一种基于工况自适应的线控转向齿条力估计方法及系统与流程

本技术涉及汽车转向控制技术相关领域，具体地，涉及一种基于工况自适应的线控转向齿条力估计方法及系统。

背景技术：

1、线控转向系统取消了方向盘与车轮的机械硬连接，路感模拟性能高度依赖对轮胎与路面相互作用的精确感知，齿条力是构建高保真路感的关键物理量。目前齿条力测量主要有三类方案：一是传感器直接测量，精度高但成本高、安装难度大；二是动力学模型法，基于转向系统或整车模型及可测信号反算齿条力，如lqg观测器、扩展卡尔曼滤波结合lugre摩擦补偿等；三是数据驱动法，以电机电流、转角、车速等信号训练神经网络进行端到端估计，但依赖海量全工况数据，泛化能力不足。

2、因此，亟需一种基于工况自适应的线控转向齿条力估计方法及系统。

技术实现思路

1、本技术要解决的技术问题在于现有齿条力测量方案在成本、精度、鲁棒性及全工况适应性方面存在的不足，进而提供一种基于工况自适应的线控转向齿条力估计方法及系统。

2、第一方面，本技术技术方案提供一种基于工况自适应的线控转向齿条力估计方法，包括：

3、获取转向系统数据、整车状态数据、方向盘转速和路面附着系数；

4、根据所述转向系统数据，利用基于转向系统动力学模型的扩展状态观测器估计广义齿条力，由广义齿条力反算得到狭义齿条力作为第一估计值；

5、根据所述整车状态数据，利用整车动力学模型和轮胎动力学模型计算左前轮和右前轮的轮胎回正力矩，并根据转向几何关系换算得到齿条力作为第二估计值；

6、根据所述方向盘转速和所述路面附着系数确定融合权重，对第一估计值和第二估计值加权融合得到最终齿条力；其中，融合权重中第二估计值的权重通过第一函数与第二函数的乘积确定，第一函数以路面附着系数估计值为自变量且随其增大而增大，第二函数以方向盘转速为自变量且随其绝对值的增大而减小。

7、一些方案中所述的基于工况自适应的线控转向齿条力估计方法，所述转向系统数据包括下转向电机的电机轴转角和输出扭矩；

8、所述整车状态数据包括车辆的纵向加速度、侧向加速度、纵向车速、侧向车速、车辆横摆角速度和前轮转角。

9、一些方案中所述的基于工况自适应的线控转向齿条力估计方法，所述下转向电机的电机轴转角通过预设传感器直接获取；所述下转向电机的输出扭矩通过下转向电机的输出电流值乘以第一预设系数得到。

10、一些方案中所述的基于工况自适应的线控转向齿条力估计方法，所述纵向车速和所述侧向车速，基于轮速传感器信号计算得到；

11、所述车辆横摆角速度、所述纵向加速度和所述侧向加速度由整车姿态测量得到；

12、所述前轮转角通过测算下转向器小齿轮转角并乘以第二预设系数得到。

13、一些方案中所述的基于工况自适应的线控转向齿条力估计方法，所述转向系统动力学模型为：

14、；

15、其中，为转向执行系统惯量，为转向执行系统阻尼，为下转向电机的电机轴转角，为下转向电机的输出转矩，为下转向电机的减速比，为狭义齿条力，为转向器小齿轮半径，为转向执行系统摩擦力矩，[]为广义齿条力，以表示。

16、一些方案中所述的基于工况自适应的线控转向齿条力估计方法，基于转向系统动力学模型的扩展状态观测器表示为：

17、；

18、其中，，，，、、为正反馈增益参数；

19、将所述扩展状态观测器输出的的估计值作为估计的广义齿条力，并按照下式反算狭义齿条力：

20、。

21、一些方案中所述的基于工况自适应的线控转向齿条力估计方法，转向执行系统摩擦力矩通过动态摩擦模型计算得到，所述动态摩擦模型包括lugre摩擦模型。

22、一些方案中所述的基于工况自适应的线控转向齿条力估计方法，左前轮和右前轮的轮胎回正力矩的计算过程包括：

23、根据车辆动力学力矩平衡方程计算前轴左车轮和右车轮的垂直载荷；

24、根据刚体平面运动学方程计算前轴左车轮和右车轮的轮胎侧偏角；

25、分别根据前轴左车轮和右车轮的垂直载荷、轮胎侧偏角以及魔术轮胎模型，计算左前轮和右前轮的轮胎回正力矩。

26、一些方案中所述的基于工况自适应的线控转向齿条力估计方法，所述车辆动力学力矩平衡方程的公式表示为：

27、；

28、其中，为前轴左车轮的垂直载荷，为前轴右车轮的垂直载荷，为车辆质心到后轴的距离，为车辆轴距，为质心高度，为前轴轮距，为整备质量，为纵向加速度，为侧向加速度，为重力加速度。

