多模式线控四轮独立转向/驱动系统及其转向模式控制方法与流程

本发明涉及汽车动力转向领域，特别是一种多模式的线控四轮独立转向/驱动系统及其转向模式控制方法。

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。但目前的线控转向系统多是单一的转向模式，如线控前轮转向、线控主动后轮转向、线控四轮转向系统。随着汽车保有量的增加，城市变得拥挤，车辆泊车和转弯、倒车的空间变得更加狭小，单一的转向模式在面对这些问题时有很大局限性。

同时，由于人们对汽车的主动安全性越加重视，汽车极限工况下的转向稳定性也成为汽车研究的热点问题，单一的转向模式已满足不了极限工况下的稳定性需求。此外，不同的转向模式需要不同的转向系统，转向模式过多相应的转向系统就会过于复杂，由此就会带来设计制造的困难和成本的增加。

现有的关于多模式转向系统的设计只是针对低速工况的灵活性设计，并未涉及中高速工况下转角分配以及极限工况下的转角和驱动力矩分配，且在转向模式设计上种类较少，不足以充分发挥线控四轮独立转向/驱动系统的优势。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种可实现多种转向模式的线控四轮独立转向独立驱动系统，四个轮子可以独立的转动和驱动，极大地提高了转向自由度，并同时提出了各转向模式下的转角分配方法，可有效解决汽车在有限空间内拐弯和泊车问题，同时可有效提高汽车低速下的灵活性，高速下的稳定性。

为实现上述目的，本发明提出了如下的技术方案予以实现。

一种多模式的线控四轮独立转向/驱动系统包括：方向盘(11)、转矩/转角信号传感器(12)、路感电机(13)、路感电机控制器(14)、中央控制器(ecu)(29)、车速传感器(7)、横摆角速度传感器(8)、质心侧偏角传感器(9)、第一轮毂电机(6)、第二轮毂电机(15)、第三轮毂电机(27)、第四轮毂电机(33)、原地转向按钮(30)、横行转向按钮(31)、复位按钮(32)、第一转向/驱动控制器(10)、第二转向/驱动控制器(21)、第三转向/驱动控制器(28)、第四转向/驱动控制器(33)以及转向执行机构；

所述转矩/转角信号传感器(12)安装在方向盘(11)的转向管柱上，路感电机(13)与转向管柱通过蜗轮蜗杆相连，路感电机控制器(14)与中央控制器(29)和路感电机(13)相连；

所述原地转向按钮(30)、横行转向按钮(31)及复位按钮(32)均分别与中央控制器(29)相连；

中央控制器(29)分别与转矩/转角信号传感器(12)、车速传感器(7)、横摆角速度传感器(8)、质心侧偏角传感器(9)相连、第一转向/驱动控制器(10)、第二转向/驱动控制器(21)、第三转向/驱动控制器(28)、第四转向/驱动控制器(33)相连；

所述转向执行机构包括第一转向/驱动总成、第二转向/驱动总成、第三转向/驱动总成、第四转向/驱动总成；其中第一转向/驱动总成包括第一转向电机(3)、第一轮毂驱动电机(6)、第一转向横拉杆(4)、第一齿轮齿条(2)、第一齿轮齿条位移传感器(1)、第一轮速传感器(5)；第二转向/驱动总成包括第二转向电机(18)、第二轮毂驱动电机(15)、第二转向横拉杆(17)、第二齿轮齿条(19)、第二齿轮齿条位移传感器(20)、第二轮速传感器(16)；第三转向/驱动总成包括第三转向电机(22)、第三轮毂驱动电机(27)、第三转向横拉杆(25)、第三齿轮齿条(24)、第三齿轮齿条位移传感器(23)、第三轮速传感器(26)；第四转向/驱动总成包括第四转向电机(38)、第四轮毂驱动电机(34)、第四转向横拉杆(36)、第四齿轮齿条(37)、第四齿轮齿条位移传感器(39)和第四轮速传感器(35)；

