CN110077418A - 考虑驾驶员特性的差动辅助转向与共享控制系统建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑驾驶员特性的差动辅助转向与共享控制系统建模方法。本发明的方法包括步骤(a)建立二自由度的车辆动力学简化模型和车辆质心位置在惯性空间下的坐标模型；(b)建立车辆轮胎的侧向力的简化模型；(c)建立车辆转向系统的转向柱动力学模型；(d)建立差动辅助系统作用下的驾驶员模型。本发明通过安装在转向柱上的转角传感器和扭矩传感器检测检测方向盘的角位移和作用于方向盘的力矩，将检测结果与车速、期望路径相结合，并考虑驾驶员特性按照一定的控制算法控制轮毂电机输出相应的差动力矩来辅助驾驶员更好的驾驶车辆。

Description

考虑驾驶员特性的差动辅助转向与共享控制系统建模方法

技术领域：

本发明涉及一种考虑驾驶员特性的差动辅助转向系统与共享控制模型建模方法，属于智能驾驶技术领域。

背景技术：

随着汽车数量的急剧上升和道路交通环境日益复杂，随之而来的是各种驾驶员操作失误引起的交通事故。统计资料表明，百分之八十以上的交通事故由驾驶员因素造成，其中包括驾驶时间过长，疲劳过度导致不能集中注意力以及心理素质不够导致危险时刻操作不当等等，因此对驾驶员辅助系统的研究尤为重要。

轮毂电机独立驱动车辆作为一种潜在的车辆结构，受到广大研究学者的青睐。由于轮毂驱动车辆的电机可以为车辆运动控制提供独立且灵活的驱动，以获得精确的扭矩响应。故选择具有更好驱动冗余和灵活性的差动转向作为辅助转向系统。

车辆的转向系统由机械转向系统，方向盘转角传感器，扭矩传感器，电子控制单元，车速传感器，差动辅助系统控制器，转向助力电机及其减速机构，轮毂驱动电机等组成。差动辅助转向系统的工作原理是通过安装在转向柱上的转角传感器和扭矩传感器检测方向盘的角位移和作用于方向盘的力矩，将检测结果与车速、期望路径相结合，并考虑驾驶员特性按照一定的控制算法控制轮毂电机输出相应的差动力矩来辅助驾驶员更好的驾驶车辆。

差动辅助系统工作时，差动力矩产生转向角的同时会有力矩反馈到方向盘上干扰驾驶员。故需要考虑驾驶员手臂阻抗模型的等效转动惯量，等效阻尼和等效刚度特性，从而减少了对驾驶员操作的影响，解决了差动辅助系统与驾驶员共享控制的问题。

因此，需要一种考虑驾驶员特性的差动辅助转向系统与共享控制模型建模方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的问题，提供一种考虑驾驶员特性的差动辅助转向系统与共享控制模型建模方法，该方法通过安装在转向柱上的转角传感器和扭矩传感器检测检测方向盘的角位移和作用于方向盘的力矩，将检测结果与车速、期望路径相结合，并考虑驾驶员特性按照一定的控制算法控制轮毂电机输出相应的差动力矩来辅助驾驶员更好的驾驶车辆。

