一种线控四轮主动转向电动轮系统及其转向容错控制方法与流程

文档序号：17720341发布日期：2019-05-22 02:06阅读：265来源：国知局

本发明涉及车辆主动控制领域，特别是一种线控四轮主动转向电动轮系统及其转向容错控制方法。

背景技术：

转向系统作为汽车底盘四大系统之一，很大程度上影响汽车的行驶安全性和操纵稳定性。转向系统的发展历程最早为机械转向系统，但这种转向系统结构繁杂，传动比固定，不利于实现汽车的轻量化设计和驾驶员的安全稳定驾驶。线控转向系统取消了方向盘与转向轮之间的机械连接，采用传感器采集驾驶员转向意图然后发送到转向执行器来完成转向。相比传统的机械转向系统，线控转向系统具有相应迅速、转向灵活、降低车重，节省空间等优点。

同时，随着汽车技术的发展，汽车主动安全性日益受到重视。汽车四轮转向是提高汽车主动安全的重要方法之一。线控四轮转向系统，前轮和后轮均采用线控转向电机带动车轮转动，相比于前轮转向系统，四轮转向系统的优点是前后车轮均可以独立转动，减小了转向时的质心侧偏角，提高了汽车低速转向时的灵活性和高速转向时的而稳定性，提高了汽车的操纵稳定性和行驶安全性。

但是，相比于传统的机械转向系统，线控转向系统最大的缺点就是其可靠性较差，转向系统存在转向失控的可能性，这对于行驶在路上的汽车来说是极其危险的。

现有的关于线控转向的容错控制多集中在针对线控转向系统的容错。例如双电机冗余线控转向系统通过电机备份的方法解决线控转向系统容错的问题，一个电机故障后还可以通过另一个电机转向，但这会增加制造成本，且会占用更大空间而使系统更为复杂。并且在容错控制时没有考虑故障发生后驾驶员的应急反应以及路径跟踪问题，可能会造成驾驶员过激反应而是车辆偏离目标路径。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种线控四轮主动转向电动轮系统及其转向容错控制方法。旨在充分利用线控四轮转向电动轮系统转向执行器冗余的优势并结合路径跟踪控制技术，达到线控转向系统故障后仍能正常按驾驶员意图跟踪路径的目标，减轻故障发生后驾驶员的心理负担和操作负担，提高车辆行驶的安全性和稳定性。此外，与传统的双电机冗余线控转向系统相比，减轻了车重和生产成本，并为智能驾驶辅助系统的应用提供了基础。

为实现上述目的，本发明提出了如下的技术方案予以实现：

一种线控四轮主动转向电动轮系统包括：车体以及置于车体内部的方向盘9、方向盘转角传感器10、后轮转向电机4、前轮转向电机14、后轮转向电机控制器5、前轮转向电机控制器13、后轮电机故障检测装置2、前轮电机故障检测装置16、后齿轮齿条式转向器3、前齿轮齿条式转向器15、后轮转向横拉杆6、前轮转向横拉杆12、第一轮毂电机1、第二轮毂电机7、第三轮毂电机11、第四轮毂电机17、横摆角速度传感器19、质心侧偏角传感器20、车速传感器21、激光雷达22、车载摄像机23、整车电子控制单元8(ecu)和can总线18；

其中，后轮转向电机4位于车辆后轴，其分别与后齿轮齿条式转向器3、后轮转向电机控制器5、后轮电机故障检测装置2连接，后齿轮齿条式转向器3位于后轮转向横拉杆6上，后轮转向横拉杆6两端分别设有第一轮毂电机1和第二轮毂电机7，第一轮毂电机1和第二轮毂电机7均与对应车轮连接；后轮转向电机4带动后齿轮齿条式转向器3移动，进而带动后转向横拉杆6驱动第一轮毂电机1和第二轮毂电机7，从而带动对应的车轮转动，实现车轮的转向；

