CN110606121B - 一种线控转向路感模拟控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及车辆的转向控制技术领域，公开一种线控转向路感模拟控制方法，其包括以下步骤：通过动力学构建转向负载模型计算转向阻力矩，通过转向电机的输出力矩构建负载状态观测器计算转向负载力矩；根据转向阻力矩和转向负载力矩，得到综合输出力矩；建立电动助力转向系统模型，计算助力转向输出力矩；结合助力转向输出力矩和综合输出力矩得出路感力矩，进而为路感装置反馈路面信息。本发明所公开的线控转向路感模拟控制方法综合了动力学构建转向负载模型和构建负载状态观测器的优势并互补不足，获得一个比较舒适的接近真实的综合输出力矩，进而结合电动助力转向系统模型计算助力转向输出力矩，为路感装置反馈路面信息。

Description

一种线控转向路感模拟控制方法

技术领域

本发明涉及车辆的转向控制技术领域，尤其涉及一种线控转向路感模拟控制方法。

背景技术

随着汽车技术的不断发展，汽车转向系统已经历了机械转向、液压助力转向、电液转向及电动助力转向四个阶段。汽车电子技术在不断的深入发展，智能网联汽车正在兴起，一种新型的转向系统受到了关注，即线控转向。

线控转向系统取消了转向盘与转向轮之间的机械连接，完全由电能实现转向，摆脱了传统转向系统的各种限制，不但可以自由设计汽车转向的力传递特性，而且可以设计汽车转向的角传递特性，给汽车转向特性的设计带来无限的空间，是汽车转向系统的重大革新。

近年来，汽车智能化也在不断推进，而线控转向系统则是智能驾驶汽车的必备装置，它不仅能响应来自总线的转向指令，也能将方向盘隐匿，从而为自动驾驶车辆提供充足的机舱空间，提高车内乘员的舒适性。因此，线控转向必将成为转向系统发展历史的第五个阶段。

由于取消了方向盘与转向轮之间的机械连接，导致了路感信息无法直接传递给驾驶员，因此需要引入控制，为驾驶员提供一个虚拟的接近真实路面反馈的路感信息。

目前，在现有技术中，CN108791481A公开的路感模拟控制方法，通过控制电磁阀的开闭来实现A腔和B腔压力的精确控制，并依据各传感器信号进行修正，路感模拟快速准确；通过ECU感知的转向横拉杆信号和各传感器信号计算反馈的阻力矩并对模拟器缸内压力差进行调节。CN105083373B公开的路感装置及方法，包括方向盘，与方向盘相连的转角传感器、转矩传感器、转向管柱、路感电机及路感控制器等，其中包括一套离合器，由控制器检测到当前状态出现差错，通过控制离合器来切换到备用电机转向模式；所述规划方法由传感器测得信号，通过卡尔曼滤波估计得到当前汽车状态变量，计算得到汽车转向阻力矩，并通过车速、变传动比及侧向加速度对转向路感进行补偿修正，得到当前理想的转向盘力矩值。CN101860305B公开的路感电机控制方法，采用简单有效的力矩算法，计算出路感电机反馈至转向盘的反馈力矩，并将该反馈力矩与转向柱的实际转矩T进行PI控制，来实现对线控转向系统的路感精确模拟。

已公布的专利涉及的路感模拟方法，或采用传感器直接测量路面负载力矩，这样增加了系统成本；或采用动力学方法计算转向阻力矩，但无法在低附着路面或前轮卡死等工况获得理想的路感反馈；或采用转向电机输出力矩来估计转向负载，在遇到颠簸路面等较差路况时，电机输出力矩抖动会影响驾驶员的操舵手感。

发明内容

基于以上所述，本发明的目的在于提供一种线控转向路感模拟控制方法弥补了动力学计算转向阻力无法兼顾低附着路面和前轮卡死等的问题，同时还解决了负载观测法在颠簸路面上路感抖动的问题。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种线控转向路感模拟控制方法，包括以下步骤：

