CN109664938B - 基于驾驶员行为辨识的线控转向双电机系统及其横摆稳定性补偿策略 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种基于驾驶员行为辨识的线控转向双电机系统及其横摆稳定性补偿策略，该系统包括采集单元、中央控制器、转向盘总成和前轮转向总成；其补偿策略为：通过驾驶员行为辨识以及方向盘处转角传感器测量出的方向盘转角，得出预测的方向盘转角，并传递给中央控制器综合横摆角速度增益与侧向加速度因素得出理想的传动比，得出方向盘转角到转角电机理想输入转角的关系传送给转角电机控制器，对转角电机进行开环控制；再根据方向盘转角和理想传动比得出理想前轮转角，获得理想横摆角速度，通过鲁棒控制器得出系统的补偿转矩，通过补偿控制策略传递给转矩电机控制器，从而保证系统快速响应的性能与行驶过程中的行驶稳定性。

Description

基于驾驶员行为辨识的线控转向双电机系统及其横摆稳定性 补偿策略

技术领域

本发明专利涉及电动轮汽车动力转向领域，尤其是一种基于驾驶员行为辨识的线控转向双电机系统及其横摆稳定性补偿策略。

背景技术

与传统的转向系统相比，线控转向系统解决了传统转向系统定传动比的缺陷，在汽车的实际行驶过程中，可以根据车速变化实现理想传动比控制。线控转向变传动比控制既增加了低速时汽车的转向灵敏性，又增加了汽车高速行驶过程中的行驶稳定性。

目前线控转向系统以单执行电机转角电机为主，单执行电机的电流多采用闭环控制的方式进行，其追踪的是前轮转角或者是汽车的横摆角速度。闭环控制方式，是将上一时刻的汽车的实际横摆角速度与理想横摆角速度差值作为此时刻电机的输入，这样必然导致转角电机只有接收到上一时刻的反馈值才能进行下一时刻的动作，从而增加系统反应的延长时间。当汽车在一定车速下直线行驶时，尤其是在刚开始进行转向的时候，因为转角电机上一个时刻没有动作，默认为0，也就意味着把上一个时刻的实际横摆角速度与此时刻的理想横摆角速度作为输入，然而在实际的行驶过程中实时的横摆角速度显然非0，这将导致闭环系统第一次反馈值与实际的反馈值悬殊很多，造成系统的不稳定和振动，而这种大的误差需要后面时刻的闭环反馈来消除，延长了系统到达稳态的时间。此外单转向电机的故障下用软件冗余的方式无法替代，会极大的影响汽车的转向性能，会造成汽车失稳。

目前关于双电机的控制多是双闭环控制，仍采用单电机这种闭环控制方式，也存在这种闭环控制存在的不可避免地反应效率较低，第一次震动较大，系统到达稳态时间长等缺点。关于双电机横摆稳定性的研究很少，且在汽车在行驶过程中会遭遇多种干扰，侧向风干扰，路面干扰等，这些干扰都会对汽车的行驶稳定性造成巨大的影响，因此对于双电机的横向稳定性研究策略的提出很有意义。目前基于驾驶员行为辨识的线控转向双电机系统及其横摆稳定性补偿策略的内容尚未见报道。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于驾驶员行为辨识的线控转向双电机系统及其横摆稳定性补偿策略。该系统通过对驾驶员行为的辨识，通过逆向理想模型的建立使转角电机直接以当时的理想转角输入，而非上一时刻的反馈值进行控制，提高了系统的实时性。

为实现上述目的，本发明首先提供了一种基于驾驶员行为辨识的线控转向双电机系统，其包括：采集单元，中央控制器，转向盘总成，前轮转向总成；

所述采集单元包括：转向盘转角传感器4，转向盘力矩传感器5，前轮转角传感器9，前轮力矩传感器12，车速传感器19，侧向加速度传感器20和横摆角速度传感器21；采集单元实时采集汽车行驶过程中的驾驶员行为信号，方向盘转角传感器的转角信号，实际横摆角速度信号，车速信号，转角电机的转角信号，转矩电机的转矩信号并传递给运算控制器7；并将运算控制器7通过方向盘转角信号理想值和车速信号计算出的理想横摆角速度传给鲁棒性控制及补偿单元18，同时也将实际横摆角速度信号传递给鲁棒性控制及补偿单元18；鲁棒性控制及补偿单元18根据传递过来的实际横摆角速度差值与理想横摆角速度差值计算出相应的补偿扭矩，考虑路面干扰，侧向风，机械摩擦等把补偿扭矩传递给转矩电机控制器，驱动相应的转矩电机进行补偿；

中央控制器(ECU)包括运算控制器7、鲁棒性控制及补偿单元18；所述鲁棒性控制及补偿单元18包括鲁棒性控制单元和补偿控制策略单元；其接收来自采集单元的驾驶员行为信号与方向盘转角传感器的转角信号，得出实时反应驾驶员意图的理想的转向盘转角信号。运算控制器7接受来自采集单元传来的转向盘转角信号，根据逆向理想模型通过转角电机控制器按照理想转角输入对转角电机进行理想的电流控制，同时运算控制器7通过实时反应驾驶员意图的理想的转向盘转角信号，与车速信号计算出理想横摆角速度，并发送给鲁棒性控制及补偿单元18；

