CN109017975B - 一种智能转向系统的控制方法及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能转向系统的控制方法及其控制系统，在方向盘没有输入的情况下，通过激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达、前视摄像头等将搜集的道路及行驶信息传递给ECU，再将计算得到转角信号传递给转角控制模块，以转角电机实际转角作为车辆转向输入，同时电动液压助力模块为转向系统提供助力，实现车辆的智能转向功能；该系统包括转向机械模块、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；本申请提供的控制方法，通过传感器、控制器等部件为车辆提供道路识别、路径规划、路径跟踪、转角输入、转向助力等功能，实现汽车的自动驾驶功能。

Description

一种智能转向系统的控制方法及其控制系统

技术领域

本发明涉及汽车智能转向系统领域，热别是一种无人驾驶模式下智能转向系统的控制方法及其智能控制系统。

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，提供一种具有自动转向功能的车用智能转向系统控制方法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的智能转向系统的控制方法及其控制系统，该系统在无人驾驶模式下，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，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种智能转向系统的控制方法，其具体步骤如下：

步骤1)，通过车载传感器获取车速信号、激光雷达信号、超声波雷达信号、前视摄像头信号、毫米波雷达信号、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、助力电机实际转速信号；

步骤2)，将获得的车速信号、激光雷达信号、超声波雷达信号、前视摄像头信号、毫米波雷达信号输入多传感器融合模块，通过神经网络方法(该方法具体参见文献：《神经网络的一般模型及在信息处理中的应用》)依据传感器信息，借助SLAM方法构建计算机可以识别的道路及障碍物信息，并递交给路径规划模块，利用A*算法(该方法具体参见文献：《基于A*算法的全局路径搜索》)产生实时的规划路径，将该规划路径信息与前轮转角信号一同送入路径跟踪控制模块中，通过遗传算法(具体参见文献：《遗传算法及其应用》)对规划路径的进行跟踪，产生实时的转角电机理想转角信号(即该转角信号使汽车既满足安全性要求又满足舒适性要求，为本领域常规技术)；

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、前轮转角信号送入车辆稳定性控制模块，通过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》)产生实时的车辆稳定性控制信号，将该信号与前轮转角信号以及步骤2)中所得转角电机理想转角信号一同送入转角电机转角控制模块，通过对前轮转角进行换算，得出转角电机实际转角，将转角电机理想转角信号与此信号作差，经过PID整定得到实时的转角电机控制信号；

步骤4)，将获得的车速信号、前轮转角信号送入助力电机理想转速计算模块，通过查询预置的车速-前轮转角-助力电机转速map图得到助力电机匹配转速，并将此转速与步骤3)中获得的转角电机控制信号进行加权，得到助力电机理想转速信号，将该信号与助力电机实际转速信号作差一同输入助力电机转速控制器，经过PID整定得到实际的助力电机控制信号，即完成对智能转向系统的控制。

本发明中，所述车载传感器、多传感器融合模块、路径规划模块、路径跟踪控制模块、车辆稳定性控制模块、转角电机转角控制模块和助力电机理想转速计算模块，以及SLAM方法、A*算法、遗传算法和H₂/H_∞鲁棒控制方法、均为本领域常规技术。

本发明同时还提供了上述控制方法的专用智能控制系统，该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，本发明所提供的智能控制系统中，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，在无人驾驶情况下，控制汽车转向助力大小及转向角度大小，实现汽车的自动驾驶功能。

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，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，提高了无人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多模式智能转向系统的结构示意图；

图2为具有主动转向功能的多模式智能转向系统无人驾驶模式控制方法的框图。

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

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。

该智能转向系统在在无人驾驶模式下，通过传感器融合-路径规划-路径跟踪确定汽车实时所需转角，通过控制转角电机11实现该功能，同样的，以稳定性控制方法提高车辆行驶稳定性，根据传感器信息控制助力电机6为转向系统提供实时可调的转向助力，满足了不同工况下的驾驶需求。

