CN112590921B - 一种智能汽车冗余线控转向装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能汽车冗余线控转向装置及其控制方法，转向装置包括有转向盘、转向管柱、路感电机、电磁离合器、冗余电机、齿轮齿条转向器、助力电机和控制单元，其中转向盘装配在转向管柱的顶端，路感电机、电磁离合器、冗余电机和齿轮齿条转向器依次装配在转向管柱上，控制方法包括的步骤有：转向装置只有在检测到车辆启动时才开始工作，转向装置包括两种工作模式及对应的控制方法：第一种为驾驶辅助模式的控制方法，第二种为自动驾驶模式的控制方法，有益效果：实现了传感器、电机、控制单元和电源的冗余备份，有助于延长其寿命。当从ECU监测到主ECU故障时立即进行控制权接管，而无需其他结构且易实现控制权的无缝切换。

Description

一种智能汽车冗余线控转向装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种转向装置及其控制方法，特别涉及一种智能汽车冗余线控转向装置及其控制方法。

背景技术

目前，线控转向(Steering by wire，SBW)系统因其良好的操纵稳定性、碰撞安全性以及实现驾驶员操作和车辆运动的解耦等优点被看作是未来无人驾驶场景下转向系统发展的必然趋势。线控转向系统中的传感器、控制器和电机等电子元器件的应用在带来优良的系统性能的同时，还导致了线控转向系统整体可靠性的降低，一旦某个或某些电子元器件发生故障将会带来安全隐患甚至造成安全事故，这也是限制线控转向系统产业化的重要原因。

提高系统可靠性的一个很重要的措施就是对系统进行冗余设计，通过采用硬件备份和软件容错来保证故障下系统转向功能的实现。但过多的硬件备份会造成整个系统制造成本的大幅升高，因此需要对线控转向系统的冗余架构进行合理设计以尽可能降低系统成本，并避免同时失效的问题。例如：中国发明专利申请号CN 109693709 A公开了一种增强安全性的冗余电动转向设备，主要由四通道扭矩转角传感器(Torque and Angle Sensor,TAS)、两个相互独立的控制器及选择器、双绕组电机和两个独立电源构成。两个控制器分别连接不同的传感器信号输出接口、电机绕组由两个不同的电源进行单独供电。在第一ECU及与第一ECU连接电子元器件中的某一者故障时，选择器就选择用第二ECU独立工作并默认与其连接的传感器、电机绕组、电源均正常工作。这样不但会有传感器多通道同时失效的风险，且在电源故障时没有相应的隔离措施避免电源故障对传感器、电机绕组等造成影响。中国发明专利申请号CN 110126911 A公开了一种满足ASIL_D标准的冗余转向装置，采用完全双冗余系统控制，故障发生时能够实现由线控转向系统向电动助力转向和机械转向系统的降级，但其转角、转矩信号只有两组值，缺乏比较，故在判断传感器故障上可靠性较低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的冗余线控转向装置所存在的诸多问题而提供的一种智能汽车冗余线控转向装置及其控制方法。

本发明提供的智能汽车冗余线控转向装置包括有转向盘、转向管柱、路感电机、电磁离合器、冗余电机、齿轮齿条转向器、助力电机和控制单元，其中转向盘装配在转向管柱的顶端，路感电机、电磁离合器、冗余电机和齿轮齿条转向器依次装配在转向管柱上，路感电机和冗余电机均通过第一减速机构与转向管柱相连接，助力电机通过第二减速机构与齿轮齿条转向器中的转向齿条相连接，转向盘和路感电机之间的转向管柱上设置有第一扭矩转角传感器，路感电机与电磁离合器之间的转向管柱上设置有第二扭矩转角传感器，冗余电机与齿轮齿条转向器之间的转向管柱上设置有转角传感器，第一扭矩转角传感器和第二扭矩转角传感器均与控制单元相连接，第一扭矩转角传感器和第二扭矩转角传感器能够向控制单元输出转角信号、转矩信号和自检信号，转角传感器也与控制单元相连接，转角传感器为双通道转角传感器，转角传感器能够独立获取两个小齿轮转角信号并发送给控制单元，路感电机、电磁离合器和冗余电机均与控制单元相连接并由控制单元控制工作，控制单元还连接有CAN总线。

第一减速机构为齿轮减速机构；第二减速机构为皮带-滚珠丝杠减速机构，其中滚珠丝杠机构布置在转向齿条一端，丝杠螺母通过皮带及带轮与助力电机相连，路感电机、冗余电机和助力电机均为直流无刷伺服电机，路感电机、冗余电机和助力电机内设置有电机驱动模块，路感电机、冗余电机和助力电机均设置有电机位置传感器和电流传感器能够对当前路感电机、冗余电机和助力电机的转子位置和助力电流进行测量，且能对路感电机、冗余电机和助力电机工作状态进行监测并在路感电机、冗余电机和助力电机故障时向控制单元输出报警信号。

