一种人机共驾型电动助力转向系统及模式切换方法与流程

本发明属于智能汽车无人转向领域，尤其涉及一种人机共驾型电动助力转向系统及模式切换方法。

背景技术：

智能汽车是集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等多领域高新技术于一体的复杂系统，智能汽车技术的发展必将经历从部分驾驶功能自主化到完全自主驾驶，从高速公路等简单环境自动驾驶到各种道路自动驾驶的不断前进的历程。德国大陆集团推出的智能汽车计划分为三步：到2016年实现部分自动驾驶，汽车需要监控系统，驾驶员要随时准备接手驾驶，目标是实现30km/h以内的自动驾驶；到2020年实现高度自动驾驶，不需要监控系统，但驾驶员要在规定时间内接手驾驶；到2025年实现完全自动驾驶，不需要监控系统，驾驶员也无需接手驾驶。2015年底美国加州公布的自动驾驶汽车在城市中行驶管理草案，对智能汽车的转向系统提出了明确的要求：必须兼容自动转向和人工转向双重操控模式。

同时，电动助力转向系统(Electric Power Steering system，简称EPS)由电机直接提供助力，通过合适的综合控制方法，能十分方便的调节系统助力特性，在汽车中得到了越来越广泛的应用，代表着当今汽车助力转向系统的发展方向。当前欧美日等国家的新车EPS装车率已超过40％，其中日本小车EPS装车率已达到80％。EPS由于在主动安全性、环保节能、电子集成控制、可靠性、结构紧凑性等方面具有显著优势，成为智能汽车转向系统人工转向操控模式必然的选择。

中国专利CN103895691A公开了一种商用车智能转向补偿装置，可以根据车辆行驶状态，通过正反向补偿来减少转向不足或缓解转向过度，提高车辆操控灵敏性，但是只是涉及人工转向的情况，并没有考虑自动转向的实现。

中国专利CN101875370A公开了一种汽车自适应智能转向系统，可以在自动和手动(舒适/智能/运动)转向模式下切换，但是切换过程需要按下手动/自动转向开关才可以进行切换，尤其是从自动转向切换至手动转向的过程无法自动实现，智能化程度有待进一步提高。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种人机共驾型电动助力转向系统及模式切换方法，在充分发挥电动助力转向系统在人工转向优势的基础之上，通过对原有系统进行改进，增加自动转向功能，实现智能汽车的人机共驾功能，并保证两种模式之间的安全智能切换。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种人机共驾型电动助力转向系统，其特征在于，包括前置转矩/转角传感器、后置转矩/转角传感器、车速传感器、人机共驾型转向控制器、模式切换控制器、转向电机、转向轴、减速机构、齿轮齿条机构及横摆角速度传感器；

所述人机共驾型转向控制器包括信号调理模块、微处理器及驱动模块，所述信号调理模块用于调理前置转矩/转角传感器、后置转矩/转角传感器及车速传感器的信号，去除信号中较大的干扰和杂波；所述微处理器用于产生控制转向电机的控制策略；所述驱动模块是通过微处理器发出的PWM信号调整比例线圈中的电流大小，从而驱动转向电机工作；

所述模式切换控制器包括信号调理模块、微处理器及输出模块，所述信号调理模块用于调理前置转矩/转角传感器、后置转矩/转角传感器及车速传感器的信号，去除信号中较大干扰的和杂波；所述微处理器用于产生模式切换控制策略；所述输出模块是根据微处理器发出的高低电平信号，把相应的工作模式传输给人机共驾型转向控制器；

所述转向轴与齿轮齿条机构通过齿轮啮合，所述转向轴从上至下依次安装有前置转矩/转角传感器、减速机构及后置转矩/转角传感器，所述减速机构与转向电机通过联轴器连接；所述转向电机与人机共驾型转向控制器通过导线连接，所述人机共驾型转向控制器通过电流控制转向电机；所述人机共驾型转向控制器还通过导线分别与车速传感器、模式切换控制器连接，分别用于产生电动助力转向控制策略、判断人机驾驶模式的切换时间；

