CN109305215A - 使用转向系统信号的轮胎负载估算 - Google Patents

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Abstract

针对车辆的动力转向系统描述了一种用于估算轮胎负载的技术方案。动力转向的示例性控制系统包括控制模块，用于接收传感器数据并控制动力转向系统。例如，控制模块确定连接到转向系统的齿条的估算摩擦扭矩；计算到齿条的输入扭矩，该输入扭矩是估算摩擦扭矩、驾驶盘扭矩和电动机扭矩的总和；以及还基于输入扭矩、驾驶盘角度和车辆速度确定齿条位置估算。此外，响应于计算齿条位置估算，控制模块根据齿条位置估算来计算轮胎负载估算。本申请的技术方案实现了一种执行轮胎负载的实时估算的转向系统。

Description

使用转向系统信号的轮胎负载估算
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2017年7月27日提交的序列号为15/661210的美国非临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请通过引用全部并入本申请中。
技术领域
本申请通常涉及车辆的转向系统(例如电动助力转向(EPS)系统)，并且更具体地，用于促进转向系统实时地计算轮胎负载估算值。
背景技术
通常，当操作诸如汽车等车辆时，驾驶车辆的操作员具有至少两个职责，一个是遵循(跟随)预期路径，第二个是补偿道路干扰。对于后一个任务，驾驶员例如通过在车辆的转向轮(steering wheel，方向盘)处抵消来补偿反作用(counteraction)，该反作用是响应于道路干扰的充足干扰抑制。然而，这种道路干扰通常会给驾驶员带来意外状况。期望的是，驾驶员仅负责路径跟随的任务，并且相应地使驾驶员与道路干扰分离(decouple)。但是，这样的分离要求以对路面摩擦和车辆速度稳健(robust)的方式来估算轮胎负载。因此，估算轮胎负载对于车辆动态控制来说至关重要。此外，轮胎负载的知识可用于确定路面摩擦的有用信息，并且用于车辆转向系统的闭环扭矩控制。另外，除了转向系统中的干扰抑制估算之外，轮胎负载估算还可以用于线控转向(SbW)型转向系统。
因此，期望一种执行轮胎负载的实时估算的转向系统。
发明内容
描述了用于估算轮胎负载的车辆的动力转向系统的一个或多个实施例。动力转向的示例性控制系统包括控制模块，该控制模块用于接收传感器数据并控制动力转向系统。例如，控制模块确定连接到转向系统的齿条的估算摩擦扭矩；计算到齿条的输入扭矩，其中输入扭矩是估算摩擦扭矩、驾驶盘扭矩和电机扭矩的总和；并且还基于输入扭矩、驾驶盘角度和车辆速度确定齿条位置估算。此外，响应于齿条位置估算在所测得的齿条位置的预定阈值内的情况，控制模块根据齿条位置估算计算轮胎负载估算。
此外，根据一个或多个实施例，一种用于通过车辆的转向系统确定轮胎负载估算的计算机实现的方法，包括：
通过控制模块从转向系统的操作者接收驾驶盘扭矩。该方法还包括通过控制模块计算电机扭矩以帮助克服估算的齿条力。该方法还包括通过控制模块计算转向系统的摩擦扭矩估算。此外，该方法包括通过控制模块而基于驾驶盘扭矩、电机扭矩和摩擦扭矩的总和计算齿条位置估算。此外，响应于齿条位置估算在所测得的齿条位置的预定阈值内的情况，齿条位置估算被用作轮胎负载估算。
根据一个或多个实施例，转向系统包括摩擦估算模块，该摩擦估算模块计算转向系统的摩擦扭矩估算。转向系统还包括控制模块，该控制模块计算电机扭矩，以帮助操纵转向系统。转向系统还包括齿条位置估算器模块，该齿条位置估算器模块基于摩擦扭矩估算、电机扭矩和由操作者施加的驾驶盘扭矩来计算齿条位置估算。转向系统还包括观察器模块，该观察器模块调整增益矩阵以使齿条位置估算与所测得的齿条位置之间的误差最小化。控制模块使用齿条位置估算作为轮胎负载估算，以响应误差低于预定阈值的情况。
从以下结合附图的描述中，这些和其他的优点与特征将变得更加显而易见。
附图说明
在申请文本最后的权利要求中特别指出并清楚声明了被视为本发明的主题。通过以下结合附图的详细描述，本发明的前述和其他特征以及优点将变得显而易见，在附图中：