第一扭矩转角传感器和第二扭矩转角传感器为同质冗余，第一扭矩转角传感器和第二扭矩转角传感器能够在量程范围内对转角和转矩进行精确测量且具有自检功能。

控制单元是由主ECU和从ECU组成，主ECU和从ECU采用数个接口对来自第一扭矩转角传感器、第二扭矩转角传感器、转角传感器、路感电机、冗余电机和助力电机的信号以及CAN总线上整车状态或期望转角信号进行接收，主ECU和从ECU分别具有独立的自检模块对主ECU和从ECU工作状态进行监测，主ECU和从ECU之间通过私有CAN进行通讯，正常工作情况下，主ECU和从ECU通过私有CAN进行数据交换，采用不同的算法对控制命令进行同步解算，主ECU输出控制命令，从ECU对主ECU状态进行监测，一旦检测到主ECU故障时从ECU立即进行控制权无缝接管。

本发明提供的智能汽车冗余线控转向装置还包括有第一电源和第二电源，第一电源和第二电源分别与直流双电源切换开关两路输入连接，直流双电源切换开关的输出端连接第一扭矩转角传感器、第二扭矩转角传感器、转角传感器和控制单元，第一电源和第二电源对第一扭矩转角传感器、第二扭矩转角传感器、转角传感器和控制单元进行供电，控制单元对路感电机、电磁离合器、冗余电机和助力电机进行电压控制，直流双电源切换开关为双路输入转换开关，直流双电源切换开关采用DC/DC将两路直流电路完全隔离，并用电压传感器对两条直流电路的电压进行实时监测，正常情况下第一电源接通、第二电源断开，直流双电源切换开关在检测到第一电源电压高于或低于设定阈值时直流双电源切换开关的控制器进行电源自动切换，将第二电源作为供电电源并在第一电源故障消除以后切换回第一电源供电，直流双电源切换开关能确保0毫秒的切换，保证供电的可靠性并减少对电机和传感器测量的影响，同时直流双电源切换开关的控制器还具有自检模块能够对逆变回路进行实时监测，并将故障信号输出给控制单元。

上述的路感电机、电磁离合器、冗余电机、助力电机、第一扭矩转角传感器、第二扭矩转角传感器、转角传感器、CAN总线、主ECU、从ECU、第一电源、第二电源和双电源切换开关均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。

本发明提供的智能汽车冗余线控转向装置的控制方法，包括如下步骤：

转向装置只有在检测到车辆启动时才开始工作，转向装置包括两种工作模式及对应的控制方法：第一种为驾驶辅助模式的控制方法，第二种为自动驾驶模式的控制方法，具体如下：

第一种情况、驾驶辅助模式的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、控制单元先控制电磁离合器结合以确保驾驶员对车辆转向的控制，控制单元获取车速信号、挡位信号、第一转角信号、第一转矩信号、第二转角信号、第二转矩信号、第三转角信号、第四转角信号、助力电机位置信号、助力电机电流信号、冗余电机位置信号、冗余电机电流信号、路感电机位置信号和路感电机电流信号以及第一扭矩转角传感器自检信号、第二扭矩转角传感器自检信号、助力电机报警信号、冗余电机报警信号、路感电机报警信号和直流双电源切换开关自检信号；

步骤二、控制单元根据接收到的车辆状态信息和传感器信息解算出电机控制的输入车速参数和输入转角参数，并将故障信息通过CAN总线向驾驶员进行警示；

步骤三、控制单元根据助力电机和冗余电机报警信号判断助力电机、冗余电机是否同时故障，如果“是”进入步骤四，如果“否”进入步骤五；

步骤四、控制单元根据路感电机报警信号判断路感电机是否故障，如果“是”进入步骤六；如果“否”进入步骤七；

步骤五、控制单元根据路感电机报警信号判断路感电机是否故障，如果“是”进入步骤七；如果“否”智能汽车冗余线控转向装置为线控转向，进入步骤八；

步骤六、助力电机、冗余电机、路感电机均处于故障状态，当前转向类型为纯机械转向；

步骤七、电磁离合器仍保持结合状态，当前转向类型为电动助力转向，进入步骤十；

步骤八、控制单元控制电磁离合器断开，进入步骤九；

步骤九、当前转向类型为线控转向，路感电机向驾驶员提供路感反馈，进入步骤十；

步骤十、控制单元根据助力电机报警信号判断助力电机是否故障，如果“是”进入步骤十一；如果“否”进入步骤十二；

步骤十一、当前转向助力类型为冗余电机提供转向轴助力，进入步骤十五；

步骤十二、控制单元根据冗余电机报警信号判断冗余电机是否故障，如果“是”进入步骤十三；如果“否”进入步骤十四；

步骤十三、当前转向助力类型为助力电机提供的转向齿条助力，进入步骤十五；

步骤十四、当前转向助力类型为助力电机和冗余电机双助力模式，以保证车辆原地转向或低速行驶时尤其在线控转向下转向装置能提供充足的转向助力，两者各所需转向助力的50％，进入步骤十五；

