一种线控四轮主动转向电动轮系统及其转向容错控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种线控四轮主动转向电动轮系统及其转向容错控制方法，该系统包括方向盘、方向盘转角传感器、两个转向电机、两个电机控制单元、电机故障检测装置、两个齿轮齿条式转向器、两个转向横拉杆、四个车轮及轮毂电机、横摆角速度传感器、车速传感器、激光雷达、车载摄像机和整车控制单元，在行驶过程中，整车电子控制单元实时采集方向盘转角、横摆角速度、车速、激光雷达信号以及车载摄像机信号，通过设计的控制器计算出前后轮转角和四个轮毂电机的输出力矩并将这些信号传递到各电机控制器，电机控制器向电机发送电流信号完成转向操作；本发明专利技术能够有效解决线控四轮转向系统容错的问题，提高车辆行驶的安全性。

A Wire-Controlled Four-Wheel Active Steering Electric Wheel System and Its Steering Fault-Tolerant Control Method

The invention discloses a wire-controlled four-wheel active steering electric wheel system and its steering fault-tolerant control method. The system includes steering wheel, steering wheel angle sensor, two steering motors, two motor control units, motor fault detection device, two rack-and-pinion steering gear, two steering horizontal tie rods, four wheels and hub motors, yaw angular speed sensor and vehicle speed transmission. Sensors, lidars, on-board cameras and vehicle control units. In the course of driving, the vehicle electronic control unit collects real-time steering wheel angle, yaw angular velocity, vehicle speed, lidar signal and on-board camera signal. Through the designed controller, the front and rear wheel angle and the output torque of four hub motors are calculated and transmitted to the motor controllers. The machine controller sends current signal to the motor to complete the steering operation; the invention can effectively solve the fault tolerance problem of the wire-controlled four-wheel steering system and improve the safety of the vehicle.

