CN106275061B - 一种基于混杂理论的人机共驾型电动助力转向***及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于混杂理论的人机共驾型电动助力转向***及控制方法，属于智能汽车无人转向领域，人机共驾型电动助力转向***包括前置转矩/转角传感器、后置转矩/转角传感器、人机共驾型电动助力转向混杂控制器、切换监督控制器、转向电机、转向轴、减速机构以及齿轮齿条机构。本发明还提供一种基于混杂理论的人机共驾型电动助力转向***的控制方法，基于混杂切换***建立最优运行状态下的人机共驾型电动助力转向***转向调节控制***，将整个运行工程中的复杂问题分解成为单一工况下控制问题的合成，从而实现人机共驾型电动助力转向***复杂建模和控制。本发明控制***稳定性高，控制方法容易实现，可以满足车辆不同的转向工况。
Description
技术领域
本发明属于智能汽车无人转向领域，尤其涉及一种基于混杂理论的人机共驾型电动助力转向***及控制方法。
背景技术
智能汽车是集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等多领域高新技术于一体的复杂***，智能汽车技术的发展必将经历从部分驾驶功能自主化到完全自主驾驶，从高速公路等简单环境自动驾驶到各种道路自动驾驶的不断前进的历程。
智能汽车转向工况复杂多变，汽车转向操纵对各工况的控制要求较高，传统的控制策略无法兼顾人机共驾型电动助力转向***两种转向模式下(人驾和机驾)的多工况特征和协调不同工况下的转向性能要求；另一方面，人机共驾型电动助力转向***对控制的实时性要求较高，从控制器(或控制策略)的功能及其设计、实现的角度，既要满足多工况下的转向性能要求，又要使控制器的设计尽量简单、容易实现，传统的控制策略难以兼顾两者之间的矛盾。
另外，由于车辆外部干扰和参数变化、运行工况的变化导致控制模式的变迁等离散事件和连续动态并存，决定人机共驾型电动助力转向***是典型的复杂动态***，而传统的控制策略无法反映人机共驾型电动助力转向***离散事件和连续动态并存的特征以及离散事件对连续动态行为的影响和多种控制模式的融合与变迁。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于混杂理论的人机共驾型电动助力转向***及控制方法，利用混杂理论对人机共驾型电动助力转向***的混杂特性进行分析，进一步提高人机共驾型电动助力转向***的控制性能、智能水平。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于混杂理论的人机共驾型电动助力转向***，其特征在于，包括前置转矩/转角传感器、后置转矩/转角传感器、人机共驾型电动助力转向混杂控制器、切换监督控制器、转向电机、转向轴、减速机构及齿轮齿条机构；
所述转向轴与齿轮齿条机构通过齿轮啮合，所述转向轴从上至下依次安装有前置转矩/转角传感器、减速机构及后置转矩/转角传感器，所述减速机构与转向电机通过联轴器连接；所述转向电机与人机共驾型电动助力转向混杂控制器通过导线连接，所述人机共驾型电动助力转向混杂控制器通过电流控制转向电机；所述人机共驾型电动助力转向混杂控制器还通过导线分别与前置转矩/转角传感器、后置转矩/转角传感器、切换监督控制器连接，分别用于采集转矩/转角值、监督人机共驾型电动助力转向混杂控制器在各种工作模式下是否正常工作；
所述切换监督控制器在电动助力转向当前***的运行工况、内部离散事件和外部离散事件下共同发生作用，切换监督控制器的输入、输出都是多维变量，既含有连续变量，也含有离散变量；
