CN115535066A - 一种高度可调的线控转向系统路感模拟装置 - Google Patents

一种高度可调的线控转向系统路感模拟装置 Download PDF

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CN115535066A CN202211159836.7A CN202211159836A CN115535066A CN 115535066 A CN115535066 A CN 115535066A CN 202211159836 A CN202211159836 A CN 202211159836A CN 115535066 A CN115535066 A CN 115535066A
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陈慧
冯振辉
郭峰
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Tongji University
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Abstract

本发明涉及一种高度可调的线控转向系统路感模拟装置，该装置包括：传感器单元：用以采集车辆运动状态信息与手力模拟机构的转角力矩信息，并作为手力设计单元和手力控制单元的输入；手力设计单元：包括齿条力估计模块和期望手力计算模块，用以获取高度可调的期望手力；手力控制单元：用以产生对应的路感电机的控制指令，进而实现实际手力对于期望手力的跟踪控制；交互设置单元：用以提供连续多个高度可调的接口，以满足驾驶员个性化的操纵手感需求。与现有技术相比，本发明具有降低成本、性能可靠和高度可调等优点。

Description

一种高度可调的线控转向系统路感模拟装置
技术领域
本发明涉及汽车线控底盘技术领域，尤其是涉及一种高度可调的线控转向系 统路感模拟装置。
背景技术
线控转向技术作为汽车智能化的一项代表性技术，已经受到了高校与企业的高度关注。由于线控转向系统取消了机械连接，通过线控的方式实现转向功能，驾驶 员因而无法通过操纵手感感知车辆运动状态和路面信息，进而导致车辆操纵性和驾 驶员的安全感下降。因此准确且高度可调的路感模拟功能，不仅可以使驾驶员有清 晰的路感，而且多个维度的高度可调，可以充分发挥线控转向的力特性自由设计的 优点，驾驶员可以个性化地从多个维度定制自己的操纵手感。
现行的路感模拟算法大致可分为两种：①基于经验估计回正力矩的路感模拟方法；②基于测量真实回正力矩的路感模拟方法。前者根据经验以及基于简单的线性 动力学模型，将手力等效为方向盘转角和车速的函数，但是驾驶员虽有操纵感，但 是缺乏对于路面情况的感知；后者是通过安装在转向执行机构上的传感器对车辆真 实的回正力矩进行估计，从而计算手力实时地反馈给驾驶员，驾驶员能有清晰的路 感，是更符合实际需求的方法。然而现有的路感模拟算法仍有较多的问题需要解决。
一方面，由于机械连接的取消，线控转向系统需要对方向盘转角的末端进行限 位控制，即当驾驶员打方向盘转角到系统规定最大值(末端)时，系统需要生成较 大的手力阻止驾驶员继续打方向盘。然而，现有的末端控制方法都未考虑手力平顺 性与末端控制可实现性的矛盾。即，要靠闭环控制实现末端控制功能，手力模拟机 构管柱处需要使用大量程的力矩传感器，导致测量分辨率较低，正常操纵工况下的 手力平顺性较差；而要保证手力平顺性，选用小量程高精度的力矩传感器又会使末 端控制力矩受限，限位效果较差，方向盘转角容易在驾驶员的操纵下超出末端，系 统安全性下降；而如果选用高精度大量程的力矩传感器，实际应用的可实现性较低， 硬件成本很高，因此，考虑到正常操纵工况中手力范围不大，对手力精度要求高， 而末端控制工况对控制精度要求不高，只需开环控制提供足够的力矩即可，硬件上 应选用小量程高精度的扭矩传感器，软件上再结合开闭环平滑切换策略，解决所述 矛盾。
另一方面，现有的路感模拟算法大多只能标定出一种手感，无法满足驾驶员差 异化导致的不同操纵手感需求；而剩下的少部分能够可调的路感模拟算法仅停留在 操纵力水平和梯度这一维度的简单可调，未提供其他可调的维度，且未对系统可调 带来的SBW系统稳定性不确定问题进行考虑。
总的来说，现有的线控转向系统路感模拟的两个方面的难题，一方面是现有的 手力控制方法无法同时兼顾正常操纵工况手力平顺性和末端工况中的安全限位，其 关系到线控转向系统的传感器成本高低、操纵手感好坏和系统安全性；另一方面是 现有大多的手力设计方法只能标定出一种手感，无法满足驾驶者差异化的手感需求， 而其余可调的手力设计仅限于操纵力水平与梯度，并未设置路感清晰度可调、操纵 力VS车速梯度可调和路感带宽可调的接口，系统可调度低，多个可调维度之间耦 合度太高，且都未考虑手力稳定性变化的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高度可调的 线控转向系统路感模拟装置及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供一种高度可调的线控转向系统路感模拟装置，该装置包括：
传感器单元：用以采集车辆运动状态信息与手力模拟机构的转角力矩信息，并 作为手力设计单元和手力控制单元的输入；
手力设计单元：包括齿条力估计模块和期望手力计算模块，用以获取高度可调 的期望手力；
手力控制单元：用以产生对应的路感电机的控制指令，进而实现实际手力对于 期望手力的跟踪控制；
交互设置单元：用以提供多个连续高度可调的接口，以满足驾驶员个性化的操 纵手感需求。
优选地，所述的传感器单元包括手力模拟机构管柱处的扭矩传感器、手力模拟 机构管柱处的方向盘转角传感器、转向执行电机力矩传感器、齿条位移传感器以及 车速传感器；
所述的扭矩传感器用以测量管柱的扭矩，即实际手力，所述的扭矩传感器与开 闭环平滑切换算法相配合，以实现在正常操纵工况中手力的高精度闭环控制以及末 端控制工况中手力超出量程后的大力矩安全限位；
所述的转角传感器用以测量管柱的转角，即方向盘转角，所述的管柱的转角用 以手力设计单元中期望手力的计算和手力控制单元中摩擦力的前馈补偿；
所述的转向执行电机力矩传感器用以测量电机输出端力矩，即转向执行电机力矩，所述的电机输出端力矩用以手力设计单元中齿条力的估计；
所述的齿条位移传感器用以测量齿条位移，所述的齿条位移用以手力设计单元中齿条力的估计；
所述的车速传感器用以测量车速，所述的车速用以手力设计单元中期望手力的计算。
优选地，所述的齿条力估计模块采用逆模加低通滤波法进行齿条力估计的过程具体为：
建立基于转向执行机构的模型，其表达式为：
Figure BDA0003859215890000031
其中，mr和cr分别为转向执行机构等效至齿条的质量和阻尼系数，xr为齿条 位移，Fr、
