CN102648119B - 用于在运行期间辅助车辆驾驶员的方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及在运行期间通过为车辆驾驶员提供期望的转向感来辅助该驾驶员的方法，其特征在于如下步骤：-确定所期望的转向装置引导力，该期望的转向装置引导力包括代表了转向设备中的期望的摩擦力的部分；以及，-基于所确定的转向装置引导力来为驾驶员提供所述期望的转向感。

Description

用于在运行期间辅助车辆驾驶员的方法和***

技术领域

本发明涉及用于在运行期间通过为车辆驾驶员提供期望的转向感来辅助该驾驶员的方法和***。

背景技术

已知的是，通过基于不同的输入参数将引导力施加到转向装置上来为驾驶员提供期望的转向感，这些输入参数例如是转向装置的偏转度、侧向加速度、横摆率、以及车辆速度。

如果施加到转向装置上的引导力抵消由驾驶员施加到转向装置上的力，则该引导力是阻力性的，而如果该引导力与驾驶员施加在转向装置上的力作用在同一方向上，则该引导力是助力性的，因此，例如降低了诸如作用在车轮上的摩擦力等的效果，此摩擦力等被驾驶员感受为操作该转向装置时的阻力。

在车辆的情形中，所述转向装置通常由常规的方向盘形成。然而，本发明也适用于其它转向装置，例如操纵杆、滑动头(slidingnipple)或任何其他适当的用于使车辆转向的转向装置。例如，在转向装置是方向盘的情况下，引导力将表现为施加到方向盘上的引导力矩。因此，在此情况下，术语“转向感”是指驾驶员在车辆运行期间感受到的该方向盘力矩。

EP1431160公开了一种基于方向盘旋转角度、车辆速度和侧向加速度或横摆率来估算方向盘阻力矩的***。方向盘经由转向轴设备连接到车轮，并且，测量所传递的方向盘阻力矩并将其与所估算的方向盘阻力矩相比较，随后，通过使用反馈控制器将所传递的方向盘阻力矩调整为与所估算的方向盘阻力矩大致相同。然而，已经发现该***在某些运行中不能认为是不稳定的。此外，已经发现，当在长弯道上行驶时，转向感会降低。

发明内容

本发明的一个目的是实现一种对驾驶员进行辅助的方法，该方法为提高转向感创造了条件。

此目的通过权利要求1中限定的方法来实现。因此，这通过如下步骤来实现：

确定所期望的转向装置引导力，该期望的转向装置引导力包括代表了转向设备中的期望的摩擦力的部分，以及

基于所确定的转向装置引导力来为驾驶员提供所述期望的转向感。

本发明基于如下见解：即，希望有一定的摩擦感，详见下文。优选地，该期望的转向装置引导力代表了名义上的、期望的摩擦力。所述术语“转向设备”可以是名义上的转向设备。

所确定的、期望的转向装置引导力也可基于另外的信息，例如除了摩擦力分量之外的、所期望的另外的转向特征。因此，所确定的、期望的转向装置引导力可以是所期望的力(例如力矩分量)的总和。

优选地，所述车辆包括实际的转向设备，该转向设备具有手动转向装置、至少一对接地构件、以及位于该手动转向装置和所述接地构件之间的机械连接件。

根据一个示例性实施例，所述方法包括如下步骤：通过把基于所期望的转向装置引导力的最终转向装置引导力施加到手动操作的转向装置上，来为驾驶员提供所述期望的转向感。所述手动操作的转向装置优选由方向盘形成。在此情况中，与转向装置引导力有关的术语“最终”表明了：主动提供的转向装置引导力未必等于所确定的、期望的转向装置引导力。例如，所述方法包括如下步骤：确定在运行期间由实际的车辆转向设备产生的施加到转向装置上的实际力，以及，通过从所确定的、期望的转向装置引导力的值中减去所确定的实际力的值，来确定应施加到转向装置上的最终转向装置引导力的值。

优选地，该实际力由施加到方向盘上的实际力矩来形成，经由所述转向设备中的诸如扭转杆等的弹性元件来确定该实际力。

优选地，通过测量所述转向设备中的扭转杆的扭转来确定转向力矩。更具体地，在该扭转杆的第一端布置有第一角度传感器，且在该扭转杆的(与第一端相反的)第二端布置有第二角度传感器。可基于该扭转杆的相对角运动(扭转)以及该扭转杆的刚度来确定所述转向力矩。根据一替代方案，也可使用一个或数个应变计。

