电动汽车的可信赖网控转向系统及其控制方法

摘要

本发明属于电动汽车转向控制技术及系统领域，具体为电动汽车的可信赖网控转向系统及控制方法；系统采用三总线冗余拓扑车载网络，其中一条总线用于互连整车的转向传感器节点、转向执行器节点及转向控制单元；一条总线仅用于互连双前轮的转向传感器节点、转向执行器节点及转向控制单元；一条总线则仅用于互连双后轮的转向传感器节点、转向执行器节点及转向控制单元。转向控制单元采用控制器模块与调度器模块，实现控制策略与调度策略的协同式管理，控制器模块采用四轮转向、前轮转向和后轮转向三种管理模式；调度器模块采用基于柔性时间触发的多模式调度方法。本发明可有效解决网控式车辆转向系统控制信号传输延时、不同步及网络故障问题。

权利要求

1.电动汽车的可信赖网控转向系统的控制方法，所述的系统采用三总线冗余拓扑车载网络，包含多个转向传感器节点、多个转向执行器节点和转向控制单元，其中一条总线用于互连整车的转向传感器节点、转向执行器节点及转向控制单元；一条总线仅用于互连双前轮的转向传感器节点、转向执行器节点及转向控制单元；一条总线则仅用于互连双后轮的转向传感器节点、转向执行器节点及转向控制单元；

所述转向控制单元包括接收模块、控制器模块、调度器模块和发送模块；所述的接收模块通过三总线冗余车载网络与转向传感器节点相连，接收模块还与控制器模块相连；调度器模块与控制器模块相连接，还与发送模块相连接；控制器模块与发送模块连接；发送模块通过三总线冗余车载网络与转向执行器节点连接；转向控制单元采用控制器模块与调度器模块，实现控制策略与调度策略的协同式管理，其中控制器模块用于实现转向模式的管理和转向角度命令的计算；调度器模块用于实现不同转向模式下转向控制信号传输的实时性、同步性及容错性；

所述的控制器模块采用四轮转向、前轮转向和后轮转向三种管理模式，其中四轮转向模式为正常模式，前轮转向模式和后轮转向模式为辅助模式；四轮转向模式下采用基于理想内外侧车轮转角几何关系即Ackermann转向几何学原理，进行四个车轮转角命令计算，并基于采集到的各车轮转角状态对车轮转向命令进行调节；前轮转向模式下采用左右后轮转角归零的Ackermann转向几何学原理计算左右前轮转角命令，后轮转向模式下则采用左右前轮转角归零的Ackermann转向几何学原理计算左右后轮转角命令；

其特征在于：所述的调度器模块采用基于柔性时间触发的多模式调度方法，具体调度策略采用6种基本周期实现，各基本周期由转向控制单元通过发送参考帧或控制帧启动或停止；其中四轮转向模式下的2种基本周期分别用于完成四个车轮转向采样信号与控制信号的传输，采样信号的传输由参考帧以广播的方式启动发送，以实现采样信号的同步；控制信号的实施由参考帧以广播的方式通知转向执行器启动动作，以实现控制行为的同步；前轮转向模式下的2种基本周期分别用于完成左右前车轮转向采样信号与控制信号的传输；

后轮转向模式下的2种基本周期则分别用于完成左右后车轮转向采样信号与控制信号的传输。

2.根据权利要求1所述的电动汽车的可信赖网控转向系统的控制方法，其特征在于：所述的基本周期的参数设计，为保证实时性，应满足以下条件约束调度不等式：四轮转向模式下：

∑[max(tmessage)]＜Tbase-cycle＜τmax，

前轮转向模式或后轮转向模式下：

∑[max(tmessage)]＜Tbase-cycle＜τmax，

其中，Tbase-cycle为基本周期时间长度，tmessage表示基本周期内调度命令、车轮转角信息、车辆转角命令的信息传输时间，τmax表示系统通道最大允许延时，∑[]表示求和运算，max()表示求取最大值运算；s.t.表示受约束于,tmessage-schedule表示调度命令信号传输时间，tmessage-sensor表示车轮转角传感器采样信号传输时间，tmessage-control表示车轮转角命令信号传输时间。

说明书

电动汽车的可信赖网控转向系统及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于电动汽车转向控制技术及系统领域，具体为电动汽车的可信赖网控转向系统的控制方法。