所述模式切换控制器通过导线分别与前置转矩/转角传感器、后置转矩/转角传感器、车速传感器及横摆角速度传感器相连，采集转矩/转角值、车速以及横摆角速度值，用于判断当前车辆的转向模式，并将当前车辆的转向模式通过高低电平信号传输给人机共驾型转向控制器；

所述人机共驾型转向控制器通过导线与前置转矩/转角传感器、后置转矩/转角传感器及车速传感器相连，所述人机共驾型转向控制器通过采集前置转矩/转角传感器的转矩/转角信号与车速传感器的车速信号或后置转矩/转角传感器的转矩/转角信号与车速传感器)的车速信号，分别对转向电机控制，实现人驾模式转向控制或机驾模式转向控制。

上述方案中，所述人机共驾型转向控制器包含两种转向模式，即人驾模式和机驾模式。

上述方案中，在人驾模式下，转向电机充当助力电机，辅助驾驶员进行人工转向；在机驾模式下，转向电机充当驱动电机，实现无驾驶员参与的自动转向操作。

一种人机共驾型电动助力转向系统的模式切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)，根据模式切换控制器采集前置转矩/转角传感器、后置转矩/转角传感器的转矩/转角信号以及车速传感器的车速信号，计算当前车速下的理想横摆角速度值

步骤2)，根据模式切换控制器采集车速传感器的车速信号，计算当前车速下的横摆角速度值的上限值

步骤3)，由当前车速下的横摆角速度值的上限值得到当前车速下横摆角速度值的安全值，同时得到系统认为可以进行两种转向模式之间进行切换的当前车速下横摆角速度值的安全域；

步骤4)，从机驾模式切换到人驾模式的过程中，通过检测前置转矩/转角传感器和后置转矩/转角传感器的转矩值，判断是否存在转矩差；同时判断横摆角速度传感器检测到的当前横摆角速度值是否处于横摆角速度安全域中，从而确定是否可以实现机驾模式到人驾模式的切换；

步骤5)，从人驾模式切换到机驾模式的过程中，通过检测前置转矩/转角传感器的转矩值，判断是否存在转矩值；同时判断前置转矩/转角传感器的转矩值是否维持在3秒以上以及横摆角速度传感器检测到的当前横摆角速度值是否处于横摆角速度安全域中，从而确定是否可以实现人驾模式到机驾模式的切换。

进一步，所述步骤3)中当前车速下横摆角速度值的安全值为其中k为当前车速下横摆角速度值的安全系数，安全系数k是经过大量仿真和试验获取的。

进一步，所述步骤3)中当前车速下横摆角速度值的安全域为

本发明的有益效果为：本发明通过对现有电动助力转向系统的简单改造，在原有电动助力转向系统上加装后置转矩/转角传感器，实现人驾和机驾两种模式下转矩转角信号的实时获取，为两种模式下的转向电机的工作提供极大便利；同时根据前置转矩/转角传感器和后置转矩/转角传感器的信号，可以简单快速的判断当前车辆的转向模式，并可以实现两种转向模式之间的自动、安全切换。

附图说明

图1为人机共驾型电动助力转向系统的结构示意图；

图2为人机共驾型电动助力转向系统模式切换方法的流程图；

图3为机驾模式向人驾模式切换时，人机共驾型电动助力转向系统的模式切换原理框图；

图4为人驾模式向机驾模式切换时，人机共驾型电动助力转向系统的模式切换原理框图。

图中：1-前置转矩/转角传感器；2-后置转矩/转角传感器；3-车速传感器；4-人机共驾型转向控制器；5-模式切换控制器；6-转向电机；7-转向轴；8-减速机构；9-齿轮齿条机构；10-横摆角速度传感器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种人机共驾型电动助力转向系统，包括前置转矩/转角传感器1、后置转矩/转角传感器2、车速传感器3、人机共驾型转向控制器4、模式切换控制器5、转向电机6、转向轴7、减速机构8、齿轮齿条机构9及横摆角速度传感器10；

