CN110435754A - 一种电液复合转向系统的人机共驾模式切换装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电液复合转向系统的人机共驾模式切换装置及方法，包括根据车辆车载传感器信号对车辆状态与驾驶员操作意图对进行判断，安全的实现驾驶模式的切换，同时选择相应模式下执行机构控制器实现有人或无人模式下的转向。利用新型电液复合转向系统具有两套执行机构包括电动液压助力机构与电动助力机构的特点，实现有人驾驶转向助力与无人驾驶转向；当车辆处在有人驾驶模式时，两套执行机构共同实现驾驶员转向助力；当车辆处在无人驾驶时，电动助力电机实现汽车转向盘转角控制，电动液压助力机构实现转向助力。

Description

一种电液复合转向系统的人机共驾模式切换装置及方法

技术领域

本发明属于汽车助力转向系统控制技术领域，具体指代一种电液复合转向系统的人机共驾模式切换装置及方法。

背景技术

自动驾驶驾驶技术近年来发展迅速，由于技术的限制，自动驾驶技术在驾驶人接受度和行驶安全性方面，还有许多亟待解决的问题。完全自动驾驶汽车的大规模应用还需要经历较长的过渡阶段，即手动驾驶与自动驾驶协作，驾驶人与汽车共同享有对汽车的决策与控制权如何实现转向系统在人机共驾的控制。

转向系统是保证汽车行驶安全的关键部分，电液复合转向系统包括电动助力模块和液压助力模块两组执行机构，结合了两者的优点，解决了大型客车低速时对于转向系统性能的需求，同时响应迅速、助力随速可调、能够提供较好的路感。

要实现无人驾驶与有人驾驶模式的安全切换，电动助力执行机构与电动液压助力执行机构需要实现不同的功能，例如实现无人驾驶下的自动转向与转向助力，因此需要设计相应的控制器，解决电液复合转向系统的人机共驾模式安全切换与执行机构控制问题。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种电液复合转向系统的人机共驾模式切换装置及方法，以解决现有技术中电液复合转向系统的人机共驾模式切换的安全问题以及执行机构的控制问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种电液复合转向系统的人机共驾模式切换装置，包括：传感器模块、模式切换控制器、模式切换显示模块、无人转向模式控制器及有人转向模式控制器；其中

所述传感器模块将车载传感器采集到的车辆状态信息进行滤波后传输给模式切换控制器；

所述模式切换控制器根据车辆状态信息与驾驶员模式选择输入信号计算得到车辆稳定评价指标，并结合驾驶员控制意图判断能否安全进行模式切换，根据相应的工作模式信号选择无人转向模式控制器或有人转向模式控制器；

所述模式切换显示模块根据模式切换控制器，显示相应的切换结果；

所述无人驾驶模式控制器包括转向盘转角控制器与电动液压助力控制器A，转向盘转角控制器根据目标转向盘转角输出电动助力电机控制信号；电动液压助力控制器A根据预先设计的无人转向模式下车速-转向盘角速度-助力MAP图得到电动液压助力值计算电动液压助力电机转速并输出电动液压助力电机控制信号；

所述有人驾驶模式控制器包括电动助力控制器与电动液压助力控制器B，电动助力控制器与电动液压助力控制器B预先设计的有人转向模式下车速-转向盘角速度-助力MAP图得到电动助力与电动液压助力值大小并输出相应的电动助力电机与电动液压助力电机控制信号。

优选地，所述传感器模块包括车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、侧倾角传感器。

优选地，所述转向盘转角控制器在无人转向模式下通过电动助力电机实现转向盘转角的控制，其根据滑模控制原理设计，采用的转向盘转角反馈控制的方法，根据目标转向盘转角与实际转向盘转角之间的差值进行反馈控制：

根据直流电机平衡方程得到：

T_m＝K_iI_a

式中，u_a为电机电枢电压；I_a为电机电枢电流；R为电机的电枢电阻；L为电枢电感；w为电机转速；K_e为反电动势常数；J为电机转动惯量；B为电机轴阻尼系数；T_m为电机电磁转矩；T_L为电机输出转矩；