根据一示例性实施例，所述方法包括如下步骤：至少使驾驶员的转向感免受车辆的转向设备中的摩擦力影响，该转向设备被构造成用于使至少一个接地构件转向。

优选经由所谓的基准值生成器函数来实现使驾驶员的转向感免受转向设备中的摩擦力影响，或通过任何其它已知的摩擦补偿装置或函数来实现这一点。

优选地，在施加转向装置引导力的同时使驾驶员的转向感免受该转向设备中的摩擦力影响。优选地，使驾驶员的转向感与转向设备中的摩擦力的影响脱离关系。因此，优选完全消除所述转向设备中的摩擦力的影响。

该实施例为使用电动助力转向(EPAS)***创造了条件。特别地，所述方法适用于如下转向***：在该转向***中，在转向装置和地面之间存在有机械连接件，但在运行期间，由于该机械连接件而导致的固有的转向感被消除或至少受到抑制。

例如，实际的转向设备中固有的机械摩擦取决于不同的运行条件，例如制造公差、磨损、温度、使用年限等。因此，对于不同的相应车辆来说，所述机械连接件中的机械摩擦不同且随着时间而改变。因此，此实施例为将其硬件(机械连接件)与摩擦转向感脱离关系创造了条件。换言之，该实施例为与应用无关的(与硬件无关的)摩擦转向感创造了条件。

优选地，所述方法包括如下步骤：基于诸如转向角度的车辆状态来确定所期望的转向装置引导力。该转向角度优选由方向盘的偏转度来限定。

优选地，所述方法包括如下步骤：将所确定的转向装置引导力施加到转向设备上，同时至少抑制由于该机械互连件而导致的转向装置干扰。

优选地，测量所传递的转向装置引导力并将其与所估算的、期望的转向装置引导力相比较，其中，通过使用反馈控制器、通过调节所述引导力的大小来将所传递的转向装置引导力调节为与所期望的转向装置引导力大致相同。

根据另一个示例性实施例，所述方法包括如下步骤：通过车辆转向设备中的期望的摩擦力的、至少一个预定的摩擦力模型来确定所述转向装置引导力。优选地，所述方法包括如下步骤：通过致动器将所述转向装置引导力施加到转向设备上。

根据另一个示例性实施例，该摩擦力模型代表了转向设备中的柔性元件与转向装置之间的摩擦力，其中，该柔性元件被构造成围绕转向轴线产生沿周向方向的相对位移，该位移是在转向设备的上轴和下轴之间生成的。该实施例基于如下见解：即，对于转向感来说，此特别限定的摩擦力是有利的。

沿周向方向的所述位移是根据方向盘的转动、随着该柔性元件(扭转杆)的扭转而在上轴和下轴之间产生的，该柔性元件(扭转杆)介于所述上轴和下轴之间。

上部转向柱中的摩擦是期望的，这是由于如下事实：

摩擦会消耗能量，因此为该***增加了阻尼(以非线性方式)，

一定量的摩擦会减小驾驶员在长弯道行驶时的力矩，驾驶员因此可以说“利用摩擦来使其手臂得到休息”，以及

无摩擦转向***的感觉就像纯弹簧。

根据另一个示例性实施例，该摩擦力模型被构造成：不代表所述转向设备中的所述柔性元件与用于将转向装置引导力施加到转向装置上的致动器之间的摩擦力，而是代表该柔性元件与方向盘之间的期望的摩擦量。该实施例基于如下见解：即，对于转向感来说，仅此特别限定的摩擦力是有利的。

因此，电动助力转向***中的摩擦被分为两种单独的类型，即：

扭转杆上方的摩擦，该摩擦(在一定程度上)是期望的，和

电动致动器和扭转杆之间的摩擦，从控制和稳定性的观点来看，该摩擦是不期望的。

本发明的另一个目的是实现一种用于对驾驶员进行辅助的***，该***为提高转向感创造了条件。

通过权利要求11中限定的***来实现该目的。因此，这通过如下***来实现：该***用于在运行期间通过为车辆驾驶员提供期望的转向感来辅助该驾驶员，其特征在于用于确定所期望的转向装置引导力的装置以及用于基于所确定的转向装置引导力为驾驶员提供所述期望的转向感的装置，所述期望的转向装置引导力包括代表了转向设备中的期望的摩擦力的部分。

