CN114735076B - 一种差动协同线控转向的容错控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种差动协同线控转向的容错控制方法，在转向执行电机出现故障的情况下，本发明的控制方法可以实时计算转向执行电机效率损失系数，通过调用所述控制方法中的转角追踪策略切换模块，切换不同的转角追踪策略，通过调用所述控制方法中的上层控制器控制模块，设计鲁棒控制器在线优化计算出转向执行电机期望输出转矩和前轮轮毂电机期望输出差动转矩，实现对横摆角速度追踪的同时，保证方向盘转角与转向轮转角的连续对应，通过调用所述控制方法中的下层控制器控制模块，从改善汽车瞬态动力性的角度，优化计算四轮轮毂电机期望输出的转矩，在保证汽车动力性的基础上，提高了汽车的安全性与驾驶舒适性。

Description

一种差动协同线控转向的容错控制方法
技术领域
本发明涉及汽车技术领域，尤其是线控转向技术领域。更具体地说，本发明涉及一种差动协同线控转向的容错控制方法。
背景技术
线控转向(Steering-By-Wire,SBW)通过电控信号控制转向执行电机驱动转向梯形完成车轮转向运动，实现了方向盘与汽车转向前轮的机械解耦。随着智能驾驶技术的应用和自动驾驶级别的提高，线控转向正吸引越来越多的研究，用于替代基于电动助力转向(Electric Power Steering,EPS)的主动转向方案而被用于高级别自动驾驶汽车，以适应未来智能交通场景。但作为线控技术，由于与驾乘安全紧密相关，单一的线控转向技术至今仍未得到产业政策法规的支持；同时线控转向在面对高速紧急避障、中低速大角度转弯等转向工况时，转向执行电机电流较大易发热、负载较高响应慢，容易引发转向执行电机部分磁极失效甚至全部磁极失效等故障，从而导致转向执行电机的效率系数大大降低。
差动转向(Differential Drive Steering,DDS)可以利用左右轮毂电机驱动转矩差值在轮胎与地面间产生的地面驱动力差，围绕主销接地横向偏移距可以产生驱动转向梯形机构运动的转向力矩，从而被认为是一种利用驱动***实现间接自动转向的新型线控转向方式。因此，该转向方式可以用作线控主动转向***转向执行电机失效时的备份转向***，大大提高线控转向***的功能安全。
但是，如今相关的容错研究主要集中于：在转向执行电机出现故障时，怎样利用DDS对于横摆角速度的影响，使汽车快速追踪期望的横摆角速度，却忽略了这个过程对转向轮转角的影响，造成不利后果：当DDS和SBW产生相同的横摆角速度时，会产生不同的转向轮转角(DDS偏小)，因此，当转向执行电机出现故障时，若采取DDS协同SBW驱动汽车完成转向运动，会造成此时的转向轮转角与方向盘转角不满足应用于转向执行电机良好工况的转向***角传动比特性，甚至转向轮转角与方向盘转角转动趋势不同，不满足GB17675-2021《汽车转向系基本要求》中“转向角与转向盘转角偏转连续对应”的要求；与此同时，若汽车转向轮偏转后，转向执行电机突然发生故障，此时汽车相当于突然处于“撒手工况”，对于汽车来说属于力输入运动，往往会产生汽车横摆角速度和航向角的抖动，并且转向执行电机故障越严重，相当于“撒手实验”的“输入量越高”，汽车运动越剧烈，如今同样缺乏改善这种危险工况下汽车的瞬态响应性能的相关研究。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种差动协同线控转向的容错控制方法，在转向执行电机出现故障的情况下，本发明的控制方法可以实时计算转向执行电机效率损失系数，通过调用所述控制方法中的转角追踪策略切换模块，切换不同的转角追踪策略，通过调用所述控制方法中的上层控制器控制模块，设计鲁棒控制器在线优化计算出转向执行电机期望输出转矩和前轮轮毂电机期望输出差动转矩，实现对横摆角速度追踪的同时保证方向盘转角与转向轮转角的连续对应，通过调用所述控制方法中的下层控制器控制模块，从改善汽车瞬态动力性的角度，优化计算四轮轮毂电机期望输出的转矩，在保证汽车动力性的基础上，提高了汽车的安全性与驾驶舒适性。
结合说明书附图，本发明的发明内容如下：
一种差动协同线控转向的容错控制方法，步骤包括：
步骤一：ECU读取方向盘转角、方向盘转矩、车速、汽车横摆角速度、整车质心侧偏角、油门踏板、转向执行电机输出扭矩和转向轮转角等信号；
步骤二：所述ECU调用存储在其内部的差动协同线控转向***动力学模型以及状态空间方程；
步骤三：***自检，所述ECU读取转向执行电机的自检信号，并输出转向执行电机故障信号；
步骤四：所述ECU调用所述差动协同线控转向的容错控制方法中的转角追踪策略切换模块；
其中，所述转角追踪策略切换模块是所述差动协同线控转向的容错控制方法中的子模块之一，其输入转向执行电机效率损失系数，切换不同的转角追踪策略，输出汽车期望的横摆角速度和期望的转向轮转角；
步骤五：所述ECU调用所述差动协同线控转向的容错控制方法中的上层控制器控制模块；
其中，所述上层控制器控制模块是所述差动协同线控转向的容错控制方法中的子模块之一，其输入期望横摆角速度与实际横摆角速度的误差，期望转向轮转角与实际转向轮转角的误差以及所述转向执行电机效率损失系数，输出所述转向执行电机期望输出转矩和第一前轮轮毂电机、第二前轮轮毂电机期望输出差动力矩；
步骤六：所述ECU调用所述差动协同线控转向的容错控制方法中的下层控制器控制模块：
