一种基于参数估计的线控转向路感装置及其控制方法

摘要

本发明公开了一种基于参数估计的线控转向路感装置及其控制方法,包括方向盘，与方向盘相连的转角传感器、转矩传感器、转向管柱、路感电机及路感控制器等，其中包括一套离合器，由控制器检测到当前状态出现差错，通过控制离合器来切换到备用电机转向模式；所述规划方法由传感器测得信号，通过卡尔曼滤波估计得到当前汽车状态变量，计算得到汽车转向阻力矩，并通过车速、变传动比及侧向加速度对转向路感进行补偿修正，得到当前理想的转向盘力矩值。本发明可以通过加装离合器，切换工作模式，确保在线控模式出现故障时仍能保证正常的转向功能，提供可靠路感；同时，在正常行驶工况下，可以使得驾驶员获得良好的路面信息，提高汽车的操纵性和舒适性。

权利要求

1.一种基于参数估计的线控转向路感装置，包括方向盘和车轮，其特征在于，包括与方向盘连接的传感器组，以及电机组、控制器和转向结构；

所述电机组包括路感电机和转向电机，所述传感器组依次连接路感电机、离合器和转向电机；

转向由控制器控制电机组实现，方向盘力矩由控制器控制路感电机产生，通过控制器控制离合器控制转向电机连接；所述转向电机连接前轮的转向结构；

包括由路感控制器控制的备用电机组，所述备用电机组通过离合器连接前轮转向结构；工作状态下所述电机组或备用电机组运行；

包括传感器组，传感器组包括车轮角速度传感器、侧向加速度传感器和力传感器；

所述传感器组采集车辆信息，所述侧向加速度传感器将采集的信息送入车辆状态估计模块，利用卡尔曼滤波估计方法对车辆信息进行估计，将估计信息分别送入拟合关系处理模块、滑移率计算模块和侧向力估计模块；所述车轮角速度传感器将采集信息送入滑移率计算模块；所述力传感器将信息送入侧向力估计模块；

拟合关系处理模块，利用最小二乘方法对轮胎半径进行辨识；

所述拟合关系处理模块输出端接入滑移率计算模块，将车辆状态估计模块得到的参数、传感器测得的轮胎垂直力及计算得到的滑移率送入侧向力估计模块，得到的侧向力送入附着系数估计模块和回正力矩计算模块；附着系数估计模块估计得到的附着系数反馈给侧向力计算模块；回正力矩计算模块的输出端接入方向盘力矩模块；

根据车辆当前状态，对方向盘力矩进行补偿计算，将补偿值接入方向盘力矩模块；

以及一种基于参数估计的线控转向路感装置的控制方法：

采集车辆运行状态参数，该运行状态参数包括车速、轮胎转速、侧向加速度和轮胎垂直载荷信息；

由车辆状态估计模块对所述状态参数采用卡尔曼滤波方法进行估计，得到估计后的车速参数，所述估计后的车速参数包括侧向速度和纵向速度；

通过估计后的侧向速度和所述轮胎垂直载荷信息，采用最小二乘辨识方法获得实际轮胎半径；

将该轮胎半径传递至滑移率计算模块，结合传感器组获得的轮胎转速及估计后的纵向速度，得到轮胎的纵向力对侧向力的影响因数；

将所述影响因数传递至侧向力估计模块，计算得到回正力矩信息，从而得到的方向盘阻力矩反馈路面信息；

通过所述估计后的车速参数、传动比以及侧向加速对路感进行修正。

2.如权利要求1所述的一种基于参数估计的线控转向路感装置：其特征在于，包括变传动比控制模块，该变传动比控制模块对汽车横摆角速度进行LQG/LTR前馈补偿得到实际的变传动比，在线求取补偿转矩。

说明书

一种基于参数估计的线控转向路感装置及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及汽车线控转向领域，具体涉及一种基于参数估计的线控转向路感装置及其控制方法。