Figure BDA0003859215890000032
和Fm分别为需要估计的齿条力、转向执行机构等效至齿 条的摩擦力以及电机等效作用在齿条上的力，Fm和xr分别通过转向执行电机输出 端力矩传感器和齿条位移传感器获得；
获取齿条力估计名义值，齿条力估计名义值的计算式为：
Figure BDA0003859215890000033
其中，Fr′为齿条力估计名义值；
将得到的齿条力估计名义值Fr′通过低通滤波器，得到估计的齿条力，估计的 齿条力的表达式为：
Frack_est＝Hlowpass*Fr′
其中，Frack_est为估计的齿条力，Hlowpass(s)为低通滤波器的传递函数，Hlowpass为其拉普拉斯反变换，该低通滤波器为三阶低通滤波器，三阶低通滤波器配置的三 个极点为[p1 p2 p3]，其中，极点p1用以调整带宽，极点p2和极点p3用以调整滤 波器的特性，设反馈路感带宽Bw的可调范围为[Bwmin，Bwmax]，三阶低通滤波器的 极点配置方法具体为：
当带宽Bw＝Bwmax时，设置传递函数Hlowpass(s)的截止频率为Bwmax的三阶Butterworth低通滤波器，配置的极点分别为：
p1＝-Bw
Figure BDA0003859215890000041
传递函数Hlowpass(s)(mrs2+crs)的幅值增益最大值为Again(Bwmax)，用以表 征传感器噪声引起齿条力估计值波动最大增益；
当带宽Bw＝Bwmin时，设置极点p1控制带宽，极点p2和极点p3构成带宽为Bw1的二阶Butterworth滤波器，配置的极点分别为：
p1＝-Bw
Figure BDA0003859215890000042
调节带宽Bw1使传递函数Hlowpass(s)(mrs2+crs)的幅值最大增益为 Again(Bwmin)≈Again(Bwmax)，同时使相角滞后与当带宽Bw＝Bwmax时的工况接近；
当带宽Bw∈(Bwmin，Bwmax)时，极点p1、极点p2和极点p3由当带宽Bw＝Bwmax时的工况和当带宽Bw＝Bwmin时的工况相应的极点值线性插值得到。
优选地，所述的期望手力计算模块基于估计的齿条力、车速和方向盘转角获取 期望手力，所述的期望手力的组成包括六种力矩，分别为高度可调的主操纵力矩 Tmain、高度可调的刚度力矩Tstiff、模式自适应的高速阻尼力矩Tdamp、模拟摩擦 力矩Tfric、低速主动回正力矩Tar和末端控制力矩Tlimit；
所述的高度可调的主操纵力矩Tmain的表达式为：
Tmain＝ρ·fmain(Frack_est)
其中，Tmain为主操纵力力矩，ρ为路感清晰度调节因子，表示主操纵力力矩 Tmain在其与刚度力矩Tstiff两者中的占比，Frack_est为齿条力估计模块得到的估计的 齿条力，fmain为基于齿条力估计值Frack_est生成主操纵力Tmain的函数；
所述的高度可调的刚度力矩Tstiff的表达式为：
Tstiff＝fstiff(Frack_virtual，ρ，γ·η(V))
其中，Tstiff为刚度力矩，γ为操纵力水平和梯度调节因子，η(V)为操纵力VS 车速梯度调节因子，fstiff为基于齿条力虚拟值Frack_virtual生成刚度力矩Tstiff的函 数，其为一个两段式的分段函数，用以独立生成中间位置和非中间位置的刚度力矩，Frack_virtual(V，θsw)为基于转角θsw和车速V计算得到的虚拟齿条力；
虚拟齿条力Frack_virtual(V，θsw)的表达式为：
Frack_virtual＝Kstiff(V)·θsw
Kstiff(V)为不同车速下的刚度系数，θsw为转角；
基于齿条力虚拟值Frack_virtual生成刚度力矩Tstiff的函数fstiff的表达式为：
Figure RE-GDA0003950839460000051
其中，fstiff1(·)用以生成中间位置的刚度力矩，fstiff2(·)用以生成非中间位置的刚度力矩，Fthes1为区别不同车速下的中间位置和非中间位置的虚拟齿条力阈值， ρ为路感清晰度调节因子，γ为操纵力水平和梯度调节因子，η(V)为操纵力VS车速 梯度调节因子；
所述的模式自适应的高速阻尼力矩Tdamp的表达式为：
Figure BDA0003859215890000052
其中，Tdamp为模式自适应的高速阻尼力矩，cdamp(V，ρ，γ·η(V))为模式自适 应阻尼系数，fdt(θsw)为方向盘转角对阻尼系数的影响因子，用以减弱小转角工作 区域的阻尼，进而减小小转角区域主动阻尼导致的粘滞感，
Figure BDA0003859215890000056
为方向盘转速；
所述的模拟摩擦力矩Tfric用以模拟机械系统或EPS的机械系统摩擦力，模拟 摩擦力矩Tfric的表达式为：
Figure BDA0003859215890000053
其中，
Figure BDA0003859215890000057
为基于tanh(·)函数的摩擦力模型；
所述的低速主动回正力矩Tar用以保证低速工况下的回正性能，低速主动回正 力矩Tar的表达式为：
Figure BDA0003859215890000058
其中，Kar表示回正强度，σV(V)表示车速因子，
Figure BDA0003859215890000059
为转角调节因子，
Figure BDA00038592158900000510
为转速调节因子，
Figure BDA00038592158900000511
表示回正判断因子；
所述的末端控制力矩Tlimit用以保证方向盘的安全限位。
优选地，所述的手力控制单元的被控对象为手力模拟机构，所述的手力模拟机 构的动力学特性方程为：
Figure BDA0003859215890000054
Figure BDA0003859215890000055
Ts＝KTs(θsw-θm)
其中，Jsw和Jm分别表示方向盘和路感电机的转动惯量，Csw和Cm分别表示方 向盘和路感电机的线性阻尼，KTs表示扭矩传感器的刚度，Th、Ts、Tm和Tf分别表 示驾驶员的操纵力、扭矩传感器力矩、电机输出端的力矩和非线性摩擦力，θsw为 方向盘转角，θm为路感电机的转角；
手力控制单元的控制目标具体为将控制指令传输至路感电机以控制路感 电机的输出力矩Tm，使实际手力跟踪期望手力。
优选地，所述的手力控制单元基于三个控制通道对手力进行控制，并生成路感 电机的控制指令，所述的三个控制通道分别为闭环控制通道、前馈控制通道和非线 性摩擦力前馈补偿通道；
所述的闭环控制通道采用基于期望频率特性法的滞后-超前校正装置设计力矩闭环控制器，进而基于期望手力与扭矩传感器测得的实际手力之间的偏差对系统进 行手力闭环跟踪控制；
所述的前馈控制通道具体为开环控制，用以在力矩超出量程后继续将控制指令传输至路感电机，进而继续提供手力，控制指令的表达式为：
Figure BDA0003859215890000062