其中，所述下层控制器控制模块是所述差动协同线控转向的容错控制方法中的子模块之一，其输入所述第一前轮轮毂电机、所述第二前轮轮毂电机期望输出的差动力矩和油门踏板信号，输出四轮轮毂电机期望输出的驱动力矩；
步骤七：所述ECU根据所述上层控制器控制模块和所述下层控制器控制模块输出的结果控制所述转向执行电机、所述第一前轮轮毂电机、所述第二前轮轮毂电机以及汽车后轮轮毂电机。
优选的是，所述差动协同线控转向的容错控制方法可用于一种差动协同线控转向***，包括：方向盘单元Ⅰ、机械转向单元Ⅱ、线控转向单元Ⅲ、差动转向单元Ⅳ、转向传动机构Ⅴ和所述ECU(600)。
所述方向盘单元Ⅰ包括：
方向盘(100)，其用于驾驶员操纵输入转向指令；
方向盘转角传感器(110)，其连接所述方向盘(100)，用于检测方向盘(100)转角并传输至所述ECU(600)；
方向盘扭矩传感器(120)，其连接所述方向盘(100)，用于检测方向盘(100)扭矩并传输至所述ECU(600)；
路感电机(130)，其用于接收并传输至所述ECU(600)输出的控制信号，输出路感反馈阻力转矩或转向助力转矩；
路感电机减速器(140)，其用于减速增扭所述路感电机(130)输出的力矩；
转向轴(150)，其用于连接和传递所述方向盘(100)转向力矩；
上转向传动轴(160)，其上端通过销钉与所述转向轴(150)相连，并侧方连接所述路感电机减速器(140)，并传递其路感反馈阻力转矩或转向助力转矩，下端与所述机械转向单元Ⅱ连接；
所述机械转向单元Ⅱ包括：
电磁离合器(200)，其用于接收所述ECU(600)控制信号，分离可以实现所述方向盘(100)与前轮的解耦，接合可以实现机械转向；
万向节(210)，用于变角度传递来自所述方向盘(100)的转向力矩；
下转向传动轴(220)，其通过所述万向节(210)连接所述电磁离合器(200)下端；
所述线控转向单元Ⅲ包括：
转向执行电机(300)，其用于接收所述ECU(600)的控制信号，输出转向力矩；
转向执行电机减速器(310)，其用于减速增扭所述转向执行电机(300)输出的转向力矩，输出至转向传动机构Ⅴ；
所述差动转向单元Ⅳ包括：
第一前轮(420)，其通过转向节与转向传动机构Ⅴ一侧相连受控偏转；
第二前轮(430)，其通过转向节与转向传动机构Ⅴ另一侧相连受控偏转；
第一前轮轮毂电机(400)，其用于接收所述ECU(600)输出的控制信号，驱动所述第一前轮；
第二前轮轮毂电机(410)，其用于接收所述ECU(600)输出的控制信号，驱动所述第二前轮；
前轮转角传感器(440)，其用于检测前轮转角，并传输至所述ECU(600)；
所述转向传动机构Ⅴ包括：
齿轮齿条转向器(510)，其用于接收所述转向执行电机减速器(310)和所述下转向传动轴(220)输出的转向力矩；
转向梯形臂(520)，其两端通过球销分别连接所述齿轮齿条转向器和车轮转向节臂，带动车轮偏转；
作为一种优选，所述齿轮齿条转向器(510)包括：
第一转向小齿轮(511)，其用于接收所述转向执行电机减速器(310)输出的转向力矩，驱动转向齿条(513)移动；
转向小齿轮转角传感器(512)，其用于检测所述第一转向小齿轮(511)转角，并传递至所述ECU(600)；
转向齿条(513)，其用于驱动所述转向梯形臂(520)移动；
齿条位移传感器(514)，其用于检测所述转向齿条(513)位移；
第二转向小齿轮(516)；其用于接收所述下转向传动轴(220)输出的转向力矩，驱动所述转向齿条(513)移动；
转向器壳体(515)，用于容置所述第一转向小齿轮(511)、所述转向齿条(513)和所述第二转向小齿轮(516)；
所述ECU(600)，其输入连接所述方向盘转角传感器(110)、所述方向盘扭矩传感器(120)、所述转向小齿轮转角传感器(512)、所述齿条位移传感器(514)和所述前轮转角传感器(440)等；输出连接所述路感电机(130)、所述电磁离合器(200)、所述转向执行电机(300)、所述第一前轮轮毂电机(400)和所述第二前轮轮毂电机(410)等。
值得说明的是，本发明所述的一种差动协同线控转向的容错控制方法不仅限于此结构，同样可以按照需要应用于其他差动协同线控转向***，此项不构成对本发明的所述权利要求保护范围的限制。
本发明与现有成果相比包括以下有益效果：
1.安全性高。本发明所述的一种差动协同线控转向的容错控制方法可以在转向执行电机发生故障时，保障横摆角速度的追踪，同时也可以实现方向盘转角与转向轮转角的连续对应；若在转向过程中转向执行电机突然失灵，本发明所述的一种差动协同线控转向的容错控制方法还可以根据所述转向执行电机效率损失系数λ动态分配汽车四个车轮轮毂电机的驱动力矩，提升后轴侧偏刚度，改善汽车瞬态动力性。
2.舒适性好。本发明所述的一种差动协同线控转向的容错控制方法弥补了现存技术的缺陷，在转向执行电机失效时，可以利用DDS满足转角跟踪，使转向轮转角与转向盘转角偏转连续对应，提升驾驶员驾驶舒适性。
附图说明：
图1为本发明所述的一种差动协同线控转向***的结构简图。
图2为本发明所述的一种差动协同线控转向的容错控制方法的控制逻辑图。
图3为本发明所述的一种差动协同线控转向的容错控制方法的控制流程图。
图4为本发明所述的一种差动协同线控转向的容错控制方法的理想转向***角传动比MAP图。
图5为本发明所述的一种差动协同线控转向的容错控制方法的轻度故障转向***角传动比MAP图。
图6为本发明所述的一种差动协同线控转向的容错控制方法的中度故障转向***角传动比MAP图。
具体实施方式：