所述转向盘总成包括依次连接的转向盘1、转向柱2、路感电机3、路感电机控制器6；转向盘总成反馈接收路感电机传递的路感，使驾驶员接收到实时路面状况的反馈；

前轮转向总成包括依次连接的转角电机控制器8，转角电机10，双级减速器11，转矩电机控制器16，转矩电机13，减速器14，齿轮齿条机构15，前轮17；转角电机控制器8接收来自转矩电机控制器16的转角电机的理想输入电流信号，通过作用于转角电机使转角电机输出合适的转角，并作用于下层转向执行机构并接受来自鲁棒性控制单元及补偿单元根据传递过来的实际横摆角速度差值与理想横摆角速度差值计算出相应的补偿扭矩，考虑路面干扰，侧向风，机械摩擦等把补偿扭矩传递给转矩电机控制器，驱动相应的转矩电机进行补偿；

其中，转向盘1通过转向杆柱2与路感电机3及转向盘转角传感器4相连接，转向盘力矩传感器5安装在转向杆柱2上；路感电机控制器6与路感电机3及转向盘力矩传感器5相接，并控制路感电机3的运行；

齿轮齿条转向器15分别与转角电机10、转矩电机13、双级减速器11、减速器14相连接，前轮17安装在齿轮齿条转向器15的两侧；前轮转角传感器9安装在前轮17上；转角传感器9与转矩传感器12连接Flexray总线，将转角电机控制器8及转矩电机控制器16的信号输入到总线中，再通过总线传输到鲁棒性控制及补偿单元18中；转角电机10及双级减速器11均与转角电机控制器8相连接，转角电机控制器8控制转角电机10及双级减速器11的运行，转矩电机13及减速器14均与转矩电机控制器16向连接，转矩电机控制控制器16控制转矩电机13及减速器14的运行；

侧向加速度传感器20和横摆角速度传感器21均安装在车轮17上，并且侧向加速度传感器20和横摆角速度传感器21均分别与鲁棒性控制及补偿单元18连接，将采集到信号输入到鲁棒性控制及补偿的单元18中；

鲁棒性控制及补偿的单元18的输出端分别与路感控制器6的输入端和Flexray总线相连接，鲁棒性控制及补偿的单元18接收传入到Flexary的转矩电机控制器12，转角电机控制器9，转角传感器9，转矩传感器12的信号及运算控制器7的信号，进行鲁棒性控制及补偿策略的控制，并把指令输入Flexery总线，并通过Flexery总线将指令传送给转角电机控制器8及转矩电机控制器16使转矩电机动作输出转矩，从而补偿汽车理想横摆角速度与实际横摆角速度的误差值。

其次，本发明还公开一种基于上述驾驶员行为辨识的线控转向双电机系统的横摆定性补偿策略，该策略包括：

步骤1：

在汽车行驶过程中，通过采集单元采集驾驶员的行为信号，方向盘转角传感器的转角信号δ_sw1，实际横摆角速度信号ω_r，车速信号u，转角电机的转角信号θ，转矩电机的转矩信号并传递给运算控制器；

步骤2：

运算控制器接收来自采集单元的驾驶员行为信号与方向盘转角传感器的转角信号δ_sw1，得出实时反应驾驶员意图的理想转向盘转角信号δ_sw；运算控制器通过综合横摆角速度增益与侧向加速度增益因素得出理想的传动比i_d，并将理想传动比i_d与线控双电机下层动力学关系结合，得出方向盘转角理想电流输入到转角电机的理想函数，运算控制器将此时的转角电机理想电流值i₂输入给转角电机控制器，并进一步通过采集单元传递给鲁棒性控制单元；

其具体为：

步骤2.1：

运算控制器通过驾驶员行为辨识得到反应驾驶员意图的理想转向盘转角δ_sw；

设车辆质心相对于地面坐标系的位置为(X,Y)，车辆纵轴线与X轴的夹角为φ(车辆横摆角)，则X，Y和φ可以通过下式求得：

其中，X₀,Y₀是t＝0时刻车辆的位置；

根据预瞄点处的位移误差和汽车当前位置的行驶角误差来决定转向盘转角的输入大小：

前视时间T_p的预瞄点处位移误差ε_y由期望路径的侧向位移Y_d、当前时刻车辆质心处的侧向位移Y_d和确定；

转向盘转角可表示为汽车行驶位移误差与方向误差的加权和与驾驶员操作延迟的乘积：

其中δ_sw为理想方向盘转角；K₁和K₂分别为驾驶员对位移误差和方向误差的补偿增益；τ_d为延迟时间；

步骤2.2：实时汽车理想传动比的表达

运算控制器通过综合横摆角速度增益与侧向加速度增益的影响得到线控转向双电机汽车的理想传动比：

其中：C_wr是横摆角速度增益对应的系数，取值范围为3.03–6.25，C_ay是侧向加速度增益对应的系数，取值范围0.16–0.22；

步骤2.3运算控制器将实时转向盘δ_sw代入逆向理想输入模型(5)，获得转角电机输入理想电流i₂，并进一步传递给转角电机控制器；

逆向理想输入模型(5)，表达式推导流程如下：

根据转向盘转角δ_sw与转向车轮转角δ_f与理想传动比i_d的关系可得：

δ_f＝δ_sw/i_d (6)