所述人机共驾型电动助力转向混杂控制器包括信号调理模块、微处理器以及驱动模块，信号调理模块用于调理前置转矩/转角传感器、后置转矩/转角传感器的信号，去除信号中较大的干扰和杂波；微处理器用于产生控制转向电机的控制策略；驱动模块是指通过微处理器发出的PWM信号调整比例线圈中的电流大小，从而驱动转向电机工作。
上述方案中，所述人机共驾型电动助力转向混杂控制器包含五种工作模式，分别为机驾“驱动小转角”模式m1、机驾“驱动大转角”模式m2、机驾“回正”模式m3、机驾“阻尼”模式m4以及人驾“助力”模式m5。
上述方案中，在人驾模式下，转向电机充当助力电机，辅助驾驶员进行人工转向；在机驾模式下，转向电机充当驱动电机，实现无驾驶员参与的自动转向操作。
一种基于混杂理论的人机共驾型电动助力转向***的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)，建立仿人转向规则库；
步骤2)，根据人机共驾型电动助力转向***所处的转向工况，分析***的混杂特性，作为判断人机共驾型电动助力转向混杂控制器工作模式的依据之一；
步骤3)，根据前置转矩/转角传感器采集的实时转矩/转角值，对实时转矩/转角值求导数得到转角速度值，并对转角速度值进行分析，判断实时转矩的阈值及转角速度的阈值，作为判断人机共驾型电动助力转向混杂控制器工作模式的依据之二；
步骤4)，根据***工作模式的依据之一、二，最终确定当前人机共驾型电动助力转向混杂控制器应选择哪种工作模式；与此同时，确定人机共驾型电动助力转向***的最优控制方式；
步骤5)，通过对实时转矩的阈值及转角速度的阈值地判断，并根据***内部和外部的离散输入信号，对人机共驾型电动助力转向混杂控制器的工作模式进行混杂切换。
进一步，所述步骤1)中建立仿人转向规则库的具体过程为：根据大量试验数据，提取各种工况下车辆参数，并总结规律，使典型工况和车辆参数形成对应关系。
进一步，所述步骤2)人机共驾型电动助力转向***所处的转向工况包括换道行驶、车道保持、弯道行驶和紧急避让。
进一步，所述机共驾型电动助力转向混杂控制器的工作模式，包括机驾“驱动小转角”模式m1、机驾“驱动大转角”模式m2、机驾“回正”模式m3、机驾“阻尼”模式m4和人驾“助力”模式m5。
更进一步，Td,0为转向电机的转矩死区范围上限值，Tmax为转向电机输出的最大转矩值，Ta为Td,0与Tmax之间某一设定的转矩值；
当车辆行驶在换道行驶或车道保持转向工况时，若前置转矩/转角传感器没有转矩值，且后置转矩/转角传感器的转矩值T满足Td,0＜T＜Ta，同时实时转矩与转角速度方向相同时，判定进入机驾“驱动小转角”模式m1；
当车辆行驶在弯道行驶或紧急避让工况时，若前置转矩/转角传感器没有转矩值，且后置转矩/转角传感器的转矩值T满足Ta＜T＜Tmax，同时实时转矩与转角速度方向相同时，判定进入机驾“驱动大转角”模式m2；
当车辆行驶在换道行驶或车道保持工况时，若前置转矩/转角传感器没有转矩值，且后置转矩/转角传感器的转矩值T满足Ta＜T＜Tmax，同时实时转矩与转角速度方向相反时，判定进入机驾“回正”模式m3；
当车辆行驶在换道行驶或车道保持工况时，若前置转矩/转角传感器没有转矩值，且后置转矩/转角传感器的转矩值T满足0＜T＜Td,0，同时实时转矩与转角速度方向相同时，判定进入机驾“阻尼”模式m4；
无论当车辆行驶在何种工况时，若前置转矩/转角传感器有转矩值，且转矩值维持3s以上，且前置转矩/转角传感器的转矩值T′满足Td,0＜T′＜Tmax，判定进入人驾“助力”模式m5。
进一步，所述步骤5)中***内部的离散输入信号是指由共驾型电动助力转向混杂控制器的各种工作模式连续动态运行而引起的工作模式的演化；外部的离散输入信号包括外界干扰和***时滞。
本发明的有益效果为：
