一种高度可调的线控转向系统路感模拟装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种高度可调的线控转向系统路感模拟装置，该装置包括：传感器单元：用以采集车辆运动状态信息与手力模拟机构的转角力矩信息，并作为手力设计单元和手力控制单元的输入；手力设计单元：包括齿条力估计模块和期望手力计算模块，用以获取高度可调的期望手力；手力控制单元：用以产生对应的路感电机的控制指令，进而实现实际手力对于期望手力的跟踪控制；交互设置单元：用以提供连续多个高度可调的接口，以满足驾驶员个性化的操纵手感需求。与现有技术相比，本发明专利技术具有降低成本、性能可靠和高度可调等优点。可靠和高度可调等优点。可靠和高度可调等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种高度可调的线控转向系统路感模拟装置


[0001]本专利技术涉及汽车线控底盘
，尤其是涉及一种高度可调的线控转向系 统路感模拟装置。

技术介绍

[0002]线控转向技术作为汽车智能化的一项代表性技术，已经受到了高校与企业的高 度关注。由于线控转向系统取消了机械连接，通过线控的方式实现转向功能，驾驶 员因而无法通过操纵手感感知车辆运动状态和路面信息，进而导致车辆操纵性和驾 驶员的安全感下降。因此准确且高度可调的路感模拟功能，不仅可以使驾驶员有清 晰的路感，而且多个维度的高度可调，可以充分发挥线控转向的力特性自由设计的 优点，驾驶员可以个性化地从多个维度定制自己的操纵手感。
[0003]现行的路感模拟算法大致可分为两种：
①
基于经验估计回正力矩的路感模拟方 法；
②
基于测量真实回正力矩的路感模拟方法。前者根据经验以及基于简单的线性 动力学模型，将手力等效为方向盘转角和车速的函数，但是驾驶员虽有操纵感，但 是缺乏对于路面情况的感知；后者是通过安装在转向执行机构上的传感器对车辆真 实的回正力矩进行估计，从而计算手力实时地反馈给驾驶员，驾驶员能有清晰的路 感，是更符合实际需求的方法。然而现有的路感模拟算法仍有较多的问题需要解决。
[0004]一方面，由于机械连接的取消，线控转向系统需要对方向盘转角的末端进行限 位控制，即当驾驶员打方向盘转角到系统规定最大值(末端)时，系统需要生成较 大的手力阻止驾驶员继续打方向盘。然而，现有的末端控制方法都未考虑手力平顺 性与末端控制可实现性的矛盾。即，要靠闭环控制实现末端控制功能，手力模拟机 构管柱处需要使用大量程的力矩传感器，导致测量分辨率较低，正常操纵工况下的 手力平顺性较差；而要保证手力平顺性，选用小量程高精度的力矩传感器又会使末 端控制力矩受限，限位效果较差，方向盘转角容易在驾驶员的操纵下超出末端，系 统安全性下降；而如果选用高精度大量程的力矩传感器，实际应用的可实现性较低， 硬件成本很高，因此，考虑到正常操纵工况中手力范围不大，对手力精度要求高， 而末端控制工况对控制精度要求不高，只需开环控制提供足够的力矩即可，硬件上 应选用小量程高精度的扭矩传感器，软件上再结合开闭环平滑切换策略，解决所述 矛盾。
[0005]另一方面，现有的路感模拟算法大多只能标定出一种手感，无法满足驾驶员差 异化导致的不同操纵手感需求；而剩下的少部分能够可调的路感模拟算法仅停留在 操纵力水平和梯度这一维度的简单可调，未提供其他可调的维度，且未对系统可调 带来的SBW系统稳定性不确定问题进行考虑。
[0006]总的来说，现有的线控转向系统路感模拟的两个方面的难题，一方面是现有的 手力控制方法无法同时兼顾正常操纵工况手力平顺性和末端工况中的安全限位，其 关系到线控转向系统的传感器成本高低、操纵手感好坏和系统安全性；另一方面是 现有大多的手力设计方法只能标定出一种手感，无法满足驾驶者差异化的手感需求， 而其余可调的手力
设计仅限于操纵力水平与梯度，并未设置路感清晰度可调、操纵 力VS车速梯度可调和路感带宽可调的接口，系统可调度低，多个可调维度之间耦 合度太高，且都未考虑手力稳定性变化的问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高度可调的 线控转向系统路感模拟装置及方法。
