线控转向系统齿条力计算方法、方向盘路感输出方法及系统

本发明涉及汽车线控转向系统控制，具体是一种基于双动力学融合的线控转向系统齿条力计算方法、一种线控转向系统方向盘路感输出方法及一种基于双动力学融合的线控转向系统。

背景技术：

1、随着线控转向技术的快速发展，齿条力的准确观测已成为路感反馈控制的核心基础，直接决定转向手感的真实性与驾驶安全性。

2、现阶段，多采用单一动力学模型实现齿条力估计，例如仅基于转向系统动力学或仅基于整车动力学构建观测器。这类单一方法受自身模型适用边界限制，难以同时兼顾低速与中高速工况的观测需求，全车速范围内的估计精度普遍偏低，易导致低速转向路感过重失真、高速转向路感发飘不足的问题，影响驾驶体验与操控安全性。

3、为提升齿条力观测精度，又进一步出现了耦合多种观测方法的融合方案，但此类方案普遍采用固定比例加权或基于车速阈值的分段式固定权重融合策略。尽管该类方式能够在一定程度上拓宽工况覆盖范围，在部分典型工况下提升估计精度，但其融合效果高度依赖分段阈值与固定权重的设定合理性，权重参数需依赖人工经验反复标定，难以适配车速与侧向加速度连续动态变化的复杂行驶工况。当分段区间划分与权重比例设置不合理时，不仅无法充分发挥多方法协同的增益作用，反而易在工况切换节点产生估计值阶跃突变与误差放大现象，导致齿条力观测精度不升反降，同时还会引发路感反馈生硬、平顺性不足等问题；此外，现有融合方案普遍不具备单路观测通道的故障容错能力，当齿条位移、电机力矩等传感器出现信号漂移、丢失，或单路观测器收敛异常时，会直接导致融合结果失准，引发路感反馈异常，存在行车安全隐患。上述问题均难以满足线控转向系统全工况高精度、高平顺性、高可靠性的路感反馈需求。

4、综上，单一动力学模型的齿条力观测方法存在全工况适配性不足、整体估计精度偏低的局限，而现有多方法融合方案又受限于固定权重与分段切换的模式，无法动态适配复杂多变的行驶工况，且缺乏故障容错机制，易出现工况切换处估计值阶跃突变、单通道故障时控制可靠性不足的问题，始终难以同时满足线控转向系统对齿条力观测全工况高精度、高平顺性与高可靠性的应用需求。

技术实现思路

1、为了解决现有齿条力观测中多方法融合的固定分段权重策略依赖人工标定、工况切换易产生阶跃突变且精度稳定性不足，难以同时满足全工况高精度与高平顺性的技术问题，本发明提供了一种基于双动力学融合的线控转向系统齿条力计算方法。基于该齿条力计算方法，本发明还提供了一种线控转向系统方向盘路感输出方法及一种基于双动力学融合的线控转向系统。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于双动力学融合的线控转向系统齿条力计算方法，包括以下计算步骤：

4、采集整车传感器组的实时信号，整车传感器组至少包括转向执行电机力矩传感器、齿条位移传感器、方向盘转角传感器、车速传感器、侧向加速度传感器与横摆角速度传感器；

5、构建h∞观测器，以转向执行电机力矩为控制输入、以齿条位移为观测量进行鲁棒状态估计，输出适用于低速及原地转向工况的第一齿条力估计值frst；

6、构建扩展卡尔曼滤波观测器，以方向盘转角为输入、以侧向加速度与横摆角速度为观测量进行递归状态估计，输出适用于中高速转向工况的第二齿条力估计值frvh；

7、根据实时车速v与侧向加速度ay，计算初始自适应融合系数，vlim为车速阈值，k1为车速加权增益，k2为侧向加速度敏感系数，p为调节参数；

8、分别计算h∞观测通道健康指数hst与扩展卡尔曼观测通道健康指数hvh，并结合w0构建最终融合系数；

9、基于frst、frvh、wc，计算得到全工况最优齿条力估计值；并将frfd输出至路感反馈控制环节，用于生成路感电机驱动指令。

10、作为上述方案的进一步改进：h∞观测器基于线控转向系统的转向系统动力学模型构建，选取齿条位移、齿条速度、齿条力为状态量，通过求解riccati方程得到观测器增益矩阵，以使模型参数摄动与外部扰动下的估计误差满足预设的h∞性能指标。

11、作为上述方案的进一步改进：扩展卡尔曼滤波观测器基于整车二自由度动力学模型构建，选取质心侧偏角、横摆角速度、前后轮侧向力为状态量，通过递归滤波估计前轴侧向力，再经转向传动机构力学关系换算得到第二齿条力估计值frvh。

12、作为上述方案的进一步改进：前轴侧向力换算为第二齿条力估计值frvh的过程具体为：将前轴总侧向力通过转向梯形机构的等效力臂转换为车轮回正力矩，再经齿轮齿条传动比与传动效率换算得到第二齿条力估计值frvh。

13、作为上述方案的进一步改进：车速阈值vlim为低速转向工况与中高速转向工况的分界车速；当车速v满足0＜v≤10km/h时，为低速转向工况；当车速v满足10km/h

