TWI746337B - 用於線控車輛的轉向控制裝置及其轉向控制方法 - Google Patents

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財團法人工業技術研究院
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Abstract

一種用於線控車輛的轉向控制裝置，用以輸出一車輛轉向控制訊號至線控車輛，線控車輛對應車輛轉向控制訊號產生一車輛轉向回饋訊號。轉向負載驅動單元用以回饋一轉向感受至一操作者。響應鑑別單元根據車輛轉向控制訊號及車輛轉向回饋訊號取得一轉向角命令、一轉向角回饋以及一車輛速度，並進行傅立葉轉換以取得一轉向角增益及一轉向角相位，以鑑別出線控車輛的一響應特性。將轉向角回饋、車輛速度、轉向角增益及轉向角相位輸入至一轉向系統模型中，以模擬線控車輛的一轉向負載，且轉向負載輸入至轉向負載驅動單元中，以生成轉向感受。

Description

用於線控車輛的轉向控制裝置及其轉向控制方法
本發明是有關於一種用於線控車輛的轉向控制裝置及其轉向控制方法。
因應車輛主動式安全以及自駕車系統發展，車輛線控(control-by-wire)程度需求與日俱增，而線控轉向系統(steer-by-wire)則是自駕車的必備裝置，不僅能即時響應來自操作者的轉向指令，也能將方向盤隱匿，為自駕車提供充足的機艙空間。然而，由於缺少方向盤與轉向車輪之間的機械連接，導致駕駛路感無法直接回饋給操作者，因此需要車輛回饋裝置，為操作者提供一個接近真實路面回饋的路感資訊。
尤其是，操作者在進行具高危險性的實車測試前，通常依靠有線或無線之控制裝置遠端下達駕駛命令，然而測試途中若車輛發生異常或逐漸失控，在遠端控制裝置無法提供準確路感回饋的情況下，通常會導致車輛的損毀。因此，如何能在測試車輛時真實地回饋實際車輛狀態及駕駛路感，至為重要。
本發明係有關於一種用於線控車輛的轉向控制裝置及其轉向控制方法，以提供操作者實際車輛狀態及駕駛感受。
根據本發明之一方面，提出一種用於線控車輛的轉向控制裝置，轉向控制裝置以無線或有線的方式連接線控車輛，轉向控制裝置包括一轉向控制介面、一轉向負載驅動單元以及一處理器。轉向控制介面用以輸出一車輛轉向控制訊號至線控車輛，線控車輛對應車輛轉向控制訊號產生一車輛轉向回饋訊號。轉向負載驅動單元用以回饋一轉向感受至一操作者。處理器包括一響應鑑別單元以及一轉向負載模擬單元，其中，響應鑑別單元根據車輛轉向控制訊號及車輛轉向回饋訊號取得一轉向角命令、一轉向角回饋以及一車輛速度，並進行傅立葉轉換以取得一轉向角增益及一轉向角相位，以鑑別出線控車輛的一響應特性。轉向負載模擬單元分別連接響應鑑別單元及轉向負載驅動單元，並將轉向角回饋、車輛速度、轉向角增益及轉向角相位輸入至一轉向系統模型中，以模擬線控車輛的一轉向負載，且轉向負載輸入至轉向負載驅動單元中，以生成轉向感受。
根據本發明之一方面，提出一種用於線控車輛的轉向控制方法，包括下列步驟。輸出一車輛轉向控制訊號至線控車輛，線控車輛對應車輛轉向控制訊號產生一車輛轉向回饋訊號。根據車輛轉向控制訊號及車輛轉向回饋訊號，取得一轉向角命令、一轉向角回饋以及一車輛速度。進行傅立葉轉換以取得一轉向角增益及一轉向角相位，以鑑別出線控車輛的一響應特性。將轉向角回饋、車輛速度、轉向角增益及轉向角相位輸入至一轉向系統模型中，以模擬線控車輛的 一轉向負載。將轉向負載輸入至一轉向負載驅動單元中，以生成一轉向感受。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
10:轉向線控系統
100:轉向控制裝置
101:線控車輛
102:操作者
103:轉向機構
104:車輛轉向回饋訊號
105:動力轉向系統
106:轉向角回饋
108:車輛速度
109:阻尼位移
110:轉向控制介面
111:方向盤總成
