本发明属于汽车工程技术领域，尤其涉及一种基于车路协同的汽车主动转向控制系统及方法。
背景技术：
随着科学技术水平的发展，汽车的自动化与智能化程度进一步提升，人们对于汽车行驶的操纵性、舒适性和安全性等越来越重视，汽车转向系统的研究也得到了很大程度的发展。汽车转向系统的发展历程主要包括了以下几个阶段：机械转向系统、液压助力转向系统、电控液压助力转向系统、电动助力转向系统、主动转向系统、线控转向系统、自动转向系统。
近年来，主动转向系统(afs)已在实车上得到应用，以宝马开发的主动前轮转向系统为例，通过增设一套双行星齿轮机构，根据驾驶员的驾驶意图，利用主动转向电机对汽车前轮施加一个独立于驾驶员的转向附加转角，从而对驾驶员施加在前轮上的转向角度适当的进行修正，对车辆进行主动转向控制，以此来提高车辆的操纵稳定性以及轨迹保持性能，实现主动转向。此系统通过施加修正角度解决了低速时转向灵活与高速时保证方向稳定的矛盾，进一步提高了车辆的稳定性与操纵性。但是，这种现代主动转向系统控制系统仅仅只根据车速和驾驶者施加在前轮的转向角度计算出附加转向角，并未考虑不同路况车辆转向角的差异性。此外，在整个转弯过程中，转弯角度产生的外部信息依据仅仅是驾驶员的主观判断，这种主动转向控制系统计算形成的转弯角度对道路的适应性差，没有结合要经过的弯道具体的道路信息，因此这种系统形成的转弯角度可靠性不高。
经对现有技术文献检索发现，公开号为：cn108423065a，公开了一种少齿差行星齿轮主动转向系统及其控制方法，该技术控制方法包括通过实时采集汽车车速，获得当前车速下转向系统的传动比，同时采集汽车方向盘转角和转矩，根据所述转向系统的传动比计算耦合电机的输出转角，并控制耦合电机输出所述转角。但是，该控制系统对于车辆转弯过程的外界信息采集不充分，未考虑道路状况对车辆转弯的影响，控制系统对于车辆转弯的适应性较差。
技术实现要素：
针对上述现有技术的不足，本发明提出了一种基于车路协同的汽车主动转向控制系统及方法，其设计合理且操作简便，基于车路协同的思想，能够针对不同的路况信息实时控制车辆的转向角度，有效地提升了车辆转向时的安全性和可靠性，避免了因驾驶员主观驾驶意图的失误而产生的安全事故。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现的，本发明包括对汽车转向状态监测装置，对接收和监测的数据进行计算处理的控制单元，对综合信息处理结果执行的调节控制执行机构。
本发明系统的技术方案为一种基于车路协同的汽车主动转向控制系统，其特征在于，包括方向盘转角传感器、发动机转速传感器、车速传感器、gps导航模块、横摆角速度传感器、车载雷达、车辆端路基信号接收器、道路旁路基信号发射器、主动转向控制单元、方向盘转角控制器、发动机转速控制器、节气门调节器；
所述主动转向控制单元分别与所述的方向盘转角传感器、发动机转速传感器、车速传感器、gps导航模块、横摆角速度传感器、车载雷达、车辆端路基信号接收器、方向盘转角控制器、发动机转速控制器、节气门调节器通过导线依次连接。
作为优选，所述主动转向控制单元位于汽车前盖蓄电池旁，用于实时接收信息并实时反馈，从而实现转向的实时控制；
作为优选，所述方向盘转角传感器位于汽车转向轴上，用于检测驾驶员转动方向盘角度信号θ；
作为优选，所述发动机转速传感器位于发动机气缸靠近飞轮处，用于检测当前状况下发动机转速n；
作为优选，所述车速传感器位于驱动桥壳或变速器壳内，用于检测车速v；
