CN112519875A - 车辆车轮转向控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及车辆车轮转向控制系统和方法。转向车辆可包括向转向轮施加足以影响转向轮上的转向力矩的净制动‑转向力，足以使转向轮远离零转向角移动，并且抵抗转向轮朝向零转向角返回的移动。

Description

车辆车轮转向控制系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年9月19日提交的美国临时申请序列第62/902,684号的权益。

技术领域

本公开涉及车辆制动和转向系统。

背景技术

本节中的陈述仅提供与本公开有关的背景信息。因此，此类陈述不旨在构成对现有技术的承认。

车辆通常包括转向和制动系统。转向和制动系统等会影响车辆运动控制。

发明内容

使车辆转向包括向转向轮施加足以影响转向轮上的转向力矩的净制动-转向力，足以使转向轮远离零转向角移动，并且抵抗转向轮朝向零转向角返回的移动。

附图说明

现在将参考附图，通过示例的方式描述一个或多个实施例，其中

图1示出了根据多个说明性变型的车辆；

图2示出了根据多个说明性变型的各种车辆横向位移；

图3示出了对应于图2且根据多个说明性变型的转向角、制动压力和车速；

图4示出了根据多个说明性变型的转向角响应和对应的制动器施加压力；和

图5示出了根据多个说明性变型的转向角控制和对应的制动器施加压力。

具体实施方式

现在参考附图，其中附图仅出于说明某些变型的目的，而非出于限制变型的目的。图1示意性地示出了车辆101，该车辆101包括前部并排的车轮对和后部并排的车轮对。尽管车轮中的一些或所有可安装在独立的主轴或轮轴上，但是每对此类车轮均可称为轮轴组。前轮轴组分别包括左前轮103L和右前轮103R，并且后轮轴组包括左后轮105L和右后轮105R。在所要求保护的主题的范围内的其他多轮车辆可包括更多或更少的车轮和附加的轮轴组的组合。车辆由动力总成系统（未示出）推动，该动力总成系统向至少一个车轮施加驱动扭矩。车辆制动可能受到制动系统的影响，该制动系统优选地在每个车轮处包括可独立控制的摩擦制动器。此类制动系统可包括多通道液压回路，液压回路中的每一个可被独立地致动以便独立于其他车轮，控制对相应车轮的液压制动压力以及因此制动施加。其他制动系统为已知的，包括电机转矩应用，诸如在车轮电驱动的电机中。至少一个此类制动器可与转向轮中的至少一个相关联。在图1中，独立可致动的制动器119被示为与每个前轮103L、103R相关联。制动器控制模块（BCM）121可提供制动功能，包括液压制动压力施加、控制和诊断功能。BCM 121可参与控制器局域网（CAN），如图所示经由此类CAN的总线125，包括在其它联网的控制模块之间发送和接收数据、请求和命令。