考虑角位移误差与角速度误差，设计滑模面函数为：

式中： 为目标转向盘转角；θ_sw为实际转向盘转角；为理想电机转角；θ_m为实际电机转角；i_e为电动助力减速比；

选取改进指数趋近率：

式中：η,k为调整参数且η,k＞0；

得到电机电压控制率为：

优选地，所述电动助力控制器根据滑模控制原理设计，采用的是助力电机电流反馈控制的方法，根据由目标助力值确定的目标电流值和助力电机实际的电流参考值之间的差值进行反馈控制：

由无刷直流电机平衡方程得到：

设滑模面函数为：s＝e＝I_r-I

选取指数趋近率为：

得电机电压控制率为：

式中：q(t)为系统外加干扰；θ_m为电机转角；R为电机电枢电阻；I为电机电流；L为电机电感；I_r为电机参考电流；k、ε为调整参数。

优选地，所述电动液压助力控制器A与电动液压助力控制器B根据车速-转向盘角速度-助力MAP图得到电动液压助力值后计算出电动液压助力电机目标转速，电动液压助力电机控制器根据模糊PI控制原理设计，模糊自整定PI参数控制器在参数K_p、K_i与偏差e和偏差变化ec间建立起在线自整定的函数关系，满足了系统在不同e和ec下对控制器参数的不同要求，其控制效果优于常规PI调节器；

u(t)＝K_pe(t)+K_i∫e(t)dt

式中：为电机目标转速；为电机实际转速；u为电机控制电压；

其输入e、ec模糊论域为[-10,10]，输出变量K_p、K_i模糊论域为[-5,5]；

由模糊逻辑整定PI控制器的K_p，K_i表达式为：

式中：γ_p，γ_i为K_p和K_i的校正速度。

优选地，所述装置还包括：模式切换显示模块，根据模式切换控制器，显示相应的切换结果。

一种电液复合转向系统，包含上述电液复合转向系统的人机共驾模式切换装置。

本发明的一种电液复合转向系统的人机共驾模式切换的控制方法，包括步骤如下：

1)判断是否需要进行驾驶员转向模式切换；若是则进入步骤2)；若否，返回步骤1)；

2)计算车辆稳定评价指标；

3)根据车辆稳定评价指标判断车辆是否处于稳定状态；若是，则进入步骤4)；若否，则维持当前转向模式；

4)判断驾驶员有无控制意图；若有，则进入步骤5)；若无，则进入步骤6)；

5)选择有人转向模式控制器，将无人转向模式切换至有人转向模式；

6)选择无人转向模式控制器，将有人转向模式切换至无人转向模式。

优选地，所述方法还包括：步骤7)根据模式切换结果，若模式切换成功，显示为切换成功并显示当前转向模式；若模式切换失败，显示为切换失败并显示当前转向模式。

优选地，所述车辆稳定评价指标包括理想横摆角速度、理想质心侧偏角与横向载荷转移率。

优选地，所述车辆理想横摆角速度r_ref根据车速信号与转向盘转角信号计算得到：

根据路面附着系数的影响，对公式进行相应的修正：

式中：K为稳定性因数且L为轴距；v_x为车辆纵向速度；δ_sw为转向盘转角；i为转向系传动比；k为安全系数；μ为路面附着系数；g为重力加速度。

优选地，所述车辆理想质心侧偏角β_ref根据车速信号与转向盘转角信号计算得到：

式中：K为稳定性因数且L为轴距；m为整车质量；v_x为车辆纵向速度；a,b为前后轴与质心之间的距离；C_f,C_r分别为前后轮的侧偏刚度；δ_sw为转向盘转角；i为转向系传动比；k为安全系数；μ为路面附着系数。