作为优选，所述gps导航模块位于汽车方向盘下部，用于车辆定位和提供路线信息；
作为优选，所述横摆角速度传感器位于，用于检测当前车辆转向角速度ω；
作为优选，所述车载雷达位于车头大灯下方，用于检测车辆周围障碍物及其距离；
作为优选，所述车辆端路基信号接收器位于汽车车顶，用于接收实时监测装置传输的道路静态信息道路曲率k、路面倾斜角β；
作为优选，所述道路旁路基信号发射器位于道路转角处提供道路静态信息道路曲率k、路面倾斜角β；
作为优选，所述方向盘转角控制器位于汽车转向轴上，用于调控方向盘转向角度；
作为优选，所述发动机转速控制器位于变速器箱内，用于调控发动机转速；
作为优选，所述节气门调节器位于进气管上的节气门旁，用于调控车辆车速；
其中，所述的主动转向控制单元根据gps导航模块、车载雷达、道路旁路基信号发射器收集到的信号采用mpc模型预测控制方法进行综合处理，得出弯道数据、车辆转弯的位置和转弯的角度、车辆转弯的适配速度。
本发明方法的技术方案为一种基于车路协同的汽车主动转向控制方法，具体包括以下步骤：
步骤1：当车载端路基信号接收器接收到道路旁路基信号发射器发送的即将进入直道信号时，主动转向控制单元通过汽车状态和路况信息计算理论车辆速度和理论发动机转速，将理论车辆速度与当前车辆速度进行偏差计算以控制节气门调节器，将理论发动机转速与当前发动机转速进行偏差计算以控制发动机转速控制器。
步骤2：当车载端路基信号接收器接收到道路旁路基信号发射器发送的进入弯道信号时，主动转向控制单元通过汽车弯道状态以及和路况信息计算出车辆转向附加角、发动机转速调整值和车速调整值，分布根据车辆转向附加角、发动机转速调整值和车速调整值控制车辆行驶。
作为优选，步骤1中所述汽车状态为：
主动转向控制单元接收来自发动机转速传感器传送的发动机转速信号n、车速传感器传送的车速信号v以及横摆角速度传感器监测的横摆角速度信号ω；
步骤1中所述路况信息为：
利用车载端路基信号接收器接收、道路旁路基信号发射器传出的道路曲率k、路面倾斜角β；
步骤1中所述计算理论车辆速度和理论发动机转速为：
利用三自由度线性动力学模型分别计算理论车速v0、理论发动机转速n0：
其中，m为整车质量,ix、iz分别为整车质量绕车身重心x轴的转动惯量和绕z轴的转动惯量；ω为由横摆角速度传感器检测的横摆角速度；φ为车辆侧倾角；α为质心侧偏角，kf、kr、ks为轮胎与转向角间的线性系数；vx为由车速传感器检测的车辆纵向速度；lf、lr分别为重心到前后轴的距离；h为重心高度，c和k分别为悬架阻尼系数和悬架等效刚度；θ为方向盘角度信号，io为绕侧倾中心的转动惯量；n为传动系数，ia为曲轴与离合器齿轮传动比，ib为离合器与变速箱齿轮传动比，ic为变速箱与传动轴齿轮传动比；
步骤1中所述将理论车辆速度与当前车辆速度进行偏差计算以控制节气门调节器为：
理论车速v0与由车速传感器检测的当前车辆的速度进行对比，计算车速偏差信号δν＝ν0-ν，并将车速偏差信号分配至节气门调节器从而调节车速v；
将理论发动机转速与当前发动机转速进行偏差计算以控制发动机转速控制器为：
理论发动机转速n0与发动机转速传感器检测的当前发动机转速n进行对比，计算出发动机转速偏差信号δn＝n0-n，并将发动机转速偏差信号分配至发动机转速控制器，从而调节发动机转速n；
作为优选，步骤2中所述汽车弯道状态为：
主动转向控制单元接收方向盘转角传感器传送的方向盘角度信号θ、发动机转速传感器传送的发动机转速信号n、车速传感器传送的车速信号v以及横摆角速度传感器监测的横摆角速度信号ω；