112:車輛轉向控制訊號
113:網路
114:轉向角命令
120:轉向負載驅動單元
121:驅動器
122:阻力單元
123:轉向負載
124:轉向感受
130:處理器
131:響應鑑別單元
132:轉向負載模擬單元
133:傅立葉轉換
134:轉向角增益
135:轉向角相位
136:響應特性
137:轉向系統模型
138:多體動力學模型
139:電動助力轉向模型
141、142:頻率響應曲線
143:擬合曲線
TT:操縱力矩
Tassist:助力力矩
Tassist:助力力矩
TF:轉向阻力矩
Tb:輪胎回正力矩
DTT:等效負載力矩
第1圖繪示依照本發明一實施例之轉向控制裝置及應用其之轉向線控系統的示意圖；第2圖繪示依照本發明一實施例之轉向控制方法的示意圖；第3圖繪示依照本發明一實施例之響應鑑別單元的操作示意圖；第4A及4B圖分別繪示對應線控車輛的響應特性的轉向角增益及轉向角相位的示意圖；及第5圖繪示依照本發明一實施例之轉向系統模型的簡易示意圖。
以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。以下是以相同/類似的符號表示相同/類似的元件做說明。
請參照第1及2圖，其中第1圖繪示依照本發明一實施例之轉向控制裝置100及應用其之轉向線控系統10的示意圖，第2圖繪示依照本發明一實施例之轉向控制方法的示意圖。
依照本發明之一實施例，轉向控制裝置100例如以一無線或有線的方式連接一線控車輛101，轉向控制裝置100用以接收一操作者102的一轉向指令，並可將線控車輛101的轉向回饋給操作者102，使操作者102如臨場般感受到線控車輛101的實際操作。上述無線或有線的方式例如是基於控制器區域網路113(Controller Area Network，CAN)，用於在不需要主機(Host)的情況下，允許線控車輛101與轉向控制裝置100相互通信。
請參照第1圖，轉向控制裝置100可藉由CAN通訊協定連結線控車輛101內的電子設備，例如藉由電子訊號控制引擎或機構的方式，將線控車輛101上原先各自獨立操作的機構結構及零組件(例如機械閥或油壓裝置)改以電子訊號取代或整合，並經由行車電腦(ECU)控制，以大幅提升線控車輛101的操縱性與安全性，且線控車輛101內的機械結構及零組件得以精簡化。常見的線控應用，例如：線控轉向控制(Steer-by-Wire)、線控懸吊控制(Suspension-by-Wire)、線控煞車控制(Brake-by-Wire)、線控油門控制(Throttle-by-Wire或Drive-by-Wire)或線控排檔控制(Shift-by-Wire)等。
請參照第1圖，轉向控制裝置100包括一轉向控制介面110(包含方向盤總成111)、一轉向負載驅動單元120(例如包括驅動器121及阻力單元122)以及一處理器130(例如行車電腦)。轉向控制介面110可經由網路(例如CAN通訊網路113)連接至線控車輛101，用以輸出一車輛轉向控制訊號112(例如方向盤轉向指令、車速等)至線控車輛101，且響應鑑別單元131可接收線控車輛101的一車 輛轉向回饋訊號104(例如車輪轉向角回饋106、車輛速度108、輪胎轉向阻尼位移109等)，轉向負載模擬單元132對應接收來自響應鑑別單元131的響應特性136以及來自線控車輛101的車輛轉向回饋訊號104(例如車輪轉向角回饋106、車輛速度108、輪胎轉向阻尼位移109等)，並透過轉向負載驅動單元120將來自於轉向負載模擬單元132的轉向負載123轉換成符合實際車輛狀態及駕駛路感的轉向感受124，以回饋轉向感受124給操作者102。如第2圖的步驟S110所示，輸出一車輛轉向控制訊號112至線控車輛101，而線控車輛101對應車輛轉向控制訊號112產生一車輛轉向回饋訊號104。
