一种基于可抑制发散的卡尔曼滤波器的线控转向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可抑制发散的卡尔曼滤波器的线控转向系统及控制方法，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、滤波估计模块、安全判断模块、控制信号叠加模块以及转向电子控制单元。本发明专利技术运用可抑制发散的卡尔曼滤波器对汽车运动的姿态进行滤波预测估计，具有发散抑制功能的卡尔曼滤波器从电子传感器获得信号，用以估计汽车的实时状态。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，使得系统具有良好的干扰抑制性能，从而能够获得良好的汽车操纵稳定性。

A steer by wire system based on an inhibitory divergent Calman filter and a control method

The invention discloses a steering system and control method of Calman filter can suppress the divergence of remote control based on the system, including the steering wheel and the connecting mechanism, 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, position sensor, filter module, security module, control signal superposition judgment module and steering electronic control unit. The present invention uses Calman filter can restrain the divergence of the attitude of the vehicle motion filtering estimation with Calman filter divergence suppression function to obtain the signal from the electronic sensor, with real-time status to estimate vehicle. The steering controller disclosed by the invention can make the system have good interference suppression performance under the premise of ensuring the steering stability, thereby obtaining good vehicle handling stability.

【技术实现步骤摘要】
一种基于可抑制发散的卡尔曼滤波器的线控转向系统及控制方法
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可抑制发散的卡尔曼滤波器的线控转向系统，属于汽车转向系统的控制领域。
技术介绍
现如今，取消了转向系统中的机械间连接的线控转向系统有着较好的发展前景，它具有实现主动转向以及可变转向盘力矩反馈的功能，它的设计灵活，简化结构等特点受到大众的追捧。对线控转向系统，特别强调汽车转向系统必要的的“路感”，因此决定了线控转向系统的运行强烈地依赖于传感器信号的属性，这也导致其可靠性较传统转向系统大大降低了。为了解决这一问题，提出运用卡尔曼滤波估计的方法减少传感器的数量，以提高精度。但同时，也引出了另外一个问题——滤波发散。系统的数学模型或者噪声的统计特性不准确，不能反映系统真实的物理过程，这些因素会使得卡尔曼滤波发散。另外，在各种变化的工况下，对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，转向系统的稳定性能对汽车的行车安全性有着极大的影响。因此，对线控转向系统配备一个可抑制发散的卡尔曼滤波器和一个具有良好抗干扰性能和稳定性能的转向控制器是完全有必要的。
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可抑制发散的卡尔曼滤波器与μ综合鲁棒控制器协同工作的基于可抑制发散的卡尔曼滤波器的线控转向系统及控制方法，本专利技术所公开的系统能够在保证转向稳定的前提下，通过控制转向系统中的转向电机的驱动电流，得到适应不同工况下的转向角度，使得系统具有良好的干扰抑制性能，从而能够获得良好的汽车操纵稳定性。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于可抑制发散的卡尔曼滤波器的线控转向系统，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、滤波估计模块L、安全判断模块P以及控制信号叠加模块C，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滤波估计模块L的输入端和转向电子控制单元ECU。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滤波估计模块L的输入端和转向电子控制单元ECU。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滤波估计模块L的输入端。所述滤波估计模块L，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)以及车速传感器(9)的信号，借助获得的传感器信号，运用抑制发散的卡尔曼滤波估计算法，估计出实时的汽车的质心侧偏角，估计得到的数据输入到安全判断模块P。所述安全判断模块P接收滤波估计模块L输入的质心侧偏角的数据，判断汽车实时的质心侧偏角是否在安全范围内，它将汽车转向姿态安全的信号输入到转向电子控制单元ECU。如果判断汽车的质心侧偏角处于危险范围，它会将危险信号输入到控制信号叠加模块C。所述控制信号叠加模块C，接收到汽车危险信号后，通过汽车鲁棒控制器的计算，输出叠加的控制信号到转向电子控制单元ECU。所述转向电子控制单元ECU输入端一方面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)、路感电机电流传感器(6)和转向电机电流传感器(7)的信号，一方面接收控制信号叠加模块C的叠加信号。当汽车安全时，依据方向盘转角传感器(2)、方向盘转矩传感器(3)、位置传感器(5)、路感电机电流传感器(6)和转向电机电流传感器(7)的信号进行计算，输出电子信号以驱动路感电机A和转向电机B输出电流。当汽车不安全时，转向电子控制单元ECU除了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)、路感电机电流传感器(6)和转向电机电流传感器(7)的信号外，还要接收控制信号叠加模块C的叠加信号，结合两者的信号计算，输出电子信号以驱动路感电机A和转向电机B输出电流，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。一种基于可抑制发散的卡尔曼滤波器的线控转向控制方法，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，滤波估计模块L借助传感器输入的信号，运用抑制发散的卡尔曼滤波估计算法，估算出实时的汽车的质心侧偏角，并将此信号输入到安全判断模块P中。