CN110155161B - 一种线性转向汽车的方向盘主动回正控制方法 - Google Patents

一种线性转向汽车的方向盘主动回正控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种线控转向汽车的方向盘主动回正控制方法及汽车，包括：方向盘位置控制和回正速度控制。其中，方向盘位置控包括根据回正角度差值变化的非线性转角因子kx；方向盘回正速度控制包括随当前车速变化的非线性车速因子kv、随驾驶员手力变化的非线性手力因子kT、期望回正角速度
Figure DDA0002076089660000011
以及回正转矩系数kr，本发明可以根据包括车速在内的车辆行驶状态及驾驶员手力平顺回正。

Description

一种线性转向汽车的方向盘主动回正控制方法
技术领域
本发明涉及汽车线控转向领域，具体涉及一种线控转向方向盘的主动回正控制技术。
背景技术
线控技术源于1972年应用在航天科技上的电传操纵系统，随着电子技术、计算机技术的不断发展，各大汽车公司纷纷展开线控转向技术的研究。
线控转向技术(Steer-by-Wire)能够有效降低整车重量，使整车布置更加方便。此外，线控技术能够实现优于传统机械系统的控制，显著提高车辆的动态性能。
在欧洲，1998年，德国ZF公司进行了线控转向系统的研发，Fiat、Volvo、Daimler-Chrysler和Ford Europe等汽车公司和Vienna、Chalmers等大学联合发起的“Brite-Eu Ram‘X-by-wire’计划”，致力于对线控转向系统实现性、可靠性和安全性的研究。
在亚洲，日本丰田公司于2010年推出了FT-EVⅡ线控转向概念车，此款概念车通过旋钮和按键实现对车辆转向、加速及制动的控制；2015年，英菲尼迪推出了全球首款采用线控转向的量产车型——Q50；目前英菲尼迪Q50全系车型均配备了DAS线控转向技术。此后，日本在线控转向技术领域一直保持着绝对优势和垄断地位。
2018年，Bosch也推出了自己的线控转向系统，并且完全取消了转向盘与转向车轮的机械连接，不再保留机械连接。采用双电机、两套ECU、两套电机控制器以及两套电池的硬件及软件冗余保证线控转向的车规级安全性。该线控转向系统计划在2022年左右实现量产。
近年来无人驾驶以及自动驾驶智能车的发展如火如荼，而线控油门、线控转向和线控制动正是自动驾驶必不可少的组成单元。
当前自动驾驶转向方面，虽然电动助力转向(EPS)已经高度电子化，但其中仍有液压泵与大量机械部件，把机械部件缩减到极致的SBW技术正是智能驾驶汽车未来的发展方向。未来这一技术有望大面积普及。
发明内容
本发明设计开发了一种线性转向汽车到的方向盘主动回正控制方法，根据方向盘转角、驾驶员手力好和车速计算回正力矩，并通过方向盘位置增益系数，车速增益系数和手力增益系数的特性曲线对回正力矩进行修正，能够使手力平顺回正，减少突兀感。
本发明提供的技术方案为：
一种线性转向汽车到的方向盘主动回正控制方法，包括：
通过转角传感器检测方向盘转角
Figure GDA0004123762740000021
转矩传感器检测驾驶员手力Th；
计算修正后的回正力矩：
Figure GDA0004123762740000022
其中，Treturn为修正后的回正力矩，kr为回正转矩系数，用于将角速度指令转化为转矩；
Figure GDA0004123762740000023
为方向盘的实际回正角速度，
Figure GDA0004123762740000024
Figure GDA0004123762740000025
为方向盘转角，t为转动时间，
Figure GDA0004123762740000026
为修正角速度，
Figure GDA0004123762740000027
kx为方向盘位置增益系数，kv为车速增益系数，kT为手力增益系数，
Figure GDA0004123762740000028
为期望回正角速度；
将所述修正后的回正力矩指令发送给路感电机从而控制转向轮方向。
优选的是，所述回正转矩系数kr取值范围为0.1～0.15。
优选的是，所述方向盘位置增益系数的拟合公式为：
Figure GDA0004123762740000031
其中，kx为方向盘位置增益系数
Figure GDA0004123762740000032
为检测到的方向盘转角。
优选的是，所述手力增益系数的拟合公式为：
Figure GDA0004123762740000033
其中，kT为手力增益系数，Th为驾驶员手力。
