TWI722289B - 機動車輛轉向控制系統及轉向控制方法 - Google Patents
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Abstract
一種機動車輛轉向控制系統,用以執行一轉向控制方法,以對一機動車輛的轉向輪進行轉向。轉向控制方法包含:接收一轉向參考角度以及一實際轉向角度,依據轉向參考角度及實際轉向角度計算一控制力矩;依據實際轉向角度及轉向參考角度於一取樣時間內的變化,而得到一實際轉向角速度以及一轉向參考角速度,並依據實際轉向角速度以及轉向參考角速度,以得到一摩擦力矩補償;估測轉向後產生之一回正力矩估測;以及依據控制力矩、摩擦力矩補償以及回正力矩估測計算輔助力矩,輸出輔助力矩。
Description
本發明有關於機動車輛轉向之電動輔助轉向模組,特別是關於一種機動車輛轉向控制系統及一種轉向控制方法。
隨著機動車輛的車重以及車速的提升,機動車輛轉向所需要的轉向力矩,已經超過人力所能提供的控制力矩,因此需要輔助轉向系統提供額外的力矩輔助。現有的電動輔助轉向系統(Electrical Power Steering,EPS)可以提供較精確的輔助力矩以及轉向角度,且容易與行車電腦建立連線以供行車電腦介入以進行機動車輛動態控制,例如輔助進行車道維持。
為了提供精確的輔助力矩,需有正確的干擾評估,以提供足夠的輔助力矩,太小的輔助力矩無法適時滿足控制力矩的需求,過大的輔助力矩產生的轉向角速度過大而影響車身穩定性。然而,輔助力矩的運算需考量各種干擾,從而消除干擾輸入對於控制結果的相關影響,達到有效的消除干擾輸入以精確控制車輛的行駛。
鑑於上述問題,本發明提出一種機動車輛轉向控制系統以及一轉向控制方法,透過估測控制力矩的外部干擾,提供更精確的輔助力矩。
為了達成上述目的,本發明提出一種機動車輛轉向控制系統,用於對一機動車輛的轉向輪進行轉向,包含一電動輔助轉向模組、一馬達驅動電路、一角度感知器以及一控制器。電動輔助轉向模組用於對轉向輪輸出一輔助力矩。馬達驅動電路用以接收一控制命令,並根據控制命令輸出對應之一馬達驅動電流以驅動電動輔助轉向模組輸出輔助力矩。角度感知器用於偵測的一實際轉向角度。一轉向參考角度依據駕駛的操作、行車動態的監控,行車電腦的動態穩定系統或其他輔助操作機制產生。控制器用以產生控制命令。其中控制器接收轉向參考角度,依據轉向參考角度及實際轉向角度計算控制力矩;控制器依據實際轉向角度及轉向參考角度於一取樣時間內的變化,而得到一實際轉向角速度以及一轉向參考角速度,並依據實際轉向角速度以及轉向參考角速度,以得到一摩擦力矩補償;控制器估測轉向後的轉向輪回正產生之一回正力矩估測;以及控制器依據控制力矩、摩擦力矩補償以及回正力矩估測計算輔助力矩,而產生控制命令。
本發明還提出一種轉向控制方法,用於對一機動車輛的轉向輪進行轉向,包含:接收一轉向參考角度以及一實際轉向角度,依據轉向參考角度及實際轉向角度計算一控制力矩,其中,轉向參考角度依據駕駛的操作、行車動態的監控,行車電腦的動態穩定系統或其他輔助操作機制產生;依據實際轉向角度及轉向參考角度於一取樣時間內的變化,而得到一實際轉向角速度以及一轉向參考角速度,並依據實際轉向角速度以及轉向參考角速度,以得到一摩擦力矩補償;估測轉向後產生之一回正力矩
估測;以及依據控制力矩、摩擦力矩補償以及回正力矩估測計算一輔助力矩,輸出輔助力矩。
本發明以感知器直接偵測電動輔助轉向模組的變化,取得各項必要參數以計算輔助力矩,使得計算出來的結果有較佳的可靠性。
100:電動輔助轉向模組(EPS模組)
200:控制器
300:馬達驅動電路
400:角度感知器
500:扭矩感知器
600:電流感知器
V,V’:機動車輛
B:障礙物