根据齿条小齿轮转角与转向前轮转角的关系可得：

θ_s2＝δ_f*G (7)

从而可得转向盘转角与齿条小齿轮转角的关系：

θ_s2＝δ_sw*G/i_d (8)

转角电机的运动微分方程：

转角电机输入转矩的方程：

T_m2＝K_t*i₂ (10)

无转矩电机补偿状态下齿条与小齿轮动力学方程：

小齿轮转角与转角电机输入转角方程：

θ_s2＝δ_m2/G₁ (12)

由以上几个式中可以得到：理想电流与齿条小齿轮转角关系：

将理想电流与齿条小齿轮转角关系式进行拉氏变换：

将稳态时候的状态作为转角电机转角电流的理想输入：

当稳态的时候s＝0,由上式可得：

其中δ_f是前轮转角，δ_sw是转向盘转角，B_R是系统等效阻尼系数，理想传动比i_d，齿条小齿轮转角到转向前轮转角的传动比，T_m2是转角电机的输出转矩，J_m2是转角电机的转动惯量，δ_m2是转角电机的转角，B_m2是转角电机的阻尼，T_g2是转角电机的负载转矩，K_t是转角电机的转矩系数，i₂是转矩电机的电流，G1是二级减速器的减速比，J_R是齿轮齿条系统等效转动惯量，B_R是齿轮齿条系统等效阻尼，T_a是转向车轮的所受的回正力矩，f_p是摩擦阻力矩，η是系统的传递效率；

步骤2.4：

转角电机控制器通过采集单元(前轮转角传感器与转矩传感器)将获得的信号：方向盘转角信号理想值δ_sw、车速信号u、理想横摆角速度、实际横摆角速度信号ω_r传递给鲁棒性控制单元；

步骤3：

横摆角速度计算单元根据汽车实时车速u和前轮转角输入整车转向二自由度模型得到实际横摆角速度ω_r：

式中：m为汽车质量；I_Z为汽车绕z轴的转动惯量；k₁、k₂分别为前后车轮的侧偏刚度；δ_f为前轮转角；a，b分别为前、后轴至车辆质心的距离；u为车辆前进速度；ω_r为横摆角速度；β为质心侧偏角；

同时中央控制器通过实时反应驾驶员意图的理想的转向盘转角信号δ_sw，与车速信号u计算出理想横摆角速度ω_r ^*，并发送给鲁棒性控制及补偿单元；

同时运算控制器通过实时反应驾驶员意图的理想的转向盘转角信号δ_sw，与车速信号u计算出理想横摆角速度ω_r ^*，并发送给鲁棒性控制及补偿单元；

理想横摆角速度

稳定性因素

其中m是汽车的质量，L是汽车的前后轴矩，k₁是汽车前轴车轮的侧偏刚度,k₂是汽车的后轴车轮的侧偏刚度，a是汽车的前轴轴矩,b是汽车的后轴轴矩，K是汽车的稳定性因素，u是汽车的纵向车速；

步骤4：

鲁棒性控制及补偿单元接收来自中央控制器的理想横摆角速度信号ω_r ^*与实时的实际汽车横摆角速度信号ω_r进行计算，并把实际横摆角速度与理想横摆角速度差值Δω_r转换成相应的补偿转矩T₁,综合路面干扰形成的补偿转矩T₂，系统摩擦形成的补偿转矩T₃,将总的补偿转矩ΔT传给补偿控制策略单元进行策略判定；考虑系统稳定性控制因素，同时采用μ综合鲁棒控制，提高系统抵抗外界干扰的能力；

具体而言，ΔT＝kc*ΔI (18)

ΔT是总的补偿转矩，ΔI是转矩电机的补偿电流；

所述μ综合鲁棒控制根据线控转向双电机横摆角速度的状态空间实现，具体如下：

控制系统的状态变量为系统的输入为u＝[ΔI]，系统的扰动输入为w＝[I d_r F_yw]^T，系统输出为y＝[r]，则线控转向双电机横摆角速度控制的状态空间实现为：

式中，

其中θ_s2是转角电机作用下的小齿轮转角，θ_s3是转矩电机作用下的小齿轮的转角，B_R是系统等效阻尼系数，齿条小齿轮转角到转向前轮转角的传动比G，I是转角电机的理想输入电流，ΔI是转矩电机补偿电流输入，J_m2是转角电机的转动惯量，J_m3是转矩电机的转动惯量，B_m2是转角电机的阻尼，B_m3是转矩电机的阻尼，K_t是转角电机和转矩电机的转矩系数，G1是二级减速器的减速比，J_R是齿轮齿条系统等效转动惯量，B_R是齿轮齿条系统等效阻尼，f_p是摩擦阻力矩，η＝0.99是系统的传递效率；