背景技术

[0002] 线控转向(steer-by-wire简称SBW)代表未来动力转向技术的发展方向。该系统取消了转向盘和转向轮之间的机械连接，通过导线将信号传递给电子控制单元(Electronic Control Unit,ECU)，再由ECU发送指令控制转向执行总成完成驾驶员的操纵指令，实现驾驶员的驾驶意图。SBW系统取消了方向盘和转向车轮之间的机械连接，由电机驱动转向系统控制汽车的转向运动，同时转向时的方向盘阻力矩也由电机模拟产生。SBW系统完全摆脱了传统转向系统机械连接的限制，理论上可以自由设计汽车转向系统的角传递特性和力传递特性，为汽车转向特性的设计带来了广阔的空间，具有广泛的应用市场和发展前景。

[0003] 由于转向系统中没有了机械连接的限制，方向盘可以由操纵杆、按钮和开关等部件代替，使转向操作更加简便和灵活，但是这也需要驾驶员改变驾驶习惯。为了使驾驶更加舒适灵活，就引入了路感的规划。路感是指汽车行驶过程中驾驶员通过方向盘反馈得到的转向阻力矩，这个力矩包含了整车及轮胎的运动和受力状态信息，对驾驶员掌握汽车运动状态和行驶环境状况有重要的作用。良好的路感是保证汽车操纵稳定性不可缺少的部分。在SBW系统中，反馈给驾驶员的路感是通过ECU控制方向盘总成中的路感电机模拟生成。因此，设计路感模拟控制策略时可以从汽车各种信号中提取最能够反映真实路感的汽车行驶状态和路面附着条件等作为路感模拟控制变量，为驾驶员提供良好的路感。

[0004] 线控转向系统的路感问题作为其关键技术之一，国内外的许多汽车企业、科研高校所进行的大量研究结果在一定程度基本满足了驾驶员对转向系统的把握程度，但各有优缺点，其不仅需要非常精确的转向系统模型和功能强大的控制器，而且某些方法的研究价格昂贵对传感器的精确度和价位要求较高，在某种程度上影响了开发的周期和成本，这也是影响线控转向系统发展与应用的关键问题之一。另外对于线控转向系统的各种工况和行驶状态都应该有全面的研究，例如对线控转向系统的方向盘中间位置、保舵、和回正性应该有一个全面的分析研究，此方面的专门研究较少，我们仍需要不断地进行改进完善以尽快适应传统转向系统的路感要求。

发明内容

[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于参数估计的线控转向路感装置及其控制方法，通过参数估计，采用滤波估计的方法获取侧向力及侧偏角的大小，计算得到回正力矩的大小，在此基础上进行补偿设计，解决了现有技术的问题。

[0006] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于参数估计的线控转向路感装置，包括方向盘和车轮，其特征在于，包括与方向盘连接的传感器组，以及电机组、控制器和转向结构；

[0007] 所述电机组包括路感电机和转向电机，所述传感器组依次连接路感电机、离合器和转向电机；传感器组包括转矩传感器和转角传感器；

[0008] 转向由控制器控制电机组实现，方向盘力矩由控制器控制路感电机产生，通过控制器控制离合器控制转向电机连接；所述转向电机连接前轮的转向结构；

[0009] 包括由路感控制器控制的备用电机组，所述备用电机组通过离合器连接前轮转向结构；工作状态下所述电机组或备用电机组运行。

[0010] 一种基于参数估计的线控转向路感装置控制方法：其特征在于，包括传感器组，传感器组包括车轮角速度传感器、侧向加速度传感器和力传感器；

[0011] 所述传感器组采集车辆信息，所述侧向加速度传感器将采集的信息送入车辆状态估计模块，利用卡尔曼滤波估计方法对车辆信息进行估计，将估计信息分别送入拟合关系处理模块、滑移率计算模块和侧向力估计模块；所述车轮角速度传感器将采集信息送入滑移率计算模块；所述力传感器将信息送入侧向力估计模块；

[0012] 车轮半径拟合模块，由于车轮动态半径与汽车整车质量、速度等参数有关，通过一些试验测试得到一些数据，利用最小二乘方法对轮胎半径进行辨识。

[0013] 所述拟合关系模块输出端接入滑移率计算模块，将车辆状态估计模块得到的参数、传感器测得的轮胎垂直力及计算得到的滑移率送入侧向力估计模块，得到的侧向力送入附着系数估计模块和回正力矩计算模块；附着系数估计模块估计得到的附着系数反馈给侧向力计算模块；回正力矩计算模块的输出端接入方向盘力矩模块；