下面将参照附图详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如说明书附图1所示，一种差动协同线控转向***，包括：方向盘单元Ⅰ、机械转向单元Ⅱ、线控转向单元Ⅲ、差动转向单元Ⅳ、转向传动机构Ⅴ以及所述ECU(600)。
所述方向盘单元Ⅰ包括方向盘(100)、方向盘转角传感器(110)、方向盘扭矩传感器(120)、路感电机(130)、路感电机减速器(140)、转向轴(150)和上转向传动轴(160)。所述方向盘(100)接收驾驶员转向输入力矩并通过花键传递给所述转向轴(150)；所述转向轴(150)上端通过花键连接所述方向盘(100)，下端通过销钉连接所述上转向传动轴(160)，以便发生汽车正面碰撞时让销钉断裂以增加溃缩空间，确保驾驶员安全；所述方向盘转角传感器(110)和所述方向盘扭矩传感器(120)中心固定在所述转向轴(150)上，其壳体通过螺栓固定于车体，通过中心与壳体的相对转动分别检测方向盘(100)输出的转角和扭矩并将信号传递给所述ECU(600)；所述路感电机(130)接收所述ECU(600)控制信号输出路感反馈力矩或转向助力转矩，经所述路感电机减速器(140)减速增扭后输出到所述上转向传动轴(160)侧方；所述上转向传动轴(160)下端通过花键与机械转向单元Ⅱ上端相连。
所述机械转向单元Ⅱ包括电磁离合器(200)、万向节(210)和下转向传动轴(220)。所述电磁离合器(200)接收所述ECU(600)控制信号，根据不同应用情况，通过其接合与分离状态实现线控转向与机械转向的切换，所述电磁离合器(200)输入端通过花键连接所述上转向传动轴(160)下端，输出端连接所述万向节(210)后通过花键连接所述下转向传动轴(220)上端；所述下转向传动轴(220)下端通过花键与所述齿轮齿条转向器(510)中所述第二转向小齿轮(516)相连。
所述线控转向单元Ⅲ包括转向执行电机(300)和转向执行电机扭矩传感器(310)。所述转向执行电机(300)为永磁同步电机，接收所述ECU(600)的控制信号，输出转向力矩；所述转向执行电机(300)一般包括转向执行电机壳体、转向执行电机定子、转向执行电机转子和转向执行电机输出轴。所述转向执行电机壳体固定在汽车副车架上或固定在转向传动机构Ⅴ的壳体上；转向执行电机定子安装在所述转向执行电机壳体内壁上；所述转向执行电机转子通过轴承支撑在所述转向执行电机壳体上，并与所述转向执行电机定子形成气隙配合；所述转向执行电机输出轴通过花键与所述齿轮齿条转向器(510)中所述第一转向小齿轮(511)连接；所述转向执行电机扭矩传感器(310)中心固定在所述转向执行电机输出轴上，其壳体通过螺栓固定于车体，通过中心与壳体的相对转动检测所述转向执行电机(310)输出的扭矩并将信号传递给所述ECU(600)。
所述差动转向单元Ⅳ包括第一前轮轮毂电机(400)、第二前轮轮毂电机(410)、第一前轮(420)、第二前轮(430)和前轮转角传感器(440)。所述第一前轮(420)通过转向节与转向传动机构Ⅴ一侧相连受控完成偏转；所述第二前轮(430)通过转向节与转向传动机构Ⅴ另一侧相连受控完成偏转；所述第一前轮轮毂电机(400)用于接收所述ECU(600)输出的控制信号驱动所述第一前轮(420)转动驱动汽车行驶；所述第二前轮轮毂电机(410)用于接收所述ECU(600)输出的控制信号驱动所述第二前轮(430)转动驱动汽车行驶；所述前轮转角传感器(440)检测所述前轮(420)(430)转角，并将信号传递给所述ECU(600)。
所述转向传动机构Ⅴ包括齿轮齿条转向器(510)和转向梯形臂(520)。所述齿轮齿条转向器(510)接收所述转向执行电机(300)经所述线控转向单元Ⅲ输出的转向力矩或直接由驾驶员经机械转向单元Ⅱ输出的转向力矩，驱动所述转向梯形臂(520)移动；作为一种优选，所述齿轮齿条转向器(510)包括第一转向小齿轮(511)、转向小齿轮转角传感器(512)、转向齿条(513)、齿条位移传感器(514)、转向器壳体(515)和第二转向小齿轮(516)。所述第一转向小齿轮(511)轴端通过轴承安装在所述转向器壳体(515)上，通过花键与所述转向执行电机(300)输出端连接；所述转向齿条(513)两端通过球头副与所述转向梯形臂(520)一端连接，所述转向梯形臂(520)另一端通过球头副连接车轮的转向节臂；所述第二转向小齿轮(516)轴端通过轴承安装在所述转向器壳体(515)上，通过花键与所述下转向传动轴(220)连接；所述转向小齿轮转角传感器(512)和所述齿条位移传感器(514)分别检测所述第一转向小齿轮(511)转角和所述转向齿条(513)位移，并将信号传递到所述ECU(600)。
所述ECU(600)与所述方向盘转角传感器(110)、所述方向盘扭矩传感器(120)、所述路感电机(130)、所述电磁离合器(200)、所述转向执行电机(300)、所述转向执行电机扭矩传感器(310)、所述转向小齿轮转角传感器(512)、所述齿条位移传感器(514)、所述第一前轮轮毂电机(400)、所述第二前轮轮毂电机(410)和所述前轮转角传感器(440)通过信号线连接并通过CAN总线获取车辆车速、故障等状态信号。其中，所述ECU(600)接收所述方向盘转角传感器(110)和所述方向盘扭矩传感器(120)采集的信号，判断出驾驶员期望前轮转角，根据驾驶员期望前轮转角和所述前轮转角传感器(440)采集的实际前轮转角对所述转向执行电机(300)、所述第一前轮轮毂电机(400)以及所述第二前轮轮毂电机(410)发送控制信号以实现线控自动转向动作；所述ECU(600)通过控制所述电磁离合器(200)的通电或断电，切换线控转向或机械转向；当转向模式为线控转向时，所述ECU(600)根据当前车速、实际转向轮转角等信号控制所述路感电机(130)输出路感反馈阻力转矩以保证驾驶员对当前工况有更好的把握；当转向模式为机械转向时，所述ECU(600)根据当前车速、实际前轮转角等信号控制所述路感电机(130)输出转向助力转矩，以减轻驾驶员转向手力；所述ECU(600)接收所述转向执行电机扭矩传感器(310)采集的信号，判断所述转向执行电机(300)是否发生故障。
