CN107901979B - 一种汽车电液主动转向路感控制***及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽车电液主动转向路感控制***及其控制方法，包括机械传动模块、电动助力模块、液压模块、传感器模块及控制模块。电动助力模块根据路面实际情况，通过弧形直线电机施加合适的助力力矩，给驾驶员反馈真实准确的路面信息，并提出一种路感控制方法，通过估计车辆状态信息，分别在在执行与不执行主动转向干预时，修正理想助力增益并进行路感控制，增强了***抗干扰能力，保证行驶稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车技术，尤其是一种汽车转向***技术，具体地说是一种汽车电液主动转向路感控制***及其控制方法。
背景技术
汽车是一个“人-车-路”构成的复杂闭环***，驾驶员通过转向***感受到路面反馈来的信息，即称为转向路感。汽车转向时，轮胎产生的回正力矩通过转向***传递给驾驶员，同时传递给驾驶员的还包括路面不平度、路面附着状况、转向程度和轮胎载荷及气压等信息。现有汽车转向***为了减轻驾驶员负担，采用了动力转向，即通过附加动力源进行转向助力。但是，助力力矩与转向路感是一对矛盾，在路面回正力矩保持一定时，助力力矩越大则驾驶员得到的转向路感越差。
转向***除了传递力矩，还传递转角。新兴的电液主动转向***可以对力与转角进行分别控制，实时调整转向传动比大小，获得良好的转向性能。电液主动转向***采用液压模块调整附加前轮转角时，不可避免对***力传递特性产生影响，使驾驶员得到的路感偏离实际道路状况，不利于驾驶员对车况与路况的掌握，影响行车安全。
目前，国内外对路感控制的研究集中于电动助力转向***(EPS)线控转向***(SBW)较多，CN101081626B采用助力控制、回正控制和阻尼控制对EPS进行直接路感控制，CN102923185B通过单片机对电控液压助力转向***进行路感控制，CN105083373A通过参数估计法提供线控转向模拟路感；但是针对电液主动转向***，还没有其路感控制的公开报导，由于电液主动转向***的结构复杂性和耦合关系，以上现有路感控制方法不能够直接应用在电液主动转向***上。因此，针对电液主动转向***，提出一种路感控制策略，充分发挥其变传动比的优势，使驾驶员得到更好的路感，对于实际产品开发具有很大的意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种电液主动转向路感控制***及其控制方法，以克服现有技术中存在的问题。本发明提出的电液主动转向路感控制***，可以在执行主动转向时，根据路面实际情况施加合适的助力力矩，给驾驶员反馈真实准确的路面信息；所匹配的路感控制方法，能增强***抗干扰能力，提高***鲁棒性。
本发明的技术方案之一是：
一种电液主动转向路感控制***，包括：机械传动模块、电动助力模块、液压模块、传感器模块及控制模块；
所述的机械传动模块包括依次连接的方向盘、转向管柱、循环球转向器、转向摇臂、转向直拉杆、转向梯形及车轮；
所述转向直拉杆包括液压缸、活塞、直拉杆；
所述液压缸的外壳通过转向摇臂与循环球转向器输出端固定连接，外壳上开设有进油口和出油口；所述活塞装配在上述液压缸内，活塞两端固定安装直拉杆，直拉杆后端连接转向梯形及车轮；
所述的电动助力模块包括助力电机、联结套机构；助力电机的转向助力部分安装在转向管柱上，联结套机构用于连接转向管柱和助力电机；
所述助力电机采用弧形直线电机，弧形直线电机初级与控制模块电气连接，次级并列设置在所述机械传动模块的转向管柱上，转向管柱分为上下两段，分别通过联结套机构与弧形直线电机次级的上下两端连接；
所述的液压模块包括储油罐、驱动电机、液压泵、比例换向阀；