根据一示例性实施例，所述***包括用于使驾驶员的转向感免受车辆的转向设备中的摩擦力影响的装置，所述转向设备被构造成用于使至少一个接地构件转向。

根据另一个的示例性实施例，用于确定所期望的转向装置引导力的所述装置包括所述车辆转向设备中的所期望的摩擦力的、至少一个预定的摩擦力模型。

根据另一个示例性实施例，该摩擦力模型代表了转向设备中的柔性元件与转向装置之间的摩擦力，其中，该柔性元件被构造成围绕转向轴线产生沿周向方向的相对位移，该位移在所述转向设备的上轴和下轴之间生成的。

从以下描述、附图和权利要求中，其他示例性实施例及其优点将显而易见。

附图说明

下面将参考附图所示的实施例来更详细地描述本发明，在附图中：

图1示意性地示出了根据一个实施例的用于实现本发明方法的***，

图2至图3示出摩擦力模型的实施例。

具体实施方式

在下文中，针对本发明应用于卡车的情形来进行描述。然而，不应认为本发明局限于卡车，而是也适用于其它车辆，例如轿车。图1示意性地示出了根据一个实施例的用于实现控制方法的***1。该***1包括机械式转向设备2，该机械式转向设备2可以是常规类型的转向设备。该机械式转向设备2包括：方向盘形式的转向装置3、车轮形式的至少一个接地构件4、以及位于方向盘3和车轮4之间的机械连接件5，该机械连接件5用于将转向信号从方向盘3传递到车轮4。

方向盘3布置在车辆驾驶室内并且由车辆驾驶员手动操作，以使车轮4转向。转向设备2包括转向联结装置6，该转向联结装置6从方向盘3向下延伸到液压助力***(HPAS)7，以将转向联结装置6中的角旋转经由转向构件8转换为直线运动。转向联结装置6包括电动转向机。该HPAS可以是包括液压缸(未示出)和扭转杆(未示出)的常规类型的HPAS。转向构件8在两端联接到左侧及右侧车轮4，并且该转向构件8构造为响应于来自方向盘3的转向信号而使车轮4转弯。

***1还包括致动器9，以提供对转向角度的支持的调整。致动器9优选由电机形成。致动器9向转向组件提供引导力，更具体地，提供引导力矩或辅助力矩，以帮助驾驶员使方向盘转向。该电机可围绕转向设备2内的转向柱布置，其中，磁场直接作用在该转向柱上。替代地，该电机也可布置在转向柱旁边，并经由机械联结件作用在转向柱上，优选经由小齿轮作用在转向柱上。

***1还包括力矩测量装置或传感器10，以测量由驾驶员施加到方向盘上的手动力矩。力矩测量装置10具有弹性构造且优选包括扭转杆。即，经由该扭转杆来测量方向盘角度。更具体地，所述电动转向机包括所述扭转杆。换言之，当转向力矩施加到方向盘时，力矩传感器10检测随着该扭转杆的扭转而在转向轴的上轴和下轴之间生成的沿周向方向的相对移位，该转向轴根据方向盘的转动而围绕方向盘轴线转动，该扭转杆介于所述上轴和下轴之间。

***1还包括电动助力转向(EPAS)***11。EPAS11包括调节环路12，该调节环路12被构造成用于实现无力矩的转向。调节环路12被构造成接收指示了方向盘3中的当前转向力矩的输入信号。该输入信号接收自所述力矩测量装置10。基本上，该调节环路12被构造成向致动器9输出信号，以实现所述无力矩的转向。

调节环路12包括控制器或调节器27，它包括滤波器功能。该滤波器功能可基于当前车辆的转向动力学的逆模型。此外，调节器27可构造成减小该模型中的误差并减少干扰和测量噪声，以降低该***中的非稳定性风险。