其中，uffd为力矩，Tcmd为期望手力，
Figure BDA0003859215890000063
表示对开环控制施加的主动阻 尼，用以减小前馈控制通道引起的手力抖动；
所述的非线性摩擦力前馈补偿通道用以对系统摩擦力进行前馈补偿。
优选地，所述的闭环控制通道和前馈控制通道的断开或闭合由开闭环平滑切换策略控制，所述的开闭环平滑切换策略的输入为传感器力矩Ts，对前馈控制通道进 行渐变控制，对闭环控制通道进行开关控制，所述的开闭环切换策略的两个通道开 关量分别为前馈开关系数βffd和闭环开关系数βfb，表达式分别为：
Figure BDA0003859215890000061
其中，βffd为前馈开关系数，fffd(Ts)为前馈开关稳态值，s为拉氏变换复频率， βfb为闭环开关系数，τffd和τfb均为时间常数，ffb(Ts)为闭环开关稳态值。
优选地，所述的开闭环切换策略的两个通道开关量的性质分别为：
所述的前馈开关系数βffd的取值范围为[0，1]，所述的前馈开关系数βffd在介入 或退出过程中具体为阈值Ts_th1和阈值Ts_th2之间随传感器力矩线性变化并串联一阶 惯性环节的连续变化量，对前馈控制量进行渐变控制，所述的前馈开关系数βffd的 介入或退出速度由时间常数τffd和两个阈值之差(Ts_th2-Ts_th1)决定；
所述的闭环开关系数βfb的取值范围为[0，1]，所述的闭环开关系数βfb在介入或退出过程中具体为串联一阶惯性环节的开关量，对闭环控制器的跟踪误差输入进行 开关控制，所述的闭环开关系数βfb的介入或退出速度由时间常数τfb决定。
优选地，所述的开闭环平滑切换策略具体为：
当传感器力矩Ts小于阈值
Figure BDA0003859215890000071
时，闭环开关恒为1，开环开关恒为0，即闭环 控制通道和摩擦力前馈补偿通道处于工作状态，以实现在正常操纵工况中的力矩闭 环跟踪控制；
当传感器力矩Ts大于等于阈值Ts_th1小于阈值Ts_th2时，闭环开关恒为1，开环 开关半闭合，前馈通道不完全介入，此时系统受闭环控制通道、摩擦力前馈补偿通 道以及不完全的前馈控制通道的控制；
当传感器力矩Ts大于等于阈值Ts_th2时，闭环开关快速置0，开环开关完全闭合， 此时系统受摩擦力前馈补偿通道和前馈通道的控制。
优选地，所述的交互设置单元包括与四个与手力高度可调维度相对应的独立接口，以供驾驶者通过人机交互界面进行个性化设置，根据驾驶员需求将四个维度自 由组合连续调整，并标定出运动型模式和舒适型模式，所述的接口分别为可调路感 反馈带宽接口、路感清晰度接口、可调操纵力水平与梯度接口以及可调操纵力VS 车速梯度接口，所述的可调路感反馈带宽接口用以齿条力估计模块的路感带宽设置， 所述的路感清晰度接口、可调操纵力水平与梯度接口和可调操纵力VS车速梯度接 口用以期望手力计算模块的手力特性设置；
所述的手力高度可调维度包括反馈路感带宽高度可调、路感清晰度高度可调、 操纵力水平和梯度高度可调和操纵力VS车速的梯度高度可调，所述的手力高度可 调维度对应的可调因子分别为路感带宽可调因子Bw、路感清晰度调节因子ρ、操纵 力水平和梯度可调因子γ以及操纵力VS车速梯度因子η(V)；
所述的反馈路感带宽高度可调具体为调节反馈路感，使用的方法为齿条力滤波器的极点自适应配置，当切换为舒适型模式时，将反馈路感的带宽设置为小数值， 以使得手力的平顺性好，当切换为运动型模式时，将反馈路感的带宽设置为大数值， 以使得驾驶员通过手力获取更多的车辆状态与路面信息；
所述的路感清晰度高度可调具体为调整期望手力中主操纵力矩和刚度力矩分 别在中间位置和非中间位置的占比，当切换为运动型模式时，对应主操纵力矩的占 比大，刚度力矩占比小，相同路面不平度引起的手力波动峰峰值大，低附路面上的 手力体现明显，路感清晰度增大；当切换为舒适型模式时，对应主操纵力矩的占比 小，刚度力矩占比大，手力平顺和稳定；
所述的操纵力水平和梯度高度可调具体为调节操纵力水平和梯度，在同一车速工况下，当切换为运动型模式时，操纵力水平和梯度大，当切换为舒适型模式时， 操纵力水平和梯度小；
所述的操纵力VS车速的梯度高度可调具体为调节操纵力随车速变化的梯度， 当切换为运动型模式时，梯度随车速增强，驾驶员对车速的感知的明确度增强，当 切换为普通型模式时，梯度随车速保持不变，当切换为舒适型模式时，梯度随车速 减弱，以减轻车速升高导致的驾驶负担。
与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：
1、本发明通过设计开闭环平滑切换策略，同时保证了正常操纵工况下的手力 高精度闭环控制以及末端工况下的安全限位，无需使用成本较高的大量程高精度扭 矩传感器，实现了节省成本、性能可靠以及系统安全性高的技术效果；
2、本发明通过设置的交互设置单元提供用以驾驶员独立调节手感的接口，使 得驾驶员能够从多个维度进行连续调整手力，路感带宽、路感清晰度、操纵力水平 与梯度和操纵力VS车速的梯度均可调，且系统稳定裕度不随模式切换而发生变化， 实现了手力可调与稳定性间的解耦、多个可调维度的解耦、满足驾驶者的个性化手 感需求以及高度可调的技术效果。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明的手力控制单元的原理图。
图3为本发明的开闭环切换策略中的开关量稳态值图。
图4为本发明的手力设计单元中反馈路感带宽可调示意图。
图5为本发明的手力设计单元中路感清晰度可调示意图。
图6为本发明的手力设计单元中操纵力水平及梯度可调、操纵力VS车速梯 度可调示意图。
图7为无稳定性保持措施下反馈路感带宽可调对手力环稳定性的影响。
图8为无稳定性保持措施下路感清晰度可调和操纵力水平及梯度可调对手力 环稳定性的影响。
图9为本发明的低通滤波器极点p2和p3随带宽自适应配置的Map图。
图10为本发明设置路感清晰度调节因子ρ＝1.0时的高速自适应阻尼系数 Map图。
图11为本发明的末端控制的操纵力特性图。
图12为本发明的开闭环切换过程中的手力时域图。
图13为本发明在设置不同路感带宽Bw下操纵过程的操纵力特性图。
图14为手力在时域上局部放大对比图。
图15为本发明在设置不同路感带宽Bw下撒手回正过程的方向盘转角时域图。
图16为本发明在设置不同的操纵力水平及梯度调节因子γ下操纵过程的操纵 力特性图。
图17为本发明在设置不同的操纵力水平及梯度调节因子γ下撒手回正过程的 方向盘转角时域图。
图18为本发明在设置不同的路感清晰度调节因子ρ下在不平度较大的路面上 行驶的操纵力特性图。
图19为本发明在设置路感清晰度调节因子ρ＝0.5时在不同附着系数的路面 上行驶的操纵力特性图。
图20为本发明在设置路感清晰度调节因子ρ＝1.0时在不同附着系数的路面 上行驶的操纵力特性图。
