基于回正力矩估計(jì)的主動(dòng)轉(zhuǎn)向理想方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及汽車(chē)主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)領(lǐng)域，特別是一種基于前輪回正力矩估計(jì)的理想方 向盤(pán)轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車(chē)的關(guān)鍵部件之一，它不僅保證汽車(chē)能按駕駛員的意志進(jìn)行轉(zhuǎn)向行 駛，還與汽車(chē)操縱穩(wěn)定性密切相關(guān)，現(xiàn)階段車(chē)輛廣泛應(yīng)用的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為電控液壓助力轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)及電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向巧PS)，運(yùn)些助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能根據(jù)駕駛員的轉(zhuǎn)向操作，借助液壓助力系 統(tǒng)或者電機(jī)助力系統(tǒng)施加可變的轉(zhuǎn)向助力，來(lái)減輕駕駛員的轉(zhuǎn)向負(fù)擔(dān)。但是運(yùn)些動(dòng)力轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)只能改變轉(zhuǎn)向力，不能根據(jù)汽車(chē)在行駛過(guò)程中的遇到的不同狀況改變傳動(dòng)比，也不能 對(duì)外界干擾進(jìn)行穩(wěn)定性控制。
[0003]為了幫助駕駛員更有效地操縱車(chē)輛，提高汽車(chē)行駛的穩(wěn)定性，主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 獲得了越來(lái)越多的關(guān)注，主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角的疊加，可根據(jù)車(chē)速控制轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn) 動(dòng)比的大小，實(shí)現(xiàn)理想轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比，通過(guò)系統(tǒng)力特性的控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向輕便性和轉(zhuǎn)向路感的 協(xié)調(diào)統(tǒng)一；通過(guò)對(duì)前輪施加附加轉(zhuǎn)角產(chǎn)生附加的橫擺力矩，控制車(chē)輛的橫擺角速度和質(zhì)屯、 側(cè)偏角，保持車(chē)輛行駛穩(wěn)定性。由于改變了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的里傳遞特性，前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并不 能很好地反映出轉(zhuǎn)向時(shí)的路感，另一方面，汽車(chē)在行駛過(guò)程中時(shí)常會(huì)遭遇各種意外情況，例 如路面附著系數(shù)的變化，側(cè)向風(fēng)干擾等，運(yùn)些外界干擾都會(huì)對(duì)汽車(chē)的行駛穩(wěn)定性產(chǎn)生巨大 的影響，且駕駛員一般無(wú)法及時(shí)而準(zhǔn)確的對(duì)此做出修正；此外，輪胎的非線(xiàn)性特性也會(huì)對(duì)汽 車(chē)行駛特性產(chǎn)生影響，當(dāng)汽車(chē)運(yùn)行在非線(xiàn)性范圍內(nèi)時(shí)，駕駛員將很難按自己的意志對(duì)汽車(chē) 進(jìn)行操縱，因此對(duì)行駛的安全性能產(chǎn)生危害。
[0004]目前在汽車(chē)轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性控制中所需要的車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)并不能完全由傳感器直接 測(cè)量得到，一些狀態(tài)及參數(shù)需要通過(guò)估計(jì)才能獲得，目前使用較多的估計(jì)方法有最小二乘 法，卡爾曼濾波估計(jì)等；卡爾曼濾波是一套適用于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)遞推算法，它所處理的 對(duì)象是隨機(jī)信號(hào)，能夠根據(jù)系統(tǒng)方程和觀(guān)測(cè)方程對(duì)所有需要處理的信號(hào)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，通 過(guò)對(duì)非線(xiàn)性模型進(jìn)行泰勒展開(kāi)，可W得到擴(kuò)展的卡爾曼濾波估計(jì)法，符合汽車(chē)狀態(tài)參數(shù)估 計(jì)的要求。