优选的是，所述车速增益系数的拟合公式为：
Figure GDA0004123762740000034
其中，kv为车速增益系数，vveh为当前车速，其单位为km/h。
优选的是，所述期望回正角速度取值为0.046～0.052rad/s。
本发明所述的有益效果
本发明提出的方向盘主动回正控制方法可以根据包括车速在内的车辆行驶状态及驾驶员手力平顺回正；并通过调整回正因子的特性曲线改变方向盘主动回正特性；此外，为使得回正平缓且不影响驾驶员的手感，本发明根据驾驶员手力设置平滑的手力因子，而非手力阈值方法，以避免在阈值手力附近主动回正的介入对驾驶员造成突兀感；主动回正控制通过设置不同的期望回正角速度，可以适应不同驾驶员的回正速度需求，同时也可满足舒适型和运动型汽车的需求。
附图说明
图1为本发明所述的线控转向系统的结构示意图。
图2为本发明所述的线性转向汽车到的方向盘主动回正控制方法原理图。
图3为本发明所述的方向盘位置增益系数kx随转角差值的变化曲线图。
图4为本发明所述的回正车速增益系数kv随车速的变化曲线图。
图5为本发明所述的手力增益系数kT随驾驶员手力的变化曲线图。
图6为本发明所述的驾驶员手力曲线图。
图7为本发明所述的方向盘转角曲线图。
图8为本发明所述的方向盘实际角速度与修正角速度对比图。
图9为本发明所述的实验例驾驶员手力曲线图。
图10为本发明所述的无回正的方向盘转角响应示意图。
图11为本发明所述的在恒定的较小的回正力矩下方向盘转角响应图。
图12为本发明所述的在恒定的较小的回正力矩下方向盘转角的角速度响应图。
图13为本发明所述的恒定的较大的回正力矩下方向盘转角响应图。
图14为本发明所述的恒定的较大的回正力矩下方向盘转角的角速度响应图。
图15为本发明所述的不同基本回正速度的方向盘转角响应图。
图16为本发明所述的不同基本回正速度的方向盘角速度响应图。
图17为本发明所述的不同车速下方向盘的回正结果图。
图18为本发明所述的4Nm的阶跃转向力之后减小到1Nm驾驶员受力变化图。
图19为本发明所述的4Nm的阶跃转向力之后减小到1Nm方向盘转角示意图。
图20为本发明所述的4Nm的阶跃转向力之后减小到1Nm方向盘角速度变化图。
图21为本发明所述的4Nm的转向力后减小到2Nm驾驶员受力变化图。
图22为本发明所述的4Nm的转向力后减小到2Nm方向盘转角示意图。
图23为本发明所述的4Nm的转向力后减小到2Nm方向盘角速度变化图。
图24为本发明所述的方向盘转角差值较小时的示意图。
图25为本发明所述的方向盘转角差值较小时效果图。
图26为本发明所述的方向盘转角差值较大时的示意图。
图27为本发明所述的方向盘转角差值较大时效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，本发明提供的线控转向系统包括：转矩传感器110、转角传感器120、路感电机130、控制器140和转向轮系统150。
转矩传感器110和转角传感器120设置在方向盘100下方，线控转向系统可以用于现有汽车，同时也可搭载于今后的自动驾驶汽车。
如图2所示，方向盘主动回正控制采用模块化的设计方法，使得方向盘朝着中心位置回正，并且考虑到车辆的实际行驶状态以及驾驶员的手力，具体的控制流程如下：
通过转角传感器检测方向盘转角
Figure GDA0004123762740000051
转矩传感器检测驾驶员手力Th；
计算修正后的回正力矩：
Figure GDA0004123762740000052
其中，Treturn为修正后的回正力矩，kr为回正转矩系数，
Figure GDA0004123762740000053
为方向盘的实际回正角速度，
Figure GDA0004123762740000054
Figure GDA0004123762740000055
为方向盘转角，t为转动时间，
Figure GDA0004123762740000056
为修正角速度，
Figure GDA0004123762740000057
kx为方向盘位置增益系数，kv为车速增益系数，kT为手力增益系数，
Figure GDA0004123762740000058
为期望回正角速度；
将修正后的回正力矩指令发送给路感电机从而控制转向轮方向。
其中，回正转矩系数的计算公式kr＝0.1～0.15，本实施例中选取kr＝0.1，用于将角速度指令转化为转矩。