[0014] 根据车辆当前状态，对方向盘力矩进行补偿计算，将补偿值接入方向盘力矩模块；

[0015] 该方法包括以下步骤：

[0016] 采集车辆运行状态参数，该运行状态参数包括车速、轮胎转速、侧向加速度和轮胎垂直载荷信息；

[0017] 由车辆状态估计模块对所述状态参数采用卡尔曼滤波方法进行估计，得到估计后的车速参数，所述估计后的车速参数包括侧向速度和纵向速度；

[0018] 通过估计后的侧向速度和所述轮胎垂直载荷信息，采用最小二乘辨识方法获得实际轮胎半径；

[0019] 将该轮胎半径传递至滑移率计算模块，结合传感器组获得的轮胎转速及估计后的纵向速度，得到轮胎的纵向力对侧向力的影响因数；

[0020] 将所述影响因数传递至侧向力估计模块，计算得到回正力矩信息，从而得到的方向盘阻力矩反馈路面信息；

[0021] 通过所述估计后的车速参数、传动比以及侧向加速对路感进行修正。

[0022] 进一步的，包括变传动比控制模块，该模块对汽车横摆角速度进行LQG/LTR前馈补偿得到实际的变传动比，在线求取补偿转矩。

[0023] 有益效果：本发明提供的一种基于参数估计的线控转向路感装置及其控制方法在车辆转向过程中，一方面既可以保证路面信息的传递，保障路感真实，同时通过对路感的修正，保证在低速转向下轻便性与灵活性协调统一，高速转向时，转向路感与稳定性完美融合；另一方面，当转向出现故障时，通过ECU控制，切换转向工作模式，保障了基本的转向功能，可靠安全。

附图说明

[0024] 图1为本发明中线控汽车转向系统示意图

[0025] 图2为本发明路感规划示意图

具体实施方式

[0026] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

[0027] 如图1所示，本发明采用的技术方案为一种基于参数估计的线控转向路感装置，包括方向盘和车轮，其特征在于，包括与方向盘连接的传感器组，以及电机组、控制器和转向结构；

[0028] 所述电机组包括路感电机和转向电机，所述传感器组依次连接路感电机、离合器和转向电机；传感器组包括转矩传感器和转角传感器；

[0029] 转向由控制器控制电机组实现，方向盘力矩由控制器控制路感电机产生，通过控制器控制离合器控制转向电机连接；所述转向电机连接前轮的转向结构；

[0030] 包括由路感控制器控制的备用电机组，所述备用电机组通过离合器连接前轮转向结构；工作状态下所述电机组或备用电机组运行。

[0031] 一种基于参数估计的线控转向路感装置控制方法：其特征在于，包括传感器组，传感器组包括车轮角速度传感器、侧向加速度传感器和力传感器；

[0032] 所述传感器组采集车辆信息，所述侧向加速度传感器将采集的信息送入车辆状态估计模块，利用卡尔曼滤波估计方法对车辆信息进行估计，将估计信息分别送入拟合关系处理模块、滑移率计算模块和侧向力估计模块；所述车轮角速度传感器将采集信息送入滑移率计算模块；所述力传感器将信息送入侧向力估计模块；

[0033] 车轮半径拟合模块，由于车轮动态半径与汽车整车质量、速度等参数有关，通过一些试验测试得到一些数据，利用最小二乘方法对轮胎半径进行辨识。

[0034] 所述拟合关系模块输出端接入滑移率计算模块，将车辆状态估计模块得到的参数、传感器测得的轮胎垂直力及计算得到的滑移率送入侧向力估计模块，得到的侧向力送入附着系数估计模块和回正力矩计算模块；附着系数估计模块估计得到的附着系数反馈给侧向力计算模块；回正力矩计算模块的输出端接入方向盘力矩模块；

