转角信号；

2)将获得的车速信号、前轮转角信号送到ECU控制模块理想传动比控制器，将获得的车速信号、前轮转角信号送到ECU控制模块理想传动比控制器，该理想传动比满足：1.在转向盘中间位置附近需要设定成较大传动比，使车辆高速时获得较低的转向灵敏度，减小车辆对转向盘输入的敏感程度，降低高速时对驾驶的技术要求，给驾驶员较小的精神负荷；2.传动比随着转向盘转角的增大而迅速减小，减小转向盘的转动范围，便于驾驶员实施大转向任务，减少转向盘转动的总圈数，降低驾驶员的体力负荷。根据公式(1)、(2)确定汽车理想传动比

式中，K_u为转向不足系数，V为车速，为转向盘转角，V₀、V_m为固定车速，K_s为固定系数，θ_sw0、θ_swm为固定方向盘转角。

将此与方向盘转角信号一同输入转角电机转角计算器，得到转向电机理想附加转角信号；

3)将获得的车速信号、横摆角速度信号、侧向加速度信号、质心侧偏角信号输入车辆稳定性控制器，利用H₂/H_∞鲁棒控制方法(参见文献：《基于遗传算法优化的EPS路感混合H₂/H_∞控制》)得到车辆稳定性控制信号；

然后将获得的车辆稳定性控制信号步骤2)中所得的转角电机理想附加转角信号、转角电机实际转角信号一同输入到转角电机转角控制器中，基于模糊逻辑控制算法(参见文献《通用的模糊逻辑控制算法及其应用》)得到转角电机控制信号；

根据获得的转角电机控制信号控制转角电机转角大小，完成转向系统变传动比控制，实现汽车主动转向功能；

4)将获得的车速信号、方向盘角速度信号、前轮转角信号、转矩传感器信号传递到助力电机理想转速计算器中，由车速信号、前轮转角信号计算回正力矩，将该力矩与转矩传感器所测力矩作差，经换算得到助力电机理想转速信号；

5)将步骤3)中得到的转角电机控制信号输入到助力补偿计算器中，补偿因为附加转角带来的助力变化情况，得到助力补偿信号；

将获得的助力补偿信号与步骤4)中所得助力电机理想转速信号以及助力电机实际转速信号一同输入到助力电机转速控制器中，通过非线性映射(参见文献《开关磁阻电机神经网络非线性映射建模方法研究》)得到助力电机控制信号，即完成对所述辅助转向功能的智能转向系统的控制。

该信号控制助力电机转速大小，为转向系统提供大小可调的转向助力，可以提高驾驶员手感，同时降低转向系统能耗。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明通过转角电机驱动双行星排齿轮机构，实现了基于电动液压助力转向系统车辆的变传动比功能，增强了汽车的主动安全性，兼顾汽车低速行驶时转向的灵敏性和高速行驶时转向的稳定性两方面的要求；

2.本发明通过液压泵驱动电机对液压泵泵油量进行实时控制，转向助力大小随车速、方向盘转角可调，提升了驾驶员路感，降低了转向系统能耗；

3.本发明实现了驾驶员模式下汽车转向的辅助控制，同时为转向系统提供合适助力，适用于多种驾驶工况，在转向系统控制中采用H₂/H_∞鲁棒控制方法，提高了驾驶模式下车辆的抗干扰能力，提高了转向系统的稳定性。

附图说明

图1为具有主动转向功能的辅助转向系统的结构示意图；

图2为具有主动转向功能的辅助转向系统控制方法的框图。

图中，1、转向盘，2、扭矩传感器，3、转阀，4、液压油管，5、液压泵，6、液压泵驱动电机(助力电机)，7、油箱，8、车轮，9、转向横拉杆，10、循环球式转向器，11、转角电机，12、双行星齿轮系，13、输出太阳轮，14、行星轮,15、齿圈，16、输入太阳轮，17、ECU控制模块，18、车速信号，19、前轮转角信号，20、横摆角速度信号,21、侧向加速度信号,22、质心侧偏角信号,23、方向盘角速度信号,24、转矩传感器信号,25、理想传动比控制器，26、车辆稳定性控制器，27、助力电机理想转速计算器，28、理想传动比信号，29、方向盘转角信号,30、车辆稳定性控制信号，31、助力电机理想转速信号，32、转角电机转角计算器，33、转角电机实际转角信号，34、转角电机理想附加转角信号，35、助力补偿信号，36、助力电机实际转速信号,37、转角电机转角控制器，38、助力补偿计算器，39、助力电机转速控制器，40、转角电机控制信号，41、助力电机控制信号，42、激光雷达信号，43、超声波雷达信号，44、前视摄像头信号,45、毫米波雷达信号，46、多传感器信号融合器，47、道路及障碍物信息，48、路径规划器，49、规划路径，50、路径跟踪控制器，51、转角电机理想转角信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