第一轮速传感器(5)和第一齿轮齿条位移传感器(1)分别与第一转向/驱动控制器(10)相连，第一转向电机(3)和第一驱动轮毂电机(6)分别与第一转向/驱动控制器(10)相连，第一转向/驱动控制器(10)从ecu(29)接收目标转矩/转角信号，带动第一转向电机(3)、第一轮毂驱动电机(6)转动，并进一步通过第一齿轮齿条(2)推动第一转向横拉杆(4)带动相应车轮转向；第二轮速传感器(16)和第二齿轮齿条位移传感器(20)分别与第二转向/驱动控制器(21)相连，第二转向电机(18)和第二轮毂驱动电机(15)分别与第二转向/驱动控制器(21)相连，第二转向/驱动控制器(21)从ecu(29)接收目标转矩/转角信号，带动第二转向电机(18)、第二轮毂驱动电机(15)转动，并进一步通过第二齿轮齿条(19)推动第二转向横拉杆(17)带动相应车轮转向；第三轮速传感器(26)和第三齿轮齿条位移传感器(23)分别与第三转向/驱动控制器(28)相连，第三转向电机(22)和第三轮毂驱动电机(27)分别与第三转向/驱动控制器(28)相连，第三转向/驱动控制器(28)从ecu(29)接收目标转矩/转角信号，带动第三转向电机(22)、第三轮毂驱动电机(27)转动，并进一步通过第三齿轮齿(24)条推动第三转向横拉杆(25)带动相应车轮转向；第四轮速传感器(35)和第四齿轮齿条位移传感器(39)分别与第四转向/驱动控制器(33)相连，第四转向电机(38)和第四轮毂驱动电机(34)分别与第四转向/驱动控制器(33)相连，第四转向/驱动控制器(33)从ecu(29)接收目标转矩/转角信号，带动第四转向电机(38)、第四轮毂驱动电机(34)转动第四齿轮齿条(37)推动第四转向横拉杆(36)带动相应车轮转向。

进一步，本发明所提供的多模式的线控四轮独立转向/驱动系统中，所述第一转向电机(3)、第二转向电机(18)、第三转向电机(22)、第四转向电机(38)均为永磁无刷直流电机，他们的输出轴与齿轮是同一根轴且通过花键连接，齿轮直接与横向齿条相连，齿轮齿条推动转向横拉杆带动对应车轮转向。

本发明中，技术方案中所述的转向模式包括原地转向、横行转向、阿克曼转向和四轮独立转向模式，所述的中央控制器(ecu)内置原地转向、横行转向、阿克曼转向和四轮独立转向模式控制程序；所述的模式切换模块，原地转向和横行转向模式均通过转向切换按钮选择，阿克曼转向和四轮独立转向模式通过ecu内置切换程序根据接收车辆状态信息自动切换。

本发明同时提供了上述多模式的线控四轮独立转向/驱动系统的转向模式控制方法，其具体步骤如下：

(a)汽车启动后，中央控制器(29)默认进入阿克曼转向模式，若驾驶员按下原地转向按钮(30)，中央控制器(29)判定车速vx＝0且手刹拉上，则进入原地转向模式，否则保持上一转向模式；

原地转向模式下各转角大小计算方式如下：

其中l表示车辆轴距，b0表示轮距；

各车轮转到目标转角后拉下手刹，开动汽车即可实现原地转向；

(b)横行转向模式：重复上述步骤(b)并按下横行转向按钮(31)，中央控制器(29)判定车速vx＝0且手刹已拉上，则进入横行转向模式，否则保持上一转向模式；

横行转向下各车轮转角大小为：

向驾驶员左侧横行时：

向驾驶员右侧横行时：

(c)阿克曼转向模式:

横行转向模式结束后，按下复位按钮(32)，则进入阿克曼转向模式；驾驶员转动方向盘，转角/转矩传感器测得方向盘的转角和转矩值并发送到中央控制器(29)中，中央控制器(29)判定fxi²+fyi²≤μfzi,其中i＝1,2,3,4分别代表左前、左后、右前、右后轮，fxi和fyi分别表示轮胎纵向力和侧向力，μ表示路面附着系数，fzi表示轮胎载荷；则阿克曼转向模式程序运行，否则系统继续执行上一程序；

阿克曼转向模式下各车轮转角大小为：

式中δ'f为前轴中心等效转角、δ'r为后轴中心等效转角，均由相应的四轮转向稳定性控制策略获得；tf表示前轮轮距、tr表示后轮轮距，l表示轴距；

(a)四轮独立转向模式：

若中央控制器(29)判定fxi²+fyi²≥μfzi,其中i＝1,2,3,4分别代表左前、左后、右前、右后轮，则进入四轮独立转向模式，否则系统继续执行上一程序；

四轮独立转向模式下各各车轮转角大小为：

即每个轮胎所利用的轮胎力平方和占轮胎所能提供的附着力的比率的和最小，以保证最大的轮胎力裕度，然后把所得侧向力代入魔术轮胎公式得到每个轮胎的转角和驱动力。

本发明提供的多模式转向系统，各转向模块切换原则为：

(a)原地转向模式：原地转向按钮被按下，ecu判定车速vx＝0且手刹拉上，则原地转向模式程序运行，否则系统继续执行上一程序。

(b)横行转向模式：横行转向按钮被按下，ecu判定车速vx＝0且手刹拉上，则横行转向模式程序运行，否则系统继续执行上一程序。

(c)阿克曼转向模式:ecu判定fxi²+fyi²≤μfzi,其中i＝1,2,3,4分别代表左前、左后、右前、右后轮，fxi和fyi分别表示轮胎纵向力和侧向力，μ表示路面附着系数，fzi表示轮胎载荷，即各轮胎未达到附着极限。则阿克曼转向模式程序运行，否则系统继续执行上一程序。

(d)四轮独立转向模式:ecu判定fxi²+fyi²≥μfzi,即有轮胎已经达到附着极限。则四轮独立转向模式程序运行，否则系统继续执行上一程序。

本发明的有益效果是：

1.本发明设计了可实现四轮独立转向四轮独立驱动的线控转向/驱动系统，可通过软件程序控制四个车轮的转角和驱动力。系统的结构简单，已操作，造价低廉，易于实现。

2.本发明具有多种转向模式，并提供了各种转向模式下转角和驱动力的分配方法。如在原地转向模式下可实现车辆在狭小空间的原地掉头，横行转向模式下可实现狭小空间内的侧方泊车，阿克曼转向模式下可实现中低速下四个车轮以阿克曼转向原则分配，减小轮胎磨损和负载。四轮独立转向模式下可优化分配各车轮转角和驱动力，充分利用地面附着力，提高车辆在极限工况下的稳定性。

3.本发明将转向和驱动执行器分为四个转向驱动总成，并分别有由四个转向/驱动控制器控制，避免了单控制器控制模式下控制器发生故障时执行器瘫痪的弊端，同时为执行器的容错控制提供了良好的载体。