在本實施例中，轉向控制裝置100例如為一線控(control-by-wire)測試裝置，其中轉向控制介面110(包含方向盤總成111)與線控車輛101的轉向機構之間不再採用機械零組件(如轉向機柱等)連結，以擺脫傳統轉向機構的限制，改善駕控方便性與安全性。轉向控制介面110的主要功能是將操作者102的轉向意圖(透過轉向角感測器)轉換成數位訊號，並傳遞給處理器130(行車電腦)，以產生一車輛轉向控制訊號112；同時，轉向控制介面110亦可接受處理器130(行車電腦)回饋的力矩訊號，產生方向盤旋轉力矩，以提供操作者102相對應的一路感回饋資訊。上述的方向盤總成111包括方向盤、方向盤轉角感測器、力矩感測器、控制馬達(或致動器)等；線控車輛101的轉向機構主要是接受處理器130(行車電腦)的命令，藉由控制馬達(或致動器)控制線控車輛101的車輪轉動，以實現操作者102的轉向意圖。
請參照第1圖，處理器130包括一響應鑑別單元131以及一轉向負載模擬單元132，例如以軟體及/或硬體實現，響應鑑別單元131連接轉向控制介面110，並根據車輛轉向控制訊號112取得一轉向角命令114以及根據車輛轉向回饋訊號104取得一轉向角回饋106以及一車輛速度108。此外，響應鑑別單元131還可進行傅立葉轉換133以取得一轉向角增益134及一轉向角相位135，以鑑別出線控車輛101的一響應特性136。如第2圖的步驟S120所示，響應鑑別單元131根據車輛轉向控制訊號112及車輛轉向回饋訊號104，取得一轉向角命令114、一轉向角回饋106以及一車輛速度108，並進行傅立葉轉換133以取得一轉向角增益134及一轉向角相位135，以鑑別出線控車輛101的一響應特性136。
請參照第3、4A及4B圖，其中第3圖繪示依照本發明一實施例之響應鑑別單元131的操作示意圖，第4A及4B圖分別繪示對應線控車輛101的響應特性136的轉向角增益134及轉向角相位135的示意圖，第4A圖縱軸為增益響應(dB)，橫軸為頻率(Hz)；第4B圖縱軸為角度(degree)，橫軸為頻率(Hz)。響應鑑別單元131可根據轉向角增益134及轉向角相位135來鑑別線控車輛101的一響應特性136，以得知線控車輛101的一路感回饋，其操作方式如下列步驟S231至S234所示。在步驟S231中，傅立葉轉換133用以將一個時域訊號轉換到一頻域訊號，也就是將轉向角命令114、轉向角回饋106以及車輛速度108等時域訊號轉換成由不同頻率響應組成的頻譜，其中增益表示為各個頻率響應的大小，而相位表示為各個頻率響應的週期，接著，在步驟S232 中，可由傅立葉轉換133之後的頻譜計算一轉向角增益134及一轉向角相位135，用以表示線控車輛101的一響應特性136，接著，在步驟S233中，進行頻率響應曲線擬合，例如透過二階曲線以最小平方法擬合，以求得線控車輛101轉向時之模態參數(例如自然頻率、阻尼比、模態振型)。在步驟S234中，透過模態參數來進行比較驗證，可鑑別出線控車輛101的一響應特性136，響應特性136包括轉向角增益134、一轉向角相位135及其頻率響應曲線141、142等，其中第4A及4B圖所示的頻率響應曲線141、142分別為轉向角增益134相對於頻率的響應曲線及轉向角相位135相對於頻率的響應曲線，第4A圖所示的虛線為擬合曲線143。
請參照第1圖，轉向負載模擬單元132分別連接響應鑑別單元131及轉向負載驅動單元120，用以將轉向角回饋106、車輛速度108、轉向角增益134及轉向角相位135輸入至一轉向系統模型137中，以模擬線控車輛101的一轉向負載123。之後，轉向負載123可輸入至轉向負載驅動單元120中，用以供驅動器121(例如馬達)及阻力單元122(例如氣壓或液壓單元)生成一等效負載力矩，以提供操作者102實際車輛狀態及轉向感受124。如第2圖的步驟S130所示，將轉向角回饋106、車輛速度108、阻尼位移109、轉向角增益134及轉向角相位135輸入至一轉向系統模型137中，以模擬線控車輛101的一轉向負載123，並將轉向負載123回饋至一轉向負載驅動單元120中，以生成一轉向感受124。