[0035] 根据车辆当前状态，对方向盘力矩进行补偿计算，将补偿值接入方向盘力矩模块；

[0036] 该方法包括以下步骤：

[0037] 采集车辆运行状态参数，该运行状态参数包括车速、轮胎转速、侧向加速度和轮胎垂直载荷信息；

[0038] 由车辆状态估计模块对所述状态参数采用卡尔曼滤波方法进行估计，得到估计后的车速参数，所述估计后的车速参数包括侧向速度和纵向速度；

[0039] 通过估计后的侧向速度和所述轮胎垂直载荷信息，采用最小二乘辨识方法获得实际轮胎半径；

[0040] 将该轮胎半径传递至滑移率计算模块，结合传感器组获得的轮胎转速及估计后的纵向速度，得到轮胎的纵向力对侧向力的影响因数；

[0041] 将所述影响因数传递至侧向力估计模块，计算得到回正力矩信息，从而得到的方向盘阻力矩反馈路面信息；

[0042] 通过所述估计后的车速参数、传动比以及侧向加速对路感进行修正。

[0043] 进一步的，包括变传动比控制模块，该模块对汽车横摆角速度进行LQG/LTR前馈补偿得到实际的变传动比，在线求取补偿转矩。

[0044] 助力补偿模块是根据汽车状态车速、变传动比及侧向加速度对模拟的路感进行修正。

[0045] 本发明还提供了一种当线控转向系统出现故障情况下，由ECU检测信号，并控制离合器的工作状态，出现故障时，切换到备用电机模式，保障了基本的转向功能，可靠安全。

[0046] 实施例：为了得到较为真实的路感，采用滤波估计的方法获取侧向力及侧偏角的大小，计算得到回正力矩的大小，再在其基础上进行补偿设计，得到良好舒适的路感。

[0047] 具体步骤包括：

[0048] 参照附图1所示，线控汽车的转向系统由转向盘(1)、路感电机、ECU、备用电机、转向电机、离合器(2)(3)、备用电机及车轮(4)组成。当ECU接受报错时，离合器(2)断开，离合器(3)开始工作，启动备用电机，保证基本转向功能。

[0049] 路感规划参照附图2，具体步骤包括：

[0050] 步骤一：对汽车状态参数的估计及回正力矩的计算。

[0051] 将由传感器得到的侧向加速度及前轮转角传递给汽车行驶状态估计模块，根据整车三自由度模型，对汽车横摆角速度、质心侧偏角及纵向车速进行估计。具体估计步骤如下：

[0052] 整车三自由度模型：

[0053]

[0054]

[0055]

[0056] 式中，m为汽车整车质量；a，b分别为质心到前后轴的距离；k1、k2分别为前后轮侧偏刚度；vx为质心处纵向速度；ax为汽车纵向加速度；β为质心侧偏角；ω为横摆角速度；δ为前轮转角；Iz为整车的转动惯量；u为车速。

[0057] 量测方程：

[0058]

[0059] 式中，ay为汽车侧向加速度。

[0060] 取 y(t)＝ay，将模型线性化

[0061]

[0062] 滤波估计算法：

[0063]

[0064] 状态预测：

[0065]

[0066] 状态误差协方差预测方程：

[0067] P-(t+1)＝φ(t)P(t)φ(t)T+Q   (8)

[0068] 增益方程：

[0069] K(t)＝P(t)-H(t)T[H(t)P(t)-H(t)T+R]-1   (9)

[0070] 测量校正方程：

[0071]

[0072] 状态误差协方差校正方程：

[0073] P(t)＝(I-K(t)H(t))P(t)-   (11)

[0074] 其中，φ(t)＝I+F(t)*Δt，在这里Δt取0.005s；Q为系统激励噪声的协方差矩阵；R为量测噪声的协方差矩阵。

[0075] 之后，将由状态估计器得到的侧向速度及由传感器测得的轮胎垂直载荷信息传递给轮胎半径计算模块。由于车轮滚动半径与汽车整车质量、车速等参数有关，可以通过一些试验测试得到一些数据，进而进行拟合

[0076] ΔR＝KzFz(1-Kvvx)   (12)

[0077] R＝R0+ΔR   (13)

[0078] 式中，R0为无载荷无速度时轮胎半径；ΔR为轮胎相对于R0的变化量；Kz为载荷影响因素；Kv为速度影响因素；Fz为垂直载荷大小；

[0079] 将得到的实际的轮胎半径传递给滑移率计算模块，结合传感器测得的轮胎转速及估计得到的纵向速度，从而得到此刻滑移率的大小。滑移率计算如下：

[0080]

[0081] 式中，si表示滑移率；ωi为车轮转速。根据得到的滑移率，估算出轮胎的纵向力对侧向力的影响因数KL。

[0082] 将得到的参数传递给侧向力估计模块，根据采集轮胎垂直力值，估算轮胎的准静态侧向力值，再根据轮胎的动态侧向力与准静态侧向力值建立关系。具体侧向力估计算法如下：