人机共驾型转向控制器4包括信号调理模块、微处理器及驱动模块，信号调理模块用于调理前置转矩/转角传感器1、后置转矩/转角传感器2及车速传感器3的信号，去除信号中较大的干扰和杂波；微处理器用于产生控制转向电机6的控制策略；驱动模块是通过微处理器发出的PWM信号调整转向电机6比例线圈中的电流大小，从而驱动转向电机6工作；

模式切换控制器5包括信号调理模块、微处理器及输出模块，信号调理模块用于调理前置转矩/转角传感器1、后置转矩/转角传感器2及车速传感器3的信号，去除信号中较大干扰的和杂波；微处理器用于产生模式切换控制策略；输出模块是根据微处理器发出的高低电平信号，把相应的工作模式(人驾或机驾模式)传输给人机共驾型转向控制器4；

转向轴7与齿轮齿条机构9通过齿轮啮合，转向轴7从上至下依次安装有前置转矩/转角传感器1、减速机构8及后置转矩/转角传感器2，减速机构8与转向电机6通过联轴器连接；转向电机6与人机共驾型转向控制器4通过导线连接，人机共驾型转向控制器4通过电流控制转向电机6；人机共驾型转向控制器4还通过导线分别与车速传感器3、模式切换控制器5连接，分别用于产生电动助力转向控制策略、判断人机驾驶模式的切换时间；

模式切换控制器5通过导线分别与前置转矩/转角传感器1、后置转矩/转角传感器2、车速传感器3及横摆角速度传感器10相连，采集转矩/转角值、车速以及横摆角速度值，用于判断当前车辆的转向模式，并将当前车辆的转向模式通过高低电平信号传输给人机共驾型转向控制器4；

人机共驾型转向控制器4通过导线与前置转矩/转角传感器1、后置转矩/转角传感器2及车速传感器3相连，人机共驾型转向控制器4通过采集前置转矩/转角传感器1的转矩/转角信号与车速传感器3的车速信号或后置转矩/转角传感器2的转矩/转角信号与车速传感器3的车速信号，分别对转向电机6控制，实现人驾模式转向控制或机驾模式转向控制。

人机共驾型转向控制器4包含两种转向模式，即人驾模式(人工转向)和机驾模式(自动转向)；在人驾模式(人工转向)下转向电机6充当助力电机，辅助驾驶员进行人工转向；在机驾模式(自动转向)下，转向电机6充当驱动电机，实现无驾驶员参与的自动转向操作。

一种人机共驾型电动助力转向系统的工作过程为：

人机共驾型转向控制器4通过采集前置转矩/转角传感器1的转矩/转角信号与车速传感器3的车速信号或后置转矩/转角传感器2的转矩/转角信号与车速传感器3的车速信号；经信号调理模块去除干扰和杂波后的信号传输给微处理器，微处理器通过接收的转矩/转角信号与车速信号产生控制转向电机6的控制策略，并发出PWM信号调整转向电机6比例线圈中的电流大小，从而驱动转向电机6工作；转向电机6经过减速机构8输出转矩给转向轴7，带动齿轮齿条机构9工作，从而使得车轮产生转向运动；

当转向模式需要切换时，模式切换控制器5通过采集前置转矩/转角传感器1和后置转矩/转角传感器2的转矩/转角值、车速传感器3的车速及横摆角速度传感器10的横摆角速度值，经信号调理模块去除干扰和杂波后传输给微处理器，微处理器产生模式切换控制策略并发出高低电平信号，把相应的转向模式传输给人机共驾型转向控制器4；

从机驾模式切换到人驾模式的过程中，模式切换控制器5通过检测前置转矩/转角传感器1和后置转矩/转角传感器2的转矩值，判断是否存在转矩差；同时判断横摆角速度传感器10检测到的当前横摆角速度值是否处于横摆角速度安全域中，从而确定是否可以实现人驾模式到机驾模式的切换；若可以切换，则模式切换控制器5向人机共驾型转向控制器4发出指令，从而实现机驾模式到人驾模式的切换；

