专利名称：用于生成机动车辆的前馈控制转向系统的控制函数的方法
技术领域：
本发明总体上涉及机动车辆的转向系统的控制的设计、调整和操作。具体地，本发明涉及一种用于生成机动车辆的前馈(feedforward)控制转向系统(前馈主动转向控制)的控制函数的方法，并且涉及一种用于机动车辆的前馈控制转向系统的控制方法和控制系统。
背景技术：
主动转向技术提供了作为各种驾驶情况的函数调整机动车辆的响应的可能性。例如，如果城镇中的机动车辆典型地以低速驾驶通过小街道，由于转向的原因驾驶员的负荷相对高。在这种情况下，因此需要转向系统对转向角有良好的响应行为及高偏航响应，并且这样导致一种更易响应的机动车辆。
另一种情况是以低转向载荷在高速公路上行驶，典型地在高速时发生。在这种情况下，需要车辆有相对小的响应，即，需要相同的转向角对车轮具有相对小的作用，这导致机动车辆的更平稳的响应行为而且允许更加舒适的驾驶。主动前轮转向(AFS)的技术以及电子转向(线控，SbW)的技术通过将由电机控制的转向角叠加在驾驶员的转向角上使实现这些特征成为可能。类似的特征通过主动修改后轮轴的前束角(toe angle)的主动后轮转向(ARS)变为可能，机动车辆的响应行为因此要么变得更加灵敏，前提是ARS角与转向角异号，要么变得更加稳定并且更加舒适，前提是ARS角与转向角同号。为了实现上述特征，具有二维控制特性图的运算法则总体上用作转向角的函数以及车辆的速度的函数。这些控制特性图也被称为前馈图(FFM)。控制特性图典型地通过执行标准移动，具体例如稳态转弯的机动车辆的原型实验性地调整。对于由特定的转向角和特定的车辆速度识别的每一种稳态转弯条件，评估机动车辆的响应行为的应用技术人员检查在响应的方向或稳定性的方向上是否有修正，并且上述技术人员以该基于试验和个人经验的方法找到用于对控制特性图的对应于该转向角和该车辆速度的点的正确调整。一方面，该程序需要机动车辆的原型的可用性，另一方面，该程序非常耗费时间。结果还在很大程度上依赖于应用技术人员的经验，并且产生的图仅具有低分辨率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于为机动车辆的前馈主动转向系统产生控制函数的有利方法以及用于机动车辆的前馈主动转向系统的有利控制方法和有利控制系统。该目的分别通过以下技术方案实现。根据本发明，使得对于预先定义的目标行为产生机动车辆的前馈控制主动转向系统的控制函数的方法可用。控制函数描述作为两个参数的函数的转向角修正。在该方法中，基于机动车辆的当前行为和稳态转弯的预先定义的目标行为确定转向角修正，作为在稳态转弯过程中发生的横向加速度和在稳态转弯过程中发生的弯道半径的函数。通过数学建模，将依赖于横向加速度以及弯道半径的转向角修正转换成依赖于转向角和纵向速度的转向角修正，然后转向角修正形成控制函数。转向角修正在这里可以包含前轮的转向角的至少一个修正和/或后轮的转向角的至少一个修正。数学建模在这里可以从车辆模型或机动车辆的稳态转弯中获取数学建模。在该方法中，基于数学建模和依赖于横向加速度和弯道半径的转向角修正产生等式系统，该等式系统的解形成控制函数。控制函数在这里可以由等式系统的显解提供。控制函数可以由基于等式系统获取的控制特性图表示。在该方法中，目标行为可以从另一机动车辆得到。本发明还公开了一种用于机动车辆的 前馈控制转向系统的控制方法，该控制方法使用根据上述方法获取的控制函数。本发明还公开了一种用于机动车辆的转向系统的控制系统，该控制系统具有用于机动车辆的前馈控制转向装置的控制单元，该控制单元基于根据上述方法获取的控制函数。由于根据本发明的方法中基于机动车辆的当前行为和机动车辆的期望行为确定用于转向系统的控制这一事实，可以在不需要原型和不需要复杂的测试程序的情况下调整机动车辆的转向行为。另外因为不需要根据经验获得的测试结果的评估，所以可以以满意地可重现的方式不依赖于应用技术人员的经验确保转向系统的实施的质量以及车辆中转向系统本身的质量。基于控制函数对机动车辆的转向角和纵向速度的依赖，可以易于实施基于控制函数的前馈控制主动转向系统，其中机动车辆的转向角和纵向速度在任何机动车辆中以数值的形式可用。车辆的期望目标行为可以根据转向不足图示从响应得到。