车辆101中的方向转向由前轮提供，前轮为转向轮，而后轮105L、105R仅仅是拖动。替代地，除了前轮之外的车轮也可被转向，并且此类布置也落入所要求保护的主题的范围内。车辆101中的转向系统可包括齿条和小齿轮组107。齿条可在相对端处联接到转向连杆机构，诸如横拉杆109和转向臂110，例如以便传递齿条的线性运动来改变转向轮103L、103R的转向角。在转向轴114的一端的小齿轮可与齿条啮合，使得在转向轴114的相对端处的方向盘117的旋转运动使齿条平移，以改变转向轮130L、103R的转向角。可采用替代转向机构，包括转向齿轮箱和适当的连杆机构。另外，转向系统可采用电动或液压辅助。并且，“线控”转向系统为已知的，其将方向盘或替代操作员界面与转向机构机械地分离。所有此类替代转向系统的特征和组合均在所要求保护的主题的范围内。可采用一个或多个转向角位置传感器113、115来检测和得出反馈和控制参数，诸如旋转位移、旋转方向、旋转速度和加速度、期望转向角、实际转向角等。例如，传感器113被示为在齿条和小齿轮组107的一侧上，以感测联接的转向轴114和方向盘115的旋转位移，而传感器115被示为在齿条和小齿轮组107的相对侧上，以感测联接的齿条和横拉杆109的线性位移。当方向盘117或替代操作员界面机械地联接到转向连杆机构时，传感器113可足以检测和得出反馈和控制参数。然而，当不存在此类直接机械连接时，可能需要传感器115来检测和得出转向系统参数，诸如实际转向角。传感器可直接联接到控制模块，或者可经由节点与CAN交互。横向控制模块（LCM）123可基于转向角、横摆、车轮速度等提供车辆稳定性控制功能，诸如但不限于形成将由BCM和动力总成控制模块（PCM）执行的车轮制动和动力总成扭矩命令，以及转向控制单元（SCU）功能，包括例如响应于操作员输入的线控转向控制并执行自主和半自主功能，诸如但不限于车道保持和车辆车队行驶。LCM 123可容纳用于在可能需要制动以转向的情况下经由任何可用手段使车辆横向转向的逻辑。LCM 123可与任何模块一起使用或与任何模块通信，以根据需要执行LCM 123的多种功能，这些功能可包括但不限于电子稳定性控制（ESC）模块的功能、SCU模块的功能、BCM的功能、PCM的功能、牵引力控制系统（TCS）的功能，或者可提供任何形式的关于车辆运动的控制的任何其他已知车辆系统或模块的功能，诸如但不限于车辆偏航控制、车轮速度、防抱死制动功能、紧急制动、牵引力控制的控制。可能出现某些驾驶情况，其中LCM 123可能需要与控制横向和纵向移动的多个模块进行通信，以使LCM 123执行LCM 123功能。例如，可能出现这样的情况，其中多个转向部件或模块在公路交通中完全或部分失效，并且出于安全原因需要控制车辆的纵向行驶，同时车辆系统或传感器寻求机会使车辆根据本文所述的方法中的至少一种通过制动转向而跛行到路边。此外，在检测到转向故障时——并且为了防止驾驶员造成碰撞——节流可由LCM123经由PCM禁用，并且通过LCM 123可经由BCM施加轻微的直接制动，同时根据本文所述的方法中的至少一种，LCM 123可与车辆右侧上的传感器通信，以找到车辆可经由LCM 123的制动而转向进入的交通中的通路，直到车辆安全地停在道路的右路肩上。还可想到，可能出现类似的情况，其中期望加速而不是制动。在此类情况下，LCM 123可类似地与其他车辆模块或系统一起工作，以产生期望的加速度。根据本公开，LCM功能可包括形成车轮制动命令和抑制转向车轮的转向移动，以基于制动力、车轮到道路的动力学、底盘设计和车速等因素来影响转向。阻尼器111被示为机械地可操作地联接到转向连杆机构，并且可控制地可操作地联接到LCM 123。阻尼器111可采取有效地阻止或减弱或锁定转向轮的转向运动的任何合适的形式。例如，阻尼器111可为具有可控孔口的液压阻尼器。阻尼器111可作为可变孔口并入液压辅助回路内。阻尼器111可被实施为诸如带式离合器、制动器、湿式或干式滑动离合器等的摩擦设备。阻尼器111可为选择性地接合的斯普拉格（Sprague）离合器、超速离合器、棘轮或类似物。阻尼器111可为可变电阻磁性螺钉。阻尼器111可为磁流变流体阻尼器。LCM 123可如图所示经由总线125参与控制器局域网（CAN），包括在其它联网的控制模块之间发送和接收数据、请求和命令。

控制模块是指专用集成电路（ASIC）、电子电路、中央处理单元和相关联的存储器和存储装置（只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动器等）中的一种或多种的任何一种或多种组合，其可执行一个或多个软件或固件程序或例程、组合逻辑电路、输入/输出电路和设备、适当的信号调节和缓冲电路以及提供所述功能的其他组件。软件、固件、程序、指令、例程、代码、算法和类似术语意指包括校准和查找表的任何指令集。控制模块可具有被执行以提供期望功能的一组控制例程。例程可例如由中央处理单元执行，并且可操作以监控来自感测设备和其他联网的控制模块的输入，并且可执行控制和诊断例程以控制致动器的操作。例程可在正在进行的发动机和车辆操作期间以规则的间隔执行。替代地，例程可响应于事件的发生或在操作员输入时被执行。