通过动力学构建转向负载模型，计算转向阻力矩，通过转向电机的输出力矩构建负载状态观测器，计算转向负载力矩；

根据转向阻力矩和转向负载力矩，计算综合输出力矩；

建立电动助力转向系统模型，计算助力转向输出力矩；

结合所述助力转向输出力矩和所述综合输出力矩得出路感力矩，进而为路感装置反馈路面信息。

作为一种线控转向路感模拟控制方法的优选方案，所述转向阻力矩包括侧向力回正力矩和重力回正力矩，所述侧向力回正力矩计算公式为：

式中，T_{a_l}为侧向力回正力矩，m为整车质量，b为质心到后轴的距离，L为轴距，a_y为侧向加速度，ξ为前轮转角；

所述重力回正力矩计算公式为：

式中，T_{a_w}为重力回正力矩，K_aw为重力回正系数，δ_sw为方向盘转角，i为转向传动比。

作为一种线控转向路感模拟控制方法的优选方案，所述侧向加速度采集于侧向加速度传感器，所述前轮转角采集于前轮转角传感器，所述方向盘转角采集于方向盘转角传感器。

作为一种线控转向路感模拟控制方法的优选方案，所述转向传动比的计算公式为：

i＝i_bas+i_inc

其中，

式中，i_bas为基础传动比，i_inc为增量传动比，K_p、K_i、K_d分别为PID控制参数，Yaw为理想横摆角速度，yaw为实际横摆角速度；

其中，所述理想横摆角速度、所述侧向加速度及所述基础传动比的计算公式为：

式中，u为车速，L为轴距，K为不足转向度，δ_sw为方向盘角度，i为传动比。

作为一种线控转向路感模拟控制方法的优选方案，所述负载状态观测器的所述转向负载力矩的计算公式为：

其中，M_r为有效的质量，其包括电机惯量和齿条的质量，Xr为齿条的位置，G_r为齿轮齿条传动比，K_tr为电机的力矩系数，I_r为电机电流，T_int为电机和转向机的内部摩擦力矩。

作为一种线控转向路感模拟控制方法的优选方案，采用一阶惯性滤波器对所述转向负载力矩进行处理，所述一阶惯性滤波器的第n次滤波输出值的计算公式为：

Y(n)＝αX(n)+(1-α)Y(n-1)

式中，α为滤波系数，X(n)为第n次采样值，Y(n-1)为第n-1次滤波输出值；

其中，所述滤波系数α与滤波截止频率F_L有关，两者的关系计算式为：

F_L＝α/2πT

式中，T为采样周期。

作为一种线控转向路感模拟控制方法的优选方案，所述综合输出力矩由占比为a的所述转向阻力矩和占比为d的所述负载力矩组成，a、d之和为1。

作为一种线控转向路感模拟控制方法的优选方案，所述转向阻力矩与所述转向负载力矩之间的差值越大，所述转向负载力矩在所述综合输出力矩中所占的比值d越大。

作为一种线控转向路感模拟控制方法的优选方案，所述电动助力转向系统包括基本助力、主动回正、摩擦补偿、阻尼补偿及转角限位控制，所述基本助力为根据驾驶员对方向盘所施加的操舵力和当前的车速，查表得出当前工况给予驾驶员提供的转向助力T_ast；

所述主动回正为当驾驶员需要方向盘回到中间位置时，由所述电动助力转向系统进行位置控制，控制方向盘回正，回正力矩的计算公式为：

式中，θ_s为当前实际转角；

所述摩擦补偿为对所述电动助力转向系统存在的机械摩擦力进行补偿，所述摩擦补偿的摩擦补偿力矩的计算公式为：

T_f＝K_f·sgn(ω_m)

式中，K_f为摩擦补偿系数，sgn(ω_m)为路感电机转动方向；

所述阻尼补偿为对所述电动助力转向系统的阻尼进行补偿以增加所述电动助力转向系统的动态响应，所述阻尼补偿的阻尼补偿力矩的计算公式为：

T_d＝K_d·sgn(T_m)abs(ω_m)

式中，sgn(T_m)为方向盘力矩方向，ω_m为路感电机转速；

所述转角限位控制为在一定的角度上阻止方向盘继续转动以模拟车辆操作工况，所述转角限位控制的限位力矩的计算公式为：

T_dp＝K_dpδ_sw

式中，K_dp为限位系数，δ_sw为方向盘转角。

作为一种线控转向路感模拟控制方法的优选方案，所述电动助力转向系统的输出力矩的计算公式为：

T_eps＝T_ast+T_rtc+T_f+T_d+T_dp

式中，T_ast为转向助力，T_rtc为回正力矩，T_f为摩擦补偿力矩，T_d为阻尼补偿力矩，T_dp为限位力矩。

本发明的有益效果为：

本发明所公开的线控转向路感模拟控制方法综合了动力学构建转向负载模型和构建负载状态观测器的优势并互补不足，获得一个比较舒适的接近真实的综合输出力矩，进而结合电动助力转向系统模型计算助力转向输出力矩，为路感装置反馈路面信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明具体实施例一提供的线控转向路感模拟控制方法的控制流程图；