图21为本发明在设置不同的路感清晰度调节因子ρ下撒手回正过程的方向盘 转角时域图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范 围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明提出了一种高度可调的线控转向系统路感模拟装置，该装 置包括传感器单元、手力设计单元、手力控制单元和交互设置单元：
传感器单元：用以采集车辆运动状态和手力模拟机构的转角力矩信息，其中， 采集车辆运动状态的传感器包括齿条位移传感器、转向执行电机力矩传感器、车速 传感器、手力模拟机构管柱处的扭矩传感器以及手力模拟机构管柱处的方向盘转角 传感器，齿条位移传感器、转向执行电机力矩传感器和车速传感器采集车辆运动状 态，用以估计车辆的回正力矩和作为手力设计单元的输入，管柱处转角传感器和小 量程高精度力矩传感器采集手力模拟机构的转角力矩信息，用以作为手力设计单元 和手力控制单元的输入；
小量程高精度力矩传感器选用量程为[-10Nm，10Nm]和分辨率为0.05Nm的扭 矩传感器，结合开闭环平滑切换策略能够同时兼顾正常操纵(手力小于10Nm)工 况中的手力闭环高精度控制和末端控制(手力大于10Nm)工况中的安全限位。
手力控制单元：用以产生对应的路感电机的控制指令，将其反馈给驾驶员以跟 踪手力设计单元的期望手力(期望反馈手力)，手力控制单元的被控对象是手力模 拟机构，手力模拟机构的动力学特性方程为：
Figure BDA0003859215890000101
Figure BDA0003859215890000102
Ts＝KTs(θsw-θm)
其中，Jsw和Jm分别表示方向盘和路感电机的转动惯量，Csw和Cm分别表示方 向盘和路感电机的线性阻尼，KTs表示扭矩传感器的刚度，Th、Ts、Tm和Tf分别表 示驾驶员的操纵力、扭矩传感器力矩、电机输出端的力矩和非线性摩擦力，θsw为 方向盘转角，θm为路感电机的转角；
手力控制单元的控制目标具体为将合适的控制指令传输至路感电机，控制路感电机的输出力矩Tm，使实际扭矩传感器力矩Ts(即实际手力)跟踪期望手力Tcmd。
手力控制单元对于手力的控制一共包含三个控制通道，如图2所示，通道1 为闭环控制通道，通道2为前馈控制通道，通道3为摩擦力前馈补偿通道，通道1 和通道2的开闭由开闭环平滑切换策略控制。
通道1：采用基于期望频率特性法的滞后-超前校正装置设计力矩闭环控制器， 即基于期望频域特性通过滞后-超前校正的方法设计串联校正环节(力矩闭环控制 器Gcc(s))，使闭环系统性能达到期望频域特性要求，期望频域特性包括：a、低频 段增益较大，保证系统的跟踪精度高；b、中频段穿越频率较大，保证闭环响应较 快和路感的传递；c、高频段增益快速衰减，保证噪声的抑制能力；d、幅值裕度和 相角裕度较大，保证系统稳定；期望时域特性包括：阶跃响应不出现超调或超调量 很小，即系统的过阻尼特性，保证闭环介入和断开时的手力平顺性；
通道2：属于开环控制，用以在力矩超出量程后能够继续将力矩控制指令传输 至路感电机，进而继续提供手力，传输给路感电机的力矩控制指令的表达式为：
Figure BDA0003859215890000113
其中，uffd为控制力矩，Tcmd为期望手力，
Figure BDA0003859215890000114
表示对开环控制施加的主 动阻尼，使原本如果为欠阻尼的系统在主动阻尼的作用下成为一个过阻尼系统，减 小前馈通道引起的手力抖动；
通道3：其原理具体为建立基于转角转速的测量以及契合系统摩擦力性质的非 线性摩擦力模型，与系统本身的摩擦力进行不完全抵消，使换向瞬间手力的突变值 小于人的感知阈值以下，以保证手力的平顺，其表达式为：
Figure BDA0003859215890000115
其中，ufc表示通道3输给路感电机的控制指令，用以补偿系统的非线性摩擦 力，fmodel表示非线性摩擦力模型，在本实施例中，非线性摩擦力模型采用渐变摩 擦力模型。
开闭环平滑切换策略的输入为管柱扭矩传感器力矩Ts，直接对通道2进行渐变 控制，对通道1闭环控制进行开关控制，对于通道2的前馈开关系数为：
Figure BDA0003859215890000111
其中，βffd为前馈开关系数，τffd为时间常数，fffd(Ts)为前馈开关稳态值，s为 拉氏变换复频率；
对于通道1的闭环开关系数为：
Figure BDA0003859215890000112
其中，βfb为闭环开关系数，τfb为时间常数，ffb(Ts)为闭环开关稳态值；
前馈开关稳态值fffd(Ts)和闭环开关稳态值ffb(Ts)两者随量程范围内的扭矩传感器测量值的绝对值变化如图3所示，在切换过程中，前馈开关稳态值fffd(Ts)为 渐变量，而闭环开关稳态值ffb(Ts)为突变量，具体策略为：
当扭矩传感器力矩绝对值小于阈值Ts_th1时，前馈开关稳态值fffd(Ts)和闭环开 关稳态值ffb(Ts)的取值分别为：
fffd(Ts)＝0
ffb(Ts)＝1；
闭环开关恒为1，开环开关恒为0，即闭环控制通道和摩擦力前馈补偿通道处 于工作状态，以实现在正常操纵工况中的力矩闭环跟踪控制；
当扭矩传感器力矩绝对值超出阈值Ts_th1而未超出阈值Ts_th2时，前馈开关稳态 值fffd(Ts)和闭环开关稳态值ffb(Ts)的取值分别为：
Figure BDA0003859215890000121
ffb(Ts)＝1；
闭环开关恒为1，开环开关半闭合，前馈通道不完全介入，此时系统受闭环控 制通道、摩擦力前馈补偿通道以及不完全的前馈控制通道的控制；
当扭矩传感器力矩绝对值超出阈值Ts_th2时，前馈开关稳态值fffd(Ts)和闭环开 关稳态值ffb(Ts)的取值分别为：
fffd(Ts)＝1
ffb(Ts)＝0；
闭环开关快速置0，开环开关完全闭合，此时系统受摩擦力前馈补偿通道和前 馈通道的控制。
前馈介入或退出的速度由两个阈值之差(Ts_th2-Ts_th1)以及时间常数τffd决定， 渐变式的介入或退出和闭环系统性能的较快的响应速度保证了前馈通道的介入或 退出不会引起力矩的突变，闭环的介入或退出仅由时间常数τfb决定，虽然其会引 起闭环控制器输入的突变，但是由于闭环系统性能的过阻尼特性，保证了闭环通道 的介入或退出不会引起力矩的突变。
综上所述，开闭环平滑切换策略的作用为：在正常操纵工况中，即扭矩传感器 力矩工作在阈值Ts_th1之内，手力控制单元只有通道1和通道3工作，保证了手力 的高精度闭环跟踪控制；在末端工况中，即扭矩传感器力矩超出量程之外，手力仍 然能够由通道2提供，保证安全限位；在开闭环切换时，手力平顺无突变。
手力设计单元：包括齿条力估计模块和期望手力计算模块，齿条力估计模块利 用转向执行电机力矩传感器和齿条位移传感器估计齿条处的负载(齿条力)，进而 计算车辆的回正力矩以及可调的路感反馈，齿条力估计模块建立基于转向执行机构 的模型，基于转向执行机构的模型的表达式为：
