CN102372027A - 用于车辆的转向控制设备和转向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于控制转向设备的方法，所述方法的特征在于下列步骤：基于转向轴扭矩确定方向盘扭矩(M)；确定检测到的方向盘扭矩(M)的时间导数

如果方向盘扭矩(M)的绝对值小于阈值扭矩极限(ε1)，并且如果方向盘扭矩的导数

的绝对值小于阈值导数扭矩极限(ε2)，则计数器(C)增加一个计数；如果方向盘扭矩(M)的绝对值高于或等于阈值扭矩极限(ε1)，或/和如果方向盘扭矩的导数

的绝对值高于或等于阈值导数扭矩极限(ε2)，则计数器(C)减少一个计数；如果计数器(C)具有等于或高于阈值计数极限(N1)的值，则确定为“手脱开”状态。

Description

用于车辆的转向控制设备和转向控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制转向设备的方法，转向设备具有机动车辆转向动力支持装置，转向动力支持装置用于具有至少一个可操纵车轮的机动车辆，由此该转向设备包括：

转向轴，该转向轴具有接纳方向盘的第一端；

控制设备，该控制设备控制所述动力支持装置；

感测装置，该感测装置检测引入所述转向轴的转向轴扭矩；

确定“手脱开”情形的装置，在所述情形中中驾驶员不向所述转向轴中引入扭矩；

其中，基于引入转向轴中的驾驶员需求，转向动力支持装置支持驾驶员的转向力。

基本上，这种转向***通过测量由驾驶员引入转向轴的转向轴扭矩而得以控制。动力支持装置可以是动力扭矩辅助设备。关于由驾驶员引入的转向轴扭矩，该动力辅助设备向转向设备中供给辅助扭矩。动力支持装置也可以是叠加设备。该叠加设备提供附加角，以便向驾驶员的转向角需求叠加附加角。

有时将发生驾驶员双手放开方向盘，相比于驾驶员的影响，转向轴扭矩更多地是作为***惯性的结果。在这种“手脱开”状态，转向情形也应当是清晰限定的情形。通常，驾驶员会期望在这种“手脱开”状态下车轮自身将调整直线向前的方向。

背景技术

US6219603公开了一种“手脱开”状态确定程序。基本的理念是，在“手脱开”状态中，转向轴扭矩振动不由驾驶员衰减。当扭矩的大小小于预定阈值时，估计为“手脱开”状态。

EP1934083B1公开了一种“手脱开”状态确定程序，其中检查方向盘转向扭矩的变化，而如果此变化超出阈值的值，则确定为“手扶握”状态。否则，如果变化小于阈值的值，则确定为“手脱开”状态。

在使用中，尽管驾驶员的双手手扶握在方向盘上，但用已知方法有时将错误地确定为“手脱开”状态。

发明内容

本发明的一个目的是提供改进对“手脱开”状态的识别的方法和设备。

该目的的解决方案包括具有下列步骤的控制方法：

基于转向轴扭矩确定方向盘扭矩M；

确定检测到的方向盘扭矩的导数

如果方向盘扭矩M的绝对值小于阈值扭矩极限ε1，并且如果方向盘扭矩M的导数

的绝对值小于阈值导数扭矩极限ε2，则计数器C增加一个计数，

如果方向盘扭矩M的绝对值高于或等于阈值扭矩极限ε1，或/和如果方向盘扭矩的导数的绝对值高于或等于阈值导数扭矩极限ε2，则所述计数器C减少一个计数，

如果所述计数器C具有高于或等于阈值计数极限N1的值，则确定为“手脱开”状态。

结果，以高可靠性确定“手脱开”状态。转向轴扭矩的简单检查不能避免在确定“手脱开”状态时的一些计算问题。在车辆直线向前行驶而且几乎没有必要由驾驶员输入的状态的情况下，本发明减少“手脱开”状态检测的误差。

通过使用方向盘扭矩而非转向轴扭矩自身，更好地掩盖了转向设备中的惯性的影响。

在优选实施方式中，方向盘扭矩可以由使用车辆模型和转向设备模型的观察设备计算。观察设备可以通过使用其他测量到的值改进计算结果。这种值可以是下列值中的一个或多个：车速、方向盘转动角、类似于包括在动力支持装置中的电动马达的转动位置之类的动力支持装置信号。也可以使用其他值进行计算。

