CN110539796B - 车辆转向控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种车辆转向控制方法及系统，方向盘上设有角度传感器，角度传感器用于检测方向盘的转动角度，控制单元根据角度传感器信号计算车轮目标转向角度；根据车轮目标转向角度与车轮实际转向角度的差值，控制单元输出相应的转向比例方向阀控制电流，转向方向比例阀通过转向油缸控制车辆转向。本发明安装方便，转向控制方便可靠，并且可有效降低成本。

Description

车辆转向控制方法及系统
技术领域
本发明涉及一种车辆转向控制方法及系统。
背景技术
自动转向控制系统是实现农业机械自动导航的关键技术之一。目前主机厂生产的拖拉机、收获机均采用方向盘与转向器机械连接，转向器与转向油缸通过液压管路连接，方向盘转动方向控制转向器内液压油流动方向，从而控制车辆转向方向。若在这种传动转向控制方式基础上增加导航的自动转向功能，常用两种方案。一种是将方向盘改为电动方向盘，自动转向系统控制方向盘转动；另一种在转向系统中增加自动转向阀，手动转向时通过方向盘、转向器实现转向，自动转向时通过控制自动转向阀实现转向。前者的电动方向盘体积大，影响驾驶室布置，且成本高；后者自动转向阀安装复杂，转向原理复杂，且成本高。
与本发明最相关的现有技术是发明名称为“一种拖拉机自动转向改造方法及控制方法”专利文献(公开号：CN 108382457)。该专利文献中，方向盘与液压转向系统机械连接，正常手动转向时，由方向盘直接控制液压转向系统，实现转向；设有专门的自动转向控制器，自动转向时，自动转向控制器将液压转向系统的供油油路切换至自动转向电磁阀，由控制单元通过自动转向电磁阀控制自动转向。存在的不足之处在于，方向盘与液压转向系统机械连接，同时，还需另外设立自动转向控制器，涉及的部件较多，安装复杂，成本高，且转向控制不够方便可靠。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种车辆转向控制方法及系统，安装方便，转向控制方便可靠，并且可有效降低成本。
基于同一发明构思，本发明具有两个独立的技术方案：
1、一种车辆转向控制方法，其特征在于：
方向盘上设有角度传感器，角度传感器用于检测方向盘的转动角度，控制单元根据角度传感器信号计算车轮目标转向角度；
根据车轮目标转向角度与车轮实际转向角度的差值，控制单元输出相应的转向比例方向阀控制电流，转向方向比例阀通过转向油缸控制车辆转向。
进一步地，车辆转向处于正常手动转向模式时，根据角度传感器信号计算车轮目标转向角度通过如下公式实现，
y＝k1*(x-x0)+y0
式中，y表示车轮目标转向角度，k1表示正常手动转向模式下的转向速度因子，可根据当前车速进行调整，x表示角度传感器的理想输出电压，x0表示角度传感器的初始电压，y0表示车轮的初始角度；
上述角度传感器的理想输出电压x通过如下公式获得，
x＝b+Aa
式中，b表示转动方向盘后角度传感器的实际输出电压，a表示角度传感器输出电压突变参数，在转动方向盘过程中，角度传感器输出电压发生一次正突变，a值加1，角度传感器输出电压发生一次负突变，a值减1，a的初值是0,A表示根据角度传感器最大输出电压设定的系数。
进一步地，设有快速转向开关，快速转向开关用于启动手动快速转向模式，手动快速转向模式优先于正常手动转向模式；
手动快速转向模式时，计算车轮目标转向角度通过如下公式实现，
y＝k2*(x-x0)+y0
式中，y表示车轮目标转向角度，k2表示手动快速模式下的转向速度因子，且k2＝mk1,m大于1，根据所需快速转向速度设定，k1表示正常手动转向模式下的转向速度因子；
x表示角度传感器的理想输出电压，x0表示角度传感器的初始电压，y0表示车轮的初始角度；
上述角度传感器的理想输出电压x通过如下公式获得，
x＝b+Aa
式中，b表示转动方向盘后角度传感器的实际输出电压，a表示角度传感器输出电压突变参数，在转动方向盘过程中，角度传感器输出电压发生一次正突变，a值加1，角度传感器输出电压发生一次负突变，a值减1，a的初值是0,A表示根据角度传感器最大输出电压设定的系数。