图1是包括转向系统的车辆的示例性实施例；
图2示出了根据一个或多个实施例的示例性控制模块；
图3示出了根据一个或多个实施例的转向系统的示例性装置(plant)模型；
图4示出了根据一个或多个实施例的状态观察器模块的一个或多个组件和数据流；
图5示出了通过估算轮胎负载来促进对动力转向系统的改进的示例性模块的方框图；
图6描绘了根据一个或多个实施例的估算轮胎负载的线控转向系统的示例性方框图；以及
图7描绘了根据一个或多个实施例的通过没有机械联动装置的转向系统(例如，以线控转向系统)来估算轮胎负载的流程图。
具体实施方式
如本文所使用的，术语模块和子模块指的是一个或多个处理电路(例如，专用集成电路(ASIC))、电子电路、处理器(共享、专用或群组(group))和执行一个或多个软件或固件程序的存储器、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其他合适组件。可以理解的是，下文描述的子模块可以被组合和/或被进一步划分。
现在参考附图(在附图中，将参考特定实施例描述本发明，但不限制本发明)，图1是包括转向系统12的车辆10的示例性实施例。在各种实施例中，转向系统12包括耦接到转向轴系统16的驾驶盘14，转向轴系统16包括转向柱、中间轴以及必要的连接件。在一个示例性实施例中，转向系统12是还包括转向辅助单元18的EPS系统，该转向辅助单元18耦接到转向系统12的转向轴系统16，并且耦接到车辆10的拉杆20、22。或者，转向辅助单元18可以将转向轴系统16的上部部分与该系统的下部部分耦接。转向辅助单元18包括例如齿条-齿轮转向机构(未示出)，该齿条-齿轮转向机构可以通过转向轴系统16耦接到转向致动器电机19和传动装置。操作期间，当车辆操作者转动驾驶盘14时，转向致动器电机19提供帮助以移动拉杆20、22，拉杆20、22进而分别移动转向关节24、26，转向关节24、26分别被耦接到车辆10的车轮(道路轮)28、30。
如图1所示，车辆10还包括各种传感器31、32、33，这些传感器检测和测量转向系统12和/或车辆10的可观察状况。传感器31、32、33基于可观察状况产生传感器信号。在一个示例中，传感器31是扭矩传感器，该扭矩传感器感测由车辆10的操作者施加到驾驶盘14的输入驾驶员驾驶盘扭矩(HWT)。扭矩传感器基于此产生驾驶员扭矩信号。在另一示例中，传感器32是电机角度和速度传感器，该传感器感测转向致动器电机19的旋转角度以及旋转速度。在另一示例中，传感器32是驾驶盘位置传感器，该传感器感测驾驶盘14的位置。传感器33基于此产生驾驶盘位置信号。
控制模块40接收从传感器31、32、33输入的一个或多个传感器信号，并且可以接收其他输入，例如车辆速度信号34。控制模块40产生指令信号，以基于一个或多个所述输入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的转向致动器电机19。本公开的转向控制系统和方法应用信号调节并执行摩擦分类以确定表面摩擦，并且执行其他估算作为可用于通过转向辅助单元18控制转向系统12的各方面的控制信号。
图2示出了根据一个或多个实施例的示例性控制模块40。控制模块40可以是执行实时操作系统(RTOS)的ECU。
例如，除了其他组件之外，控制模块40还包括处理器205，耦接到存储控制器215的存储器210，以及通过本地I/O控制器235通信地耦接的一个或多个输入设备245和/或输出设备240(例如外围设备或控制设备)。这些设备240和245可以包括例如电池传感器、位置传感器(高度计、加速度计、GPS)、指示器/识别灯等。诸如传统键盘250和鼠标255的输入设备可以被耦接到I/O控制器235。I/O控制器235可以是例如一个或多个总线或其他本领域已知的有线或无线连接。I/O控制器235可以具有附加元件(为了简单起见，省略这些附加元件)以实现通信，例如控制器、缓冲器(高速缓存)、驱动器、中继器和接收器。
I/O设备240、245还可以包括与输入和输出通信的设备，例如磁盘和磁带存储器、网络接口卡(NIC)或调制器/解调器(用于访问其他文件、设备、系统或者网络)、射频(RF)或其他收发器、电话接口、桥接器、路由器等。