图2示出了根据本公开的车辆车轮转向控制系统和方法的功效，其中制动被施加到车辆的左前轮。图2在水平轴线207上图形化地示出了以米为单位的纵向车辆位移，并且在竖直轴线205上图形化地示出了以米为单位的横向车辆位移，其中交点为图形的原点。图3在水平轴线307上图形化地示出了以米为单位的纵向车辆位移，其对应于沿着图2的水平轴线207的相同位移。竖直轴线305表示以kph为单位的车速，竖直轴线303表示以bar为单位的液压制动压力，并且竖直轴线305表示以度为单位的转向轮角。如本文所用，转向轮角、转向角和方向盘角为等同的术语。参考图1，转向角θ表示车轮133的中心线与车辆纵向轴线131所成的角度。在图中向左打开的转向角被指定为正（+），并且在图中向右打开的转向角被指定为负（-）。再次参考图2，在原点处，每个曲线201、203表示基本为100 kph的初始车速和基本为零的转向角θ。曲线203表示在施加左前轮制动器期间车辆的基线位移响应，其中转向角θ保持在基本零度。此类车辆重定向可被称为制动转向，并且为车辆的相反两侧的车轮之间的制动差异或车辆的四个角之间的制动差异的结果。未经校正，此类制动转向可能是不合需要的；然而，此类原理可控制地应用于先进的车辆稳定性控制中和主要用于重型设备应用中的制动转向系统中，以改善低速转弯性能。曲线201表示在施加左前轮制动期间车辆的位移响应，其中准许转向角θ从零开始增加而不被校正。在转向轮上的制动施加引起转向轮上的转向力矩，该转向力矩与制动力、车轮到道路的动力学、底盘设计和车速等因素有关。特别地，转向轮处的制动力将在转向轮上施加力矩，该力矩的方向和大小与磨胎半径（scrub radius）、磨胎方向和制动力有关。在该说明性变型中，正磨胎半径将在转向轮上引起远离车辆中心线打开转向角的力矩，而负磨胎半径将在转向轮上引起朝向车辆中心线打开转向角的力矩。在该说明性变型中，车辆包括基本+ 50 mm的正磨胎半径，其结果是增大朝向车辆外部的转向角。由于在该说明性变型中转向轮处于左前方，因此车辆向左转向。相反，如果右前转向轮被制动并具有正磨胎半径，则所得到的增加的转向角也朝向车辆外部，并且车辆可向右转向。转向轮处的负磨胎半径可引起增大朝向车辆内部的转向角。在此类配置中，如果转向轮处于左前方，则车辆可向右转向。并且，如果转向轮处于右前方，则车辆可向左转向。曲线203和曲线201之间的横向位移差异是由于在左前轮处连续的制动力施加影响的转向角的进展。

参考图3，并且更具体地参考示出沿竖直轴线301的转向轮角的上图，申请人已观察到转向轮角可达到早期的局部最大值302，随后转向角减小到局部最小值304，随后转向角增加，所有这些均根据稳定状态的制动压力（即40 bar）。该初始转向角向后倾可由例如轮胎气动力学、接触区域变形、主销后倾效应和转向轴线倾斜效应等产生的回正力矩造成。在根据本公开的转向控制不太积极的情况下，此类响应特性可能是尚可的；然而，在期望更积极的转向控制时，此类响应可能变得越来越令人反感，并且这种异常的动态范围可能会增加。因此，阻尼器111可被使用以便当获得期望的转向角时或当期望转向角继续进展时防止转向轮的反向运动。

申请人认识到，由于多种原因，例如包括降低能耗和控制粒度，调节或脉动地调节制动压力可能是期望的。参考图4，至少在某些操作领域中，回正力矩效应显示得更为明显。竖直轴线401表示以度为单位的转向角，并且竖直轴线403表示以bar为单位的制动压力，两者均相对于车辆位移或时间的水平轴线。尽管图3所示的连续制动压力施加可倾向于减弱转向角的早期向后倾，但当制动压力被释放时，图4所示的脉冲制动压力可提供转向角的未经校正的向后倾，并且实际上可允许转向角反转、振荡以及在此类行为内的大动态范围。图4中的转向角可在约30度和-15度之间变化。图4中的制动压力可在约55 bar和10 bar之间变化。

