CN101516716A - 用于监控对后转向轮的转向控制的设备和方法 - Google Patents

Abstract

用于监控对具有至少三个转向轮的车辆(1)的后转向轮(5)的转向控制的设备(29)和方法，其中，将后转向轮(5)的转向角定值与模板相比较，所述比较是由生成所述定值的计算机来执行的。

Description

用于监控对后转向轮的转向控制的设备和方法

技术领域

本发明涉及地面车辆的控制***的领域，特别是轮式机动车辆。

背景技术

传统上，机动车辆具有底盘、车厢、通过悬挂机构与底盘连接的车轮，其中前转向轮由车辆车厢中的驾驶员可以操纵的方向盘来控制。

文件FR-A-2 681 303描述了一种用于具有四个转向轮的机动车辆的后转向控制设备，其包括形成凸轮的板和放置在同一车辆中平面中的两个小轮，所述中平面包括控制后轮转动的后导向杆的纵轴。

该文件还描述了为了获得可能的最佳车辆道路行为，有必要以与前轮相同的方向偏转后轮以获得低于预定阈值的方向盘偏转角度，并且当偏转角度值超出该阈值时以与前轮相反的方向偏转后轮。因此，例如在车辆停泊在车库或停车场的情况下、当偏转角度相对较大时获得了期望的车辆“过度转向”效果，并且在车辆相对快速行进的情况下、当偏转角度较小时也获得了期望的“转向不足”效果。

然而，这种相对粗糙的设备并不能够精细地作用于车辆的行为。

专利申请FR-A-2 864 001(Renault)提出了一种用于控制车辆的后转向轮偏转的方法和***。根据前轮偏转角度、车辆移动数据和在前的后轮转向定值，确立当前的后轮转向定值。该方法取得了令人满意的结果，并且能够降低可能由于不适当的车辆响应而造成的失控的风险，所述不适当的车辆响应是由于过于急速、不充分的制动或甚至是不可预见性所造成的。

申请人认识到最好能够进一步增加操作安全性并且能够监控后轮转向定值，该定值的异常值可能是由于有缺陷的部件造成的，例如损坏的存储区域或算法的无效设置。硬件和软件部件的完全冗余性会造成过于昂贵和难处理的解决方案。

发明内容

本发明旨在改进上述设备的缺陷。

本发明的目的是以对用于控制车辆的后转向轮转向的***的快速反应来以经济的方式提供增加的安全性。

用于监控对于具有至少三个转向轮的车辆的后转向轮转向的控制的方法包括比较后转向轮转向定值与模板，所述比较是由生成定值的计算机来执行的。

同一个计算机用于生成定值并监控异常值的出现，这节约了大量成本并且相当简洁，因此易于在被配置成生成转向定值的计算机中被建立。

在一个实施例中，将静态后转向轮转向定值与模板相比较。所述模板可以占据较少的存储位置。

在一个实施例中，所述模板包括下限和上限。上限可以具有零值至第一阈值，在第一阈值和第二阈值之间线性增加，并且具有超出该第二阈值的常数值。所述第一阈值可以具有零值。所述第一阈值可以具有大于零的值。

在一个实施例中，所述下限具有零值。

在一个实施例中，所述下限具有零值至第三阈值，在所述第三阈值与第四阈值之间线性增加，并且具有超出第四阈值的常数值。所述上限在所述第一阈值和所述第二阈值之间的斜率以及所述下限在所述第三阈值和所述第四阈值之间的斜率可以相等。

在一个实施例中，所述第三阈值位于所述第一阈值与所述第二阈值之间。所述第四阈值可以大于所述第二阈值。

在一个实施例中，所述模板取决于前轮转向角度或方向盘角度。

在一个实施例中，如果定值超出所述模板则生成告警。

在一个实施例中，所述定值限于所述模板。

用于监控对于具有至少三个转向轮的车辆的后转向轮转向的控制的***包括用于比较后转向轮转向定值与模板的装置，所述比较是由生成所述定值的计算机来执行的。

在一个实施例中，所述模板被存储在非易失性存储器中。

由于本发明，通过降低由于生成定值的装置发生故障而导致的危险或异常的定值所造成的风险而增加了车辆安全性。

附图说明

参考附图，通过阅读下面对作为非限制性实例的几个实施例的详细描述，将更好地理解本发明，其中：

-图1是配备有控制***的车辆的示意图；

-图2是具有监控***的控制***的逻辑图；

-图3是说明对转向定值的静态部分的计算的曲线图；和

-图4和图5是说明模板实例的曲线图。

具体实施方式

如图1所示，车辆1包括底盘2、两个前转向轮3和4以及两个后转向轮5和6，所述转向轮通过悬挂机构(未显示)连接到底盘2。

车辆1具有转向***7，该转向***包括位于前轮3和4之间的台架(rack)8，以及油门执行器(rack actuator)9，该油门执行器能够根据收到的命令、借助于台架8来从车辆驾驶员可控制的方向盘(未显示)以机械或电子方式指引前轮3和4。

