一种具备冗余功能的线控转向装置及控制方法与流程

本发明涉及先进车辆转向系统及其控制技术领域，具体涉及一种具备冗余功能的线控转向装置及控制方法。

背景技术：

随着汽车技术的不断发展，汽车转向系统已经历了机械转向、液压助力转向、电液转向及电动助力转向四个阶段，而随着汽车电子技术的深入发展，一种新型的转向系统需求受到了广泛关注，即线控转向。

线控转向系统取消了转向盘与转向轮之间的机械连接，完全由电能实现转向，摆脱了传统转向系统的各种限制，不但可以自由设计汽车转向的力传递特性，而且可以设计汽车转向的角传递特性，给汽车转向特性的设计带来无限的空间，是汽车转向系统的重大革新。

近年来，汽车智能化也在不断推进，而线控转向系统则是智能驾驶汽车的必备装置，它不仅能响应来自总线的转向指令，也能将方向盘隐匿，从而为自动驾驶车辆提供充足的机舱空间，提高车内乘员的舒适性。因此，线控转向必将成为转向系统发展历史的第五个阶段。

目前，在已知技术中，专利《一种电动汽车线控转向系统及其控制方法》(cn103587576a)公开的线控转向系统，包括线控转向系统控制器、转向盘力反馈模块和前轮转向模块三部分，控制方法主要包括初始化、信号采集、转向盘力反馈控制、前轮转向控制。专利《线控转向系统和线控转向系统的控制方法》(cn107848569a)公开的线控转向系统，主要公开目的在于在使点火开关为接通状态时能够使线控转向系统稳定地工作。专利《一种汽车线控转向的冗余及容错系统及控制方法》(cn101549707a)公开的线控转向系统，主要介绍了系统软、硬件的冗余措施及冗余控制方法。专利《一种全解耦线控转向系统》(cn107672669a)公开的线控转向系统，主要是对线控转向系统机械结构组成进行了介绍。已公布的专利均没有对线控转向系统结构及控制上的冗余安全措施进行介绍，特别是当系统用于智能驾驶技术时，无法保证当关键部件失效时车辆仍能进行正常转向，从而保障车内乘员的安全。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种具备冗余功能的线控转向装置及控制方法，其在关键部件失效时车辆仍能进行正常转向，有效地保障了车内乘员的安全。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种具备冗余功能的线控转向装置，其包括路感模拟执行器、转向执行器和线控转向控制模块；

所述路感模拟执行器包括方向盘、转向输入轴、扭矩传感器、第一转角传感器、蜗轮蜗杆机构、第二转角传感器、路感电机、路感电机转子位置传感器和路感电机控制器；

方向盘与转向输入轴连接，转向输入轴与蜗轮蜗杆之间安装有扭矩传感器和第一转角传感器；

路感电机通过蜗轮蜗杆机构与转向输入轴连接；

蜗轮蜗杆机构末端还装有转角传感器；

路感电机控制器连接于路感电机；路感电机转子末端安装有路感电机转子位置传感器；

所述转向执行器包括第一齿轮齿条机构、第一齿条行程传感器、第一转向电机控制器、第一转向电机、第一转向电机转子位置传感器、第二齿轮齿条机构、第二齿条行程传感器、第二转向电机控制器、第二转向电机、第二转向电机转子位置传感器和转向机；

所述第一转向电机通过第一齿轮齿条机构与转向机相连，并且所述第二转向电机通过第二齿轮齿条机构与转向机相连，所述第一齿轮齿条机构和第二齿轮齿条机构同轴布置；

所述第一齿轮齿条机构内部集成第一齿条行程传感器，所述第二齿轮齿条机构内部集成第二齿条行程传感器；

所述第一转向电机控制器与第一转向电机连接，所述第二转向电机控制器与所述第二转向电机连接；

所述路感电机控制器、第一转向电机控制器和第二转向电机控制器均与所述线控转向控制模块连接。

可选的，所述线控转向控制模块包括线控转向控制器、加速度传感器、横摆角速度传感器和车速传感器；

加速度传感器、横摆角速度传感器和车速传感器均连接于所述线控转向控制器；并且所述路感电机控制器、第一转向电机控制器和第二转向电机控制器均与线控转向控制器连接。

可选的，所述线控转向控制器连接于第一can总线和第二can总线；并且，所述路感电机控制器、第一转向电机控制器和第二转向电机控制器均连接于第一can总线和第二can总线。