1、本发明将人机共驾型电动助力转向控制***划分为五种工作模式，将整个运行工程中的复杂问题分解成为单一工况下控制问题的合成，从而实现人机共驾型电动助力转向***复杂建模和控制。本发明基于混杂切换***建立车辆各转向运行状态下的最优转向控制***稳定性高，控制方法容易实现；同时，根据建立仿人转向规则库，使典型工况和车辆参数形成对应关系，更易于准确获取车辆当前运行工况，从而实现在该工况下的精准控制。最后，由于建立切换监督控制器，既保证人机共驾型电动助力转向***各控制模式的切换，又保证切换过程中***的渐进稳定。
2、本发明在混杂理论的框架下，实现人机共驾型电动助力转向***全工况下的控制，能够良好地适应绝大多数典型转向工况下，自适应调节转向力和转向角的大小，从而输出最佳的转向性能，使得车辆***的操纵稳定性明显提高。
3、本发明在确定人机共驾型电动助力转向***不同转向工况的过程中，同时考虑转矩/转角的大小以及转矩和转角速度方向是否相同，使确定的转向力和转向角的大小可以满足车辆不同的转向工况。
附图说明
图1为本发明基于混杂理论的人机共驾型电动助力转向***的结构示意图；
图2为人机共驾型电动助力转向混杂控制器的控制***框图；
图3为本发明人机共驾型电动助力转向混杂控制器的控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种基于混杂理论的人机共驾型电动助力转向***，包括前置转矩/转角传感器1、后置转矩/转角传感器2、人机共驾型电动助力转向混杂控制器3、切换监督控制器4、转向电机5、转向轴6、减速机构7及齿轮齿条机构8；
转向轴6与齿轮齿条机构8通过齿轮啮合，转向轴6从上至下依次安装有前置转矩/转角传感器1、减速机构7及后置转矩/转角传感器2，减速机构7与转向电机5通过联轴器连接；转向电机5与人机共驾型电动助力转向混杂控制器3通过导线连接，人机共驾型电动助力转向混杂控制器3通过电流控制转向电机5；人机共驾型电动助力转向混杂控制器3还通过导线分别与前置转矩/转角传感器1、后置转矩/转角传感器2、切换监督控制器4连接，分别用于采集转矩/转角值、监督人机共驾型电动助力转向混杂控制器3在各种工作模式下是否正常工作。
人机共驾型电动助力转向混杂控制器3包含五种工作模式，分别为机驾“驱动小转角”模式m1、机驾“驱动大转角”模式m2、机驾“回正”模式m3、机驾“阻尼”模式m4以及人驾“助力”模式m5，如图2所示，图中CDS为连续动态***、DDS为离散动态***。
其中，人机共驾型电动助力转向***在机驾的四种模式下，根据牛顿力学，得到其动力学方程如下：
TL＝Kr(θm-Gθe) (2)
其中，为电动机的转角加速度，rad/s2；Jm为电动机和离合器的转动惯量，kg·m2；Bm为电动机粘性阻尼系数；θm为电动机的转角，rad；为电动机的转速，rad/s；Tm为电动机电磁转矩，N·m；TL为电动机的负载转矩，N·m；Kr为电动机和减速机构的输出轴刚性系数；G为蜗轮-蜗杆减速机构的减速比；θe为输出轴的旋转角，rad；此时，机驾模式下后置转矩/转角传感器2的转矩值T＝TL。
在人驾模式下，转向电机5充当助力电机，辅助驾驶员进行人工转向；在机驾模式下，转向电机5充当驱动电机，实现无驾驶员参与的自动转向操作。
切换监督控制器4作为***的逻辑/决策部分，既要保证人机共驾型电动助力转向***各控制器的切换，又要保证切换过程中***的渐进稳定，切换监督控制器4在当前***的运行工况、内部离散事件和外部离散事件下共同发生作用，对人机共驾型电动助力转向混杂控制***而言，切换监督控制器4的输入、输出都是多维变量，既含有连续变量，也含有离散变量；监控各内部离散事件和外部离散事件的发生，内部离散事件指转向盘转矩信号是否超过Td,0(转矩死区范围上限值)，Ta(某一设定中间转矩值)以及Tmax(电机5输出最大转矩值)，前置或后置转矩/转角传感器工作正常等离散事件；外部离散事件监控控制模式的跃变，根据不同的监控参数，在m1～m55种模式之间进行跃变。