目前結(jié)合卡爾曼濾波的利用前輪回正力矩估計(jì)理想方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)方法，在本 領(lǐng)域并不存在相關(guān)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并不能很好地反映出轉(zhuǎn)向時(shí)的路感的問(wèn)題，本 發(fā)明公開(kāi)一種基于前輪回正力矩估計(jì)的理想方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)方法，在實(shí)時(shí)估計(jì)前輪回正力 矩的同時(shí)，考慮汽車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)出理想方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩特性，能夠良好的反映路感，幫助 駕駛員更有效操縱車(chē)輛，本發(fā)明是運(yùn)樣實(shí)現(xiàn)的：
[0006] -種基于前輪回正力矩估計(jì)的理想方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)方法，包括W下步驟：
[0007] (a)利用傳感器得到汽車(chē)的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角ΘW及縱向車(chē)速V，依據(jù)主動(dòng)轉(zhuǎn)向汽車(chē)變 傳動(dòng)比公式獲得汽車(chē)的前輪轉(zhuǎn)角δ;
[0008] 主動(dòng)轉(zhuǎn)向汽車(chē)變傳動(dòng)比公式為：
[0009]
α)
[0010] 式（1)中，Κ。為轉(zhuǎn)向不足系數(shù)，L為汽車(chē)前后軸距，m為整車(chē)質(zhì)量，b為質(zhì)屯、到后軸 軸距，a為質(zhì)屯、到前周軸距，Κι、K2為前后輪側(cè)偏剛度，K,范圍為0. 12-0. 371/s;
[0011] (b)將獲得的汽車(chē)的前輪轉(zhuǎn)角δ輸入到二自由度整車(chē)模型中得到汽車(chē)的狀態(tài)參 數(shù)橫擺角速度ω，質(zhì)屯、側(cè)偏角β，Κ及側(cè)向加速度ay;
[0012] 二自由度整車(chē)模型為：
(2)
[001引 式似 中，L為汽車(chē)?yán)@Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
[0014] (C)根據(jù)公式：
[001 引
（3) 獲得汽車(chē)狀態(tài)參數(shù)ω、β，再依據(jù)doguff輪胎模型，求得輪胎歸一化側(cè)向力Fy。；
[0016]doguff輪胎模型為：
[0017]
[0020] 式（6)中，氏、Ky分別為輪胎的縱滑和側(cè)偏剛度，α為輪胎側(cè)偏角；
[0021] (d)利用求得的4個(gè)輪胎的歸一化側(cè)向力扔、片、片、片，根據(jù)側(cè)向動(dòng)力學(xué)模 型，通過(guò)擴(kuò)展卡爾曼濾波估計(jì)結(jié)合前輪變傳動(dòng)比控制策略設(shè)計(jì)出的估計(jì)器估計(jì)出四輪對(duì)應(yīng) 的路面附著系數(shù)，繼而得到Fyf;
[0022] 側(cè)向動(dòng)力學(xué)模型：
[0023]
(7)
[0024] 式（7)中，扔、片、片、挺為4個(gè)輪胎的歸一化側(cè)向力；μ1、μ2、μ]、^4為四 輪對(duì)應(yīng)的路面附著系數(shù)；
[0025] 由前輪側(cè)向力Fyf計(jì)算得到前輪回正力矩ΜΖ:
[002引式做中，η,為主銷(xiāo)拖距，a為輪胎拖距，F(xiàn)Ζ為前輪載荷，D巧主銷(xiāo)內(nèi)移量，終為主 銷(xiāo)內(nèi)傾角；
[0027] 本實(shí)施例中，所述擴(kuò)展卡爾曼濾波估計(jì)法具體步驟如下：
[0028] 首先，建立系統(tǒng)狀態(tài)模型：
[0029]
[0030] 式中，x(t)為狀態(tài)變量；u(t)為控制變量；w(t)為系統(tǒng)噪聲向量；y(t)為量測(cè)輸 出；v(t)為量測(cè)噪聲；
[003。然后，將模型線(xiàn)性化，F(xiàn)(t)，H(t)為非線(xiàn)性函數(shù)f(x(t)，u(t)，w(t))、h(x(t)，v(t))對(duì)狀態(tài)x(t)求偏導(dǎo)的雅克比矩陣；0(t)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；At為采樣時(shí)間；
[0032]
[0034] 2. 3進(jìn)行濾波估計(jì)，估計(jì)流程如下：
[0035] 預(yù)測(cè)模塊：
[0036]
[00測(cè)校正模塊：