优选地，所述车辆横向载荷转移率LTR根据车速信号与转向盘转角信号计算得到：

式中：F_R,F_L分别为作用在左右两侧车轮的垂直载荷；m_s为簧载质量；为侧倾角；d为轮距；a_y为侧向加速度；h为汽车质心到侧倾中心的高度；m_s为簧载质量；H为车辆质心高度。

优选地，根据试验与仿真数据确定车辆极限横向载荷转移率LTR^*＝0.9。

优选地，所述车辆稳定判定方法为(r≤r_ref)&(β≤β_ref)&(LTR≤LTR^*)，即当车辆横摆角速度小于等于理想横摆角速度，质心侧偏角小于等于理想质心侧偏角且横向载荷转移率小于等于极限横向载荷转移率时，认为车辆处于稳定状态。

优选地，所述驾驶员控制意图判定方法：根据转向盘角速度δ_sw与转向盘力矩T_sw，当车辆处于有人驾驶时，转向盘角速度δ_sw＝0，认为驾驶员无控制意图；当车辆处于无人驾驶时，转向盘力矩T_sw＝0，认为驾驶员无控制意图。

本发明的有益效果：

本发明利用车辆传感器信息，通过横摆角速度，质心侧偏角与横向载荷转移率三个评价指标对车辆状态是否稳定进行判定，并结合驾驶员模式选择信号与操作意图，实现了转向模式的安全切换。

本发明利用电液复合转向系统具有电动助力执行机构与电动液压助力双执行机构的特点，设计不同模式下的执行机构控制器，实现了无人驾驶模式下转向盘转角控制与有人驾驶模式下的转向助力控制。

附图说明

图1为本发明装置的原理框图。

图2为人机共驾模式切换流程图。

图3为电液复合转向系统的结构示意图。

具体实施方式

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

参照图1所示，本发明的一种电液复合转向系统的人机共驾模式切换装置，包括：传感器模块、模式切换控制器、无人转向模式控制器及有人转向模式控制器；其中，

所述传感器模块将车载传感器采集到的车辆状态信息进行滤波后传输给模式切换控制器；

所述模式切换控制器根据车辆状态信息与驾驶员模式选择输入信号计算得到车辆稳定评价指标，并结合驾驶员控制意图判断能否安全进行模式切换，并根据相应的工作模式信号选择无人转向模式控制器或有人转向模式控制器；

所述模式切换显示模块根据模式切换控制器，显示相应的切换结果；

所述无人驾驶模式控制器包括转向盘转角控制器与电动液压助力控制器A，转向盘转角控制器根据目标转向盘转角输出电动助力电机控制信号；电动液压助力控制器A根据预先设计的无人转向模式下车速-转向盘角速度-助力MAP图得到电动液压助力值计算电动液压助力电机转速并输出电动液压助力电机控制信号；

所述有人驾驶模式控制器包括电动助力控制器与电动液压助力控制器B，电动助力控制器与电动液压助力控制器B预先设计的有人转向模式下车速-转向盘角速度-助力MAP图得到电动助力与电动液压助力值大小并输出相应的电动助力电机与电动液压助力电机控制信号。

参照图3所示，本发明的切换控制装置(ECU)应用于电液复合转向系统中，该系统还包含：机械转向模块，电动助力模块，电动液压助力模块和车载传感器；

机械转向模块包括：转向盘1、转向柱2、齿轮齿条机构12、转向横拉杆11及车轮10，各部分顺序连接；

电动助力模块包括：电动助力电机8和蜗轮蜗杆减速机构9；有人转向模式下，电动助力电机8通过涡轮蜗杆减速机构9输出助力至转向柱2上；无人转向模式下，电动助力电机8通过涡轮蜗杆减速机构9输出转角至转向柱2上，带动转向盘1转动相应角度；

电动液压助力模块包括转向动力缸13、储油罐14、电动液压助力电机15、液压泵16、溢流阀17、，转阀18；电动液压助力电机15直接驱动液压泵16，溢流阀17与液压泵16并联，在液压管路压力过高时打开，使得液压油回流到储油罐14中；转阀18由于转向盘转动导致进入转向动力缸13两侧的油液压力不同产生助力，并输出至转向横拉杆11上；

