[發明專利]基于駕駛員行為辨識的線控轉向雙電機系統及其橫擺穩定性補償策略

在審

• 申請號: 201811636826.1
• 申請日: 2018-12-29
• 公開（公告）號: CN109664938A
• 公開（公告）日: 2019-04-23
• 發明（設計）人: 王安;趙萬忠;陳莉娟;王春燕;張寒
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B62D5/04
• 分類號: B62D5/04;B62D6/00;B62D101/00;B62D119/00;B62D137/00
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔;楊文晰

1.一種基于駕駛員行為辨識的線控轉向雙電機系統，其特征在于，該系統包括：采集單元、中央控制器、轉向盤總成和前輪轉向總成；

所述采集單元包括：轉向盤轉角傳感器(4)，轉向盤力矩傳感器(5)，前輪轉角傳感器(9)，前輪力矩傳感器(12)，車速傳感器(19)，側向加速度傳感器(20)和橫擺角速度傳感器(21)；

所述中央控制器包括運算控制器(7)、魯棒性控制及補償單元(18)；所述魯棒性控制及補償單元(18)包括魯棒性控制單元和補償控制策略單元；

所述轉向盤總成包括依次連接的轉向盤(1)、轉向柱(2)、路感電機(3)和路感電機控制器(6)；

所述前輪轉向總成包括依次連接的轉角電機控制器(8)，轉角電機(10)，雙級減速器(11)，轉矩電機控制器(16)，轉矩電機(13)，減速器(14)，齒輪齒條機構(15)，前輪(17)；

其中，轉向盤(1)通過轉向桿柱(2)與路感電機(3)及轉向盤轉角傳感器(4)相連接，轉向盤力矩傳感器(5)安裝在轉向桿柱(2)上；路感電機控制器(6)安裝在路感電機(3)上，并與轉向盤力矩傳感器(5)相接；

齒輪齒條轉向器(15)分別與轉角電機(10)、轉矩電機(13)、雙級減速器(11)、減速器(14)相連接，前輪(17)安裝在齒輪齒條轉向器(15)的兩側；前輪轉角傳感器(9)安裝在前輪(17)上；前輪轉角傳感器(9)與轉矩傳感器(12)連接總線，將轉角電機控制器(8)及轉矩電機控制器(16)的信號輸入到總線中，再通過總線傳輸到魯棒性控制及補償單元(18)中；轉角電機(10)及雙級減速器(11)均與轉角電機控制器(8)相連接，轉矩電機(13)及減速器(14)均與轉矩電機控制器(16)相連接；

側向加速度傳感器(20)和橫擺角速度傳感器(21)均安裝在前輪(17)上，側向加速度傳感器(20)和橫擺角速度傳感器(21)均分別與魯棒性控制及補償單元(18)連接；

魯棒性控制及補償的單元(18)與路感控制器(6)分別與總線相連接，魯棒性控制及補償的單元(18)與轉矩電機控制器(12)，轉角電機控制器(8)，前輪轉角傳感器(9)，轉矩傳感器(12，運算控制器(7)，轉角電機控制器(8)及轉矩電機控制器(16)分別連接。

2.如權利要求1所述基于駕駛員行為辨識的線控轉向雙電機系統的橫擺穩定性補償策略，其特征在于，具體步驟如下：

步驟1：

在汽車行駛過程中，通過采集單元采集駕駛員的行為信號，方向盤轉角傳感器的轉角信號δ_sw1，實際橫擺角速度信號ω_r，車速信號u，轉角電機的轉角信號θ，轉矩電機的轉矩信號并傳遞給運算控制器；

步驟2.1：

運算控制器通過駕駛員行為辨識得到反應駕駛員意圖的理想轉向盤轉角δ_sw；

設車輛質心相對于地面坐標系的位置為(X，Y)，車輛縱軸線與X軸的夾角為φ(車輛橫擺角)，則X，Y和φ可以通過下式求得：

其中，X₀，Y₀是t＝0時刻車輛的位置；

根據預瞄點處的位移誤差和汽車當前位置的行駛角誤差來決定轉向盤轉角的輸入大小：

前視時間T_p的預瞄點處位移誤差ε_y由期望路徑的側向位移Y_d、當前時刻車輛質心處的側向位移Y_d和確定；

轉向盤轉角可表示為汽車行駛位移誤差與方向誤差的加權和與駕駛員操作延遲的乘積：

其中：δ_sw為理想方向盤轉角；K₁和K₂分別為駕駛員對位移誤差和方向誤差的補償增益；τ_d為延遲時間；

步驟2.2：

運算控制器通過綜合橫擺角速度增益與側向加速度增益的影響得到線控轉向雙電機汽車的理想傳動比：

其中：C_wr是橫擺角速度增益對應的系數，取值范圍為3.03-6.25，C_ay是側向加速度增益對應的系數，取值范圍0.16-0.22；

步驟2.3：

運算控制器將實時轉向盤δ_sw代入逆向理想輸入模型(5)，獲得轉角電機輸入理想電流i₂，并進一步傳遞給轉角電機控制器；

其中δ_f是前輪轉角，δ_sw是轉向盤轉角，B_R是系統等效阻尼系數，理想傳動比i_d，齒條小齒輪轉角到轉向前輪轉角的傳動比，T_m2是轉角電機的輸出轉矩，J_m2是轉角電機的轉動慣量，δ_m2是轉角電機的轉角，B_m2是轉角電機的阻尼，T_g2是轉角電機的負載轉矩，K_t是轉角電機的轉矩系數，i₂是轉矩電機的電流，G1是二級減速器的減速比，J_R是齒輪齒條系統等效轉動慣量，B_R是齒輪齒條系統等效阻尼，T_a是轉向車輪的所受的回正力矩，f_p是摩擦阻力矩，η是系統的傳遞效率；