响应可以从转向不足图示中容易地获得，结果是可以非常满意地完成转向系统的适应。目标行为具体地还可以从另一机动车辆中得到。例如，机动车辆的转向行为可以用这种方式适应于另一机动车辆的转向行为。控制可以包含用于机动车辆的前轮轴和/或后轮轴的主动转向系统。具体地，如果主动地使前轮轴和后轮轴转向，那么为机动车辆的转向行为获得各种适应可能性。用于将依赖于横向加速度和弯道半径的转向角修正转换为依赖于转向角和纵向速度的转向角修正的数学建模可以从车辆模型中获取，例如，可以从单向模型中获取。可选择地，还存在从机动车辆的稳态转弯中获取数学模型的可能性，也即根据经验获取。基于数学建模和依赖于横向加速度和弯道半径的转向角修正的转换在本方法的一个实施例中通过产生等式系统发生，其中等式系统的解形成控制函数。在此背景下，可以通过等式系统的显解提供控制函数，或者可以通过基于等式系统获取的控制特性图表示控制函数。根据本发明的用于机动车辆的前馈控制转向系统的控制方法使用控制函数，该控制函数利用根据本发明的用于产生控制函数的方法获取。以这样的方式产生的控制函数的使用允许在低花费的情况下且以满意地可重现的方式实施控制方法或者适应于变化的要求。根据本发明的用于机动车辆的主动转向系统的控制系统包含用于机动车辆的前馈控制主动转向装置的控制单元。控制单元基于根据产生控制函数的方法获取的控制函数。利用以这样的方式产生的控制函数允许在低花费的情况下实施控制系统且适应于变化的要求。
本发明进一步的特征、性能和优点可以参照附图在以下对示例性实施例的描述中得到，其中图I表示机动车辆的示意图；图2表示机动车辆的转向不足图示；图3表示用于后轮轴转向系统的控制的图示； 图4表示用根据本发明的方法获取的用于前轮轴转向系统的控制特性图；以及图5表示用根据本发明的方法获取的用于前轮轴转向系统的控制函数。
具体实施例方式附图仅用于说明本发明而非限制本发明。附图和各个部件不一定按比例绘制。同一附图标记指代相同或类似的部件。图I表示如客车或卡车这样的机动车辆I的示意图。车辆I具有前轮轴2和后轮轴3，前轮轴2和后轮轴3具有车轮4。前轮轴2的转向系统5由机动车辆I的驾驶员利用方向盘8操作并且作用于前轮轴2上。除了传统的前轮轴转向系统以外，后轮轴3也可以通过存在于后轮轴3上的转向系统9转向，为此，后轮轴3的前束角是调适的。后轮轴3可以在相对于前轮轴2的相同方向上转向或者在相对于前轮轴2的相反方向上转向。控制器6通过前轮轴2和/或后轮轴3的主动转向控制转向函数或转向函数的辅助，其中转向函数或转向函数的辅助使用存在的转向系统5、9。为了实施控制器6的响应行为以及转向函数的响应行为，控制器6利用控制函数或控制特性图7，控制函数或控制特性图7对于机动车辆的期望目标行为而产生。然后通过考虑车辆的期望目标行为及其当前行为确定控制函数或控制特性图7。例如，图4中表示了具有两个变量(纵向速度Vx和转向角Sd)的控制特性图或控制函数，例如，图5中表示了具有变量(纵向速度vx)的振幅比函数。基于图2到5说明对于预先定义的目标行为产生用于机动车辆的前馈控制转向系统的控制函数。控制函数描述了作为两个参数的函数的用于前轮的转向角修正Sf。以及用于后轮的转向角修正图2表示用于100米的圆的稳态转弯的机动车辆的转向不足图示，在该情况下用于主动后轮轴转向。当然，还可以选择主动前轮轴转向系统的转向不足图示。同样地，还可以将用于不同于100米的半径的稳态转弯的机动车辆的至少一个转向不足图示用作可选，或者除了用于100米的圆的稳态转弯的转向不足图示以外还使用其他半径的稳态转弯的机动车辆的至少一个转向不足图示。在转向不足图示中，为机动车辆的实际转向行为(实线)和期望目标行为(虚线)都绘制为了沿100米的圆驾驶而由驾驶员采用的前轮的转向角(FWA，前轮角)对机动车辆的横向加速度(ay)的图。前轮的转向角FWA通过传动比连接到由驾驶员采用的转向轮的转动角。在实际行为中，为了沿100米的圆驾驶而由驾驶员采用的前轮的转向角通过传动比直接被方向盘的转动角定义。在目标行为中，转向系统经历一种修正，该修正导致这样的情况为了沿100米的圆驾驶，驾驶员不得不采用图2中虚线所示的方向盘的转动角。在本示例中，通过主动后轮轴转向系统完成这一修正。