步骤5：

补偿控制策略单元接受来自鲁棒性控制单元的补偿转矩进行补偿控制策略判定，并将判定结果与适合于判定结果的总的补偿扭矩ΔT传递给转矩电机，通过转矩电机控制器控制转矩电机输出转矩从而对折合到齿条上的转矩进行补偿，从而带动车轮进行补偿运动，包括：

补偿控制策略单元接受来自鲁棒性控制单元的补偿转矩进行补偿控制策略判定：

当总的补偿转矩为正值时，可以控制转矩电机进行转矩的补偿：

齿条的运动微分方程为：

式中：m_rack为齿条的质量；y_rack为齿条的位移；r_L为主销轴的偏置；K_L为转向拉杆刚度；B_rack为齿条阻尼系数；F_frrack为系统间的摩擦力,G为双减速器机构的减速比；T_g2是转角电机的输出转矩；T_g3是转矩电机上一时刻的输出转矩：

ΔT＝T₁+T₂+T₃ (24)

其中：ΔT是总的补偿转矩，T₁使弥补横摆角速度差值所需的补偿转矩，T₂路面干扰形成的补偿转矩,T₃系统摩擦形成的补偿转矩；

当总的补偿转矩ΔT为负值或0时，不控制转矩电机进行转矩的补偿，齿条的运动微分方程为：

式中：m_rack为齿条的质量；y_rack为齿条的位移；r_L为主销轴的偏置；K_L为转向拉杆刚度；B_rack为齿条阻尼系数；F_frrack为系统间的摩擦力,G为双减速器机构的减速比；T_g2是转角电机的输出转矩；T_g3是转矩电机的输出转矩；

转矩电机根据相应的补偿策略，输出相应的补偿转矩，进而齿轮齿条机构动作，齿轮齿条机构带动前轮进行相应的补偿，从而实现横摆角速度的补偿。

本申请采用的逆向理想模型是对系统的精确逆向推导，所以这是一种反馈值精确预测的一种手段。尤其在驾驶员刚进行转动方向盘的时候，这种逆模型预测效果更为明显。汽车在直线行驶时，显然汽车的横摆角速度非0，刚开始转向的时候，逆向理想模型可以预测到此时的贴近汽车真实的横摆角速度，而不是单纯的闭环系统接收到上一时刻的横摆角速度0的值，减少了第一次的误差，也减少了开始转向时的震动，更进一步较少了到达汽车横摆角速度稳态的时间。

为了进一步提高系统控制的准确性，同时应考虑到汽车行驶过程中的不确定性，如路面干扰，侧向风干扰，摩擦干扰等干扰，从安全性，准确性角度出发，本申请采用转矩电机进行补偿各种干扰。本发明基于逆向理想输入模型，针对转角电机开环控制下的横摆稳定性控制做了设计，并通过转矩电机输出合适的补偿转矩抵消各种干扰，从而保证了汽车行驶的稳定性与准确性，实现了汽车稳定性，准确性，精确性的完美统一。

与现有技术相比，本发明提供的基于驾驶员行为辨识的线控转向双电机系统及其横摆稳定性补偿策略具有以下优势：

1.通过辨识驾驶员行为得到反应驾驶员意图的转角输入，一方面提高了反映驾驶员意图的转角输入速度，减少了输入的延迟环节。

2.另一个方面转角电机直接以理想转角输入，减少了因跟踪前轮转角而产生的反馈时间，减少了转向系统转向过程中的延迟性，大大提高了转向过程中的转向效率，提高了转向的精确性；

3.虽然转向电机以理想转角输入，但同时考虑到汽车行驶过程中的不确定性，如路面干扰，侧向风干扰，摩擦干扰等，从安全性，准确性角度出发，基于双执行电机的横摆稳定性控制十分重要，通过横摆稳定性控制，转矩电机输出合适的补偿转矩，从而保证了汽车行驶的稳定性与准确性，实现了汽车稳定性，准确性，精确性的完美统一。

附图说明

图1为本发明专利线控转向双电机系统的结构示意图。

图2为本发明专利基于驾驶员行为辨识的线控转向双电机系统控制装置原理图。

图3为本发明专利基于驾驶员行为辨识的线控转向双电机系统及其横摆稳定性补偿策略总图。

图4为本发明基于横摆角速度反馈的带有补偿功能的线控转向双电机汽车车辆稳定性鲁棒性控制系统框图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实例与附图对本发明专利作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明专利的限定。