【技术实现步骤摘要】
一种线控四轮主动转向电动轮系统及其转向容错控制方法
本专利技术涉及车辆主动控制领域，特别是一种线控四轮主动转向电动轮系统及其转向容错控制方法。
技术介绍
转向系统作为汽车底盘四大系统之一，很大程度上影响汽车的行驶安全性和操纵稳定性。转向系统的发展历程最早为机械转向系统，但这种转向系统结构繁杂，传动比固定，不利于实现汽车的轻量化设计和驾驶员的安全稳定驾驶。线控转向系统取消了方向盘与转向轮之间的机械连接，采用传感器采集驾驶员转向意图然后发送到转向执行器来完成转向。相比传统的机械转向系统，线控转向系统具有相应迅速、转向灵活、降低车重，节省空间等优点。同时，随着汽车技术的发展，汽车主动安全性日益受到重视。汽车四轮转向是提高汽车主动安全的重要方法之一。线控四轮转向系统，前轮和后轮均采用线控转向电机带动车轮转动，相比于前轮转向系统，四轮转向系统的优点是前后车轮均可以独立转动，减小了转向时的质心侧偏角，提高了汽车低速转向时的灵活性和高速转向时的而稳定性，提高了汽车的操纵稳定性和行驶安全性。但是，相比于传统的机械转向系统，线控转向系统最大的缺点就是其可靠性较差，转向系统存在转向失控的可能性，这对于行驶在路上的汽车来说是极其危险的。现有的关于线控转向的容错控制多集中在针对线控转向系统的容错。例如双电机冗余线控转向系统通过电机备份的方法解决线控转向系统容错的问题，一个电机故障后还可以通过另一个电机转向，但这会增加制造成本，且会占用更大空间而使系统更为复杂。并且在容错控制时没有考虑故障发生后驾驶员的应急反应以及路径跟踪问题，可能会造成驾驶员过激反应而是车辆偏离目标路径。专利技术内容针对上述问题，本专利技术提供了一种线控四轮主动转向电动轮系统及其转向容错控制方法。旨在充分利用线控四轮转向电动轮系统转向执行器冗余的优势并结合路径跟踪控制技术，达到线控转向系统故障后仍能正常按驾驶员意图跟踪路径的目标，减轻故障发生后驾驶员的心理负担和操作负担，提高车辆行驶的安全性和稳定性。此外，与传统的双电机冗余线控转向系统相比，减轻了车重和生产成本，并为智能驾驶辅助系统的应用提供了基础。为实现上述目的，本专利技术提出了如下的技术方案予以实现：一种线控四轮主动转向电动轮系统包括：车体以及置于车体内部的方向盘9、方向盘转角传感器10、后轮转向电机4、前轮转向电机14、后轮转向电机控制器5、前轮转向电机控制器13、后轮电机故障检测装置2、前轮电机故障检测装置16、后齿轮齿条式转向器3、前齿轮齿条式转向器15、后轮转向横拉杆6、前轮转向横拉杆12、第一轮毂电机1、第二轮毂电机7、第三轮毂电机11、第四轮毂电机17、横摆角速度传感器19、质心侧偏角传感器20、车速传感器21、激光雷达22、车载摄像机23、整车电子控制单元8(ECU)和CAN总线18；其中，后轮转向电机4位于车辆后轴，其分别与后齿轮齿条式转向器3、后轮转向电机控制器5、后轮电机故障检测装置2连接，后齿轮齿条式转向器3位于后轮转向横拉杆6上，后轮转向横拉杆6两端分别设有第一轮毂电机1和第二轮毂电机7，第一轮毂电机1和第二轮毂电机7均与对应车轮连接；后轮转向电机4带动后齿轮齿条式转向器3移动，进而带动后转向横拉杆6驱动第一轮毂电机1和第二轮毂电机7，从而带动对应的车轮转动，实现车轮的转向；前轮转向电机14位于车辆前轴，其分别与前齿轮齿条式转向器15、前轮转向电机控制器13、前轮电机故障检测装置16连接，前齿轮齿条式转向器15位于前轮转向横拉杆12上，前轮转向横拉杆12两端分别设有第三轮毂电机11和第四轮毂电机17，第三轮毂电机11和第四轮毂电机17均与对应车轮连接；前轮转向电机14带动前齿轮齿条式转向器15移动，进而带动前转向横拉杆12驱动第三轮毂电机11和第四轮毂电机17并带动对应车轮，实现车辆的转向；方向盘9位于车体内，方向盘转角传感器10通过方向盘转向管柱与方向盘9相连，获取方向盘转角信号；前轮电机故障检测装置16与CAN总线18相连，用于检测前轮转向电机14的故障并通过CAN收发器将故障信号发送到CAN总线18中；后轮电机故障检测装置2与CAN总线18相连，用于检测后轮转向电机4的故障并通过CAN收发器将故障信号发送到CAN总线18中；横摆角速度传感器19、质心侧偏角传感器20、车速传感器21、激光雷达22、车载摄像机23均设置在车体上，分别用于获取汽车横摆角速度信号、质心侧偏角信号、车速信号、道路障碍物状况信号和车道状况信号；横摆角速度传感器19、质心侧偏角传感器20、车速传感器21、激光雷达22、车载摄像机23均分别与CAN总线18连接，并通过CAN收发器将所接收到的信号发送至CAN总线18；后轮转向电机控制器5和前轮转向电机控制器13分别与CAN总线18连接，接收CAN总线18传递的信号；整车电子控制单元8通过CAN收发器与CAN总线18相连，并接收CAN总线18通过横摆角速度传感器19、质心侧偏角传感器20、车速传感器21激光雷达22、车载摄像机23获得的信号；整车电子控制单元8还与方向盘转角传感器10相连，并获取方向盘转角信号；整车电子控制单元8根据方向盘转角传感器10传递的方向盘转角信号通过内置控制器计算出前、后轮转角和四个车轮的驱动力矩发送到CAN总线18中；后轮转向电机控制器5、前轮转向电机控制器13、第一轮毂电机1、第二轮毂电机7、第三轮毂电机11、第四轮毂电机17均分别设有CAN收发器，后轮转向电机控制器5、前轮转向电机控制器13、第一轮毂电机1、第二轮毂电机7、第三轮毂电机11、第四轮毂电机17分别通过其各自的CAN收发器与CAN总线18相连，接收整车电子控制单元8通过CAN总线18发出的转向电机的目标转角和目标转矩。后轮转向电机控制器5根据从CAN总线18得到的转角信号产生相应的电流，控制后轮转向电机4工作，第一轮毂电机1和第二轮毂电机7根据从CAN总线18得到的转矩信号产生相应的电流控制轮毂电机及对应的车轮工作。前轮转向电机控制器13分别根据从CAN总线18得到的转角信号产生相应的电流控制前轮转向电机14工作，第三轮毂电机11和第四轮毂电机17所述的轮毂电机控制器根据从CAN总线18得到的转矩信号产生相应的电流控制轮毂电机及对应的车轮工作。整车电子控制单元8即为ECU模块，包括依次连接的路径规划模块、驾驶员模块、稳定性控制模块和容错控制模块。本专利技术中，术语“前轮”是指与第三轮毂电机和第四轮毂电机对应的车轮；术语“后轮”是指与第一轮毂电机和第二轮毂电机对应的车轮。进一步，本专利技术所提供的线控四轮主动转向电动轮系统中，后轮转向电机4和前轮转向电机14均为永磁无刷直流电机。本专利技术同时还提供了上述线控四轮主动转向电动轮系统的转向容错控制方法：整车电子控制单元18中，稳定性控制模块和容错控制模块是根据电机故障检测装置16向整车电子控制单元18发送的信号进行控制器的切换；当前轮转向电机14未发生故障时，电机故障检测装置16向整车电子控制单元18发送低电平，控制单元运行稳定性控制模块，实行稳定性控制策略；当前轮转向电机14发生故障时，电机故障检测装置16向整车电子控制单元18发送高电平，控制单元运行容错控制模块，实行容错控制策略。上述稳定性控制策略包含以下步骤:步骤1)，驾本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种线控四轮主动转向电动轮系统，包括车体，其特征在于，所述线控四轮主动转向电动轮系统包括：设置于车体内部的方向盘、后轮转向电机、前轮后轮转向电机、整车电子控制单元、CAN总线；所述方向盘连接有方向盘转角传感器；所述后轮转向电机分别与后齿轮齿条式转向器、后轮转向电机控制器、后轮电机故障检测装置连接的后轮转向电机；后齿轮齿条式转向器位于后轮转向横拉杆上，所述后轮转向横拉杆两端分别设有第一轮毂电机和第二轮毂电机；第一轮毂电机和第二轮毂电机均分别与对应车轮连接；所述前轮转向电机分别与前齿轮齿条式转向器、前轮转向电机控制器、前轮电机故障检测装置连接；前齿轮齿条式转向器位于前轮转向横拉杆上，所述前轮转向横拉杆两端分别设有第三轮毂电机和第四轮毂电机，第三轮毂电机和第四轮毂电机均分别与对应车轮连接；所述整车电子控制单元包括路径规划模块、驾驶员模块、稳定性控制模块和容错控制模块；所述前轮电机故障检测装置、后轮电机故障检测装置、整车电子控制单均分别与CAN总线相连；所述车体上还分别设置有横摆角速度传感器、质心侧偏角传感器、车速传感器、激光雷达、车载摄像机，他们均分别与CAN总线连接；后轮转向电机控制器、前轮转向电机控制器、第一轮毂电机、第二轮毂电机、第三轮毂电机、第四轮毂电机均分别设有CAN收发器，后轮转向电机控制器、前轮转向电机控制器、第一轮毂电机、第二轮毂电机、第三轮毂电机、第四轮毂电机分别通过其各自的CAN收发器与CAN总线相连。...