θ ref :轉向參考角度
θ m :實際轉向角度
T a :回正力矩
T m :輔助力矩
T c :控制力矩
C:轉移函數
△θ m :實際轉向角速度
△θ ref :轉向參考角速度
L p :估測增益矩陣
ε 1:第一門檻值
ε 2:第二門檻值
圖1為本發明實施例的系統方塊圖。
圖2為本發明實施例中,資訊流程的示意圖。
圖3為本發明實施例的方法流程圖。
圖4為圖3中,步驟Step 120的細部流程圖。
圖5為圖3中,干擾估測以估測回正力矩的示意圖。
圖6為本發明實施例的回授控制架構圖。
圖7、圖8、圖9為本發明不同具體應用例的示意圖。
請參閱圖1所示,為本發明實施例所揭露的一種機動車輛轉向控制系統,用以執行一轉向控制方法,以對一機動車輛V的轉向輪進行轉向。機動車輛轉向控制系統包含有一電動輔助轉向模組100(Electric Power Steering Module,EPS)、一控制器200、一馬達驅動電路300、一角度感知器400、一扭矩感知器500以及一電流感知器600。
如圖1所示,EPS模組100包含方向機柱以及輔助馬達。方向機柱係連接方向盤、機動車輛V轉向輪以及輔助馬達,用於在駕駛人對方向機柱施加的駕駛力矩之外提供一輔助力矩T m ,以使方向機柱對機動車
輛V轉向輪提供足夠的轉向力矩。EPS模組100已經是機動車輛工程領域中發展成熟的技術,其基本組成與運作原理為具有通常知識得依據先前技術據以實施,因此以下不再詳細描述其技術細節。馬達驅動電路300連接於EPS模組100,用以依據控制器200的控制命令,輸出對應之馬達驅動電流以驅動EPS模組100輸出對應輔助力矩T m 。
其中,I是方向機柱的轉動慣量;為轉向機柱角加速度;T d 是駕駛力矩(駕駛人提供的轉向力矩);T m 是輔助馬達對方向機柱施加的輔助力矩;T f 是方向機柱內部的摩擦力矩;T a 是轉向後的轉向輪回正產生之回正力矩。
上述的摩擦力矩T f ,主要與角速度ω相關,可表示為角速度ω之方程式T f (ω)。T f (ω)可以採取LuGre靜態摩擦模型模擬之,可區分為庫倫摩擦、黏滯摩擦以及Stribeck效應以及動摩擦等四種主要的摩擦力效應,而角速度ω為零時,摩擦力矩為零,因此T f (ω)可以表示為:
其中,
α 0 為庫倫摩擦力矩係數;α 1 為靜摩擦力矩係數;α 2 為黏滯摩擦係數;ω s 為Striebeck速度。
上述的α 0 、α 2 可以透過系統量測別得到,例如已知文獻提供的最小平方法(L.Ljung,“System Identification,”Signal analysis and prediction.Birkhäuser Boston,pp.163-173,1998.);α 1 、ω s 可參考已知文獻提供的數值(例如S.S.Ge,T.H.Lee,and S.X.Ren,“Adaptive friction compensation of servo mechanisms,”Int.J.Syst.Sci.,vol.32,no.4,pp.523-532,Jan.2001.)。
上述方程式(2)的LuGre靜態摩擦模型載系統有作動時進一步簡化,忽略靜摩擦力,以利系統判別:T f (ω)=T f,c +T f,b =α 0 sgn(ω)+α 2 ω (3)
其中,T f,c 為庫倫摩擦力矩;T f,b 為黏滯摩擦力矩。
將簡化後的LuGre靜態摩擦模型方程式(3)帶入旋轉動態方程式(1)後,則可在簡化旋轉動態方程式(1)為方程式(4)。
上述即為使轉向輪產生預定方向轉向所需要的轉向力矩;T m 以及T d 分別為EPS模組100提供的輔助力矩以及駕駛人轉動方向盤
產生的駕駛力矩;其餘部分則為摩擦力矩以及回正力矩T a 等干擾,需要調整輔助力矩T m 的輸出以進行補償。
