用于确定摩擦扭矩的方法与流程

1.本技术涉及动力转向系统的领域。本技术具体涉及一种允许确定动力转向系统内转向柱的摩擦扭矩的方法。


背景技术：

2.随着时间的推移和技术的进步，车辆内自动高级驾驶辅助系统(adas)的数量增加。
3.此类adas通常是电子系统，该电子系统可以访问车辆的恢复(显示器、指示灯、扬声器等)、牵引、制动和转向构件，从而允许驾驶员在某些交通条件下受益于辅助和/或暂时将驾驶权委托给自动副驾驶。
4.adas可以分为若干类别。
5.纵向控制系统可以作用于车辆的速度并且包括例如紧急制动辅助、防抱死制动系统(abs)、限制器或巡航控制。
6.停车辅助系统使得希望停车的驾驶员更容易操纵车辆并且包括例如倒车雷达、倒车相机或便于自动停车的装置。
7.侧向控制系统的目的是干预车辆的轨迹。有些侧向控制系统根据转向系统上的作用的原理进行操作，例如帮助驾驶员将车辆保持在交通线上。这种系统也被称为lka(车道保持辅助)系统。称为电子轨迹校正器(例如电子稳定程序(esp)或电子稳定控制(esc)或动态稳定控制(dsc))的其他系统作用于发动机扭矩和制动器，以防止车辆打滑。
8.本发明更具体地涉及通过作用在动力转向系统上的侧向控制系统。在本文的其余部分，adas仅指作用在动力转向系统上的侧向控制系统。
9.这种侧向控制系统具有在驾驶员无意中离开其交通车道并移动到对面车道或交通车道外部的情况下减少事故发生的功能。典型地，例如，此类侧向控制系统包括检测器，比如用于检测从交通车道的任何无意离开的相机。如果发生这种情况，检测器将信息传输到车载计算机，该车载计算机可以向动力转向的致动器(例如齿轮马达)发出指令，以施加旋转动作，从而允许车轮的枢转。以这种方式，车辆遵循的方向自动校正。
10.侧向控制系统在车辆驾驶员的舒适性和安全性方面提供了真正的附加值。
11.2019年11月27日颁布的欧洲法规(eu)2019/2144规定，未来几年强制将adas集成在新车辆中。
12.尽管其具有不可否认的优势，但已证明使用此类adas可能会具有导致驾驶员变得不够警觉的不希望的后果。根据高速公路安全保险研究所(iihs)和麻省理工学院(mit)于2020年11月19日发表的一项研究，在使用包括车道保持辅助的adas在高速公路上行驶一个月后，汽车司机表现出注意力不集中的迹象的可能性是原来的两倍。然而，众所周知，驾驶时注意力不集中是造成大量事故的原因。正如法国高速公路公司协会发现的那样，2019年高速公路上近20％的致命事故来自驾驶员注意力的丧失。
13.此外，当前法规要求驾驶员保持注意力并负责控制其车辆(尤其参见公路法规
r412-6)，根据与adas相关的功能授权最大疏忽期，例如最大疏忽期可以达到15秒。
14.此外，有必要为车辆配备车载功能，使其能够检查驾驶员的警惕性，以便在驾驶员对车辆的请求无反应的情况下，在紧急情况下发出警报或做出反应(改变车辆轨迹)。
15.这种监控尤其可以通过捕获驾驶员的图像来执行，例如使用位于车辆内部的一个或更多个相机。还可以检测驾驶员在方向盘上的动作的存在，例如使用传感器检测手在方向盘上的接触，或者通过检测驾驶员在方向盘上的机械动作的存在与否，例如通过为转向柱安装扭矩传感器。
16.转向柱上的此类扭矩传感器通过估算驾驶员传递给方向盘的扭矩来确定驾驶员在方向盘上的动作。驾驶员扭矩的获悉可以知道用户是否将手放在方向盘上。
17.为了确定施加在转向柱上的扭矩，已知在动力转向系统的转向柱和减速齿轮之间设置扭力杆。因此，通过在扭力杆上放置传感器来测量转向扭矩。然而，测量的扭矩并不对应于驾驶员施加在方向盘上的扭矩(以下称为驾驶员扭矩)。考虑到与转向系统相关的各种机械参数，即布置在扭力杆和方向盘之间的元件的惯性、刚度和摩擦扭矩，驾驶员扭矩实际上通过计算从转向扭矩的值获得。