步骤十五、控制单元根据当前转向类型和助力模式，以及解算输入车速参数和输入转角参数解算各个电机的控制电压；

步骤十六、从ECU对主ECU的工作状态进行监测，判断主ECU是否发生故障，如果“是”进入步骤十七；如果“否”进入步骤十八；

步骤十七、主ECU发生故障，从ECU对主ECU进行控制权接管，由从ECU输出电机控制信号；

步骤十八、主ECU处于正常工作状态，由主ECU输出电机控制信号；

控制单元接收两组车辆状态信号，包括车速信号和挡位信号，当车速信号状态正常时，将其值作为电机控制的输入车速参数，否则根据挡位信号值选定预先存储的车速信息作为输入车数参数；

控制单元接收到四组转角信号，采用加权投票制确定电机控制的输入转角参数，扭矩转角传感器自检信号显示无故障时，增加其对应信号的权重，否则降低其对应信号的权重；当第一扭矩转角传感器和第二扭矩转角传感器均故障时，控制单元通过助力电机位置信号或冗余电机位置信号解算的转角范围作为判断转角传感器是否发生故障的依据，若两路信号均在范围内将转角传感器的两个信号值取平均作为电机控制的输入转角参数，若只有一路在范围内则取此测量值解算出的转向盘转角为电机控制的输入转角参数；三个传感器全故障时，采用预先存储的转角信息作为电机控制的输入转角参数；

第二种情况、自动驾驶模式的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、控制单元控制电磁离合器断开，控制单元获取车速信号、挡位信号、期望转角信号、第一转矩信号、第二转矩信号、第一扭矩转角传感器自检信号、第二扭矩转角传感器自检信号、助力电机位置信号、助力电机电流信号、冗余电机位置信号、冗余电机电流信号、路感电机位置信号和路感电机电流信号以及助力电机报警信号、冗余电机报警信号、路感电机报警信号和直流双电源切换开关自检信号；

步骤二、驾驶员是否进行接管，如果“是”进入步骤十三；如果“否”进入步骤三；

步骤三、控制单元根据助力电机、冗余电机的报警信号判断助力电机、冗余电机是否发生故障，如果“是”进入步骤四，如果“否”进入步骤五；

步骤四、助力电机、冗余电机同时发生故障，控制单元控制电磁离合器结合，并向驾驶员发出报警信号，通知驾驶员对车辆进行接管，进入步骤六；

步骤五、控制单元根据助力电机报警信号判断助力电机是否发生故障，如果“是”进入步骤八；如果“否”进入步骤七；

步骤六、控制单元根据路感电机报警信号判断路感电机是否发生故障，如果“是”进入步骤九；如果“否”进入步骤十；

步骤七、控制单元根据冗余电机报警信号判断冗余电机是否发生故障，如果“是”进入步骤八；如果“否”进入步骤十二；

步骤八、助力电机或冗余电机之一发生故障，控制单元向驾驶员发出报警信号，通知驾驶员对车辆进行接管，进入步骤十一；

步骤九、三个电机均发生故障，控制单元通过CAN总线向上层控制系统发送故障信息结合其他系统使整车保持一定的转向能力或立即停车，返回步骤二；

步骤十、路感电机处于正常工作状态，控制单元根据输入车速参数和期望转角信号对路感电机进行控制，在驾驶员接管前继续完成自动转向任务，返回步骤二；

步骤十一、控制单元根据输入车速参数和期望转角信号对助力电机和冗余电机中正常工作的电机进行控制，在驾驶员接管前继续完成自动转向任务，返回步骤二；

步骤十二、助力电机和冗余电机均未发生故障，保持自动驾驶模式，控制单元根据输入车速参数和期望转角信号对助力电机和冗余电机进行控制，助力电机和冗余电机各提供50％的转向助力，返回步骤二；

步骤十三、驾驶员完成接管，控制单元结束报警并退出自动驾驶模式进入驾驶辅助模式；

控制单元对驾驶员接管状态的判断共有两种方法：第一种是通过转向盘转矩信号值的判断，此方法值适用于电磁离合器为断开状态即路感电机未接入工作的情况，当第一扭矩转角传感器和第二扭矩转角传感器的自检信息均正常时，将第一转矩信号值和第二转矩信号值的平均值作为输入转矩值；当两者之一发生故障时，将自检信号正常的扭矩转角传感器测量的转矩信号值作为输入转矩值，当输入转矩值大于1N且持续时间超过1s时认为驾驶员完成对车辆的接管；第二种为通过驾驶舱中控台上的接管按键，此方法适用于所有情况，尤其是第一扭矩转角传感器、第二扭矩转角传感器均故障或电磁离合器结合时，一旦接管按键被触发，则认为驾驶员完成对车辆的接管。

本发明的有益效果：

本发明提供的智能汽车冗余线控转向装置及其控制方法具有较高的可靠性，实现了传感器、电机、控制单元和电源的冗余备份，在单点或多点故障发生时能实现线控转向系统到电动助力转向系统和纯机械转向系统的切换。正常自动驾驶模式下，控制单元将电磁离合器断开进行静默转向，同时冗余电机和助力电机双助力的模式能够保证原地或低速转向时助力的可靠性，一旦检测到有故障发生会立即对驾驶员发出接管报警，并在驾驶员接管前仍具有一定的自动转向能力，确保驾驶员有充足的反应时间。