附图说明

图1是具有多转向模式的线控四轮独立转向/驱动系统的结构图。

图2是模式切换按钮与ecu之间连接的电路图。

图3是原地转向模式四个车轮的转角关系示意图。

图4是横行转向模式四个车轮的转角关系示意图。

图5是阿克曼转向模式四个车轮的转角关系示意图。

图6是四轮独立转向模式四个车轮的转角关系示意图。

图7是具有多转向模式的线控四轮独立转向/驱动系统的控制逻辑框图。

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，中央控制器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，本实施例在现有的线控转向电动轮系统的基础上，提供一种具有四个独立车轮的系统，每个车轮都具有一个转向电机、一个驱动电机。四个车轮的转角和驱动力由中央控制器根据方向盘转角、车速等信息由内置算法计算得到，接着计算得到的目标转角和驱动力发送到各转向/驱动总成控制器，然后转向/驱动总成控制器控制转向电机和驱动电机转到目标的转角并提供目标驱动力。中央控制器中内置四套转角、驱动力控制程序，原地转向、横行转向、阿克曼转向和四轮独立转向模式。其中原地转向和横行转向用于低速工况，主要使用场景为原地转向和侧方停车，模式选择由驾驶员通过按模式选择按钮选择。阿克曼转向和四轮独立转向模式分别用于中低速和高速场景，用来减少中低速下的轮胎磨损和负载，提高高速下车辆的转向稳定性，模式选择由中央控制器根据各轮胎轮胎力使用情况自行切换。

具体而言，本实施例提供的多模式的线控四轮独立转向/驱动系统包括：方向盘(11)、转矩/转角信号传感器(12)、路感电机(13)、路感电机控制器(14)、中央控制器(ecu)(29)、车速传感器(7)、横摆角速度传感器(8)、质心侧偏角传感器(9)、第一轮毂电机(6)、第二轮毂电机(15)、第三轮毂电机(27)、第四轮毂电机(34)、原地转向按钮(30)、横行转向按钮(31)、复位按钮(32)、第一转向/驱动控制器(10)、第二转向/驱动控制器(21)、第三转向/驱动控制器(28)、第四转向/驱动控制器(33)以及转向执行机构；

所述转矩/转角信号传感器(12)安装在方向盘(11)的转向管柱上用于测量方向盘转角和转矩。路感电机(13)与转向管柱通过蜗轮蜗杆相连用于向管柱施加转矩。路感电机控制器(14)与ecu(29)和路感电机(13)相连并接收从ecu内置算法得到的目标转矩产生相应电流控制路感电机(13)转动，使方向盘(11)产生力矩给驾驶员提供路感。

如图2所示，原地转向按钮(30)、横行转向按钮(31)及复位按钮(32)均分别与ecu相连用于驾驶员切换转向模式。

ecu(29)分别与转矩/转角信号传感器(12)、车速传感器(7)、横摆角速度传感器(8)、质心侧偏角传感器(9)相连并用于接收传感器信号；ecu(29)与第一转向/驱动控制器(10)、第二转向/驱动控制器(21)、第三转向/驱动控制器(28)、第四转向/驱动控制器(33)分别相连，并通过这些转向/驱动控制器与转向执行机构相连，转向/驱动控制器从ecu(29)接收目标转矩/转角信号，并产生相应电流带动转向执行机构中转向电机和驱动电机转动(具体而言，第一转向/驱动控制器(10)从ecu(29)接收目标转矩/转角信号，带动第一转向电机(3)、第一轮毂驱动电机(6)转动；第二转向/驱动控制器(21)从ecu(29)接收目标转矩/转角信号，带动第二转向电机(18)、第二轮毂驱动电机(15)转动；第三转向/驱动控制器(28)从ecu(29)接收目标转矩/转角信号，带动第三转向电机(22)、第三轮毂驱动电机(27)转动；第四转向/驱动控制器(33)从ecu(29)接收目标转矩/转角信号，带动第四转向电机(38)、第四轮毂驱动电机(34)转动)。