结合说明书附图2所示的本发明的控制逻辑图，对所述的差动协同线控转向的容错控制方法中的各模块之间的工作关系进行说明，所述ECU(600)根据所述转向执行电机扭矩传感器(310)采集的信号以及所述上层控制器控制模块计算的转向执行电机期望输出转矩，计算出所述转向执行电机(300)效率损失系数，并将结果输出至所述转角追踪策略切换模块、所述上层控制器控制模块和所述下层控制器控制模块；所述转角追踪策略切换模块输入所述ECU(600)计算的所述转向执行电机(300)效率损失系数，切换不同的转角追踪策略，然后根据所述方向盘转角传感器(110)和车速传感器采集的信号，计算出期望的转向轮转角和期望的横摆角速度；所述上层控制器控制模块输入期望横摆角速度与实际横摆角速度的误差，期望转向轮转角与转向轮转角的误差以及所述转向执行电机(300)效率损失系数，输出所述转向执行电机(300)期望输出转矩和所述第一前轮轮毂电机(400)、所述第二前轮轮毂电机(410)期望输出的差动力矩；所述下层控制器控制模块输入所述第一前轮轮毂电机(400)、所述第二前轮轮毂电机(410)期望输出的差动力矩和油门踏板信号，输出四轮轮毂电机期望输出的驱动力矩；最后所述ECU(600)根据上述控制模块输出结果控制所述转向执行电机(300)、所述第一前轮轮毂电机(400)、所述第一前轮轮毂电机(410)和汽车后轮轮毂电机发出转矩，驱动汽车完成转向动作。
参阅说明书附图3所示的控制流程图，本发明提出的一种差动协同线控转向的容错控制方法包括如下步骤：
步骤一：所述ECU(600)读取方向盘转角、方向盘转矩、车速、汽车横摆角速度、整车质心侧偏角，油门踏板、转向执行电机输出扭矩和转向轮转角等信号。
步骤二：所述ECU(600)调用存储在其内部的差动协同线控转向***动力学模型以及状态空间方程：
进一步地，所述步骤二中的差动协同线控转向***动力学模型指的是：
Figure GDA0004047561040000081
其中，
Figure GDA0004047561040000082
Figure GDA0004047561040000083
Figure GDA0004047561040000084
Jfw为转向轮转动惯量，Jsm为转向执行电机转动惯量，r为由所述齿轮齿条转向器的齿条平移运动转换至转向轮转动的换算系数，N1为所述齿轮齿条转向器的转向小齿轮的啮合齿数，N2为所述齿轮齿条转向器的齿条的啮合齿数，Bfw为转向轮阻尼系数，Bsm为转向执行电机阻尼系数，rσ为转向轮的主销横向偏移距，rw为转向轮的滚动半径，
Figure GDA0004047561040000085
为转向执行电机输出转矩，δf为转向轮转角，τe为车轮给转向盘的回正力矩，ΔT为所述第一前轮轮毂电机和所述第二前轮轮毂电机实际输出的差动力矩；
结合汽车二自由度模型，所述步骤二中的差动协同线控转向***状态空间方程指的是：
Figure GDA0004047561040000091
其中，x(t)为***状态变量向量，具体为
Figure GDA0004047561040000092
u(t)为***输入量向量，具体为
Figure GDA0004047561040000093
y(t)为***输出量向量，具体为y(t)＝[ω δf]T；Am、Bm和C为系数矩阵，分别为，
Figure GDA0004047561040000094
Figure GDA0004047561040000095
Figure GDA0004047561040000096
式中，ω为汽车横摆角速度，v为汽车侧向速度，a为汽车质心至前轴距离，b为汽车质心至后轴距离，Cαf为汽车前轴侧偏刚度，Cαr为汽车后轴侧偏刚度，I为汽车绕z轴转动惯量，u为汽车纵向速度，m为汽车质量，tm+tp表示轮胎主销后倾拖距和气胎拖距之和，B0为汽车轮距。
步骤三：***自检，所述ECU(600)读取所述转向执行电机(300)的自检信号，并输出所述转向执行电机(300)故障信号：
所述ECU(600)读取所述转向执行电机扭矩传感器(310)输出的转矩信号τsm，并根据下式计算出转向执行电机效率损失系数：
Figure GDA0004047561040000097
式中，λ为所述转向执行电机效率损失系数，τsm为转向执行电机扭矩传感器(310)测量的转向执行电机实际输出的转矩，τsm,d为转向执行电机期望输出的转矩。
步骤四：所述ECU(600)调用所述差动协同线控转向的容错控制方法中的转角追踪策略切换模块：
所述转角追踪策略切换模块输入所述步骤三输出的λ值，切换不同的转角追踪策略：
若λ＝1，所述转角追踪策略切换模块将所述转向执行电机(300)划分为功能完整阶段，此时，应该由所述转向执行电机(300)发出转矩驱动汽车转向以及转向轮偏转，所述转角追踪策略切换模块选择如说明书附图4所示的理想的转向***角传动比MAP图，根据当前的方向盘转角以及车速查取MAP图得出当前转向***角传动比i1，并计算出期望的转向轮转角为：