[0083]

[0084] 式中， 为准静态力；Fy为轮胎侧向力；KL为影响因数，通过离线试验获取。

[0085] 而准静态力 利用魔术公式得到：

[0086]

[0087] 其中：

[0088]

[0089] 式中，αf、αr为前后轮轮胎侧偏角；μ为路面附着系数；A、B为常数，可以通过实验拟合得到。

[0090] 将实验获取得到的轮胎侧向力送入路面附着估计模块，利用当前已知的各信息，对路面附着系数进行估计，算法如下：

[0091] 由汽车动力学模型，对车轮侧偏角求导：

[0092]

[0093] 采用扩展卡尔曼滤波实现对路面附着系数的估计。

[0094] 首先，建立系统参数和量测方程

[0095]

[0096] 式中，xs(t)是状态变量；xp(t)是参数变量，w(t)是过程噪声，v(t)是量测噪声。

[0097] 参数预测：

[0098]

[0099] φp(t)和Pp均为协方差矩阵。

[0100] 增益方程：

[0101]

[0102] 测量修正方程：

[0103]

[0104] 误差协方差更新方程：

[0105] φp(t)＝[I-Kp(t)Hp]φ-p(t)   (23)

[0106] 式中，Rp、Hp和Hs分别为测量噪声协方差、测量输出对参数变量的偏导数的雅可比矩阵和测量输出对状态变量的偏导数的雅可比矩阵。

[0107] 结合上面方程，待估计的状态和参数状态为xs(t)＝[αf,αr]和xp(t)＝[μf,μr]。

[0108] 通过上述计算，可以估计得到较准确的路面附着系数。再将得到的实时路面附着系数反馈给侧向力估计器，从而此时对侧向力及附着系数的估计都将得到修正及更新。

[0109] 将得到的路面附着系数反馈给侧向力估计模块，对侧向力的估计进行更准确的修正估计，重复此过程。

[0110] 最终得到回正力矩τa大小为：

[0111] τa＝Fy(tm+tp)   (24)

[0112] 式中，tm为气胎拖距，tp为机械拖距，一般取为定值。

[0113] 步骤二：路感的修正设计

[0114] (1)根据由估计得到的车速大小，对路感进行修正：

[0115] Tp＝kp·(T-T0)   (25)

[0116] 其中，

[0117]

[0118] 式中，Tp和Tpmax分别为电机的助力转矩和最大助力转矩；T0、T和Tmax分别为开始助力时的转向盘转矩，转向盘转矩和最大助力时的转向盘转矩；Tp为车速感应系数。(2)变传动比对路感的修正：

[0119] 传动比的变化，导致转动相同的方向盘转角，前轮转角不同，根据不同的变传动比对路感进行修正补偿公式：

[0120] Ti＝-ki·T   (27)

[0121]

[0122] 式中，Tideal为不同车速下对应的理想驾驶员手力；Ti为变传动比补偿转矩；ki拟合得到。

[0123] 变传动比控制：

[0124] 非线性二自由度整车模型：

[0125]

[0126] 式中，Ff、Fr分别为汽车前后轮纵向力，Fw为侧向风，Iz为汽车惯量，Iw为侧向风作用点到质心的距离。

[0127] 将(29)式改写成状态空间形式：

[0128]

[0129] 其中，x＝[ω β]；y＝ω；u＝[δ]。

[0130] LQG/LTR控制输入为e＝ωr-ω，ωr为理想横摆角速度。

[0131] 该算法可对干扰进行控制，得到实际横摆角速度值后，求取实际的变传动比大小。

[0132] (3)侧向加速度对路感的修正：

[0133] 转向盘力矩梯度表示：

[0134]

[0135] 式中，ltp为轮胎拖距；lhp为气胎拖距；ik为变传动比；K为补偿系数。如果那么驾驶员所能感知的行驶信息太小，路感不良；如果 那么驾驶员在移线或快速驶入车道时比较困难[10]。因此，在ay≥4g的情况下应使转向盘力矩梯度接近1.5。

[0136] 根据(29)式求出在高侧向加速度时的最佳补偿系数。

[0137]

[0138] 最终得到方向盘力矩，使驾驶员获得良好路感。

[0139] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。