申请人认识到，减小脉冲制动压力的动态范围或峰间变化和绝对最小制动压力可大大降低最终转向角响应中的振荡趋势，消除转向角反转，并且平滑转向角增加的趋势。参考图5，竖直轴线501表示以度为单位的转向角，并且竖直轴线503表示以bar为单位的制动压力，两者均相对于车辆位移或时间的水平轴线。图5所示的制动压力脉冲可表现出仅约为图4中示出的制动压力脉冲的三分之一的动态范围。此外，稳态最大压力脉冲也可在基本40bar处较小，并且稳态最小压力脉冲也可在基本25 bar处较大。申请人认为，较高的最小压力脉冲通常可有效地校正朝向零转向角返回的大的转向轮移动。从图5中可看出，转向角振荡显著减弱且转向角有明显增加的趋势。图5还显示了将抑制转向轮朝向零转向角的转向移动与转向轮处制动器的脉冲压力控制相结合的特征。当回正力矩大于由制动施加引起的车轮转向扭矩时，诸如当制动压力减小时，抑制或抵抗这种移动可允许转向角有效地保持在适当的位置。例如，转向角首先达到局部峰值509，在此之后，如果未经校正，则转向角可向后倾。然而，通过施加阻尼来防止这种转向角反转，并且转向角保持在水平509，直到由制动施加引起的车轮转向扭矩再次超过回正力矩。此时，转向角的增量变化可从保持的转向角509开始，沿着基本上对应于允许转向角向后倾的对应转向角轨迹511A的轨迹511B。可通过施加的阻尼来再次防止转向角反向，使得转向角可保持在水平510，直到由制动施加引起的车轮转向扭矩再次超过回正力矩。转向轮和转向角的这样的增量移动可根据需要重复进行，直到最终获得期望的转向角。

申请人认识到，当被制动时，轮轴组的转向轮中的每个转向轮可表现出与另一个相反的车轮转向扭矩。因此，在这样的一对轮轴的转向轮处同时的制动施加可产生基本为零的净制动-转向力。然而，如本公开内容中已阐述，在车轮转向事件期间，可能希望的是，总的车辆制动比通过保持一对转向轮中的一个不制动所能实现的更大。因此，可采用差动制动方案，其中通过车轮转向扭矩转向的期望车轮经受比另一个转向车轮更大的制动压力，并且净制动-转向力作用在期望转向车轮上，并且通过更完整的制动系统利用来增强总的车辆制动。

在多个说明性变型中，用于使用制动来使车辆转向的方法和系统提供了车辆的转向系统的改进的冗余。如果主转向系统发生故障或变得受损，则可实施使用制动的冗余转向系统，以完成将车辆向其目的地转向，或简单地将车辆朝路边转向。使用制动来使车辆转向的方法和系统在自动驾驶车辆中可为有利的。用于通过制动的转向的改进的冗余消除了对基本类似于主转向系统的辅助转向系统的需要，例如，使用电机来驱动转向轴或齿条和小齿轮系统或其他系统。替代地，通过制动的转向可被实施为第三转向系统。

本公开已描述了对其的某些说明性变型和修改。在阅读和理解说明书后，其他人可想到进一步的修改和变更。因此，意图是本公开不限于作为预期用于执行本公开的最佳模式而公开的特定说明性变型，而是本公开将包括落入所附权利要求的范围内的所有说明性变型。

以下对变型的描述仅是对被认为在本发明范围内的部件、元件、动作、产品和方法的说明，而绝非旨在通过具体公开或未明确阐述的内容来限制该范围。如本文描述的部件、元件、动作、产品和方法除了如本文中明确描述的之外可被组合和重新排列，并且仍然被认为在本发明的范围内。