本发明将直流双电源切换开关用于智能汽车冗余线控转向系统的电源控制，在某路电源发生故障时能够实现0毫秒的自动切换，保证供电的可靠性并在最大程度上降低电源电压变化对传感器、电机等电子元器件的不良影响，有助于延长其寿命。

本发明在控制器的冗余架构上采用热备份，主从ECU同时工作，正常情况下主ECU输出控制命令，从ECU对主ECU的工作状态进行监测，当从ECU监测到主ECU故障时立即进行控制权接管，而无需其他结构且易实现控制权的无缝切换。

附图说明

图1为本发明所述智能汽车冗余线控转向装置整体结构示意图。

图2为本发明所述控制单元结构及信号传输示意图。

图3为本发明所述转向装置电气连接关系示意图。

图4为本发明所述驾驶辅助模式下的控制流程示意图。

图5为本发明所述自动驾驶模式下的控制流程示意图。

上图中的标注如下：

1、转向盘 2、转向管柱 3、路感电机 4、电磁离合器 5、冗余电机

6、齿轮齿条转向器 7、助力电机 8、控制单元 9、第一减速机构

10、第二减速机构 11、第一扭矩转角传感器 12、第二扭矩转角传感器

13、转角传感器 14、CAN总线 15、主ECU 16、从ECU 17、第一电源

18、第二电源 19、电压传感器 20、DC/DC

21、直流双电源切换开关控制器。

具体实施方式

请参阅图1至图5所示：

本发明提供的智能汽车冗余线控转向装置包括有转向盘1、转向管柱2、路感电机3、电磁离合器4、冗余电机5、齿轮齿条转向器6、助力电机7和控制单元8，其中转向盘1装配在转向管柱2的顶端，路感电机3、电磁离合器4、冗余电机5和齿轮齿条转向器6依次装配在转向管柱上，路感电机3和冗余电机5均通过第一减速机构9与转向管柱2相连接，助力电机7通过第二减速机构10与齿轮齿条转向器6中的转向齿条相连接，转向盘1和路感电机3之间的转向管柱2上设置有第一扭矩转角传感器11，路感电机3与电磁离合器4之间的转向管柱2上设置有第二扭矩转角传感器12，冗余电机5与齿轮齿条转向器6之间的转向管柱2上设置有转角传感器13，第一扭矩转角传感器11和第二扭矩转角传感器12均与控制单元8相连接，第一扭矩转角传感器11和第二扭矩转角传感器12能够向控制单元8输出转角信号、转矩信号和自检信号，转角传感器13也与控制单元8相连接，转角传感器13为双通道转角传感器，转角传感器13能够独立获取两个小齿轮转角信号并发送给控制单元8，路感电机3、电磁离合器4和冗余电机5均与控制单元8相连接并由控制单元8控制工作，控制单元8还连接有CAN总线14。

第一减速机构9为齿轮减速机构；第二减速机构10为皮带-滚珠丝杠减速机构，其中滚珠丝杠机构布置在转向齿条一端，丝杠螺母通过皮带及带轮与助力电机7相连，路感电机3、冗余电机5和助力电机7均为直流无刷伺服电机，路感电机3、冗余电机5和助力电机7内设置有电机驱动模块，路感电机3、冗余电机5和助力电机7均设置有电机位置传感器和电流传感器能够对当前路感电机3、冗余电机5和助力电机7的转子位置和助力电流进行测量，且能对路感电机3、冗余电机5和助力电机7工作状态进行监测并在路感电机3、冗余电机5和助力电机7故障时向控制单元8输出报警信号。

第一扭矩转角传感器11和第二扭矩转角传感器12为同质冗余，第一扭矩转角传感器11和第二扭矩转角传感器12能够在量程范围内对转角和转矩进行精确测量且具有自检功能。

控制单元8是由主ECU15和从ECU16组成，主ECU15和从ECU16采用数个接口对来自第一扭矩转角传感器11、第二扭矩转角传感器12、转角传感器13、路感电机3、冗余电机5和助力电机7的信号以及CAN总线14上整车状态或期望转角信号进行接收，主ECU15和从ECU16分别具有独立的自检模块对主ECU15和从ECU16工作状态进行监测，主ECU15和从ECU16之间通过私有CAN进行通讯，正常工作情况下，主ECU15和从ECU16通过私有CAN进行数据交换，采用不同的算法对控制命令进行同步解算，主ECU15输出控制命令，从ECU16对主ECU15状态进行监测，一旦检测到主ECU15故障时从ECU16立即进行控制权无缝接管。