人机共驾型电动助力转向混杂控制器3包括信号调理模块、微处理器以及驱动模块，信号调理模块用于调理前置转矩/转角传感器1、后置转矩/转角传感器2的信号，去除信号中较大的干扰和杂波；微处理器用于产生控制转向电机5的控制策略，本发明的微处理器为LPC2131微处理器；驱动模块是指通过微处理器发出的PWM信号调整比例线圈中的电流大小，从而驱动转向电机5工作；驱动模块具体指H型单极性可逆PWM驱动***，由4个开关管和4个续流二极管组成，根据设置不同控制规则，产生不同的控制模式。
一种基于混杂理论的人机共驾型电动助力转向***的工作过程为：
人机共驾型电动助力转向混杂控制器3通过前置转矩/转角传感器1、后置转矩/转角传感器2采集转矩/转角值，经信号调理模块去除干扰和杂波后传输给微处理器，微处理器通过接收的信号产生控制转向电机5的控制策略，并发出PWM信号调整转向电机5比例线圈中的电流大小，从而驱动转向电机5工作；转向电机5经过减速机构7输出转矩给转向轴6，带动齿轮齿条机构8工作，从而使得车轮产生转向运动；
通过人机共驾型电动助力转向混杂控制器3存放的仿人转向规则库程序，判断电动助力转向***所处的转向工况：换道行驶、车道保持、弯道行驶和紧急避让，分析转向***的混杂特性，判断人机共驾型电动助力转向混杂控制器3进入机驾“驱动小转角”模式m1、机驾“驱动大转角”模式m2、机驾“回正”模式m3、机驾“阻尼”模式m4和人驾“助力”模式m5中的某种工作模式；切换监督控制器4通过采集前置转矩/转角传感器1、后置转矩/转角传感器2的转矩/转角值，监督人机共驾型电动助力转向混杂控制器3在各种工作模式下是否正常工作；若人机共驾型电动助力转向混杂控制器3工作不正常，切换监督控制器4将采集的前置转矩/转角传感器1、后置转矩/转角传感器2的转矩/转角值发送给人机共驾型电动助力转向混杂控制器3，人机共驾型电动助力转向混杂控制器3通过H型单极性可逆PWM驱动***切换到正确的工作模式，保证人机共驾型电动助力转向混杂控制器3在各工作模式之间进行混杂切换，同时保证切换过程中电动助力转向***的渐进稳定。
一种基于混杂理论的人机共驾型电动助力转向***的控制方法，包括步骤：
步骤1)，建立仿人转向规则库；
仿人转向规则库是根据大量试验数据，提取各种工况下车辆参数，并总结规律，使典型工况和车辆参数形成对应关系，并将判断结果传递给人机共驾型电动助力转向混杂控制器3。
步骤2)，根据人机共驾型电动助力转向***所处的转向工况：包括换道行驶、车道保持、弯道行驶和紧急避让，分析***的混杂特性，作为判断人机共驾型电动助力转向混杂控制器3工作模式的依据之一；
共驾型电动助力转向混杂控制器3的工作模式包括机驾“驱动小转角”模式m1、机驾“驱动大转角”模式m2、机驾“回正”模式m3、机驾“阻尼”模式m4和人驾“助力”模式m5；(Td,0为转向电机5的转矩死区范围上限值，其值为1N·m；Tmax为转向电机5输出的最大转矩值，其值为8N·m；Ta为Td,0与Tmax之间某一设定的转矩值，其值设为2N·m；)
当车辆行驶在换道行驶或车道保持转向工况时，若前置转矩/转角传感器1没有转矩值，且后置转矩/转角传感器2的转矩值T满足Td,0＜T＜Ta，同时实时转矩与转角速度方向相同时，判定进入机驾“驱动小转角”模式m1；
当车辆行驶在弯道行驶或紧急避让工况时，若前置转矩/转角传感器1没有转矩值，且后置转矩/转角传感器2的转矩值T满足Ta＜T＜Tmax，同时实时转矩与转角速度方向相同时，判定进入机驾“驱动大转角”模式m2；