[0042] 通過(guò)擴(kuò)展卡爾曼濾波結(jié)合前輪變傳動(dòng)比控制策略，在線(xiàn)更新數(shù)據(jù)，得到實(shí)時(shí)的回 正力矩參數(shù)。
[004引（e)將前輪轉(zhuǎn)角δ、縱向車(chē)速V、側(cè)向加速度ayW及前輪回正力矩Mz到方向盤(pán)理 想轉(zhuǎn)矩模塊，得到汽車(chē)在該行駛狀態(tài)下的理想方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩：
[0044]
(9)
[0045]式巧）中，G為主動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)齒輪齒條傳動(dòng)比，M,m。、為側(cè)向加速度為4m/s2時(shí)的前 輪回正力矩，Εν為車(chē)速系數(shù)。
[0046] 進(jìn)一步，本發(fā)明中，步驟（d)所述擴(kuò)展卡爾曼濾波估計(jì)法的具體步驟如下：
[0047] 2. 1建立系統(tǒng)狀態(tài)模型：
[00481
αο)
[004引式（10)中，X(t)為狀態(tài)變量；u(t)為控制變量；w(t)為系統(tǒng)噪聲向量；y(t)為量 測(cè)輸出；v(t)為量測(cè)噪聲。
[0050] 2. 2將模型線(xiàn)性化，
[0051]
(11)
[0052]式（11)中，F(xiàn)(t),H(t)為非線(xiàn)性函數(shù)f(x(t),u(t),w(t))、h(x(t),v(t))對(duì)狀態(tài) X(t)求偏導(dǎo)的雅克比矩陣；φ(t)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；At為采樣時(shí)間；
[005引 2. 3進(jìn)行濾波估計(jì)，估計(jì)流程如下：
[0054]預(yù)測(cè)模塊：
[00巧]
V
[0058] 然后通過(guò)擴(kuò)展卡爾曼濾波結(jié)合前輪變傳動(dòng)比控制策略，在線(xiàn)更新數(shù)據(jù)，得到實(shí)時(shí) 的回正力矩參數(shù)。
[0059] 當(dāng)側(cè)向加速度小于3m/s2時(shí)，理想方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩隨著前輪回正力矩的變化而變化，使 駕駛員能夠了解到汽車(chē)當(dāng)前的行駛狀態(tài)；當(dāng)側(cè)向加速度大于3m/s2小于4m/s 2時(shí)，理想方向 盤(pán)轉(zhuǎn)矩變化梯度增大，提醒駕駛員汽車(chē)即將進(jìn)入非線(xiàn)性范圍行駛。當(dāng)側(cè)向加速度大于4m/s2 時(shí)，理想方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩保持不變，提醒駕駛員汽車(chē)已進(jìn)入非線(xiàn)性范圍，繼續(xù)增大轉(zhuǎn)角可能會(huì)失 去穩(wěn)定性。
[0060] 為了確定車(chē)速系數(shù)的大小，參考文獻(xiàn)（Appl}dngDrivingSimulationto QuantifySteeringEffortPreferenceasFunctionofVehicleSpeed,Gary P.Bertollini,RobertM.化gan)通過(guò)駕駛模擬器對(duì)駕駛員在不同行駛工況的所偏好的轉(zhuǎn) 向盤(pán)力矩進(jìn)行仿真，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和駕駛員體驗(yàn)，得到了側(cè)向加速度為0. 3g時(shí)的理想方向 盤(pán)轉(zhuǎn)矩，結(jié)果如表1所示：
[0061] 表1側(cè)向加速度為0. 3g時(shí)的理想轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩
[0062]
[0063] 根據(jù)建立的整車(chē)模型，仿真在側(cè)向加速度為0.3g的情況下，汽車(chē)的轉(zhuǎn)向阻力矩， 結(jié)果如表2所示：
[0064] 表2無(wú)助力下側(cè)向加速度為0.3g時(shí)的轉(zhuǎn)向阻力矩
[0065]
[0066] 通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式
計(jì)算汽車(chē)的原地最大轉(zhuǎn)向力矩，該式中，μ為路面附著 系數(shù)；Ρ為輪胎氣壓；
[0067] 則轉(zhuǎn)向柱上的轉(zhuǎn)向阻力矩為
[0068] 假設(shè)原地轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員最大理想方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩為T(mén)d(0) = 2Nm，通過(guò)W上數(shù)據(jù)，由公 式
計(jì)算出不同車(chē)速下的車(chē)速系數(shù)Ey的值，如表3所示。
[0069] 表3不同車(chē)速下的車(chē)速系數(shù)
[0070]
[007