步骤2中所述路况信息为：
利用车载端路基信号接收器接收、道路旁路基信号发射器传出的道路曲率k、路面倾斜角β；
计算出调整值车辆转向附加角、发动机转速调整值和车速调整值具体为：
利用模型预测控制算法计算出调整值车辆转向附加角θ1、发动机转速调整值n1和车速调整值v1，具体如下：
式中，m为整车质量,ix、iz分别为整车质量绕车身重心x轴的转动惯量和绕z轴的转动惯量；ω为横摆角速度由所述横摆角速度传感器检测；φ为车辆侧倾角；α为质心侧偏角，kf、kr、ks为轮胎与转向角间的线性系数；vx为车辆纵向速度由所述车速传感器检测；lf、lr分别为重心到前后轴的距离；h为重心高度，c和k分别为悬架阻尼系数和悬架等效刚度；θ为方向盘角度信号，io为绕侧倾中心的转动惯量；
根据车辆三自由度模型引入状态量，得到控制系统的状态空间方程如下：
式中，k为弯道曲率由所述道路旁路基信号发射器检测，β为道路倾斜率由所述道路旁路基信号发射器检测v为车速信号由所述车速传感器检测，n为发动机转信号速由发动机转速传感器检测，θ为方向盘角度信号由方向盘转角传感器检测，v1为车速调整值；n1为发动机转速调整值；θ1为车辆转向附加角；
步骤2中所述分布根据车辆转向附加角、发动机转速调整值和车速调整值控制车辆行驶为：
将车速调整值v1传给节气门调节器实现对车辆弯道行驶速度v的调节控制；
将发动机转速调整值n1传给发动机转速控制器实现对发动机弯道转速n的调节控制；
将车辆转向附加角θ1传给方向盘转角控制器实现对方向盘弯道角度θ的调节控制。
由于采用了上述方案，本发明具有的积极效果是：
综合采用车载雷达、gps导航模块与道路旁路基信号发射器获取道路信息，增加路况信息在汽车转向方案中的影响，通过细化转向方案和转向策略，提升转向的安全性和车辆的稳定性。
对车辆转向角度控制采用实时闭环控制方案，综合匹配车速、转向角、发动机转速，通过感应器传回实时监测数据，并结合路况环境对转向方案实时修正，能有效的排除干扰和模型的不确定因素，提升转向的安全性。
主控单元采用mpc模型预测控制方法，在车辆转向过程中对采集的车辆道路信息进行滚动优化和反馈矫正，有效的提升整个控制过程的精确性、灵敏性与实时性。
综合考虑转向干预和制动干预提高车辆的稳定性，在极端工况下，可通过降低车速保证转向时车身的稳定性。
增加车辆转弯的安全防护，在车辆进入合适的转弯区域时，会进行提示，并根据操作状况进行减速重新更正转向方案，以提高转向的可靠性。
附图说明
图1：本发明实施例的基于车路协同的汽车主动转向控制系统示意图；
图2：本发明实施例的复合反馈控制系统结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明实施例的基于车路协同的汽车主动转向控制系统示意图。本发明具体实施方式系统的一种基于车路协同的汽车主动转向控制系统，其特征在于，包括方向盘转角传感器、发动机转速传感器、车速传感器、gps导航模块、横摆角速度传感器、车载雷达、车辆端路基信号接收器、道路旁路基信号发射器、主动转向控制单元、方向盘转角控制器、发动机转速控制器、节气门调节器；
所述主动转向控制单元分别与所述的方向盘转角传感器、发动机转速传感器、车速传感器、gps导航模块、横摆角速度传感器、车载雷达、车辆端路基信号接收器、方向盘转角控制器、发动机转速控制器、节气门调节器通过导线依次连接。
所述主动转向控制单元位于汽车前盖蓄电池旁，用于实时接收信息并实时反馈，从而实现转向的实时控制；