当车辆行驶在换道行驶或车道保持工况时，若前置转矩/转角传感器1没有转矩值，且后置转矩/转角传感器2的转矩值T满足Ta＜T＜Tmax，同时实时转矩与转角速度方向相反时，判定进入机驾“回正”模式m3；
当车辆行驶在换道行驶或车道保持工况时，若前置转矩/转角传感器1没有转矩值，且后置转矩/转角传感器2的转矩值T满足0＜T＜Td,0，同时实时转矩与转角速度方向相同时，判定进入机驾“阻尼”模式m4；
无论当车辆行驶在何种工况时，若前置转矩/转角传感器1有转矩值，且转矩值维持3s以上，且前置转矩/转角传感器1的转矩值T′满足Td,0＜T′＜Tmax，判定进入人驾“助力”模式m5。
步骤3)，根据前置转矩/转角传感器1采集的实时转矩/转角值，对实时转矩/转角值求导数得到转角速度值，并对转角速度值进行分析，判断实时转矩的阈值及转角速度的阈值，作为判断人机共驾型电动助力转向混杂控制器3工作模式的依据之二。
步骤4)，根据***工作模式的依据之一、二，最终确定当前人机共驾型电动助力转向混杂控制器3应选择哪种工作模式；与此同时，确定人机共驾型电动助力转向***的最优控制方式。
步骤5)，通过对实时转矩的阈值及转角速度的阈值地判断，并根据***内部和外部的离散输入信号，对人机共驾型电动助力转向混杂控制器3的工作模式进行混杂切换；内部的离散输入信号是指由共驾型电动助力转向混杂控制器3的各种工作模式连续动态运行而引起的工作模式的演化；外部的离散输入信号包括外界干扰和***时滞。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于混杂理论的人机共驾型电动助力转向***，其特征在于，包括前置转矩/转角传感器(1)、后置转矩/转角传感器(2)、人机共驾型电动助力转向混杂控制器(3)、切换监督控制器(4)、转向电机(5)、转向轴(6)、减速机构(7)及齿轮齿条机构(8)；
所述转向轴(6)与齿轮齿条机构(8)通过齿轮啮合，所述转向轴(6)从上至下依次安装有前置转矩/转角传感器(1)、减速机构(7)及后置转矩/转角传感器(2)，所述减速机构(7)与转向电机(5)通过联轴器连接；所述转向电机(5)与人机共驾型电动助力转向混杂控制器(3)通过导线连接，所述人机共驾型电动助力转向混杂控制器(3)通过电流控制转向电机(5)；所述人机共驾型电动助力转向混杂控制器(3)还通过导线分别与前置转矩/转角传感器(1)、后置转矩/转角传感器(2)、切换监督控制器(4)连接，分别用于采集转矩/转角值、监督人机共驾型电动助力转向混杂控制器(3)在各种工作模式下是否正常工作；
所述切换监督控制器(4)在电动助力转向当前***的运行工况、内部离散事件和外部离散事件下共同发生作用，切换监督控制器(4)的输入、输出都是多维变量，既含有连续变量，也含有离散变量；
所述人机共驾型电动助力转向混杂控制器(3)包括信号调理模块、微处理器以及驱动模块，信号调理模块用于调理前置转矩/转角传感器(1)、后置转矩/转角传感器(2)的信号，去除信号中较大的干扰和杂波；微处理器用于产生控制转向电机(5)的控制策略；驱动模块是指通过微处理器发出的PWM信号调整比例线圈中的电流大小，从而驱动转向电机(5)工作。
2.根据权利要求1所述的一种基于混杂理论的人机共驾型电动助力转向***，其特征在于，所述人机共驾型电动助力转向混杂控制器(3)包含五种工作模式，分别为机驾“驱动小转角”模式m1、机驾“驱动大转角”模式m2、机驾“回正”模式m3、机驾“阻尼”模式m4以及人驾“助力”模式m5。
3.根据权利要求2所述的一种基于混杂理论的人机共驾型电动助力转向***，其特征在于，在人驾模式下，转向电机(5)充当助力电机，辅助驾驶员进行人工转向；在机驾模式下，转向电机(5)充当驱动电机，实现无驾驶员参与的自动转向操作。