前轮转向电机14位于车辆前轴，其分别与前齿轮齿条式转向器15、前轮转向电机控制器13、前轮电机故障检测装置16连接，前齿轮齿条式转向器15位于前轮转向横拉杆12上，前轮转向横拉杆12两端分别设有第三轮毂电机11和第四轮毂电机17，第三轮毂电机11和第四轮毂电机17均与对应车轮连接；前轮转向电机14带动前齿轮齿条式转向器15移动，进而带动前转向横拉杆12驱动第三轮毂电机11和第四轮毂电机17并带动对应车轮，实现车辆的转向；

方向盘9位于车体内，方向盘转角传感器10通过方向盘转向管柱与方向盘9相连，获取方向盘转角信号；

前轮电机故障检测装置16与can总线18相连，用于检测前轮转向电机14的故障并通过can收发器将故障信号发送到can总线18中；后轮电机故障检测装置2与can总线18相连，用于检测后轮转向电机4的故障并通过can收发器将故障信号发送到can总线18中；

横摆角速度传感器19、质心侧偏角传感器20、车速传感器21、激光雷达22、车载摄像机23均设置在车体上，分别用于获取汽车横摆角速度信号、质心侧偏角信号、车速信号、道路障碍物状况信号和车道状况信号；横摆角速度传感器19、质心侧偏角传感器20、车速传感器21、激光雷达22、车载摄像机23均分别与can总线18连接，并通过can收发器将所接收到的信号发送至can总线18；

后轮转向电机控制器5和前轮转向电机控制器13分别与can总线18连接，接收can总线18传递的信号；

整车电子控制单元8通过can收发器与can总线18相连，并接收can总线18通过横摆角速度传感器19、质心侧偏角传感器20、车速传感器21激光雷达22、车载摄像机23获得的信号；整车电子控制单元8还与方向盘转角传感器10相连，并获取方向盘转角信号；整车电子控制单元8根据方向盘转角传感器10传递的方向盘转角信号通过内置控制器计算出前、后轮转角和四个车轮的驱动力矩发送到can总线18中；

后轮转向电机控制器5、前轮转向电机控制器13、第一轮毂电机1、第二轮毂电机7、第三轮毂电机11、第四轮毂电机17均分别设有can收发器，后轮转向电机控制器5、前轮转向电机控制器13、第一轮毂电机1、第二轮毂电机7、第三轮毂电机11、第四轮毂电机17分别通过其各自的can收发器与can总线18相连，接收整车电子控制单元8通过can总线18发出的转向电机的目标转角和目标转矩。

后轮转向电机控制器5根据从can总线18得到的转角信号产生相应的电流，控制后轮转向电机4工作，第一轮毂电机1和第二轮毂电机7根据从can总线18得到的转矩信号产生相应的电流控制轮毂电机及对应的车轮工作。

前轮转向电机控制器13分别根据从can总线18得到的转角信号产生相应的电流控制前轮转向电机14工作，第三轮毂电机11和第四轮毂电机17所述的轮毂电机控制器根据从can总线18得到的转矩信号产生相应的电流控制轮毂电机及对应的车轮工作。

整车电子控制单元8即为ecu模块，包括依次连接的路径规划模块、驾驶员模块、稳定性控制模块和容错控制模块。

本发明中，术语“前轮”是指与第三轮毂电机和第四轮毂电机对应的车轮；术语“后轮”是指与第一轮毂电机和第二轮毂电机对应的车轮。

进一步，本发明所提供的线控四轮主动转向电动轮系统中，后轮转向电机4和前轮转向电机14均为永磁无刷直流电机。

本发明同时还提供了上述线控四轮主动转向电动轮系统的转向容错控制方法：整车电子控制单元18中，稳定性控制模块和容错控制模块是根据电机故障检测装置16向整车电子控制单元18发送的信号进行控制器的切换；当前轮转向电机14未发生故障时，电机故障检测装置16向整车电子控制单元18发送低电平，控制单元运行稳定性控制模块，实行稳定性控制策略；当前轮转向电机14发生故障时，电机故障检测装置16向整车电子控制单元18发送高电平，控制单元运行容错控制模块，实行容错控制策略。