29、一些方案中所述的基于工况自适应的线控转向齿条力估计方法，所述刚体平面运动学方程的公式表示为：

30、；

31、其中，为左前轮的轮胎侧偏角，为右前轮的轮胎侧偏角，a为车辆质心到前轴的距离，为车辆横摆角速度，为车辆的侧向车速，为车辆的纵向车速，为车辆的左前轮转角，为车辆的右前轮转角。

32、一些方案中所述的基于工况自适应的线控转向齿条力估计方法，所述魔术轮胎模型的公式表示为：

33、；

34、其中，为轮胎回正力矩，为峰值因子，为刚度因子，为轮胎侧偏角，为曲线形状因子，为曲线曲率因子，为曲线的垂直方向漂移；曲线为轮胎回正力矩特性曲线；、、、和根据前轴左车轮和右车轮的垂直载荷确定。

35、一些方案中所述的基于工况自适应的线控转向齿条力估计方法，根据转向几何关系换算得到齿条力，作为第二估计值，包括：

36、根据转向梯形几何关系，分别将左前轮和右前轮的轮胎回正力矩除以对应侧转向节臂的有效等效力臂，得到左前轮和右前轮施加在齿条端的力；

37、将左前轮和右前轮施加在齿条端的力求和得到齿条力，作为第二估计值。

38、一些方案中所述的基于工况自适应的线控转向齿条力估计方法，所述第二估计值的权重按照下式确定：

39、；

40、其中，为第二估计值的权重，为路面附着系数估计值，为方向盘转速，第一函数和第二函数均为s型函数；

41、最终齿条力的计算公式为：

42、；

43、其中，为最终齿条力，为第二估计值，为第一估计值。

44、一些方案中所述的基于工况自适应的线控转向齿条力估计方法：

45、；

46、其中，为第一曲线斜率增益；为附着系数阈值。

47、一些方案中所述的基于工况自适应的线控转向齿条力估计方法：

48、；

49、其中，为第二曲线斜率增益；为方向盘转速阈值。

50、一些方案中所述的基于工况自适应的线控转向齿条力估计方法，方向盘转速阈值随车速变化：

51、在车速低于第一车速阈值时，取第一阈值；

52、在车速高于第二车速阈值时，取第二阈值，所述第二阈值小于所述第一阈值；

53、在车速介于所述第一车速阈值和所述第二车速阈值之间时，在所述第一阈值和所述第二阈值之间线性插值。

54、第二方面，本技术技术方案提供一种基于工况自适应的线控转向齿条力估计系统，包括：

55、参数获取模块，被配置为获取转向系统数据、整车状态数据、方向盘转速和路面附着系数；

56、齿条力第一估计器，被配置为根据所述转向系统数据，利用基于转向系统动力学模型的扩展状态观测器估计广义齿条力，由广义齿条力反算得到狭义齿条力作为第一估计值；

57、齿条力第二估计器，被配置为根据所述整车状态数据，利用整车动力学模型和轮胎动力学模型计算左前轮和右前轮的轮胎回正力矩，并根据转向几何关系换算得到齿条力作为第二估计值；

58、融合控制模块，被配置为根据所述方向盘转速和所述路面附着系数确定融合权重，对第一估计值和第二估计值加权融合得到最终齿条力；其中，融合权重中第二估计值的权重通过第一函数与第二函数的乘积确定，第一函数以路面附着系数估计值为自变量且随其增大而增大，第二函数以方向盘转速为自变量且随其绝对值的增大而减小。

59、第三方面，本技术技术方案提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有程序信息，计算机读取所述程序信息后执行第一方面中任一项所述的基于工况自适应的线控转向齿条力估计方法的步骤。

60、第四方面，本技术技术方案提供一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现第一方面中任一项所述的基于工况自适应的线控转向齿条力估计方法的步骤。

61、第五方面，本技术技术方案提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现第一方面中任一项所述的基于工况自适应的线控转向齿条力估计方法的步骤。

62、本技术提供的上述技术方案，相比于现有技术，具有如下技术效果：

63、本技术提供的基于工况自适应的线控转向齿条力估计方法及系统，获取转向系统数据、整车状态数据、方向盘转速和路面附着系数后，通过基于转向系统动力学模型的扩展状态观测器获得第一估计值，通过基于整车动力学模型和轮胎动力学模型计算左前轮和右前轮的轮胎回正力矩并换算得到第二估计值，两个估计值的计算能够抑制转向系统内部摩擦和外部扰动以及反映轮胎与路面相互作用；根据方向盘转速和路面附着系数动态确定融合权重，使路面附着系数增大时第二估计值权重增大、方向盘转速增大时第二估计值权重减小，从而在低速大转角、低附着等工况下优先采用第一估计值，在高速小转角、高附着等工况下优先采用第二估计值，实现全工况下齿条力的准确、鲁棒估计，且无需增设额外传感器。