调节器27被构造成：接收指示了经由所述电机施加到转向设备上的力矩的信号，并响应于此信号来产生输出信号。该调节环路12还包括电机控制装置28，该控制装置28被构造成：接收指示了来自调节器27的力矩的输出信号，并为所述电机产生具有相应的当前值的信号。根据一种替代方案，调节器27和电机控制装置28可组合成单个控制器。

所述EPAS还包括控制函数13，在下文中它被称为基准值生成器，该基准值生成器被构造成用于确定应施加到方向盘上的期望力矩，以为驾驶员提供所述期望的转向感。换言之，该基准值生成器对名义上的车辆进行描述。

此外，基准值生成器13以可操作方式连接到调节环路12并输出指示了期望的转向力矩的信号。该调节环路被构造成：把期望的转向力矩与实际的当前转向力矩进行比较，并连续调节输出给所述致动器的输出信号，从而将该期望的转向力矩传递给驾驶员。换言之，所述致动器被控制成使得它施加如下力矩：该力矩等于来自所述基准值生成器的该期望的力矩值与转向组件中的当前实际力矩之间的力矩差，从而将实际力矩控制为大致等于所述期望的力矩。

基准值生成器13包括至少一个转向装置引导力运行模型，并且，在图1中的示例中包括多个引导力运行模型14、15、16、17、18。该引导力运行模型优选包括数学模型。该模型以在转向装置中实现所期望的转向感的方式来设计。因此，该模型能够以不同的方式来设计，以用于不同的车辆类型和/或用于不同的、所期望的转向感。

此外，该模型包括至少一个期望的转向特性参数。更具体地，每个模型均构造成：基于至少一个输入19，针对一个期望的、预定的转向特性参数来产生引导力矩值T。换言之，该转向特性参数是影响引导力的运行参数。每个模型均包括数学函数，其中，力矩值被确定为所述输入值的函数，参见图1所示的函数的示例。

由这些模型中得出的各个力矩值被彼此相加而计算出力矩总和，该力矩总和构成了所述基准值生成器的输出20。根据所示的实施例，所述基准值生成器包括用于如下转向特性参数的模型：车辆侧向加速度、转向装置移动时的阻尼、轮胎摩擦力，转向装置与中立位置的自动对准、以及该转向装置和车轮之间的机械连接件中的摩擦力。

输入到该基准值生成器中的信号包括至少一个指示了驾驶员的转向意图的信号，例如转向角度(δ)和转向角度的变化率(dδ/dt)。根据对方向盘角度的替代，指示了转向意图的该信号可以是电机角度或车轮角度。根据对方向盘角度变化率的替代，指示了转向意图的该信号可以是电机角度的变化率或车轮角度的变化率。

输入到该基准值生成器中的信号包括至少一个指示了车身运动的信号，例如侧向加速度(Ay)和/或横摆率。这样的车身运动可通过布置在车辆内的传感器来感测。

车辆侧向加速度模型14代表了引导力矩值与当前的侧向加速度之间的预定关系，以用于实现所述期望的转向感。因此，模型14接收指示了当前侧向加速度的信号作为输入信号。根据图1所示的示例性函数，对于侧向加速度的较小输入值来说，力矩值急剧增大。此外，对于侧向加速度的较大输入值来说，力矩值明显增加得较少。换言之，其曲线变得平坦化。该车辆侧向加速度模型14优选是纯静态映射。根据一优选示例，该车辆侧向加速度是最重要的转向特性参数。

阻尼模型15代表了引导力矩值与当前的方向盘速度之间的预定关系，以用于实现所述期望的转向感。因此，阻尼模型15优选接收指示了方向盘速度的信号(方向盘位置的变化率)。根据图1所示的示例性函数，对于方向盘速度的较小输入值来说，力矩值显著增大。此外，对于方向盘速度的较大输入值来说，力矩值明显增加得较少。换言之，其曲线变得平坦化。阻尼模型15优选是纯静态映射。该阻尼模型的力矩值输出被构造为相对于当前的方向盘速度作用在相反方向上。该阻尼模型优选设计成使得所得到的力矩对于较高的方向盘速度来说较小，但对于较小的方向盘速度来说较高。这样，该阻尼力矩在正常行驶期间与方向盘角速度成比例，而在驻车或规避操纵(evasivemanouevres)期间受限于最大值。

