一种基于参数估计的线控转向控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于参数估计的线控转向控制系统及控制方法。该系统包括方向盘及其连接机构、方向盘转角传感器、方向盘转矩传感器、路感电机、路感电机电流传感器、转向电机、转向电机电流传感器、车速传感器、前轮转角传感器、齿轮齿条转向器、位置传感器、转向电子控制单元、传感器信号整合模块以及电机电流控制模块。本发明专利技术运用粒子滤波器对汽车运动的姿态进行滤波预测估计，粒子滤波器通过电子传感器获得信号，进而运用粒子滤波估计算法得到汽车的运动参数。本发明专利技术所公开的系统的转向控制器能够在保证转向稳定的前提下，有效地减少外界随机干扰所带来的影响，从而提高汽车行驶的稳定性以及安全性。

A steer by wire system based on parameter estimation and control method

The invention discloses a wire steering control system based on parameter estimation and a control method thereof. The system includes a steering wheel and a connecting mechanism, a steering wheel angle sensor, the steering wheel torque sensor and road feeling motor and road feeling motor current sensors, steering motor, steering motor current sensor, speed sensor, front wheel steering angle sensor, rack and pinion steering, steering position sensor, electronic control unit, sensor integration module and motor current signal control module. The invention uses the particle filter to filter, predict and estimate the movement of the vehicle, and the particle filter obtains the signal through an electronic sensor, and then uses the particle filter estimation algorithm to obtain the moving parameters of the vehicle. The steering controller disclosed by the invention can effectively reduce the influence caused by external random interference under the premise of ensuring steering stability, thereby improving the stability and safety of vehicle running.

【技术实现步骤摘要】
一种基于参数估计的线控转向控制系统及控制方法
本专利技术涉及的是汽车线控转向系统的领域，具体描述的是一种基于状态估计的线控转向系统，属于汽车转向系统的控制领域。
技术介绍
对于汽车的转向系统，一方面要求具有良好的路感，另一方面要求操纵稳定有效。这就要求转向系统要有一个可靠准确的控制器。特别地，对线控转向系统，不仅仅要求有良好性能的控制器，因为取消了转向系统中的机械间连接，还应特别强调汽车转向系统必要的的“路感”。线控转向系统的运行强烈地依赖于传感器信号，其可靠性较传统转向系统大大降低了。另外，在各种工况下，传感器存在一定的噪声干扰，而且汽车也会受到横风以及路面激励的影响，这些都会影响汽车的转向系统的可靠性。可见，为了提高线控转向系统的可靠性，可从两方面着手：一方面在保证汽车良好路感的情况下，尽可能地减少汽车转向系统中运用到的传感器。