步骤3，安全判断模块P接收滤波估计模块L输入的质心侧偏角的数据，判断汽车实时的质心侧偏角是否在安全范围内，依据信号判断是否驱动控制信号叠加模块C。步骤4，控制信号叠加模块C，接收到汽车危险信号后，通过汽车鲁棒控制器的计算，输出叠加的控制信号到转向电子控制单元ECU。步骤5，转向电子控制单元ECU依据输入的信号输出适当的电子信号以驱动控制路感电机A、转向电机B输出电流，执行汽车转向操作，得到稳定的转向状态。所述步骤2中滤波估计模块L借助传感器输入的信号，运用抑制发散的卡尔曼滤波估计算法，估算出实时的汽车的质心侧偏角的方法，包括以下步骤：步骤2.1，建立整车线性二自由度的整车模型，。其中：β车身质心侧偏角。γ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：对估计系统的时间进行更新。往前一时刻推算系统的状态变量：往前一时刻推算系统的误差变量：步骤2.3：对估计系统的量测更新过程。计算卡尔曼滤波增益：由观测量zk更新估计：更新误差方程：其中：为系统k时刻的状态变量，k为时间步长，为利用上一个状态预测的结果，uk为控制变量，为k时刻对应的协方差矩阵，为利用上一个状态预测k时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于可抑制发散的卡尔曼滤波器的线控转向系统，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、滤波估计模块L、安全判断模块P以及控制信号叠加模块C，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滤波估计模块L的输入端和转向电子控制单元ECU；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滤波估计模块L的输入端和转向电子控制单元ECU；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滤波估计模块L的输入端；所述滤波估计模块L，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)以及车速传感器(9)的信号，借助获得的传感器信号，运用抑制发散的卡尔曼滤波估计算法，估计出实时的汽车的质心侧偏角，估计得到的数据输入到安全判断模块P；所述安全判断模块P接收滤波估计模块L输入的质心侧偏角的数据，判断汽车实时的质心侧偏角是否在安全范围内，它将汽车转向姿态安全的信号输入到转向电子控制单元ECU；如果判断汽车的质心侧偏角处于危险范围，它会将危险信号输入到控制信号叠加模块C；所述控制信号叠加模块C，接收到汽车危险信号后，通过汽车鲁棒控制器的计算，输出叠加的控制信号到转向电子控制单元ECU；所述转向电子控制单元ECU输入端一方面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)、路感电机电流传感器(6)和转向电机电流传感器(7)的信号，一方面接收控制信号叠加模块C的叠加信号；当汽车安全时，依据方向盘转角传感器(2)、方向盘转矩传感器(3)、位置传感器(5)、路感电机电流传感器(6)和转向电机电流传感器(7)的信号进行计算，输出电子信号以驱动路感电机A和转向电机B输出电流；当汽车不安全时，转向电子控制单元ECU除了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)、路感电机电流传感器(6)和转向电机电流传感器(7)的信号外，还要接收控制信号叠加模块C的叠加信号，结合两者的信号计算，输出电子信号以驱动路感电机A和转向电机B输出电流，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】
1.一种基于可抑制发散的卡尔曼滤波器的线控转向系统，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、滤波估计模块L、安全判断模块P以及控制信号叠加模块C，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滤波估计模块L的输入端和转向电子控制单元ECU；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滤波估计模块L的输入端和转向电子控制单元ECU；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滤波估计模块L的输入端；所述滤波估计模块L，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)以及车速传感器(9)的信号，借助获得的传感器信号，运用抑制发散的卡尔曼滤波估计算法，估计出实时的汽车的质心侧偏角，估计得到的数据输入到安全判断模块P；所述安全判断模块P接收滤波估计模块L输入的质心侧偏角的数据，判断汽车实时的质心侧偏角是否在安全范围内，它将汽车转向姿态安全的信号输入到转向电子控制单元ECU；如果判断汽车的质心侧偏角处于危险范围，它会将危险信号输入到控制信号叠加模块C；所述控制信号叠加模块C，接收到汽车危险信号后，通过汽车鲁棒控制器的计算，输出叠加的控制信号到转向电子控制单元ECU；所述转向电子控制单元ECU输入端一方面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)、路感电机电流传感器(6)和转向电机电流传感器(7)的信号，一方面接收控制信号叠加模块C的叠加信号；当汽车安全时，依据方向盘转角传感器(2)、方向盘转矩传感器(3)、位置传感器(5)、路感电机电流传感器(6)和转向电机电流传感器(7)的信号进行计算，输出电子信号以驱动路感电机A和转向电机B输出电流；当汽车不安全时，转向电子控制单元ECU除了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)、路感电机电流传感器(6)和转向电机电流传感器(7)的信号外，还要接收控制信号叠加模块C的叠加信号，结合两者的信号计算，输出电子信号以驱动路感电机A和转向电机B输出电流，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所述基于可抑制发散的卡尔曼滤波器的线控转向控制方法，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，滤波估计模块L借助传感器输入的信号，运用抑制发散的卡尔曼滤波估计算法，估算出实时的汽车的质心侧偏角，并将此信号输入到安全判断模块P中；步骤3，安全判断模块P接收滤波估计模块L输入的质心侧偏角的数据，判断汽车实时的质心侧偏角是否在安全范围内，依据信号判断是否驱动控制信号叠加模块C；步骤4，控制信号叠加模块C，接收到汽车危险信号后，通过汽车鲁棒控制器的计算，输出叠加的控制信号到转向电子控制单元ECU；步骤5，转向电子控制单元ECU依据输入的信号输出适当的电子信号以驱动控制路感电机A、转向电机B输出电流，执行汽车转向操作，得到稳定的转向状态。3.根据权利要求2所述基于可抑制发散的卡尔曼滤波器的线控转向控制方法，其特征在于：所述步骤2中滤波估计模块L借助传感器输入信号，运用抑制发散的卡尔曼滤波估计算法，估算出实时的汽车的质心侧偏角的方法，包括以下步骤：步骤2.1，建立整车线性二自由度的整车模型，；

【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