上述的目的通过以下技术方案实现：

考虑驾驶员特性的差动辅助转向与共享控制系统建模方法，该方法包括以下步骤：

(a)建立二自由度的车辆动力学简化模型和车辆质心位置在惯性空间下的坐标模型；

(b)建立车辆轮胎的侧向力的简化模型；

(c)建立车辆转向系统的转向柱动力学模型；

(d)建立差动辅助系统作用下的驾驶员模型。

所述的考虑驾驶员特性的差动辅助转向与共享控制系统建模方法，步骤(a)所述的二自由度的车辆动力学简化模型：

车辆质心位置在惯性空间下的坐标模型：

式中，m为整车的质量；V_x和V_y分别为车辆质心的纵向以及侧向速度，为车辆质心的侧向加速度；F_yf和F_yr分别为车辆前后横向轮胎力；F_xfr和F_xfl分别为车辆左前轮胎和右前轮胎的纵向轮胎力；r和分别为车辆的横摆角速度和横摆角加速度；I_z为绕Z轴的转动惯量及横摆转动惯量；l_f和l_r分别为车辆质心到前后轴的距离；M_c为左前轮胎和右前轮胎之间的不同纵向轮胎力产生的直接横摆力矩；T_c为差动辅助系统在转向系上提供的差动驱动力矩；l_s为车辆前轮轮距的一半；r_σ为车辆的主销偏移距；X和Y分别为车辆质心的纵向和侧向位置；为车辆的横摆角,β为车辆的质心侧偏角；V_r和V_f分别为车辆后轮和前轮的速度；F_xr和F_xf分别为车辆前轮纵向轮胎力之和和车辆后轮纵向胎力之和。

所述的考虑驾驶员特性的差动辅助转向与共享控制系统建模方法，步骤(b)所述的车辆轮胎的侧向力的简化模型：

式中，C_f和C_r分别为车辆前轮胎和后轮胎的转弯刚度；α_f和α_r分别为车辆前轮胎和后轮胎的滑移角度；δ_f为车辆前轮的转向角度。

所述的考虑驾驶员特性的差动辅助转向与共享控制系统建模方法，步骤(c)所述的车辆转向系统的转向柱动力学模型：

式中，J_s和B_s分别为车辆转向系统的等效转动惯量和等效阻尼；θ_s为车辆转向柱的转向角度；和分别为车辆转向柱的转向角速度和转向角加速度；T_d为驾驶员施加在方向盘上的扭矩；T_s为扭矩传感器测得的转向柱扭矩；为在转向助力作用时驾驶员从道路(转向感觉)接收的一部分扭矩反馈；r_p和l_n分别为转向系统中小齿轮的半径和转向节臂的长度。

所述的考虑驾驶员特性的差动辅助转向与共享控制系统建模方法，步骤(d)所述的差动辅助系统作用下的驾驶员模型：

式中，T_d,s和T_d,c分别为车辆行驶过程中驾驶员作用在方向盘上的期望扭矩和差动辅助系统工作时驾驶员手臂为了适应方向盘而产生的额外扭矩；k_ds为车辆行驶过程中驾驶员转向动作的控制增益；θ_sw为车辆行驶过程中驾驶员作用在方向盘上的期望转向角；Y_p为车辆质心的期望侧向位置；J_d、B_d和k_d分别为差动辅助系统工作时驾驶员在放松状态下手臂阻抗模型的等效转动惯量，等效阻尼和等效刚度特性；a₀为单点预瞄驾驶员模型中的固定常数；T_e和T_p分别为单点预瞄驾驶员模型的延迟时间和预瞄时间；G_h为单点预瞄驾驶员模型的转向比例增益；T_e、T_p和G_h都是描述单点预瞄驾驶员特性的参数。

有益效果：

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

由于本发明根据二自由度的车辆动力学简化模型、车辆质心位置在惯性空间下的坐标模型、车辆轮胎的侧向力的简化模型、车辆转向系统的转向柱动力学模型以及建立差动辅助系统作用下的驾驶员模型，建立考虑驾驶员特征的差动辅助转向系统与共享控制模型。在模型中，考虑了差动辅助系统与驾驶员之间会相互干扰，故将驾驶员的一种手臂阻抗模型的等效转动惯量，等效阻尼和等效刚度特性代入差动辅助系统模型建立中。减少或去除驾驶员与差动辅助系统之间的相互干扰，提升驾驶员的驾驶体验，同时也提高行车安全性。

附图说明

图1是二自由度车辆简化模型图。

图2是是配备差动辅助系统的车辆转向机构图。

图3是单点预瞄驾驶员模型图。

图4是考虑驾驶员特性的差动辅助系统与驾驶员的共享路径跟踪控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明的技术方案作进一步的说明。