其中,包含了方向盤轉向角度θ、方向盤角速度ω以及回正力矩T a 。在主動轉向的情況下,駕駛力矩T d 為零,系統輸入u=T m -T f,c 為馬達力矩扣除估測出的庫倫摩擦力矩;w為系統的干擾雜訊;α 2是轉向系統的旋轉阻尼係數;I是轉向系統的轉動慣量,而轉向系統的狀態矩陣、控制輸入矩陣、干擾輸入矩陣,其各矩陣詳細內容如方程式(7)所示。
方程式(6)、(7)轉換為離散時間的狀態系統為:x(k+1)=Φx(k)+Γu(k)+Γ 1 w(k)
y(k)=Hx(k)-υ(k) (8)
其中y(k)為x(k)為經過離散時間轉移函數H運算後的輸出,w(k)為系統的干擾雜訊,υ(k)為感知器量測誤差,這兩個皆為零平均值的隨機序列,表示如方程式(9)所示:ε{w(k)}=ε{v(k)}=0 (9)
前述方程式透過卡爾曼濾波器(Kalman Filter),進行狀態項的預估,如方程式(10)所示。並配合感知器量測值y(k)與估測增益矩陣L p 進行估測值的更新,如方程式(11),以得到最佳的估測值。
其中為估測的系統狀態,為估測的轉向方向,為估測的方向盤角速度,為回正力矩之估測值。在方程式(10)中,從到的過程,可稱為時間更新,其過程中將會進行協方差矩陣P(k)的預估,如方程式(12)所示。並在方程式(11)中,到的過程則稱為量測更新,其估測增益矩陣L p則會根據預估估測協方差矩陣P進行更新,如方程式(13)所示。M則為由P量測更新後的協方差矩陣,如方程式(14)。而在方程式(12)、(13)、(14)中,Rv為系統感測器權重,R w 則為實際干擾權重。
P(k)=M(k)-M(k)H T (HM(k)H T+R v)-1 HM(k) (12)
L P(k)=P(k)H T R V -1 (13)
參閱圖1及圖2所示,首先,依據駕駛的操作、行車動態的監控,行車電腦的動態穩定系統或其他輔助操作機制,將會產生一轉向參考角度θ ref ,作為一角度需求輸入至控制器200。
控制器200依據轉向參考角度θ ref 計算對轉向輪施加的控制力矩T c 。此轉向參考角度θ ref 為EPS模組100需要輸出的轉向角度,係根據轉彎、側向移動以變化車道或側向移動以穩定車身維持於車道等不同需求計算得出。
角度感知器400連接於EPS模組100,用於持續量測EPS模組100目前的實際轉向角度θ m ,傳送至控制器200。
如圖1、圖2及圖3所示,控制器200可計算轉向參考角度θ ref 以及實際轉向角度θ m 的差值,得到一轉向角度差(△θ=θ ref -θ m ),也就是EPS模組100還需要對轉向輪進行多少角度的轉向。控制器200同時利用轉向角度差(△θ=θ ref -θ m )計算EPS模組100需要提供給轉向輪的控制力矩T c ,如步驟Step 110所示。控制力矩T c 的大小,可以透過一個轉移函數C來取得,控制器200並以轉向角度差乘以轉移函數C得到控制力矩T C ,轉移函數C取得的方式說明如下。
首先,以IMC控制器(Internal Model Control)設計控制器200,使得圖6所示的控制力矩預估可形成實際模型G與近似模型並聯,在回授連接至IMC控制器G imc 的架構,如文獻B.A.Francis and W.M.Wonham,“The internal model principle of control theory,”Automatica,vol.12,no.5,pp.457-465,1976.所提出之設計原則。依據前述架構及設計原則,可得到轉移函數C為:
依據方程式(15),即可依據轉向角度差(△θ=θ ref -θ m )計算控制力矩T C :Tc=(θ ref -θ m )×C (16)