Figure BDA0003859215890000122
其中，mr和cr分别为转向执行机构等效至齿条的质量和阻尼系数，xr为齿条 位移，Fr、fr和Fm分别为需要估计的齿条力、转向执行机构等效至齿条的摩擦力以 及电机等效作用在齿条上的力(简称电机力)。
齿条力估计模块的目标为：较高的稳态精度；能够调节估计模块的带宽以控制 估计结果的频率成分；保证在不同的带宽下由传感器噪声引起的估计结果的波动足 够小；不同带宽滤波器对应的相位滞后基本一致。
齿条力估计模块的齿条力估计方法为采用逆模+低通滤波器进行齿条力的估 计，首先，获取齿条力估计名义值F′r，齿条力估计名义值Fr′的计算式为：
Figure BDA0003859215890000133
其中，Fm和xr分别通过转向执行电机输出端力矩传感器和齿条位移传感器获 得，
Figure BDA0003859215890000134
为利用摩擦力模型计算的摩擦力，即摩擦力补偿项；
为了调节齿条力估计模块的带宽并抑制传感器噪声在估计结果中的波动，将得到的齿条力估计名义值Fr′通过低通滤波器，得到估计的齿条力，估计的齿条力的 表达式为：
Frack_est＝Hlowpass*Fr′
其中，Frack_est为估计的齿条力，Hlowpass(s)为低通滤波器的传递函数，在本 实施例中，低通滤波器为三阶低通滤波器，三阶低通滤波器中的p1、p2和p3分别为 滤波器需要配置的三个极点，极点p1用以调整带宽，极点p2和p3用以调整滤波器的 相位滞后，根据本实施例中反馈路感的带宽Bw可调范围[10Hz，25Hz]，极点配置方 法为：
在带宽Bw＝25Hz时，设置传递函数Hlowpass(s)的截止频率为25Hz的三阶Butterworth低通滤波器，配置的三个极点分别为：
p1＝-Bw，
Figure BDA0003859215890000131
其中，传递函数Hlowpass(s)(mrs2+crs)的幅值增益最大值为Again(25Hz)，其 表征传感器噪声引起齿条力估计值波动最大增益；
在带宽Bw＝10Hz时，设置p1控制带宽，p2，p3构成带宽为Bw1的二阶butterworth 滤波器，配置的三个极点分别为：
p1＝-Bw，
Figure BDA0003859215890000132
调节Bw1使传递函数Hlowpass(s)(mrs2+crs)的幅值增益最大值为 Again(10Hz)≈Again(25Hz)，同时使相角滞后与Bw＝25Hz工况接近；
在带宽Bw∈(10Hz，25Hz)时，对极点p1、p2和p3进行线性插值，通过适当调 节极点p2和p3的位置实现传递函数Hlowpass(s)(mrs2+crs)的幅值增益最大值和相 角滞后基本一致。
期望力矩计算模块：用以计算出期望的反馈手力Tcmd(期望手力)，期望的反 馈手力Tcmd由六种力矩构成，分别为主操纵力矩Tmain、刚度力矩Tstiff、模式自适 应的高速阻尼力矩Tdamp、低速回正力矩Tar、末端限位力矩Tlimit以及模拟摩擦力 矩Tfric，期望的反馈手力Tcmd的表达式为：
Tcmd＝Tmain+Tstiff+Tdamp+Tlimit+Tar+Tfric；
主操纵力矩Tmain是期望手力的主要组成部分之一，主操纵力矩Tmain的表达式 为：
Tmain＝ρ·fmain(Frack_est)
其中，ρ为可调的接口，表示路感清晰度，Frack_est为齿条力估计模块得到的齿 条力估计值。fmain(·)是基于齿条力估计值生成主操纵力的函数，可以高度设计， 其曲线形状如图5中的(a)所示，在中间位置，驾驶员对齿条力的重视程度较高， 且要求有较好的中间位置感，因此fmain(·)的梯度较大；在非中间位置，驾驶员对 齿条力的重视程度减弱，要求较低的驾驶负担，因此fmain(·)的梯度较小。
刚度力矩Tstiff是期望手力的另一个主要组成部分，刚度力矩Tstiff的表达式为：
Tstiff＝fstiff(Frack_virtual，ρ，γ·η(V))
其中，Tstiff为刚度力矩，ρ为可调的接口，表示路感清晰度，其为主操纵力矩 Tmain在期望手力Tcmd中的成分，如图5所示，当ρ较小时为舒适型手感，主操纵力 矩占比减小，刚度力矩占比增大，在中间位置和非中间位置，刚度力矩的绝对值 |Tstiff|均随方向盘转角绝对值|θsw|增大而增大，但在中间位置该力矩梯度更大，驾 驶员操纵手感主要来源于刚度力矩Tstiff，手力平顺性和稳定性较好；当ρ较大时为 运动型手感，期望力矩Tcmd中，主操纵力矩Tmain占比增大，刚度力矩Tstiff占比减 小，在中间位置，刚度力矩的绝对值|Tstiff|随方向盘转角绝对值|θsw|增大而增大， 辅助提高中间位置手力梯度，增强驾驶员的中间位置感，而在非中间位置，刚度力 矩的绝对值|Tstiff|随方向盘转角绝对值|θsw|增大而减小，以凸显车辆在低附路面上 发生侧滑时的路感，在侧向加速度较大时警醒驾驶员，γ为可调的接口，表示操纵 力水平和梯度调整因子，如图6中的(a)所示，γ较小时为舒适型手感，驾驶负担小， γ较大时为运动型手感，手感清晰，η(V)为可调的接口，表示手力VS车速的梯度 调整因子，可以对不同车速下的手力进行调节，如图6中的(b)所示，舒适型手力 随车速增大梯度减弱，驾驶负担小，运动型手力随车速增大梯度增强，驾驶者的车 速感知更清晰，V为车速，Frack_virtual(V，θsw)为基于转角和车速计算得到的虚拟齿 条力，其表达式为：
Frack_virtual＝Kstiff(V)·θsw
其中，Kstiff(V)为不同车速V下的刚度系数。fstiff是基于齿条力虚拟值生成刚 度力矩的函数，可以高度设计，其曲线形状如图5中的(b)所示，其为一个两段式 的分段函数，用以独立生成中间位置和非中间位置的刚度力矩，基于齿条力虚拟值 生成刚度力矩的函数fstiff的表达式为：
Figure BDA0003859215890000151
其中，fstiff1(·)用以生成中间位置的刚度力矩，fstiff2(·)用以生成非中间位置的刚度力矩，Fthes1为区别不同车速下的中间位置和非中间位置的虚拟齿条力阈值；
模式自适应的高速阻尼力矩Tdamp的表达式为：
Figure BDA0003859215890000153
其中，θsw为方向盘转角，
Figure BDA0003859215890000154