另一方面，提高转向系统的抗干扰性能存在一定的必要性。虽然国内外有诸多研究是面向转向系统的滤波估计方法以及转向控制器，但是大多数研究都是针对转向系统的稳定性能以及易操纵性能的，往往忽略了它的抗干扰性能。即使有少数研究涉及到了动力转向系统的抗干扰性能，但其相对复杂的控制算法也是完全依赖于有限的训练样本，此类训练样本不可能涵盖汽车所行驶的每种工况，这也是不利于转向系统在现实环境中的运用的。另外，广泛运用的滤波估计方法卡尔曼滤波估计是存在一定缺陷的，卡尔曼滤波器仅仅适用于高斯、线性系统或者高斯、非线性系统的滤波问题，对于非高斯、非线性系统的它的算法是远远不够精确的。因此，对转向系统完全放弃对状态分布所作的高斯假设以及线性假设，采用非参数估计方法进行滤波估计是有必要的，与之协同工作的，应该有一个具有良好抗干扰性能和稳定性能的转向控制器。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种基于粒子滤波估计器与鲁棒控制器协同工作的线控转向控制系统及控制方法。本专利技术能够在提供良好路感的前提下，以其转向系统的鲁棒性、抗干扰性为控制目标，控制转向系统中的转向电机，能有效地减少外界随机干扰所带来的影响，从而提高汽车行驶的稳定性以及安全性。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于参数估计的线控转向控制系统，包括方向盘(1)及其连接机构Y、方向盘转角传感器(2)、方向盘转矩传感器(3)、路感电机A、路感电机电流传感器(6)、转向电机B、转向电机电流传感器(7)、齿轮齿条转向器(4)、位置传感器(5)、前轮转角传感器(8)、车速传感器(9)、转向电子控制单元ECU、传感器信号整合模块C以及电机电流控制模块D，其中：所述方向盘(1)通过连接机构Y的转向管柱与路感电机A连接，方向盘转角传感器(2)与方向盘转矩传感器(3)均安装在转向管柱上，所述方向盘转角传感器(2)采集方向盘(1)的转角信号，方向盘转矩传感器(3)采集方向盘(1)上施加的力矩信号，所测得的转角信号和力矩信号输入到传感器信号整合模块C的输入端。所述路感电机电流传感器(6)与路感电机A安装在一起，所述路感电机电流传感器(6)用于检测输入路感电机A的电流信号，并将检测到的输入路感电机A的电流信号输入到转向电子控制单元ECU。所述转向电机B与齿轮齿条转向器(4)相连，转向电机电流传感器(7)与转向电机B安装在一起，所述转向电机电流传感器(7)检测输入转向电机B的电流信号，并将检测到的输入转向电机B的电流信号输入到转向电子控制单元ECU。所述齿轮齿条转向器(4)上安装位置传感器(5)，所述位置传感器(5)用于采集齿轮齿条转向器中齿条的位移信号，并将检测到的位移信号输入到传感器信号整合模块C的输入端。齿轮齿条转向器(4)与前轮相连接。所述前轮转角传感器(8)以及车速传感器(9)安装在前轮上，所述前轮转角传感器(8)用于检测前轮的转向角的信号，所述车速传感器(9)用于检测汽车的实时的车速信号。测得的转向角的信号和车速输入到传感器信号整合模块C的输入端。所述传感器信号整合模块C，其输入端接收方向盘转角传感器2、方向盘转矩传感器3、位置传感器5、前轮转角传感器8、车速传感器9，并对接收到的信号进行整合计算，将整合的信号输出，传送至转向电子控制单元ECU。转向电子控制单元ECU的输入端接收传感器信号整合模块C的输出端的信号、路感电机电流传感器(6)以及转向电机电流传感器(7)输入的电流信号，经计算，输出驱动信号以驱动电机电流控制模块D。所述电机电流控制模块D的输入端接收转向电子控制单元ECU的电子信号，依据此信号，计算出控制路感电机A和转向电机B的电流信号并输出，以控制路感电机A、转向电机B产生相应的力矩，从而得到准确而稳定的转向反应。一种基于参数估计的线控转向系统的控制方法，包括以下步骤：步骤1：方向盘以力矩和转角输入，借助连接机构Y、齿轮齿条转向器(4)将力矩以及转角传递到前轮，以实现转向的操作。步骤2，方向盘转角传感器(2)采集方向盘(1)转角信号，方向盘转矩传感器(3)采集方向盘(1)上施加的力矩的信号，位置传感器(5)采集齿轮齿条转向器4中齿条的位移信号，前轮转角传感器8采集前轮的转向角的信号，车速传感器8采集到汽车的实时的车速信号，采集到的信号传输到传感器信号整合模块C中，经过该模块的整合计算，将整合后的信号输入到转向电子控制单元ECU中。