如图3所示，为方向盘位置增益系数kx随转角差值的变化曲线，为了避免回正时方向盘转角过度超调，使得方向盘能够精确回正，发明采用的位置控制根据转角误差大小调整方向盘位置增益系数kx。大的转角差值得到更大的方向盘位置增益系数kx，从而得到较大的期望回正速度；小的转角差值得到更小的方向盘位置增益系数kx。但过大的转角差值会造成过大的方向盘位置增益系数，这对驾驶员的重新接管是不利的，因此当转角差值达到一定程度后要趋于稳定值。曲线中方向盘位置增益系数和方向盘转角的拟合公式为：
Figure GDA0004123762740000059
其中，kx为方向盘位置增益系数，
Figure GDA00041237627400000510
为检测到的方向盘转角。
如图4所示，回正车速增益系数kv随车速的变化如图4所示，驾驶员在高速时期望有较快的方向盘回正速度，以满足车辆驶离弯道后方向盘的快速重定位，因此车速增益系数kv随车速的增大而增加，但不能任意增大，应该在高速阶段逐渐趋于稳定，从而保证车辆行驶的稳定性，车速增益系数可以根据在曲线中查找得到，为方便查找将曲线以公式的形式表达，车速增益系数的拟合公式为：
Figure GDA0004123762740000061
其中，kv为车速增益系数，vveh为当前车速，其单位为km/h。
如图5所示，此外，方向盘主动回正应根据驾驶员的手力调整回正速度和回正力大小。当驾驶员手力小到一定程度时回正力矩要逐渐增大，但不采用手力阈值的方法，以避免在手力阈值附近主动回正的介入对驾驶员造成突兀感。手力增益系数kT随驾驶员手力的变化如图5所示。手力很小时，回正控制对手力变化要不灵敏，避免驾驶员的误触碰以稳定回正，此时手力增益系数kT稳定在1附近；中等手力时变化灵敏，充分考虑驾驶员接管方向盘的意图，快速稳定地减小回正力；驾驶员接管方向盘以后，随着驾驶员手力的继续增加，回正控制逐渐退出，即手力增益系数趋于0附近。为方便查找将曲线以公式的形式表达，手力增益系数的拟合公式为：
Figure GDA0004123762740000062
其中，kT为手力增益系数，Th为驾驶员手力。
实施以线性转向汽车到的方向盘主动回正控制方法为例作进一步说明，包括：
主动回正控制器利用当前的车速vveh、转角传感器测得的方向盘转角
Figure GDA0004123762740000063
和转矩传感器测得的驾驶员手力Th信号计算得到期望回正力矩Treturn，并将该回正力矩指令发送给路感电机从而控制方向盘回正。
首先是位置回正控制。根据方向盘转角
Figure GDA0004123762740000064
与期望转角0的差值经查表得到位置增益系数kx。
其次是方向盘回正速度控制。利用车速vveh查找曲线或通过公式计算得到得到车速增益系数kv；利用驾驶员手力绝对值查表得到手力增益系数kT。对方向盘转角进行微分
Figure GDA0004123762740000065
得到方向盘的角速度
Figure GDA0004123762740000066
其中，kx、kv和kT分别作为方向盘位置、车速和驾驶员手力的权重因子与设置好的期望回正角速度
Figure GDA0004123762740000071
相乘得到修正的回正角速度
Figure GDA0004123762740000072
修正角速度
Figure GDA0004123762740000073
与方向盘实际回正角速度
Figure GDA0004123762740000074
的差值与回正转矩系数kr的乘积为最终的主动回正转矩Treturn。
如图6-8所示，驾驶员施加的手力曲线在第2秒时开始朝同一方向施加逐渐增大的手力，第3秒完全撤去手力。方向盘的转角在2-3秒逐渐增大，撤掉手力后方向盘开始回正，如3-7秒所示转角逐渐减小至所设计的误差范围内。此时的方向盘角速度也在驾驶员完全撒手之前减小到0，之后根据主动回正控制反向转动，且反向速度随方向盘偏角的减小逐渐降低并最终趋于0。
如图8所示，反映出回正控制在驾驶员完全放手之前就已经响应，完全放手以后方向盘在回正控制之下回正角速度
Figure GDA0004123762740000075
能够较好地跟踪修正角速度
Figure GDA0004123762740000076
使得方向盘稳定回正。
实验例
如图9-10所示，仿真采用一个模拟的线控方向盘模型，输入手力幅值5Nm、频率0.25Hz的半正弦曲线模拟驾驶员向一个方向打方向盘，并且手力先增大到5Nm再减小到0。由于线控转向方向盘没有与车轮连接的机械装置，因此在驾驶员松手之后如果没有主动回正控制，方向盘无法自动回正。
如图11-14所示，当通过电机给方向盘施加与方向盘转角成比例的较小的回正力时，方向盘能够以一定的速度回正，当施加的回正力较大时，由于回正力过大，造成驾驶员负担过重，且在回正时由于回正速度不可控造成方向盘在中间位置超调后来回摆动。上述回正是不可控的，且不能反映车辆状态，也不能根据驾驶员手力时时调整。