所述驱动电机连接液压泵，储油罐中的低压油经液压泵作用后转换为高压油并流向比例换向阀；
所述比例换向阀分配高压油方向和流量大小，通过油管和上述液压缸相通，改变活塞两侧的压力大小，驱动活塞相对液压缸运动
所述的传感器模块包括转角传感器、转矩传感器、车速传感器、轮速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器；
所述转角传感器安装在转向盘上并与所述控制模块电气连接，提供驾驶员输入的转角信号；
所述转矩传感器安装在转向管柱上并与所述控制模块电气连接，提供转向管柱实际转矩信号；
所述车速传感器、轮速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器安装在整车上，分别与所述控制模块电气连接并提供车速、轮速、横摆角速度、侧向加速度信号；
所述控制模块包括变传动模块、整车状态估计模块、回正力矩估计模块、附加位移控制模块、转矩-位移修正模块、助力增益模块、助力增益修正模块；各模块协调控制助力电机和活塞动作，根据路面信息和车辆状态提供助力力矩，提高驾驶的舒适性。
本发明的技术方案之二是：
一种汽车电液主动转向路感控制***的控制方法，包括如下步骤：
1.控制模块获取车辆状态信息，具体包括：
1.1状态估计模块31接收侧向加速度信号25和轮速信号35，根据车辆载荷和轮胎参数，采用卡尔曼滤波方法估计出车轮所受的纵向力和侧向力，并计算出侧向力影响系数36，回正力矩估计模块33根据侧向力影响系数计算回正力矩37；
1.2助力增益模块29接收车速信号23和转矩信号22，结合回正力矩37，计算出理想助力增益38；
1.3变传动模块34接收车速信号23、横摆角速度24和转角信号21，计算理想传动比39，并根据主动转向控制策略，判断是否执行主动转向干预操作；
2.不执行主动转向干预操作时的路感控制
2.1.设Tr为回正力矩，Tf为摩擦力矩，Ta为助力力矩，Tp为驾驶员感受到的力矩，则Tr＝Tf+Ta+Tp，由于摩擦力矩与难以控制，以固定值处理，助力增益计算模块根据输入的车速和转矩信号，计算出驾驶员感受到的理想力矩；
2.2助力增益计算模块结合回正力矩估计模块输入的回正力矩，计算出所需要的助力力矩大小，根据反馈的弧形直线电机实际电流信号，采用基于BP神经网络整定的PID控制算法，动态调整理想助力增益；电流增大时，弧形直线电机输出的转矩增大，经过转向管柱作用，驾驶员感受到的力矩减小，电流减小时则相反；
3.执行主动转向干预操作时的路感控制
3.1附加位移控制模块32发出驱动电机控制信号和比例换向阀控制信号，控制驱动电机驱动液压泵产生高压油，经过比例换向阀流量分配进入液压缸，改变活塞两侧压差大小，使与活塞连接的直拉杆相对液压缸输出附加位移40，并通过转向梯形机构将直拉杆附加位移转化为附加前轮转角，完成主动转向干预；
3.2转矩-位移修正模块30接收经过附加位移控制模块作用后输出的附加位移40，采用Hinf鲁棒控制方法对助力增益进行修正，输出电流修正信号41；
3.3助力增益修正模块44分别接收电流修正信号41和理想助力增益38，并对两者进行线性叠加，输出弧形直线电机控制信号26；弧形直线电机初级在修正后的控制信号26的作用下，输出转向助力转矩42，经弧形直线电机次级和转向管柱，作用于循环球转向器并向车轮传递；
优选地，所述步骤1.2中计算理想助力增益和步骤2.1中计算驾驶员感受到的理想转矩的方法为：
Tpbest＝ka*(Td-T0)
式中：Tpbest为驾驶员感受到的理想转矩，Td为驾驶员输入转矩，T0为开始提供助力时转矩，ka为理想助力增益Tmax为最大助力输入转矩，Tf为最大转矩，kb为助力特性曲线斜率；
优选地，所述步骤2.2中的基于BP神经网络整定的PID控制算法，具体步骤如下：