Figure GDA0004047561040000101
式中，δf,d为期望的转向轮转角，δsw为方向盘转角；
若λ＜1，所述转向执行电机(300)出现故障，此时，为了防止所述转向执行电机(300)发出较大转矩，超出所述转向执行电机(300)此时可负担的范围，导致所述转向执行电机(300)的故障进一步加剧，应该由所述第一前轮轮毂电机(400)和所述第二前轮轮毂电机(420)生成差动力矩协同所述转向执行电机(300)发出的转矩驱动汽车转向以及转向轮偏转，但是，由于差动力矩在驱动转向轮偏转的同时，会对汽车产生横摆力矩，加剧汽车的横摆(转向)运动，因此，若采用差动协同线控转向会导致此时方向盘转角与转向轮转角的比值将无法满足理想的角传动比i1，为了保证方向盘转角与转向轮转角的连续对应，并考虑***的工作量，所述转角追踪策略切换模块将所述转向执行电机(300)的故障划分为几个阶段，并选择相应的转向***角传动比MAP图；
若0.7＜λ＜1，所述转角追踪策略切换模块将所述转向执行电机(300)划分为轻度故障阶段，此时，所述转角追踪策略切换模块选择如说明书附图5所示的轻度故障转向***角传动比MAP图，根据当前的方向盘转角以及车速查取MAP图得出当前转向***角传动比i2，并计算出期望的转向轮转角为：
Figure GDA0004047561040000102
若0.4＜λ＜0.7，所述转角追踪策略切换模块将所述转向执行电机(300)划分为中度故障阶段，此时，所述转角追踪策略切换模块选择如说明书附图6所示的中度故障转向***角传动比MAP图，根据当前的方向盘转角以及车速查取MAP图得出当前转向***角传动比i3，并计算出期望的转向轮转角为：
Figure GDA0004047561040000103
若0＜λ＜0.4，所述转角追踪策略切换模块将所述转向执行电机(300)划分为重度故障甚至完全故障阶段，此时，所述转向执行电机(300)工作状态已经不再可靠，在这种工况下，驱动汽车按照驾驶员期望轨迹行驶最为重要，即横摆角速度追踪，应该由所述第一前轮轮毂电机(400)和所述第二前轮轮毂电机(410)生成差动力矩，承担全部驱动汽车转向的工作，并驱动转向轮偏转；
所述转角追踪策略切换模块输入方向盘转角信号，车速信号，并从理想的转向***角传动比MAP图中查取i1，通过下式计算出车辆期望的横摆角速度：
Figure GDA0004047561040000111
式中，ωd为期望的横摆角速度，L为汽车轴距，i1为所述理想转向***角传动比。
步骤五：所述ECU(600)调用所述差动协同线控转向的容错控制方法中的上层控制器控制模块：
优选的是，所述的上层控制器控制模块中的上层控制器选用模型预测控制器(Model Predictive Control，MPC)；
首先，所述上层控制器控制模块根据λ值，生成所述转向执行电机(300)故障工况下的差动协同线控转向***状态空间方程：
Figure GDA0004047561040000112
式中，
Figure GDA0004047561040000113
其他向量与所述步骤二中建立的所述差动协同线控转向***状态空间方程相同；
所述上层控制器控制模块将所述转向执行电机(300)故障工况下的差动协同线控转向***状态空间方程转化为离散形式：
Figure GDA0004047561040000114
式中，
Figure GDA0004047561040000115
K＝0,1,2...为一正整数，T为采样周期；
在kT时刻有：
Figure GDA0004047561040000116
式中，x(K+i|k)为在kT时刻预测的(k+i)T时刻***的状态变量，y(k+i|K)为在kT时刻预测的(k+i)T时刻***的输出变量，u(k+i|k)为在kT时刻预测的(K+i)T时刻***的输入变量，r(k+i|K)为在kT时刻预测的(K+i)T时刻***的期望输出变量，Np为预测时域步长，Nc为控制时域步长；
优选的是，所述上层控制器在线寻优的优化函数为：
Figure GDA0004047561040000121
式中，Q为过程误差权重矩阵，R为输入向量权重矩阵，F为终端误差权重矩阵；
进一步地，所述矩阵Q，F的选取应该能够体现当所述转向执行电机(300)处于不同的故障阶段时，所述上层控制器控制模块对横摆角速度追踪以及转向轮转角追踪的重视程度，
优选的是，可将矩阵Q，F设计为以下形式：
Figure GDA0004047561040000122
式中，ε1，ε2，ε3，ε4为对应的权重系数数值，当0.4＜λ≤1时，f(λ)＝1，说明此时所述上层控制器控制模块注重对横摆角速度追踪的同时注重对转向轮转角的追踪，当0＜λ≤0.4时，f(λ)＝0，说明此时所述上层控制器控制模块仅注重对横摆角速度的追踪；
经过整理：
Figure GDA0004047561040000123
式中，
Figure GDA0004047561040000124
Figure GDA0004047561040000125
Figure GDA0004047561040000126
Figure GDA0004047561040000127
Figure GDA0004047561040000128