如圖1及圖2所示,扭矩感知器500連接於EPS模組100,用以偵測駕駛人透過方向盤輸入之駕駛力矩T d ,傳送至控制器200,以供控制器200判斷駕駛人的轉向意圖。
摩擦力矩補償的詳細運算流程如圖4所示,首先,控制器200依據持續接收的實際轉向角度θ m ,計算實際轉向角度θ m 於一取樣時間內的變化△θ m ,而此取樣時間內的實際轉向角度變化△θ m 可視為實際轉向角速度(或ω)。控制器200比較實際轉向角速度△θ m 的絕對值是否大於一第一門檻值ε 1,如步驟Step 121所示。
如步驟Step122所示,若實際取樣時間內的變化△θ m 的絕對值大於第一門檻值ε 1 ,代表角度感知器400所得到的實際轉向角度變化△θ m 並非雜訊,使得摩擦力矩補償T f,c 與實際轉向角速度△θ m 有較高的相關度。此時,控制器200以實際轉向角速度△θ m 計算摩擦力矩補償的估測值,並以實際轉向角速度△θ m 的正負值決定摩擦力矩補償的估測值的方向:
如步驟Step123所示,若,實際轉向角速度△θ m 的絕對值小於或等於,亦即實際轉向角速度△θ m 的絕對值不大於第一門檻值ε 1 ,則控制器200將實際轉向角速度△θ m 視為雜訊,亦即無實際轉向角速度。此時需判斷轉向參考角度θ ref 的變化量△θ ref 。控制器200計算取樣時間內的轉向參考角度θ ref 的變化量△θ ref 以作為轉向參考角速度,而進一步比較轉向參考角速度△θ ref 的絕對值是否大於一第二門檻值ε 2 。
如步驟Step 124所示,若轉向參考角速度△θ ref 的絕對值大於一第二門檻值ε 2 ,代表EPS模組100將介入方向機柱轉向,而使得摩擦力矩補償的估測值與轉向參考角速度△θ ref 有較高的相關度。此時,控制器200以轉向參考角速度△θ ref 計算摩擦力矩補償估測值,並以轉向參考角速度△θ ref 的正負值決定摩擦力矩補償估測值的方向。
如步驟Step 125所示,若轉向參考角速度△θ ref 的絕對值也不大於第二門檻值ε 2,則不進行摩擦力矩補償,則代表機動車輛V本身並無轉向改變需求,亦即EPS模組100不驅動方向機柱轉動,而不產生旋轉摩擦,因此控制器200將摩擦力矩補償估測值設定為零。
實際上,第一門檻值ε 1與第二門檻值ε 2都是用於篩選雜訊的門檻值,其數值大小可由角度感知器400的靈敏度決定。例如,角度感知器400可以偵測的角度變化率(即角速度)的靈敏度是0.1度/秒時,可以設定單位時間內角度變化量小於0.2度的狀況視為雜訊,亦即EPS模組100中的方向機柱沒有角度變化,而不需摩擦力矩補償,控制器200設定摩擦力矩補償估測值為零。
如圖1、圖2以及圖3所示,接著,控制器200估測回正力矩T a ,如步驟Step 130所示。
上述旋轉動態方程式以方程式(6)以空間矩陣化之後,透過卡爾曼濾波器(Kalman Filter)配合估測增益矩陣 L p ,讓 L p 隨時間變化,透過變動的 L p 來進行干擾估測,以實際轉向角速度(即為ω)、上一個時間點估算的輔助力矩T m 以及目前的摩擦力矩補償T f,c ,以估測增益矩陣 L p 疊代,讓 L p 隨時間變化,透過變動的 L p 來進行干擾估測,而得到不同時間的回正力矩估測值。
最後,控制器200發出控制命令,控制馬達驅動電路300輸出對應的馬達驅動電流,以驅動EPS模組100中的輔助馬達,使得EPS模組100輸出輔助力矩T m ,從而透過方向機柱驅動控制轉向輪的轉向角度。
如圖1以及圖2所示,電流感知器600連接於馬達驅動電路300,用以偵測馬達驅動電流大小,回授給控制器200,以供控制器200判斷並調整EPS模組100輸出的輔助力矩T m 。