实施例中ECU控制模块购自金华同丰汽配有限公司，型号为CK3404ECU02F-52、

车速传感器购自上海霍通电子有限公司，型号为OS-01110；

方向盘转角传感器购自SENSORWAY公司，型号为ZLS-Pb；

方向盘角速度传感器购自Bosch公司，型号为HX-905；

横摆角速度及侧向加速度传感器购自Bosch公司；

前轮转角传感器购自SENSORWAY公司，型号为ZLS-Pb；

转矩传感器购自MEIYI公司，型号为ZJ-8；

助力电机转速传感器购自Kingyu公司，型号为SE-02；

转角电机转角传感器购自ATD公司，型号为APS1190-01。

以下实施例所涉及的器材及装置，若非特殊说明，均为市售商品。

实施例1具有主动转向功能的辅助转向系统

如图1所示，一种具有主动转向功能的辅助转向系统，包括顺序连接的转向机械模块、转角控制模块、电动液压助力模块、ECU控制模块和车载传感器。

转向机械模块包括方向盘1、转矩传感器2、循环球式转向器10，转向横拉杆9、车轮8等。转向盘1、扭矩传感器2以及输入太阳轮13顺序连接，方向盘1转动一定角度，扭矩传感器2获得转矩传感器信号24，并将方向盘转角传递给双行星齿轮系12，双行星齿轮系12包括输入太阳轮16、行星轮14、齿圈15、输出太阳轮13，输入太阳轮16的输出端和输出太阳轮13的输入端分别与行星轮14的上下两端内啮合，齿圈15设置在行星轮14的外部并与行星轮14外啮合，转角电机11与齿圈15外啮合。

车载传感器包括车速传感器、方向盘转角传感器、方向盘角速度传感器、横摆角速度及侧向加速度传感器、前轮转角传感器、转矩传感器、助力电机实际转速传感器和转角电机实际转角传感器。其中，车速传感器安装在汽车车体质心位置，方向盘转角传感器与方向盘角速度传感器安装于方向盘与转向轴的连接处，横摆角速度及侧向加速度传感器安装于ECU控制单元内，前轮转角传感器安装于循环球式转向器输出端，转矩传感器安装于前轴横拉杆处，助力电机实际转速传感器和转角电机实际转角传感器分别安装在助力电机及转角电机的输出端。

汽车行驶时，通过车载传感器获得的车速信号18、前轮转角信号19、横摆角速度信号20、侧向加速度信号21、质心侧偏角信号22、方向盘角速度信号23、转矩传感器信号24、激光雷达信号42、超声波雷达信号43、前视摄像头信号44、毫米波雷达信号45传递到ECU控制模块中，综合这些信号ECU控制模块向转角电机11传递转角电机控制信号40，向助力电机6传递助力电机控制信号41。

转角电机控制信号40传递给转角电机11后，控制电机转动一定角度，在有人驾驶模式下，所输出转角作为转向附加转角改变转向系统传动比，实现汽车主动转向功能，同时保证汽车的行驶稳定性，此附加转角与方向盘转角叠加后作为实际转角传递为循环球式转向器10，循环球式转向器10带动转向横拉杆9控制车轮8进行转向。

助力电机控制信号41传递给助力电机6后，控制电机以一定转速驱动液压泵5为转阀3供油，液压油在转阀3两侧端口产生液压差，转阀3端口与循环球式转向器10两侧相连，通过压差为转向系统提供合适助力。