因此，车辆侧向加速度模型14和阻尼模型15彼此关联。

自动对准模型17代表了引导力矩值与当前的方向盘角度之间的预定关系，以实现所述期望的转向感。所述转向装置与中立位置的自动对准意味着主动返回，即释放的方向盘返回到中心设定位置。自动对准模型17优选接收指示了方向盘角度的信号和指示了车辆速度的信号，以作为输入信号。该车辆速度输入信号的目的是能够以如下方式通过当前车辆速度来调节所期望的对准力矩：即，该自动对准力矩可以在高速行驶期间降低。

关于摩擦力模型16、18，希望方向盘中有一定量的摩擦感。例如，希望在中心区操纵期间存在库伦摩擦，以针对小的方向盘角度变化来实现所期望的力矩建立。此外，在长弯道上行驶时，库伦摩擦也是期望的，使得转向力减小，其中驾驶员可通过摩擦使方向盘“静止”。

轮胎模型16包括迟滞曲线，所述迟滞曲线代表了轮胎模型。优选地，模型16是非滚动轮胎的关于转向力矩的动力学模型。方向盘角度和力矩之间的关系通过物理关系来给出，其中，根据方向盘的不同角度以及由于轮胎滚动而引起的橡胶元的张紧和松弛来对各个橡胶元的偏转进行建模。因而，由此得到的模型对于增加的车辆速度和恒定的方向盘角频率产生了较小的迟滞效应。

本发明的方法为消除方向盘中由于实际转向设备导致的实际摩擦效应并替代地向方向盘施加期望的阻力矩创造了条件，所述期望的阻力矩代表了驾驶员的名义上的摩擦感。因此，将其硬件(机械式转向设备)与摩擦转向感脱离关系。换言之，本发明为与应用无关的(与硬件无关的)摩擦转向感创造了条件。

轮胎摩擦力模型16和机械连接摩擦力模型18彼此在原理上类似。轮胎摩擦力模型16代表了轮胎和地面之间的摩擦，而机械连接摩擦力模型18代表了上方的方向盘转向柱组件中的摩擦。因此，机械连接摩擦力模型18中的总摩擦刚度高于轮胎摩擦力模型16中的摩擦刚度。轮胎摩擦力模型16优选接收指示了方向盘角度的信号以及指示了车辆速度的信号。机械连接摩擦力模型18优选接收指示了方向盘角度的信号。

图2至图3更详细地示出了摩擦力模型16、18的示例。方向盘角度δ的值被输入到代表了刚度K的第一框501中，该刚度K对应于总的弹簧刚度，它以Nm/Rad为单位。从第一框501中得出的值被输入到代表了导数的第二框503，该导数被表示为拉普拉斯算子s。求导后的方向盘角度信号、即与刚度K相乘的方向盘角速度被传入第三框505中，该第三方框505代表了带有抗饱和功能的积分函数，这通过积分极限和拉普拉斯变换的逆变换来表示。该极限值被选择为将摩擦力矩限制到所期望的最大值和最小值。所述抗饱和功能旨在一旦达到积分极限则停止积分。在图3中示出了方向盘角度δ与输出的力矩值之间的关系。

所述转向特性模型14、15、16、17、18优选被设计成使得在不同的行驶情形中，某些不同的转向特性参数相对于其它转向特性参数具有优先性。根据一个示例，在高速行驶期间，侧向加速度被构造为相对于其它转向特性参数具有优先性。根据另一个示例，在低速行驶期间，转向***摩擦力和轮胎摩擦力被构造为相对于其它转向特性参数具有优先性。阻尼力矩等同地被激活，而与车辆速度无关。根据另一个示例，在以高速和低速之间的中等速度区间内行驶期间，所述自动对准被构造为相对于其它转向特性参数具有优先性。

本发明涉及在运行期间辅助车辆驾驶员的方法。根据一优选实施例，该控制方法被构造为允许在行驶期间控制车辆驾驶员感受到的转向特性。换言之，该控制方法被构造为通过方向盘来为驾驶员提供转向感(或转向灵敏性或触觉反馈)。