处理器205是用于执行硬件指令或软件(尤其是存储在存储器210中的硬件指令或软件)的硬件设备。处理器205可以是定制的或市场上可购买的处理器、中央处理单元(CPU)、与控制模块40相关联的多个处理器中的辅助处理器、基于半导体的微处理器(以微芯片或芯片组的形式)、宏处理器或用于执行指令的其他设备。处理器205包括高速缓存270，该高速缓存270可以包括但不限于用于加速可执行取指令(instruction fetch)的指令高速缓存、用于加速数据获取和存储的数据高速缓存、以及用于加速可执行指令和数据的虚拟到物理地址转译的转译后备缓冲器(TLB)。高速缓存270可以被组织为更多高速缓存层(L1、L2等)的层级。
存储器210可以包括以下中的一个或它们的组合：易失性存储器元件(例如，随机存取存储器、RAM，例如DRAM、SRAM、SDRAM)和非易失性存储器元件(例如，ROM、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、磁带、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁盘、软磁盘、磁带盒、盒式磁带等)。此外，存储器210可以包含电、磁、光或其他类型的存储介质。应该注意的是，存储器210可以具有分布式架构，在该架构中，各种组件彼此远离但可通过处理器205访问。
存储器210中的指令可以包括一个或多个单独的程序，每个程序包括用于实现逻辑功能的可执行指令的有序列表。在图2的示例中，存储器210中的指令包括合适的RTOS211。RTOS 211控制其他计算机程序的执行并提供调度、输入-输出控制、文件和数据管理、存储器管理和通信控制以及相关服务。
附加数据(包括例如用于处理器205的指令或其他可取回信息)可以存储在存储器220中，存储器220可以是诸如硬盘驱动器或固态驱动器的存储设备。存储器210或存储器220中存储的指令可以包括使处理器能够执行本公开的系统和方法的一个或多个方面的指令。
控制模块40还可以包括耦接到用户界面或显示器230的显示控制器225。在一些实施例中，显示器230可以是LCD屏幕。在其他实施例中，显示器230可以包括多个LED状态灯。在一些实施例中，控制模块40还可以包括用于耦接到网络165的网络接口260。网络165可以是基于IP的网络，用于通过宽带连接实现控制模块40与外部服务器、客户端等之间的通信。在一个实施例中，网络165可以是卫星网络。网络165在控制模块40与外部系统之间发送和接收数据。在一些实施例中，网络165可以是由服务提供商管理的受管理IP网络。网络165可以以无线方式实现，例如，使用如WiFi、WiMax、卫星或任何其他的无线协议和技术。网络165还可以是分组交换网络，例如局域网、广域网、城域网、因特网或其他类似类型的网络环境。网络165可以是固定无线网络、无线局域网(LAN)、无线广域网(WAN)、个人局域网(PAN)、虚拟专用网(VPN)、内联网、控制器区域网(CAN)或其他类型的车辆总线网络、或者其他合适的网络系统，并且可以包括用于接收和发送信号的设备。
在一个或多个示例中，控制模块40以计算机实现的方法的形式来实施本文描述的一个或多个技术特征。例如，计算机模块40以在存储器上的计算机可执行指令的形式访问本文描述的技术特征，该指令可通过控制模块40访问以实现一个或多个技术特征。在本文中以一个或多个流程图和其他附图的形式描述这些计算机实现的特征的逻辑。
图3示出了根据一个或多个实施例的转向系统12的示例性装置模型。在一个或多个示例中，状态观察器模块210使用EPS系统12的3质量(3-mass)装置模型310，这可以在连续时间中通过以下数学表达式来描述。
y＝Cx
其中，x是包括EPS系统12的当前状态的值的状态向量，u是包括输入到EPS系统12的可测量(且可控)输入的输入向量，以及d是包括不可控的可测量值的干扰向量，并且本质上通常是非线性的。此外，y是基于EPS系统12的当前状态x的输出矢量。A、B、C和E是可配置的矩阵，其被设定为对EPS系统12的电机19进行建模。在一个或多个示例中，矩阵可以预先配置。通常，观察器设计利用状态变量将被提取的装置的模型来执行。因为装置的当前输出及其未来状态都是基于当前状态和当前输入来确定的，所以装置的输出y(k)用于控制状态观察器模块210的状态。