18.可靠地计算驾驶员扭矩非常重要。此外，必须精确确定机械参数，即刚度、惯性和摩擦力，该机械参数形成扭力杆上测量的扭矩的各种元素。
19.转向柱的部件的刚度和惯性值可以足够精确地确定，以直接用于计算驾驶员扭矩。相反，摩擦扭矩的值更难知道。
20.实际上，此类摩擦扭矩值取决于转向柱的组装并且根据转向系统外部的许多因素(例如温度、零件的磨损状态等)而变化。
21.此外，由于这种不准确性，以及在方向盘上不存在传感器的情况下，无法确定无疑地知道驾驶员是否与方向盘接触。
22.通过假设在车辆中实施此类传感器，在任何情况下都必须要求驾驶员确认其手在方向盘上的存在，例如通过听觉上、视觉上或通过方向盘的振动向驾驶员警告。就驾驶舒适性而言，这种情况的重复对于驾驶员来说并不令人满意，尤其是在方向盘传感器不适时触发的情况下。
23.最后，方向盘传感器可能会出现故障或错误。冗余可能证明是必要的，以便确认驾驶员的手是否在方向盘上。


技术实现要素：

24.本发明旨在应对上述缺点。
25.第一目的是提出一种用于确定摩擦力、特别是根据外部参数施加在转向柱上的摩擦扭矩的方法。
26.第二目的是提出这样一种方法，其能够完成或验证关于驾驶员的手是否在方向盘上的信息。
27.第三目的是提出一种能够在存储介质上执行的计算机程序产品。
28.第四目的是提出一种包含此类计算机程序产品的动力转向系统。
29.第五目的是提出一种包括上述转向系统的车辆。
30.为此，首先提出了一种用于确定施加在车辆的电动动力转向系统的转向柱内的摩
擦扭矩的方法，该动力转向系统包括转向柱，该转向柱设置有扭力杆，该扭力杆承受由马达的旋转驱动的减速齿轮施加的瞬时扭转力矩，该转向柱与能够驱动齿条的小齿轮链接；扭力杆传感器，该扭力杆传感器用于测量施加在扭力杆上的瞬时扭转力矩，该确定方法包括采集步骤，在该采集步骤期间，扭力杆传感器测量摩擦扭矩的至少一个值，该采集步骤在采集模块接收到触发信号之后执行，该触发信号的值取决于条件变量的值。
31.该确定方法能够实时获悉施加在转向柱上的摩擦扭矩。以这种方式，当动力转向系统处于adas操作时，能够确认驾驶员的手是否在方向盘上，而无需请求驾驶员。
32.有利地，该方法包括分析步骤，其中分析模块接收由检测器件检测的状态量，该状态量与在假状态和真状态之间演变的条件变量相关联，如果验证了与该状态量相关的条件，则条件变量变为真状态，当条件变量处于真状态时，分析模块产生触发信号，条件变量是用户的手在方向盘上缺乏接触的信息、小齿轮旋转角度的绝对值、小齿轮旋转速度的绝对值、扭矩、扭矩的变化、两个扭矩的极值之间的变化角度。
33.有利地，如果释放的方向盘的信息为真，则第一条件变量为真，和/或如果小齿轮角度绝对值小于预定阈值，则第二条件变量为真，其中中心飞轮相对于旋转轴线的错位不会干扰测量，和/或如果小齿轮的旋转速度的绝对值小于预定阈值，则第三条件变量为真，其中可能的粘性摩擦不会干扰测量，和/或如果在预定时间间隔内测量的扭转力矩值包括在最小值和最大值之间，则第四条件变量为真，这些值被限定为定义扭矩值被视为一致的范围，如果在预定时间间隔内测量的扭矩变化小于与被认为是稳定的足够低的扭矩变化值相对应的参考变化值，则第五条件变量为真，如果两个极值之间的角度变化的绝对值大于某个值，则第六条件变量为真，这能够确保扭转力矩稳定。
34.有利地，在采集步骤期间，当扭转力矩在第一方向施加时，记录第一摩擦值，当扭转力矩在第二方向施加时，记录第二摩擦值，第二方向与第一方向相反，采集模块执行偏离量的计算和平均摩擦扭矩的计算，分别计算如下：
35.[数学公式1]
[0036]
[数学公式2]
[0037]
根据一个实施例，在采集步骤期间，情境量与摩擦扭矩值同时测量。
[0038]