在本发明的优选实施方式中，转向轴扭矩由低通滤波器滤波。由此减小振动或数字故障的影响。

为了改进此方法，从“手扶握”状态至“手脱开”状态的切换假定为在与从“手脱开”状态至“手扶握”状态的切换不同的极限。由此，如果所述计数器C具有小于阈值下计数极限N2，则确定为“手扶握”状态。此下计数极限N2优选为小于计数极限N1。这减少“手扶握”状态与“手脱开”状态之间可能的振动。下计数极限N2可以是计数极限N1的1/2或1/3，或N2可以为0。

为了避免计数器C减少太多的情形的问题，优选使用计数停止极限N3。达到计数停止极限N3时，计算器C不会进一步减少。计数停止极限N3可以为0或等于下计数极限N2，或0与N2之间的值。

进一步的改进在于通过低通滤波器、特别优选地通过具有数字滤波功能的低通滤波器对“手脱开”状态值输出进行滤波。此特征减少“手脱开”状态与“手扶握”状态之间的振动。“手扶握”状态与“手脱开”状态之间、或“手脱开”状态与“手扶握”状态之间的任何改变将在短时间的延迟之后输出。原则上，此低通滤波检测状态值是否未过于频繁地改变，并且状态不会清晰而安全地得以检测。当“手脱开”状态/“手扶握”状态改变时，实现借助于数字滤波的时间延迟。在借助于低通滤波的时间延迟过程中“检测”检测到的状态值是否再次改变。状态值再次改变时，状态值输出不改变。用于这种滤波或延迟的时间常数应当是优选在1秒至3秒之间的范围。

阈值扭矩极限ε1和/或阈值导数扭矩极限ε2应当优选地适用于实时转向设备和车辆参数和/或驾驶员行为和/或道路参数。因此，可以将阈值扭矩极限ε1作为基本扭矩极限ε0与方向盘扭矩的变化的组合来计算。

替代地或组合地，也能够将阈值导数扭矩极限ε2作为基本导数扭矩极限ε3与方向盘扭矩的变化的组合来计算。方向盘扭矩的变化——或标准导数——反映实时驾驶情形、车辆参数和转向设备参数。在最简单的情况下，所谓“组合”设定为相乘。

确定的“手脱开”状态/“手扶握”状态可以用于不同目的。在确定为“手脱开”状态的情况下，信号或警告可以输出至驾驶员。

在确定为“手脱开”状态的情况下，也可以设定供给至动力支持装置的附加需求。优选的附加需求应当是沿着直线向前方向使车辆转向的需求。这种需求可以是向动力扭矩辅助设备的附加需求扭矩。另一需求可以是向叠加转向设备的附加叠加角。

附图说明

基于下列图中示出的实例性实施方式进一步描述本发明，图中：

图1：具有根据本发明的转向动力支持装置的转向设备；

图2：根据本发明的转向控制设备的框图；

图3：根据本发明另一实施方式的转向控制设备的框图；

图4：方向盘扭矩关于时间的实例的示意性图；

图5：方向盘扭矩对时间的导数关于时间的实例的示意性图；

图6：计数器的实例的示意性图；

图7：确定“手脱开”状态的方法的示意性框图。

类似的或起类似作用的部件以相同的参考数字在图中标出。

具体实施方式

图1示出了转向设备，本发明的第一实施方式可以应用于该转向设备。该转向设备包括转向轴1和转向盘2。该转向盘2接纳于转向轴1的第一端。车轮4能够借助于转向横拉杆3调整。转向横拉杆3借助于齿条5驱动。小齿轮6与齿条5啮合。通过转动小齿轮6而在纵向方向驱动所述齿条5。通过转动方向盘2来驱动小齿轮6，其中通过转向轴1传递转动扭矩。该转向设备还包括用于将支持扭矩引入转向致动器的动力支持装置。动力支持装置7可以在第一实施方式中设置为沿着纵向方向作用于齿条5。这种动力支持装置是众所周知的，并且可以使用电动马达18。电动马达18通过带传动装置联接至滚珠丝杠机构，从而沿着纵向方向驱动齿条5。

根据能够应用于本发明的第二实施方式，动力支持装置8设置为驱动小齿轮6。在这种情况下，动力支持装置可以包括借助于减速齿轮联接至小齿轮6的电动马达18。

在能够应用于本发明的另一实施方式中，动力支持装置9设置在转向柱附近，以便将支持——在这种情况下为支持扭矩——引入转向轴1。此外，在这种情况下，动力支持装置可以包括借助于减速齿轮联接至转向轴的电动马达18。