[0008]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0009]本专利技术提供一种高度可调的线控转向系统路感模拟装置，该装置包括：
[0010]传感器单元：用以采集车辆运动状态信息与手力模拟机构的转角力矩信息，并 作为手力设计单元和手力控制单元的输入；
[0011]手力设计单元：包括齿条力估计模块和期望手力计算模块，用以获取高度可调 的期望手力；
[0012]手力控制单元：用以产生对应的路感电机的控制指令，进而实现实际手力对于 期望手力的跟踪控制；
[0013]交互设置单元：用以提供多个连续高度可调的接口，以满足驾驶员个性化的操 纵手感需求。
[0014]优选地，所述的传感器单元包括手力模拟机构管柱处的扭矩传感器、手力模拟 机构管柱处的方向盘转角传感器、转向执行电机力矩传感器、齿条位移传感器以及 车速传感器；
[0015]所述的扭矩传感器用以测量管柱的扭矩，即实际手力，所述的扭矩传感器与开 闭环平滑切换算法相配合，以实现在正常操纵工况中手力的高精度闭环控制以及末 端控制工况中手力超出量程后的大力矩安全限位；
[0016]所述的转角传感器用以测量管柱的转角，即方向盘转角，所述的管柱的转角用 以手力设计单元中期望手力的计算和手力控制单元中摩擦力的前馈补偿；
[0017]所述的转向执行电机力矩传感器用以测量电机输出端力矩，即转向执行电机力 矩，所述的电机输出端力矩用以手力设计单元中齿条力的估计；
[0018]所述的齿条位移传感器用以测量齿条位移，所述的齿条位移用以手力设计单元 中齿条力的估计；
[0019]所述的车速传感器用以测量车速，所述的车速用以手力设计单元中期望手力的 计算。
[0020]优选地，所述的齿条力估计模块采用逆模加低通滤波法进行齿条力估计的过程 具体为：
[0021]建立基于转向执行机构的模型，其表达式为：
[0022][0023]其中，mr和cr分别为转向执行机构等效至齿条的质量和阻尼系数，x
r
为齿条 位移，F
r
、和F
m
分别为需要估计的齿条力、转向执行机构等效至齿 条的摩擦力以及电机等效作用在齿条上的力，F
m
和x
r
分别通过转向执行电机输出 端力矩传感器和齿
条位移传感器获得；
[0024]获取齿条力估计名义值，齿条力估计名义值的计算式为：
[0025][0026]其中，F
r
′
为齿条力估计名义值；
[0027]将得到的齿条力估计名义值F
r
′
通过低通滤波器，得到估计的齿条力，估计的 齿条力的表达式为：
[0028]F
rack_est
＝H
lowpass
*F
r
′
[0029]其中，F
rack_est
为估计的齿条力，H
lowpass
(s)为低通滤波器的传递函数，H
lowpass
为其拉普拉斯反变换，该低通滤波器为三阶低通滤波器，三阶低通滤波器配置的三 个极点为[p
1 p
2 p3]，其中，极点p1用以调整带宽，极点p2和极点p3用以调整滤 波器的特性，设反馈路感带宽B
w
的可调范围为[B
wmin
，B
wmax
]，三阶低通滤波器的 极点配置方法具体为：
[0030]当带宽B
w
＝B
wmax...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
p3]，其中，极点p1用以调整带宽，极点p2和极点p3用以调整滤波器的特性，设反馈路感带宽B
w
的可调范围为[B
wmin
，B
wmax
]，三阶低通滤波器的极点配置方法具体为：当带宽B
w
＝B
wmax
时，设置传递函数H
lowpass
(s)的截止频率为B
wmax
的三阶Butterworth低通滤波器，配置的极点分别为：p1＝
‑
B
w
传递函数H
lowpass
(s)(m
r
s2+c
r
s)的幅值增益最大值为A
gain
(B
wmax
)，用以表征传感器噪声引起齿条力估计值波动最大增益；当带宽B
w
＝B
wmin
时，设置极点p1控制带宽，极点p2和极点p3构成带宽为B