该智能转向系统在驾驶员模式下控制转角电机转角为转向系统提供附加转角，实现智能转向系统变传动比功能，同时采用稳定性控制方法提高汽车行驶的稳定性，根据转向时所收集的传感器信号控制助力电机6驱动油泵5以一定转速运转为转向系统提供实时可调节的转向助力，改善驾驶员手感，降低能耗。

上述系统控制原理图如图2所示，车速信号18、前轮转角信号19送到理想传动比控制器25，将获得的车速信号、前轮转角信号送到ECU控制模块理想传动比控制器，该理想传动比满足：1.在转向盘中间位置附近需要设定成较大传动比，使车辆高速时获得较低的转向灵敏度，减小车辆对转向盘输入的敏感程度，降低高速时对驾驶的技术要求，给驾驶员较小的精神负荷；2.传动比随着转向盘转角的增大而迅速减小，减小转向盘的转动范围，便于驾驶员实施大转向任务，减少转向盘转动的总圈数，降低驾驶员的体力负荷。根据公式(1)、

(2)确定汽车理想传动比：

式中，K_u为转向不足系数，V为车速，为转向盘转角，V₀、V_m为固定车速，K_s为固定系数，θ_sw0、θ_swm为固定方向盘转角。

将此信号与方向盘转角信号29一同输入转角电机转角计算器32，得到转向电机理想附加转角信号34。车速信号18、横摆角速度信号20、侧向加速度信号21、质心侧偏角信号22输入车辆稳定性控制器26，利用H₂/H_∞鲁棒控制方法(该方法具体参见文献：《基于遗传算法优化的EPS路感混合H₂/H_∞控制》)得到车辆稳定性控制信号30，将此信号与所得转角电机理想附加转角信号34、转角电机实际转角信号33一同输入到转角电机转角控制器37中，基于模糊逻辑控制算法(该算法具体参见文献：《通用的模糊逻辑控制算法及其应用》)得到转角电机控制信号40，根据此信号控制转角电机11转角大小，完成转向系统变传动比控制，实现汽车主动转向功能。

车速信号18、方向盘角速度信号23、前轮转角信号24、转矩传感器信号25传递到助力电机理想转速计算器27中，由车速信号18、前轮转角信号19计算回正力矩，将该力矩与转矩传感器2所测力矩作差，经换算得到助力电机理想转速信号31。转角电机控制信号40输入到助力补偿计算器38中，补偿因为附加转角带来的助力变化情况，得到助力补偿信号35，将此信号与助力电机理想转速信号31以及助力电机实际转速信号36一同输入到助力电机转速控制器39中，通过非线性映射得到助力电机控制信号41，该信号控制助力电机转速大小，为转向系统提供大小可调的转向助力，可以提高驾驶员手感，同时降低转向系统能耗。

实施例2具有主动转向功能的辅助转向系统控制方法

本实施例公开了利用实施例1具有主动转向功能的辅助转向系统的控制方法，包含以下步骤：

步骤1)，通过车载传感器获取车速信号、方向盘转角信号、方向盘角速度信号、横摆角速度信号、侧向加速度信号、质心侧偏角信号、前轮转角信号、转矩传感器信号、助力电机实际转速信号和转角电机实际转角信号；

步骤2)，将获得的车速信号、前轮转角信号送到ECU控制模块理想传动比控制器，根据事先制定的车速-前轮转角-理想传动比map图确定理想传动比信号，并将此与方向盘转角信号一同输入转角电机转角计算器，得到转向电机理想附加转角信号。

步骤3)，将获得的车速信号、横摆角速度信号、侧向加速度信号、质心侧偏角信号输入车辆稳定性控制器，利用H₂/H_∞鲁棒控制方法得到车辆稳定性控制信号，将此信号与步骤2)中所得的转角电机理想附加转角信号、转角电机实际转角信号一同输入到转角电机转角控制器中，基于模糊逻辑控制算法得到转角电机控制信号，根据此信号控制转角电机转角大小，完成转向系统变传动比控制，实现汽车主动转向功能。

步骤4)，将获得的车速信号、方向盘角速度信号、前轮转角信号、转矩传感器信号传递到助力电机理想转速计算器中，由车速信号、前轮转角信号计算回正力矩，将该力矩与转矩传感器所测力矩作差，经换算得到助力电机理想转速信号。