主控制设备10获取来自扭矩传感器11的信号12以及例如对于车速V的信号之类的其他信号，计算供给动力值13、13’或13”，根据转向设备的具体实施方式，将供给动力值13、13’或13”输出至动力支持装置7、或动力支持装置8、或动力支持装置9的相应电动马达。当驾驶员调整方向盘2时，他或她向转向设备中引入转向轴扭矩，该扭矩由转向扭矩传感器11测量。根据转向扭矩信号11的值、和例如车速V之类其他的车辆参数、和可能转向情形的其他参数14，控制设备10计算动力支持扭矩，以便为驾驶员减小方向盘扭矩。

动力支持装置中的一个——叠加转向设备——可以作为替代或与上文描述的设计组合。这种叠加转向设备将驾驶员转向角需求和附加转向角叠加，将得到的和输出至车轮。

因为动力支持装置的布置可以借助于控制设备的不同实施方式以不同的控制方法来控制，所以这些不同的实施方式全部都能应用于本发明。

图2示出了用于具有转向动力支持装置的转向设备的控制设备和控制方法的第一实施方式。由转向盘2引入并由扭矩传感器11测量的转向轴扭矩值12输出至观察设备15。观察设备15基于转向设备模型和/或车辆模型计算用于转向***和/或车辆***的状态参数。如果存在与车速V、和/或车辆加速度、和/或转向角、和/或转向角速度和/或加速度、和/或其他转向和/或车辆值类似的其他可用测量值14，则这些类似的值也会被给送至主控制设备10的观察设备15。在观察设备15中计算车辆和转向***的许多必要或有用的参数，以改进对转向动力支持装置的控制。基于转向轴扭矩12，观察设备15计算方向盘扭矩M和其他车辆和/或转向参数。作为观察设备15计算结果的或从传感器传送来的方向盘扭矩M和其他车辆参数14a输入控制设备16内。控制设备16计算要求的马达扭矩12b，将要求的马达扭矩12b输出至马达控制设备17。马达控制设备17将马达电流值输出至马达18的线圈。通常这种马达控制设备17使用脉冲宽度调制(PWM)来工作，这在现有技术中是众所周知的。控制电动马达18的其他方法也是可能的和可用的。马达输出扭矩以沿着纵向方向调整齿条5，从而转动车轮4。借助于路面19，向齿条5引入沿着纵向方向的回位载荷。经由机械联接器20，反馈信息传送回转向轴1中，由此使反馈控制回路闭合。

图3示出了本发明的第二实施方式。与第一实施方式不同的是，主控制装置10不包括观察设备。在第二实施方式中，以类似于方向盘扭矩M的方式使用直接测量的转向轴扭矩12的值，并将直接测量的转向轴扭矩12的值引入控制装置16。其他测量到的信号14也直接引入控制装置16中。根据此第二实施方式，控制结果不会像使用观察设备那样舒适。惯性和其他车辆参数的影响可以仅以缩减的形式引入控制算法中。为了获得充分的控制结果，如类似车速的测量到的信号14的相关值或其他值必然是可用的。此实施方式的优点在于降低成本。

图4示出了方向盘扭矩M关于时间t的示意性图。在此实例中，在起始时间t0，方向盘扭矩具有高于极限ε1的正值。这可能是驾驶员使车辆向左手方向转向的驾驶情形。在t0与ta之间的时间间隔过程中，在此示例中车辆越来越沿着直线向前方向行驶。在从时间ta至时间tc的时间期间中，驾驶员不向转向设备中引入高方向盘扭矩，而车辆将几乎沿着直线向前方向行驶。在接下来的时间tc与时间td之间的时间间隔中，驾驶员将使车辆向右手方向转向，转向盘扭矩将是负值，小于负极限-ε1。在接下来的时间td与时间te之间的时间间隔中，车辆将依循几乎恒定的圆进入右手方向。实例示出在时间ta与时间tc之间的时间间隔中，方向盘扭矩M的绝对值将小于阈值极限ε1。电子控制设备通常具有固定间隔的时钟周期或工作周期。由此可以确定时间与工作循环计数之间的关系。在本发明的上下文中，术语“时间持续期间”等同于工作循环的计数的数量。

图5示出方向盘扭矩对时间的导数

关于时间t的关系。此图对应于图4中的图。示出导数在很短的时间间隔内具有很大的差。导数表示由驾驶员对于来自道路的任何干扰或任何驾驶员输入振动的补偿。在此示例中示出，当在从时间td直至时间te的时间间隔中依循几乎恒定的圆向左手方向驾驶车辆时，驾驶员非常稳定地握住方向盘。方向盘扭矩的导数