在3质量装置模型310中，EPS系统12经受驾驶员扭矩Td、辅助扭矩Ta和齿条力或等效齿条扭矩Tr。驾驶员扭矩表示车辆10的操作者/驾驶员在驾驶盘上施加的用于使车辆10转向的力。辅助扭矩表示由EPS系统12的辅助机构312提供的用于辅助驾驶员将车辆10转向的驾驶员辅助扭矩。齿条扭矩表示构成道路干扰、轮胎-路面摩擦等的力。在一个或多个示例中，车辆10的齿条和齿轮经受道路干扰。
转向齿条通过拉杆与车轮(道路轮)连接，驾驶员输入通过驾驶盘和转向柱传递到转向齿条。可以理解的是，转向系统12可以根据各种配置来建模。例如，转向系统12可以表示为分别由2惯性驾驶盘扭矩(THW)和辅助机构扭矩(TAM)组成的线性系统模型，其中辅助扭矩Ta和齿条扭矩Tr组合作为辅助机构扭矩。
如图3所示，辅助扭矩Ta(或电机扭矩)和驾驶员扭矩Td表示到辅助机构312的2个输入，而T形杆扭矩(THW)、电机位置和电机速度表示EPS系统中的3个输出或测量值。THW是扭力弹簧k1上的扭矩，该扭力弹簧k1通过辅助机构(齿条和齿轮)连接驾驶盘。扭矩传感器测量弹簧k1上的T形杆扭矩(THW)。
由于可以测量电机扭矩(Tm)和T形杆扭矩(THW)两者，因而2质量模型可以进一步减小到1-质量(JAM)模型。因此，可以通过估算构成轮胎负载的非线性力来替换将道路干扰传递到转向系统12的物理转向柱。例如，考虑非线性摩擦(Tf)的1-质量模型的方程可以写成
其中，JAM是辅助机构312的质量，b是预定的阻尼系数，θAM表示转向系统12的电机12的电机位置。在上述等式中，Tf是未知值，因为Tm(电机扭矩)基于通过控制模块40计算的扭矩命令，并且d是齿条力。虽然d可以通过传感器测量，但是这种传感器是昂贵的。因此，估算d的值节省了成本。例如，要应用的电机扭矩(Tm)的量由各种EPS算法确定，并且Tm是已知量。内部电机控制回路确保由电机19产生的电机扭矩Tm与电机扭矩指令相同。
本文描述的技术方案有助于使用线性估算技术确定轮胎负载。为了便于线性估算技术，在应用线性估算方法之前，必须解决来自转向系统12的上述等式的非线性摩擦Tf项。因此，这里描述的技术方案使用摩擦补偿模块，摩擦补偿模块计算非线性Tf的估算值(Tfest)。一旦Tfest近似于实际摩擦项(Tfest≈Tf)(其直接作用于减小的1质量JAM)，则使用上述等式中的其他项的值来确定轮胎负载。
在一个或多个示例中，为了确定Tfest，摩擦扭矩Tf被建模为活动部件、安装点和轴承之间的静摩擦(α0+α1)、干摩擦α0、Stribeck摩擦g(v)和粘性摩擦(α2v)的组合。例如，使用以下计算确定Tfest。
其中，z表示平均刚毛挠度(bristle deflection)(预定值)；v表示电机速度；σ0表示刚度，α0是预定的couloumb摩擦，(α0+α1)是预定的粘滞力(stiction force，静摩擦力)。
可以使用输入扭矩项Ti来重写等式(1)，输入扭矩项Ti补偿非线性摩擦部分，如下面的等式(2)所示。
其中Ti＝Tm+THW+Tfest；以及
在重写形式中，仅阻尼(b)和干扰或齿条力(d)作用于减小的惯性JAM上。根据基于频率响应的系统识别以及从EPS齿轮收集的数据来估算1-质量模型的所有物理参数(JAM、bAM)。结果，近似摩擦力Tfest被添加到1-质量系统的输入，如上面的等式(2)中所述。
图4示出了根据一个或多个实施例的用于估算轮胎负载的状态观察器模块的一个或多个组件和数据流。观察器模块400包括状态估算器410，该状态估算器410计算或估算装置模型的一个或多个状态变量。EPS系统驱动器扭矩(THW)和电机扭矩(Tm)可视为控制输入，而来自拉杆的齿条力(d)作为外部干扰输入。可以预处理传感器数据(例如来自传感器33的HW角度和来自传感器31的HW扭矩传感器数据)以产生驾驶盘角度、驾驶盘扭矩和/或驱动器扭矩，以及导数/差值(delta value)，和/或驾驶盘和车辆速度。