所述方向盘转角传感器位于汽车转向轴上，用于检测驾驶员转动方向盘角度信号θ；
所述发动机转速传感器位于发动机气缸靠近飞轮处，用于检测当前状况下发动机转速n；
所述车速传感器位于驱动桥壳或变速器壳内，用于检测车速v；
所述gps导航模块位于汽车方向盘下部，用于车辆定位和提供路线信息；
所述横摆角速度传感器位于，用于检测当前车辆转向角速度ω；
所述车载雷达位于车头大灯下方，用于检测车辆周围障碍物及其距离；
所述车辆端路基信号接收器位于汽车车顶，用于接收实时监测装置传输的道路静态信息道路曲率k、路面倾斜角β；
所述道路旁路基信号发射器位于道路转角处提供道路静态信息道路曲率k、路面倾斜角β；
所述方向盘转角控制器位于汽车转向轴上，用于调控方向盘转向角度；
所述发动机转速控制器位于变速器箱内，用于调控发动机转速；
所述节气门调节器位于进气管上的节气门旁，用于调控车辆车速；
所述主动转向控制单元采用intelatomz530processor,1.6ghz处理器；
所述方向盘转角传感器采用丰田转向角度传感器型号为89245-74010；
所述发动机转速传感器采用丰田普瑞维亚2za转速感应器型号为83181-35051；
所述车速传感器采用大众abs车速度传感器型号为wht003857；
所述横摆角速度传感器采用高精度磁场传感器电子陀螺仪型号为hwt905；
所述车载雷达采用cobra-spxc8000g车载雷达；
所述gps导航模块采用vogo车载gps型号为vogo-919；
所述方向盘转角控制器采用三菱fx2nplc控制板控制器型号为tm2n-26mt；
所述发动机转速控制器采用shaluo转速控制器型号为esd5500e；
所述节气门调节器采用一汽节气门阀调节器型号为22030-28070；
所述道路旁路基信号发射器采用flexrio信号发生器型号为pxie-5745；
所述车辆端路基信号接收器采用okit信号接收器型号为okit-f43。
下面结合图1至图2介绍本发明的具体实施方式为一种基于车路协同的汽车主动转向控制方法，具体包括以下步骤：
步骤1：当车辆端路基信号接收器接收到道路旁路基信号发射器发送的即将进入直道信号时，主动转向控制单元通过汽车状态和路况信息计算理论车辆速度和理论发动机转速，将理论车辆速度与当前车辆速度进行偏差计算以控制节气门调节器，将理论发动机转速与当前发动机转速进行偏差计算以控制发动机转速控制器。
步骤1中所述汽车状态为：
主动转向控制单元接收来自发动机转速传感器传送的发动机转速信号n、车速传感器传送的车速信号v以及横摆角速度传感器监测的横摆角速度信号ω；
步骤1中所述路况信息为：
利用车辆端路基信号接收器接收、道路旁路基信号发射器传出的道路曲率k、路面倾斜角β；
步骤1中所述计算理论车辆速度和理论发动机转速为：
利用三自由度线性动力学模型分别计算理论车速v0、理论发动机转速n0：
其中，m为整车质量,ix、iz分别为整车质量绕车身重心x轴的转动惯量和绕z轴的转动惯量；ω为由横摆角速度传感器检测的横摆角速度；φ为车辆侧倾角；α为质心侧偏角，kf、kr、ks为轮胎与转向角间的线性系数；vx为由车速传感器检测的车辆纵向速度；lf、lr分别为重心到前后轴的距离；h为重心高度，c和k分别为悬架阻尼系数和悬架等效刚度；θ为方向盘角度信号，io为绕侧倾中心的转动惯量；n为传动系数，ia为曲轴与离合器齿轮传动比，ib为离合器与变速箱齿轮传动比，ic为变速箱与传动轴齿轮传动比；