有利地，情境量是环境温度、车辆行驶的距离、动力转向系统的使用持续时间。
[0039]
有利地，该确定方法包括存储步骤，在该存储步骤期间，存储第一摩擦扭矩的值和第二摩擦扭矩的值以及相关联的情境量，如果在预定时间间隔内在采集步骤期间已采集第一摩擦扭矩的值和第二摩擦扭矩的值，则执行存储步骤。
[0040]
第二，提出了一种植入在存储介质上的计算机程序产品，该计算机程序产品包括指令，当在计算机装置上执行时，该指令实施对确定方法的控制。
[0041]
第三，提出了一种包括此类存储介质的电动动力转向系统。
[0042]
第四，提出了一种包括上述动力转向系统的车辆。
附图说明
[0043]
本发明的其他特征和优势将在阅读以下参考附图对实施例的描述时变得更加清楚且具体，其中：
[0044]
图1表示动力转向系统的整体示意图；
[0045]
图2表示说明用于确定转向柱摩擦扭矩的方法的流程图；
[0046]
图3示意性地示出了说明当驾驶员保持方向盘时扭力杆的扭矩根据驾驶员扭矩的演变的曲线图；
[0047]
图4示意性地示出了说明扭力杆的扭矩根据齿条小齿轮的旋转速度的演变而演变的曲线图；
[0048]
图5是用于确定摩擦扭矩的系统的功能示意图；
[0049]
图6是示出扭力杆的扭矩根据齿条小齿轮的角度的演变的示意图；
[0050]
图7示出了多个时间曲线图，其示出了条件变量的演变以及由用于确定摩擦扭矩的方法确定的摩擦扭矩的演变。
具体实施方式
[0051]
参考图1，该图示出了电动动力转向系统1(在本文的其余部分中称为动力转向系统)，该电动动力转向系统设置有允许确定摩擦扭矩fr1、fr2的确定系统2。
[0052]
例如，机动车(未示出)包括此类电动动力转向系统1。
[0053]
机动车是指装备有四个车轮并旨在道路基础设施上行驶的任何机动化的车辆，例如客车、卡车或长途汽车。
[0054]
动力转向系统1旨在通过允许施加由马达计算机4的旋转轴产生的经由减速器6施加到转向柱5的扭矩cm促进定向方向盘3的操纵。
[0055]
转向柱5有利地在第一上端部承载方向盘3。方向盘3允许将驾驶员扭矩cv传递到转向柱5。
[0056]
有利地，在下端部，转向系统1包括转向小齿轮7，该转向小齿轮旨在接合在齿条8上，该齿条有利地容纳在壳体9内。将扭矩通过转向柱5施加到转向小齿轮7上具有允许齿条8平移的效果，其借助铰接在齿条8的端部的杆10引起车辆的车轮(图中未示出)的旋转。
[0057]
马达计算机4包括电动马达，例如无刷马达(图中不可见)，其由电子控制单元或ecu(图中不可见)，比如电子卡驱动。
[0058]
马达计算机4通常具有允许马达计算器扭矩cm施加在转向柱5上的功能。这种计算机扭矩cm旨在添加到转向柱5上的驾驶员扭矩cv中，动力转向系统1处于辅助操作模式。
[0059]
当驾驶员未在方向盘上施加任何扭矩cv时，此类马达计算机扭矩cm代替驾驶员扭矩cv，动力转向系统1处于adas操作模式。
[0060]
转向系统1包括扭力杆11，例如位于转向柱5和减速器7之间。此类扭力杆11旨在通过以下方式变形：在驱动扭矩cv的作用下转向柱5的旋转运动，或者在马达计算机部分cm的作用下齿条8上的小齿轮7的运动，或者在道路对转向系统1的作用下齿条8的力反馈。
[0061]
扭力杆11的由布置在扭力杆11上的扭力杆传感器12测量的变形能够测量扭力杆的扭矩ct。
[0062]
由扭力杆的传感器12记录的值传送到ecu 10，从而允许马达计算机4的伺服控制。因此，此类测量能够例如确定在驾驶员扭矩cv的辅助下施加的马达计算机扭矩cm。
[0063]
如图2所示，由于摩擦扭矩fr1、fr2阻碍了用户的运动，扭力杆扭矩ct不会响应于驾驶员扭矩cv而立即改变。此类摩擦力偶fr1、fr2尤其与构成转向柱5的各种元件的摩擦相