关于摩擦感，根据一示例性实施例，所述方法包括如下步骤：基于代表转向角度的输入来确定所期望的阻力矩。通过确定实际的转向角度的方向(顺时针还是逆时针)，并立即在同一方向上施加力矩，能够有效消除该转向设备中的摩擦效应。

优选地，通过测量方向盘的偏转度来确定转向角度。替代地，可通过测量车轮角度来确定转向角度，或者通过在所述机械式转向设备中的位于方向盘和车轮之间的任何位置处进行测量来确定转向角度。

调节环路12(包括控制器27、28)和基准值生成器13优选以软件来实现。

从测量到的车辆横摆率中，可以估算出车辆侧向加速度的值。

Claims (11)

1.用于在运行期间通过为车辆驾驶员提供机械转向设备中的期望的转向感来辅助该驾驶员的方法，其中所述机械转向设备包括转向装置、至少一个接地构件、以及位于所述转向装置和所述至少一个接地构件之间的机械连接件，其特征在于如下步骤：

-确定所期望的转向装置引导力，所述期望的转向装置引导力包括代表了转向设备中的期望的摩擦力的部分，其中，通过所述车辆的转向设备中的期望的摩擦力的、至少一个预定的摩擦力模型来确定所述期望的转向装置引导力；

-基于所确定的转向装置引导力来为驾驶员提供所述期望的转向感，

-通过把基于所述期望的转向装置引导力的最终转向装置引导力施加到手动操作的转向装置上，来为驾驶员提供所述期望的转向感，

-确定在运行期间由实际的车辆转向设备产生的施加给所述转向装置的实际力，以及

-通过从所确定的、期望的转向装置引导力的值中减去所确定的实际力的值，来确定应施加到所述转向装置上的最终转向装置引导力的值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少使驾驶员的转向感免受所述车辆的转向设备中的摩擦力影响，所述转向设备被构造成用于使至少一个接地构件转向。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于如下步骤：基于代表了车辆状态的输入来确定所述期望的转向装置引导力。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于如下步骤：基于代表了转向角度的输入来确定所述转向装置引导力。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述摩擦力模型代表所述转向设备中的柔性元件与所述转向装置之间的摩擦力，其中，所述柔性元件被构造成围绕转向轴线产生沿周向方向的相对位移，所述位移是在所述转向设备的上轴和下轴之间生成的。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述摩擦力模型被构造成：不代表所述转向设备中的所述柔性元件与用于将所述转向装置引导力施加到所述转向装置上的致动器之间的摩擦力。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述柔性元件形成扭转杆。

8.用于在运行期间通过为车辆驾驶员提供机械转向设备中的期望的转向感来辅助该驾驶员的***，其中所述机械转向设备包括转向装置(3)、至少一个接地构件(4)、以及位于所述转向装置(3)和所述至少一个接地构件(4)之间的机械连接件(5)，其特征在于：用于确定所期望的转向装置引导力的装置(13)，所述期望的转向装置引导力包括代表了转向设备中的期望的摩擦力的部分，其中，用于确定所期望的转向装置引导力的所述装置(13)包括所述车辆的转向设备中的期望的摩擦力的、至少一个预定的摩擦力模型(18)；用于基于所确定的转向装置引导力来为驾驶员提供所述期望的转向感的装置(9)；用于确定在运行期间由实际的车辆转向设备产生的施加给所述转向装置的实际力的力矩测量装置(10)；以及用于通过从所确定的期望的转向装置引导力的值中减去所确定的实际力的值来确定应施加到所述转向装置上的最终转向装置引导力的值的调节环路(12)。

9.根据权利要求8所述的***，其特征在于，所述调节环路(12)还用于使驾驶员的转向感免受所述车辆的转向设备(2)中的摩擦力影响，所述转向设备(2)被构造成用于使至少一个接地构件(4)转向。

10.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述摩擦力模型代表了所述转向设备(2)中的柔性元件与所述转向装置(3)之间的摩擦力，其中，所述柔性元件被构造成围绕转向轴线产生沿周向方向的相对位移，所述位移是在所述转向设备的上轴和下轴之间生成的。

11.根据权利要求8-10中的任一项所述的***，其中，用于确定所期望的转向装置引导力的所述装置(13)包括控制器，并且，用于为驾驶员提供所述期望的转向感的所述装置(9)包括致动器。