請參照第5圖，其繪示依照本發明一實施例之轉向系統模型137的操作示意圖。轉向系統模型137包括一多體動力學模型138以及一電動助力轉向模型139。多體動力學模型138用以建構線控車輛101剛體系統的模型，以供轉向負載模擬單元132對包括整車加速、減速、轉向、爬坡、下坡時輪胎與地面產生的阻力與轉向力矩等進行遞推演算，並對車輛動力學性能和參數優化等進行分析及調整，以得知線控車輛101的操控穩定性和平順性。
多體動力學模型138的運算式如下：
Figure 110100126-A0305-02-0011-1
，其中J f 是車輪系統的等效慣性，δ fw 是前輪角度，B f 是車輪的黏滯摩擦係數，G f 是齒輪減速比，T f 是車輪的前輪轉向電機輸出扭矩，F r 是齒條力，r P 是小齒輪的半徑。
此外，電動助力轉向模型139用以建構線控車輛101的助力轉向，以供轉向負載模擬單元132模擬電機(或驅動器)提供助力力矩至線控車輛101的動力轉向系統105(包含轉向機構103及其連桿)，使處理器130可根據車速感測器和轉矩感測器的訊號控制電機的旋轉方向和助力大小，以達到即時控制助力力矩。電機可在車速不同時提供不同的電動助力效果，以保證線控車輛101在低速轉向行駛時輕便靈活，高速轉向行駛時穩定可靠。
電動助力轉向模型139的運算式如下：
Figure 110100126-A0305-02-0011-2
，其中J c 是方向盤的等效慣性，δ Sw 是方向盤角度，B c 是方向盤系統的黏滯摩擦係數，T SW 是操作者輸入扭矩，G m 是齒輪減速比，T m 是電機輸出扭矩。
請參照第5圖，一般而言，轉矩感測器測出的力矩為線控車輛101輸出的操縱力矩TT，電機輸出的力矩為助力力矩Tassist。轉向阻力矩TF包括轉向機構103的慣性力矩、阻尼力矩和摩擦力矩。線控車輛101的操縱力矩TT與電機產生的助力力矩Tassist用以克服轉向負載123(包括輪胎的回正力矩Tb和轉向機構103的慣性力矩、阻尼力矩、摩擦力矩組成的轉向阻力矩TF)，其中TT=Tb+TF-Tassist。在本實施例中，為了模擬輪胎的回正力矩Tb，將輪胎的轉向角回饋106、轉向角增益134及轉向角相位135作為輸入參數，輸入至轉向系統模型137中，以產生模擬的輪胎回正力矩Tb，Tb=KrXr，其中Kr為彈性係數，Xr為輪胎的角位移。
此外，在本實施例中，為了求得線控車輛101的轉向負載123，可將車輛轉向回饋訊號104(包括轉向角回饋106、車輛速度108、阻尼位移109、轉向角增益134及轉向角相位135)輸入到轉向系統模型137中，用以模擬實際路面上輪胎的回正力矩Tb、轉向阻力矩TF和助力力矩Tassist，以求得近似於線控車輛101的操縱力矩TT的轉向負載123。
之後，回到第1圖，透過轉向系統模型137的模擬將近似於線控車輛101的操縱力矩TT的轉向負載123輸入至轉向負載驅動單元120(包括驅動器121以及阻力單元122)中，用以生成一等效負載力矩DTT，其中DTT相當於TT，以提供操作者102實際車輛狀態及轉向感受124。
由此可知，本發明上述實施例的用於線控車輛的轉向控 制裝置及其轉向控制方法，其中轉向系統模型能模擬近似於線控車輛101於真實道路上的操縱力矩TT的轉向負載(包括輪胎的回正力矩和轉向機構103的慣性力矩、阻尼力矩和摩擦力矩等轉向阻力矩)，並將線控車輛的轉向負載回饋至遠端的轉向控制裝置中，用以生成等效負載力矩，為操作者提供一個接近真實轉向回饋的駕駛感受。因此，可避免在測試途中車輛發生異常或逐漸失控而無法提供準確路感回饋的情況，以提高車輛轉向線控系統的操縱性。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10:轉向線控系統
100:轉向控制裝置
101:線控車輛
102:操作者
104:車輛轉向回饋訊號