进一步地，设有自动驾驶开关，自动驾驶开关用于启动自动转向模式，自动转向模式优先于手动快速转向模式和正常手动转向模式；自动转向模式下，车轮目标转向角度为自动驾驶系统请求的车轮转向角度。
进一步地，自动转向模式下，当在设定的时间T内角度传感器输出电压变化大于U时，由自动转向模式切换至正常手动转向模式。
进一步地，当车轮目标转向角度超过转向范围±E°时，将车轮目标转向角度设定为+E°或-E°，+E°为车辆安全行驶状态下最大车轮右转向角度，-E°为车辆安全行驶状态下最大车轮左转向角度。
进一步地，基于车轮目标转向角度与车轮转向角度的差值，控制单元对输出的转向比例方向阀控制电流进行PID控制。
2、一种实现上述车辆转向控制方法的控制系统，其特征在于，包括：
方向盘角度传感器，设置于方向盘上，用于检测方向盘的转动角度；
车轮角度传感器，设置于车轮或转向桥上，用于检测车轮转向角度；
快速转向开关，用于启动手动快速转向模式；
自动驾驶开关，用于启动自动转向模式；
转向比例方向阀，用于通过转向油缸控制车辆转向，转向比例方向阀接转向油缸；
控制单元，根据方向盘角度传感器信号计算车轮目标转向角度，根据车轮目标转向角度与车轮实际转向角度的差值，输出相应的转向比例方向阀控制电流；
方向盘角度传感器、车轮角度传感器、快速转向开关、自动驾驶开关接控制单元信号输入端，控制单元输出端接转向比例方向阀。
进一步地，控制系统包括：
压力传感器，用于检测转向油缸的油路压力；
车速传感器，用于检测车辆的车速；
自动驾驶指示灯，用于指示车辆处于自动转向模式；
快速转向指示灯，用于指示车辆处于快速转向模式；
系统故障指示灯，用于指示系统故障；
压力传感器、车速传感器接控制单元信号输入端，控制单元信号输出端接自动驾驶指示灯、快速转向指示灯、系统故障指示灯。
进一步地，控制单元信号输出端接左转向指示灯、右转向指示灯。
本发明具有的有益效果：
本发明控制单元根据方向盘转动角度计算车轮目标转向角度，根据车轮目标转向角度与车轮实际转向角度的差值，控制单元输出相应的转向比例方向阀控制电流，转向方向比例阀通过转向油缸控制车辆转向。本发明方向盘不需与转向液压系统机械连接，无论是正常手动转向模式还是自动转向模式，最终都是由控制单元通过控制转向比例方向阀控制车辆转向，即正常手动转向模式和自动转向模式共用同一部件实现控制，有效节省部件、降低成本，安装更加方便，并且正常手动转向和自动转向切换模式更加快捷、可靠。本发明尤其适用于农林车辆(包括拖拉机、收获机等)的转向控制。
本发明车辆转向处于正常手动转向模式时，根据角度传感器信号计算车轮目标转向角度的计算公式为，y＝k1*(x-x0)+y0，式中，y表示车轮目标转向角度，k1表示正常手动转向模式下的转向速度因子，可根据当前车速进行调整，x表示角度传感器的理想输出电压，x0表示角度传感器的初始电压，y0表示车轮的初始角度。本发明通过上述车轮目标转向角度的计算方法，能够有效保证控制单元根据方向盘转动角度对车辆转向进行准确控制。
本发明设有快速转向开关，用于启动手动快速转向模式，手动快速模式下的转向速度因子k2是正常手动转向模式下的转向速度因子k1的m倍，从而实现车辆的快速转向，尤其适用于农林车辆作业需求。
本发明基于车轮目标转向角度与车轮转向角度的差值，控制单元对输出的转向比例方向阀控制电流进行PID控制，进一步保证对转向控制的准确性和可靠性。
本发明自动转向模式下，当在设定的时间T内角度传感器输出电压变化大于U时，由自动转向模式切换至正常手动转向模式。本发明在自动转向模式下，可进行人工紧急干预切换到正常手动转向模式，从而更加方便车辆的转向控制。
本发明角度传感器、车轮角度传感器、快速转向开关、自动驾驶开关、压力传感器、车速传感器接控制单元信号输入端，控制单元信号输出端接自动驾驶指示灯、快速转向指示灯、系统故障指示灯，控制单元通过传感器对系统运行状态进行监测，系统出现故障时，系统故障指示灯及时进行指示报警，有效保证系统运行安全性。
附图说明
图1是本发明液压转向系统原理图；
图2是本发明控制部分原理图；
图3是本发明车辆转向控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
实施例一：