用于辅助转向的控制***10是这里作为实例而给出的能够被监控以增加操作可靠性的***。用于辅助转向的控制***10包括控制单元11、例如位于致动器9上的前轮3和4转向位置传感器12、用于确定车辆速度V的前轮转速传感器13、车辆横摆角速度

传感器14(即车辆沿着车轴围绕其重心的转速)、以及车辆重心处的横向加速度传感器15。

此外，***10包括后轮5和6转向角传感器17和18以及能够指引所述后轮5和6的致动器19和20。然而，单个传感器17和单个致动器19足以用来检测转向角并指引后轮5和6。位置和速度传感器可以是光的或磁的，例如霍尔效应型，其与编码器配合，该编码器在传感器为非转动时与活动部分联结。

控制单元11可以体现为微处理器的形式，该微处理器配备有随机访问存储器、只读存储器、中央单元和输入/输出接口，该接口能够接收来自传感器的信息并且特别地向致动器19和20派送指令。

确切地说，控制单元11包括输入块12，该输入块接收来自传感器12至14的信号，特别是车辆速度V、横摆角速度

和前轮角度α₁。车辆速度可以通过对前轮或后轮的速度取平均值来获得，所述速度例如由车轮防抱死***的传感器来测量。在这种情况下，为每个车轮提供一个传感器13，车轮防抱死***包括连接到控制单元11的输入端的输出端用以提供车辆速度信息。可选地，每个传感器13连接到控制单元11的输入端，控制单元11然后计算车轮速度的均值。

控制单元11还包括状态观测器23，这使之能够估计进行控制所必需的未测量的信息，特别是作用于车辆的干扰。假设阶跃变化型干扰d可以在有限的时期内直接作用于车辆的横摆角速度，可以例如基于具有两个无摇摆转向轮的车辆模型来构造状态观测器23。可以添加对致动器行为建模的动态性。与通过干扰展开的模型相关联的状态等式如下：

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·\·}{\mathrm{\ψ}}\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\β}}\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}}_{f2}\\ \stackrel{\·}{d}\end{array}\right]=\left(\begin{array}{cccc}-\frac{D_1{L}_1^2+D_2{L}_2^2}{{\mathrm{VI}}_z}& \frac{D_2{L}_2-D_1{L}_1}{I_z}& -\frac{D_2{L}_2}{I_z}& 0\\ -1+\frac{D_2{L}_2-D_1{L}_1}{{\mathrm{MV}}^2}& -\frac{D_1+D_2}{\mathrm{MV}}& \frac{D_2}{\mathrm{MV}}& 0\\ 0& 0& 0& -\frac{1}{\mathrm{\τ}}\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}\\ \mathrm{\β}\\ {\mathrm{\α}}_{f2}\\ d\end{array}\right]+\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ \frac{1}{\mathrm{\τ}}\\ 0\end{array}\right){\mathrm{\α}}_2+\left(\begin{array}{c}\frac{D_1{L}_1}{I_z}\\ \frac{D_1}{\mathrm{MV}}\\ 0\\ 0\end{array}\right){\mathrm{\α}}_1$

$y=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 1\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}\\ \mathrm{\β}\\ {\mathrm{\α}}_{f2}\\ d\end{array}\right]$

其中，y表示相关的输出，M是车辆总质量，Iz是车辆围绕穿过其重心的车轴的惯性，L1是从重心到前轴的距离，L2是从重心到后轴的距离，L是等于L1+L2的车辆轴距，D1是前偏移刚度，D2是后偏移刚度，α1是前轮与车辆纵轴的角度，α2是后轮的定值角度，αf2是后轮的真实转向角度，V是车速，