此外，在一个或多个示例中，电机角度(即，动力转向系统12的电机19的角度)可以被接收并转换成车轮角度。例如，电机角度用于从电机角度确定齿条位置。此外，齿条位置用于确定车轮角度。在一个或多个示例中，齿条位置相对于转向臂长度查找(steering armlength lookup)来使用，以从齿条位置确定转向臂长度。在一个或多个示例中，查找表用于生成上述相应输出。
此外，在一个或多个示例中，车辆10的车轮角度和速度用于确定可用牛顿表示的前轴力，以及可用弧度表示的前轴偏离角。例如，前轴力和前轴偏离角是基于非线性自行车模型或任何其他这样的模型而确定的。
控制模块40还确定齿条力(d)。齿条力表示作用在车辆的齿条上的一个或多个力，例如滚动阻力、空气阻力、梯度阻力等。齿条力可以取决于地面的性质、所使用的轮胎、车辆的重量以及车辆的速度等因素。在一个或多个示例中，控制模块40接收齿条力作为来自齿条力信号的输入信号。替代地，或者另外地，在一个或多个示例中，控制模块40确定并使用齿条力值的估算值作为所计算的转向臂长度、前轴力、前轴偏离角和车辆速度大小的函数。例如，齿条力估算可以使用以下等式来估算用于任意数量的给定表面的齿条力。
其中，其中m是车辆的质量，Izz是车辆的惯性，SA是转向臂长度，a是车辆CG到前轴距离，b是车辆CG到后轴距离，r是横摆角速度，U是纵向速度，V为横向速度，Fcf为前轴力，Fcr为后轴力，αf为前轴偏离角，αr为后轴偏离角，tm为机械轨迹，tp为气动轨迹，δ迟延为迟延的轮胎角度，θ是电机角度。
如图4所示，状态估算器410使用施加到EPS装置模块310的相同控制信号输入来驱动EPS12的装置的模型420，并更新状态估算器410的状态变量，直到状态估算器输出被驱动为等于所测得的系统输出。状态估算器模块410经由一个或多个传感器430接收所测的系统输出或中间信号。然后，所估算的状态变量可以在EPS12内用于任何目的，例如生成辅助扭矩命令，以向驾驶员提供反馈，等等。例如，提供用于使与所确定的道路力对应的驾驶盘14振动的命令。在一个或多个示例中，状态估算器模块310将干扰d 240建模为状态变量。
在所描绘的模型中，L是包括观察器增益的矩阵，并被修改以实现期望的观察器特性(例如带宽)。例如，对于线性观测器，增益是标量值，并根据所测量和估算的系统输出的差异起作用。然而，应该注意的是，本公开不限于这些观察器，也可以采用诸如非线性估算器的其他观察器结构。例如，可以采用滑动模式观察器，其中在作用于输出误差的符号的标量增益上更新状态变量。此外，线性和非线性观察器的降阶实施也可用于估算干扰项和电机速度。
为了构建干扰模型，干扰被包括而作为装置的状态，使得状态观察器模块410将等式(2)中的项和建模为EPS 12的状态，并相应地，修改后的装置模型可以写成，
在一个或多个示例中，可以使用若干不同的增益调整策略来获得观察器增益，包括线性二次高斯(LQG)估算器、极点配置等，矩阵A、B、C和D如下配置。
Caug＝[1 0]
观察器误差估算由下面的公式给出，
其中u＝Ti且
AobsAaug-LCaug
Bobs＝[Baug L]
使用LQE(线性二次估算器)或卡尔曼(Kalman)滤波器方法通过在干扰输入上分配权重并在所测得的输出上分配噪声来确定观察器矩阵L。例如，观察器模块400使用稳态卡尔曼滤波来确定L。观察器模块400依赖于上述EPS系统12(等式1)的状态空间方程形式和反馈项。将所测得的输出y与所估算的输出进行比较，以便使用反馈项更新状态向量估算。通过将误差项e与观测器增益L相乘来计算反馈项。L是将误差e调整为零的矩阵，因此使所估算的状态接近实际状态的值。
上述观察器模块400的评估已经提供了在变化的速度下具有不同驾驶操作的各种设置中所测得的轮胎负载的估算轮胎负载的稳健且一致的结果。因此，本文的技术方案有助于利用参数化观察器模块确定轮胎负载估算并且还基于摩擦估算。
图5示出了通过估算轮胎负载来促进对动力转向系统12的改进的示例性模块的方框图。在一个或多个示例中，所示的一个或多个模块是EPS12的一部分。例如，一个或多个模块通过控制模块40控制。摩擦估算模块510估算正在作用于齿条上的摩擦扭矩(Tfest)，包括齿条组件的机械部件的摩擦。