步驟2.4：

轉角電機控制器通過前輪轉角傳感器與轉矩傳感器將獲得的信號：方向盤轉角信號理想值δ_sw、車速信號u、理想橫擺角速度、實際橫擺角速度信號ω_r傳遞給魯棒性控制單元；

步驟3：

魯棒性控制單元根據汽車實時車速u和前輪轉角輸入整車轉向二自由度模型得到實際橫擺角速度ω_r：

式中：m為汽車質量；I_Z為汽車繞z軸的轉動慣量；k₁、k₂分別為前后車輪的側偏剛度；δ_f為前輪轉角；a，b分別為前、后軸至車輛質心的距離；u為車輛前進速度；ω_r為橫擺角速度；β為質心側偏角；

同時運算控制器通過實時反應駕駛員意圖的理想的轉向盤轉角信號δ_sw，與車速信號u計算出理想橫擺角速度ω_r^*，并發送給魯棒性控制單元；

理想橫擺角速度

穩定性因素

其中m是汽車的質量，L是汽車的前后軸矩，k₁是汽車前軸車輪的側偏剛度，k₂是汽車的后軸車輪的側偏剛度，a是汽車的前軸軸矩，b是汽車的后軸軸矩，K是汽車的穩定性因素，u是汽車的縱向車速；

步驟4：

魯棒性控制單元獲得實際橫擺角速度與理想橫擺角速度后的綜合處理，并把實際橫擺角速度與理想橫擺角速度差值Δω_r轉換成相應的補償轉矩T₁，路面干擾形成的補償轉矩T₂，系統摩擦形成的補償轉矩T₃，考慮系統穩定性控制因素，同時采用μ綜合魯棒控制，獲得補償控制策略，傳遞給補償控制策略單元；

其中ΔT＝kc*ΔI (18)

ΔT是總的補償轉矩，ΔI是轉矩電機的補償電流；

所述μ綜合魯棒控制根據線控轉向雙電機橫擺角速度的狀態空間實現：

控制系統的狀態變量為系統的輸入為u＝[ΔI]，系統的擾動輸入為w＝[I d_r F_yw]^T，系統輸出為y＝[r]，則線控轉向雙電機橫擺角速度控制的狀態空間實現為：

式中，

其中θ_s2是轉角電機作用下的小齒輪轉角，θ_s3是轉矩電機作用下的小齒輪的轉角，B_R是系統等效阻尼系數，齒條小齒輪轉角到轉向前輪轉角的傳動比G，I是轉角電機的理想輸入電流，ΔI是轉矩電機補償電流輸入，J_m2是轉角電機的轉動慣量，J_m3是轉矩電機的轉動慣量，B_m2是轉角電機的阻尼，B_m3是轉矩電機的阻尼，K_t是轉角電機和轉矩電機的轉矩系數，G1是二級減速器的減速比，J_R是齒輪齒條系統等效轉動慣量，B_R是齒輪齒條系統等效阻尼，f_p是摩擦阻力矩，η＝0.99是系統的傳遞效率；

步驟5：

補償控制策略單元接受來自魯棒性控制單元的補償轉矩進行補償控制策略判定：

當總的補償轉矩為正值時，控制轉矩電機進行轉矩的補償：

齒條的運動微分方程為：

式中：m_rack為齒條的質量；y_rack為齒條的位移；r_L為主銷軸的偏置；K_L為轉向拉桿剛度；B_rack為齒條阻尼系數；F_frrack為系統間的摩擦力，G為雙減速器機構的減速比；T_g2是轉角電機的輸出轉矩；T_g3是轉矩電機上一時刻的輸出轉矩：

ΔT＝T₁+T₂+T₃ (24)

其中：ΔT是總的補償轉矩，T₁使彌補橫擺角速度差值所需的補償轉矩，T₂路面干擾形成的補償轉矩，T₃系統摩擦形成的補償轉矩；

當總的補償轉矩ΔT為負值或0時，不控制轉矩電機進行轉矩的補償，齒條的運動微分方程為：

式中：m_rack為齒條的質量；y_rack為齒條的位移；r_L為主銷軸的偏置；K_L為轉向拉桿剛度；B_rack為齒條阻尼系數；F_frrack為系統間的摩擦力，G為雙減速器機構的減速比；T_g2是轉角電機的輸出轉矩；T_g3是轉矩電機的輸出轉矩。