本发明具有如下有益效果：本发明通过冗余的第一转向电机与第一转向电机控制器和第二转向电机与第二转向电机控制器，保证了故障出现时，线控转向系统仍然可以正常转向，保障车内乘员安全。

附图说明

图1为本发明的具备冗余功能的线控转向装置的结构示意图；

图2为本发明的can网络拓扑图；

图3为具备冗余功能的线控转向装置的控制方法的流程图；

图4为路感模拟控制流程图；

图5为前轮转角控制流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。

实施例1

本实施例提供了一种具备冗余功能的线控转向装置，其结构参见图1，包括路感模拟执行器、转向执行器和线控转向控制模块。

其中，路感模拟执行器25包括方向盘1、转向输入轴2、扭矩传感器3、第一转角传感器4、蜗轮蜗杆机构5、第二转角传感器6、路感电机7、路感电机转子位置传感器8和路感电机控制器9。

方向盘1与转向输入轴2连接，用以获取驾驶员驾驶意图，转向输入轴2与蜗轮蜗杆5之间安装有扭矩传感器3和第一转角传感器4，用以检测驾驶员的手力和方向盘的转角。

路感电机7通过蜗轮蜗杆机构5与转向输入轴2连接，用以进行路感反馈力矩模拟；蜗轮蜗杆机构5末端还装有转角传感器6，用作转角测量冗余备份。

路感电机7与路感电机控制器9可集成式安装，也可分体式布置，路感电机控制器9连接于路感电机7和线控转向控制器10，用于接收线控转向控制器10的力矩指令，控制路感电机7输出转向阻力；路感电机7转子末端安装有路感电机转子位置传感器8，实时测量路感电机转子位置。

所述转向执行器26包括第一齿轮齿条机构14、第一齿条行程传感器15、第一转向电机控制器16、第一转向电机17、第一转向电机转子位置传感器18、第二齿轮齿条机构19、第二齿条行程传感器20、第二转向电机控制器21、第二转向电机22、第二转向电机转子位置传感器23和转向机24。

所述第一转向电机17通过第一齿轮齿条机构14与转向机24相连，并且所述第二转向电机22通过第二齿轮齿条机构19也与转向机24相连，所述第一齿轮齿条机构14和第二齿轮齿条机构19同轴布置。

所述第一齿轮齿条机构14内部集成第一齿条行程传感器15，所述第二齿轮齿条机构19内部集成第二齿条行程传感器20；

第一转向电机17与第一转向电机控制器16、第二转向电机22与第二转向电机控制器21可集成式安装，也可分体式布置；第一转向电机控制器16连接于所述第一转向电机17和线控转向控制器10，所述第二转向电机控制器21连接于第二转向电机22和线控转向控制器10，并使得所述第一转向电机控制器16与第二转向电机控制器21同时接收线控转向控制器10转向指令，分别控制第一转向电机17与第二转向电机22，趋使车辆前轮转向。

所述线控转向控制模块27包括线控转向控制器10、加速度传感器11、横摆角速度传感器12和车速传感器13；

加速度传感器11用于测量整车侧向加速度，横摆角速度传感器12用于测量整车横摆角速度，车速传感器13用于测量整车车速；所述线控转向控制器10根据整车侧向加速度、整车横摆角速度和整车车速，通过路感电机控制器9控制路感电机7转动，实现路感模拟；并且通过第一转向电机控制器16和第二转向电机控制器21控制第一转向电机17和第二转向电机21，实现前轮主动转向控制。

本实施例中，可以通过第一转角传感器、第二转角传感器和/或路感电机转子位置传感器三种方式测量出方向盘的实时转角值，且当其中一种测量方式失效，造成测量值错误或测量值无效时，可通过少数服从多数的裁定机制，综合输出一个正确的方向盘转角值。

可以通过第一齿条行程传感器、第二齿条行程传感器和/或第一转向电机转子位置传感器三种方式测量出汽车前轮的实时转角值，且当其中一种测量方式失效，造成测量值错误或测量值无效时，可通过少数服从多数的裁定机制，综合输出一个正确的前轮转角值。