图2是本发明具体实施例二提供的线控转向路感模拟控制方法的控制流程图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例提供一种线控转向路感模拟控制方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

S11、通过动力学构建转向负载模型，计算转向阻力矩，通过转向电机的输出力矩构建负载状态观测器，计算转向负载力矩；

S12、根据转向阻力矩和转向负载力矩，计算综合输出力矩；

S13、建立电动助力转向系统模型，计算助力转向输出力矩；

S14、结合所述助力转向输出力矩和所述综合输出力矩得出路感力矩，进而为路感装置反馈路面信息。

由于动力学计算转向阻力无法兼顾低附着路面、前轮卡死等情况，负载观测法在颠簸路面上无法兼顾路感抖动的问题，本发明所公开的线控转向路感模拟控制方法综合了动力学构建转向负载模型和构建负载状态观测器的优势并互补不足，获得一个比较舒适的接近真实的综合输出力矩，进而结合电动助力转向系统模型计算助力转向输出力矩，为路感装置反馈路面信息，使车辆同时在低附着路面及前轮卡死等环节仍然能较为真实的反应路面情况，并且在颠簸路面等复杂外界环境下，降低复杂外界环境对驾驶操控的影响。

具体地，本实施例的转向阻力矩包括侧向力回正力矩和重力回正力矩，其中，侧向力回正力矩计算公式为：

式中，T_{a_l}为侧向力回正力矩，m为整车质量，b为质心到后轴的距离，L为轴距，a_y为侧向加速度，ξ为前轮转角。其中，侧向加速度采集于侧向加速度传感器，前轮转角采集于前轮转角传感器。

重力回正力矩计算公式为：

式中，T_{a_w}为重力回正力矩，K_aw为重力回正系数，δ_sw为方向盘转角，i为转向传动比。其中，方向盘转角采集于方向盘转角传感器。

进一步地，转向传动比的计算公式为：

i＝i_bas+i_inc

其中，

式中，i_bas为基础传动比，i_inc为增量传动比，K_p、K_i、K_d分别为PID控制参数，Yaw为理想横摆角速度，yaw为实际横摆角速度；

其中，理想横摆角速度、侧向加速度及基础传动比的计算公式为：

式中，u为车速，L为轴距，K为不足转向度，δ_sw为方向盘角度，i为传动比。

步骤S11中的负载状态观测器的转向负载力矩的计算公式为：

其中，M_r为有效的质量，其包括电机惯量和齿条的质量，Xr为齿条的位置，G_r为齿轮齿条传动比，K_tr为电机的力矩系数，I_r为电机电流，T_int为电机和转向机的内部摩擦力矩。

为了更加准确地计算出转向负载力矩，本实施例采用一阶惯性滤波器对转向负载力矩进行处理，一阶惯性滤波器的第n次滤波输出值的计算公式为：

Y(n)＝αX(n)+(1-α)Y(n-1)

式中，α为滤波系数，X(n)为第n次采样值，Y(n-1)为第n-1次滤波输出值；

其中，所述滤波系数α与滤波截止频率F_L有关，两者的关系计算式为：

F_L＝α/2πT

式中，T为采样周期。

在步骤S12中，综合输出力矩由占比为a的转向阻力矩和占比为d的转向负载力矩组成，其中a和d的值由转向阻力矩与负载力矩之间的差值决定。转向阻力矩与转向负载力矩之间的差值的越大，转向阻力矩的占比a的值越小，转向负载力矩的占比d的值越大，但是a、d之和为1保持不变。

具体地，在路面较为平稳的情况下，两者的差值较小，即转向阻力矩和负载力矩较为接近，由于转向负载模型对路面较为平坦的情况计算比较准确，此时，转向阻力矩的占比a较大，a的值在80％以上，而负载力矩的占比为d，d的值为1减去a。即当转向阻力矩与转向负载力矩之间的差值较小时，转向阻力矩在综合输出力矩中所占的比重较多，负载力矩在综合输出力矩中所占的比重较少，a和d的具体值可根据实验得出。