转向不足图示对描述处于稳态的机动车辆的响应行为的特征是非常有益的，而且，对定义机动车辆的可能的期望目标行为也是非常有益的，然后机动车辆的期望目标行为可以例如由主动转向系统实施。图2中的图示提出一种后轮轴转向系统的可能的控制，其是由相对小的运动转角和相对高的转向不足梯度的要求引起的。就车辆的转向行为而言，该目标行为意味着当存在相对低的横向加速度时，车辆更加容易响应，结果是由驾驶员执行的转向运动减少。具体地，在停车操控过程中需要的转向角因此降低约20%。另外，所示的车辆的目标行为意味着车辆在相对高的横向加速度时反应较小，结果是对转向运动反应更小。来自转向不足图示的目标行为或目标响应因此包含一些主要要求，这些要求由响应和稳定性的提高构成，正如现代用于底盘的控制系统所预期的那样。为了达到虚线曲线而执行的修正基于在各种横向加速度ay(图3的靠上的图)和各中圆形的半径R(图3的靠下的图)时的用于主动后轮轴转向的修正角ARS (如图3所示)。后轮的修正角概况从图3中靠上的图所示的修正角 概况的概括以及图3中靠下的图所示的修正角概况的加和中获得。还可以对于另一机动车辆确定目标行为。例如，可以想到，将要接近具有主动前轮轴转向系统和/或主动后轮轴转向系统的另一已有车辆的转向不足行为的机动车辆的转向行为。因此，显而易见的是，具有期望目标行为的任何期望转向不足图示可以用于定义一种或多种目标行为。来自转向不足图示(图2)的目标行为遵照以下公式Sd = arctan〔去)+ Kt (ay ,R) = fT(ay,R)(I)在这里，S D表示由驾驶员采用或将由驾驶员采用的转向角，R表示在稳态转弯过程中的弯道半径，ay表示转弯过程中的横向加速度以及Kt表示转向不足的目标函数或期望转向不足梯度。应当确保公式I反映了机动车辆的可能的自然行为。为此，应当应用以下两个一致性规则。规则1，由如下公式2给出，规定fT是ay的正的单调增函数。fT > 0，
i>o⑵
Say⑷对于车辆来说，这意味着，在以恒定的半径R转弯的情况下，转向角的增加对应于横向加速度ay的提高，横向加速度ay的提高例如对转向不足的机动车辆来说是惯常的。规则2，由如下公式3给出，规定fT是R的单调减函数。
_4] ^<0(3)对于车辆来说，这意味着，在以恒定的横向加速度转弯的情况下，相对大的弯道半径导致转向角的减小，并且相对小的弯道半径的情况下，导致转向角增大。横向加速度ay和弯道半径R这两个变量定义二维空间，以下称为要求域(requirements domain)，简称为 RD0在图2的转向不足图示的基础上已经定义目标行为之后，以下将说明相对于目标行为确定用于机动车辆的前馈控制转向系统的控制函数。基于对应于由测试行程得到的经验性评价的机动车辆的非线性单个轨迹模型，将由驾驶员采用的转向角Sd以及到现在为止尚未确定的前、后轮处的转向角修正\。匕可以由以下等式表达Sd+S^c- Src = arctan〔去)+ K(ay, R)(4)等式4引入了用于主动前轮轴转向系统(AFS)或线控转向(SbW)的激活的未知控制变量Sfc以及用于主动后轮轴转向系统(ARS)的激活的变量在等式4中由等式I替换的由驾驶员采用或将由驾驶员采用的转向角S D引起前 轮的修正角(S fc)和/或后轮的修正角(5 J，它们通过当前(负的)转向行为和目标行为之间的差值提供Syc -5rC = arctan〔去)-arctan〔去)^ + (K{ay,R)~Kt(ay,R))(5)或者相当于8 fC- 8 rC = A Kin (R) - A K (ay, R)(6)可以从等式6中最大程度地看出，控制过程由两项组成。第一项Akin(R)是以减小运动转向角为目的，并且在该情况下定义为正的。这样总体上提高了低速时机动车辆的响应，其中如果转弯行为受轮胎的偏斜运行刚性影响，该效果在相对高的横向加速度时减小。第二项AK(ay，R)是以增加转向不足梯度、从而提高相对高速时的舒适和稳定性为目的。如果期望目标行为的Kt(ay，R)大于没有转向角修正时的K(ay，R)，那么在该情况下，第二项也定义为正的。以这样的方式定义的主动转向对主动前轮轴转向AFS和主动后轮轴转向ARS或者主动前轮轴转向和主动后轮轴转向的结合都是有效的。AFS和ARS的差别仅是符号相反。公式的令人感兴趣且简化的发展包含，控制由从标称值偏离的百分比表达这样的事实