步骤1中所述将理论车辆速度与当前车辆速度进行偏差计算以控制节气门调节器为：
理论车速v0与由车速传感器检测的当前车辆的速度进行对比，计算车速偏差信号δν＝ν0-ν，并将车速偏差信号分配至节气门调节器从而调节车速v；
将理论发动机转速与当前发动机转速进行偏差计算以控制发动机转速控制器为：
理论发动机转速n0与发动机转速传感器检测的当前发动机转速n进行对比，计算出发动机转速偏差信号δn＝n0-n，并将发动机转速偏差信号分配至发动机转速控制器，从而调节发动机转速n；
步骤2：当车辆端路基信号接收器接收到道路旁路基信号发射器发送的进入弯道信号时，主动转向控制单元通过汽车弯道状态以及和路况信息计算出车辆转向附加角、发动机转速调整值和车速调整值，分布根据车辆转向附加角、发动机转速调整值和车速调整值控制车辆行驶。
步骤2中所述汽车弯道状态为：
主动转向控制单元接收方向盘转角传感器传送的方向盘角度信号θ、发动机转速传感器传送的发动机转速信号n、车速传感器传送的车速信号v以及横摆角速度传感器监测的横摆角速度信号ω；
步骤2中所述路况信息为：
利用车辆端路基信号接收器接收、道路旁路基信号发射器传出的道路曲率k、路面倾斜角β；
计算出调整值车辆转向附加角、发动机转速调整值和车速调整值具体为：
利用模型预测控制算法计算出调整值车辆转向附加角θ1、发动机转速调整值n1和车速调整值v1，具体如下：
式中，m为整车质量,ix、iz分别为整车质量绕车身重心x轴的转动惯量和绕z轴的转动惯量；ω为横摆角速度由所述横摆角速度传感器检测；φ为车辆侧倾角；α为质心侧偏角，kf、kr、ks为轮胎与转向角间的线性系数；vx为车辆纵向速度由所述车速传感器检测；lf、lr分别为重心到前后轴的距离；h为重心高度，c和k分别为悬架阻尼系数和悬架等效刚度；θ为方向盘角度信号，io为绕侧倾中心的转动惯量；
根据车辆三自由度模型引入状态量，得到控制系统的状态空间方程如下：
式中，k为弯道曲率由所述道路旁路基信号发射器检测，β为道路倾斜率由所述道路旁路基信号发射器检测v为车速信号由所述车速传感器检测，n为发动机转信号速由发动机转速传感器检测，θ为方向盘角度信号由方向盘转角传感器检测，v1为车速调整值；n1为发动机转速调整值；θ1为车辆转向附加角；
步骤2中所述分布根据车辆转向附加角、发动机转速调整值和车速调整值控制车辆行驶为：
将车速调整值v1传给节气门调节器实现对车辆弯道行驶速度v的调节控制；
将发动机转速调整值n1传给发动机转速控制器实现对发动机弯道转速n的调节控制；
将车辆转向附加角θ1传给方向盘转角控制器实现对方向盘弯道角度θ的调节控制。
本实例将车路协同技术应用于主动转向控制系统中，通过对道路信息的采集与接收，使系统能够更加精确的进行辅助转向角的计算，很大程度上改善了人为因素对转向过程的干扰。整个控制过程实现实时控制，前馈控制与反馈控制相结合，使数据能更快速、更精确，更及时的传输到主控单元及各个控制器，提高了转弯过程的安全性与稳定性。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
尽管本文较多地使用了方向盘转角传感器、发动机转速传感器、车速传感器、gps导航模块、横摆角速度传感器、车载雷达、车辆端路基信号接收器、道路旁路基信号发射器、主动转向控制单元、方向盘转角控制器、发动机转速控制器、节气门调节器等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。