本发明提供的智能汽车冗余线控转向装置还包括有第一电源17和第二电源18，第一电源17和第二电源18分别与直流双电源切换开关两路输入连接，直流双电源切换开关的输出端连接第一扭矩转角传感器11、第二扭矩转角传感器12、转角传感器13和控制单元8，第一电源17和第二电源18对第一扭矩转角传感器11、第二扭矩转角传感器12、转角传感器13和控制单元8进行供电，控制单元8对路感电机3、电磁离合器4、冗余电机5和助力电机7进行电压控制，直流双电源切换开关为双路输入转换开关，直流双电源切换开关采用DC/DC20将两路直流电路完全隔离，并用电压传感器19对两条直流电路的电压进行实时监测，正常情况下第一电源17接通、第二电源18断开，直流双电源切换开关在检测到第一电源17电压高于或低于设定阈值时直流双电源切换开关控制器21进行电源自动切换，将第二电源18作为供电电源并在第一电源17故障消除以后切换回第一电源17供电，直流双电源切换开关能确保0毫秒的切换，保证供电的可靠性并减少对电机和传感器测量的影响，同时直流双电源切换开关控制器21还具有自检模块能够对逆变回路进行实时监测，并将故障信号输出给控制单元8。

上述的路感电机3、电磁离合器4、冗余电机5、助力电机7、第一扭矩转角传感器11、第二扭矩转角传感器12、转角传感器13、CAN总线14、主ECU15、从ECU16、第一电源17、第二电源18和双电源切换开关均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。

本发明提供的智能汽车冗余线控转向装置的控制方法，包括如下步骤：

转向装置只有在检测到车辆启动时才开始工作，转向装置包括两种工作模式及对应的控制方法：第一种为驾驶辅助模式的控制方法，第二种为自动驾驶模式的控制方法，具体如下：

第一种情况、驾驶辅助模式的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、控制单元8先控制电磁离合器4结合以确保驾驶员对车辆转向的控制，控制单元8获取车速信号、挡位信号、第一转角信号、第一转矩信号、第二转角信号、第二转矩信号、第三转角信号、第四转角信号、助力电机7位置信号、助力电机7电流信号、冗余电机5位置信号、冗余电机5电流信号、路感电机3位置信号和路感电机3电流信号以及第一扭矩转角传感器11自检信号、第二扭矩转角传感器12自检信号、助力电机7报警信号、冗余电机5报警信号、路感电机3报警信号和直流双电源切换开关自检信号；

步骤二、控制单元8根据接收到的车辆状态信息和传感器信息解算出电机控制的输入车速参数和输入转角参数，并将故障信息通过CAN总线14向驾驶员进行警示；

步骤三、控制单元8根据助力电机7和冗余电机5报警信号判断助力电机7、冗余电机5是否同时故障，如果“是”进入步骤四，如果“否”进入步骤五；

步骤四、控制单元8根据路感电机3报警信号判断路感电机3是否故障，如果“是”进入步骤六；如果“否”进入步骤七；

步骤五、控制单元8根据路感电机3报警信号判断路感电机3是否故障，如果“是”进入步骤七；如果“否”智能汽车冗余线控转向装置为线控转向，进入步骤八；

步骤六、助力电机7、冗余电机5、路感电机3均处于故障状态，当前转向类型为纯机械转向；

步骤七、电磁离合器4仍保持结合状态，当前转向类型为电动助力转向，进入步骤十；

步骤八、控制单元8控制电磁离合器4断开，进入步骤九；

步骤九、当前转向类型为线控转向，路感电机3向驾驶员提供路感反馈，进入步骤十；

步骤十、控制单元8根据助力电机7报警信号判断助力电机7是否故障，如果“是”进入步骤十一；如果“否”进入步骤十二；

步骤十一、当前转向助力类型为冗余电机5提供转向轴助力，进入步骤十五；

步骤十二、控制单元8根据冗余电机5报警信号判断冗余电机5是否故障，如果“是”进入步骤十三；如果“否”进入步骤十四；

步骤十三、当前转向助力类型为助力电机7提供的转向齿条助力，进入步骤十五；

步骤十四、当前转向助力类型为助力电机7和冗余电机5双助力模式，以保证车辆原地转向或低速行驶时尤其在线控转向下转向装置能提供充足的转向助力，两者各所需转向助力的50％，进入步骤十五；

步骤十五、控制单元8根据当前转向类型和助力模式，以及解算输入车速参数和输入转角参数解算各个电机的控制电压；

步骤十六、从ECU16对主ECU15的工作状态进行监测，判断主ECU15是否发生故障，如果“是”进入步骤十七；如果“否”进入步骤十八；

步骤十七、主ECU15发生故障，从ECU16对主ECU15进行控制权接管，由从ECU16输出电机控制信号；

步骤十八、主ECU15处于正常工作状态，由主ECU15输出电机控制信号；

控制单元8接收两组车辆状态信号，包括车速信号和挡位信号，当车速信号状态正常时，将其值作为电机控制的输入车速参数，否则根据挡位信号值选定预先存储的车速信息作为输入车数参数；

控制单元8接收到四组转角信号，采用加权投票制确定电机控制的输入转角参数，扭矩转角传感器自检信号显示无故障时，增加其对应信号的权重，否则降低其对应信号的权重；当第一扭矩转角传感器11和第二扭矩转角传感器12均故障时，控制单元8通过助力电机7位置信号或冗余电机5位置信号解算的转角范围作为判断转角传感器是否发生故障的依据，若两路信号均在范围内将转角传感器的两个信号值取平均作为电机控制的输入转角参数，若只有一路在范围内则取此测量值解算出的转向盘转角为电机控制的输入转角参数；三个传感器全故障时，采用预先存储的转角信息作为电机控制的输入转角参数；