f I、^Kin (R) = WBR% * arctan —
W(7)AK(ay，R) = UGI%*K(ay，R)公式7对应于减少了给定百分比(轴距减少百分比，WBR.J的机动车辆I的轴距的等量减少和增加了给定百分比(转向不足梯度增加百分比，UGLx)的转向不足梯度的等量增加的要求。在该情况下，被提议的转向仅具有两个调整参数，具体是WBRjP UGI%，并且由以下公式表示Sfc -Src = WBR0/o arctan〔去)-UGI% K( ay ,R)(8)图3表示例如公式8中描述的在要求域RD中用于主动后轮轴转向ARS的控制的典型的实施。图3中靠上的图示表示用于修正转向不足梯度的修正角，其是横向加速度ay的线性函数。图3中靠下的图示表示用于修正低速时(运动)响应的修正角，其是弯道半径R的双曲线函数。这两个角加和在一起并实施。根据等式8的控制的公式具有以下优点其非常简单并且只要在转向不足图示中定义目标行为就仅基于两个调整参数。另一优点是用两个函数描述控制，在没有交叉耦合或横向耦合的情况下，每一个函数仅具有一个变量。现在在要求域RD中定义向前定向或向前耦合的控制。然而，弯道半径是难以测量或估计的静态值。因此难以在机动车辆I中实施以这样的方式定义的控制。为了便于实施或者完全允许实施，提供新的二维空间，其被称为控制器实施域(CID)并且受将由驾驶员采用的转向角Sd和纵向速度Vx的限制，其中转向角Sd是数值对中前面的一个。为此，RD和CID之间的关系吼以数学建模的形式定义
SL
RD: [Rss, av<ss\ 〈Z^> CID: \8D, vxl对于设计良好的典型地在非线性区域具有转向不足行为的机动车辆，该关系仅仅是转向不足图示的测量点的集合的双射。当所有车辆中的测量结果或良好估计以及用于主动转向的典型控制特性图(前馈图，FFM)表达为前转向角Sd和纵向速度Vx的函数时，由于将由驾驶员采用的转向角Sd和纵向速度Vx存在于CID中，上述关系尤其易于实施。关系吼容易从机动车辆的模型中得到或者容易直接从来自测试操控的数据记录以及来自稳态的简单关系得到。关系91可以表示如下
剛(9)
^ = (I-WBKJatanl j\ + K(ay,R) + UGI% Ku ay然后通过求解由具有四个变量(R、ay、SD、Vx)的三个等式组成的以下系统给出最终的控制特性图
Sfc-Src = WBK/0 arctan^j - UGI % K(ay,R)
V2= —(10)
ay
Sd = (I - WBRyJ atan[^ + K(ay, R) + UGI% Ku ay其中R和ay通过代入法消去。然后，在CID中定义控制的最终的控制特性图M可以表示如下SfC-SrC = M(SD，Vx，WBR%，UGI%)(11)等式11具有两个自变量和仅两个调整参数，使得以这样的方式定义的控制器的实施和使用非常简单。图4表示根据公式10和11计算出的用于主动前轮轴转向系统AFS的典型控制特性图。图4表示作为前轮轴的纵向速度Vx和由驾驶员采用或将由驾驶员采用的转向角Sd的函数的主动前轮轴转向系统的转向角修正的概况。控制器的以下行为以及车辆的以下行为可以从控制特性图中得到。在低车速时，前轮轴的转向角的饱和导致恒定纵向速度Vx时的转向角修正的饱和。这对于避免主动前轮轴转向系统操纵前轮轴进入更深度的饱和来说是期望的。在相对高速时，也会发现发生转向角修正的饱和，其导致在中部的较少的直接转向传动以及在中部之外的较多的直接转向传动。另一种可选方式是转向角S D的转向角修正的线性相关，正如稍后相对于等式13将变得清楚那样。就大的控制角而言，存在由于车轮止动的饱和；其仅与AFS有关。以上等式系统的显解可以根据以下等式通过假定前轮线性地表现而获得
K(ay，R)=Kuay(12)然后等式系统的显解可以由以下公式表达
WBRv^-UGIvKuSfc -Src =-y-Sd = F(Vx)Sd(13)
{l-WBKJ —+ (! + UGLJKu
vX以这种方式简化的控制特性图构成与前轮的转向角相乘的纵向速度的放大函数F(Vx)。图5说明了概况函数F(Vx)。对于使用简化解法的情况，直接使用等式13的前馈转向系统的实施可能是适合的，原因在于函数的闭型或代数实施比以特性图形式的实施要更容易操作。对于主动前轮轴转向系统AFS的情况，等式13也可以表达为可变传动比(可变传动比，VGR)