关联。
[0064]
当用户施加沿第一方向，例如向左的传导扭矩cv时，则施加一个与传导扭矩cv相反的第一摩擦扭矩fr1。当用户施加沿第二方向，例如向右的传导扭矩cv时，则施加一个与传导扭矩cv相反的第二摩擦扭矩fr2。此外，第一摩擦扭矩fr1和第二摩擦扭矩fr2具有相反的符号，例如摩擦扭矩fr1的值为正，并且第二摩擦扭矩fr2的值为负。
[0065]
摩擦扭矩fr1、fr2的值可以使用扭力杆的传感器12读取。此类摩擦值的获悉可以更容易控制在adas操作中的转向系统1。
[0066]
已经注意到，驾驶员未对方向盘3采取行动的情况下并且在恒定速度下，扭力杆传感器12测量的扭矩ct对应于摩擦扭矩fr1、fr2，如图3所示。这种特性用于通过用于确定扭矩fr1、fr的方法100来确定摩擦扭矩fr1、fr2。
[0067]
现在将描述用于确定力偶fr1、fr的这种方法100的示例，为此，参考图4至图7。
[0068]
该流程图描述了确定方法100的不同步骤的进展的示例，即测量步骤101、分析步骤102、采集步骤103、分配步骤104、存储步骤105。尽管按顺序描述，但确定方法100的步骤的执行顺序不受限制。
[0069]
用于确定扭矩fr1、fr的方法100使得动力转向系统1能够在接收到触发信号df后根据经验确定转向柱5的摩擦扭矩fr1、fr2的值。触发信号df的值取决于条件变量vl、a、v、c、δc、δa的状态，这些条件变量反映了动力转向系统1的状态，如本说明书下文所述。
[0070]
有利地，摩擦扭矩fr1、fr2的值与情境量t、d、tu相关联，其反映动力转向系统1的状态或外部条件。这允许形成对fr1、fr2与此类情境量相关联的数据库。
[0071]
有利地，如此构成的数据库同样用于动力转向系统1，例如考虑到形成动力转向系统1的部件的老化，以提高adas操作中的驾驶可靠性。
[0072]
例如收集的数据用于动力转向系统1的设计中的统计目的。
[0073]
现在将详细描述确定方法100的不同步骤。
[0074]
在分析步骤102中，条件变量vl、a、v、c、δc、δa由检测器件检测，随后由分析模块13分析。分析步骤102能够将自身置于最佳条件下，以允许获得尽可能可靠的摩擦扭矩值fr1、fr2。
[0075]
例如在真状态或假状态之间演变的条件变量vl、a、v、c、δc、δa反映了动力转向系统1的运行条件的有效性，并且尤其具有触发执行采集步骤103的作用。
[0076]
条件变量vl、a、v、c、δc、δa的状态取决于由检测器件(图中不可见)测量的状态量ivl、θ、vr、ct、δct、δθ的值，该检测器件是本领域技术人员已知的。
[0077]
条件变量vl、a、v、c、δc、δa和状态量ivl、θ、vr、ct、δct、δθ的示例在下文详述。
[0078]
在图5所示的实施例中，第一条件变量vl取决于方向盘自由的信息。例如，如果用户的手不在方向盘上，则第一条件变量vl的值为“1”，或者为“真”。第一条件变量vl例如借助安装在方向盘3上的方向盘传感器来检测，比如触摸传感器(未示出)，其发回关于释放的方向盘的信息ivl。如上所述，手未在方向盘3上对应于摩擦扭矩可确定的情况，并且因此有利于执行采集步骤103。
[0079]
在图5所示的实施例中，第二条件变量a取决于小齿轮7的旋转角度θ的绝对值小于小齿轮的参考旋转角度值θ_ref的信息。小齿轮7的参考旋转角度值θ_ref为预定值，超过该值，方向盘的惯性中心相对于方向盘3的旋转中心轴的不平衡易于在摩擦扭矩fr1、fr2的测
量水平上产生误差。此类参考角度θ_ref例如被定义为20
°
。
[0080]
小齿轮7的旋转角度θ的测量有利地由专用传感器(未示出)执行。
[0081]