与此同时，ECU中的粒子滤波估计器估计得到实时的汽车横摆角速度、质心侧偏角，以预测汽车实时的运动姿态。步骤3，转向电子控制单元ECU依据输入的信号输出驱动信号以驱动电机电流控制模块D。步骤4，电机电流控制模块D接收转向电子控制单元ECU的驱动信号后，经电机电流控制模块D中控制器计算分析输出控制信号以控制路感电机A和转向电机B的输入电流，从而使得路感电机A和转向电机B以不同的力矩输出来得到不同的适应当前工况的转向角度，进而得到稳定的转向状态。优选的：所述步骤2中粒子滤波估计器估计得到实时的汽车横摆角速度、质心侧偏角的方法，其具有如下步骤：步骤2.1：建立整车二自由度的整车模型。其中：β车身质心侧偏角。ωr为汽车横摆角速度。k1为汽车前轮侧偏刚度。k2为汽车后轮侧偏刚度。m为汽车整车质量。u为车速。a为汽车质心到前轴的距离。b为汽车质心到后轴的距离。Iz为汽车转动惯量。δf为汽车前轮转角。步骤2.2状态初始化，即t＝0时，通过加权随机样本近似表示汽车的状态的后验分布，设π[x(0)]为系统的初始建议分布，即是初始重要性函数。从建议分布中随机抽取N个样本，即i＝1,2,…,N。按照初始重要性函数π[x(0)]选取初始粒子群[xi(0)]i＝1,2,…,N。样本从i＝1,2,…,N，估计初始粒子的重要性权值：将样本归一化处理，获得初始重要性权值：上式中，ω[x(0)]为初始粒子的重要性权值；z(0)为初始时刻所观测的向量；xi(0)为初始时刻的状态向量，p[z(0)|xi(0)]为初始时刻所观测的向量的概率分布；p[xi(0)]为初始时刻的状态向量的概率分布；π[xi(0)|z(0)]为初始时刻重要性函数；ωi(0)为归一化的初始重要性权值；ω[xi(0)]为初始时刻初始粒子群的重要性权值；步骤2.3，汽车状态估计的时间更新：令t＝k-1，k>1。样本从i＝1,2,…,N本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于参数估计的线控转向控制系统，其特征在于：包括方向盘(1)及其连接机构Y、方向盘转角传感器(2)、方向盘转矩传感器(3)、路感电机A、路感电机电流传感器(6)、转向电机B、转向电机电流传感器(7)、齿轮齿条转向器(4)、位置传感器(5)、前轮转角传感器(8)、车速传感器(9)、转向电子控制单元ECU、传感器信号整合模块C以及电机电流控制模块D，其中：所述方向盘(1)通过连接机构Y的转向管柱与路感电机A连接，方向盘转角传感器(2)与方向盘转矩传感器(3)均安装在转向管柱上，所述方向盘转角传感器(2)采集方向盘(1)的转角信号，方向盘转矩传感器(3)采集方向盘(1)上施加的力矩信号，所测得的转角信号和力矩信号输入到传感器信号整合模块C的输入端；所述路感电机电流传感器(6)与路感电机A安装在一起，所述路感电机电流传感器(6)用于检测输入路感电机A的电流信号，并将检测到的输入路感电机A的电流信号输入到转向电子控制单元ECU；所述转向电机B与齿轮齿条转向器(4)相连，转向电机电流传感器(7)与转向电机B安装在一起，所述转向电机电流传感器(7)检测输入转向电机B的电流信号，并将检测到的输入转向电机B的电流信号输入到转向电子控制单元ECU；所述齿轮齿条转向器(4)上安装位置传感器(5)，所述位置传感器(5)用于采集齿轮齿条转向器中齿条的位移信号，并将检测到的位移信号输入到传感器信号整合模块C的输入端；齿轮齿条转向器(4)与前轮相连接；所述前轮转角传感器(8)以及车速传感器(9)安装在前轮上，所述前轮转角传感器(8)用于检测前轮的转向角的信号，所述车速传感器(9)用于检测汽车的实时的车速信号；测得的转向角的信号和车速输入到传感器信号整合模块C的输入端；所述传感器信号整合模块C，其输入端接收方向盘转角传感器2、方向盘转矩传感器3、位置传感器5、前轮转角传感器8、车速传感器9，并对接收到的信号进行整合计算，将整合的信号输出，传送至转向电子控制单元ECU；转向电子控制单元ECU的输入端接收传感器信号整合模块C的输出端的信号、路感电机电流传感器(6)以及转向电机电流传感器(7)输入的电流信号，经计算，输出驱动信号以驱动电机电流控制模块D；所述电机电流控制模块D的输入端接收转向电子控制单元ECU的电子信号，依据此信号，计算出控制路感电机A和转向电机B的电流信号并输出，以控制路感电机A、转向电机B产生相应的力矩，从而得到准确而稳定的转向反应。...