第一转向电机与第一转向电机控制器、第二转向电机与第二转向电机控制器，二者同时工作，互为冗余，当其中一个转向电机或其控制器故障致使转向电机不能正常工作时，另一个转向电机仍能正常工作，从而保证汽车能在有效电机的驱动下进行正常转向。

所述扭矩传感器3采用海拉公司的cipos非接触式扭矩传感器；所述第一转角传感器4、第二转角传感器6采用海拉公司的cipos非接触式转角传感器；所述车速传感器9采用sktoo公司的1h0927807d型轮速传感器；所述电机转子位置传感器采用奥地利微电子公司的as5147线性霍尔传感器；所述加速度传感器采用bosch数字式三轴加速度传感器bma250。

更优选地，所述线控转向控制器连接于第一can总线和第二can总线；并且，所述路感电机控制器、第一转向电机控制器和第二转向电机控制器均连接于第一can总线和第二can总线，以实现can通信冗余功能，此时，正常工作情况下，由线控转向控制器通过第一can总线发送路感模拟指令给路感电机控制器，再通过第二can总线发送前轮转角指令给第一转向电机控制器和第二转向电机控制器，进行前轮转向控制；当第二can总线发生故障时，线控转向控制器可通过第一can总线向第一转向电机控制器发生前轮转向指令，控制汽车转向。路感电机控制器在网络中还起到给线控转向控制器进行冗余备份的作用，当线控转向控制器失效时，路感电机控制器可通过第一can总线给第一转向电机控制器发送转向指令，车辆仍然具备正常转向功能。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、节省空间：由于取消了方向盘与转向器的机械连接，方向盘可隐藏或取消，因此可提供充足的机舱空间，提高乘坐品质。

2、节能：由于取消了机械转向柱，整车可减重约5千克，可改善车辆的燃油经济型，节省能源。

3、舒适性改善：可根据不同驾驶员进行转向手感、转向灵敏性、转向轻便性风格设定，为驾驶员带来舒适的驾控感受。

4、性能提升：可变传动比、直接前轮控制等因素，使整车的操纵稳定性、横摆响应等都有极大的改善。

5、安全：关键执行部件、传感器、通信网络等均具备冗余措施，保证了故障出现时，线控转向系统仍然可以正常转向，保障车内乘员安全。

实施例2

参考图3，本实施例提供了一种具备冗余功能的线控转向装置的控制方法，用于控制如实施例1所述的具备冗余功能的线控转向装置，并包括：

s10、通过采集车速、方向盘转角、方向盘转速、车辆横摆加速度、车辆侧向加速度等信息，辨识出驾驶员的转向行为；

s20、通过驾驶员转向行为的识别，估算出车辆行驶时的转向阻力，完成对当前行驶工况的路感信息的估算。路感模拟控制(路感信息的估算)的流程图如图4所示，包括转向负载观测、虚拟助力控制、转角限位控制和路感力矩综合四部分。

1)转向负载观测，为转向阻力计算，包括侧向力回正力矩和重力回正力矩。

侧向力回正力矩计算公式为：

式中，ta_l为侧向力回正力矩，m为整车质量，b为质心到后轴的距离，l为轴距，ay为侧向加速度，ξ为前轮转角。

重力回正力矩计算公式为：

式中，ta_w为重力回正力矩，kaw为重力回正系数，ξsw为方向盘转角，i为转向传动比。

2)虚拟助力控制为电动转向系统对转向系统的力输入，模拟在传统电动转向系统工作时，驾驶员操作方向盘所得到的助力，主要包含基本助力控制、主动回正控制、摩擦补偿和阻尼补偿。

基本助力控制即根据驾驶员对方向盘所施加的操舵力和当前的车速，查表得出当前工况给予驾驶员提供的转向助力tast；

主动回正控制为当驾驶员需要方向盘回到中间位置时，由线控转向系统进行位置控制，控制方向盘回正，本专利中采用pid闭环控制，控制方法如下：

式中，trtc为回正力矩，θt是回正目标转角，θs为当前实际转角，kp、ki、kd分别为pid控制参数，由于回正控制的目标是方向盘回到中间位置，所以θt＝0，因此上式可表达为：