该控制系统无人驾驶模式下控制原理框图如图2所示，车速信号18、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输入多传感器融合控制器46，通过神经网络方法依据传感器信息，构建计算机可以识别的道路及障碍物信息47，并递交给路径规划器48，利用A*算法产生实时的规划路径49，将该信号与前轮转角信号19一同送入路径跟踪控制器中50，通过遗传算法对规划路径的进行跟踪，产生实时的转角电机理想转角信号51。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送入车辆稳定性控制器26，通过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》)产生实时的车辆稳定性控制信号30，将该信号与前轮转角信号19以及转角电机理想转角信号51一同送入转角电机转角控制器37，通过对前轮转角进行换算，得出转角电机实际转角，将转角电机理想转角信号与此信号作差，经过PID整定得到实时的转角电机控制信号40；车速信号18、前轮转角信号19送入助力电机理想转速计算器27，通过查询预置的车速-前轮转角-助力电机转速map图得到助力电机匹配转速，并将此转速与转角电机控制信号40进行加权，得到助力电机理想转速信号31，将该信号与助力电机实际转速信号36作差一同输入助力电机转速控制器39，经过PID整定得到实际的助力电机控制信号41。

实施例2智能转向系统的控制方法

本实施例公开了利用实施例1系统的智能控制方法，包含以下步骤：

步骤1)，通过车载传感器获取车速信号、激光雷达信号、超声波雷达信号、前视摄像头信号、毫米波雷达信号、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、助力电机实际转速信号；

步骤2)，将获得的车速信号、激光雷达信号、超声波雷达信号、前视摄像头信号、毫米波雷达信号输入多传感器融合控制器，通过神经网络方法依据传感器信息，构建计算机可以识别的道路及障碍物信息，并递交给路径规划器，利用A*算法产生实时的规划路径，将该信号与前轮转角信号一同送入路径跟踪控制器中，通过遗传算法对规划路径的进行跟踪，产生实时的转角电机理想转角信号；

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、前轮转角信号送入车辆稳定性控制器，通过H₂/H_∞鲁棒控制方法产生实时的车辆稳定性控制信号，将该信号与前轮转角信号以及步骤2)中所得转角电机理想转角信号一同送入转角电机转角控制器，通过对前轮转角进行换算，得出转角电机实际转角，将转角电机理想转角信号与此信号作差，经过PID整定得到实时的转角电机控制信号；

步骤4)，将获得的车速信号、前轮转角信号送入助力电机理想转速计算器，通过查询预置的车速-前轮转角-助力电机转速map图得到助力电机匹配转速，并将此转速与步骤3)中获得的转角电机控制信号进行加权，得到助力电机理想转速信号，将该信号与助力电机实际转速信号作差一同输入助力电机转速控制器，经过PID整定得到实际的助力电机控制信号。

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)

1.一种智能转向系统的控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1），获取车速信号、激光雷达信号、超声波雷达信号、前视摄像头信号、毫米波雷达信号、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、助力电机实际转速信号；

步骤2），将获得的车速信号、激光雷达信号、超声波雷达信号、前视摄像头信号、毫米波雷达信号输入多传感器融合模块，通过神经网络方法和SLAM方法构建计算机可以识别的道路及障碍物信息，并递交给路径规划模块，利用A*算法产生实时的规划路径，将该规划路径信息与前轮转角信号一同送入路径跟踪控制模块中，通过遗传算法对规划路径的进行跟踪，产生实时的转角电机理想转角信号；

步骤3），将车速信号、横摆角速度信号、侧向加速度信号、质心侧偏角信号、前轮转角信号送入车辆稳定性控制模块，通过

鲁棒控制方法产生实时的车辆稳定性控制信号，将该信号与前轮转角信号以及步骤2）中所得转角电机理想转角信号一同送入转角电机转角控制模块，通过对前轮转角进行换算，得出转角电机实际转角，将转角电机理想转角信号与此信号作差，经过PID整定得到实时的转角电机控制信号；

步骤4），将获得的车速信号、前轮转角信号送入助力电机理想转速计算模块，通过查询预置的车速-前轮转角-助力电机转速map图得到助力电机匹配转速，并将此转速与步骤3）中获得的转角电机控制信号进行加权，得到助力电机理想转速信号，将该信号与助力电机实际转速信号作差一同输入助力电机转速控制器，经过PID整定得到实际的助力电机控制信号，即完成对智能转向系统的控制。

2.如权利要求1所述控制方法的专用智能控制系统，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。

3.根据权利要求2所述专用智能控制系统，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。

4.根据权利要求3所述专用智能控制系统，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。

Images