前述的輔助力矩T m ,係假設駕駛無轉向意圖而沒有提供駕駛力矩。實際上扭矩感知器500偵測之駕駛力矩,也持續回授至控制器200,以調整實際需要輸出的輔助力矩T m 。
參閱圖1及6所示,實際上的回授架構,係在轉向參考角度θ ref ,作為一角度需求輸入至控制器200之後,控制器200持續接收實際轉向角度θ m ,並根據實際轉向角度θ m 計算控制力矩估測值、摩擦力矩補償估測值以及干擾估測(估測回正力矩),而重新疊代控制力矩估測值、摩擦力矩補償T f,c 以及估測回正力矩,其中更以實際的回正力矩T a 判斷估測誤差。
如圖1及7所示,為本發明的一種具體應用例,透過影像辨識道路標線或其他辨識手段,機動車輛V之行車電腦可識別機動車輛V是否偏離車道。行車電腦根據車道維持系統的辨識分析輸出車道行駛所需的轉向參考角度θ ref ,以修正機動車輛V之行車方向。此時,依據轉向參考角度θ ref ,控制器200便開始由角度感知器400、扭矩感知器500以及電流感知器600接收各項參數,而持續計算控制力矩估測值、摩擦力矩補償估測值、估測回正力矩,而得到輔助力矩T m ,而以驅動馬達電路輸出對應電流以驅動EPS模組100輸出輔助力矩T m 。控制器200同時持續接收各項參數之回授,持續修正輔助力矩T m 轉向角控制,而維持機動車輛V於車道上。
如圖1及8所示,為本發明另一種具體應用例,透過影像辨識道路標線或其他辨識手段,機動車輛V之行車電腦可識別機動車輛V前方有其他相對速度較低的機動車輛V’,而決策變換車道進行超車後回到原車道。此時行車電腦先預估變化行車軌跡,而持續輸出轉向參考角度θ ref ,使機動車輛V依據軌跡移動。此時,依據轉向參考角度θ ref ,控制器200便開始接收各項參數,而持續計算控制力矩估測值、摩擦力矩補償估測值、估測回正力矩,而得到輔助力矩T m ,而以驅動馬達電路輸出對應電流以驅動EPS模組100輸出輔助力矩T m 。控制器200同時持續接收各項參數之回授,而持續修正輔助力矩T m 及轉向角控制,而使機動車輛V依據軌跡移動。此時,若有偵測到駕駛力矩,則依據駕駛力矩修正輔助力矩T m ,例如降低輔助力矩T m 的輸出。或,駕駛力矩產生之當前轉向過度或不足,則輔助修正實際轉向角度θ m 使其符合轉向參考角度θ ref 。
如圖1及9所示,為本發明又一種具體應用例,透過影像辨識道路標線或其他辨識手段,機動車輛V之行車電腦可識別機動車輛V前方有障礙物B,如行人,而決策變換車道閃避;或,行車電腦由控制器200之回報,得到突然快速增加實際轉向角度θ m ,而判斷駕駛要進行變換車道閃避。此時行車電腦先預估變化行車軌跡,而持續輸出轉向參考角度θ ref ,使機動車輛V依據軌跡移動。此時,依據轉向參考角度θ ref ,控制器200便開始由角度感知器400、扭矩感知器500以及電流感知器600接收各項參數,而得到輔助力矩T m ,而以驅動馬達電路輸出對應電流以驅動EPS模組100輸出輔助力矩T m ,並持續修正輔助力矩T m 及轉向角控制。此時,若有偵測到駕駛力矩T d ,判斷是否轉向不足或轉向過度,而以輔助力矩T m
介入輔助修正實際轉向角度θ m 及實際轉向角速度△θ m (取樣時間內的角度變化),使其符合轉向參考角度θ ref 以及轉向參考角速度△θ ref ,以避免駕駛的操作無法迴避障礙物或是過度轉向造成翻車。
本發明以感知器直接偵測EPS模組100的變化,取得各項必要參數以計算輔助力矩T m ,降低獲得參數之不確定性,使得計算出來的結果有效佳的可靠性。
Step 110~Step 140‧‧‧步驟
Claims (8)