参照图1-4。

本发明提供了一种考虑驾驶员特性的差动辅助转向系统与共享控制模型建立方法，主要对转向系统中扭矩传递的分析，然后考虑驾驶员手臂对差动辅助力矩反应时手臂阻抗特性，建立共享控制模型，用来减少或去除驾驶员与差动辅助系统之间的干扰。

本发明采用仅考虑横向和横摆运动的二自由度车辆简化模型，忽略车辆侧倾，垂直和俯仰运动，并假设车辆纵向速度是恒定的。根据绝对坐标系给出车辆的位置坐标系，其中X和Y分别表示车辆在绝对坐标系中的纵向位置和侧向位置。

通过车辆在平整道路上的受力分析，根据车辆受力平衡和力矩平衡，建立横向和横摆运动的车辆动力学模型以及车辆质心位置在惯性空间下的坐标模型，具体表示如下：

式中，m为整车的质量；V_x和V_y分别为车辆质心的纵向以及侧向速度，为车辆质心的侧向加速度；F_yf和F_yr分别为车辆前后横向轮胎力；F_xfr和F_xfl分别为车辆左前轮胎和右前轮胎的纵向轮胎力；r和分别为车辆的横摆角速度和横摆角加速度；I_z为绕Z轴的转动惯量及横摆转动惯量；l_f和l_r分别为车辆质心到前后轴的距离；M_c为左前轮胎和右前轮胎之间的不同纵向轮胎力产生的直接横摆力矩；T_c为差动辅助系统在转向系上提供的差动驱动力矩；l_s为车辆前轮轮距的一半；r_σ为车辆的主销偏移距；X和Y分别为车辆质心的纵向和侧向位置；为车辆的横摆角,β为车辆的质心侧偏角；V_r和V_f分别为车辆后轮和前轮的速度；F_xr和F_xf分别为车辆前轮纵向轮胎力之和和车辆后轮纵向胎力之和。

进一步地，轮胎与地面的作用力是影响车辆性能的主要因素，本发明考虑当侧偏角小于4度，侧向加速度小于0.4g时，轮胎的侧向力可假设与侧偏角之间呈线性关系，故车辆轮胎的侧向力的简化模型可表示如下：

式中，C_f和C_r分别为车辆前轮胎和后轮胎的转弯刚度；α_f和α_r分别为车辆前轮胎和后轮胎的滑移角度；δ_f为车辆前轮的转向角度；

由于机械转向系统动力学分析较复杂，更进一步地，本发明将对转向柱的动力学进行重点分析，车辆转向系统的转向柱动力学模型如下：

式中，J_s和B_s分别为车辆转向系统的等效转动惯量和等效阻尼；θ_s为车辆转向柱的转向角度；和分别为车辆转向柱的转向角速度和转向角加速度；T_d为驾驶员施加在方向盘上的扭矩；T_s为扭矩传感器测得的转向柱扭矩；为在转向助力作用时驾驶员从道路(转向感觉)接收的一部分扭矩反馈；r_p和l_n分别为转向系统中小齿轮的半径和转向节臂的长度。

更进一步地，当差动辅助系统工作时，驾驶员的转向扭矩被认为由两部分组成，第一部分是驾驶员根据道路情况施加的期望方向盘转向扭矩，第二部分是差动辅助系统工作时驾驶员握住方向盘手臂产生的扭矩。故差动辅助系统作用下的驾驶员模型可以表示如下：

式中，T_d,s和T_d,c分别为车辆行驶过程中驾驶员作用在方向盘上的期望扭矩和差动辅助系统工作时驾驶员手臂为了适应方向盘而产生的额外扭矩；k_ds为车辆行驶过程中驾驶员转向动作的控制增益；θ_sw为车辆行驶过程中驾驶员作用在方向盘上的期望转向角；Y_p为车辆质心的期望侧向位置；J_d、B_d和k_d分别为差动辅助系统工作时驾驶员在放松状态下手臂阻抗模型的等效转动惯量，等效阻尼和等效刚度特性；a₀为单点预瞄驾驶员模型中的固定常数；T_e和T_p分别为单点预瞄驾驶员模型的延迟时间和预瞄时间；G_h为单点预瞄驾驶员模型的转向比例增益；T_e、T_p和G_h都是描述单点预瞄驾驶员特性的参数。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种考虑驾驶员特性的差动辅助转向与共享控制系统建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(a)建立二自由度的车辆动力学简化模型和车辆质心位置在惯性空间下的坐标模型；