上述稳定性控制策略包含以下步骤:

步骤1)，驾驶员转动方向盘，整车电子控制单元18通过方向盘转角传感器得到方向盘转角δsw，通过式(1)得到理想横摆角速度w^*和理想质心侧偏角β^*：

式(1)-(3)中，gw为设定的变传动比系数,vx为车速，l为车辆轴距，ks为横摆角速度增益系数(一般取值15-20),k为稳定性因数，m为整车质量，k1、k2分别为汽车前后轮侧偏刚度；

步骤2)，稳定性控制模块计算横摆角速度偏差wd、质心侧偏角偏差βd

理想横摆角速度w^*和理想质心侧偏角β^*与由传感器测得的实际横摆角速度w和质心侧偏角β作差得：

w为传感器测得的实际横摆角速度，β为传感器实际测得的质心侧偏角，wd为横摆角速度偏差，βd为质心侧偏角偏差；

将式(4)代入由结构奇异值μ控制算法式(5)，代入稳定性控制模块，算出前轮转角δf和后轮转角δr；

所述容错控制策略包含以下步骤:

步骤1：

1.1若前轮转向电机故障

容错控制模块根据设置的后轮与方向盘之间的传动比ir计算后轮转角δr；

其中，δsw表示方向盘转角；δr表示后轮转角；if取值范围在-15到-20之间；

1.2若后轮转向电机故障

容错控制模块根据设置的前轮与方向盘之间的传动比if计算后轮转角δf：

其中，δsw表示方向盘转角；δf表示后轮转角。if取值范围在15-20之间；

步骤2：

整车电子控制单元18中路径规划模块接收激光雷达信号和车载摄像机信号根据内置的路径规划算法生成期望路径y^*并将期望路径信号发送到容错控制模块中；

上述路径规划算法为本领域常规算法，如文献“安林芳,陈涛,成艾国,etal.基于人工势场算法的智能车辆路径规划仿真[j].汽车工程,2017.”中所公开的路径规划算法；

步骤3：

整车电子控制单元18中驾驶员模块根据期望路径y^*和实际路径y信号之差：

δy＝y^*-y(8)

根据内置单点预瞄驾驶员模型算法(9)得到期望的驾驶员对方向盘的转角δfd并发送到容错控制模块中；

其中，δfd是期望的驾驶员对方向盘的转角，gh是转向比例系数，τl是微分时间；τd1是操作延迟时间；τd2是驾驶员反应延迟时间；

步骤4：

整车电子控制单元18由横摆角速度传感器、车速传感器测得的车辆横摆角速度w和车速v信号传送到容错控制模块中；

步骤5：

容错控制模块根据驾驶员对方向盘的转角δsw、期望路径y^*、期望的驾驶员对方向盘的转角δfd以及车辆实际状态得到车辆四个轮毂电机目标驱动力矩t1,t2,t3,t4；

步骤6：

整车电子控制单元18根据上述步骤1-6计算得到的前后轮转角信号δf或δr以及t1,t2,t3,t4，从整车电子控制单元18中分别发送到前轮转向电机控制器或后轮转向电机控制器以及四个轮毂电机控制器中，电机控制器产生相应电流带动对应电机转动，实现车辆的行驶。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明设计了一种线控四轮主动转向电动轮系统，可实现前、后轮的主动转向和四轮的独立驱动。配有转向系统故障检测装置，可实时检测转向系统故障。装配激光雷达和车载摄像机，可实现路径识别和规划。系统结构简单，易操作，造价低廉，易于实现。

2.本发明设置两个转向控制器：稳定性控制模块和容错控制模块。可实现正常工况下的稳定性控制和故障工况下的容错控制。同时，本系统可实现路径识别和规划，故障发生后本系统仍能正常按驾驶员意图跟踪路径的目标，减轻故障发生后驾驶员的心理负担和操作负担，提高车辆行驶的安全性和稳定性。