背景技术

[0002] 转向性能是汽车的主要性能之一。转向性能的评价指标包括转向的快速性、操纵稳定性和转向轻便性等。良好的转向性能需要车辆在转向时合理地分配车轮转角，使内外侧车轮转角符合理想转向几何关系，如符合Ackermann转向几何学原理。然而传统的机械转向难以实现理想的各车轮转角分配。

[0003] 线控转向系统使用线传技术采集车辆状态信号和发送转角控制命令，取代了传统的机液转向装置，具有体积小、布置灵活、可控性好和响应速度快等特点，为实现准确快速的单个车轮转角提供了可能。然而随着大量传感器、执行器和控制单元的应用，采用传统的点对点连接将导致线束和电气接口增加及安全隐患。因此工程应用中通常采用车载网络来实现线控系统的集成，使其成为一种多输入、多输出网络化控制系统。

[0004] 另一方面，车载网络的使用将不可避免地引入信号传输延时、信号传输不同步以及车载网络故障等新的安全隐患。这些安全隐患将直接影响车辆转向控制的实时性、同步性与可靠性，成为电动汽车线控转向技术发展的新挑战。现有的线控转向技术研究大多聚焦于车轮转角优化分配策略或者硬件冗余容错等问题，并未考虑网络诱导的不确定性问题，均具有一定的局限性，无法满足电动汽车转向系统的实际应用需求。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服现有技术不足，提出一种电动汽车的可信赖网控转向系统的控制方法，可以有效解决网络诱导的信号传输延时、信号不同步及车载网络容错问题，提高车辆转向控制的实时性、同步性和可靠性，为改善车辆转向的快速性、操纵稳定性及系统容错能力提供技术支持。

[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：电动汽车的可信赖网控转向系统，采用三总线冗余拓扑车载网络，包含多个转向传感器节点、多个转向执行器节点和转向控制单元，其中一条总线用于互连整车的转向传感器节点、转向执行器节点及转向控制单元；一条总线仅用于互连双前轮的转向传感器节点、转向执行器节点及转向控制单元；一条总线则仅用于互连双后轮的转向传感器节点、转向执行器节点及转向控制单元。

[0007] 所述转向控制单元包括接收模块、控制器模块、调度器模块和发送模块；所述的接收模块通过三总线冗余车载网络与转向传感器节点相连，接收模块还与控制器模块相连；调度器模块与控制器模块相连接，还与发送模块相连接；控制器模块与发送模块连接；发送模块通过三总线冗余车载网络与转向电机控制器即转向电机控制器连接；转向控制单元采用控制器模块与调度器模块，实现控制策略与调度策略的协同式管理，其中控制器模块用于实现转向模式的管理和转向角度命令的计算；调度器模块用于实现不同转向模式下转向控制信号传输的实时性、同步性及容错性。

[0008] 该电动汽车的可信赖网控转向系统的控制方法，所述的控制器模块采用四轮转向、前轮转向和后轮转向三种管理模式，其中四轮转向模式为正常模式，前轮转向模式和后轮转向模式为辅助模式。四轮转向模式下采用基于理想内外侧车轮转角几何关系(即Ackermann转向几何学原理)，进行四个车轮转角命令计算，并基于采集到的各车轮转角状态对车轮转向命令进行调节。前轮转向模式下采用左右后轮转角归零的Ackermann转向几何学原理计算左右前轮转角命令，后轮转向模式下则采用左右前轮转角归零的Ackermann转向几何学原理计算左右后轮转角命令。

[0009] 进一步的，所述的调度器模块采用基于柔性时间触发的多模式调度方法，具体调度策略采用6种基本周期实现，各基本周期由转向控制单元通过发送参考帧或控制帧启动或停止。其中四轮转向模式下的2种基本周期分别用于完成四个车轮转向采样信号与控制信号的传输，采样信号的传输由参考帧以广播的方式启动发送，以实现采样信号的同步；控制信号的实施由参考帧以广播的方式通知转向执行器启动动作，以实现控制行为的同步；前轮转向模式下的2种基本周期分别用于完成左右前车轮转向采样信号与控制信号的传输；后轮转向模式下的2种基本周期则分别用于完成左右后车轮转向采样信号与控制信号的传输。

[0010] 所述的基本周期的参数设计，为保证实时性，应满足以下条件约束调度不等式：

[0011] 四轮转向模式下：

[0012] ∑[max(tmessage)]＜Tbase-cycle＜τmax，

[0013]

[0014] 前轮转向模式或后轮转向模式下：

[0015] ∑[max(tmessage)]＜Tbase-cycle＜τmax，

[0016]

[0017] 其中，Tbase-cycle为基本周期时间长度，tmessage表示指基本周期内调度命令、车轮转角信息、车辆转角命令的信息传输时间，τmax表示系统通道最大允许延时，∑[ ]表示指求和运算，max( )表示求取最大值运算；s.t.表示受约束于,tmessage-schedule表示调度命令信号传输时间，tmessage-sensor表示车轮转角传感器采样信号传输时间，tmessage-control表示车轮转角命令信号传输时间。

[0018] 本发明的有益效果是：

[0019] 本发明硬件方面采用三总线冗余拓扑方案，同时算法方面采用控制和调度协同式管理架构，其控制器采用三种车辆转向管理模式，其调度器基于柔性时间调度方法实现不同模式下的调度管理，通过设计合理的基本周期长度，实现对网控转向系统的实时调度管理，有效抑制网络诱导的车辆转向控制信号的传输延时、不同步及车载网络故障问题，改善车辆转向控制的实时性、同步性与可靠性，为改善车辆转向的快速性、操纵稳定性及容错能力提供技术支持。

附图说明

[0020] 图1为实施例的线控转向技术示意图；

[0021] 图2为实施例的线控转向系统车轮转角分配原理图；

[0022] 图3为实施例的Ackermann转向几何学原理示意图；

[0023] 图4为实施例的网控转向系统示意图；

[0024] 图5为实施例的转向系统的网络化控制系统原理图；

[0025] 图6(a)为实施例的四轮转向模式下网控转向系统的调度表原理图；

[0026] 图6(b)为实施例的前轮转向模式下网控转向系统的调度表原理图；

[0027] 图6(c)为实施例的后轮转向模式下网控转向系统的调度表原理图；

[0028] 图7(a)为采用传统控制方案的四轮转向模式网络化控制执行效果图；

[0029] 图7(b)为采用传统控制方案的前轮转向或后轮转向模式网络化控制执行效果图；

[0030] 图7(c)为实施例采用本发明方案的四轮转向模式网络化控制执行效果图；

[0031] 图7(d)为实施例采用本发明方案的前轮转向或后轮模式网络化控制执行效果图。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

[0033] 如图1所示,为线控转向技术示意图，其采用线传技术采集传感信号和发送转向命令，取代了传统的机液转向装置，具有体积小、布置灵活、可控性好与响应速度快等特点，可以实现车轮转角的独立控制。

[0034] 如图2所示，采用四轮线控转向系统，可实现车轮转角的灵活分配，为实现理想的车轮转角分配提供了可能。其车轮转角分配原理如图2所示：四个车轮状态传感器将采集到的车轮状态信息反馈给转向控制单元，同时转向控制单元接收来自驾驶员的指令信息，依据理想的内外侧车轮转角求解四轮目标转角，并将目标车轮转角信号发送给转向执行器节点，实现车辆的线控转向。理想的内外侧车轮转角分配关系如Ackermann转向几何学原理，如图3所示。

[0035] 综上，采用四轮线控转向系统，可为改善车辆转向系统的快速性和操纵稳定性提供技术支持。

[0036] 另一方面，如图2所示，大量传感器、执行器和控制单元的应用也给集成控制带来了挑战，采用传统的点对点连接将导致线束和电气接口增加及安全隐患，无法满足工程应用需要，因此工程应用中通常采用车载网络来实现线控系统的集成，即形成网控转向系统，如图4所示。

[0037] 如图5所示，从控制角度来说，网控转向系统已成为一种典型的多输入多输出网络化控制系统，该系统包括转向控制单元、4个车轮转角传感器节点、4个转向执行器节点、车载网络，其中车轮转角传感器节点与转向控制单元之间通过车载网络相连，构成反馈通道，转向控制单元通过车载网络又与转向执行器节点相连，构成前向通道。根据网络化控制理论，车载网络的使用，将不可避免地引入信号延时、信号不同步及网络故障等问题，这些问题将直接影响车辆转向控制的实时性、同步性与可靠性，成为电动汽车转向技术发展的新挑战。

[0038] 为解决上述问题，如图4所示，本发明在硬件上采用三总线冗余网络，在算法上采用控制和调度协同式管理架构，其中总线1用于互连整车的转向传感器节点、转向执行器节点及转向控制单元；总线2仅用于互连双前轮的转向传感器节点、转向执行器节点及转向控制单元；总线3则仅用于互连双后轮的转向传感器节点、转向执行器节点及转向控制单元。所述转向控制单元包括接收模块、控制器模块、调度器模块和发送模块；所述的接收模块通过三总线冗余车载网络与转向传感器节点相连，接收模块还与控制器模块相连；调度器模块与控制器模块相连接，还与发送模块相连接；控制器模块与发送模块连接；发送模块通过三总线冗余车载网络与转向电机控制器连接；转向控制单元采用控制器模块与调度器模块，实现控制策略与调度策略的协同式管理，其中控制器模块用于实现转向模式的管理和转向角度命令的计算；调度器模块用于实现不同转向模式下转向控制信号传输的实时性、同步性及容错性。