车辆转向控制方法
方向盘上设有角度传感器，角度传感器用于检测方向盘的转动角度，控制单元根据角度传感器信号计算车轮目标转向角度；根据车轮目标转向角度与车轮实际转向角度的差值，控制单元输出相应的转向比例方向阀控制电流，转向方向比例阀通过转向油缸控制车辆转向。
如图3所示，转向模式可以在正常手动转向模式、手动快速转向模式、自动转向模式之间切换。
(一)正常手动转向模式
正常手动转向模式指下，驾驶员使用方向盘控制车辆转向，转向速度适中。方向盘上的角度传感器通过电信号的变化反应方向盘转动情况，本实施例中，角度传感器输出信号为电压信号，测量角度范围360°、正常输出电压范围0.5～4.5V、方向盘顺时针转动时输出电压增大。
激活正常手动转向模式需满足以下条件：(1)液压转向系统压力正常、传感器电信号正常；(2)快速转向开关关闭；(3)自动驾驶开关关闭；激活后的驾驶过程中，任何条件不满足，则锁定正常手动转向功能。
车辆转向处于正常手动转向模式时，根据角度传感器信号计算车轮目标转向角度通过如下公式实现，
y＝k1*(x-x0)+y0
式中，y表示车轮目标转向角度，k1表示正常手动转向模式下的转向速度因子，可根据当前车速进行调整。x表示角度传感器的理想输出电压，x0表示角度传感器的初始电压，y0表示车轮的初始角度；
上述角度传感器的理想输出电压x通过如下公式获得，
x＝b+Aa
式中，b表示转动方向盘后角度传感器的实际输出电压，a表示角度传感器输出电压突变参数，在转动方向盘过程中，角度传感器输出电压发生一次正突变，a值加1，角度传感器输出电压发生一次负突变，a值减1，a的初值是0,A表示根据角度传感器最大输出电压设定的系数，本实施例中，A取值为4。即，
x＝b+4a
本实施例中，方向盘顺时针方向转动角度传感器输出电压一直增加，而逆时针转动电压一直减小。实际情况下，测量角度范围为360°的角度传感器，在方向盘转动时存在输出电压突变情况，当方向盘顺时针转动时可能出现近似4.5V突变为0.5V的情况，记为正突变；当方向盘逆时针转动时可能出现近似0.5V变为4.5V的负突变。
当车轮目标转向角度超过转向范围±E°时，将车轮目标转向角度设定为+E°或-E°，+E°为车辆安全行驶状态下最大车轮右转向角度，-E°为车辆安全行驶状态下最大车轮左转向角度。同时，系统将发出提示“车轮转向角度已到达极限”。
依据转向舒适度要求可设置方向盘转动N圈可使车轮从左极限转到右极限。方向盘转向速度因子k1＝2Ε/4Ν。若需要实现车辆低速时转向圈数少些，提高转向效率；车辆高速时转向圈数多些，增加车辆转向稳定性。可将转向速度因子k1与当前车速关联，速度增大时k1减小。
(二)手动快速转向模式
设有快速转向开关，快速转向开关用于启动手动快速转向模式，手动快速转向模式优先于正常手动转向模式。
农业机械在地头转弯时车速低，若能加快转向速度可提高作业效率。激活手动快速转向模式时需满足以下条件：(1)液压转向系统压力正常、传感器电信号正常；(2)快速转向开关开启；(3)自动驾驶开关关闭；(4)车速低于安全车速设定值；激活后的驾驶过程中，任何条件不满足则锁定手动快速转向功能。
手动快速转向模式时，计算车轮目标转向角度通过如下公式实现，
y＝k2*(x-x0)+y0
式中，y表示车轮目标转向角度，k2表示手动快速模式下的转向速度因子，且k2＝mk1,m大于1，根据所需快速转向速度设定，k1表示正常手动转向模式下的转向速度因子；x表示角度传感器的理想输出电压，x0表示角度传感器的初始电压，y0表示车轮的初始角度；
上述角度传感器的理想输出电压x通过如下公式获得，
x＝b+4a
式中，b表示转动方向盘后角度传感器的实际输出电压，a表示角度传感器输出电压突变参数，在转动方向盘过程中，角度传感器输出电压发生一次正突变，a值加1，角度传感器输出电压发生一次负突变，a值减1，a的初值是0。
也就是说，手动快速转向模式下计算车轮目标转向角度的方法与正常手动转向模式下计算车轮目标转向角度的方法区别仅在于转向速度因子的选取不同，其余完全相同。
同样，当车轮目标转向角度超过转向范围±E°时，将车轮目标转向角度设定为+E°或-E°，+E°为车辆安全行驶状态下最大车轮右转向角度，-E°为车辆安全行驶状态下最大车轮左转向角度。同时，系统将发出提示“车轮转向角度已到达极限”。