车载传感器包括车速传感器4、侧向加速度传感器5、横摆角速度传感器6、侧倾角传感器6、转向盘转矩传感器19、转向盘转角传感器20。

切换控制装置(ECU)3根据车辆传感器信号与驾驶员模式选择输入信号计算得到车辆稳定评价指标，并结合驾驶员控制意图判断能否安全进行模式切换，并根据相应的工作模式信号选择无人转向模式控制器或有人转向模式控制器，实现转向模式的安全切换。

其中，有人、无人模式切换控制器具体表现：

当驾驶员选择模式切换时，根据传感器模块的信号计算车辆稳定评价指标，判断驾驶员控制意图；所述车辆稳定评价指标包括理想横摆角速度，理想质心侧偏角与横向载荷转移率。

车辆理想横摆角速度r_ref根据车速信号与转向盘转角信号计算得到：

根据路面附着系数的影响，对公式进行相应的修正：

式中：K为稳定性因数且L为轴距；v_x为车辆纵向速度；δ_sw为转向盘转角；i为转向系传动比；k为安全系数；μ为路面附着系数；g为重力加速度。

车辆理想质心侧偏角β_ref根据车速信号与转向盘转角信号计算得到：

式中：K为稳定性因数且L为轴距；m为整车质量；v_x为车辆纵向速度；a,b为前后轴与质心之间的距离；C_f,C_r分别为前后轮的侧偏刚度；i为转向系传动比；k为安全系数；μ为路面附着系数。

车辆横向载荷转移率LTR根据车速信号与转向盘转角信号计算得到：

式中：F_R，F_L分别为作用在左右两侧车轮的垂直载荷；m_s为簧载质量；为侧倾角；d为轮距；a_y为侧向加速度；h为汽车质心到侧倾中心的高度；m_s为簧载质量；H为车辆质心高度。

根据试验与仿真数据确定车辆极限横向载荷转移率LTR^*＝0.9。

车辆稳定判定方法为(r≤r_ref)&(β≤β_ref)&(LTR≤LTR^*)，即当车辆横摆角速度小于等于理想横摆角速度，质心侧偏角小于等于理想质心侧偏角且横向载荷转移率小于等于极限横向载荷转移率时，认为车辆处于稳定状态。

驾驶员控制意图判定方法：根据转向盘角速度δ_sw与转向盘力矩T_sw，当车辆处于有人驾驶时，转向盘角速度δ_sw＝0，认为驾驶员无控制意图；当车辆处于无人驾驶时，转向盘力矩T_sw＝0，认为驾驶员无控制意图。

所述转向盘转角控制器在无人转向模式下通过电动助力电机实现转向盘转角的控制，其根据滑模控制原理设计，采用的转向盘转角反馈控制的方法，根据目标转向盘转角与实际转向盘转角之间的差值进行反馈控制：

根据直流电机平衡方程得到：

T_m＝K_iI_a

式中，u_a为电机电枢电压；I_a为电机电枢电流；R为电机的电枢电阻；L为电枢电感；w为电机转速；K_e为反电动势常数；J为电机转动惯量；B为电机轴阻尼系数；T_m为电机电磁转矩；T_L为电机输出转矩；

考虑角位移误差与角速度误差，设计滑模面函数为：

式中： 为目标转向盘转角；θ_sw为实际转向盘转角；为理想电机转角；θ_m为实际电机转角；i_e为电动助力减速比；

选取改进指数趋近率：

式中：η,k为调整参数且η,k＞0；

得到电机电压控制率为：

所述电动助力控制器根据滑模控制原理设计，采用的是助力电机电流反馈控制的方法，根据由目标助力值确定的目标电流值和助力电机实际的电流参考值之间的差值进行反馈控制：

由无刷直流电机平衡方程得到：

设滑模面函数为：s＝e＝I_r-I

选取指数趋近率为：

得电机电压控制率为：

式中：q(t)为系统外加干扰；θ_m为电机转角；R为电机电枢电阻；I为电机电流；L为电机电感；I_r为电机参考电流；k、ε为调整参数。

电动液压助力控制器A与电动液压助力控制器B根据车速-转向盘角速度-助力MAP图得到电动液压助力值后计算出电动液压助力电机目标转速，电动液压助力电机控制器根据模糊PI控制原理设计，模糊自整定PI参数控制器在参数K_p、K_i与偏差e和偏差变化ec间建立起在线自整定的函数关系，满足了系统在不同e和ec下对控制器参数的不同要求，其控制效果优于常规PI调节器；