摩擦补偿是对转向系统存在的机械摩擦力进行补偿，以增加转向系统的动态响应，其计算公式为：

tf＝kf·sgn(ωm)

式中，tf为摩擦补偿力矩，kf为摩擦补偿系数，sgn(ωm)为路感电机转动方向。

阻尼补偿是对转向系统阻尼进行补偿，以增加系统的动态响应，其计算公式为：

td＝kd·sgn(tm)abs(ωm)

式中，td为阻尼补偿力矩，sgn(tm)为方向盘力矩方向，ωm为路感电机转速。

3)转角限位控制，由于线控转向系统的方向盘和转向器之间没有机械连接，因此方向盘可以在驾驶员操作下进行无限制的转动，为了模拟实车操作工况，需要在一定的角度上阻止方向盘继续转动，即为转角限位控制，其计算方法为：

tdp＝kdpθs

式中，tdp为限位力矩，kdp为限位系数，θs为方向盘转角。

4)路感力矩综合控制为将转向负载观测得到的转向阻力矩、虚拟助力控制得到的助力矩和转角限位控制得到的力矩进行综合计算，得到路感模拟电机所需的目标执行力矩。

s30、通过识别出驾驶员转向行为及车辆的行驶状态，计算出当前转向工况的理想转向传动比，并通过变化的传动比，计算出当前方向盘转角输入下，车辆前轮所需要转动的角度；

可变传动比控制，是基于理想横摆角速度增益，灵活改变转向系统传动比值，使汽车在不同车速转向时，获得近似的转向响应，提升汽车低速行驶时的转向灵活性及高速行驶时的操纵稳定性。可变传动比控制主要包含基础传动比计算及传动比增量计算。基础传动比计算根据当前车辆的稳态侧向加速度进行计算，稳态侧向加速度的计算公式为：

式中，ay为侧向加速度，u为车速，l为轴距，k为不足转向度，δsw为方向盘角度，i为传动比。

由上式可推到出基础传动比计算公式为：

传动比增量计算则是对理想横摆角速度进行闭环跟随得到，理想横摆角速度的计算公式为：

式中，yaw为理想横摆角速度，u为车速，l为轴距，k为不足转向度，δsw为方向盘角度。

闭环跟随采用pid控制算法，因此传动比增量计算公式为：

式中，iinc为增量传动比，kp、ki、kd分别为pid控制参数，yaw为理想横摆角速度，yaw为实际横摆角速度。

由基础传动比和传动比增量相加即可得到当前行驶工况比较适应的前轮传动比，由当前方向盘转角即可计算出需要的前轮转角值：

式中，δfw为前轮转角目标值，δsw为当前方向盘转角，ibas为基础传动比，iinc为增量传动比。

s40、对车辆前轮转角进行位置闭环控制，得到转向电机所需输入力矩指令；

前轮转向控制，包括对前轮转角进行闭环控制，使得车轮跟随方向盘运动；还涉及到双电机协调控制，使双电机运行同步，彼此不干涉。前轮转向控制流程框图如图5所示，其控制步骤如下：

1)结合驾驶员对方向盘的转角输入和可变传动比控制中得到的理想传动比，计算出当前车辆行驶工况所需的最佳前轮转角需求量；

2)将步骤1中得到的前轮转角需求值进行微分，得到转速前馈量；

3)将步骤1中得到的前轮转角与前轮的实际位置进行闭环控制，得到转速反馈量；

4)将步骤2中得到的转速前馈量进行微分，得到力矩前馈量；

5)将步骤2中得到的转速前馈量和步骤3中得到的转速反馈量求和，得到转速目标值，并将转速目标值与当前前轮转速进行闭环控制，得到力矩反馈量；

6)将步骤4得到的力矩前馈量和步骤5得到的力矩反馈量求和，得到转向力矩目标值，并将力矩目标值分配给两个转向执行电机。

s50、将分配好的力矩作为目标值，驱动第一转向电机和第二转向电机输出相应的力矩，使车辆前轮跟随步骤4所需的目标转动角度。

以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。