(三)自动转向模式
设有自动驾驶开关，自动驾驶开关用于启动自动转向模式，自动转向模式优先于手动快速转向模式和正常手动转向模式。激活自动转向模式时需满足以下条件：(1)转向系统压力正常、传感器电信号正常；(2)自动驾驶开关开启；激活后的行驶过程中，任何条件不满足，则锁定自动转向驾驶功能。自动转向模式下，车轮目标转向角度为自动驾驶系统请求的车轮转向角度。
自动转向模式下，当在设定的时间T内角度传感器输出电压变化大于U时，由自动转向模式切换至正常手动转向模式。
控制单元在控制车辆转向过程中，基于车轮目标转向角度与车轮转向角度的差值，控制单元对输出的转向比例方向阀控制电流进行PID控制。
实施例二：
实现上述控制方法的车辆转向控制系统
如图1所示，本发明液压转向系统包括转向油缸1、油缸保护溢流阀2、转向比例方向阀3、齿轮泵4、系统压力设定阀5、油箱13、压力油源管路9、回油管路10和11、转向管路7和8。
转向比例方向阀3用于通过转向油缸1控制车辆转向，转向比例方向阀3接转向油缸1。当比例方向阀3左电磁阀通电，右电磁阀失电时，压力油从管路9经过比例阀方向阀3、管路7到达转向油缸1左腔，车辆右转；反之，车辆左转。控制单元通过改变比例方向阀电磁阀3的通电电流而改变转向速度而响应方向盘转动速度。
齿轮泵4压力油输出口与转向比例方向阀3压力油进油口通过管路9相连，转向比例方向阀3回油口与油箱通过管路10相连。系统压力设定阀5进油口接压力油管路9，出油口接回油管路10之间。转向比例方向阀3的两个工作油口经过管路7、管路8分别与转向油缸1的左腔与右腔连接。两个系统保护溢流阀2进油口分别接工作油路7和8，回油口接油箱13。车辆行驶过程中，若方向盘不转动，系统保护溢流阀2可防止转向油缸1左右两腔出现高压而损坏油缸。
如图2所示，本发明控制部分包括：
角度传感器，设置于方向盘上，用于检测方向盘的转动角度；
车轮角度传感器，设置于车轮上，用于检测车轮转向角度；
快速转向开关，用于启动手动快速转向模式；
自动驾驶开关，用于启动自动转向模式；
转向比例方向阀，用于通过转向油缸控制车辆转向，转向比例方向阀接转向油缸；
控制单元，根据角度传感器信号计算车轮目标转向角度，根据车轮目标转向角度，输出相应的转向比例方向阀控制电流；
角度传感器、车轮角度传感器、快速转向开关、自动驾驶开关接控制单元信号输入端，控制单元输出端接转向比例方向阀。
还包括：
压力传感器，用于检测转向油缸的油路压力；
车速传感器，用于检测车辆的车速；
自动驾驶指示灯，用于指示车辆处于自动转向模式；
快速转向指示灯，用于指示车辆处于快速转向模式；
系统故障指示灯，用于指示系统故障；
左转向指示灯、右转向指示灯，用于指示车辆左转向、右转向工作状态。
压力传感器、车速传感器接控制单元信号输入端，控制单元信号输出端接自动驾驶指示灯、快速转向指示灯、系统故障指示灯。
控制单元每个程序运行周期都检查输入信号：车轮转向角度传感器电信号、方向盘转动角度传感器电信号、转向系统压力传感器电信号、自动驾驶系统转向角度请求值。
控制单元对输入值进行分析后可判断出如下故障信息：
(1)转向系统压力传感器电信号故障；
(2)转向系统压力过高(或过低)；
(3)车轮转向角度传感器电压超范围；
(4)方向盘转动角度传感器电压超范围；
(5)若转向系统无法在规定时间内使车轮转向角度与目标转向角度的差值符合设定要求，系统将提示转向系统响应超时故障。
控制单元可输出以下状态信息：
(1)可依据车轮转向角度自动控制左转向指示灯、右转向指示灯的亮和灭，减少转向指示灯操作杆使用频率；
(2)输出车轮转向角度，帮助驾驶员判断车辆转向轮状态；
(3)输出快速转向指示灯、自动驾驶指示灯；
(4)车轮转向角度已到达极限；
(5)输出系统故障信息。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (9)

1.一种车辆转向控制方法，其特征在于：
方向盘上设有角度传感器，角度传感器用于检测方向盘的转动角度，控制单元根据角度传感器信号计算车轮目标转向角度；