2.2.1.确定BP神经网络初始结构参数，包括：隐藏层数目m，隐藏节点数，惯性系数λ，学习率α，输入节点数目n，输出节点数目q，初始化各层加权系数wi i＝1,2,3，设定采样序数k＝1
2.2.2.进行采样分别得到给定助力增益R(t)和实际助力增益Q(t)，计算当前时刻偏差为E(t)＝R(t)-Q(t)和BP神经网络各层神经元的输入输出，输出的参数即为PID控制的比例、积分和微分参数；
2.2.3.BP神经网络进行在线学习整定，对各层加权系数wi i＝1,2,3进行自适应调节；令k＝k+1，重复上述步骤2.2.2。
本发明的有益效果：
本发明提出的电液主动转向路感控制***，可根据汽车不同行驶工况，改变转向***传动比大小，在执行主动转向的同时，克服变传动比模块造成的力矩传递特性变化对转向路感的影响，根据路面实际情况和车辆状态，施加合适的助力力矩，给驾驶员反馈真实准确的路面信息。
本发明提供的路感控制方法，大大增强了***的抗干扰能力，保证行驶稳定性，同时获得较好的转向路感，且***鲁棒性较好。
本发明采用弧形直线电机助力，直接驱动转向管柱提供转向助力，减少了采用普通电机需要搭配减速机构产生的摩擦损耗，结构简单，易于控制且启动稳定性较好；
本发明采用在循环球转向器前的转向管柱进行助力的方式，弧形直线电机输出的助力转矩经过循环球转向器向车轮传递，传动比较大，所需提供的助力转矩较小，电机体积和质量可以减小，方便在驾驶室布置。
附图说明
图1为本发明电液主动转向路感控制***的原理结构框图。
图2为本发明控制原理图。
图中，1-方向盘，2-转角传感器，3-转矩传感器，4-转向管柱，5-弧形直线电机次级，6-联结套机构，7-循环球转向器，8-转向直拉杆，9-转向梯形，10-车轮，11-比例换向阀，12-液压泵，13-驱动电机，14-油箱，15-直拉杆，16-液压缸，17-活塞，18-转向摇臂，19-控制模块，20-弧形直线电机初级，21-转角信号，22-转矩信号，23-车速信号，24-横摆角速度信号，25-侧向加速度信号，26-弧形直线电机控制信号，27-比例换向阀控制信号，28-驱动电机控制信号，29-助力增益计算模块，30-转矩-位移修正模块，31-状态估计模块，32-附加位移模块，33-回正力矩估计模块，34-变传动模块，35-轮速信号，36-侧向力影响系数，37-回正力矩，38-理想助力增益，39-理想传动比，40-附加位移，41-电流修正信号，42-助力转矩；
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
实施例一。
如图1所示。
一种汽车电液主动转向路感控制***，它主要由方向盘1、转向管柱4、弧形直线电机、联结套机构6、循环球转向器7、转向直拉杆8、转向梯形9和控制模块19组成，方向盘安装在转向管柱4的上端，弧形直线电机的次级5安装在转向管柱4上，弧形直线电机的次级5受控于弧形直线电机的初级20，弧形直线电机的初级20受控于控制模块19，控制模块19根据接收的车辆及转向传感器的信号作出助力力矩驱动信号。转向管柱4通过上下二个联结套机构6与弧形直线电机上下两端相连，循环球转向器7通过转向摇臂18与液压缸16的壳体相连，液压缸16中安装有活塞17，活塞17的两侧分别通过一个直接杆15与转向梯形9相连，转向梯形9与车轮10相连，液压缸16通过受控于比例换向阀11，比例换向阀11受控于控制模块19，控制模块19控制比例换向阀11的进油通道，使活塞向左或向右移动，实现向左或向右液压转向增力，比例换向阀11的液压油由液压泵12从油箱14中泵入，液压泵12由驱动电机13驱动，驱动电机13也受控于控制模块19.控制模块19根据各传感器得到的信号作出由弧形直接电机和液压缸之一单独增力或二者同时增力的判定并输出控制信号。
实施例二。