是横摆角速度，β是偏移角度(即车辆的速度向量与该车辆纵轴之间的角度)，并且τ是致动器响应时间。

线性观测器的经典理论是基于这个模型开发的。状态观测器23使之能够观测车辆状态和作用于车辆的所有干扰。状态观测器因而可以使用下面的等式：

$\left[\begin{array}{c}\widehat{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\ψ}}}\\ \widehat{\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}}\\ {\widehat{\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}}}_{f2}\\ \widehat{\stackrel{\·}{d}}\end{array}\right]=\left(\begin{array}{cccc}-\frac{D_1{L}_1^2+D_2{L}_2^2}{{\mathrm{VI}}_z}& \frac{D_2{L}_2-D_1{L}_1}{I_z}& -\frac{D_2{L}_2}{I_z}& 0\\ -1+\frac{D_2{L}_2-D_1{L}_1}{{\mathrm{MV}}^2}& -\frac{D_1+D_2}{\mathrm{MV}}& \frac{D_2}{\mathrm{MV}}& 0\\ 0& 0& 0& -\frac{1}{\mathrm{\τ}}\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}\widehat{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}\\ \widehat{\mathrm{\β}}\\ {\widehat{\mathrm{\α}}}_{f2}\\ \hat{d}\end{array}\right]+\left(\begin{array}{c}0\\ 0\\ \frac{1}{\mathrm{\τ}}\\ 0\end{array}\right){\mathrm{\α}}_2+\left(\begin{array}{c}\frac{D_1{L}_1}{I_z}\\ \frac{D_1}{\mathrm{MV}}\\ 0\\ 0\end{array}\right){\mathrm{\α}}_1+\mathrm{Ko}\left(V\right)(\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}-\hat{y})$

$\hat{y}=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 1\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}\widehat{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}\\ \widehat{\mathrm{\β}}\\ {\widehat{\mathrm{\α}}}_{f2}\\ \hat{d}\end{array}\right]$

带有“^”表示值是估计的，d是车辆经受的干扰，并且Ko(V)是随着车辆速度的变化而变化的状态观测器的调整参数。四个估计值和

提供了可由控制单元11的其他元件使用的车辆状态估计。

控制单元11还包括用于计算瞬时值的块24。块24计算后轮5和6的转向角的控制值，标记为α_2-transient，其使之能够作用于瞬时响应的动态性。所述计算可以通过极点配置技术来进行。这点可以参考Kautsky，J.和N.K.Nichols的文献“Robust Pole Assignment in Linear State Feedback”，Int.J.Control，41(1985)，第1129-1155页。注意[a1(V)+b1(V)i(a2(V)+b2(V)i(a3(V)+b3(V)i]。上面在无干扰的情况下描述了三个***极点，a(V)和b(V)分别对应于以速度V的每个极点的实部和虚部，寻找校正因子K＝[K1(V)K2(V)K3(V)]，该校正因子将反馈***的极点设置在：

[Tdyn11(V).a1(V)+Tdyn12(V).b1(V).i

Tdyn21(V).a2(V)+Tdyn22(V).b2(V).i

Tdyn31(V).a3(V)+Tdyn32(V).b3(V).i]

Tdyn11、Tdyn12、Tdyn21、Tdyn22、Tdyn31、Tdyn32是调整参数(随着车辆瞬时响应的车辆速度V的变化而变化)。

校正因子K(Vo)可以通过上述文献中描述的极点配置过程针对每个选择的速度Vo而被计算。校正因子K(V)因而按照速度而被***。因而获得了如下的控制变量：

${\mathrm{\α}}_{2-\mathrm{transient}}=K_1\left(V\right).\widehat{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}+K_2\left(V\right)\widehat{\mathrm{\β}}+K_3\left(V\right){\widehat{\mathrm{\α}}}_{f2}$

应当指出，如果所述调整参数等于1，则车辆动态响应未被修改，大于1的参数导致车辆响应迅度的增加，并且小于1的参数导致车辆响应迅度的降低。可以作为示例性调整来进行如下的假设：

Tdyn11＝0.8

Tdyn12＝0

Tdyn21＝0.8

Tdyn22＝0

Tdyn31＝0.8

Tdyn32＝0

这种调整使之能够减慢车辆的动态响应并且消除横摆角速度的振荡和车辆的偏移。以例如90km/h的高速，这种调整使之能够优化双重换道的执行。

控制单元11还包括用于计算标记为α_2-static的静态控制的块25，其作为输入而接收例如由传感器12测量的前轮转向角α1、块24计算的系数K1、K2和K3以及由传感器13测量的车辆速度V。控制α_2-static能够作用于车辆的静态响应并且修改在轻移方向盘一给定幅度后所获得的横摆角速度的静态值。结果可以通过与静态增益相比较来表达，所述静态增益是从其后轮为非转向的车辆上获得的。