第二种情况、自动驾驶模式的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、控制单元8控制电磁离合器4断开，控制单元8获取车速信号、挡位信号、期望转角信号、第一转矩信号、第二转矩信号、第一扭矩转角传感器11自检信号、第二扭矩转角传感器12自检信号、助力电机7位置信号、助力电机7电流信号、冗余电机5位置信号、冗余电机5电流信号、路感电机3位置信号和路感电机3电流信号以及助力电机7报警信号、冗余电机5报警信号、路感电机3报警信号和直流双电源切换开关自检信号；

步骤二、驾驶员是否进行接管，如果“是”进入步骤十三；如果“否”进入步骤三；

步骤三、控制单元8根据助力电机7、冗余电机5的报警信号判断助力电机7、冗余电机5是否发生故障，如果“是”进入步骤四，如果“否”进入步骤五；

步骤四、助力电机7、冗余电机5同时发生故障，控制单元8控制电磁离合器4结合，并向驾驶员发出报警信号，通知驾驶员对车辆进行接管，进入步骤六；

步骤五、控制单元8根据助力电机7报警信号判断助力电机7是否发生故障，如果“是”进入步骤八；如果“否”进入步骤七；

步骤六、控制单元8根据路感电机3报警信号判断路感电机3是否发生故障，如果“是”进入步骤九；如果“否”进入步骤十；

步骤七、控制单元8根据冗余电机5报警信号判断冗余电机5是否发生故障，如果“是”进入步骤八；如果“否”进入步骤十二；

步骤八、助力电机7或冗余电机5之一发生故障，控制单元8向驾驶员发出报警信号，通知驾驶员对车辆进行接管，进入步骤十一；

步骤九、三个电机均发生故障，控制单元8通过CAN总线14向上层控制系统发送故障信息结合其他系统使整车保持一定的转向能力或立即停车，返回步骤二；

步骤十、路感电机3处于正常工作状态，控制单元8根据输入车速参数和期望转角信号对路感电机8进行控制，在驾驶员接管前继续完成自动转向任务，返回步骤二；

步骤十一、控制单元8根据输入车速参数和期望转角信号对助力电机7和冗余电机5中正常工作的电机进行控制，在驾驶员接管前继续完成自动转向任务，返回步骤二；

步骤十二、助力电机7和冗余电机5均未发生故障，保持自动驾驶模式，控制单元8根据输入车速参数和期望转角信号对助力电机7和冗余电机5进行控制，助力电机7和冗余电机5各提供50％的转向助力，返回步骤二；

步骤十三、驾驶员完成接管，控制单元8结束报警并退出自动驾驶模式进入驾驶辅助模式；

控制单元8对驾驶员接管状态的判断共有两种方法：第一种是通过转向盘1转矩信号值的判断，此方法值适用于电磁离合器4为断开状态即路感电机3未接入工作的情况，当第一扭矩转角传感器11和第二扭矩转角传感器12的自检信息均正常时，将第一转矩信号值和第二转矩信号值的平均值作为输入转矩值；当两者之一发生故障时，将自检信号正常的扭矩转角传感器测量的转矩信号值作为输入转矩值，当输入转矩值大于1N且持续时间超过1s时认为驾驶员完成对车辆的接管；第二种为通过驾驶舱中控台上的接管按键，此方法适用于所有情况，尤其是第一扭矩转角传感器11、第二扭矩转角传感器12均故障或电磁离合器4结合时，一旦接管按键被触发，则认为驾驶员完成对车辆的接管。

Claims (4)

1.一种智能汽车冗余线控转向装置，包括有转向盘、转向管柱、路感电机、电磁离合器、冗余电机、齿轮齿条转向器、助力电机和控制单元，其中转向盘装配在转向管柱的顶端，路感电机、电磁离合器、冗余电机和齿轮齿条转向器依次装配在转向管柱上，路感电机和冗余电机均通过第一减速机构与转向管柱相连接，助力电机通过第二减速机构与齿轮齿条转向器中的转向齿条相连接，转向盘和路感电机之间的转向管柱上设置有第一扭矩转角传感器，路感电机与电磁离合器之间的转向管柱上设置有第二扭矩转角传感器，冗余电机与齿轮齿条转向器之间的转向管柱上设置有转角传感器，第一扭矩转角传感器和第二扭矩转角传感器均与控制单元相连接，第一扭矩转角传感器和第二扭矩转角传感器能够向控制单元输出转角信号、转矩信号和自检信号，转角传感器也与控制单元相连接，转角传感器为双通道转角传感器，转角传感器能够独立获取两个小齿轮转角信号并发送给控制单元，路感电机、电磁离合器和冗余电机均与控制单元相连接并由控制单元控制工作，控制单元还连接有CAN总线，第一减速机构为齿轮减速机构；第二减速机构为皮带-滚珠丝杠减速机构，其中滚珠丝杠机构布置在转向齿条一端，丝杠螺母通过皮带及带轮与助力电机相连，路感电机、冗余电机和助力电机均为直流无刷伺服电机，路感电机、冗余电机和助力电机内设置有电机驱动模块，路感电机、冗余电机和助力电机均设置有电机位置传感器和电流传感器能够对当前路感电机、冗余电机和助力电机的转子位置和助力电流进行测量，且能对路感电机、冗余电机和助力电机工作状态进行监测并在路感电机、冗余电机和助力电机故障时向控制单元输出报警信号，其特征在于：所述的控制单元是由主ECU和从ECU组成，主ECU和从ECU采用数个接口对来自第一扭矩转角传感器、第二扭矩转角传感器、转角传感器、路感电机、冗余电机和助力电机的信号以及CAN总线上整车状态或期望转角信号进行接收，主ECU和从ECU分别具有独立的自检模块对主ECU和从ECU工作状态进行监测，主ECU和从ECU之间通过私有CAN进行通讯，正常工作情况下，主ECU和从ECU通过私有CAN进行数据交换，采用不同的算法对控制命令进行同步解算，主ECU输出控制命令，从ECU对主ECU状态进行监测，一旦检测到主ECU故障时从ECU立即进行控制权无缝接管。