在一个或多个示例中，估算路面摩擦可以使用根据传感器信号计算的车轮滑移。例如，估算路面摩擦力的变化包括使用车轮速度和车轮滑移的差异、使用车辆横摆和横向加速度传感器、使用车辆前部的光学传感器(其使用来自路面的反射来估算道路摩擦)、使用声学传感器检测轮胎噪音(轮胎噪音提供有关表面的信息)以及使用轮胎螺纹处的传感器来测量应力和应变(这可以反馈到表面摩擦)。
或者，在一个或多个示例中，使用一个或多个EPS信号确定表面摩擦水平。例如，基于一个或多个EPS控制信号，控制模块40确定齿条力估算。此外，控制模块40基于齿条力估算使用，以确定相应的摩擦水平。在一个或多个示例中，齿条力的各种范围具有所使用的相应摩擦值。
所估算的摩擦扭矩被输入到观察器模块400。观察器模块400还接收齿条力(d)。齿条力可以由与齿条相关的传感器测量，或者如本文所述估算。观察器模块400还从驾驶盘角度传感器接收驾驶盘角度(θAM)。此外，观察器模块400接收驾驶盘扭矩(THW)和电机扭矩(Tm)的总和作为输入扭矩(Ti)。驾驶盘扭矩是车辆10的操作者在驾驶盘上施加的力的量，而电机扭矩是由动力转向系统提供的作为辅助操作者的辅助的扭矩的量。
基于所接收的输入，观察器模块400(例如使用卡尔曼滤波)确定作用在车辆10(例如齿条)上的轮胎负载的估算。模型420之间的误差项提供所估算的轮胎负载的值，在一个或多个示例中，该值使用预定增益来缩放(参见图4)。所估算的轮胎负载通过EPS12用于一个或多个应用，例如闭环扭矩控制、干扰抑制等。
图6描绘了根据一个或多个实施例的线控转向系统的示例性方框图，该系统向转向系统12提供轮胎负载估算。转向系统12使用轮胎负载估算来向车辆10的操作者提供反馈。因此，转向系统12可以向操作者提供反馈而无需使用传感器来检测轮胎负载。应该注意的是，图6描绘了本文描述的技术方案的一个示例实施方式，并且使用与所示出的模块不同、更少或附加的模块的其他实施方式也是可能的。
参考图6，齿条控制模块640控制与车辆10的轮胎相关的齿条。柱控制模块610控制施加到与转向系统12相关的转向柱625的扭矩。柱控制模块610包括扭矩控制器620，该扭矩控制器产生转向感觉扭矩以用于转向柱625。扭矩控制器620产生转向感觉扭矩，例如作为电机扭矩(Tm)。扭矩控制器620基于操作者施加的扭矩产生转向感觉扭矩，即驾驶盘扭矩(THW)，其可以由传感器627测量。此外，扭矩控制器620从基准扭矩估算模块615接收基准扭矩。基准扭矩估算模块615基于包括/和轮胎负载的齿条力(d)产生基准扭矩。
在一个或多个示例中，例如线控转向配置，齿条和转向柱不以向转向柱提供齿条所经受的轮胎负载的直接反馈的方式直接连接。这里描述的技术方案有助于将一个或多个参数从齿条控制模块640传递到柱控制模块610，从而在由扭矩控制器620产生转向感觉扭矩时考虑轮胎负载估算。基于施加到转向柱625的扭矩和转向柱625的角度，齿条位置估算器630确定齿条位置的估算。在一个或多个示例中，齿条位置估算器630还接收车辆速度作为估算齿条位置的输入。
齿条控制模块640包括齿条位置控制器模块645，齿条位置控制器模块645接收由齿条位置估算器模块630计算的齿条位置。齿条位置控制器模块645还接收由位置传感器647所测得的齿条的当前位置。基于所估算的齿条位置和当前的齿条位置，齿条位置控制器645计算齿条的调整，以便根据所估算的齿条位置定位齿条650。此外，齿条位置被提供给EPS观察器模块400，用于在此描述的齿条力估算。然后，将计算的齿条力转达到柱控制模块610，以用于如本文所述的转向系统12的连续操作。所估算的齿条力包括作用在齿条上的轮胎负载。
因此，在不具有测量轮胎负载的物理传感器的情况下，EPS观察器模块400估算作用在齿条650上的轮胎负载，并向操作者(驾驶员)提供直接的道路反馈。如本文所述，摩擦估算模块510便于跟踪所估算的轮胎负载。齿条力预测的方法对于路面摩擦和车辆速度是稳健的。