以下实施例中，中央控制器(ECU)的型号为M7(在具体实施中，也可以使用MT20U，MT20U2等常规市售ECU型号)。

实施例1

参照图1所示本发明专利的线控转向双执行电机系统结构布置简图，主要包括：采集单元，中央控制器，转向盘总成，前轮转向总成；

所述采集单元包括：转向盘转角传感器4，转向盘力矩传感器5，前轮转角传感器9，前轮力矩传感器12，车速传感器19，侧向加速度传感器20和横摆角速度传感器21；

中央控制器(ECU)包括运算控制器7、鲁棒性控制及补偿单元18；所述鲁棒性控制及补偿单元18包括鲁棒性控制单元和补偿控制策略单元；

所述转向盘总成包括依次连接的转向盘1、转向柱2、路感电机3、路感电机控制器6；

前轮转向总成包括依次连接的转角电机控制器8，转角电机10，双级减速器11，转矩电机控制器16，转矩电机13，减速器14，齿轮齿条机构15，前轮17；

其中，转向盘1通过转向杆柱2与路感电机3及转向盘转角传感器4相连接，转向盘力矩传感器5安装在转向杆柱2上；路感电机控制器6安装在路感电机3上，路感电机控制器6与转向盘力矩传感器5相接，并控制路感电机3的运行；

齿轮齿条转向器15分别与转角电机10、转矩电机13、双级减速器11、减速器14相连接，前轮17安装在齿轮齿条转向器15的两侧；前轮转角传感器9安装在前轮17上；转角传感器9与转矩传感器12连接Flexray总线，将转角电机控制器8及转矩电机控制器16的信号输入到总线中，再通过总线传输到鲁棒性控制及补偿单元18中；转角电机10及双级减速器11均与转角电机控制器8相连接，转角电机控制器8控制转角电机10及双级减速器11的运行，转矩电机13及减速器14均与转矩电机控制器16向连接，转矩电机控制控制器16控制转矩电机13及减速器14的运行；

侧向加速度传感器20和横摆角速度传感器21均安装在车轮17上，并且侧向加速度传感器20和横摆角速度传感器21均分别与鲁棒性控制及补偿单元18连接，将采集到信号输入到鲁棒性控制及补偿的单元18中；

鲁棒性控制及补偿的单元18的输出端分别与路感控制器6的输入端和Flexray总线相连接，鲁棒性控制及补偿的单元18接收传入到Flexary的转矩电机控制器12，转角电机控制器9，转角传感器9，转矩传感器12的信号及运算控制器7的信号，进行鲁棒性控制及补偿策略的控制，并把指令输入Flexery总线，并通过Flexery总线将指令传送给转角电机控制器8及转矩电机控制器16使转矩电机动作输出转矩，通过齿轮齿条机构带动汽车前轮转过一定的角度，从而补偿汽车理想横摆角速度与实际横摆角速度的误差值。

本实施例同时提供了基于上述系统的横摆稳定性补偿策略，如图2-4所示，其具体如下：

步骤1：

在汽车行驶过程中，通过采集单元采集驾驶员的行为信号，方向盘转角传感器的转角信号δ_sw1，实际横摆角速度信号ω_r，车速信号u，转角电机的转角信号θ，转矩电机的转矩信号并传递给运算控制器；

步骤2：

运算控制器接收来自采集单元的驾驶员行为信号与方向盘转角传感器的转角信号δ_sw1，得出实时反应驾驶员意图的理想转向盘转角信号δ_sw；运算控制器通过综合横摆角速度增益与侧向加速度增益因素得出理想的传动比i_d，并将理想传动比i_d与线控双电机下层动力学关系结合，得出方向盘转角理想电流输入到转角电机的理想函数，运算控制器将此时的转角电机理想电流值i₂输入给转角电机控制器，并进一步通过采集单元传递给鲁棒性控制单元；

上述，理想转向盘转角信号δ_sw，理想传动比i_d，转角电机理想电流i₂与转向盘转角的关系的确定步骤包括：

2.1运算控制器通过驾驶员行为辨识得到反应驾驶员意图的理想转向盘转角δ_sw；

设车辆质心相对于地面坐标系的位置为(X,Y)，车辆纵轴线与X轴的夹角为φ(车辆横摆角)，则X，Y和φ可以通过下式求得：

其中，X₀,Y₀是t＝0时刻车辆的位置；

根据预瞄点处的位移误差和汽车当前位置的行驶角误差来决定转向盘转角的输入大小：

前视时间T_p的预瞄点处位移误差ε_y由期望路径的侧向位移Y_d、当前时刻车辆质心处的侧向位移Y_d和确定；

转向盘转角可表示为汽车行驶位移误差与方向误差的加权和与驾驶员操作延迟的乘积：

其中：δ_sw为理想方向盘转角；K₁和K₂分别为驾驶员对位移误差和方向误差的补偿增益；τ_d为延迟时间；

2.2实时汽车理想传动比的表达

运算控制器通过综合横摆角速度增益与侧向加速度增益的影响得到线控转向双电机汽车的理想传动比：

其中：C_wr是横摆角速度增益对应的系数，取值范围为3.03–6.25，C_ay是侧向加速度增益对应的系数，取值范围0.16–0.22；

2.3运算控制器将实时转向盘δ_sw代入逆向理想输入模型，获得转角电机输入理想电流i₂，并进一步传递给转角电机控制器；

理想输入模型表达式推导流程如下：

理想电流与齿条小齿轮转角关系：

将理想电流与齿条小齿轮转角关系式进行拉氏变换：

将稳态时候的状态作为转角电机转角电流的理想输入：

当稳态的时候s＝0,由上式可得：

其中δ_f是前轮转角，δ_sw是转向盘转角，B_R是系统等效阻尼系数，理想传动比i_d，齿条小齿轮转角到转向前轮转角的传动比，T_m2是转角电机的输出转矩，J_m2是转角电机的转动惯量，δ_m2是转角电机的转角，B_m2是转角电机的阻尼，T_g2是转角电机的负载转矩，K_t是转角电机的转矩系数，i₂是转矩电机的电流，G1是二级减速器的减速比，J_R是齿轮齿条系统等效转动惯量，B_R是齿轮齿条系统等效阻尼，T_a是转向车轮的所受的回正力矩，f_p是摩擦阻力矩，η是系统的传递效率；

