CN109664939B

CN109664939B - 一种线控转向系统及其控制方法

Info

Publication number: CN109664939B
Application number: CN201910015201.1A
Authority: CN
Inventors: 钱兴国; 王春燕; 赵万忠; 汪秋伊; 王衍圣; 鲁广超; 吴刚; 颜伸翔; 施帅朋
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2019-01-08
Filing date: 2019-01-08
Publication date: 2023-05-12
Anticipated expiration: 2039-01-08
Also published as: CN109664939A

Abstract

本发明公开了一种线控转向系统及其控制方法，包含转向盘、转向轴、力矩传感器、路感电机、路感电机控制器、车速传感器、电子稳定单元、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、路面系数估计单元、转向电机控制器、转向电机、转向器、前轮转角传感器和蜂鸣器。本发明通过采集前轮转角、横摆角速度、侧向加速度和车速判断车辆状态。根据车辆的实时状态，判断出车辆处于的危险程度，对驾驶员指令做出准确的响应。本发明有效避免了驾驶员操作不当以及恶劣条件下路面附着条件的影响导致发生侧滑或者侧翻事故的现象，能够提高弯道工况下汽车的安全性，提高汽车行驶过程的稳定性和安全性。

Description

一种线控转向系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及汽车安全领域，尤其涉及一种线控转向系统及其控制方法。

背景技术

转向系统是汽车的关键部件之一，它不仅能保证汽车能按驾驶员的意志进行转向行驶，还关系到汽车的操纵稳定性。如何合理地设计转向系统，使汽车具有更好更稳定的操纵性，始终是设计人员研究的重要课题。在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人群，汽车的易操纵性设计变得极为重要。线控转向系统的发展正是迎合了这种客观需求，是继电动助力转向系统后发展起来的新一代转向系统。

线控转向系统SBW具有可变传动比，如遇紧急情况可快速响应。此外SBW还具有结构简单、便于维护和实现汽车的轻量化、节能等优点，同时还有利于和其他系统集成并进行统一协调与控制，提高汽车安全性和舒适性。虽然SBW取消了机械连接，但路感作为驾驶员驾驶过程中必不可少的部分，可帮助驾驶员更好的掌握当前的路面情况，为此，SBW系统专门用一个电机给驾驶员提供路感。并且伴随国家层面上对线控技术的重视以及《中国制造2025》的出台，线控转向显然已成为当今汽车转向系统的研究热点和未来汽车转向系统的发展的必然趋势，并且随着各大高校、科研院所以及相关企业大量深入的研究，线控转向技术势必会得到较为快速的发展和推广使用，市场应用前景非常可观。

侧滑和侧翻是车辆行驶过程中一种较为危险的行驶状态，汽车在弯道工况下，由于驾驶员操作不当以及恶劣条件下路面附着条件的影响，往往容易导致发生侧滑或者侧翻事故。以线控转向系统为新的防侧滑及侧翻的控制方法旨在降低车辆转弯时存在的风险，预防交通事故的发生，切实提高车辆的安全性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种线控转向系统及其控制方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种线控转向系统，包含转向盘、转向轴、力矩传感器、路感电机、路感电机控制器、车速传感器、电子稳定单元、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、路面系数估计单元、转向电机控制器、转向电机、转向器、前轮转角传感器和蜂鸣器；

所述转轴一端和所述转向盘的转轴固连，另一端和所述路感电机的输出轴固连；

所述的力矩传感器设置在所述转向轴上，用于感应转向轴的受力力矩并将其传递给所述电子稳定单元；

所述车速传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、路面系数估计单元均设置在车身上，分别用于获得车辆的车速、侧向加速度、横摆角速度和路面附着系数，并将其传递给所述电子稳定单元；

所述前轮转角传感器设置在车辆的一个前轮上，用于获得汽车的前轮转角，并将其传递给所述电子稳定单元；

所述转向电机通过所述转向器和汽车的前轴相连，用于控制汽车两个前轮的转向；

所述路感电机控制器分别和所述电子稳定单元、路感电机相连，用于根据电子稳定单元的指令控制路感电机工作；

所述转向电机控制器分别和所述电子稳定单元、转向电机相连，用于根据电子稳定单元的指令控制转向电机工作；

所述电子稳定单元分别和所述力矩传感器、车速传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、路面系数估计单元、前轮转角传感器、路感电机控制器、转向电机控制器、蜂鸣器相连，用于根据力矩传感器、车速传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、路面系数估计单元、前轮转角传感器的感应数据控制路感电机控制器、转向电机控制器、蜂鸣器工作。