从人驾模式切换到机驾模式的过程中，模式切换控制器5通过检测前置转矩/转角传感器1的转矩值，判断是否存在转矩值；同时判断前置转矩/转角传感器1的转矩值是否维持在3秒以上以及横摆角速度传感器10检测到的当前横摆角速度值是否处于横摆角速度安全域中，从而确定是否可以实现人驾模式到机驾模式的切换；若可以切换，则模式切换控制器5向人机共驾型转向控制器4发出指令，从而实现人驾模式到机驾模式的切换。

如图2所示，一种人机共驾型电动助力转向系统的模式切换方法的流程图，包括步骤：

步骤1)，根据模式切换控制器5采集前置转矩/转角传感器1、后置转矩/转角传感器2的转矩/转角信号以及车速传感器3的车速信号，计算当前车速下的理想横摆角速度值

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{des}=\frac{\stackrel{\·}{x}}{R}=\frac{V}{l_f+l_r+\frac{{\mathrm{mV}}^2(l_r{C}_{\mathrm{\α}r}-l_f{C}_{\mathrm{\α}f})}{2C_{\mathrm{\α}f}{C}_{\mathrm{\α}r}L}}\mathrm{\δ}---\left(1\right)$

其中，V为车速，m/s；δ为车轮转向角，°；C_αf、C_αr分别为前后轮的侧向刚度，N/rad；m为车辆的总质量，kg；l_f、l_r分别为车辆质心到前、后轮的纵向距离，m；L为轴距(已知)，m；R为转弯半径(已知)m；

又

其中，为方向盘转角，可由前置转矩/转角传感器获取，由式(2)计算得出车轮转向角δ；车速V根据车速传感器3获取。

步骤2)，根据模式切换控制器5采集车速传感器3的车速信号，计算当前车速下的横摆角速度值的上限值

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{upper\_bound}=0.85\frac{\mathrm{\μ}g}{V}---\left(3\right)$

其中，μ为轮胎—路面附着系数，假定当前轮胎—路面附着系数为0.7；g为重力加速度，m/s²；V为车速，m/s。

步骤3)，由当前车速下的横摆角速度值的上限值得到当前车速下横摆角速度值的安全值：

$k\·{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{upper\_bound}---\left(4\right)$

其中k为当前车速下横摆角速度值的安全系数，安全系数k是经过大量仿真和试验获取的，本发明经过大量仿真和试验获取的安全系数k＝0.85；

同时得到系统认为可以进行两种转向模式之间进行切换的当前车速下横摆角速度值的安全域为

步骤4)，如图3所示，从自动转向到人工转向的过程中，①通过检测前置转矩/转角传感器1和后置转矩/转角传感器2的转矩值，判断是否存在转矩差；如果存在转矩差，证明驾驶员试图控制方向盘，希望将自动转向切换到人工转向；②同时判断横摆角速度传感器10检测到的当前横摆角速度值是否处于横摆角速度安全域中；同时满足上述①、②两个条件，即可实现从自动转向到人工转向的自动切换，模式切换控制器5向人机共驾型转向控制器4发出指令，使转向电机6输出助力转矩；反之，如前置转矩/转角传感器1和后置转矩/转角传感器2无转矩差或不满足当前横摆角速度值处于横摆角速度安全域中的条件，助力转向系统则维持当前转向模式不变。

步骤5)，如图4所示，从人工转向切换到自动转向过程中，①通过检测前置转矩/转角传感器1的转矩值，判断是否存在转矩值；如果不存在转矩值且维持3秒以上，认为驾驶员没有控制方向盘的意愿，即没有试图将人工转向切换到自动转向；②同时判断前置转矩/转角传感器1的转矩值是否维持在3秒以上以及横摆角速度传感器10检测到的当前横摆角速度值是否处于横摆角速度安全域中；同时满足上述①、②两个条件，即可实现从人工转向到自动转向的自动切换，模式切换控制器5向人机共驾型转向控制器4发出指令，使转向电机6输出驱动转矩；反之，如前置转矩/转角传感器1无转矩值或不满足当前横摆角速度处于横摆角速度安全域中的条件，助力转向系统则维持当前转向模式不变。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。