的绝对值小于阈值导数扭矩极限ε2。在时间ta与时间tb之间的时间间隔中，驾驶员沿着直线向前方向驾驶车辆，但他或她不得不以方向盘扭矩M的很小的绝对值频繁地调整方向盘。因为例如坑洞之类的道路干扰，这可能是必要的。在时间tb与时间tc之间的时间间隔中，方向盘扭矩M的绝对值小于阈值扭矩极限ε1，而方向盘扭矩的导数

的绝对值小于阈值导数扭矩极限ε2。在此时间间隔中，在每个工作循环Δt中计数器将增加。如果时间间隔足够长，计数器将超过计数极限N1，并且“手脱开”状态得以确定。在所有其他时间间隔中，方向盘扭矩M的绝对值高于扭矩极限ε1，或者方向盘扭矩的导数的绝对值高于时间导数扭矩极限ε2。在所有这些时间间隔中，计数器将减少，直至达到计数停止极限N3。

根据图4所示方向盘扭矩M和图5所示的导数，图6示出作为时间的函数的计数器。在时间tx1，示出计算器超出计数极限N1。稍后，在时间tx2，计数器减少，之后会达到下计数极限N2。

从时间tx1至时间tx2的时间间隔之间，从控制器输出“手脱开”状态。

图6也示出计数器不再减少的计数停止极限N3。此外，示出计数器具有永不被超出的第二最大计数极限N0。在达到此最大计数极限N0的情况下，计数器不再增加。方向符号描述对于不同的“手扶握”状态/“手脱开”状态的计数器水平。时间轴下方示出了检测到的“手扶握”状态/“手脱开”状态。

图7示出控制方法的框图。输入信号是作为来自观察设备15的输出信号的方向盘扭矩M。基本扭矩极限ε0和基本导数扭矩极限ε3也被给送至控制程序中。极限应被存储在控制设备10的存储器中。在第一步骤100中计算方向盘扭矩的导数

此外，在此第一步骤中计算扭矩极限ε1和导数扭矩极限ε2。在框101中，在方向盘扭矩M与阈值扭矩极限ε1之间进行比较。如果方向盘扭矩的绝对值M小于阈值扭矩极限ε1，则框101输出值“是”，将该输出值输入下一框103。否则，将值“否”输出至框104。平行地，在框102中，在导数方向盘扭矩

与阈值导数扭矩ε2之间进行比较。如果方向盘扭矩的导数

的绝对值小于阈值导数扭矩ε2，则框102向框103输出值“是”。否则则向框104输出值“否”。在框103中，检查信号“是”是否从框101和从框102输入。如果两个信号均输入至框103，则输出信号C+将设定为1。如果框104获得信号“否”，框104将输出具有值1的输出信号C-。如果框103没有从框101和102获得两个信号“是”，则来自框103的输出信号C+具有值0。如果框104没有获得任何“否”的信号，来自框104的输出信号C-将是0。在框105中，信号C+和负信号C-被加至实际计数值C。如果计数值超出阈值计数极限N1，则框105将输出“手脱开”状态信号。如果计数器的值小于阈值下计数极限N2，则框105将输出“手扶握”状态信号。在框105中，还检查计数器是否将超过最大计数N0，或是否将小于计数停止极限N3。如果计数器将超出最大计数N0，则计数器不会进一步增加，而保持在最大计数N0。如果计数器将小于计数停止极限，则计数器不会进一步减少。下列方程将示出框105中的数学程序。

在框105中，原则上实现下列步骤，其中借助于Δt＝t-(t-1)限定工作循环。

步骤1：C(t)＝C(t-1)+C+-C-

步骤2：如果C(t)＞N0，则设定C＝N0

步骤3：如果C(t)＜N3，则设定C＝N3

步骤4：C(t-1)设定为等于C

步骤5：检查是否C＞N1，如果为“是”，则输出“手脱开”信号，到步骤8

步骤6：检查是否C＜N2，如果为“是”，则输出“手扶握”信号，到步骤8

步骤7：输出与在之前的工作循环t-1中类似的“手脱开”信号或“手扶握”信号

步骤8：进行至步骤1

在设计转向设备和车辆的过程中，阈值的值N0、N1、N2、N3将在测试程序中确定。也能够通过根据车辆参数或基于过往行为的在神经网络中的学习而计算或查询表来调整这些极限。在本发明的优选实施方式中，转向轴扭矩12借助于低通滤波器来进行滤波。优选实施方式中的低通滤波器的时间常数应当为约1秒或更优选地为3秒。