本发明还公开了一种该线控转向系统的防侧翻及防侧滑方法，包括以下步骤：

步骤1)，力矩传感器、车速传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、路面系数估计单元、前轮转角传感器分别感应车辆的转向轴的受力力矩、车速、侧向加速度a_y、横摆角速度、路面附着系数、车辆前轮转角，并将其传递给电子稳定单元；

步骤2)，电子稳定单元根据接收到的转向轴受力力矩、车速、路面附着系数计算相应的目标回正力矩和车辆前轮目标转角，并发出相应指令给路感电机控制器、转向电机控制器，使得路感电机输出目标回正力矩、转向电机控制车辆前轮根据车辆前轮目标转角转动；

步骤3)，电子稳定单元根据以下公式计算侧滑临界加速度a_ych：

a_ych＝ug

式中，u为路面附着系数，g为重力加速度；

步骤4)，电子稳定单元根据以下公式计算侧翻临界加速度a_ycf：

式中，m为整车质量，T为汽车轮距，m_s为簧上质量，e为簧载质量到侧倾中心的距离，k为侧倾角速度增益，h为簧载质量高度，LTR为预设的横向载荷转移率；

步骤5)，电子稳定单元将侧滑临界加速度与侧翻临界加速度作比较：

步骤5.1)，当a_ych小于a_ycf、即

时，汽车更容易发生侧滑，此时：

步骤5.1.1)，如果0.85a_ych＜a_y≤a_ych，电子稳定单元控制蜂鸣器预警，提示驾驶员汽车处于即将侧滑状态；

步骤5.1.2)，如果a_ych＜a_y≤a_ycf，电子稳定单元控制蜂鸣器预警，提示驾驶员汽车处于即将侧翻状态，此外，电子稳定单元通过路感电机控制器控制路感电机提供预设的第一附加回正力矩，以增加驾驶员转弯沉重感；

步骤5.1.3)，如果a_ycf＜a_y，电子稳定单元控制蜂鸣器报警，提示驾驶员汽车处于侧翻危险状态，此外，电子稳定单元通过路感电机控制器控制路感电机提供预设的第二附加回正力矩，并通过转向电机控制器控制转向电机输出预设的附加前轮转角，直至a_y小于等于0.98a_ycf；所述预设的第二附加回正力矩大于预设的第一附加回正力矩；

步骤5.2)，当a_ych大于a_ycf、即

时，汽车更容易发生侧翻，此时：

步骤5.2.1)，如果0.9a_ycf＜a_y≤a_ycf，电子稳定单元控制蜂鸣器预警，提示驾驶员汽车处于即将侧翻状态，此外，电子稳定单元通过路感电机控制器控制路感电机提供预设的第一附加回正力矩，以增加驾驶员转弯沉重感；

步骤5.2.2)，如果a_ycf＜a_y≤a_ych，电子稳定单元控制蜂鸣器报警，提示驾驶员汽车处于侧翻危险状态，此外，电子稳定单元通过路感电机控制器控制路感电机提供预设的第二附加回正力矩，并通过转向电机控制器控制转向电机输出预设的附加前轮转角，直至a_y小于等于0.98a_ycf。

作为本发明一种线控转向系统的防侧翻及防侧滑方法进一步的优化方案，所述步骤4)中，LTR＝1。

作为本发明一种线控转向系统的防侧翻及防侧滑方法进一步的优化方案，所述步骤5.1.1)中，电子稳定单元通过控制蜂鸣器发出一长一短声音、持续时间1.5s，来提示驾驶员汽车处于即将侧滑状态。

作为本发明一种线控转向系统的防侧翻及防侧滑方法进一步的优化方案，所述步骤5.1.2)和步骤5.2.1)中，电子稳定单元控制蜂鸣器发出两长一短声音、持续时间2s，来提示驾驶员汽车处于即将侧翻状态。

作为本发明一种线控转向系统的防侧翻及防侧滑方法进一步的优化方案，所述步骤5.1.3)和步骤5.2.2)中，电子稳定单元控制蜂鸣器发出三长一短声音，来提示驾驶员汽车处于侧翻危险状态。