2.根据权利要求1所述的一种智能汽车冗余线控转向装置，其特征在于：所述的第一扭矩转角传感器和第二扭矩转角传感器为同质冗余，第一扭矩转角传感器和第二扭矩转角传感器能够在量程范围内对转角和转矩进行精确测量且具有自检功能。

3.根据权利要求1所述的一种智能汽车冗余线控转向装置，其特征在于：所述的转向装置还包括有第一电源和第二电源，第一电源和第二电源分别与直流双电源切换开关两路输入连接，直流双电源切换开关的输出端连接第一扭矩转角传感器、第二扭矩转角传感器、转角传感器和控制单元，第一电源和第二电源对第一扭矩转角传感器、第二扭矩转角传感器、转角传感器和控制单元进行供电，控制单元对路感电机、电磁离合器、冗余电机和助力电机进行电压控制，直流双电源切换开关为双路输入转换开关，直流双电源切换开关采用DC/DC将两路直流电路完全隔离，并用电压传感器对两条直流电路的电压进行实时监测，正常情况下第一电源接通、第二电源断开，直流双电源切换开关在检测到第一电源电压高于或低于设定阈值时直流双电源切换开关的控制器进行电源自动切换，将第二电源作为供电电源并在第一电源故障消除以后切换回第一电源供电，直流双电源切换开关能确保0毫秒的切换，保证供电的可靠性并减少对电机和传感器测量的影响，同时直流双电源切换开关的控制器还具有自检模块能够对逆变回路进行实时监测，并将故障信号输出给控制单元。

4.一种智能汽车冗余线控转向装置的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

转向装置只有在检测到车辆启动时才开始工作，转向装置包括两种工作模式及对应的控制方法：第一种为驾驶辅助模式的控制方法，第二种为自动驾驶模式的控制方法，具体如下：

第一种情况、驾驶辅助模式的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、控制单元先控制电磁离合器结合以确保驾驶员对车辆转向的控制，控制单元获取车速信号、挡位信号、第一转角信号、第一转矩信号、第二转角信号、第二转矩信号、第三转角信号、第四转角信号、助力电机位置信号、助力电机电流信号、冗余电机位置信号、冗余电机电流信号、路感电机位置信号和路感电机电流信号以及第一扭矩转角传感器自检信号、第二扭矩转角传感器自检信号、助力电机报警信号、冗余电机报警信号、路感电机报警信号和直流双电源切换开关自检信号；

步骤二、控制单元根据接收到的车辆状态信息和传感器信息解算出电机控制的输入车速参数和输入转角参数，并将故障信息通过CAN总线向驾驶员进行警示；

步骤三、控制单元根据助力电机和冗余电机报警信号判断助力电机、冗余电机是否同时故障，如果“是”进入步骤四，如果“否”进入步骤五；

步骤四、控制单元根据路感电机报警信号判断路感电机是否故障，如果“是”进入步骤六；如果“否”进入步骤七；

步骤五、控制单元根据路感电机报警信号判断路感电机是否故障，如果“是”进入步骤七；如果“否”智能汽车冗余线控转向装置为线控转向，进入步骤八；

步骤六、助力电机、冗余电机、路感电机均处于故障状态，当前转向类型为纯机械转向；

步骤七、电磁离合器仍保持结合状态，当前转向类型为电动助力转向，进入步骤十；

步骤八、控制单元控制电磁离合器断开，进入步骤九；

步骤九、当前转向类型为线控转向，路感电机向驾驶员提供路感反馈，进入步骤十；

步骤十、控制单元根据助力电机报警信号判断助力电机是否故障，如果“是”进入步骤十一；如果“否”进入步骤十二；

步骤十一、当前转向助力类型为冗余电机提供转向轴助力，进入步骤十五；

步骤十二、控制单元根据冗余电机报警信号判断冗余电机是否故障，如果“是”进入步骤十三；如果“否”进入步骤十四；

步骤十三、当前转向助力类型为助力电机提供的转向齿条助力，进入步骤十五；

步骤十四、当前转向助力类型为助力电机和冗余电机双助力模式，以保证车辆原地转向或低速行驶时尤其在线控转向下转向装置能提供充足的转向助力，两者各所需转向助力的50％，进入步骤十五；