${\left[\frac{{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{STABILIZED}}}{{\mathrm{\α}}_1}\right]}_{4\mathrm{SW}}=\mathrm{Tgs}{\left[\frac{{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{STABILIZED}}}{{\mathrm{\α}}_1}\right]}_{2\mathrm{SW}},$ 其中Tgs是可以在必要情况下随速度V的变化而变化的调整参数。

为了使得瞬时的和稳定的部分独立，关于α_2transient而执行下列校正：α₂＝α_2transient-FF.α₁，其中增益“FF”由下面的公式定义：

(1-(Tgs(V)).(1+K3(V))+Tgs(V).(K1(V).Gψ+K2(V).Gβ2)+K2(V)

其中：

$G\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}=\frac{V}{L+\frac{M.(L_2{D}_2-L_1{D}_1)}{L{D}_1{D}_2}}$

$G_{{\mathrm{\β}}_2}=\mathrm{G\ψ}.(\frac{L_1}{V}+\frac{L_2\mathrm{MV}}{L{D}_1})$

这使之能够保证α_2stabilized＝(1-Tgs).α₁。

如果Tgs等于1，则车辆的静态响应不被修改，因此其等于具有非转向后轮的车辆的静态响应相同。系数Tgs的大于1的值导致车辆静态响应的增加，而小于1的值导致车辆静态响应的减小。可以假设在速度为90km/h的情况下Tgs＝1.2，由此能够使得车辆的响应更直接并且能够优化双重换道的执行。

控制单元11具有减法器26、输出端27和单位延迟28。减法器26在其正输入端接收块24的控制输出α_2-transient并且在其负输入端接收块25的控制输出α_2-static。减法器26的输出端一方面连接到控制单元11的通用输出端27，另一方面连接到单位延迟28，该单位延迟的输出端连接到状态观测器23的输入端以为其提供上一时刻的后轮转向角。

后轮转向控制***借助于能够修改***动态性能的控制器和能够调整静态增益的增益而呈现出闭环结构，它们都随着速度的变化而变化。

所述控制策略使之能够调整车辆对方向盘轻移的侧向响应的瞬时部分。特别地，可以调整响应的速度以及其制动。取决于车辆速度的最终的调节使之能够优化效率并且使得双重换道或甚至低速操纵的执行更加容易。

所述控制策略使之能够调整车辆对方向盘轻移的侧向响应的静态部分。取决于车辆速度的最终调整使之能够例如优化效率并且使得双重换道和/或低速操纵的执行更加容易。

车辆响应的静态和动态部分可以被单独调整。闭环结构确保了良好的准确性和高度的稳健性。作为变型，可以设想开环结构。此外，可以考虑前轮3和4的致动器9的动态性以及后轮5和6的致动器19和20的动态性。对参数的调整是迅速且直观的，因为所述参数与车辆的最低性能有关，也就是说具有非转向后轮的车辆的性能。具体地，等于1的调整参数并不修改车辆的行为，而大于1的调整参数使得行为更灵敏且更直接，反之亦然。

控制单元11包括用于监控定值的静态部分α_2-static的***29。用于监控定值的动态部分α_2-dynamic的***也可以被实现。监控***29可以采取软件部分的形式，该软件部分存储于控制单元11的剩余存储器中并且由控制单元11的微处理器或关联于微处理器的专用微电路来执行。监控***29确定静态部分是否符合模板并且在超出模板的情况下发出告警。告警被发送至外部设备(未显示)。可选地，通过用模板带来的限制来替代静态部分α_2-static，所述告警导致该静态部分的修改。

对于每个速度，如下计算标称转向定值α_2-static：

${\mathrm{\&alpha;}}_{2-\mathrm{STATIC}}\mathrm{no}\min \mathrm{al}=\left\{\begin{array}{cc}{a}_{2\max }& \mathrm{if}\left|{\mathrm{\&alpha;}}_{2\mathrm{NonSatur}}\right|>\left|{\mathrm{\&alpha;}}_{2\max }\right|\\ a_{2\mathrm{NonSatur}}& \mathrm{if}\left|{\mathrm{\&alpha;}}_1\right|\&GreaterEqual;\mathrm{d\; and}\left|{\mathrm{\&alpha;}}_{2\mathrm{NonSatur}}\right|\&le;\left|{\mathrm{\&alpha;}}_{2\max }\right|\\ 0& \mathrm{if}\left|{\mathrm{\&alpha;}}_1\right|<d\end{array}\right.$