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：

本发明降低了车辆转弯时存在的风险，能够预防交通事故的发生，切实提高了车辆的安全性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中方法的流程示意图。

图中，1-转向盘，2-力矩传感器，3-路感电机，4-路感电机控制器，5-车速传感器，6-电子稳定单元，7-侧向加速度传感器，8-横摆角速度传感器，9-路面系数估计单元，10-转向电机控制器，11-转向电机，12-转向器，13-前轮，14-前轮转角传感器，15-蜂鸣器。

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：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种线控转向系统，包含转向盘、转向轴、力矩传感器、路感电机、路感电机控制器、车速传感器、电子稳定单元、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、路面系数估计单元、转向电机控制器、转向电机、转向器、前轮转角传感器和蜂鸣器；

转轴一端和转向盘的转轴固连，另一端和路感电机的输出轴固连；

力矩传感器设置在转向轴上，用于感应转向轴的受力力矩并将其传递给电子稳定单元；

车速传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、路面系数估计单元均设置在车身上，分别用于获得车辆的车速、侧向加速度、横摆角速度和路面附着系数，并将其传递给电子稳定单元；

前轮转角传感器设置在车辆的一个前轮上，用于获得汽车的前轮转角，并将其传递给电子稳定单元；

转向电机通过转向器和汽车的前轴相连，用于控制汽车两个前轮的转向；

路感电机控制器分别和电子稳定单元、路感电机相连，用于根据电子稳定单元的指令控制路感电机工作；

转向电机控制器分别和电子稳定单元、转向电机相连，用于根据电子稳定单元的指令控制转向电机工作；

电子稳定单元分别和力矩传感器、车速传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、路面系数估计单元、前轮转角传感器、路感电机控制器、转向电机控制器、蜂鸣器相连，用于根据力矩传感器、车速传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、路面系数估计单元、前轮转角传感器的感应数据控制路感电机控制器、转向电机控制器、蜂鸣器工作。

汽车处于转弯工况下，电子稳定单元从侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、车速传感器、路面系数估计单元获得侧向加速度信号、横摆角速度信号、车速信号、路面附着系数。

电子稳定单元根据接收到的转向轴受力力矩、车速、路面附着系数计算相应的目标回正力矩和车辆前轮目标转角，并发出相应指令给路感电机控制器、转向电机控制器，使得路感电机输出目标回正力矩、转向电机控制车辆前轮根据车辆前轮目标转角转动。

此外，电子稳定单元将实际的侧向加速度与侧滑临界加速度，侧翻临界加速度作比较，启动不同的控制模式。多模式具体包括预警、预警+部分控制和预警+完全控制三种电子稳定模式。在预警模式中，驾驶员对汽车进行完全控制，预警+部分控制，驾驶员对汽车拥有优先控制权，预警+完全控制，电子稳定单元对汽车拥有优先控制权。

如图2所示，汽车转弯过程中，电子稳定单元从侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、车速传感器、路面系数估计单元获得侧向加速度信号、横摆角速度信号、车速信号、路面附着系数。将实际的侧向加速度与侧滑临界加速度，侧翻临界加速度做比较。

侧滑临界加速度计算方法为：

a_ych＝ug

式中，a_ych为侧滑临界加速度，u为路面附着系数，g为重力加速度。

侧翻临界加速度计算方法为：

式中，a_ycf为侧翻临界加速度，m为整车质量，T为汽车轮距，m_s为簧上质量，e为簧载质量到侧倾中心的距离，k为侧倾角速度增益，h为簧载质量高度，LTR为横向载荷转移率，在此设置为1。

将侧滑临界加速度与侧翻临界加速度作比较，得到不同路面附着系数下，汽车转弯工况下状态变化。

当a_ych小于a_ycf、即

时，即路面附着系数较低时，汽车更容易发生侧滑，当a_ych大于a_ycf、即

即路面附着系数较高时，汽车更容易发生侧翻。

汽车更容易发生侧滑事故。令汽车的侧向加速度为a_y，当0.85a_ych＜a_y≤a_ych，预警模式启动。该模式下，电子稳定单元控制蜂鸣器预警，蜂鸣器15发出一长一短声音，持续时间1.5s，提示驾驶员汽车处于即将侧滑状态，但此时汽车仍处于安全行驶状态。