转向执行机构包括第一转向/驱动总成、第二转向/驱动总成、第三转向/驱动总成、第四转向/驱动总成；其中每个转向/驱动总成均包括：转向电机、轮毂驱动电机、转向横拉杆、齿轮齿条、齿轮齿条位移传感器和轮速传感器；具体而言，第一转向/驱动总成包括第一转向电机(3)、第一轮毂驱动电机(6)、第一转向横拉杆(4)、第一齿轮齿条(2)、第一齿轮齿条位移传感器(1)、第一轮速传感器(5)；第二转向/驱动总成包括第二转向电机(18)、第二轮毂驱动电机(15)、第二转向横拉杆(17)、第二齿轮齿条(19)、第二齿轮齿条位移传感器(20)、第二轮速传感器(16)；第三转向/驱动总成包括第三转向电机(22)、第三轮毂驱动电机(27)、第三转向横拉杆(25)、第三齿轮齿条(24)、第三齿轮齿条位移传感器(23)、第三轮速传感器(26)；第四转向/驱动总成包括第四转向电机(38)、第四轮毂驱动电机(34)、第四转向横拉杆(36)、第四齿轮齿条(37)、第四齿轮齿条位移传感器(39)和第四轮速传感器(35)；

转向执行机构中，各转向/驱动总成内的转向电机(3、18、22、38)均为永磁无刷直流电机，其输出轴与齿轮是同一根轴且通过花键连接；齿轮直接与横向齿条相连，齿轮齿条推动转向横拉杆带动对应车轮转向；轮速传感器和齿轮齿条位移传感器接线端分别与对应的转向/驱动控制器的信号接收端口相连，转向电机和轮毂驱动电机的接线端分别与对应的转向/驱动控制器的信号输出端口相连；四个转向/驱动总成控制器分别与对应的转向电机、轮毂驱动电机相连并控制电机转动；具体而言，第一轮速传感器(5)和第一齿轮齿条位移传感器(1)接线端分别与第一转向/驱动控制器(10)的信号接收端口相连，第一转向电机(3)和第一驱动电机(6)的接线端分别与第一转向/驱动控制器(10)的信号输出端口相连；第一转向/驱动总成控制器分别与第一转向电机(3)、第一轮毂驱动电机(6)相连并控制电机转动；第一转向电机(3)为永磁无刷直流电机，输出轴与齿轮是同一根轴且通过花键连接；齿轮直接与横向齿条相连，第一齿轮齿条(2)推动第一转向横拉杆(4)带动相应车轮转向；第二轮速传感器(16)和第二齿轮齿条位移传感器(20)接线端分别与第二转向/驱动控制器(21)的信号接收端口相连，第二转向电机(18)和第二驱动电机(15)的接线端分别与第二转向/驱动控制器(21)的信号输出端口相连；第二转向/驱动总成控制器分别与第二转向电机(18)、第二轮毂驱动电机(15)相连并控制电机转动；第二转向电机(18)为永磁无刷直流电机，输出轴与齿轮是同一根轴且通过花键连接；齿轮直接与横向齿条相连，第二齿轮齿条(19)推动第二转向横拉杆(17)带动相应车轮转向；第三轮速传感器(26)和第三齿轮齿条位移传感器(23)接线端分别与第三转向/驱动控制器(28)的信号接收端口相连，第三转向电机(22)和第三驱动电机(27)的接线端分别与第三转向/驱动控制器(28)的信号输出端口相连；第三转向/驱动总成控制器分别与第三转向电机(22)、第三轮毂驱动电机(27)相连并控制电机转动；第三转向电机(22)为永磁无刷直流电机，输出轴与齿轮是同一根轴且通过花键连接；齿轮直接与横向齿条相连，第三齿轮齿(24)条推动第三转向横拉杆(25)带动相应车轮转向；第四轮速传感器(35)和第四齿轮齿条位移传感器(39)接线端分别与第四转向/驱动控制器(33)的信号接收端口相连，第四转向电机(38)和第四轮毂驱动电机(34)的接线端分别与第四转向/驱动控制器(33)的信号输出端口相连；第四转向/驱动总成控制器分别与第四转向电机(38)、第四轮毂驱动电机(34)相连并控制电机转动；第四转向电机(38)为永磁无刷直流电机，输出轴与齿轮是同一根轴且通过花键连接；齿轮直接与横向齿条相连，第四齿轮齿条(37)推动第四转向横拉杆(36)带动相应车轮转向。