(b)建立车辆轮胎的侧向力的简化模型；

(c)建立车辆转向系统的转向柱动力学模型；

(d)建立差动辅助系统作用下的驾驶员模型。

2.根据权利要求1所述的考虑驾驶员特性的差动辅助转向与共享控制系统建模方法，其特征在于，步骤(a)所述的二自由度的车辆动力学简化模型：

车辆质心位置在惯性空间下的坐标模型：

式中，m为整车的质量；V_x和V_y分别为车辆质心的纵向以及侧向速度，为车辆质心的侧向加速度；F_yf和F_yr分别为车辆前后横向轮胎力；F_xfr和F_xfl分别为车辆左前轮胎和右前轮胎的纵向轮胎力；r和分别为车辆的横摆角速度和横摆角加速度；I_z为绕Z轴的转动惯量及横摆转动惯量；l_f和l_r分别为车辆质心到前后轴的距离；M_c为左前轮胎和右前轮胎之间的不同纵向轮胎力产生的直接横摆力矩；T_c为差动辅助系统在转向系上提供的差动驱动力矩；l_s为车辆前轮轮距的一半；r_σ为车辆的主销偏移距；X和Y分别为车辆质心的纵向和侧向位置；为车辆的横摆角,β为车辆的质心侧偏角；V_r和V_f分别为车辆后轮和前轮的速度；F_xr和F_xf分别为车辆前轮纵向轮胎力之和和车辆后轮纵向胎力之和。

3.根据权利要求1所述的考虑驾驶员特性的差动辅助转向与共享控制系统建模方法，其特征在于，步骤(b)所述的车辆轮胎的侧向力的简化模型：

式中，C_f和C_r分别为车辆前轮胎和后轮胎的转弯刚度；α_f和α_r分别为车辆前轮胎和后轮胎的滑移角度；δ_f为车辆前轮的转向角度。

4.根据权利要求1所述的考虑驾驶员特性的差动辅助转向与共享控制系统建模方法，其特征在于，步骤(c)所述的车辆转向系统的转向柱动力学模型：

式中，J_s和B_s分别为车辆转向系统的等效转动惯量和等效阻尼；θ_s为车辆转向柱的转向角度；和分别为车辆转向柱的转向角速度和转向角加速度；T_d为驾驶员施加在方向盘上的扭矩；T_s为扭矩传感器测得的转向柱扭矩；为在转向助力作用时驾驶员从道路(转向感觉)接收的一部分扭矩反馈；r_p和l_n分别为转向系统中小齿轮的半径和转向节臂的长度。

5.根据权利要求1所述的考虑驾驶员特性的差动辅助转向与共享控制系统建模方法，其特征在于，步骤(d)所述的差动辅助系统作用下的驾驶员模型：

式中，T_d,s和T_d,c分别为车辆行驶过程中驾驶员作用在方向盘上的期望扭矩和差动辅助系统工作时驾驶员手臂为了适应方向盘而产生的额外扭矩；k_ds为车辆行驶过程中驾驶员转向动作的控制增益；θ_sw为车辆行驶过程中驾驶员作用在方向盘上的期望转向角；Y_p为车辆质心的期望侧向位置；J_d、B_d和k_d分别为差动辅助系统工作时驾驶员在放松状态下手臂阻抗模型的等效转动惯量，等效阻尼和等效刚度特性；a₀为单点预瞄驾驶员模型中的固定常数；T_e和T_p分别为单点预瞄驾驶员模型的延迟时间和预瞄时间；G_h为单点预瞄驾驶员模型的转向比例增益；T_e、T_p和G_h都是描述单点预瞄驾驶员特性的参数。