条件变量a有利地为所有是或所有非类型，并且例如如果小齿轮7的旋转角度θ的绝对值小于小齿轮的参考旋转角度θ_ref的值，则具有状态“1”，否则为“0”或“假”。
[0082]
在图5所示的实施例中，第三条件变量v携带小齿轮7的旋转速度vr的绝对值是否小于参考速度vref的信息。
[0083]
优选地，通过使用低通滤波，例如20hz校正所测量的小齿轮7的旋转速度vr的值，从而可以从测量值中去除在过高频率下读取的值，其可能使测量失真。
[0084]
为了处于最佳采集条件，小齿轮的参考旋转速度vref的值是与转向柱5的运动相关的粘性力超过该速度时不再认为可以忽略的速度。参考速度vref的示例为10
°
/s。
[0085]
有利地，第三条件变量v是所有是或所有非类型，并且例如如果小齿轮7的旋转速度vr的绝对值小于参考速度vref，则值为“1”，否则为“0”或“假”。
[0086]
有利地，小齿轮7的旋转速度vr通过推导小齿轮7的旋转角度值θ来获得，例如该旋转角度值使用专用传感器测量。然而，旋转角度θ的这种测量结果受到与其它测量变量的数量级有关的噪声的影响，这使得通过这种方法获得速度变得复杂。
[0087]
在图5所示的实施例中，第四条件变量c反映了一种条件，根据该条件，扭力杆扭矩ct具有足够稳定值，以避免由转向柱5的粘附/滑动现象(也称为粘着/未粘着，或粘着/滑动)产生的测量误差的发生。当转向柱5在其支撑件内滑动时，此类瞬时粘着/滑动现象发生在非常低的方向盘速度下。在这些粘着/未粘着现象期间观察到的急动运动会产生干扰测量的寄生噪声。
[0088]
在图5所示的实施例中，第五条件变量δc反映了一种条件，根据该条件，扭力杆扭矩的变化δct，即扭力杆11的两个连续扭矩值之间的差值具有足够低的值，以避免由转向柱5的粘附/滑动现象(也称为粘着/未粘着或粘着/滑动)产生的测量误差的发生。当转向柱5在其支撑件内滑动的过程中，这种瞬时粘着/滑动现象发生在非常低的方向盘速度下。在这些粘着/未粘着现象期间观察到的急动运动会产生干扰测量的寄生噪声。
[0089]
例如，当在预定时间间隔期间测量的扭力杆扭矩ct的最小值和最大值之间的差值低于参考值时，则能够观察到足够的稳定性。典型地，参考值为0.2nm，其在几毫秒的时间范围内测量。
[0090]
当观察到足够的稳定性时，根据上述定义的标准，第四条件变量v有利地为所有是或所有非类型，并且具有值“1”或“真”状态，否则为“0”或“假”状态。
[0091]
在图6所示的实施例中，第六条件变量δa反映了一个条件，根据该条件，两个极值之间的角度变化δθ的绝对值大于值δθ_ref。这确保扭转力矩ct是稳定的。
[0092]
如图6所示，当齿轮马达4沿第一方向s1(其对应于fr1)驱动扭力杆11时达到扭矩ct的第一极值e1。当在点p2达到第二扭矩极值e2时，当齿轮马达4沿第二方向s2驱动扭力杆11时，第六条件变量δa取值“1”或状态“真”，由于角度变化δθ大于δθ_ref。
[0093]
优选地，组合上述条件变量，以便能够置于最具代表性的可能条件下，从而触发摩擦扭矩fr1、fr2的测量的采集。这种情况对应于所有测量条件都有效的情况，即所有条件变量vl、a、v、c、δc、δa例如具有值“1”或“真”状态。
[0094]
在分析步骤102中，分析模块13接收各种条件变量vl、a、v、c、δc、δa，并且根据它
们的值输送触发信号df1、df2。
[0095]
有利地，分析模块13输送第一触发信号df1，其功能是向采集模块14发出指令，以执行作用在第一方向s1上的摩擦扭矩fr1的采集，和/或分析模块13输送第二触发信号df2，其功能是向采集模块14发出指令，以执行作用在第二方向s2上的摩擦扭矩fr2的采集。以这种方式，在采集步骤103期间，确定测量的摩擦扭矩fr1、fr2的方向。