根据车轮目标转向角度与车轮实际转向角度的差值，控制单元输出相应的转向比例方向阀控制电流，转向方向比例阀通过转向油缸控制车辆转向；
车辆转向处于正常手动转向模式时，根据角度传感器信号计算车轮目标转向角度通过如下公式实现，
y＝k1*(x-x0)+y0
式中，y表示车轮目标转向角度，k1表示正常手动转向模式下的转向速度因子，可根据当前车速进行调整，x表示角度传感器的理想输出电压，x0表示角度传感器的初始电压，y0表示车轮的初始角度；
上述角度传感器的理想输出电压x通过如下公式获得，
x＝b+Aa
式中，b表示转动方向盘后角度传感器的实际输出电压，a表示角度传感器输出电压突变参数，在转动方向盘过程中，角度传感器输出电压发生一次正突变，a值加1，角度传感器输出电压发生一次负突变，a值减1，a的初值是0,A表示根据角度传感器最大输出电压设定的系数。
2.根据权利要求1所述的车辆转向控制方法，其特征在于：设有快速转向开关，快速转向开关用于启动手动快速转向模式，手动快速转向模式优先于正常手动转向模式；
手动快速转向模式时，计算车轮目标转向角度通过如下公式实现，y＝k2*(x-x0)+y0
式中，y表示车轮目标转向角度，k2表示手动快速模式下的转向速度因子，且k2＝m k1,m大于1，根据所需快速转向速度设定，k1表示正常手动转向模式下的转向速度因子；
x表示角度传感器的理想输出电压，x0表示角度传感器的初始电压，y0表示车轮的初始角度；
上述角度传感器的理想输出电压x通过如下公式获得，
x＝b+Aa
式中，b表示转动方向盘后角度传感器的实际输出电压，a表示角度传感器输出电压突变参数，在转动方向盘过程中，角度传感器输出电压发生一次正突变，a值加1，角度传感器输出电压发生一次负突变，a值减1，a的初值是0,A表示根据角度传感器最大输出电压设定的系数。
3.根据权利要求2所述的车辆转向控制方法，其特征在于：设有自动驾驶开关，自动驾驶开关用于启动自动转向模式，自动转向模式优先于手动快速转向模式和正常手动转向模式；自动转向模式下，车轮目标转向角度为自动驾驶系统请求的车轮转向角度。
4.根据权利要求3所述的车辆转向控制方法，其特征在于：自动转向模式下，当在设定的时间T内角度传感器输出电压变化大于U时，由自动转向模式切换至正常手动转向模式。
5.根据权利要求1至4任何一项所述的车辆转向控制方法，其特征在于：当车轮目标转向角度超过转向范围±E°时，将车轮目标转向角度设定为+E°或-E°，+E°为车辆安全行驶状态下最大车轮右转向角度，-E°为车辆安全行驶状态下最大车轮左转向角度。
6.根据权利要求5所述的车辆转向控制方法，其特征在于：基于车轮目标转向角度与车轮转向角度的差值，控制单元对输出的转向比例方向阀控制电流进行PID控制。
7.一种实现权利要求1至6任何一项所述车辆转向控制方法的控制系统，其特征在于，包括：
角度传感器，设置于方向盘上，用于检测方向盘的转动角度；
车轮角度传感器，设置于车轮或转向桥上，用于检测车轮转向角度；
快速转向开关，用于启动手动快速转向模式；
自动驾驶开关，用于启动自动转向模式；
转向比例方向阀，用于通过转向油缸控制车辆转向，转向比例方向阀接转向油缸；
控制单元，根据方向盘角度传感器信号计算车轮目标转向角度，根据车轮目标转向角度与车轮实际转向角度的差值，输出相应的转向比例方向阀控制电流；
角度传感器、车轮角度传感器、快速转向开关、自动驾驶开关接控制单元信号输入端，控制单元输出端接转向比例方向阀。
8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，包括：
压力传感器，用于检测转向油缸的油路压力；
车速传感器，用于检测车辆的车速；
自动驾驶指示灯，用于指示车辆处于自动转向模式；
快速转向指示灯，用于指示车辆处于快速转向模式；
系统故障指示灯，用于指示系统故障；
压力传感器、车速传感器接控制单元信号输入端，控制单元信号输出端接自动驾驶指示灯、快速转向指示灯、系统故障指示灯。
9.根据权利要求7或8所述的控制系统，其特征在于：控制单元信号输出端接左转向指示灯、右转向指示灯。
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