其中α_2NonSatur＝K(1-Tgs)(α₁-d)，参见图3，其中K是满足0≤K≤l的形状因子，K是通过在点α₁＝d强加一斜率s来被计算的，并且d是后转向为零的死区域。α_2max是定值静态部分的最大值。

参数Tgs总是正的，并且仅取决于速度。如果Tgs＝1，则静态定值α_2-static＝0，其在横摆角速度被稳定后、在稳定状态下等同于二转向轮车辆。

在检查静态转向定值时，监控***29分别检查后者的符号和绝对值。

根据第一实施例，符号被确定为：

sign(α_2-static)＝sign(α₁)if 0＜Tgs＜1  (1)

sign(α_2-static)＝-sign(α₁)if Tgs＞l    (2)

α_2-static≈0 if Tgs＝1                  (3)

因此，如果未满足这三个关系式，则通知误差。

为了监控静态转向定值的绝对值，监控***29建立说明所述值的上限和下限的直线。

上限：|α_{2upper bound}|＝|(1-Tgs)α₁|+b1              (4)

下限：|α_{2lower bound}|＝|(1-Tgs)α₁|+b2              (5)

其中b1＝-(1-Tgs)＊d，并且b2被计算成使得下限平行于上限并且与下限曲线相切

|α_2-static标称|，见图4。

因此，对于所有的Tgs≠1，监控***29检查

|(1-Tgs)α₁|+b2≤|α_2-static|≤|(1-Tgs)α₁|+b1       (6)

并且如果Tgs≈1，则监控***29检查出定值较小：

|α_2-static |≈0                                     (7)

当相对于标称值的预定偏差Δ指示所计算的定值超出用上限和下限限定出的模板时，监控***29通知误差。

作为说明，如果需要检测的偏差大于0.3°，则这个策略适用于大约95％的真实驾驶情形。此外，剩余的情形发生在小于55km/h的速度的情况下，因此并不存在危险。

为了实现这个安全策略，关于前轮转向角、车辆速度和实时可用的安全值Tgs＝f(V)的可靠信息是必需的。

第二实施例在于免除信息Tgs＝f(V)，并且这可能在这个必须实时可用的信息并不安全的情况下是有益的。

在这种情况下，使用Tgs的最大和最小值，以及使得Tgs改变符号的速度。

对于每个速度，监控***29建立图5的模板。

因此，如果Tgs＞1，则监控***29检验

0≤|α_2-static|≤|(1-Tgs_max)α₁|                             (8)

如果0＜Tgs＜1，则监控***29检验

0≤|α_2-static|≤|(1-Tgs_min)α₁|                             (9)

如果Tgs≈1，则监控***29检验出定值较小：

|α_2-static|≈0                                              (10)

认为α₁和V是输出端的安全信息，但是不再为实现这个控制策略而实时地且安全地需要参数Tgs＝f(V)，因为仅有值Tgs_max和Tgs_min以及使得Tgs改变符号的速度被用来计算模板。

在这个实施例中，如上面针对第一实施例的描述那样检查α₂的符号。

这个实施例因而更粗略且更稳健。

本发明以经济的方式提供了用于后轮转向的定值的安全性。

Claims (10)

1.一种用于监控对具有至少三个转向轮的车辆的后转向轮的转向控制的方法，其中，将后转向轮转向定值与模板相比较，所述比较是由生成所述定值的计算机来执行的，并且所述模板取决于前轮转向角度或方向盘角度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，将静态后转向轮转向定值与模板相比较。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述模板包括下限和上限。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述上限具有零值至第一阈值、在所述第一阈值与第二阈值之间线性增加、并且具有超出所述第二阈值的常数值。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一阈值具有零值。

6.根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述第一阈值具有大于零的值。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的方法，其中，所述下限具有零值。

8.根据权利要求3至6中任一项所述的方法，其中，所述下限具有零值至第三阈值、在所述第三阈值与第四阈值之间线性增加、并且具有超出所述第四阈值的常数值。

9.一种用于监控对于具有至少三个转向轮的车辆(1)的后转向轮(5)的转向控制的***(29)，其特征在于，包括用于比较后转向轮转向定值与模板的装置，所述比较是由生成所述定值的计算机来执行的，并且所述模板取决于前轮的转向角度或方向盘角度。

10.根据权利要求9所述的***，其中，所述模板被存储在非易失性存储器中。

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