106:轉向角回饋
108:車輛速度
109:阻尼位移
110:轉向控制介面
111:方向盤總成
112:車輛轉向控制訊號
113:網路
114:轉向角命令
120:轉向負載驅動單元
121:驅動器
122:阻力單元
123:轉向負載
124:轉向感受
130:處理器
131:響應鑑別單元
132:轉向負載模擬單元
133:傅立葉轉換
134:轉向角增益
135:轉向角相位
136:響應特性
137:轉向系統模型

Claims (9)

  1. 一種轉向控制裝置，該轉向控制裝置以無線或有線的方式連接一線控車輛，該轉向控制裝置包括：一轉向控制介面，用以輸出一車輛轉向控制訊號至該線控車輛，且該線控車輛對應該車輛轉向控制訊號產生一車輛轉向回饋訊號；一轉向負載驅動單元，用以回饋一轉向感受至一操作者；以及一處理器，包括一響應鑑別單元以及一轉向負載模擬單元，其中，該響應鑑別單元根據該車輛轉向控制訊號及該車輛轉向回饋訊號取得一轉向角命令、一轉向角回饋以及一車輛速度，並進行傅立葉轉換以取得一轉向角增益及一轉向角相位，以鑑別出該線控車輛的一響應特性，且該響應鑑別單元進行該傅立葉轉換之後，進行一頻率響應曲線擬合，以求得該線控車輛轉向時之模態參數；其中，該轉向負載模擬單元分別連接該響應鑑別單元及該轉向負載驅動單元，並將該轉向角回饋、該車輛速度、該轉向角增益及該轉向角相位輸入至一轉向系統模型中，以模擬線控車輛的一轉向負載，且該轉向負載輸入至該轉向負載驅動單元中，以生成該轉向感受。
  2. 如請求項1所述之轉向控制裝置，其中該轉向控制介面包括方向盤總成，該處理器包括行車電腦。
  3. 如請求項1所述之轉向控制裝置，其中該轉向系統模型包括一多體動力學模型以及一電動助力轉向模型，該多體動力學模型用以建構該線控車輛的剛體系統，以計算該線控車輛的輪胎的回正力矩Tb和由轉向機構的慣性力矩、阻尼力矩、摩擦力矩所組成的轉向阻力矩TF，該電動助力轉向模型用以模擬電機提供一助力力矩Tassist至該線控車輛的該轉向機構中。
  4. 如請求項3所述之轉向控制裝置，其中該轉向負載包括該輪胎的回正力矩Tb和該轉向機構的轉向阻力矩TF。
  5. 如請求項4所述之轉向控制裝置，其中該轉向負載驅動單元包括一驅動器以及一阻力單元，用以生成一等效負載力矩，該等效負載力矩相當於該線控車輛的操縱力矩TT，其中TT=Tb+TF-Tassist。
  6. 一種用於線控車輛的轉向控制方法，包括：輸出一車輛轉向控制訊號至該線控車輛，該線控車輛對應該車輛轉向控制訊號產生一車輛轉向回饋訊號；根據該車輛轉向控制訊號及該車輛轉向回饋訊號，取得一轉向角命令、一轉向角回饋以及一車輛速度；進行傅立葉轉換以取得一轉向角增益及一轉向角相位，以鑑別出該線控車輛的一響應特性，並於該傅立葉轉換之後，進行一頻率響應曲線擬合，以求得該線控車輛轉向時之模態參數； 將該轉向角回饋、該車輛速度、該轉向角增益及該轉向角相位輸入至一轉向系統模型中，以模擬線控車輛的一轉向負載；以及將該轉向負載輸入至一轉向負載驅動單元中，以生成一轉向感受。
  7. 如請求項6所述之轉向控制方法，其中該轉向系統模型包括一多體動力學模型以及一電動助力轉向模型，該多體動力學模型用以建構該線控車輛的剛體系統，以計算該線控車輛的輪胎的回正力矩Tb和轉向機構的慣性力矩、阻尼力矩、摩擦力矩組成的轉向阻力矩TF，該電動助力轉向模型用以模擬電機提供一助力力矩Tassist至該線控車輛的該轉向機構中。
  8. 如請求項7所述之轉向控制方法，其中該轉向負載包括該輪胎的回正力矩Tb和該轉向機構的轉向阻力矩TF。
  9. 如請求項8所述之轉向控制方法，其中該轉向負載驅動單元包括一驅動器以及一阻力單元，用以生成一等效負載力矩，該等效負載力矩相當於該線控車輛的操縱力矩TT，其中TT=Tb+TF-Tassist。
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