参照图1。
一种汽车电液主动转向路感控制***，包括：机械传动模块、电动助力模块、液压模块、传感器模块及控制模块；其中：
机械传动模块包括依次连接的方向盘、转向管柱、循环球转向器、转向摇臂、转向直拉杆、转向梯形及车轮；转向直拉杆包括液压缸、活塞、直拉杆；液压缸的外壳通过转向摇臂与循环球转向器输出端固定连接，外壳上开设有进油口和出油口；活塞装配在上述液压缸内，活塞两端固定安装直拉杆，直拉杆后端连接转向梯形及车轮；电动助力模块包括助力电机、联结套机构；助力电机采用弧形直线电机，弧形直线电机初级与控制模块电气连接，次级并列设置在所述机械传动模块的转向管柱上，转向管柱分为上下两段，分别通过联结套机构与弧形直线电机次级的上下两端连接；
液压模块包括储油罐、驱动电机、液压泵、比例换向阀；驱动电机连接液压泵，储油罐中的低压油经液压泵作用后转换为高压油并流向比例换向阀；比例换向阀分配高压油方向和流量大小，通过油管和上述液压缸相通，改变活塞两侧的压力大小，驱动活塞相对液压缸运动
传感器模块包括转角传感器、转矩传感器、车速传感器、轮速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器；转角传感器安装在转向盘上并与所述控制模块电气连接，提供驾驶员输入的转角信号；转矩传感器安装在转向管柱上并与所述控制模块电气连接，提供转向管柱实际转矩信号；车速传感器、轮速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器安装在整车上，分别与控制模块电气连接并提供车速、轮速、横摆角速度、侧向加速度信号；
控制模块包括变传动模块、整车状态估计模块、回正力矩估计模块、变传动模块、附加位移控制模块、转矩-位移修正模块、助力增益模块、助力增益修正模块；控制模块各部分的协调动作过程及规则见实施例三。
实施例三。
如图2所示。
一种汽车电液主动转向路感控制方法，包括如下步骤：
1.控制模块获取车辆状态信息，具体包括：
1.1状态估计模块31接收侧向加速度信号25和轮速信号35，根据车辆载荷和轮胎参数，采用卡尔曼滤波方法估计出车轮所受的纵向力和侧向力，并计算出侧向力影响系数36，回正力矩估计模块33根据侧向力影响系数计算回正力矩37；
1.2助力增益模块29接收车速信号23和转矩信号22，结合回正力矩37，计算出理想助力增益38；
1.3变传动模块34接收车速信号23、横摆角速度24和转角信号21，计算理想传动比39，并根据主动转向控制策略，判断是否执行主动转向干预操作；
2.不执行主动转向干预操作时的路感控制
2.1.设Tr为回正力矩，Tf为摩擦力矩，Ta为助力力矩，Tp为驾驶员感受到的力矩，则Tr＝Tf+Ta+Tp，由于摩擦力矩与难以控制，以固定值处理，助力增益计算模块根据输入的车速和转矩信号，计算出驾驶员感受到的理想力矩；
2.2助力增益计算模块结合回正力矩估计模块输入的回正力矩，计算出所需要的助力力矩大小，根据反馈的弧形直线电机实际电流信号，采用基于BP神经网络整定的PID控制算法，动态调整理想助力增益；电流增大时，弧形直线电机输出的转矩增大，经过转向管柱作用，驾驶员感受到的力矩减小，电流减小时则相反；
3.执行主动转向干预操作时的路感控制
3.1附加位移控制模块32发出驱动电机控制信号和比例换向阀控制信号，控制驱动电机驱动液压泵产生高压油，经过比例换向阀流量分配进入液压缸，改变活塞两侧压差大小，使与活塞连接的直拉杆相对液压缸输出附加位移40，并通过转向梯形机构将直拉杆附加位移转化为附加前轮转角，完成主动转向干预；
3.2转矩-位移修正模块30接收经过附加位移控制模块作用后输出的附加位移40，采用Hinf鲁棒控制方法对助力增益进行修正，输出电流修正信号41；