[0039] 所述的控制器模块采用四轮转向、前轮转向和后轮转向三种管理模式，其中四轮转向模式为正常模式，前轮转向模式和后轮转向模式为辅助模式。四轮转向模式下采用基于理想内外侧车轮转角几何关系(即Ackermann转向几何学原理)，进行四个车轮转角命令计算，四个转角如图2中所示，分别为δf1，δf2，δr1，δr2，并基于采集到的各车轮转角状态对车轮转向命令进行调节。前轮转向模式下采用左右后轮转角归零(即令δr1＝0，δr2＝0)的Ackermann转向几何学原理计算左右前轮转角命令，后轮转向模式下则采用左右前轮转角归零(即令δf1＝0，δf2＝0)的Ackermann转向几何学原理计算左右后轮转角命令。

[0040] 调度器模块采用基于柔性时间触发的多模式调度方法，具体调度策略采用6种基本周期实现，各基本周期由转向控制单元通过发送参考帧或控制帧启动或停止。其中如图6(a)所示，四轮转向模式下的2种基本周期分别用于完成四个车轮转向采样信号与控制信号的传输，采样信号的传输由参考帧以广播的方式启动发送，以实现采样信号的同步；控制信号的实施由参考帧以广播的方式通知转向执行器启动动作，以实现控制行为的同步；如图6(b)所示，前轮转向模式下的2种基本周期分别用于完成左右前车轮转向采样信号与控制信号的传输；其中如图6(c)所示，后轮转向模式下的2种基本周期则分别用于完成左右后车轮转向采样信号与控制信号的传输。

[0041] 在本实例中，设置CAN总线波特率为250kbps,系统采样周期为20ms，基本周期设置为10ms，系统通道的最大允许延时为20ms。每个采样周期包含两个基本周期，其中在第一个基本周期内完成采样信息传输的管理，第二个基本周期内完成命令信息传输的管理。根据CAN2.0规定的消息帧格式，扩展帧长度计算公式为： 可知扩展帧长度最长可为160位。

[0042] 在本实例中，四轮转向模式下：反馈通道中一个基本周期要完成发送1条调度命令帧和4条车轮转角信息，前向通道中一个基本周期要完成4条控制命令数据帧和1条调度命令帧：

[0043]

[0044] 即，本实例中基本周期满足不等式∑[max(tmessage)]＜Tbase-cycle＜τmax，由此系统满足实时性要求。

[0045] 前轮转向模式或后轮转向模式下：反馈通道中一个基本周期要完成发送1条调度命令帧和2条车轮转角信息，前向通道中一个基本周期要完成2条控制命令数据帧和1条调度命令帧：

[0046]

[0047] 即，本实例中基本周期满足不等式∑[max(tmessage)]＜Tbase-cycle＜τmax，由此系统满足实时性要求。

[0048] 如图7(a)-图7(d)所示，为实施例中的网络化控制执行效果解析图，τ表示系统控制回路的网络诱导延时，其中图7(a)为采用传统控制方案(未采用调度器)的四轮转向模式下的网络化控制执行效果图，图7(b)为前轮转向或后轮转向模式下的网络化控制执行效果图，图7(c)为采用本发明所提上述方案四轮转向模式下的网络化控制执行效果图，图7(d)为采用本发明所提上述方案前轮转向或后轮转向模式下的网络化控制执行效果图。对比可知，本发明所提方案有效地解决了网络信息发送不同步问题，同时将网络诱导延时减少至一个采样周期内。而传统方案存在较大的不同步性和较大的传输延时。

[0049] 综上，所提方案在硬件上采用三总线冗余网络，在算法上采用控制和调度协同式管理架构，确保了车轮转向控制的实时性、同步性和可靠性，具有明显的技术优势，可为改善车辆转向的快速性、操纵稳定稳定性及容错能力提供技术支持。

[0050] 以上所述仅为本发明的一个具体实例，本发明不仅仅局限于上述实现实施例，凡在本发明的精神和原则之内所做的局部性改动、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。