【技术特征摘要】
1.一种基于参数估计的线控转向控制系统，其特征在于：包括方向盘(1)及其连接机构Y、方向盘转角传感器(2)、方向盘转矩传感器(3)、路感电机A、路感电机电流传感器(6)、转向电机B、转向电机电流传感器(7)、齿轮齿条转向器(4)、位置传感器(5)、前轮转角传感器(8)、车速传感器(9)、转向电子控制单元ECU、传感器信号整合模块C以及电机电流控制模块D，其中：所述方向盘(1)通过连接机构Y的转向管柱与路感电机A连接，方向盘转角传感器(2)与方向盘转矩传感器(3)均安装在转向管柱上，所述方向盘转角传感器(2)采集方向盘(1)的转角信号，方向盘转矩传感器(3)采集方向盘(1)上施加的力矩信号，所测得的转角信号和力矩信号输入到传感器信号整合模块C的输入端；所述路感电机电流传感器(6)与路感电机A安装在一起，所述路感电机电流传感器(6)用于检测输入路感电机A的电流信号，并将检测到的输入路感电机A的电流信号输入到转向电子控制单元ECU；所述转向电机B与齿轮齿条转向器(4)相连，转向电机电流传感器(7)与转向电机B安装在一起，所述转向电机电流传感器(7)检测输入转向电机B的电流信号，并将检测到的输入转向电机B的电流信号输入到转向电子控制单元ECU；所述齿轮齿条转向器(4)上安装位置传感器(5)，所述位置传感器(5)用于采集齿轮齿条转向器中齿条的位移信号，并将检测到的位移信号输入到传感器信号整合模块C的输入端；齿轮齿条转向器(4)与前轮相连接；所述前轮转角传感器(8)以及车速传感器(9)安装在前轮上，所述前轮转角传感器(8)用于检测前轮的转向角的信号，所述车速传感器(9)用于检测汽车的实时的车速信号；测得的转向角的信号和车速输入到传感器信号整合模块C的输入端；所述传感器信号整合模块C，其输入端接收方向盘转角传感器2、方向盘转矩传感器3、位置传感器5、前轮转角传感器8、车速传感器9，并对接收到的信号进行整合计算，将整合的信号输出，传送至转向电子控制单元ECU；转向电子控制单元ECU的输入端接收传感器信号整合模块C的输出端的信号、路感电机电流传感器(6)以及转向电机电流传感器(7)输入的电流信号，经计算，输出驱动信号以驱动电机电流控制模块D；所述电机电流控制模块D的输入端接收转向电子控制单元ECU的电子信号，依据此信号，计算出控制路感电机A和转向电机B的电流信号并输出，以控制路感电机A、转向电机B产生相应的力矩，从而得到准确而稳定的转向反应。2.一种如权利要求1所述的基于参数估计的线控转向控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：方向盘以力矩和转角输入，借助连接机构Y、齿轮齿条转向器(4)将力矩以及转角传递到前轮，以实现转向的操作；步骤2，方向盘转角传感器(2)采集方向盘(1)转角信号，方向盘转矩传感器(3)采集方向盘(1)上施加的力矩的信号，位置传感器(5)采集齿轮齿条转向器4中齿条的位移信号，前轮转角传感器8采集前轮的转向角的信号，车速传感器8采集到汽车的实时的车速信号，采集到的信号传输到传感器信号整合模块C中，经过该模块的整合计算，将整合后的信号输入到转向电子控制单元ECU中；与此同时，ECU中的粒子滤波估计器估计实时的汽车横摆角速度、质心侧偏角，以预测汽车实时的运动姿态；步骤3，转向ECU依据输入的信号输出驱动信号以驱动电机电流控制模块D；步骤4，电机电流控制模块D接收转向电子控制单元ECU的驱动信号后，经电机电流控制模块D中控制器计算分析输出控制信号以控制路感电机A和转向电机B的输入电流，从而使得路感电机A和转向电机B以不同的力矩输出来得到不同的适应当前工况的转向角度，进而得到稳定的转向状态。3.根据权利要求2所述基于参数估计的线控转向控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤2中粒子滤波估计器估计得到实时的汽车横摆角速度、质心侧偏角的方法，其具有如下步骤：步骤2.1：建立整车二自由度的整车模型；其中：β车身质心侧偏角；ωr为汽车横摆角速度；k1为汽车前轮侧偏刚度；k2为汽车后轮侧偏刚度；m为汽车整车质量；u为车速；a为汽车质心到前轴的距离；b为汽车质心到后轴的距离；Iz为...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵万忠，樊密丽，张寒，李艳，高琪，王云琦，邹松春，章雨祺，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32