1 +齐VGR = ~V-^-Rd(14)
1+与
vCh在这里，两个调整参数是期望特征速度Vcmi和期望转向传动比Rd。在该示例中，控制也可以容易地实施和操作。在操作过程中，在控制器6中连续地处理控制器6需要的更新的变量，如转向角和/或纵向速度。为了更准确，例如通过控制特性图(图4)或一维控制函数(图5)或者用函数的基础代数实施连续地计算转向行为，并且相应地设置转向系统5和转向系统9。还应当注意的是，在所述的等式中，例如等式13，前轮的修正角(5 fc)或后轮的修正角(SJ可以是零。在第一种情况下，就存在纯粹主动后轮转向系统，并且在第二种情况下，存在纯粹主动前轮转向系统。如果两项都存在，那么存在主动后轮转向和主动前轮转向的结合。
权利要求
1.一种对于预先定义的目标行为生成用于机动车辆的前馈控制转向系统的控制函数的方法，其特征在于，控制函数描述作为两个参数的函数的转向角修正(5fc、S J，其中基于车辆的当前行为以及稳态转弯的预先定义的目标行为确定转向角修正(Sf。、S J，作为在稳态转弯过程中发生的横向加速度(ay)和在稳态转弯过程中发生的弯道半径(R)的函数，并且通过数学建模将依赖于横向加速度(ay)以及弯道半径(R)的转向角修正转换为依赖于转向角(5D)和纵向速度(Vx)的转向角修正(8 fc、s r。)，然后转向角修正(8 fc、8 rc)形成控制函数。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，转向角修正包含 前轮的转向角的至少一个修正(S fc)。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于，转向角修正包含后轮的转向角的至少一个修正(S J。
4.根据权利要求I到3中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，从车辆模型获取数学建模。
5.根据权利要求I到3中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，从机动车辆的稳态转弯中获取数学建模。
6.根据权利要求I到5中任一项权利要求所述的方法,其特征在于，基于数学建模和依赖于横向加速度(ay)和弯道半径(R)的转向角修正产生等式系统，所述等式系统的解形成控制函数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，控制函数由等式系统的显解提供。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，控制函数由基于等式系统获取的控制特性图表示。
9.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，目标行为从另一机动车辆得到。
10.一种用于机动车辆的前馈控制转向系统的控制方法，其特征在于，控制方法使用根据权利要求I到9中任一项权利要求所述的方法获取的控制函数。
11.一种用于机动车辆的转向系统的控制系统，其特征在于，具有用于机动车辆的前馈控制转向装置的控制单元￠)，控制单元(6)基于根据权利要求I到9中任一项权利要求所述的方法获取的控制函数。
全文摘要
本发明通过一种对于预先定义的目标行为产生用于机动车辆的前馈控制转向系统的控制函数的方法，其中控制函数描述作为两个参数的函数的转向角修正(δfc、δrc)。基于车辆的当前行为和稳态转弯的预先定义的目标行为确定转向角修正(δfc、δrc)，作为在稳态转弯过程中发生的横向加速度(ay)和在稳态转弯过程中发生的弯道半径(R)的函数。通过数学建模将依赖于横向加速度(ay)和弯道半径(R)的转向角修正转换为依赖于由驾驶员采用或将由采用的转向角(δD)和纵向加速度(vx)的转向角修正(δfc、δrc)，然后转向角修正(δfc、δrc)形成控制函数。
文档编号B62D6/00GK102730059SQ20121010403
公开日2012年10月17日 申请日期2012年4月10日 优先权日2011年4月13日
发明者吉尔伯托·布尔焦, 彼得·W·A·泽格拉尔 申请人:福特全球技术公司