4.一种基于混杂理论的人机共驾型电动助力转向***的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)，建立仿人转向规则库；
步骤2)，根据人机共驾型电动助力转向***所处的转向工况，分析***的混杂特性，作为判断人机共驾型电动助力转向混杂控制器(3)工作模式的依据之一；
步骤3)，根据前置转矩/转角传感器(1)采集的实时转矩/转角值，对实时转矩/转角值求导数得到转角速度值，并对转角速度值进行分析，判断实时转矩的阈值及转角速度的阈值，作为判断人机共驾型电动助力转向混杂控制器(3)工作模式的依据之二；
步骤4)，根据***工作模式的依据之一、二，最终确定当前人机共驾型电动助力转向混杂控制器(3)应选择哪种工作模式；与此同时，确定人机共驾型电动助力转向***的最优控制方式；
步骤5)，通过对实时转矩的阈值及转角速度的阈值地判断，并根据***内部和外部的离散输入信号，对人机共驾型电动助力转向混杂控制器(3)的工作模式进行混杂切换。
5.根据权利要求4所述的一种基于混杂理论的人机共驾型电动助力转向***的控制方法，其特征在于，所述步骤1)中建立仿人转向规则库的具体过程为：根据大量试验数据，提取各种工况下车辆参数，并总结规律，使典型工况和车辆参数形成对应关系。
6.根据权利要求4所述的一种基于混杂理论的人机共驾型电动助力转向***的控制方法，其特征在于，所述步骤2)人机共驾型电动助力转向***所处的转向工况包括换道行驶、车道保持、弯道行驶和紧急避让。
7.根据权利要求4所述的一种基于混杂理论的人机共驾型电动助力转向***的控制方法，其特征在于，所述人机共驾型电动助力转向混杂控制器(3)的工作模式，包括机驾“驱动小转角”模式m1、机驾“驱动大转角”模式m2、机驾“回正”模式m3、机驾“阻尼”模式m4和人驾“助力”模式m5。
8.根据权利要求6或7所述的一种基于混杂理论的人机共驾型电动助力转向***的控制方法，其特征在于，
Td,0为转向电机(5)的转矩死区范围上限值，Tmax为转向电机(5)输出的最大转矩值，Ta为Td,0与Tmax之间某一设定的转矩值；
当车辆行驶在换道行驶或车道保持转向工况时，若前置转矩/转角传感器(1)没有转矩值，且后置转矩/转角传感器(2)的转矩值T满足Td,0＜T＜Ta，同时实时转矩与转角速度方向相同时，判定进入机驾“驱动小转角”模式m1；
当车辆行驶在弯道行驶或紧急避让工况时，若前置转矩/转角传感器(1)没有转矩值，且后置转矩/转角传感器(2)的转矩值T满足Ta＜T＜Tmax，同时实时转矩与转角速度方向相同时，判定进入机驾“驱动大转角”模式m2；
当车辆行驶在换道行驶或车道保持工况时，若前置转矩/转角传感器(1)没有转矩值，且后置转矩/转角传感器(2)的转矩值T满足Ta＜T＜Tmax，同时实时转矩与转角速度方向相反时，判定进入机驾“回正”模式m3；
当车辆行驶在换道行驶或车道保持工况时，若前置转矩/转角传感器(1)没有转矩值，且后置转矩/转角传感器(2)的转矩值T满足0＜T＜Td,0，同时实时转矩与转角速度方向相同时，判定进入机驾“阻尼”模式m4；
无论当车辆行驶在何种工况时，若前置转矩/转角传感器(1)有转矩值，且转矩值维持3s以上，且前置转矩/转角传感器(1)的转矩值T′满足Td,0＜T′＜Tmax，判定进入人驾“助力”模式m5。
9.根据权利要求4所述的一种基于混杂理论的人机共驾型电动助力转向***的控制方法，其特征在于，所述步骤5)中***内部的离散输入信号是指由共驾型电动助力转向混杂控制器(3)的各种工作模式连续动态运行而引起的工作模式的演化；外部的离散输入信号包括外界干扰和***时滞。
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