为方向盘转速，cdamp为阻尼系数，该阻尼系数 为车速V、路感清晰度可调因子ρ以及其余两个可调因子的乘积γ·η(V)的函数，为 简单起见，在本实施例中，将路感清晰度可调因子ρ离散为两个挡位(ρ＝0.5， ρ＝1.0)，ρ＝0.5为舒适型(路感模糊)模式，ρ＝1.0为运动型(路感清晰)模 式，其余的可调因子γ和η(V)均为连续可调的因子，于是，cdamp的设置可等效为两 张Map图，分别对应ρ＝1.0和ρ＝0.5的两个挡位，其中ρ＝1.0时设置如图10所 示，这张Map图的两个平面坐标分别是车速V和两个可调因子的乘积γ·η(V)，该 Map图的制作是通过等距选取关键工况(Map图中的栅格点)的频域分析和时域 分析，保证模式切换后，手力环的稳定性与基准工况(γ·η＝1.0)基本保持不变(频域表现为稳定裕度基本不变，时域表现为撒手回正超调量基本不变)，然后进 行二维线性插值得到；fdt(θsw)为阻尼系数的调节因子，考虑到驾驶员对于中间位 置的手感重视程度高，应尽量减少阻尼控制对于中间位置的粘滞感，阻尼系数的调 节因子fdt(θsw)的设置为具体：
Figure BDA0003859215890000152
其中，pmiddle表示中间位置的阻尼系数弱化程度，其取值范围为[0.5，1.0]，θsw_dpthes为该阻尼系数调整的中间位置边界阈值。
低速回正力矩Tar用以解决低速工况中撒手回正不足的问题，同时也增加了低 速工况操纵过程中的中间位置感，低速回正力矩Tar的设计方法采用扩展P控制， 低速回正力矩Tar的表达式为：
Figure BDA0003859215890000161
其中，Kar·θsw表示常规的P控制，Kar表示回正强度，σV(V)表示车速因子， 用以使低速回正力矩在低速时介入，高速时屏蔽，
Figure BDA0003859215890000166
为转角调节因子，使 中间位置感较强，非中间位置该力矩影响较小，
Figure BDA0003859215890000162
为转速调节因子，使转 速为0的地方强制将主动回正力矩置0，避免换向瞬间的手力冲击，
Figure BDA0003859215890000163
表示回正判断因子，用以确保主动回正力矩只有在回正 过程介入，正向操纵过程屏蔽。
末端限位力矩Tlimit的作用具体为：当驾驶员操纵方向盘转角超出最大方向盘 转角允许值时，输出一个较大反力以阻止驾驶员继续操纵方向盘超出规定值，为了 保证较好的限位作用，本实施例中，工况中末端限位力矩Tlimit约为20Nm，超出扭 矩传感器[-10Nm，10Nm]的量程范围，配合本发明中的开闭环平滑切换策略，以 保证超出传感器量程范围、闭环失效后，前馈通道仍能继续提供限位手力和安全限 位。
模拟摩擦力矩Tfric的作用具体为在线控转向系统中模拟现有转向系统和电动 助力转向系统中的摩擦力，用以改善手感，模拟摩擦力矩Tfric的表达式为：
Figure BDA0003859215890000164
其中，
Figure BDA0003859215890000165
为基于tanh(·)函数的摩擦力模型。
交互设置单元总共集成了四个独立连续可调的接口以供驾驶者设置，以保证手力高度可调，四个连续可调的接口与手力高度可调的四个维度对应，四个维度分别 为反馈路感带宽高度可调、路感清晰度、操纵力水平和梯度高度可调和操纵力VS 车速的梯度高度可调，对应的可调因子分别为路感带宽可调因子Bw、路感清晰度 调节因子ρ、操纵力水平和梯度可调因子γ以及操纵力VS车速梯度因子η(V)：
路感带宽可调因子Bw：路感带宽可调因子Bw较大时对应运动型手感，驾驶员 能通过操纵力获取更多的高频路面信息，路感带宽可调因子Bw较小时对应舒适型 手感，驾驶员的手力平顺性更好；
路感清晰度调节因子ρ：路感清晰度因子ρ较大时，对应运动型手感，路面不 平度和低附路面上车辆发生侧滑时的手感更加明显，路感清晰，驾驶员能够通过操 纵力获取更明确的路面信息，路感清晰度因子ρ较小时，对应舒适型手感，路面信 息在手力上的反映较弱，驾驶员的手力平顺性更好。
操纵力水平和梯度可调因子γ：操纵力水平和梯度可调因子γ较大时对应运动型手感，手力清晰，操纵力水平和梯度可调因子γ较小时对应舒适型手感，驾驶负 担更小；
操纵力VS车速梯度因子η(V)：舒适型手感随车速增大梯度减弱，驾驶负担小， 运动型手感随车速增大梯度增强，驾驶者的车速感知更清晰。
这四个维度可以设置成连接可调的接口，也可以标定成离散的多个挡位。
对本发明进行算法验证：
本装置的仿真效果如图11～21所示，图11和图12为末端控制工况中力矩控制 开闭环切换的效果，扭矩传感器量程的最大值为10Nm，在开闭环切换过程中，手 力没有出现感受阈值(0.2Nm)以上的波动，在手力超出扭矩传感器量程范围之外， 前馈通道仍能在末端提供20Nm以上的手力以保证末端安全限位。
图13为通过交互设置单元设置不同的路感带宽Bw，车辆在相同的不平度较大 的路面上行驶的操纵力特性图，图14为局部放大的手力时域图像，可以看出，相 同的路面冲击下，舒适型模式(Bw＝10Hz)对应的手力波动幅值较小，平顺性较好， 运动型模式(Bw＝25Hz)对应的手力波动幅值较大，路感更加清晰，普通型模式 (Bw＝15Hz)对应的手力平顺性和路感清晰度介于上述两者之间，如图15所示， 不同模式之间进行切换时，手力稳定裕度基本不变，撒手回正超调均很小，且基本 保持一致。
图16为通过交互设置单元设置不同的操纵力水平和梯度调节因子γ得到的不 同操纵力特性图，图17为通过交互设置单元设置不同的操纵力水平及梯度调节因 子Y下撒手回正过程的方向盘转角时域图，可以看出操纵力水平和梯度能够根据驾 驶员个性化需要连续调节，且手力稳定性不随操纵力水平和梯度调节因子γ的值发 生改变，撒手回正过程基本不出现超调。
图18为通过交互设置单元设置不同的路感清晰度调节因子ρ，车辆在相同的 不平度较大的路面上行驶的操纵力特性图，图19为ρ＝0.5时，车辆在不同附着系 数(μ＝0.3，μ＝0.85)的路面上行驶的操纵力特性图，图20为ρ＝1.0时，车辆在 不同附着系数(μ＝0.3，μ＝0.85)的路面上行驶的操纵力特性图，图21为通过交 互设置单元设置不同的路感清晰度调节因子ρ下撒手回正过程的方向盘转角时域 图，可以看出，对于舒适型手感(ρ＝0.5)，路面的不平、附着系数的变化在手力 上的体现不明显，手力较平顺和稳定；对于运动型手感(ρ＝1.0)，路面的不平、 附着系数的变化在手力上的体现较明显，路感清晰。且手力稳定性不随路感清晰度 调节因子ρ的值发生改变，撒手回正过程基本不出现超调。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员 无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领 域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的 实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高度可调的线控转向系统路感模拟装置，其特征在于，该装置包括：
传感器单元：用以采集车辆运动状态信息与手力模拟机构的转角力矩信息，并作为手力设计单元和手力控制单元的输入；
手力设计单元：包括齿条力估计模块和期望手力计算模块，用以获取高度可调的期望手力；