在路面较为颠簸时，两者的差值较大，即转向阻力矩和负载力矩差距较大，由于负载状态观测器对路面比较颠簸的路面计算比较准确，此时，转向阻力矩的占比a较路面较为平坦时的a有所减小，a的值在80％以下甚至低于50％，而负载力矩的占比为d，d的值为1减去a。即当转向阻力矩与转向负载力矩之间的差值较大时，转向阻力矩在综合输出力矩中所占的比重减少，负载力矩在综合输出力矩中所占的比重增多，a和d的具体值可根据实验得出。

在步骤S13中，电动助力转向系统包括基本助力、主动回正、摩擦补偿、阻尼补偿及转角限位控制，基本助力为根据驾驶员对方向盘所施加的操舵力和当前的车速，查表得出当前工况给予驾驶员提供的转向助力T_ast；

主动回正控制为当驾驶员需要方向盘回到中间位置时，由线控转向系统进行位置控制，控制方向盘回正，并采用PID闭环控制，控制方法如下：

式中，T_rtc为回正力矩，θ_s为当前实际转角，K_p、K_i、K_d分别为PID控制参数，由于回正控制的目标是方向盘回到中间位置，即θ_t＝0，因此上式可简化为：

摩擦补偿为对电动助力转向系统存在的机械摩擦力进行补偿，摩擦补偿的摩擦补偿力矩的计算公式为：

T_f＝K_f·sgn(ω_m)

式中，K_f为摩擦补偿系数，sgn(ω_m)为路感电机转动方向。

阻尼补偿为对电动助力转向系统的阻尼进行补偿以增加电动助力转向系统的动态响应，阻尼补偿的阻尼补偿力矩的计算公式为：

T_d＝K_d·sgn(T_m)abs(ω_m)

式中，sgn(T_m)为方向盘力矩方向，ω_m为路感电机转速。

转角限位控制为在一定的角度上阻止方向盘继续转动以模拟车辆操作工况，转角限位控制的限位力矩的计算公式为：

T_dp＝K_dpδ_sw

式中，K_dp为限位系数，δ_sw为方向盘转角。

在步骤S13中，电动助力转向系统的输出力矩的计算公式为：

T_eps＝T_ast+T_rtc+T_f+T_d+T_dp

式中，T_ast为转向助力，T_rtc为回正力矩，T_f为摩擦补偿力矩，T_d为阻尼补偿力矩，T_dp为限位力矩。

最后，助力转向输出力矩和综合输出力矩相加得出路感力矩，进而为路感装置反馈路面信息。

实施例二

本实施例的线控转向路感模拟控制方法，如图2所示，包括如下步骤：

S21、建立电动助力转向系统模型，计算助力转向输出力矩；

S22、通过动力学构建转向负载模型，计算转向阻力矩，通过转向电机的输出力矩构建负载状态观测器，计算转向负载力矩；

S23、根据转向阻力矩和转向负载力矩，计算综合输出力矩；

S24、结合所述助力转向输出力矩和所述综合输出力矩得出路感力矩，进而为路感装置反馈路面信息。

本实施例与实施例一的不同在于，本实施例首先计算出助力转向输出力矩，然后再计算出综合输出力矩，进而计算出路感力矩，而实施例一则是首先计算出综合输出力矩，然后再计算出助力转向输出力矩，进而计算出路感力矩，具体地，助力转向输出力矩、转向阻力矩、转向负载力矩及综合输出力矩的计算方法均与实施例一相同。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种线控转向路感模拟控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过动力学构建转向负载模型，计算转向阻力矩，通过转向电机的输出力矩构建负载状态观测器，计算转向负载力矩；

根据所述转向阻力矩和所述转向负载力矩，计算综合输出力矩，所述综合输出力矩由占比为a的所述转向阻力矩和占比为d的所述转向负载力矩组成，a、d之和为1，所述转向阻力矩与所述转向负载力矩之间的差值越大，所述转向负载力矩在所述综合输出力矩中所占的比值d越大；