如图15-16所示，接下来仿真采用相同的手力输入，并通过控制变量的方法对本发明所述的控制方法中每个变量的控制效果作以说明。
针对本发明所述的基本回正速度的影响及控制效果，分别对30°/s和60°/s的基本回正速度进行仿真。从图中可以看出，较大的基本回正速度会加快方向盘的回正，反之则较慢。因此通过设置不同的基本回正速度值可以满足不同类型汽车和不同驾驶员的回正响应需求。
如图17所示，针对本发明所述的车速对回正控制的影响及控制效果，分别对3个不同车速的回正速度进行仿真。图中结果可以看出，车速较高时具备较快的回正速度，随着车速的降低，方向盘回正速度逐渐下降，这种回正速度可以根据车速时时调整，以将车辆的实际行驶状态通过方向盘回正速度反映出来。
如图18-20所示，针对本发明所述的手力对回正速度的影响及控制效果，根据驾驶员手力的变化，方向盘的回正响应如图所示。驾驶员施加一个4Nm的阶跃转向力之后减小到1Nm，根据设定的手力因子曲线特性，判断此时驾驶员已经接近于松手状态，主动回正开始动作，使方向盘根据期望的回正速度稳定回正。
如图21-23所示，为驾驶员施加一个4Nm的转向力后减小到2Nm，根据设定的曲线特性，此时判断驾驶员并未处于松手状态，主动回正并未响应，方向盘的期望回正速度稳定在0，方向盘以稳定的角速度逐渐增大。
图24-27所示，针对本发明所述的方向盘回正角度差值对回正的影响及控制效果如图24-25所示。对比图24和26，当转角差值较小时，回正速度较小，方向盘能快速稳定回正；当转角差值较大时，回正速度较大，即大的方向盘角度差值得到大的回正速度，反之则相反。在方向盘快要达到中间位置时，回正角速度迅速减小，以避免回正超调。
本发明提出的方向盘主动回正控制方法可以根据包括车速在内的车辆行驶状态及驾驶员手力平顺回正；通过调整回正因子的特性曲线改变方向盘主动回正特性；此外，为使得回正平缓且不影响驾驶员的手感，本发明根据驾驶员手力设置平滑的手力因子，而非手力阈值方法，以避免在阈值手力附近主动回正的介入对驾驶员造成突兀感；主动回正控制通过设置不同的期望回正角速度，可以适应不同驾驶员的回正速度需求，同时也可满足舒适型和运动型汽车的需求。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (3)

1.一种线性转向汽车的方向盘主动回正控制方法，其特征在于，包括：
通过转角传感器检测方向盘转角
Figure FDA0004123762730000011
转矩传感器检测驾驶员手力Th；
计算修正后的回正力矩：
Figure FDA0004123762730000012
其中，Treturn为修正后的回正力矩，kr为回正转矩系数，用于将角速度指令转化为转矩；
Figure FDA0004123762730000013
为方向盘的实际回正角速度，
Figure FDA0004123762730000014
Figure FDA0004123762730000015
为方向盘转角，t为转动时间，
Figure FDA0004123762730000016
为修正角速度，
Figure FDA0004123762730000017
kx为方向盘位置增益系数，kv为车速增益系数，
kT为手力增益系数，
Figure FDA0004123762730000018
为期望回正角速度；
将所述修正后的回正力矩指令发送给路感电机从而控制转向轮方向；
所述方向盘位置增益系数的拟合公式为：
Figure FDA0004123762730000019
其中，kx为方向盘位置增益系数
Figure FDA00041237627300000110
为检测到的方向盘转角；
所述手力增益系数的拟合公式为：
Figure FDA00041237627300000111
其中，kT为手力增益系数，Th为驾驶员手力；
所述车速增益系数的拟合公式为：
Figure FDA00041237627300000112
其中，kv为车速增益系数，vveh为当前车速，其单位为kmh。
2.根据权利要求1所述的线性转向汽车的方向盘主动回正控制方法，其特征在于，所述回正转矩系数kr取值范围为0.1～0.15。
3.根据权利要求1所述的线性转向汽车的方向盘主动回正控制方法，其特征在于，所述期望回正角速度取值为0.046～0.052rads。
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