图7描绘了根据一个或多个实施例的通过没有机械联动装置的转向系统12(例如用线控转向系统)估算轮胎负载的流程图。在一个或多个示例中，该方法通过控制模块40实现。该方法包括估算作用在车辆10的齿条上的系统摩擦Tfest，如705所示。此外，该方法包括计算到齿条的输入扭矩为Ti＝THW+Tm+Tfest，其中THW是操作者施加到驾驶盘的扭矩，Tm是由电机19提供的作为辅助扭矩的扭矩，以及Tfest是所估算的系统摩擦(由转向系统的组件引起)。
该方法还包括使用状态观测器和诸如卡尔曼滤波的技术来估算轮胎负载，如720所示。估算轮胎负载包括基于输入扭矩(Ti)、车辆速度(v)、和电机位置(θAM)计算齿条位置估算，如722所示。实际的齿条位置使用位置传感器来确定，例如724所示的电机位置传感器。应该注意的是，在一个或多个示例中，齿条位置传感器被用来代替电机位置传感器。将所估算的齿条位置与所测得的齿条位置进行比较，如726所示。如果两个值在预定阈值内不匹配，则该方法包括调整状态观察器的增益矩阵L以最小化所估算的齿条位置值与所测得的齿条位置值之间的误差，如728所示。
一旦所估算的齿条位置值和实际的齿条位置值之间的误差在预定阈值内，则计算出轮胎负载估算值；例如，所估算的齿条位置值被用作为轮胎负载。在一个或多个示例中，使用预定值来缩放所估算的齿条位置值以计算轮胎负载，例如以不同的单位。如740所示，转向系统也使用轮胎负载来向车辆10的操作者提供直接反馈。在一个或多个示例中，轮胎负载估算被转向系统12用于其他应用，例如计算和提供辅助扭矩。
因此，本文描述的技术方案便于线控转向系统，其使用EPS观察器来估算轮胎负载而无需机械联动装置。因此，技术方案有助于在转向轮与轮胎/齿条之间具有较少的机械组件/联动装置的情况下提供车辆的转向控制，通过在驾驶盘处由操作者做出的控制器监控控制信号所致动的电动机来建立对轮胎方向的控制。
本技术方案可以是任何可能的技术细节集成级别的系统、方法和/或计算机程序产品。该计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质(或媒介)，其上具有计算机可读程序指令，用于使处理器执行本技术方案的各方面。
本文参考根据技术方案的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述本技术方案的各方面。应该理解的是，流程图图示和/或方框图的每个方框以及流程图图示和/或方框图中的方框的组合可以由计算机可读程序指令实现。
附图中的流程图和方框图示出了根据本技术方案的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实施方式的架构、功能和操作。在这方面，流程图或方框图中的每个方框可以表示模块、段或指令的一部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些替代性实施方式中，方框中提到的功能可以不按图中所示的顺序发生。例如，事实上，可基本上同时执行连续示出的两个方框，或者有时可以以相反的顺序执行这些方框，这取决于所涉及的功能。还应该注意的是，方框图和/或流程图示出的每个方框以及方框图和/或流程图图示中的方框的组合可以由执行特定功能的基于专用硬件的系统来实现，或者充当或执行专用硬件和计算机指令的组合。
还应该理解的是，本文示例的执行指令的任何模块、单元、组件、服务器、计算机、终端或设备可以包括或以其他方式访问计算机可读媒介，例如存储媒介、计算机存储媒介或数据存储设备(可移除和/或不可移除的)(例如磁盘、光盘或磁带)。计算机存储媒介可以包括以用于存储信息的任何方法或技术所实现的易失性和非易失性、可移除和不可移除的媒介，例如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据。这种计算机存储媒介可以是设备的一部分，也可以是可访问的或可连接的。本文描述的任何应用或模块可以使用可由这类计算机可读媒介存储或以其他方式保持的计算机可读/可执行指令来实现。