步骤2.4：

转角电机控制器通过采集单元(前轮转角传感器与转矩传感器)将获得的信号：方向盘转角信号理想值δ_sw、车速信号u、理想横摆角速度、实际横摆角速度信号ω_r传递给鲁棒性控制单元；

步骤3：

鲁棒性控制单元根据汽车实时车速u和前轮转角输入整车转向二自由度模型得到实际横摆角速度ω_r：

式中：m为汽车质量；I_Z为汽车绕z轴的转动惯量；k₁、k₂分别为前后车轮的侧偏刚度；δ_f为前轮转角；a，b分别为前、后轴至车辆质心的距离；u为车辆前进速度；ω_r为横摆角速度；β为质心侧偏角；

同时运算控制器通过实时反应驾驶员意图的理想的转向盘转角信号δ_sw，与车速信号u计算出理想横摆角速度ω_r ^*，并发送给鲁棒性控制单元；

理想横摆角速度

稳定性因素

其中m是汽车的质量，L是汽车的前后轴矩，k₁是汽车前轴车轮的侧偏刚度,k₂是汽车的后轴车轮的侧偏刚度，a是汽车的前轴轴矩,b是汽车的后轴轴矩，K是汽车的稳定性因素，u是汽车的纵向车速；

步骤4：

鲁棒性控制单元获得实际横摆角速度与理想横摆角速度后的综合处理，并把实际横摆角速度与理想横摆角速度差值Δω_r转换成相应的补偿转矩T₁，路面干扰形成的补偿转矩T₂，系统摩擦形成的补偿转矩T₃,考虑系统稳定性控制因素，同时采用μ综合鲁棒控制，提高系统抵抗外界干扰的能力，获得补偿控制策略，传递给补偿控制策略单元；

其中ΔT＝kc*ΔI(18)

ΔT是总的补偿转矩，ΔI是转矩电机的补偿电流；

本实施例中，所述μ综合鲁棒控制根据线控转向双电机横摆角速度的状态空间实现：

控制系统的状态变量为系统的输入为u＝[ΔI]，系统的扰动输入为w＝[I d_r F_yw]^T，系统输出为y＝[r]，则线控转向双电机横摆角速度控制的状态空间实现为：

式中，

/>

其中θ_s2是转角电机作用下的小齿轮转角，θ_s3是转矩电机作用下的小齿轮的转角，B_R是系统等效阻尼系数，齿条小齿轮转角到转向前轮转角的传动比G，I是转角电机的理想输入电流，ΔI是转矩电机补偿电流输入，J_m2是转角电机的转动惯量，J_m3是转矩电机的转动惯量，B_m2是转角电机的阻尼，B_m3是转矩电机的阻尼，K_t是转角电机和转矩电机的转矩系数，G1是二级减速器的减速比，J_R是齿轮齿条系统等效转动惯量，B_R是齿轮齿条系统等效阻尼，f_p是摩擦阻力矩，η＝0.99是系统的传递效率。

结合附图4系统的扰动输入分别为理想横摆角速度ω_r ^*，转角电机A输入电流I，路面干扰力矩dr，和侧向风干扰F_sw。Wd(s)＝[W₁ W₂ W₃]是干扰输入加权函数矩阵，W₁，W₂和W₃分别为I，dr和到Fsw到横摆角速度r的加权函数；为了使系统获得良好的干扰抑制性能，W₁，W₂和W₃的幅频特性应尽量覆盖I，dr和到F_SW到横摆角速度r传递函数的幅频特性,I，dr和到F_SW到横摆角速度r传递函数可以根据提供的状态空间确定；

步骤5：

补偿控制策略单元接受来自鲁棒性控制单元的补偿转矩进行补偿控制策略判定，并将判定结果与适合于判定结果的总的补偿扭矩ΔT传递给转矩电机，通过转矩电机控制器控制转矩电机输出转矩从而对折合到齿条上的转矩进行补偿，从而带动车轮进行补偿运动包括：

补偿控制策略单元接受来自鲁棒性控制单元的补偿转矩进行补偿控制策略判定：

当总的补偿转矩为正值时，可以控制转矩电机进行转矩的补偿：

齿条的运动微分方程为：

式中：m_rack为齿条的质量；y_rack为齿条的位移；r_L为主销轴的偏置；K_L为转向拉杆刚度；B_rack为齿条阻尼系数；F_frrack为系统间的摩擦力,G为双减速器机构的减速比；T_g2是转角电机的输出转矩；T_g3是转矩电机上一时刻的输出转矩：