手力控制单元：用以产生对应的路感电机的控制指令，进而实现实际手力对于期望手力的跟踪控制；
交互设置单元：用以提供多个连续高度可调的接口，以满足驾驶员个性化的操纵手感需求。
2.根据权利要求1所述的一种高度可调的线控转向系统路感模拟装置，其特征在于，所述的传感器单元包括手力模拟机构管柱处的扭矩传感器、手力模拟机构管柱处的方向盘转角传感器、转向执行电机力矩传感器、齿条位移传感器以及车速传感器；
所述的扭矩传感器用以测量管柱的扭矩，即实际手力，所述的扭矩传感器与开闭环平滑切换算法相配合，以实现在正常操纵工况中手力的高精度闭环控制以及末端控制工况中手力超出量程后的大力矩安全限位；
所述的转角传感器用以测量管柱的转角，即方向盘转角，所述的管柱的转角用以手力设计单元中期望手力的计算和手力控制单元中摩擦力的前馈补偿；
所述的转向执行电机力矩传感器用以测量电机输出端力矩，即转向执行电机力矩，所述的电机输出端力矩用以手力设计单元中齿条力的估计；
所述的齿条位移传感器用以测量齿条位移，所述的齿条位移用以手力设计单元中齿条力的估计；
所述的车速传感器用以测量车速，所述的车速用以手力设计单元中期望手力的计算。
3.根据权利要求1所述的一种高度可调的线控转向系统路感模拟装置，其特征在于，所述的齿条力估计模块采用逆模加低通滤波法进行齿条力估计的过程具体为：
建立基于转向执行机构的模型，其表达式为：
Figure FDA0003859215880000021
其中，mr和cr分别为转向执行机构等效至齿条的质量和阻尼系数，xr为齿条位移，Fr、
Figure FDA0003859215880000022
和Fm分别为需要估计的齿条力、转向执行机构等效至齿条的摩擦力以及电机等效作用在齿条上的力，Fm和xr分别通过转向执行电机输出端力矩传感器和齿条位移传感器获得；
获取齿条力估计名义值，齿条力估计名义值的计算式为：
Figure FDA0003859215880000023
其中，Fr′为齿条力估计名义值；
将得到的齿条力估计名义值Fr′通过低通滤波器，得到估计的齿条力，估计的齿条力的表达式为：
Frack_est＝Hlowpass*Fr′
其中，Frack_est为估计的齿条力，Hlowpass(s)为低通滤波器的传递函数，Hlowpass为其拉普拉斯反变换，该低通滤波器为三阶低通滤波器，三阶低通滤波器配置的三个极点为[p1 p2p3]，其中，极点p1用以调整带宽，极点p2和极点p3用以调整滤波器的特性，设反馈路感带宽Bw的可调范围为[Bwmin，Bwmax]，三阶低通滤波器的极点配置方法具体为：
当带宽Bw＝Bwmax时，设置传递函数Hlowpass(s)的截止频率为Bwmax的三阶Butterworth低通滤波器，配置的极点分别为：
p1＝-Bw
Figure FDA0003859215880000024
传递函数Hlowpass(s)(mrs2+crs)的幅值增益最大值为Again(Bwmax)，用以表征传感器噪声引起齿条力估计值波动最大增益；
当带宽Bw＝Bwmin时，设置极点p1控制带宽，极点p2和极点p3构成带宽为Bw1的二阶Butterworth滤波器，配置的极点分别为：
p1＝-Bw
Figure FDA0003859215880000025
调节带宽Bw1使传递函数Hlowpass(s)(mrs2+crs)的幅值最大增益为Again(Bwmin)≈Again(Bwmax)，同时使相角滞后与当带宽Bw＝Bwmax时的工况接近；
当带宽Bw∈(Bwmin，Bwmax)时，极点p1、极点p2和极点p3由当带宽Bw＝Bwmax时的工况和当带宽Bw＝Bwmin时的工况相应的极点值线性插值得到。
4.根据权利要求3所述的一种高度可调的线控转向系统路感模拟装置，其特征在于，所述的期望手力计算模块基于估计的齿条力、车速和方向盘转角获取期望手力，所述的期望手力的组成包括六种力矩，分别为高度可调的主操纵力矩Tmain、高度可调的刚度力矩Tstiff、模式自适应的高速阻尼力矩Tdamp、模拟摩擦力矩Tfric、低速主动回正力矩Tar和末端控制力矩Tlimit；
所述的高度可调的主操纵力矩Tmain的表达式为：
Tmain＝ρ·fmain(Frack_est)
其中，Tmain为主操纵力力矩，ρ为路感清晰度调节因子，表示主操纵力力矩Tmain在其与刚度力矩Tstiff两者中的占比，Frack_est为齿条力估计模块得到的估计的齿条力，fmain为基于齿条力估计值Frack_est生成主操纵力Tmain的函数；
所述的高度可调的刚度力矩Tstiff的表达式为：
Tstiff＝fstiff(Frack_virtual，ρ，γ·η(V))
其中，Tstiff为刚度力矩，γ为操纵力水平和梯度调节因子，η(V)为操纵力VS车速梯度调节因子，fstiff为基于齿条力虚拟值Frack_virtual生成刚度力矩Tstiff的函数，其为一个两段式的分段函数，用以独立生成中间位置和非中间位置的刚度力矩，Frack_virtual(V，θsw)为基于转角θsw和车速V计算得到的虚拟齿条力；
虚拟齿条力Frack_virtual(V，θsw)的表达式为：
Frack_virtual＝Kstiff(V)·θsw
Kstiff(V)为不同车速下的刚度系数，θsw为转角；
基于齿条力虚拟值Frack_virtual生成刚度力矩Tstiff的函数fstiff的表达式为：
Figure FDA0003859215880000031
其中，fstiff1(·)用以生成中间位置的刚度力矩，fstiff2(·)用以生成非中间位置的刚度力矩，Fthes1为区别不同车速下的中间位置和非中间位置的虚拟齿条力阈值，ρ为路感清晰度调节因子，γ为操纵力水平和梯度调节因子，η(V)为操纵力VS车速梯度调节因子；
所述的模式自适应的高速阻尼力矩Tdamp的表达式为：
Figure FDA0003859215880000032
其中，Tdamp为模式自适应的高速阻尼力矩，cdamp(V，ρ，γ·η(V))为模式自适应阻尼系数，fdt(θsw)为方向盘转角对阻尼系数的影响因子，用以减弱小转角工作区域的阻尼，进而减小小转角区域主动阻尼导致的粘滞感，
Figure FDA0003859215880000041
为方向盘转速；
所述的模拟摩擦力矩Tfric用以模拟机械系统或EPS的机械系统摩擦力，模拟摩擦力矩Tfric的表达式为：
Figure FDA0003859215880000042
其中，
Figure FDA0003859215880000043
为基于tanh(·)函数的摩擦力模型；
所述的低速主动回正力矩Tar用以保证低速工况下的回正性能，低速主动回正力矩Tar的表达式为：
Figure FDA0003859215880000044
其中，Kar表示回正强度，σV(V)表示车速因子，
Figure FDA0003859215880000045