虽然仅结合有限数量的实施例详细描述了技术方案，但应该容易理解的是，技术方案不限于这些公开的实施例。相反地，技术方案可以被修改为包含此前未描述但与技术方案的精神和范围相当的任何数量的变型、改变、替换或等价设置。另外，虽然已经描述了技术方案的各种实施例，但是应该理解的是，技术方案的各方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，技术方案不应被视为受到前述描述的限制。

Claims (15)

1.一种用于车辆的动力转向系统的控制系统，包括：
控制模块，能操作为接收传感器数据并控制所述动力转向系统，所述控制模块被配置为：
确定与所述转向系统相关联的齿条的估算摩擦扭矩；
计算到所述齿条的输入扭矩，所述输入扭矩是所述估算摩擦扭矩、驾驶盘扭矩和电机扭矩的总和；
基于所述输入扭矩、所述驾驶盘角度和车辆速度确定齿条位置估算；以及
响应于所述齿条位置估算在所测得的齿条位置的预定阈值内的情况，使用所述齿条位置估算作为轮胎负载估算。
2.根据权利要求1所述的控制系统，所述控制模块还被配置为基于估算的轮胎负载向操作员提供反馈。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述轮胎负载估算是所述转向系统的装置模型的测量状态。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其中，响应于所述齿条位置估算不在所述测得的齿条位置的预定阈值内的情况，调整观察器模块的增益矩阵。
5.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述估算摩擦扭矩包括所述转向系统的活动部件、安装点与轴承之间的静摩擦、干摩擦，Stribeck摩擦和粘性摩擦。
6.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述动力转向系统是线控转向型转向系统。
7.一种用于通过车辆的转向系统确定轮胎负载估算的计算机实现的方法，所述方法包括：
通过控制模块接收来自所述转向系统的操作者的驾驶盘扭矩；
通过所述控制模块计算电机扭矩，以帮助克服所估算的齿条力；
通过所述控制模块计算所述转向系统的摩擦扭矩估算；
通过控制模块基于所述驾驶盘扭矩、所述电机扭矩和所述摩擦扭矩的总和计算齿条位置估算；以及
响应于所述齿条位置估算在所测得的齿条位置的预定阈值内的情况，使用所述齿条位置估算作为轮胎负载估算。
8.根据权利要求7所述的计算机实现的方法，还包括：
通过所述控制模块使用状态观察器将所述齿条位置估算与所测得的齿条位置进行比较，并且响应于所述齿条位置估算不在所测得的齿条位置的预定阈值内的情况，调整所述状态观察器的增益矩阵。
9.根据权利要求8所述的计算机实现的方法，其中，所述轮胎负载估算是所述状态观察器使用的所述转向系统的装置模型的测量状态。
10.根据权利要求7所述的计算机实现的方法，还包括：使用所估算的轮胎负载来确定所述电机扭矩。
11.根据权利要求7所述的计算机实现的方法，还包括：基于所估算的轮胎负载向操作员提供反馈。
12.根据权利要求7所述的计算机实现的方法，其中，所述摩擦扭矩估算包括所述转向系统的活动部件、安装点与轴承之间的静摩擦、干摩擦、Stribeck摩擦和粘性摩擦。
13.根据权利要求7所述的计算机实现的方法，其中，所述转向系统是线控转向型转向系统，在齿条与所述转向系统之间没有机械联动装置。
14.一种转向系统，包括：
摩擦估算模块，被配置为计算所述转向系统的摩擦扭矩估算；
控制模块，被配置为计算电机扭矩，以辅助操纵所述转向系统；
齿条位置估算器模块，被配置为基于所述摩擦扭矩估算、所述电机扭矩和由操作者施加的驾驶盘扭矩来计算齿条位置估算；以及
观察器模块，被配置为调整增益矩阵以最小化所述齿条位置估算与所测得的齿条位置之间的误差；
其中，所述控制模块还被配置成，响应于误差低于预定阈值的情况而将所述齿条位置估算用作为轮胎负载估算。
15.根据权利要求14所述的转向系统，其中，所述观察器模块还被配置为：
比较所述齿条位置估算值与所述所测得的齿条位置；以及
响应于所述齿条位置估算不在所测得的齿条位置的预定阈值内的情况，调节所述观察器模块的增益矩阵。
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