u(t)＝K_pe(t)+K_i∫e(t)dt

式中：为电机目标转速；为电机实际转速；u为电机控制电压；

其输入e、ec模糊论域为[-10,10]，输出变量K_p、K_i模糊论域为[-5,5]；

ΔK_p和ΔK_i模糊规则如表1所示，表1如下：

表1

由模糊逻辑整定PI控制器的K_p，K_i表达式为：

式中：γ_p，γ_i为K_p和K_i的校正速度。

参照图2所示，本发明的一种电液复合转向系统的人机共驾模式切换的控制方法，包括步骤如下：

1)根据驾驶员转向模式选择，判断是否需要进行转向模式切换；若是则进入步骤2)；若否，返回步骤1)；

2)根据传感器模块所获得的车速信号，转向盘转角信号得到当前状态的理想横摆角速度值与理想质心侧偏角计算车辆稳定评价指标；

3)根据车辆稳定评价指标判断车辆是否处于稳定状态；若是，则进入步骤4)；若否，则维持当前转向模式；

4)根据转向盘转角传感器信号处理得到转向盘角速度信号与转向盘力矩信号判断驾驶员有无控制意图；若有，则进入步骤5)；若无，则进入步骤6)；

5)选择有人转向模式控制器，将无人转向模式切换至有人转向模式；

6)选择无人转向模式控制器，将有人转向模式切换至无人转向模式。

所述方法还包括：步骤7)根据模式切换结果，若模式切换成功，显示为切换成功并显示当前转向模式；若模式切换失败，显示为切换失败并显示当前转向模式。

本发明具体应用途径很多，以上所述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，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电液复合转向系统的人机共驾模式切换装置，其特征在于，包括：传感器模块、模式切换控制器、模式切换显示模块、无人转向模式控制器及有人转向模式控制器；其中，

所述传感器模块将车载传感器采集到的车辆状态信息进行滤波后传输给模式切换控制器；

所述模式切换控制器根据车辆状态信息与驾驶员模式选择输入信号计算得到车辆稳定评价指标，并结合驾驶员控制意图判断能否安全进行模式切换，根据相应的工作模式信号选择无人转向模式控制器或有人转向模式控制器；

所述模式切换显示模块根据模式切换控制器，显示相应的切换结果；

所述无人驾驶模式控制器包括转向盘转角控制器与电动液压助力控制器A，转向盘转角控制器根据目标转向盘转角输出电动助力电机控制信号；电动液压助力控制器A根据预先设计的无人转向模式下车速-转向盘角速度-助力MAP图得到电动液压助力值计算电动液压助力电机转速并输出电动液压助力电机控制信号；

所述有人驾驶模式控制器包括电动助力控制器与电动液压助力控制器B，电动助力控制器与电动液压助力控制器B预先设计的有人转向模式下车速-转向盘角速度-助力MAP图得到电动助力与电动液压助力值大小并输出相应的电动助力电机与电动液压助力电机控制信号。

2.根据权利要求1所述的电液复合转向系统的人机共驾模式切换装置，其特征在于，所述转向盘转角控制器在无人转向模式下通过电动助力电机实现转向盘转角的控制，其根据滑模控制原理设计，采用的转向盘转角反馈控制的方法，根据目标转向盘转角与实际转向盘转角之间的差值进行反馈控制：