【技术特征摘要】
1.一种线控四轮主动转向电动轮系统，包括车体，其特征在于，所述线控四轮主动转向电动轮系统包括：设置于车体内部的方向盘、后轮转向电机、前轮后轮转向电机、整车电子控制单元、CAN总线；所述方向盘连接有方向盘转角传感器；所述后轮转向电机分别与后齿轮齿条式转向器、后轮转向电机控制器、后轮电机故障检测装置连接的后轮转向电机；后齿轮齿条式转向器位于后轮转向横拉杆上，所述后轮转向横拉杆两端分别设有第一轮毂电机和第二轮毂电机；第一轮毂电机和第二轮毂电机均分别与对应车轮连接；所述前轮转向电机分别与前齿轮齿条式转向器、前轮转向电机控制器、前轮电机故障检测装置连接；前齿轮齿条式转向器位于前轮转向横拉杆上，所述前轮转向横拉杆两端分别设有第三轮毂电机和第四轮毂电机，第三轮毂电机和第四轮毂电机均分别与对应车轮连接；所述整车电子控制单元包括路径规划模块、驾驶员模块、稳定性控制模块和容错控制模块；所述前轮电机故障检测装置、后轮电机故障检测装置、整车电子控制单均分别与CAN总线相连；所述车体上还分别设置有横摆角速度传感器、质心侧偏角传感器、车速传感器、激光雷达、车载摄像机，他们均分别与CAN总线连接；后轮转向电机控制器、前轮转向电机控制器、第一轮毂电机、第二轮毂电机、第三轮毂电机、第四轮毂电机均分别设有CAN收发器，后轮转向电机控制器、前轮转向电机控制器、第一轮毂电机、第二轮毂电机、第三轮毂电机、第四轮毂电机分别通过其各自的CAN收发器与CAN总线相连。2.根据权利要求1所述的线控四轮主动转向电动轮系统，其特征在于，所述后轮转向电机和前轮转向电机均为永磁无刷直流电机。3.如权利要求1或2所述线控四轮主动转向电动轮系统的转向容错控制方法，其特在于，具体步骤如下：所述整车电子控制单元包括稳定性控制模块和容错控制模块；稳定性控制模块和容错控制模块根据电机故障检测装置向整车电子控制单元发送的信号进行控制器的切换；当前轮转向电机未发生故障时，电机故障检测装置向整车电子控制单元发送低电平，控制单元运行稳定性控制模块，实行稳定性控制策略；当前轮转向电机发生故障时，电机故障检测装置向整车电子控制单元发送高电平，控制单元运行容错控制模块，实行容错控制策略。4.根据权利要求3所述的转向容错控制方法，其特征在于，所述稳定性控制策略包含以下步骤:步骤1)，驾驶员转动方向盘，整车...

【专利技术属性】
技术研发人员：衡波，赵万忠，王春燕，
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