14、作为上述方案的进一步改进：低速转向工况对应的初始自适应融合系数为w0≥0.8，中速转向工况对应的初始自适应融合系数为0.2

15、作为上述方案的进一步改进：车速加权增益k1、侧向加速度敏感系数k2、调节参数p、车速阈值vlim均为可标定参数，可根据目标车型的转向系统机械特性、轮胎侧偏刚度特性独立标定，以适配不同级别车辆的齿条力观测需求。

16、一种线控转向系统方向盘路感输出方法，包括以下输出步骤：

17、采用基于双动力学融合的线控转向系统齿条力计算方法，获取实时的全工况最优齿条力估计值frfd；

18、基于全工况最优齿条力估计值frfd，通过预设的力矩映射关系转换生成目标路感反馈力矩；

19、根据目标路感反馈力矩向路感电机输出驱动指令，驱动路感电机向方向盘施加对应反馈力矩，实现路感还原。

20、作为上述方案的进一步改进：力矩映射关系包含阻尼补偿、惯性补偿与摩擦补偿环节，用于修正转向系统机械特性带来的路感失真。

21、一种基于双动力学融合的线控转向系统，包括整车传感器组、整车控制器与路感执行机构，整车传感器组、路感执行机构均与整车控制器信号连接；

22、整车传感器组至少包括转向执行电机力矩传感器、齿条位移传感器、方向盘转角传感器、车速传感器、侧向加速度传感器与横摆角速度传感器，用于采集整车实时运行信号并传输至整车控制器；

23、整车控制器内置依次信号连接的第一齿条力观测模块、第二齿条力观测模块、自适应融合计算模块与路感反馈执行模块，用于基于双动力学融合的线控转向系统齿条力计算方法，以及线控转向系统方向盘路感输出方法；

24、路感执行机构包括路感电机与方向盘，用于接收整车控制器的驱动指令，向方向盘施加对应反馈力矩。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

26、1、在本发明的齿条力计算方法中，首先分别构建适配不同工况特性的专属观测器，以具备强鲁棒抗扰能力的h∞观测器输出低速及原地转向工况的第一齿条力估计值，有效应对低速工况下摩擦非线性、参数摄动突出的干扰，以具备优异随机噪声抑制性能的扩展卡尔曼滤波观测器输出中高速转向工况的第二齿条力估计值，精准适配中高速下整车动力学主导齿条力的特性，从观测源头保障了各车速区间的基础观测精度，为融合输出提供可靠的双数据源；其次采用由实时车速与侧向加速度双输入驱动的连续型初始自适应融合系数计算公式，替代传统阈值分段的固定权重模式，该公式为全程单调连续可导的平滑函数，不存在硬切换阈值与阶跃断点，可随车速与侧向加速度的变化实现权重的无级平滑过渡，有效地消除了工况切换节点的估计值跳变问题，同时融合权重由当前行驶状态动态解算得到，无需人工划定多段固定权重区间，仅需通过少量具有明确物理意义的标定参数调整权重过渡特性，大幅降低了人工标定的工作量与经验依赖，提升了参数设置的合理性与普适性；最后车速维度之外额外引入侧向加速度作为权重调节变量，通过二次项形式匹配轮胎侧偏非线性的变化规律，可在同一车速下根据转向激烈程度动态调整两路观测结果的权重占比，侧向加速度越大、轮胎非线性越强，整车动力学观测结果的权重便自动提升，使融合权重始终与当前齿条力的实际动力学来源相匹配，保障了不同横向动态工况下的观测精度稳定性，最终通过动态加权融合得到兼顾全工况高精度与高平顺性的最优齿条力估计值。

27、2、本发明的线控转向系统方向盘路感输出方法依托覆盖全车速区间的高精度齿条力观测结果生成路感力矩，能够在原地、低速、中速至高速的全工况下保持路感强度与质感的协调统一，有效的避免了单一动力学模型工况适配局限导致的低速路感失真、高速路感发飘等问题，保证不同行驶状态下转向手感的一致性；同时得益于初始自适应融合系数的连续平滑过渡特性，路感反馈力矩随工况变化无级调节，不存在分段切换带来的阶跃突变与手感卡顿，有效提升了转向过程的平顺性与驾驶舒适性；此外，高精度的齿条力估计能够更真实地复现轮胎侧向受力与路面激励变化，使反馈至方向盘的路感更贴近实际路面状态，兼顾路感的清晰度与细腻度，为驾驶员提供自然、精准且舒适的转向反馈体验。

28、3、本发明进一步引入观测通道健康指数与健康修正机制，构建了具备故障容错能力的融合观测架构。通过多维度状态评价实时监测两路观测链路的可信程度，并基于健康指数对融合权重进行连续修正，在单路传感器故障、信号干扰或观测器收敛异常时，系统可自动平滑地切换至健康通道输出，无需设置硬切换阈值。该机制既避免了故障工况下齿条力估计失准引发的路感失真与操控风险，又保证了故障降级过程中路感反馈无阶跃突变，显著提升了线控转向系统的鲁棒性与功能安全符合性，更适配量产车辆的车规级应用要求。