作为替代，也能够通过在控制器10或观察设备15中的数字滤波对来自转向轴扭矩12的信号进行滤波。然而，本发明也能够在不进行对转向轴扭矩信号12滤波的情况下得以实施。

也能够使用滤波后的方向盘扭矩M，其中此信号在观察设备15中被计算然后被进行滤波。此外，优选地，使用滤波后的方向盘扭矩的导数

通过使用由低通滤波器进行的这种滤波操作，计算“手脱开”或“手扶握”状态的计算过程将变得更稳定。在所有情况下，滤波器应是具有优选为1秒或更优选为3秒的时间常数的低通滤波器。

只要是可用的或可执行的，能够组合和/或混合和/或替换不同实施方式或实例的所有单个特征而不脱离本发明。

Claims (10)

1.一种用于控制转向设备的方法，所述转向设备具有转向动力支持装置(7，8，9)，所述转向动力支持装置(7，8，9)用于具有至少一个可操纵车轮(4)的机动车辆，由此所述转向设备包括：

转向轴(1)，所述转向轴(1)具有接纳方向盘(2)的第一端；

控制设备(10)，所述控制设备(10)控制所述动力支持装置(7，8，9)；

感测装置(11)，所述感测装置(11)检测引入所述转向轴(4)的转向轴扭矩；

确定“手脱开”情形的装置，在所述“手脱开”情形中驾驶员不向所述转向轴(1)中引入扭矩；

其中，基于引入所述转向轴(1)中的驾驶员需求，所述转向动力支持装置(7，8，9)支持驾驶员，

所述方法的特征在于下列步骤：

基于所述转向轴扭矩确定方向盘扭矩(M)；

确定检测到的所述方向盘扭矩(M)的时间导数

如果所述方向盘扭矩(M)的绝对值小于阈值扭矩极限(ε1)，并且如果所述方向盘扭矩的导数

的绝对值小于阈值导数扭矩极限(ε2)，则计数器(C)增加一个计数，

如果所述方向盘扭矩(M)的所述绝对值高于或等于阈值扭矩极限(ε1)，或/和如果所述方向盘扭矩的导数

的绝对值高于或等于阈值导数扭矩极限(ε2)，则所述计数器(C)减少一个计数，

如果所述计数器(C)具有等于或高于阈值计数极限(N1)的值，则确定为“手脱开”状态。

2.根据权利要求1所述的用于控制转向设备的方法，其特征在于，所述转向轴扭矩由低通滤波器滤波。

3.根据前述权利要求中的一个或多个所述的用于控制所述转向设备的方法，其特征在于，如果所述计数器(C)具有小于阈值下计数极限(N2)的值，则确定为“手扶握”状态。

4.根据前述权利要求中的一个或多个所述的用于控制所述转向设备的方法，其特征在于，“手脱开”状态值输出由低通滤波器滤波。

5.根据前述权利要求中的一个或多个所述的用于控制所述转向设备的方法，其特征在于，所述阈值扭矩极限(ε1)被计算为基本扭矩极限(ε0)和所述方向盘扭矩的变化的组合。

6.根据前述权利要求中的一个或多个所述的用于控制所述转向设备的方法，其特征在于，所述导数扭矩极限阈值(ε2)被计算为基本导数扭矩极限(ε3)和所述方向盘扭矩的变化的组合。

7.根据前述权利要求中的一个或多个所述的用于控制所述转向设备的方法，其特征在于，在确定为所述“手脱开”状态的情况下，向驾驶员输出信号或警告信息。

8.根据前述权利要求中的一个或多个所述的用于控制所述转向设备的方法，其特征在于，在确定为所述“手脱开”状态的情况下，扭矩需求信号形式的附加信号被供给至所述动力支持装置(7，8，9)。

9.根据前述权利要求中的一个或多个所述的用于控制所述转向设备的方法，其特征在于，在确定为所述“手脱开”状态的情况下，叠加转向角信号形式的附加信号被供给至所述动力支持装置(7，8，9)。

10.根据权利要求8或9所述的用于控制转向设备的方法，其特征在于，所述附加信号适合于沿着直线向前方向使车辆转向。

Images