根据直流电机平衡方程得到：

T_m＝K_iI_a

式中，u_a为电机电枢电压；I_a为电机电枢电流；R为电机的电枢电阻；L为电枢电感；w为电机转速；K_e为反电动势常数；J为电机转动惯量；B为电机轴阻尼系数；T_m为电机电磁转矩；T_L为电机输出转矩；

考虑角位移误差与角速度误差，设计滑模面函数为：

式中： 为目标转向盘转角；θ_sw为实际转向盘转角；为理想电机转角；θ_m为实际电机转角；i_e为电动助力减速比；

选取改进指数趋近率：

式中：η,k为调整参数且η,k＞0；

得到电机电压控制率为：

3.根据权利要求1所述的电液复合转向系统的人机共驾模式切换装置，其特征在于，所述电动助力控制器根据滑模控制原理设计，采用的是助力电机电流反馈控制的方法，根据由目标助力值确定的目标电流值和助力电机实际的电流参考值之间的差值进行反馈控制：

由无刷直流电机平衡方程得到：

设滑模面函数为：s＝e＝I_r-I

选取指数趋近率为：

得电机电压控制率为：

式中：q(t)为系统外加干扰；θ_m为电机转角；R为电机电枢电阻；I为电机电流；L为电机电感；I_r为电机参考电流；k、ε为调整参数。

4.根据权利要求1所述的电液复合转向系统的人机共驾模式切换装置，其特征在于，所述电动液压助力控制器A与电动液压助力控制器B根据车速-转向盘角速度-助力MAP图得到电动液压助力值后计算出电动液压助力电机目标转速，电动液压助力电机控制器根据模糊PI控制原理设计，模糊自整定PI参数控制器在参数K_p、K_i与偏差e和偏差变化ec间建立起在线自整定的函数关系，满足了系统在不同e和ec下对控制器参数的不同要求，其控制效果优于常规PI调节器；

u(t)＝K_pe(t)+K_i∫e(t)dt

式中：为电机目标转速；为电机实际转速；u为电机控制电压；

其输入e、ec模糊论域为[-10,10]，输出变量K_p、K_i模糊论域为[-5,5]；

由模糊逻辑整定PI控制器的K_p，K_i表达式为：

式中：γ_p，γ_i为K_p和K_i的校正速度。

5.一种电液复合转向系统，其特征在于，包含上述权利要求1至4中任一项所述的装置。

6.一种电液复合转向系统的人机共驾模式切换的控制方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)判断是否需要进行驾驶员转向模式切换；若是则进入步骤2)；若否，返回步骤1)；

2)计算车辆稳定评价指标；

3)根据车辆稳定评价指标判断车辆是否处于稳定状态；若是，则进入步骤4)；若否，则维持当前转向模式；

4)判断驾驶员有无控制意图；若有，则进入步骤5)；若无，则进入步骤6)；

5)选择有人转向模式控制器，将无人转向模式切换至有人转向模式；

6)选择无人转向模式控制器，将有人转向模式切换至无人转向模式。

7.根据权利要求6所述的电液复合转向系统的人机共驾模式切换的控制方法，其特征在于，所述车辆稳定评价指标包括理想横摆角速度、理想质心侧偏角与横向载荷转移率。

8.根据权利要求6所述的电液复合转向系统的人机共驾模式切换的控制方法，其特征在于，所述车辆稳定判定方法为(r≤r_ref)&(β≤β_ref)&(LTR≤LTR^*)，即当车辆横摆角速度小于等于理想横摆角速度，质心侧偏角小于等于理想质心侧偏角且横向载荷转移率小于等于极限横向载荷转移率时，认为车辆处于稳定状态。

9.根据权利要求6所述的电液复合转向系统的人机共驾模式切换的控制方法，其特征在于，所述驾驶员控制意图判定方法：根据转向盘角速度δ_sw与转向盘力矩T_sw，当车辆处于有人驾驶时，转向盘角速度δ_sw＝0，认为驾驶员无控制意图；当车辆处于无人驾驶时，转向盘力矩T_sw＝0，认为驾驶员无控制意图。