附图说明

图1是本发明提供的线控四轮转向电动轮系统的结构图；

图2是容错控制策略示意图；

图3是容错控制策略示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

以下实施例中，整车电子控制单元18(即ecu)选用bosch公司生产的型号为edc17cp14/5/p680的车用ecu。

实施例1

如图1所示，本发明在现有的线控转向系统的基础上，设计一种四轮主动转向电动轮系统。中央控制器中内置两种转向控制器:稳定性控制模块和容错控制模块。正常工况下稳定性控制模块工作，前、后轮转角由中央控制器根据方向盘转角、横摆角速度传感器、质心侧偏角传感器、车速传感器信号计算出前、后轮转角并发送到前、后轮转向电机控制器中，然后前、后轮转向电机控制器产生相应的电流控制对应的电机转动。故障工况下容错控制模块工作，根据从转向电机故障检测装置得到的故障信息，中央控制器选择对应的容错控制模块并结合方向盘转角、横摆角速度、质心侧偏角、车速、激光雷达和车载摄像机信号计算出前、后轮转角和四个轮毂电机的驱动力矩并对应发送到前、后轮转向电机控制器和轮毂电机控制器中，然后前、后轮转向电机控制器和轮毂电机控制器对应的产生相应的电流控制电机转动。

具体而言，本实施例提供的线控四轮转向电动轮系统包括：方向盘9、方向盘转角传感器10、后轮转向电机4、前轮转向电机14、后轮转向电机控制器5、前轮转向电机控制器13、后轮电机故障检测装置2、前轮电机故障检测装置16、后齿轮齿条式转向器3、前齿轮齿条式转向器15、后轮转向横拉杆6、前轮转向横拉杆12、第一轮毂电机1、第二轮毂电机7、第三轮毂电机11、第四轮毂电机17、横摆角速度传感器19、质心侧偏角传感器20、车速传感器21、激光雷达22、车载摄像机23、整车电子控制单元8(ecu)和can总线18；

方向盘9位于车体内，方向盘转角传感器10通过方向盘转向管柱与方向盘9相连，获取方向盘转角信号；

后轮转向电机控制器5和前轮转向电机控制器13分别与can总线18连接，接收can总线18传递的信号；

整车电子控制单元8即为ecu模块，包括依次连接的路径规划模块、驾驶员模块、稳定性控制模块和容错控制模块。

本实施例中，后轮转向电机4和前轮转向电机14均为永磁无刷直流电机。

本实施例同时提供了上述线控四轮主动转向电动轮系统的转向容错控制方法：

上述整车电子控制单元18内置两个控制器，稳定性控制模块和容错控制模块，二者根据电机故障检测装置16向整车电子控制单元18发送的信号进行控制器的切换；当前轮转向电机14未发生故障时，电机故障检测装置16向整车电子控制单元18发送低电平，控制单元运行稳定性控制模块，实行稳定性控制策略；当前轮转向电机14发生故障时，电机故障检测装置16向整车电子控制单元18发送高电平，控制单元运行容错控制模块，实行容错控制策略。

如附图2所示，所述稳定性控制策略包含以下步骤:

步骤1)，驾驶员转动方向盘，整车电子控制单元18通过方向盘转角传感器得到方向盘转角δsw，通过式(1)得到理想横摆角速度w^*和理想质心侧偏角β^*：

步骤2)，稳定性控制模块计算横摆角速度偏差wd、质心侧偏角偏差βd：

理想横摆角速度w^*和理想质心侧偏角β^*与由传感器测得的实际横摆角速度w和质心侧偏角β作差得：

w为传感器测得的实际横摆角速度，β为传感器实际测得的质心侧偏角，wd为横摆角速度偏差，βd为质心侧偏角偏差。

将式(4)代入由结构奇异值μ控制算法(5)得到的稳定性控制模块，算出前轮转角δf和后轮转角δr；

如附图3所示，所述容错控制策略包含以下步骤: