一种个性化的电动助力转向系统及控制方法与流程

本发明涉及一种助力转向系统及控制方法，特别涉及一种个性化的电动助力转向系统及控制方法。

背景技术：

当前，现有的电动助力转向系统(EPS)是在传统的机械转向系统的基础上加装了方向盘转矩传感器、电子控制单元、转向助力电机及其减速机构。其中传统的机械转向系统主要包括方向盘、转向轴、转向器、转向横拉杆和转向轮；方向盘转矩传感器安装于转向轴上用以检测驾驶员作用于方向盘的操纵力矩；助力电机可安装在转向轴或转向器上，通过减速机构给驾驶员提供助力力矩；方向盘转矩传感器信号与车速传感器信号输入到电子控制单元的基本控制助力模块，计算出相应的助力力矩，作为助力电机输出的目标力矩指令。

EPS系统输出的助力力矩的大小与驾驶员作用于方向盘上的操纵力矩相关，其关系通过助力特性曲线决定。传统的EPS系统仅仅采用一种助力特性曲线－直线型、折线型或曲线型。虽然任何一种助力特性曲线都可以实现EPS系统的主要功能－在各种行驶工况下提供最佳动力、减少能源消耗、改善汽车的转向特性、提高汽车的主动安全性，但是目前的助力特性曲线并不能根据驾驶人的不同驾驶特性进行实时调节，即车上的EPS系统只是针对大多数人，其助力特性曲线不能完全满足个人的需求，与汽车的智能化理念不符合。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的EPS系统存在的智能化程度较低，不能满足个性化需求的问题而提供的一种个性化的电动助力转向系统及控制方法。

本发明提供的个性化的电动助力转向系统包括有方向盘转矩传感器、电子控制单元、转向助力电机、减速机构、方向盘转角传感器、手力传感器和性别选择开关，其中方向盘转矩传感器装配在方向盘下部的转向轴上，以检测驾驶员作用于方向盘上的操纵力矩，包括力矩的大小和方向；转向助力电机通过减速机构给驾驶员提供助力力矩；方向盘转角传感器安装于转向轴上，用以检测驾驶员作用于方向盘上的转角；手力传感器安装于方向盘上，用以检测驾驶员握方向盘力的大小，性别选择开关装配在仪表盘上，方向盘转矩传感器、转向助力电机、方向盘转角传感器、手力传感器和性别选择开关均与电子控制单元相连接，方向盘转矩传感器、方向盘转角传感器、手力传感器和性别选择开关能够把获得的信息传递给电子控制单元，电子控制单元通过获得的信息指令转向助力电机的工作。

电子控制单元包括有驾驶员习性辨识模块、助力特性选择模块和基本助力模块，其中驾驶员习性辨识模块将驾驶员以最舒适的状态作用在方向盘上的力矩大小为依据将驾驶员分为三类：A类、B类和C类，A类表示在相同条件下驾驶员作用于方向盘上的力矩较小，C类表示在相同条件下驾驶员作用于方向盘上的力矩较大，B类表示相同条件下驾驶员作用于方向盘上的力矩在A类和C类之间，助力特性选择模块是由M和W两组助力特性曲线组成，其存储于电子控制单元中，供EPS系统进行实时调用，其中M组助力特性曲线是针对于男性，分为L1、Z1和S1三种类型的助力特性曲线，W组助力特性曲线是针对于女性，分为L2、Z2和S2三种类型的助力特性曲线，其主要是根据控制环境变量以及车辆行驶速度不变的同时，驾驶员转向最舒适时所需要的助力不同划分的，L、Z、S型助力特性曲线分别与A、B、C三种驾驶习性相对应。

A、B、C类驾驶员的划分应用Carsim RT实时仿真软件和dSPACE实时仿真系统搭建的驾驶模拟器实验平台，并以此为基础采集不同类型驾驶员的转向数据，并将这些数据通过聚类算法分析出A、B、C三种类型的驾驶员，然后将这三种驾驶习性的相关数据储存于ECU中。

性别选择开关由M按钮和W按钮两个按钮组成，其中M按钮为蓝色，代表男性驾驶员，W按钮为红色，代表女性驾驶员。

本发明提供的个性化的电动助力转向控制方法，其方法如下所述：

步骤一、驾驶员启动汽车并且选定性别后，系统将进入工作状态，车辆上的GPS系统也将实时采集车辆行驶过程中周围的道路信息，并且将道路信息输送给电子控制单元，当GPS检测到前方有弯道路况或者驾驶员有转向意图，转向灯亮时，方向盘转矩传感器、方向盘转角传感器以及手力传感器将开始工作，车辆将实时记录驾驶员作用于方向盘上的转矩、转角以及手力，方向盘转矩传感器、方向盘转角传感器和手力传感器所采集到的数据经过滤波处理、信号放大和A/D转换得到ECU能够识别的数字信号并传入ECU驾驶员习性辨识模块中，滤波处理采用加权平均滤波法，处理过的数据采用训练好的BP神经网络模型和matlab中的gensim函数实现驾驶员类型的在线辨识，辨识出驾驶员转向时的驾驶习性，确定出驾驶员的类别，A类、B类或者C类，并将辨识结果输入到助力特性选择模块中；

步骤二、转向过程包括转向意图和转向执行两个阶段，车辆在转向意图阶段辨识出驾驶员的驾驶习性后，电子控制单元中的助力特性选择模块将会调出符合该驾驶员驾驶习性的助力特性曲线，然后进入转向执行阶段，此时，方向盘转角传感器和手力传感器将停止工作，但方向盘转矩传感器仍然处于工作状态，实时记录驾驶员作用于方向盘上的力矩的大小和方向，并与车速传感器采集的车速信号和转向助力电机的电流信号同时传输给电子控制单元，电子控制单元根据上述由驾驶习性所确定的助力特性曲线确定出转向助力电机的控制电压，使转向助力电机产生相应的助力转矩，助力转矩通过减速器传送到齿轮齿条机构，进而实现助力转向。

本发明的工作原理：

电子控制单元主要包括驾驶员习性辨识模块、助力特性选择模块和基本助力模块。

所述的驾驶习性主要是指控制环境变量以及车辆行驶速度不变的情况下，驾驶员以最舒适的状态作用在方向盘上的力矩大小，并以此为依据驾驶员习性辨识模块将驾驶员分为三类：A类、B类和C类，A类表示在相同条件下驾驶员作用于方向盘上的力矩较小，C类表示在相同条件下驾驶员作用于方向盘上的力矩较大，B类表示相同条件下驾驶员作用于方向盘上的力矩在A类和C类之间。A、B、C类驾驶员的划分需要大量的数据作支撑，实车试验会有很大的难度，因此应用Carsim RT实时仿真软件和dSPACE实时仿真系统搭建的驾驶模拟器实验平台，并以此为基础广泛采集不同类型驾驶员的转向数据，并将这些数据通过聚类算法分析出A、B、C三种类型的驾驶员，然后将这三种驾驶习性的相关数据储存于ECU中；

性别选择开关安装于车辆的仪表板上，用以供驾驶员选择性别，以便于电子控制单元调用对应的助力特性数据库。

助力特性数据库是由M和W两组助力特性曲线组成，其存储于电子控制单元中，供EPS系统进行实时调用。其中M组助力特性曲线是针对于男性，分为L1、Z1和S1三种类型的助力特性曲线，W组助力特性曲线是针对于女性，分为L2、Z2和S2三种类型的助力特性曲线，其主要是根据控制环境变量以及车辆行驶速度不变的同时，驾驶员转向最舒适时所需要的助力不同划分的，L、Z、S型助力特性曲线分别与A、B、C三种驾驶习性相对应。这六种不同类型的助力特性曲线均采用直线型助力特性曲线(图4给出了直线型助力特性曲线的大体形状)，此种类型的助力特性曲线可以很好的提高转向轻便性，曲线中的具体参数(开始助力时的转向力矩、助力特性曲线的梯度、最大助力时的转向力矩以及最大助力电流)均可通过驾驶模拟器进行大量的试验获得(选取不同性别不同年龄段的驾驶员进行试验)。图6给出了车速为0(即原地转向)时的L1、Z1和S1三种类型的助力特性曲线，由于在相同的道路条件下转向阻力矩是一定的，因此三种类型的助力特性曲线在助力变化区的横纵坐标之和始终相同，即在相同附着条件的路面上(转向阻力矩相同)，当驾驶员作用在方向盘上的力矩较小时，EPS系统的助力电机就会提供较大的助力，从而保证了驾驶员的转向舒适性及转向安全性。

安装于仪表板上的性别选择开关由两个按钮组成，M按钮(蓝色)代表男性驾驶员，W按钮(红色)代表女性驾驶员。设置此开关的目的是当驾驶员选择性别后电子控制单元可以迅速的从助力特性数据库中调出相对应的助力特性曲线，避免在行车过程中电子控制单元做重复性的动作，增加了该系统的响应速度，对提高行车安全有一定的意义。

驾驶员启动汽车并且选定性别后，新型的EPS系统将进入工作状态，车辆上的GPS系统也将实时采集车辆行驶过程中周围的道路信息，并且将道路信息输送给电子控制单元。当GPS检测到前方有弯道路况或者驾驶员有转向意图(转向灯亮)时，方向盘转矩传感器、转角传感器以及手力传感器将开始工作，车辆将实时记录驾驶员作用于方向盘上的转矩、转角以及手力。方向盘转矩传感器、方向盘转角传感器和手力传感器所采集到的数据经过滤波处理、信号放大和A/D转换得到ECU能够识别的数字信号并传入ECU驾驶员习性辨识模块中。所述的滤波处理采用加权平均滤波法。处理过的数据采用训练好的BP神经网络模型和matlab中的gensim函数实现驾驶员类型的在线辨识，辨识出驾驶员转向时的驾驶习性，确定出驾驶员的类别(A类、B类或者C类)，并将辨识结果输入到助力特性选择模块中。

转向过程包括转向意图和转向执行两个阶段，车辆在转向意图阶段辨识出驾驶员的驾驶习性后，个性化的电动助力转向系统ECU中的助力特性选择模块将会调出符合该驾驶员驾驶习性的助力特性曲线。即假如通过BP神经网络辨识出某驾驶员的驾驶习性为A类，也就是说在转向过程中他作用于方向盘上的力较小时有更好的舒适感，这时就需要EPS系统提供更大的助力，因此系统需要从助力特性数据库中调出L类的助力特性曲线，这样才可以保证驾驶员在舒服转向的同时完成转向动作，确保转向安全性。

进入转向执行阶段后，该系统与正常的EPS系统并无很大差别。驾驶员在进行转向时，方向盘转角传感器和手力传感器将停止工作，方向盘转角传感器和手力传感器的这种分时段工作可以减少能源损耗，但方向盘转矩传感器仍然处于工作状态，实时记录驾驶员作用于方向盘上的力矩的大小和方向，并与车速传感器采集的车速信号和助力电机的电流信号同时传输给电子控制单元，而电子控制单元根据上述由驾驶习性所确定的助力特性曲线确定出助力电机的控制电压，使助力电机产生相应的助力转矩，助力转矩通过减速器传送到齿轮齿条机构，进而实现助力转向。

本发明的有益效果：

在原有EPS系统的基础上进行改装，结构较为简单；从而使车辆能够根据驾驶员的特性选择合适的助力特性，使得EPS系统更加个性化和智能化；减小驾驶员的不舒适度，提高了汽车的行驶安全性。

附图说明

图1为本发明所述的个性化的电动助力转向系统的结构示意图。

图2为本发明中实现电动助力转向系统个性化的方法步骤示意图。

图3为本发明的个性化的电动助力转向系统的基本控制原理图。

图4为本发明的驾驶员习性辨识模块原理图。

图5为本发明系统中采用的助力特性曲线的基本类型示意图。

图6为本发明系统在原地转向状态时M组三种类型的助力特性曲线示意图。

1、方向盘转矩传感器 2、电子控制单元 3、转向助力电机 4、减速机构

5、方向盘转角传感器 6、手力传感器 7、性别选择开关 8、方向盘

9、转向轴。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6所示：

本发明提供的个性化的电动助力转向系统包括有方向盘转矩传感器1、电子控制单元2、转向助力电机3、减速机构4、方向盘转角传感器5、手力传感器6和性别选择开关7，其中方向盘转矩传感器1装配在方向盘8下部的转向轴9上，以检测驾驶员作用于方向盘8上的操纵力矩，包括力矩的大小和方向；转向助力电机3通过减速机构4给驾驶员提供助力力矩；方向盘转角传感器5安装于转向轴9上，用以检测驾驶员作用于方向盘8上的转角；手力传感器6安装于方向盘8上，用以检测驾驶员握方向盘力的大小，性别选择开关7装配在仪表盘上，方向盘转矩传感器1、转向助力电机3、方向盘转角传感器5、手力传感器6和性别选择开关7均与电子控制单元2相连接，方向盘转矩传感器1、方向盘转角传感器5、手力传感器6和性别选择开关7能够把获得的信息传递给电子控制单元2，电子控制单元2通过获得的信息指令转向助力电机3的工作。

电子控制单元2包括有驾驶员习性辨识模块、助力特性选择模块和基本助力模块，其中驾驶员习性辨识模块将驾驶员以最舒适的状态作用在方向盘8上的力矩大小为依据将驾驶员分为三类：A类、B类和C类，A类表示在相同条件下驾驶员作用于方向盘8上的力矩较小，C类表示在相同条件下驾驶员作用于方向盘8上的力矩较大，B类表示相同条件下驾驶员作用于方向盘8上的力矩在A类和C类之间，助力特性选择模块是由M和W两组助力特性曲线组成，其存储于电子控制单元2中，供EPS系统进行实时调用，其中M组助力特性曲线是针对于男性，分为L1、Z1和S1三种类型的助力特性曲线，W组助力特性曲线是针对于女性，分为L2、Z2和S2三种类型的助力特性曲线，其主要是根据控制环境变量以及车辆行驶速度不变的同时，驾驶员转向最舒适时所需要的助力不同划分的，L、Z、S型助力特性曲线分别与A、B、C三种驾驶习性相对应。

A、B、C类驾驶员的划分应用Carsim RT实时仿真软件和dSPACE实时仿真系统搭建的驾驶模拟器实验平台，并以此为基础采集不同类型驾驶员的转向数据，并将这些数据通过聚类算法分析出A、B、C三种类型的驾驶员，然后将这三种驾驶习性的相关数据储存于ECU中。

性别选择开关7由M按钮和W按钮两个按钮组成，其中M按钮为蓝色，代表男性驾驶员，W按钮为红色，代表女性驾驶员。

本发明提供的个性化的电动助力转向控制方法，其方法如下所述：

步骤一、驾驶员启动汽车并且选定性别后，系统将进入工作状态，车辆上的GPS系统也将实时采集车辆行驶过程中周围的道路信息，并且将道路信息输送给电子控制单元2，当GPS检测到前方有弯道路况或者驾驶员有转向意图，转向灯亮时，方向盘转矩传感器1、方向盘转角传感器5以及手力传感器6将开始工作，车辆将实时记录驾驶员作用于方向盘8上的转矩、转角以及手力，方向盘转矩传感器1、方向盘转角传感器5和手力传感器6所采集到的数据经过滤波处理、信号放大和A/D转换得到ECU能够识别的数字信号并传入ECU驾驶员习性辨识模块中，滤波处理采用加权平均滤波法，处理过的数据采用训练好的BP神经网络模型和matlab中的gensim函数实现驾驶员类型的在线辨识，辨识出驾驶员转向时的驾驶习性，确定出驾驶员的类别，A类、B类或者C类，并将辨识结果输入到助力特性选择模块中；

步骤二、转向过程包括转向意图和转向执行两个阶段，车辆在转向意图阶段辨识出驾驶员的驾驶习性后，电子控制单元2中的助力特性选择模块将会调出符合该驾驶员驾驶习性的助力特性曲线，然后进入转向执行阶段，此时，方向盘转角传感器5和手力传感器6将停止工作，但方向盘转矩传感器1仍然处于工作状态，实时记录驾驶员作用于方向盘8上的力矩的大小和方向，并与车速传感器采集的车速信号和转向助力电机3的电流信号同时传输给电子控制单元2，电子控制单元2根据上述由驾驶习性所确定的助力特性曲线确定出转向助力电机3的控制电压，使转向助力电机3产生相应的助力转矩，助力转矩通过减速器传送到齿轮齿条机构，进而实现助力转向。

本发明的工作原理：

电子控制单元2主要包括驾驶员习性辨识模块、助力特性选择模块和基本助力模块。

所述的驾驶习性主要是指控制环境变量以及车辆行驶速度不变的情况下，驾驶员以最舒适的状态作用在方向盘8上的力矩大小，并以此为依据驾驶员习性辨识模块将驾驶员分为三类：A类、B类和C类，A类表示在相同条件下驾驶员作用于方向盘8上的力矩较小，C类表示在相同条件下驾驶员作用于方向盘8上的力矩较大，B类表示相同条件下驾驶员作用于方向盘8上的力矩在A类和C类之间。A、B、C类驾驶员的划分需要大量的数据作支撑，实车试验会有很大的难度，因此应用Carsim RT实时仿真软件和dSPACE实时仿真系统搭建的驾驶模拟器实验平台，并以此为基础广泛采集不同类型驾驶员的转向数据，并将这些数据通过聚类算法分析出A、B、C三种类型的驾驶员，然后将这三种驾驶习性的相关数据储存于ECU中；

性别选择开关7安装于车辆的仪表板上，用以供驾驶员选择性别，以便于电子控制单元2调用对应的助力特性数据库。

助力特性数据库是由M和W两组助力特性曲线组成，其存储于电子控制单元2中，供EPS系统进行实时调用。其中M组助力特性曲线是针对于男性，分为L1、Z1和S1三种类型的助力特性曲线，W组助力特性曲线是针对于女性，分为L2、Z2和S2三种类型的助力特性曲线，其主要是根据控制环境变量以及车辆行驶速度不变的同时，驾驶员转向最舒适时所需要的助力不同划分的，L、Z、S型助力特性曲线分别与A、B、C三种驾驶习性相对应。这六种不同类型的助力特性曲线均采用直线型助力特性曲线(图4给出了直线型助力特性曲线的大体形状)，此种类型的助力特性曲线可以很好的提高转向轻便性，曲线中的具体参数(开始助力时的转向力矩、助力特性曲线的梯度、最大助力时的转向力矩以及最大助力电流)均可通过驾驶模拟器进行大量的试验获得(选取不同性别不同年龄段的驾驶员进行试验)。图6给出了车速为0(即原地转向)时的L1、Z1和S1三种类型的助力特性曲线，由于在相同的道路条件下转向阻力矩是一定的，因此三种类型的助力特性曲线在助力变化区的横纵坐标之和始终相同，即在相同附着条件的路面上(转向阻力矩相同)，当驾驶员作用在方向盘8上的力矩较小时，EPS系统的助力电机就会提供较大的助力，从而保证了驾驶员的转向舒适性及转向安全性。

安装于仪表板上的性别选择开关7由两个按钮组成，M按钮(蓝色)代表男性驾驶员，W按钮(红色)代表女性驾驶员。设置此开关的目的是当驾驶员选择性别后电子控制单元2可以迅速的从助力特性数据库中调出相对应的助力特性曲线，避免在行车过程中电子控制单元2做重复性的动作，增加了该系统的响应速度，对提高行车安全有一定的意义。

驾驶员启动汽车并且选定性别后，新型的EPS系统将进入工作状态，车辆上的GPS系统也将实时采集车辆行驶过程中周围的道路信息，并且将道路信息输送给电子控制单元2。当GPS检测到前方有弯道路况或者驾驶员有转向意图(转向灯亮)时，方向盘转矩传感器1、方向盘转角传感器5以及手力传感器6将开始工作，车辆将实时记录驾驶员作用于方向盘8上的转矩、转角以及手力。方向盘转矩传感器1、方向盘转角传感器5和手力传感器6所采集到的数据经过滤波处理、信号放大和A/D转换得到ECU能够识别的数字信号并传入ECU驾驶员习性辨识模块中。所述的滤波处理采用加权平均滤波法。处理过的数据采用训练好的BP神经网络模型和matlab中的gens im函数实现驾驶员类型的在线辨识，辨识出驾驶员转向时的驾驶习性，确定出驾驶员的类别(A类、B类或者C类)，并将辨识结果输入到助力特性选择模块中。

转向过程包括转向意图和转向执行两个阶段，车辆在转向意图阶段辨识出驾驶员的驾驶习性后，个性化的电动助力转向系统ECU中的助力特性选择模块将会调出符合该驾驶员驾驶习性的助力特性曲线。即假如通过BP神经网络辨识出某驾驶员的驾驶习性为A类，也就是说在转向过程中他作用于方向盘8上的力较小时有更好的舒适感，这时就需要EPS系统提供更大的助力，因此系统需要从助力特性数据库中调出L类的助力特性曲线，这样才可以保证驾驶员在舒服转向的同时完成转向动作，确保转向安全性。

进入转向执行阶段后，该系统与正常的EPS系统并无很大差别。驾驶员在进行转向时，方向盘转角传感器5和手力传感器6将停止工作，方向盘转角传感器5和手力传感器6的这种分时段工作可以减少能源损耗，但方向盘转矩传感器1仍然处于工作状态，实时记录驾驶员作用于方向盘8上的力矩的大小和方向，并与车速传感器采集的车速信号和助力电机的电流信号同时传输给电子控制单元2，而电子控制单元2根据上述由驾驶习性所确定的助力特性曲线确定出转向助力电机3的控制电压，使转向助力电机3产生相应的助力转矩，助力转矩通过减速器传送到齿轮齿条机构，进而实现助力转向。