目标函数J越小说明，在当前工况下汽车的实际横摆角速度越接近汽车期望横摆角速度并且汽车的实际转向轮转角越接近当前方向盘转角、车速和λ下的汽车期望转向轮转角；
同时，加入边界条件限制：
Figure GDA0004047561040000131
式中，β为整车的质心侧偏角；
最后，所述上层控制器控制模块对考虑边界条件的J进行寻优计算，求出最优解
Figure GDA0004047561040000132
即在当前工况下，所述转向执行电机(300)期望输出力矩、所述第一前轮轮毂电机(400)和所述第二前轮轮毂电机(410)期望输出差动力矩。
值得说明的是，本发明所述的一种差动协同线控转向***的容错控制方法的上层控制器不仅限于此类MPC控制器，同样可以按照需要选用设计其他类型的控制器，此项不构成对本发明的所述权利要求保护范围的限制。
步骤六：所述ECU(600)调用所述差动协同线控转向的容错控制方法中的下层控制器控制模块：
所述下层控制器控制模块将油门踏板信号转换为期望车速ud，将当前车速u和期望车速ud差值输入比例-积分-微分(PID)控制器中，得出整车需求的总驱动力矩Tre，按下式将Tre分配至前后车轮：
Tre＝Tf+Tr
式中，Tf为两个前轮轮毂电机输出的力矩和，Tr为两个后轮轮毂电机输出的力矩和；
所述下层控制器控制模块输入所述第一前轮轮毂电机(400)和所述第二前轮轮毂电机(410)期望输出的差动力矩，所述下层控制器控制模块将所述差动力矩分配至所述第一前轮(420)和所述第二前轮(430)，如下面公式所示：
Figure GDA0004047561040000133
式中，T1为所述第一前轮轮毂电机期望输出的驱动力矩，T2为所述第二前轮轮毂电机期望输出的驱动力矩；
若汽车转向轮偏转后，所述转向执行电机(300)突然发生故障，此时汽车相当于突然处于“撒手工况”，对于汽车来说属于力输入运动，往往会产生汽车横摆角速度和航向角的抖动，所述转向执行电机(300)故障越严重(λ值越小)，汽车运动越剧烈，此时为了提升汽车的瞬态响应特性，如自然频率、阻尼比等，应该尽可能增大汽车后轴侧偏刚度(前轴侧偏刚度对此运动过程影响不大)，根据轮胎动力学，若减小轮胎纵向力(甚至可以控制车轮产生较小的制动力)会增大轮胎侧偏刚度；与此同时，所述下层控制器控制模块在分配车轮驱动力矩时也要考虑轮胎的滑转情况；因此，所述的下层控制器控制模块，为了提升汽车瞬态响应特性，根据λ在线分配汽车四轮轮毂电机驱动转矩，优化函数为：
Figure GDA0004047561040000141
式中，i＝1,2,3,4对应汽车四个车轮，c0为驱动力矩平方和对应的权重因子，c1为所述转向执行电机故障工况下后轴侧偏刚度对应的权重因子，c2为车轮滑转率对应的权重因子，Ti为车轮驱动力矩，Fx，i为车轮纵向力，Fy，i为车轮侧向力，Fz，i为车轮垂向力。
步骤七：所述ECU(600)根据所述上层控制器控制模块和所述下层控制器控制模块输出的结果控制所述转向执行电机(300)、所述第一前轮轮毂电机(400)、所述第二前轮轮毂电机(410)以及汽车后轮轮毂电机，完成汽车转向运动。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种差动协同线控转向的容错控制方法，用于轮毂电机驱动汽车的线控转向***的故障容错控制，其特征在于，包括：
步骤一：ECU读取方向盘转角、方向盘转矩、车速、汽车横摆角速度、整车质心侧偏角、油门踏板开度、转向执行电机输出转矩和转向轮转角信号；
步骤二：所述ECU调用存储在其内部的差动协同线控转向***动力学模型以及差动协同线控转向***状态空间方程，用以控制器设计；
步骤三：***自检，所述ECU读取转向执行电机的自检信号，并计算转向执行电机效率损失系数；
步骤四：所述ECU调用所述差动协同线控转向的容错控制方法中的转角追踪策略切换模块；
其中，所述转角追踪策略切换模块是所述差动协同线控转向的容错控制方法中的子模块之一，其输入所述转向执行电机效率损失系数，切换不同的转角追踪策略，输出汽车期望的横摆角速度和期望的转向轮转角；
步骤五：所述ECU调用所述差动协同线控转向的容错控制方法中的上层控制器控制模块，以实现所述转向执行电机出现故障时，对期望横摆角速度和期望转向轮转角追踪的优化控制；
其中，所述上层控制器控制模块是所述差动协同线控转向的容错控制方法中的子模块之一，其输入期望横摆角速度与实际横摆角速度的误差，期望转向轮转角与实际转向轮转角的误差以及所述转向执行电机效率损失系数，输出所述转向执行电机期望输出的转矩和第一前轮轮毂电机、第二前轮轮毂电机期望输出的差动力矩；
步骤六：所述ECU调用所述差动协同线控转向的容错控制方法中的下层控制器控制模块，以优化计算两前轮轮毂电机期望输出的转矩；
其中，所述下层控制器控制模块是所述差动协同线控转向的容错控制方法中的子模块之一，其输入所述第一前轮轮毂电机、所述第二前轮轮毂电机期望输出的差动力矩和油门踏板信号，输出四轮轮毂电机期望输出的驱动力矩；
步骤七：所述ECU根据所述上层控制器控制模块和所述下层控制器控制模块输出的结果控制所述转向执行电机、所述第一前轮轮毂电机、所述第二前轮轮毂电机以及汽车两个后轮轮毂电机工作完成转向执行电机故障情况下线控转向的容错控制。
2.如权利要求1所述的差动协同线控转向的容错控制方法，可用于一种差动协同线控转向***，其特征在于，包括：
方向盘单元，其用于接收驾驶员转向指令，检测驾驶员转向意图，并模拟转向路感回馈至驾驶员；
其中，所述方向盘单元包括方向盘、方向盘转角传感器、方向盘转矩传感器、路感电机、路感电机减速器、转向轴和上转向传动轴；