3.3助力增益修正模块44分别接收电流修正信号41和理想助力增益38，并对两者进行线性叠加，输出弧形直线电机控制信号26；弧形直线电机初级在修正后的控制信号26的作用下，输出转向助力转矩42，经弧形直线电机次级和转向管柱，作用于循环球转向器并向车轮传递；
其中，步骤1.2中计算理想助力增益和步骤2.1中计算驾驶员感受到的理想转矩的方法为：
Tpbest＝ka*(Td-T0)
式中：Tpbest为理想转矩，Td为驾驶员输入转矩，T0为开始提供助力时转矩，ka为理想助力增益Tmax为最大助力输入转矩，Tf为最大转矩，kb为助力特性曲线斜率；
其中，步骤2.2中的基于BP神经网络整定的PID控制算法，具体步骤如下：
2.2.1.确定BP神经网络初始结构参数，包括：隐藏层数目m，隐藏节点数，惯性系数λ，学习率α，输入节点数目n，输出节点数目q，初始化各层加权系数wi i＝1,2,3，设定采样序数k＝1
2.2.2.进行采样分别得到给定助力增益R(t)和实际助力增益Q(t)，计算当前时刻偏差为E(t)＝R(t)-Q(t)和BP神经网络各层神经元的输入输出，输出的参数即为PID控制的比例、积分和微分参数；
2.2.3.BP神经网络进行在线学习整定，对各层加权系数wi i＝1,2,3进行自适应调节；令k＝k+1，重复上述步骤2.2.2。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
本发明未涉及部分如液压增力部分及弧形直线电机的具体结构及安装使用、转向机构、方向盘转向管柱、各传感器安装及信号采集等等均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (5)
1.一种汽车电液主动转向路感控制***，其特征在于，包括：机械传动模块、电动助力模块、液压模块、传感器模块及控制模块；
所述的机械传动模块包括依次连接的方向盘、转向管柱、循环球转向器、转向摇臂、转向直拉杆、转向梯形及车轮；所述转向直拉杆包括液压缸、活塞、直拉杆，所述液压缸的外壳通过转向摇臂与循环球转向器输出端固定连接，外壳上开设有进油口和出油口；所述活塞装配在上述液压缸内，活塞两端固定安装直拉杆，直拉杆后端连接转向梯形及车轮；
所述的电动助力模块包括助力电机、联结套机构；助力电机的转向助力部分安装在转向管柱上，联结套机构用于连接转向管柱和助力电机；
所述的液压模块包括储油罐、驱动电机、液压泵、比例换向阀，所述驱动电机连接液压泵，储油罐中的低压油经液压泵作用后转换为高压油并流向比例换向阀；所述比例换向阀分配高压油方向和流量大小，通过油管和上述液压缸相通，改变活塞两侧的压力大小，驱动活塞相对液压缸运动；
所述的传感器模块包括转角传感器、转矩传感器、车速传感器、轮速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器；所述转角传感器安装在转向盘上并与所述控制模块电气连接，提供驾驶员输入的转角信号；所述转矩传感器安装在转向管柱上并与所述控制模块电气连接，提供转向管柱实际转矩信号；所述车速传感器、轮速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器安装在整车上，分别与所述控制模块电气连接并提供车速、轮速、横摆角速度、侧向加速度信号；
所述控制模块包括变传动模块、整车状态估计模块、回正力矩估计模块、附加位移控制模块、转矩-位移修正模块、助力增益模块和助力增益修正模块；各模块协调控制助力电机和活塞动作，根据路面信息和车辆状态提供助力力矩，提高驾驶的舒适性。
2.根据权利要求1所述的汽车电液主动转向路感控制***，其特征在于，所述助力电机采用弧形直线电机，弧形直线电机初级与控制模块电气连接，次级为转向助力输出部分，并列设置在所述机械传动模块的转向管柱上，转向管柱通过联结套机构与弧形直线电机次级两端连接。