ΔT＝T₁+T₂+T₃

其中：ΔT是总的补偿转矩，T₁使弥补横摆角速度差值所需的补偿转矩，T₂路面干扰形成的补偿转矩,T₃系统摩擦形成的补偿转矩；

当总的补偿转矩ΔT为负值或0时，不控制转矩电机进行转矩的补偿，齿条的运动微分方程为：

式中：m_rack为齿条的质量；y_rack为齿条的位移；r_L为主销轴的偏置；K_L为转向拉杆刚度；B_rack为齿条阻尼系数；F_frrack为系统间的摩擦力,G为双减速器机构的减速比；T_g2是转角电机的输出转矩；T_g3是转矩电机的输出转矩。

转矩电机根据相应的补偿策略，输出相应的补偿转矩，进而齿轮齿条机构动作，齿轮齿条机构带动前轮进行相应的补偿，从而实现横摆角速度的补偿。

本发明专利具体应用途径很多，以上所述仅是本发明专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，再不脱离本发明专利原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明专利的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于驾驶员行为辨识的线控转向双电机系统的横摆稳定性补偿策略，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1：

在汽车行驶过程中，通过采集单元采集驾驶员的行为信号，方向盘转角传感器的转角信号δ_sw1，车速信号u，转角电机的转角信号θ，转矩电机的转矩信号并传递给运算控制器；

步骤2.1：

运算控制器通过驾驶员行为辨识得到反应驾驶员意图的理想转向盘转角δ_sw；

设车辆质心相对于地面坐标系的位置为(X,Y)，车辆纵轴线与X轴的夹角为φ(车辆横摆角)，则X，Y和φ可以通过下式求得：

其中，X₀,Y₀是t＝0时刻车辆的位置；

根据预瞄点处的位移误差和汽车当前位置的行驶角误差来决定转向盘转角的输入大小：

前视时间T_p的预瞄点处位移误差ε_y由期望路径的侧向位移Y_d、当前时刻车辆质心处的侧向位移Y(t)确定；

转向盘转角可表示为汽车行驶位移误差与方向误差的加权和与驾驶员操作延迟的乘积：

其中：δ_sw为理想方向盘转角；K₁和K₂分别为驾驶员对位移误差和方向误差的补偿增益；τ_d为延迟时间；

步骤2.2：

运算控制器通过综合横摆角速度增益与侧向加速度增益的影响得到线控转向双电机汽车的理想传动比：

其中：C_wr是横摆角速度增益对应的系数，取值范围为3.03–6.25，C_ay是侧向加速度增益对应的系数，取值范围0.16–0.22；

步骤2.3：

运算控制器将理想方向盘转角δ_sw代入逆向理想输入模型(5)，获得转角电机输入理想电流i₂，并进一步传递给转角电机控制器；

其中δ_f是前轮转角，δ_sw是理想方向盘转角,B_R是系统等效阻尼系数，理想传动比i_d，G是齿条小齿轮转角到转向前轮转角的传动比，T_m2是转角电机的输出转矩，J_m2是转角电机的转动惯量，δ_m2是转角电机的转角，B_m2是转角电机的阻尼，T_g2是转角电机的负载转矩，K_t是转角电机的转矩系数，i₂是转矩电机的电流，G1是二级减速器的减速比，J_R是齿轮齿条系统等效转动惯量，T_a是转向车轮的所受的回正力矩，f_p是摩擦阻力矩，η是系统的传递效率；

步骤2.4：

转角电机控制器通过前轮转角传感器与转矩传感器将获得的信号：理想方向盘转角δ_sw、车速信号u、理想横摆角速度、实际横摆角速度信号ω_r传递给鲁棒性控制单元；

步骤3：

鲁棒性控制单元根据汽车车速信号u和前轮转角输入整车转向二自由度模型得到实际横摆角速度ω_r：

式中：m为汽车质量；I_Z为汽车绕z轴的转动惯量；k₁是汽车前轴车轮的侧偏刚度,k₂是汽车的后轴车轮的侧偏刚度；δ_f为前轮转角；a，b分别为前、后轴至车辆质心的距离；u为车速信号；ω_r为横摆角速度；β为质心侧偏角；

同时运算控制器通过实时反应驾驶员意图的理想的理想方向盘转角δ_sw，与车速信号u计算出理想横摆角速度ω_r ^*，并发送给鲁棒性控制单元；

理想横摆角速度

稳定性因素

其中m是汽车的质量，L是汽车的前后轴矩，k₁是汽车前轴车轮的侧偏刚度,k₂是汽车的后轴车轮的侧偏刚度，a是汽车的前轴轴矩,b是汽车的后轴轴矩，K是汽车的稳定性因素，u是车速信号；

步骤4：

鲁棒性控制单元获得实际横摆角速度与理想横摆角速度后的综合处理，并把实际横摆角速度与理想横摆角速度差值Δω_r转换成相应的补偿转矩T₁，路面干扰形成的补偿转矩T₂，系统摩擦形成的补偿转矩T₃,考虑系统稳定性控制因素，同时采用μ综合鲁棒控制，获得补偿控制策略，传递给补偿控制策略单元；