步骤十五、控制单元根据当前转向类型和助力模式，以及解算输入车速参数和输入转角参数解算各个电机的控制电压；

步骤十六、从ECU对主ECU的工作状态进行监测，判断主ECU是否发生故障，如果“是”进入步骤十七；如果“否”进入步骤十八；

步骤十七、主ECU发生故障，从ECU对主ECU进行控制权接管，由从ECU输出电机控制信号；

步骤十八、主ECU处于正常工作状态，由主ECU输出电机控制信号；

控制单元接收两组车辆状态信号，包括车速信号和挡位信号，当车速信号状态正常时，将其值作为电机控制的输入车速参数，否则根据挡位信号值选定预先存储的车速信息作为输入车数参数；

控制单元接收到四组转角信号，采用加权投票制确定电机控制的输入转角参数，扭矩转角传感器自检信号显示无故障时，增加其对应信号的权重，否则降低其对应信号的权重；当第一扭矩转角传感器和第二扭矩转角传感器均故障时，控制单元通过助力电机位置信号或冗余电机位置信号解算的转角范围作为判断转角传感器是否发生故障的依据，若两路信号均在范围内将转角传感器的两个信号值取平均作为电机控制的输入转角参数，若只有一路在范围内则取此测量值解算出的转向盘转角为电机控制的输入转角参数；三个传感器全故障时，采用预先存储的转角信息作为电机控制的输入转角参数；

第二种情况、自动驾驶模式的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、控制单元控制电磁离合器断开，控制单元获取车速信号、挡位信号、期望转角信号、第一转矩信号、第二转矩信号、第一扭矩转角传感器自检信号、第二扭矩转角传感器自检信号、助力电机位置信号、助力电机电流信号、冗余电机位置信号、冗余电机电流信号、路感电机位置信号和路感电机电流信号以及助力电机报警信号、冗余电机报警信号、路感电机报警信号和直流双电源切换开关自检信号；

步骤二、驾驶员是否进行接管，如果“是”进入步骤十三；如果“否”进入步骤三；

步骤三、控制单元根据助力电机、冗余电机的报警信号判断助力电机、冗余电机是否发生故障，如果“是”进入步骤四，如果“否”进入步骤五；

步骤四、助力电机、冗余电机同时发生故障，控制单元控制电磁离合器结合，并向驾驶员发出报警信号，通知驾驶员对车辆进行接管，进入步骤六；

步骤五、控制单元根据助力电机报警信号判断助力电机是否发生故障，如果“是”进入步骤八；如果“否”进入步骤七；

步骤六、控制单元根据路感电机报警信号判断路感电机是否发生故障，如果“是”进入步骤九；如果“否”进入步骤十；

步骤七、控制单元根据冗余电机报警信号判断冗余电机是否发生故障，如果“是”进入步骤八；如果“否”进入步骤十二；

步骤八、助力电机或冗余电机之一发生故障，控制单元向驾驶员发出报警信号，通知驾驶员对车辆进行接管，进入步骤十一；

步骤九、三个电机均发生故障，控制单元通过CAN总线向上层控制系统发送故障信息结合其他系统使整车保持一定的转向能力或立即停车，返回步骤二；

步骤十、路感电机处于正常工作状态，控制单元根据输入车速参数和期望转角信号对路感电机进行控制，在驾驶员接管前继续完成自动转向任务，返回步骤二；

步骤十一、控制单元根据输入车速参数和期望转角信号对助力电机和冗余电机中正常工作的电机进行控制，在驾驶员接管前继续完成自动转向任务，返回步骤二；

步骤十二、助力电机和冗余电机均未发生故障，保持自动驾驶模式，控制单元根据输入车速参数和期望转角信号对助力电机和冗余电机进行控制，助力电机和冗余电机各提供50％的转向助力，返回步骤二；

步骤十三、驾驶员完成接管，控制单元结束报警并退出自动驾驶模式进入驾驶辅助模式；

控制单元对驾驶员接管状态的判断共有两种方法：第一种是通过转向盘转矩信号值的判断，此方法值适用于电磁离合器为断开状态即路感电机未接入工作的情况，当第一扭矩转角传感器和第二扭矩转角传感器的自检信息均正常时，将第一转矩信号值和第二转矩信号值的平均值作为输入转矩值；当两者之一发生故障时，将自检信号正常的扭矩转角传感器测量的转矩信号值作为输入转矩值，当输入转矩值大于1N且持续时间超过1s时认为驾驶员完成对车辆的接管；第二种为通过驾驶舱中控台上的接管按键，此方法适用于所有情况，尤其是第一扭矩转角传感器、第二扭矩转角传感器均故障或电磁离合器结合时，一旦接管按键被触发，则认为驾驶员完成对车辆的接管。

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