线控转向单元，其用于根据程序指令驱动转向执行电机输出自动转向力矩；
其中，所述线控转向单元包括所述转向执行电机和转向执行电机转矩传感器；
机械转向单元，其用于根据程序指令驱动电磁离合器结合输出驾驶员通过所述方向盘单元输入的人为转向力矩，实现对所述线控转向单元的功能备份；
其中，所述机械转向单元包括所述电磁离合器、万向节和下转向传动轴；
转向传动机构，其用于接收所述机械转向单元输出的人为转向力矩和所述线控转向单元输出的自动转向力矩，并减速增扭、运动变换后带动两个转向轮绕各自主销实现偏转；
其中，所述转向传动机构包括齿轮齿条转向器、转向梯形臂；
差动转向单元，其用于辅助所述线控转向单元完成车辆转向运动或对所述线控转向单元提供故障时功能冗余；
其中，所述差动转向单元包括所述第一前轮轮毂电机、所述第二前轮轮毂电机、两个转向轮和前轮转角传感器，其中两个转向轮包括第一前轮和第二前轮；
所述ECU，其用于接收转矩传感器、转角传感器和位移传感器的信号，并根据存储在其内部的所述差动协同线控转向的容错控制方法，控制所述差动转向单元协同所述线控转向单元驱动汽车转向，即实现所述差动协同线控转向。
3.如权利要求1所述的差动协同线控转向的容错控制方法，其特征在于，步骤二中的所述差动协同线控转向***动力学模型指的是：
Figure FDA0004047561030000021
其中，
Figure FDA0004047561030000022
Figure FDA0004047561030000023
Figure FDA0004047561030000024
Jfw为转向轮转动惯量，Jsm为转向执行电机转动惯量，r为由齿轮齿条转向器的齿条平移运动转换至转向轮转动的换算系数，N1为齿轮齿条转向器的转向小齿轮的啮合齿数，N2为齿轮齿条转向器的齿条的啮合齿数，Bfw为转向轮阻尼系数，Bsm为转向执行电机阻尼系数，rσ为转向轮的主销横向偏移距，rw为转向轮的滚动半径，
Figure FDA0004047561030000031
为转向执行电机输出转矩，δf为转向轮转角，τe为车轮给转向盘的回正力矩，ΔT为所述第一前轮轮毂电机和所述第二前轮轮毂电机实际输出的差动力矩。
4.如权利要求3所述的差动协同线控转向的容错控制方法，其特征在于，所述步骤二中所述差动协同线控转向***状态空间方程指的是：
Figure FDA0004047561030000032
其中，x(t)为***状态变量向量，具体为
Figure FDA0004047561030000033
u(t)为***输入量向量，具体为
Figure FDA0004047561030000034
y(t)为***输出量向量，具体为y(t)＝[ωδf]T；Am、Bm和C为系数矩阵，分别为，
Figure FDA0004047561030000035
Figure FDA0004047561030000036
Figure FDA0004047561030000037
式中，ω为汽车横摆角速度，v为汽车侧向速度，a为汽车质心至前轴距离，b为汽车质心至后轴距离，Cαf为汽车前轴侧偏刚度，Cαr为汽车后轴侧偏刚度，I为汽车绕z轴转动惯量，u为汽车纵向速度，m为汽车质量，tm+tp表示轮胎主销后倾拖距和气胎拖距之和，B0为汽车轮距。
5.如权利要求4所述的差动协同线控转向的容错控制方法，其特征在于，所述步骤三中所述转向执行电机效率损失系数按下式计算得到：
Figure FDA0004047561030000038
式中，λ为所述转向执行电机效率损失系数，τsm为所述ECU读取的所述转向执行电机输出转矩，τsm,d为所述转向执行电机期望输出的转矩。
6.如权利要求5所述的差动协同线控转向的容错控制方法，其特征在于，步骤四中的所述转角追踪策略切换模块，其控制过程包括：
所述转角追踪策略切换模块输入依据所述步骤三计算得到的所述转向执行电机效率损失系数λ值，切换不同的转角追踪策略：
情况一，若λ＝1，所述转角追踪策略切换模块将所述转向执行电机划分为功能完整阶段，此时，应该由所述转向执行电机来输出自动转向力矩驱动转向传动机构带动转向轮偏转完成转向，同时所述转角追踪策略切换模块选择理想的转向***角传动比MAP图，根据当前的方向盘转角以及车速查取MAP图得出当前理想转向***角传动比i1，并根据下式计算出所述期望的转向轮转角，
Figure FDA0004047561030000041
式中，δf,d为期望的转向轮转角，δsw为方向盘转角；
情况二，若λ<1，所述转向执行电机出现故障，此时，应该由所述第一前轮轮毂电机和所述第二前轮轮毂电机生成差动力矩协同所述转向执行电机发出的转矩驱动汽车转向以及转向轮偏转，以克服故障时所述转向执行电机超负荷工作导致高能耗和失效风险，同时所述转角追踪策略切换模块将所述转向执行电机的故障划分为如下几个阶段，并选择相应的转向***角传动比MAP图得出当前转向***角传动比，以克服采用的所述差动协同线控转向由于加剧汽车的横摆运动导致的所述方向盘转角与所述转向轮转角的比值无法满足所述理想转向***角传动比i1的问题：
其中，若0.7<λ<1，为轻度故障阶段，此时，所述转角追踪策略切换模块选择轻度故障转向***角传动比MAP图，并根据当前的方向盘转角以及车速查取MAP图得出当前转向***角传动比i2，并根据下式计算出期望的转向轮转角，
Figure FDA0004047561030000042