当a_ych＜a_y≤a_ycf，预警+部分控制启动。该模式下，电子稳定单元控制蜂鸣器预警，蜂鸣器发出两长一短声音，持续时间2s。电子稳定单元控制路感电机提供预设的第一附加回正力矩，增加驾驶员转弯沉重感，与蜂鸣器同时工作，提示驾驶员汽车处于危险状态，建议其增加转弯半径，但驾驶员依然拥有控制优先权。

当a_ycf＜a_y，完全控制启动。该模式下，电子稳定单元对汽车拥有优先控制权，控制蜂鸣器报警，蜂鸣器发出三长一短，控制路感电机控制器提供预设的第二附加回正力矩，提示驾驶员汽车处于侧翻危险状态，控制转向电机控制器，输出预设的附加前轮转角，修正驾驶员行驶错误，防止汽车侧翻，降低侧向加速度a_y至0.98a_ycf，此时解除警报，驾驶员恢复控制权。预设的第二附加回正力矩大于预设的第一附加回正力矩。

汽车更容易发生侧翻事故。0.9a_ycf＜a_y≤a_ycf，预警+部分控制启动。该模式下，电子稳定单元控制蜂鸣器预警，蜂鸣器15两长一短，持续时间2s。电子稳定单元控制路感电机提供预设的第一附加回正力矩，增加驾驶员转弯沉重感，与蜂鸣器同时工作，提示驾驶员汽车处于危险状态，建议其增加转弯半径，但驾驶员依然拥有控制优先权。

a_ycf＜a_y≤a_ych，完全控制启动。该模式下，电子稳定单元对汽车拥有优先控制权，控制蜂鸣器报警，蜂鸣器三长一短，控制路感电机控制器提供预设的第二附加回正力矩，提示驾驶员汽车处于侧翻状态，控制转向电机控制器，输出预设的附加前轮转角，修正驾驶员行驶错误，防止汽车侧翻，降低侧向加速度a_y至0.98a_ycf，此时解除警报，驾驶员恢复控制权。

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

1.一种线控转向系统的防侧翻及防侧滑方法，所述线控转向系统包含转向盘、转向轴、力矩传感器、路感电机、路感电机控制器、车速传感器、电子稳定单元、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、路面系数估计单元、转向电机控制器、转向电机、转向器、前轮转角传感器和蜂鸣器；

所述转向轴一端和所述转向盘的转轴固连，另一端和所述路感电机的输出轴固连；

所述电子稳定单元分别和所述力矩传感器、车速传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、路面系数估计单元、前轮转角传感器、路感电机控制器、转向电机控制器、蜂鸣器相连，用于根据力矩传感器、车速传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、路面系数估计单元、前轮转角传感器的感应数据控制路感电机控制器、转向电机控制器、蜂鸣器工作；

其特征在于，所述线控转向系统的防侧翻及防侧滑方法包括以下步骤：

a_ych＝ug

式中，u为路面附着系数，g为重力加速度；

步骤5.1)，当a_ych小于a_ycf、即

时，汽车更容易发生侧滑，此时：

步骤5.2)，当a_ych大于a_ycf、即

时，汽车更容易发生侧翻，此时：

2.根据权利要求1所述的线控转向系统的防侧翻及防侧滑方法，其特征在于，所述步骤4)中，LTR＝1。

3.根据权利要求1所述的线控转向系统的防侧翻及防侧滑方法，其特征在于，所述步骤5.1.1)中，电子稳定单元通过控制蜂鸣器发出一长一短声音、持续时间1.5s，来提示驾驶员汽车处于即将侧滑状态。

4.根据权利要求1所述的线控转向系统的防侧翻及防侧滑方法，其特征在于，所述步骤5.1.2)和步骤5.2.1)中，电子稳定单元控制蜂鸣器发出两长一短声音、持续时间2s，来提示驾驶员汽车处于即将侧翻状态。

5.根据权利要求1所述的线控转向系统的防侧翻及防侧滑方法，其特征在于，所述步骤5.1.3)和步骤5.2.2)中，电子稳定单元控制蜂鸣器发出三长一短声音，来提示驾驶员汽车处于侧翻危险状态。