3.一种基于权利要求1所述的汽车电液主动转向路感控制***的转向路感控制方法，其特征是它包括步骤如下：
首先，控制模块获取车辆状态信息：
1.1状态估计模块(31)接收侧向加速度信号(25)和轮速信号(35)，根据车辆载荷和轮胎参数，采用卡尔曼滤波方法估计出车轮所受的纵向力和侧向力，并计算出侧向力影响系数(36)，回正力矩估计模块(33)根据侧向力影响系数计算回正力矩(37)；
1.2助力增益模块(29)接收车速信号(23)和转矩信号(22)，结合回正力矩(37)，计算出理想助力增益(38)；
1.3变传动模块(34)接收车速信号(23)、横摆角速度(24)和转角信号(21)，计算理想传动比(39)，并根据主动转向控制策略，判断是否执行主动转向干预操作；
其中：不执行主动转向干预操作时的路感控制方法是：
2.1.设Tr为回正力矩，Tf为摩擦力矩，Ta为助力力矩，Tp为驾驶员感受到的力矩，则Tr＝Tf+Ta+Tp，由于摩擦力矩与难以控制，以固定值处理，助力增益计算模块根据输入的车速和转矩信号，计算出驾驶员感受到的理想力矩；
2.2助力增益计算模块结合回正力矩估计模块输入的回正力矩和步骤2.1计算出的理想力矩，计算出所需要的助力力矩大小，根据反馈的助力电机实际电流信号，采用基于BP神经网络整定的PID控制算法，动态调整理想助力增益；电流增大时，助力电机输出的转矩增大，经过转向管柱作用，驾驶员感受到的力矩减小，电流减小时则相反；所述助力电机采用弧形直线电机，弧形直线电机初级与控制模块电气连接，次级为转向助力输出部分，并列设置在所述机械传动模块的转向管柱上，转向管柱通过联结套机构与弧形直线电机次级两端连接；
执行主动转向干预操作时的路感控制方法是：
3.1附加位移控制模块(32)发出驱动电机控制信号和比例换向阀控制信号，控制驱动电机驱动液压泵产生高压油，经过比例换向阀流量分配进入液压缸，改变活塞两侧压差大小，使与活塞连接的直拉杆相对液压缸输出附加位移(40)，并通过转向梯形机构将直拉杆附加位移转化为附加前轮转角，完成主动转向干预；
3.2转矩-位移修正模块(30)接收经过附加位移控制模块作用后输出的附加位移(40)，采用Hinf鲁棒控制方法对助力增益进行修正，输出电流修正信号(41)；
3.3助力增益修正模块(44)分别接收电流修正信号(41)和理想助力增益(38)，并对两者进行线性叠加，输出弧形直线电机控制信号(26)；弧形直线电机初级在修正后的弧形直线电机控制信号(26)的作用下，输出转向助力转矩(42)，经弧形直线电机次级和转向管柱，作用于循环球转向器并向车轮传递。
4.根据权利要求3所述的转向路感控制方法，其特征在于，设Tpbest为驾驶员感受到的理想转矩，Td为驾驶员输入转矩，T0为开始提供助力时转矩，ka为理想助力增益，Tmax为最大助力输入转矩，Tf为最大转矩，kb为助力特性曲线斜率；
计算理想助力增益和驾驶员感受到的理想转矩的方法为：
5.根据权利要求3所述的转向路感控制方法，其特征在于，所述基于BP神经网络整定的PID控制算法，具体步骤如下：
(1)确定BP神经网络初始结构参数，包括：隐藏层数目m，隐藏节点数，惯性系数λ，学习率α，输入节点数目n，输出节点数目q，初始化各层加权系数wii＝1,2,3···，设定采样序数k＝1
(2)进行采样分别得到给定助力增益R(t)和实际助力增益Q(t)，计算当前时刻偏差为E(t)＝R(t)-Q(t)和BP神经网络各层神经元的输入输出，输出的参数即为PID控制的比例、积分和微分参数；
(3)BP神经网络进行在线学习整定，对各层加权系数wii＝1,2,3···进行自适应调节；令k＝k+1，重复上述步骤(2)。
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