为转角调节因子，
Figure FDA0003859215880000046
为转速调节因子，
Figure FDA0003859215880000047
表示回正判断因子；
所述的末端控制力矩Tlimit用以保证方向盘的安全限位。
5.根据权利要求1所述的一种高度可调的线控转向系统路感模拟装置，其特征在于，所述的手力控制单元的被控对象为手力模拟机构，所述的手力模拟机构的动力学特性方程为：
Figure FDA0003859215880000048
Figure FDA0003859215880000049
Ts＝KTs(θsw-θm)
其中，Jsw和Jm分别表示方向盘和路感电机的转动惯量，Csw和Cm分别表示方向盘和路感电机的线性阻尼，KTs表示扭矩传感器的刚度，Th、Ts、Tm和Tf分别表示驾驶员的操纵力、扭矩传感器力矩、电机输出端的力矩和非线性摩擦力，θsw为方向盘转角，θm为路感电机的转角；
手力控制单元的控制目标具体为将控制指令传输至路感电机以控制路感电机的输出力矩Tm，使实际手力跟踪期望手力。
6.根据权利要求5所述的一种高度可调的线控转向系统路感模拟装置，其特征在于，所述的手力控制单元基于三个控制通道对手力进行控制，并生成路感电机的控制指令，所述的三个控制通道分别为闭环控制通道、前馈控制通道和非线性摩擦力前馈补偿通道；
所述的闭环控制通道采用基于期望频率特性法的滞后-超前校正装置设计力矩闭环控制器，进而基于期望手力与扭矩传感器测得的实际手力之间的偏差对系统进行手力闭环跟踪控制；
所述的前馈控制通道具体为开环控制，用以在力矩超出量程后继续将控制指令传输至路感电机，进而继续提供手力，控制指令的表达式为：
Figure FDA0003859215880000051
其中，uffd为力矩，Tcmd为期望手力，
Figure FDA0003859215880000052
表示对开环控制施加的主动阻尼，用以减小前馈控制通道引起的手力抖动；
所述的非线性摩擦力前馈补偿通道用以对系统摩擦力进行前馈补偿。
7.根据权利要求6所述的一种高度可调的线控转向系统路感模拟装置，其特征在于，所述的闭环控制通道和前馈控制通道的断开或闭合由开闭环平滑切换策略控制，所述的开闭环平滑切换策略的输入为传感器力矩Ts，对前馈控制通道进行渐变控制，对闭环控制通道进行开关控制，所述的开闭环切换策略的两个通道开关量分别为前馈开关系数βffd和闭环开关系数βfb，表达式分别为：
Figure FDA0003859215880000053
Figure FDA0003859215880000054
其中，βffd为前馈开关系数，fffd(Ts)为前馈开关稳态值，s为拉氏变换复频率，βfb为闭环开关系数，τffd和τfb均为时间常数，ffb(Ts)为闭环开关稳态值。
8.根据权利要求7所述的一种高度可调的线控转向系统路感模拟装置，其特征在于，所述的开闭环切换策略的两个通道开关量的性质分别为：
所述的前馈开关系数βffd的取值范围为[0，1]，所述的前馈开关系数βffd在介入或退出过程中具体为阈值Ts_th1和阈值Ts_th2之间随传感器力矩线性变化并串联一阶惯性环节的连续变化量，对前馈控制量进行渐变控制，所述的前馈开关系数βffd的介入或退出速度由时间常数τffd和两个阈值之差(Ts_th2-Ts_th1)决定；
所述的闭环开关系数βfb的取值范围为[0，1]，所述的闭环开关系数βfb在介入或退出过程中具体为串联一阶惯性环节的开关量，对闭环控制器的跟踪误差输入进行开关控制，所述的闭环开关系数βfb的介入或退出速度由时间常数τfb决定。
9.根据权利要求8所述的一种高度可调的线控转向系统路感模拟装置，其特征在于，所述的开闭环平滑切换策略具体为：
当传感器力矩Ts小于阈值
Figure FDA0003859215880000055
时，闭环开关恒为1，开环开关恒为0，即闭环控制通道和摩擦力前馈补偿通道处于工作状态，以实现在正常操纵工况中的力矩闭环跟踪控制；
当传感器力矩Ts大于等于阈值Ts_th1小于阈值Ts_th2时，闭环开关恒为1，开环开关半闭合，前馈通道不完全介入，此时系统受闭环控制通道、摩擦力前馈补偿通道以及不完全的前馈控制通道的控制；
当传感器力矩Ts大于等于阈值Ts_th2时，闭环开关快速置0，开环开关完全闭合，此时系统受摩擦力前馈补偿通道和前馈通道的控制。
10.根据权利要求1所述的一种高度可调的线控转向系统路感模拟装置，其特征在于，所述的交互设置单元包括与四个与手力高度可调维度相对应的独立接口，以供驾驶者通过人机交互界面进行个性化设置，根据驾驶员需求将四个维度自由组合连续调整，并标定出运动型模式和舒适型模式，所述的接口分别为可调路感反馈带宽接口、路感清晰度接口、可调操纵力水平与梯度接口以及可调操纵力VS车速梯度接口，所述的可调路感反馈带宽接口用以齿条力估计模块的路感带宽设置，所述的路感清晰度接口、可调操纵力水平与梯度接口和可调操纵力VS车速梯度接口用以期望手力计算模块的手力特性设置；
所述的手力高度可调维度包括反馈路感带宽高度可调、路感清晰度高度可调、操纵力水平和梯度高度可调和操纵力VS车速的梯度高度可调，所述的手力高度可调维度对应的可调因子分别为路感带宽可调因子Bw、路感清晰度调节因子ρ、操纵力水平和梯度可调因子γ以及操纵力VS车速梯度因子η(V)；
所述的反馈路感带宽高度可调具体为调节反馈路感，使用的方法为齿条力滤波器的极点自适应配置，当切换为舒适型模式时，将反馈路感的带宽设置为小数值，以使得手力的平顺性好，当切换为运动型模式时，将反馈路感的带宽设置为大数值，以使得驾驶员通过手力获取更多的车辆状态与路面信息；
所述的路感清晰度高度可调具体为调整期望手力中主操纵力矩和刚度力矩分别在中间位置和非中间位置的占比，当切换为运动型模式时，对应主操纵力矩的占比大，刚度力矩占比小，相同路面不平度引起的手力波动峰峰值大，低附路面上的手力体现明显，路感清晰度增大；当切换为舒适型模式时，对应主操纵力矩的占比小，刚度力矩占比大，手力平顺和稳定；
所述的操纵力水平和梯度高度可调具体为调节操纵力水平和梯度，在同一车速工况下，当切换为运动型模式时，操纵力水平和梯度大，当切换为舒适型模式时，操纵力水平和梯度小；
所述的操纵力VS车速的梯度高度可调具体为调节操纵力随车速变化的梯度，当切换为运动型模式时，梯度随车速增强，驾驶员对车速的感知的明确度增强，当切换为普通型模式时，梯度随车速保持不变，当切换为舒适型模式时，梯度随车速减弱，以减轻车速升高导致的驾驶负担。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116811994A (zh) * 2023-06-30 2023-09-29 北京理工大学 一种智能车辆冗余转向系统及其控制方法
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