如图7所示，本实施例中，中央控制器(29)中内置四套转角与驱动力分配算法，分别是原地转向(如图3所示)、横行转向(如图4所示)、阿克曼转向(如图5所示)和四轮独立转向(如图6所示)模式。其中，原地转向和横行转向模式均通过原地转向按钮(30)和横行转向按钮(31)选择，阿克曼转向和四轮独立转向模式通过ecu内置切换程序根据接收车辆状态信息自动切换。

本实施例同时提供了上述多模式的线控四轮独立转向/驱动系统转角和驱动力分配方法，其具体为：

(a)汽车启动后，ecu默认进入(c)阿克曼转向模式，若此时驾驶员按下原地转向按钮(30)，按钮向ecu发送一低电平，同时ecu判定从车速传感器得到的车速且手刹已拉上则进入原地转向模式，否则保持上一转向模式。此时ecu运行原地转向转角分配算法得到各车轮的目标转角，目标转角传输到各转角/驱动力控制器中控制各转角电机转动，电机带动齿轮齿条移动，推动转向横拉杆使车轮转动，齿轮齿条位移传感器测得齿条位移并传送到转角/驱动力控制器中形成闭环并与目标转角作差，通过电机转角控制器消除转角差。如图2所示，各转角大小为：

原地转向模式：

其中l表示车辆轴距，b0表示轮距。

以上转角计算方法为车辆逆时针旋转状态，顺时针旋转则正号变负，负号变正即可。各车轮转到目标转角后拉下手刹，开动汽车即可实现原地转向。

(b)横行转向模式：若想实现横行转向重复上述步骤按下横行转向按钮(31)，按钮向ecu发送一低电平，同时ecu判定从车速传感器得到的车速v＝0且手刹已拉上则进入(b)横行转向模式，否则保持上一转向模式。如图3所示，横行转向下各车轮转角大小为：

向驾驶员左侧横行时：

向驾驶员右侧横行时：

(c)阿克曼转向模式:横行转向模式结束后，若想结束横行转向模式，按下复位按钮(32)，按钮向ecu发送一低电平，则进入阿克曼转向模式。

驾驶员转动方向盘，转角/转矩传感器测得方向盘的转角和转矩值并发送到ecu中，ecu判定fxi²+fyi²≤μfzi,其中i＝1,2,3,4分别代表左前、左后、右前、右后轮，则进入阿克曼转向模式，如图4所示，阿克曼转向模式下各车轮转角大小为：

式中δ'f为前轴中心等效转角、δ'r为后轴中心等效转角，均由相应的四轮转向稳定性控制策略获得；tf表示前轮轮距、tr表示后轮轮距，l表示轴距。

目标转角传输到各转角/驱动力控制器中控制各转角电机转动，电机带动齿轮齿条移动，推动转向横拉杆使车轮转动，齿轮齿条位移传感器测得齿条位移并传送到转角/驱动力控制器中形成闭环并与目标转角作差，通过电机转角控制器消除转角差。

(d)四轮独立转向模式：高速转向情况下可能发生某个车轮达到附着极限的情况，此时ecu判定fxi²+fyi²≥μfzi,其中i＝1,2,3,4分别代表左前、左后、右前、右后轮，则进入四轮独立转向模式，如图5所示，四轮独立转向模式下各车轮转角分配原则为：

即每个轮胎所利用的轮胎力平方和占轮胎所能提供的附着力的比率的和最小，以保证最大的轮胎力裕度，然后把所得侧向力代入魔术轮胎公式得到每个轮胎的转角和驱动力。

目标转角传输到各转角/驱动力控制器中控制各转角电机转动，电机带动齿轮齿条移动，推动转向横拉杆使车轮转动，齿轮齿条位移传感器测得齿条位移并传送到转角/驱动力控制器中形成闭环并与目标转角作差，通过电机转角控制器消除转角差。