其中，若0.4<λ<0.7，为中度故障阶段，此时，所述转角追踪策略切换模块选择中度故障转向***角传动比MAP图，根据当前的方向盘转角以及车速查取MAP图得出当前转向***角传动比i3，并根据下式计算出期望的转向轮转角，
Figure FDA0004047561030000043
其中，若0<λ<0.4，为重度故障或完全故障阶段，此时，所述转向执行电机工作状态已经不再可靠，在这种工况下，驱动汽车需要按照驾驶员期望轨迹确定需要追踪的所述期望的横摆角速度，并由所述第一前轮轮毂电机和所述第二前轮轮毂电机生成差动力矩承担全部驱动汽车转向的工作，驱动转向轮偏转；其中，所述期望的横摆角速度按下式计算，
Figure FDA0004047561030000051
式中，ωd为期望的横摆角速度，L为汽车轴距，i1为所述理想转向***角传动比。
7.如权利要求6所述的差动协同线控转向的容错控制方法，其特征在于，步骤五中所述上层控制器控制模块，其控制过程包括：
第一步，依据所述步骤三输出的所述转向执行电机效率损失系数λ值，生成所述转向执行电机故障工况下的差动协同线控转向***状态空间方程：
Figure FDA0004047561030000052
式中，
Figure FDA0004047561030000053
其他向量与所述步骤二中建立的所述差动协同线控转向***状态空间方程相同；
第二步，将所述转向执行电机故障工况下的差动协同线控转向***状态空间方程转化为离散形式：
Figure FDA0004047561030000054
式中，
Figure FDA0004047561030000055
为一正整数，T为采样周期，在kT时刻有：
Figure FDA0004047561030000056
式中，x(k+i|k)为在kT时刻预测的(k+i)T时刻***的状态变量，y(k+i|k)为在kT时刻预测的(k+i)T时刻***的输出变量，u(k+i|k)为在kT时刻预测的(k+i)T时刻***的输入变量，r(k+i|k)为在kT时刻预测的(k+i)T时刻***的期望输出变量，Np为预测时域步长，Nc为控制时域步长；
第三步，建立在线寻优的优化函数为：
Figure FDA0004047561030000057
式中，Q为过程误差权重矩阵，R为输入向量权重矩阵，F为终端误差权重矩阵；
所述矩阵Q，F的选取应该能够体现当所述转向执行电机处于不同的故障阶段时，所述上层控制器控制模块对横摆角速度追踪以及转向轮转角追踪的重视程度，具体可将矩阵Q，F设计为以下形式：
Figure FDA0004047561030000061
式中，ε1,ε2,ε3,ε4为对应的权重系数数值，当0.4<λ≤1时，f(λ)＝1，说明此时所述上层控制器控制模块注重对横摆角速度追踪的同时注重对转向轮转角的追踪，当0<λ≤0.4时，f(λ)＝0，说明此时所述上层控制器控制模块仅注重对横摆角速度的追踪；
第四步，将优化函数整理为：
Figure FDA0004047561030000062
式中，
Figure FDA0004047561030000063
Figure FDA0004047561030000064
Figure FDA0004047561030000065
Figure FDA0004047561030000066
Figure FDA0004047561030000067
第五步，加入边界条件限制：
Figure FDA0004047561030000068
式中，β为整车的质心侧偏角；
第六步，对考虑边界条件的所述优化函数J进行寻优计算，求出最优解向量
Figure FDA0004047561030000069
即在当前工况下，对应的所述转向执行电机期望输出力矩、所述第一前轮轮毂电机和所述第二前轮轮毂电机期望输出差动力矩。
8.如权利要求7所述的差动协同线控转向的容错控制方法，其特征在于，步骤六中的下层控制器控制模块，其控制过程包括：
所述下层控制器控制模块将所述油门踏板开度信号转换为期望车速ud，将当前车速u和期望车速ud差值输入比例-积分-微分闭环控制器中，得出整车需求的总驱动力矩Tre，按下式将Tre分配至前后车轮：
Tre＝Tf+Tr
式中，Tf为两个前轮轮毂电机输出的力矩和，Tr为两个后轮轮毂电机输出的力矩和；
所述下层控制器控制模块输入所述步骤六计算得到的所述第一前轮轮毂电机和所述第二前轮轮毂电机期望输出的差动力矩，并按下面公式计算第一前轮轮毂电机期望输出的驱动力矩和第二前轮轮毂电机期望输出的驱动力矩：
Figure FDA0004047561030000071
式中，T1为所述第一前轮轮毂电机期望输出的驱动力矩，T2为所述第二前轮轮毂电机期望输出的驱动力矩；
若汽车转向轮偏转后，所述转向执行电机突然发生故障，则所述下层控制器控制模块为了改善此时的汽车瞬态响应特性，根据所述步骤三计算得到的所述转向执行电机效率损失系数λ按照下面四轮转矩优化分配函数J1在线计算分配至汽车四个车轮的所述四轮轮毂电机期望输出的驱动力矩：
Figure FDA0004047561030000072
式中，i＝1,2,3,4对应汽车四个车轮，c0为驱动力矩平方和对应的权重因子，c1为所述转向执行电机故障工况下后轴侧偏刚度对应的权重因子，c2为车轮滑转率对应的权重因子，Ti为车轮驱动力矩，Fx,i为车轮纵向力，Fy,i为车轮侧向力，Fz,i为车轮垂向力。
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