变型1可包含一种方法，该方法包括：向转向轮施加足以影响转向轮上的转向力矩的净制动-转向力，足以使转向轮远离零转向角移动；并且抵抗转向轮朝向零转向角返回的移动。

变型2可包括变型1的方法，其中当净制动-转向力不足以继续使转向轮远离零转向角移动时，抵抗转向轮朝向所述零转向角返回的移动受到影响。

变型3可包括变型1或2中任一项的方法，其中周期性地执行向转向轮施加足以影响转向轮上的转向力矩的净制动-转向力，足以使转向轮远离零转向角移动。

变型4可包括变型1的方法，其中当净制动-转向力不足以继续使转向轮远离零转向角移动时，抵抗转向轮朝向零转向角返回的移动受到影响。

变型5可包括变型1-4中任一项的方法，其中通过制动一对转向轮中的一个来实现对转向轮的净制动-转向力。

变型6可包括变型1-4中任一项的方法，其中通过差动制动一对转向轮来实现对转向轮的净制动-转向力。

变型7可包括一种系统，该系统包含：转向轮；制动系统，用于向转向轮施加净制动-转向力；和阻尼器，其可操作地联接到转向轮，用于抑制转向轮朝向零转向角的转向。

变型8可包括一种系统，该系统包含：转向轮；转向角传感器，用于检测转向轮的转向角；制动系统，用于制动转向轮；阻尼系统，其用于抑制转向轮的转向移动；和控制系统，其包含处理器和存储器，可操作地联接到制动系统和阻尼系统，以周期性地制动转向轮，足以影响转向轮上的转向力矩，足以使转向轮朝向期望转向角增量地移动，并且在转向轮的增量移动之后抑制转向轮的转向移动，足以抑制转向轮远离期望转向角的转向移动。

变型9可包括变型8的系统，该系统还包含用于从用户接收指示转向轮的期望转向角的输入的用户界面。

变型10可包括变型8或9中任一项的系统，其中转向轮包含正磨胎半径。

变型11可包括变型8或9中任一项的系统，其中转向轮包含负磨胎半径。

变型12可包括变型8-9和10-11中任一项的系统，其中转向轮包含车辆的前轮。

变型13可包括变型8-9和10-11中任一项的系统，其中转向轮包含车辆的后轮。

Claims (13)

1.一种方法，其包含：

向转向轮施加足以影响所述转向轮上的转向力矩的净制动-转向力，足以使所述转向轮远离零转向角移动；并且抵抗所述转向轮朝向所述零转向角返回的移动。

2.如权利要求1所述的方法，其中当所述净制动-转向力不足以继续使所述转向轮远离所述零转向角移动时，抵抗所述转向轮朝向所述零转向角返回的移动受到影响。

3.如权利要求2所述的方法，其中周期性地执行向所述转向轮施加足以影响所述转向轮上的转向力矩的净制动-转向力，足以使所述转向轮远离零转向角移动。

4.如权利要求1所述的方法，其中当所述净制动-转向力不足以继续使所述转向轮远离所述零转向角移动时，抵抗所述转向轮朝向所述零转向角返回的移动受到影响。

5.如权利要求1所述的方法，其中通过制动一对转向轮中的一个来实现对转向轮的净制动-转向力。

6.如权利要求1所述的方法，其中通过差动制动一对转向轮来实现对转向轮的净制动-转向力。

7.一种系统，其包含：

转向轮；

制动系统，其用于向所述转向轮施加净制动-转向力；和

阻尼器，其可操作地联接到所述转向轮，用于抑制所述转向轮朝向零转向角的转向。

8.一种系统，其包含：

转向轮；

转向角传感器，其用于检测所述转向轮的转向角；

制动系统，其用于制动所述转向轮；

阻尼系统，其用于抑制所述转向轮的转向移动；和

控制系统，其包含处理器和存储器，可操作地联接到所述制动系统和所述阻尼系统，以周期性地制动所述转向轮足以影响所述转向轮上的转向力矩，足以使所述转向轮朝向期望转向角增量地移动，并且在所述转向轮的增量移动之后抑制所述转向轮的转向移动，足以抑制所述转向轮远离所述期望转向角的转向移动。

9.如权利要求8所述的系统，其还包含用于从用户接收指示所述转向轮的所述期望转向角的输入的用户界面。

10.如权利要求8所述的系统，其中所述转向轮包含正磨胎半径。

11.如权利要求8所述的系统，其中所述转向轮包含负磨胎半径。

12.如权利要求8所述的系统，其中所述转向轮包含所述车辆的前轮。

13.如权利要求8所述的系统，其中所述转向轮包含所述车辆的后轮。

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