其中ΔT＝kc*ΔI (18)

ΔT是总的补偿转矩，ΔI是转矩电机的补偿电流；

所述μ综合鲁棒控制根据线控转向双电机横摆角速度的状态空间实现：

控制系统的状态变量为系统的输入为u＝[ΔI]，系统的扰动输入为w＝[I d_r F_yw]^T，系统输出为y＝[r]，则线控转向双电机横摆角速度控制的状态空间实现为：

式中，

其中θ_s2是转角电机作用下的小齿轮转角，θ_s3是转矩电机作用下的小齿轮的转角,B_R是系统等效阻尼系数，齿条小齿轮转角到转向前轮转角的传动比G，I是转角电机的理想输入电流，ΔI是转矩电机补偿电流输入，J_m2是转角电机的转动惯量，J_m3是转矩电机的转动惯量，B_m2是转角电机的阻尼，B_m3是转矩电机的阻尼，K_t是转角电机和转矩电机的转矩系数，G1是二级减速器的减速比，J_R是齿轮齿条系统等效转动惯量，f_p是摩擦阻力矩，η＝0.99是系统的传递效率；步骤5：

补偿控制策略单元接受来自鲁棒性控制单元的补偿转矩进行补偿控制策略判定：

当总的补偿转矩为正值时，控制转矩电机进行转矩的补偿：

齿条的运动微分方程为：

式中：m_rack为齿条的质量；y_rack为齿条的位移；r_L为主销轴的偏置；K_L为转向拉杆刚度；B_rack为齿条阻尼系数；F_frrack为系统间的摩擦力,G为齿条小齿轮转角到转向前轮转角的传动比；T_g2是转角电机的输出转矩；T_g3是转矩电机上一时刻的输出转矩：

ΔT＝T₁+T₂+T₃ (24)

其中：ΔT是总的补偿转矩，T₁使弥补横摆角速度差值所需的补偿转矩，T₂路面干扰形成的补偿转矩,T₃系统摩擦形成的补偿转矩；

当总的补偿转矩ΔT为负值或0时，不控制转矩电机进行转矩的补偿，齿条的运动微分方程为：

式中：m_rack为齿条的质量；y_rack为齿条的位移；r_L为主销轴的偏置；K_L为转向拉杆刚度；B_rack为齿条阻尼系数；F_frrack为系统间的摩擦力,G为齿条小齿轮转角到转向前轮转角的传动比；T_g2是转角电机的输出转矩；T_g3是转矩电机的输出转矩。

2.如权利要求1所述基于驾驶员行为辨识的线控转向双电机系统的横摆稳定性补偿策略的专用线控转向双电机系统，其特征在于，该系统包括：采集单元、中央控制器、转向盘总成和前轮转向总成；

所述采集单元包括：转向盘转角传感器(4)，转向盘力矩传感器(5)，前轮转角传感器(9)，转矩传感器(12)，车速传感器(19)，侧向加速度传感器(20)和横摆角速度传感器(21)；

所述中央控制器包括运算控制器(7)、鲁棒性控制及补偿单元(18)；所述鲁棒性控制及补偿单元(18)包括鲁棒性控制单元和补偿控制策略单元；

所述转向盘总成包括依次连接的转向盘(1)、转向柱(2)、路感电机(3)和路感电机控制器(6)；

所述前轮转向总成包括依次连接的转角电机控制器(8)，转角电机(10)，双级减速器(11)，转矩电机控制器(16)，转矩电机(13)，减速器(14)，齿轮齿条机构(15)，前轮(17)；

其中，转向盘(1)通过转向杆柱(2)与路感电机(3)及转向盘转角传感器(4)相连接，转向盘力矩传感器(5)安装在转向杆柱(2)上；路感电机控制器(6)安装在路感电机(3)上，并与转向盘力矩传感器(5)相接；

齿轮齿条转向器(15)分别与转角电机(10)、转矩电机(13)、双级减速器(11)、减速器(14)相连接，前轮(17)安装在齿轮齿条转向器(15)的两侧；前轮转角传感器(9)安装在前轮(17)上；前轮转角传感器(9)与转矩传感器(12)连接总线，将转角电机控制器(8)及转矩电机控制器(16)的信号输入到总线中，再通过总线传输到鲁棒性控制及补偿单元(18)中；转角电机(10)及双级减速器(11)均与转角电机控制器(8)相连接，转矩电机(13)及减速器(14)均与转矩电机控制器(16)相连接；

侧向加速度传感器(20)和横摆角速度传感器(21)均安装在前轮(17)上，侧向加速度传感器(20)和横摆角速度传感器(21)均分别与鲁棒性控制及补偿单元(18)连接；

鲁棒性控制及补偿的单元(18)与路感控制器(6)分别与总线相连接，鲁棒性控制及补偿的单元(18)与转矩电机控制器(16)，转角电机控制器(8)，前轮转角传感器(9)，转矩传感器(12)及运算控制器(7)分别连接。