w1
的二阶Butterworth滤波器，配置的极点分别为：p1＝
‑
B
w
调节带宽B
w1
使传递函数H
lowpass
(s)(m
r
s2+c
r
s)的幅值最大增益为A
gain
(B
wmin
)≈A
gain
(B
wmax
)，同时使相角滞后与当带宽B
w
＝B
wmax
时的工况接近；当带宽B
w
∈(B
wmin
，B
wmax
)时，极点p1、极点p2和极点p3由当带宽B
w
＝B
wmax
时的工况和当带宽B
w
＝B
wmin
时的工况相应的极点值线性插值得到。4.根据权利要求3所述的一种高度可调的线控转向系统路感模拟装置，其特征在于，所述的期望手力计算模块基于估计的齿条力、车速和方向盘转角获取期望手力，所述的期望手力的组成包括六种力矩，分别为高度可调的主操纵力矩T
main
、高度可调的刚度力矩T
stiff
、模式自适应的高速阻尼力矩T
damp
、模拟摩擦力矩T
fric
、低速主动回正力矩T
ar
和末端控制力矩T
limit
；所述的高度可调的主操纵力矩T
main
的表达式为：T
main
＝ρ
·
f
main
(F
rack_est
)其中，T
main
为主操纵力力矩，ρ为路感清晰度调节因子，表示主操纵力力矩T
main
在其与刚度力矩T
stiff
两者中的占比，F
rack_est
为齿条力估计模块得到的估计的齿条力，f
main
为基于齿条力估计值F
rack_est
生成主操纵力T
main
的函数；所述的高度可调的刚度力矩T
stiff
的表达式为：T
stiff
＝f
stiff
(F
rack_virtual
，ρ，γ
·
η(V))其中，T
stiff
为刚度力矩，γ为操纵力水平和梯度调节因子，η(V)为操纵力VS车速梯度调节因子，f
stiff
为基于齿条力虚拟值F
rack_virtual
生成刚度力矩T
stiff
的函数，其为一个两段式的分段函数，用以独立生成中间位置和非中间位置的刚度力矩，F
rack_virtual
(V，θ
sw
)为基于转角θ
sw
和车速V计算得到的虚拟齿条力；虚拟齿条力F
rack_virtual
(V，θ
sw
)的表达式为：F
rack_virtual
＝K
stiff
(V)
·
θ
sw
K
stiff
(V)为不同车速下的刚度系数，θ
sw
为转角；基于齿条力虚拟值F
rack_virtual
生成刚度力矩T
stiff
的函数f
stiff
的表达式为：
其中，f
stiff1
(
·
)用以生成中间位置的刚度力矩，f
stiff2
(
·
)用以生成非中间位置的刚度力矩，F
thes1
为区别不同车速下的中间位置和非中间位置的虚拟齿条力阈值，ρ为路感清晰度调节因子，γ为操纵力水平和梯度调节因子，η(V)为操纵力VS车速梯度调节因子；所述的模式自适应的高速阻尼力矩T
damp
的表达式为：其中，T
damp
为模式自适应的高速阻尼力矩，c
damp
(V，ρ，γ
·
η(V))为模式自适应阻尼系数，f
dt
(θ
sw
)为方向盘转角对阻尼系数的影响因子，用以减弱小转角工作区域的阻尼，进而减小小转角区域主动阻尼导致的粘滞感，为方向盘转速；所述的模拟摩擦力矩T
fric
用以模拟机械系统或EPS的机械系统摩擦力，模拟摩擦力矩T
fric
的表达式为：其中，为基于tanh(
·
)函数的摩擦力模型；所述的低速主动回正力矩T
ar
用以保证低速工况下的回正性能，低速主动回正力矩T
ar
的表达式为：其中，K
ar
表示回正强度，σ
V
(V)表示车速因子，为转角调节因子，为转速调节因子，表示回正判断因子；所述的末端控制力矩T
limit
用以保证方向盘的安全限位。5.根据权利要求1所述的一种高度可调的线控转向系统路感模拟装置，其特征在于，所述的手力控制单元的被控对象为手力...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈慧，冯振辉，郭峰，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：