- 一種機動車輛轉向控制系統,用於對一機動車輛的轉向輪進行轉向,包含:一電動輔助轉向模組,用於對該轉向輪輸出一輔助力矩;一馬達驅動電路,用以接收一控制命令,並根據該控制命令輸出一馬達驅動電流以驅動該電動輔助轉向模組輸出該輔助力矩;一角度感知器,用於偵測一實際轉向角度;一轉向參考角度,依據駕駛的操作、行車動態的監控,行車電腦的動態穩定系統或其他輔助操作機制產生;以及一控制器,用以產生該控制命令,其中該控制器接收該轉向參考角度,依據該轉向參考角度及該實際轉向角度計算一控制力矩;該控制器依據該實際轉向角度及該轉向參考角度於一取樣時間內的變化,而得到一實際轉向角速度以及一轉向參考角速度;其中,該控制器比較該實際轉向角速度的絕對值是否大於一第一門檻值,若該實際轉向角速度的絕對值大於該第一門檻值,該控制器以該實際轉向角速度計算一摩擦力矩補償;若該實際轉向角速度的絕對值不大於該第一門檻值,該控制器比較該轉向參考角速度的絕對值是否大於一第二門檻值;且若該轉向參考角速度的絕對值大於該第二門檻值,該控制器以該轉向參考角速度計算該摩擦力矩補償;以及 若該實際轉向角速度的絕對值不大於該第一門檻值,且該轉向參考角速度的絕對值不大於該第二門檻值,該控制器設定該摩擦力矩補償為零;該控制器估測轉向後的該轉向輪回正產生之一回正力矩估測;以及該控制器依據該控制力矩、該摩擦力矩補償以及該回正力矩估測計算該輔助力矩,而產生該控制命令。
- 如請求項1所述的機動車輛轉向控制系統,更包含:一扭矩感知器,連接於該電動輔助轉向模組,用以偵測一駕駛人輸入之駕駛力矩,以供該控制器判斷該駕駛人的轉向意圖。
- 如請求項1或2所述的機動車輛轉向控制系統,更包含:一電流感知器,連接於該馬達驅動電路,用以偵測該馬達驅動電流並回授給該控制器。
- 如請求項1所述的機動車輛轉向控制系統,其中:該控制器依據該轉向參考角度以及該實際轉向角度計算一轉向角度差,該控制器以該轉向角度差乘以一轉移函數得到該控制力矩。
- 如請求項1所述的機動車輛轉向控制系統,其中該控制器透過一卡爾曼濾波器配合一估測增益矩陣,而得到該回正力矩估測。
- 一種轉向控制方法,用於對一機動車輛的轉向輪進行轉向,包含:接收一轉向參考角度以及一實際轉向角度,依據該轉向參考角度及該實際轉向角度計算一控制力矩;其中該轉向參考角度是依據駕駛的操作、行車動態的監控,行車電腦的動態穩定系統或其他輔助操作機制產生; 依據該實際轉向角度及該轉向參考角度於一取樣時間內的變化,而得到一實際轉向角速度以及一轉向參考角速度;其中,比較該實際轉向角速度的絕對值是否大於一第一門檻值,若該實際轉向角速度的絕對值大於該第一門檻值,以該實際轉向角速度計算一摩擦力矩補償;若該實際轉向角速度的絕對值不大於該第一門檻值,比較該轉向參考角速度的絕對值是否大於一第二門檻值;且若該轉向參考角速度的絕對值大於該第二門檻值,以該轉向參考角速度計算該摩擦力矩補償;以及若該實際轉向角速度的絕對值不大於該第一門檻值,且該轉向參考角速度的絕對值不大於該第二門檻值,設定該摩擦力矩補償為零;估測轉向後產生之一回正力矩估測;以及依據該控制力矩、該摩擦力矩補償以及該回正力矩估測計算一輔助力矩,輸出該輔助力矩。
- 如請求項6所述的轉向控制方法,更包含:偵測一駕駛人輸入之駕駛力矩,以供該控制器判斷該駕駛人的轉向意圖。
- 如請求項6所述的轉向控制方法,其中,計算該控制力矩的步驟包含:依據該轉向參考角度以及該實際轉向角度計算一轉向角度差,以該轉向角度差乘以一轉移函數得到該控制力矩。
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2018
- 2018-06-07 TW TW107119723A patent/TWI722289B/zh active
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