步骤5)，将步骤3)中得到的转角电机控制信号输入到助力补偿计算器中，补偿因为附加转角带来的助力变化情况，得到助力补偿信号，将此信号与步骤4)中所得助力电机理想转速信号以及助力电机实际转速信号一同输入到助力电机转速控制器中，通过非线性映射得到助力电机控制信号，该信号控制助力电机转速大小，为转向系统提供大小可调的转向助力，可以提高驾驶员手感，同时降低转向系统能耗。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有主动转向功能的辅助转向系统，其特征在于，所述系统包括依次连接的转向机械模块、转角控制模块、电动液压助力模块、ECU控制模块和车载传感器；

所述转角控制模块包括转角电机和双行星齿轮机构，所述双行星齿轮机构包括依次连接的输入太阳轮、行星轮、齿圈、输出太阳轮；输入太阳轮的输出端和输出太阳轮的输入端分别与行星轮的上下两端内啮合，所述齿圈设置在行星轮的外部并与行星轮外啮合，所述转角电机与齿圈外啮合；

所述转向机械模块包括方向盘、转矩传感器、循环球式转向器，转向横拉杆、车轮；所述方向盘包括转向轴；转矩传感器设置在方向盘的转向轴和输入太阳轮之间；所述输出太阳轮和循环球式转向器的输入轴相连；循环球式转向器和车轮通过转向横拉杆相连；

所述电动液压助力模块包括液压油箱、液压泵、液压泵驱动电机、转阀；液压泵驱动电机与液压泵相连，将来自油箱的液压油泵入转阀，在转阀作用下形成压差，通过液压油管输入到循环球式转向器中。

2.根据权利要求1所述具有主动转向功能的辅助转向系统，其特征在于，所述ECU控制模块包括传感器融合单元、路径规划单元、路径跟踪单元、转角电机转角控制单元、助力电机转速控制单元、车辆稳定性控制单元。

3.根据权利要求1所述具有主动转向功能的辅助转向系统，其特征在于，所述车载传感器包括车速传感器、方向盘转角传感器、方向盘角速度传感器、横摆角速度及侧向加速度传感器、前轮转角传感器、转矩传感器、助力电机实际转速传感器和转角电机实际转角传感器。

4.如权利要求1-3之一所述具有主动转向功能的辅助转向系统的控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)通过车载传感器获取车速信号、方向盘转角信号、方向盘角速度信号、横摆角速度信号、侧向加速度信号、质心侧偏角信号、前轮转角信号、转矩传感器信号、助力电机实际转速信号和转角电机实际转角信号；

2)将获得的车速信号、前轮转角信号送到ECU控制模块理想传动比控制器，根据公式(1)、(2)确定汽车理想传动比：

式中，K_u为转向不足系数，V为车速，θ_sw为转向盘转角，V₀、V_m为固定车速，K_s为固定系数，θ_sw0、θ_swm为固定方向盘转角。

将此与方向盘转角信号一同输入转角电机转角计算器，得到转向电机理想附加转角信号；

3)将获得的车速信号、横摆角速度信号、侧向加速度信号、质心侧偏角信号输入车辆稳定性控制器，利用H₂/H_∞鲁棒控制方法得到车辆稳定性控制信号；

然后将获得的车辆稳定性控制信号步骤2)中所得的转角电机理想附加转角信号、转角电机实际转角信号一同输入到转角电机转角控制器中，基于模糊逻辑控制算法得到转角电机控制信号；

根据获得的转角电机控制信号控制转角电机转角大小，完成转向系统变传动比控制，实现汽车主动转向功能；

4)将获得的车速信号、方向盘角速度信号、前轮转角信号、转矩传感器信号传递到助力电机理想转速计算器中，由车速信号、前轮转角信号计算回正力矩，将该力矩与转矩传感器所测力矩作差，得到助力电机理想转速信号；

5)将步骤3)中得到的转角电机控制信号输入到助力补偿计算器中，得到助力补偿信号；

将获得的助力补偿信号与步骤4)中所得助力电机理想转速信号以及助力电机实际转速信号一同输入到助力电机转速控制器中，通过非线性映射得到助力电机控制信号，即完成对所述辅助转向功能的智能转向系统的控制。