[0096]
在采集步骤103期间，在输入端df1、df2之一上接收到信号之后，采集模块14获取瞬时扭矩ct的值。取决于是否在第一输入端df1和/或第二输入端df2上接收到信号，确定其是第一方向s1上的摩擦扭矩值fr1还是第二方向s2上的第二摩擦扭矩fr2。
[0097]
有利地，在分析步骤102期间，采集模块14确定偏离量d以及平均摩擦扭矩值fr。当已获得第一摩擦力偶fr1和第二摩擦力偶fr2时，执行分析步骤102，摩擦力偶fr1、fr2已在相反方向上获得。
[0098]
偏离量d对应于扭力杆的理论扭矩值，如果未施加摩擦力则为零，并通过以下公式获得：
[0099]
[数学公式3]
[0100]
此类偏离量d可以在通常相对彼此对称的第一摩擦扭矩fr1和第二摩擦扭矩fr2以不同值测量的情况下进行校正。因此，由测量误差引起的此类不对称得到校正。
[0101]
在分析步骤102期间，平均摩擦扭矩fr有利地确定如下：
[0102]
[数学公式4]
[0103]
参数a和fr的使用有助于测得的摩擦值fr1、fr2的利用。
[0104]
为了允许情况数据收集，在采集步骤103期间，在采集摩擦力偶fr1、fr2的同时测量情境量t、d、tu，尤其是温度t、车辆行驶的距离d、动力转向系统1的使用时间tu。此类情境量t、d、tu与在分配步骤104中获取的摩擦扭矩值fr1、fr2相关联。
[0105]
独立于分配步骤104的执行，在接收到由采集模块14发送到存储模块15的存储请求信号dm之后，在存储步骤105期间，收集的数据，换句话说，摩擦扭矩fr1、fr2和/或偏离量d的值，和/或分配或未分配的摩擦扭矩fr的平均值、情境量t、d、tu可以存储在存储模块15中。
[0106]
有利地，当在预定时间间隔t中已获取第一扭矩值fr1和第二扭矩值fr2时，执行这种存储步骤105。
[0107]
数据的存储尤其提供了ecu 10在伺服控制中或在助力转向系统的驾驶中，例如在adas操作中实时立即重新使用的可能性。
[0108]
数据的存储例如可以用于实现统计，以允许了解情境量t、d、tu对扭力杆的摩擦的影响，尤其是用于图表的构建。
[0109]
现在将描述如上所述的确定方法100的操作的示例，参考图7，其表示在使用上述所有变量条件vl、a、v、c、δc、δa的方法执行期间绘制的曲线图。
[0110]
因此，可以看出，在第一时间段t1结束之前，第一条件变量vl为0，用户将其手保持在方向盘上，从而无法执行采集步骤103。
[0111]
当用户的手在时间t1处离开方向盘时，第一条件变量vl变为“1”，扭矩ct被认为对于第二条件变量足够稳定也取值“1”。此时，存在允许其他条件变量取值“1”或“真”的条件，
从而能够采集第一摩擦扭矩fr1。
[0112]
应当注意，未获取第二摩擦扭矩fr2的值，因为与第六条件变量δa相关的条件，即在极值之间的足够大的角度变化δθ的存在未得到验证。
[0113]
在时间t2处，对于第六条件变量δa观察到足够大的角度变化δθ以取值1。其他状态值也具有值“1”或“真”，其能够实现第二摩擦扭矩fr2的获取。
[0114]
上述确定方法100有利地记录在存储介质(未示出)上，并且例如经由计算机或电子器件比如ecu执行。
[0115]
上述确定方法100适用于装配有动力转向系统1的任何车辆的应用，尤其是对于机动车。
[0116]
确定方法100特别提供了许多优点：
[0117]-根据经验但又精确地确定施加在转向柱1上的摩擦扭矩fr1、fr2，
[0118]-确定摩擦扭矩fr1、fr2，而无需安装附加传感器，
[0119]-动力转向系统1在adas操作中实时使用数据的可能性，和/或用于随后的统计用途的可能性。