建立电动助力转向系统模型，计算助力转向输出力矩；

结合所述助力转向输出力矩和所述综合输出力矩得出路感力矩，进而为路感装置反馈路面信息。

2.根据权利要求1所述的线控转向路感模拟控制方法，其特征在于，所述转向阻力矩包括侧向力回正力矩和重力回正力矩，所述侧向力回正力矩计算公式为：

式中，T_{a_l}为侧向力回正力矩，m为整车质量，b为质心到后轴的距离，L为轴距，a_y为侧向加速度，ξ为前轮转角；

所述重力回正力矩计算公式为：

式中，T_{a_w}为重力回正力矩，K_aw为重力回正系数，δ_sw为方向盘转角，i为转向传动比。

3.根据权利要求2所述的线控转向路感模拟控制方法，其特征在于，所述侧向加速度采集于侧向加速度传感器，所述前轮转角采集于前轮转角传感器，所述方向盘转角采集于方向盘转角传感器。

4.根据权利要求2所述的线控转向路感模拟控制方法，其特征在于，所述转向传动比的计算公式为：

i＝i_bas+i_inc

其中，

式中，i_bas为基础传动比，i_inc为增量传动比，K_p、K_i、K_d分别为PID控制参数，Yaw为理想横摆角速度，yaw为实际横摆角速度；

其中，所述理想横摆角速度、所述侧向加速度及所述基础传动比的计算公式为：

式中，u为车速，L为轴距，K为不足转向度，a_y为侧向加速度，δ_sw为方向盘转角，i为转向传动比。

5.根据权利要求1所述的线控转向路感模拟控制方法，其特征在于，所述负载状态观测器的所述转向负载力矩的计算公式为：

其中，T_ext为转向负载力矩，M_r为有效的质量，其包括电机惯量和齿条的质量，Xr为齿条的位置，G_r为齿轮齿条传动比，K_tr为电机的力矩系数，I_r为电机电流，T_int为电机和转向机的内部摩擦力矩。

6.根据权利要求1所述的线控转向路感模拟控制方法，其特征在于，采用一阶惯性滤波器对所述转向负载力矩进行处理，所述一阶惯性滤波器的第n次滤波输出值的计算公式为：

Y(n)＝αX(n)+(1-α)Y(n-1)

式中，Y(n)为第n次滤波输出值，α为滤波系数，X(n)为第n次采样值，Y(n-1)为第n-1次滤波输出值；

其中，所述滤波系数α与滤波截止频率F_L有关，两者的关系计算式为：

F_L＝α/2πT

式中，T为采样周期。

7.根据权利要求1所述的线控转向路感模拟控制方法，其特征在于，所述电动助力转向系统包括基本助力、主动回正、摩擦补偿、阻尼补偿及转角限位控制，所述基本助力为根据驾驶员对方向盘所施加的操舵力和当前的车速，查表得出当前工况给予驾驶员提供的转向助力T_ast；

所述主动回正为当驾驶员需要方向盘回到中间位置时，由所述电动助力转向系统进行位置控制，控制方向盘回正，回正力矩的计算公式为：

式中，T_rtc为回正力矩，θ_s为当前实际转角，K_p、K_i、K_d分别为PID控制参数；

所述摩擦补偿为对所述电动助力转向系统存在的机械摩擦力进行补偿，所述摩擦补偿的摩擦补偿力矩的计算公式为：

T_f＝K_f·sgn(ω_m)

式中，T_f为摩擦补偿力矩，K_f为摩擦补偿系数，sgn(ω_m)为路感电机转动方向；

所述阻尼补偿为对所述电动助力转向系统的阻尼进行补偿以增加所述电动助力转向系统的动态响应，所述阻尼补偿的阻尼补偿力矩的计算公式为：

T_d＝K_d·sgn(T_m)abs(ω_m)

式中，T_d为阻尼补偿力矩，sgn(T_m)为方向盘力矩方向，T_m为方向盘力矩，ω_m为路感电机转速；

所述转角限位控制为在一定的角度上阻止方向盘继续转动以模拟车辆操作工况，所述转角限位控制的限位力矩的计算公式为：

T_dp＝K_dpδ_sw

式中，T_dp为限位力矩，K_dp为限位系数，δ_sw为方向盘转角。

8.根据权利要求7所述的线控转向路感模拟控制方法，其特征在于，所述电动助力转向系统的输出力矩的计算公式为：

T_eps＝T_ast+T_rtc+T_f+T_d+T_dp

式中，T_eps为输出力矩，T_ast为转向助力，T_rtc为回正力矩，T_f为摩擦补偿力矩，T_d为阻尼补偿力矩，T_dp为限位力矩。

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