一种线控独立转向系统及其容错控制方法

1.本发明属于汽车线控转向技术领域，涉及一种线控独立转向系统及其容错控制方法。


背景技术：

2.随着车辆智能化技术的不断发展，线控转向(steer-by-wire)技术的应用受到了广泛关注。线控转向系统使方向盘单元与转向执行单元的的机械分离，驾驶员转向指令与地面反馈的信息交互通过传感系统及控制单元实现，这种输入输出解耦的控制方式不仅可以基于不同的行车情景自动调节前轮转向响应，还可以避免路面的不利反馈对驾驶员造成干扰。
3.线控独立转向实现了两前轮的相对转动，较之于传统线控转向的梯形转向关系，其对车辆的稳定性有更大程度的保证。作为一种结构与失效形式更为复杂的线控转向系统，当前大多数独立转向设计方案考虑了线控独立转向的失效冗余，采用电控液压系统或电控传动机构的调节驱动转向轮的能量输入，将线控独立转向降级为线控梯形转向或电控助力转向。
4.然而，现有的设计方案在单侧车轮偏离预期角度到两轮转向角耦合的这一动态过程中，失效侧车轮转角无法快速精准调控以对齐未失效侧车轮转角。因此，当前失效轮转角与未失效轮的转角耦合调控仍对线控独立转向到线控梯形转向切换过程中整车转向动作影响存在较大影响。


技术实现要素：

5.为了克服上述技术问题，本发明提出一种线控独立转向系统，其对于线控转向系统的不同失效条件所导致的失效轮转向偏移，可以在不对未失效轮进行转向调节的前提下使其满足梯形转向关系以切换为线控梯形转向，降低了失效切换对转向动作的影响，且在线控梯形转向模式下仍保持部分部件冗余，大大提高了转向系统的冗余范围与程度。
6.本发明解决上述问题的技术方案是：一种线控独立转向系统，其特殊之处在于：
7.包括转向操纵及反作用力产生单元，用于转向动作输入及对方向盘施加的反作用扭矩，其包括：方向盘、转向柱、扭矩转角传感器、第一反力电机减速机、第一反力电机、第一电磁离合器、第二反力电机减速机、第二反力电机、转向传动轴；
8.所述方向盘与转向柱上端连接，第一反力电机用于带动与第一转向柱转动，第二反力电机用于带动转向转动轴转动，转向柱下端通过第一电磁离合器与转向传动轴上端连接；
9.转向单元，用于控制车轮转向，其包括：第二电磁离合器、齿轮传动机、第三电磁离合器、第四电磁离合器、第一转向驱动电机、第二转向驱动电机、第一小齿轮传动轴、第二小齿轮传动轴、第一转向驱动电机减速机、第二转向驱动电机减速机、第一横拉杆位移传感器、第二横拉杆位移传感器、第一转向横拉杆、第二转向横拉杆；
10.所第二电磁离合器通过与转向传动轴的连接与所述转向操纵及反作用力产生单元相连；第二电磁离合器与齿轮传动机的齿轮机第一齿轮轴-的上端或者齿轮机第二齿轮轴-的上端连接，第一小齿轮传动轴、第二小齿轮传动轴分别与齿轮机第一齿轮轴-的下端、齿轮机第二齿轮轴-的下端相连；第一转向驱动电机通过第一驱动电机减速机与第一小齿轮轴连接并通过齿轮齿条配合使第一转向横拉杆产生直线位移，第二转向驱动电机通过第二转向驱动电机减速机与第二小齿轮轴连接并通过齿轮齿条配合使第二转向横拉杆产生直线位移，第一横拉杆位移传感器安装于第一转向横拉杆所在壳体，第二横拉杆位移传感器安装于第二转向横拉杆所在壳体；
11.控制单元，用于接收系统状态信号并发送控制指令，分别与所述第一反力电机、第二反力电机、第一转向驱动电机、第二转向驱动电机、第一电磁离合器、第二电磁离合器、第三电磁离合器、第四电磁离合器、扭矩转角传感器、第一转向横拉杆位移传感器、第二转向横拉杆位移传感器信号线连接。
12.进一步地，上述第一反力电机通过第一反力电机减速机与第一转向柱连接，第二反力电机通过第二反力电机减速机与转向转动轴连接。
13.进一步地，上述转向操纵及反作用力产生单元的转向传动轴与第一电磁离合器与第二电磁离合器之间分别通过万向传动机构连接，以适应车辆转向系统空间布置需求。
14.进一步地，上述转向执行单元的第一小齿轮传动轴与第三电磁离合器通过万向传动机构连接，以适应车辆转向系统空间布置需求。
15.进一步地，上述转向执行单元的第二小齿轮传动轴与第四电磁离合器通过万向传动机构连接，以适应车辆转向系统空间布置需求。
16.另外，本发明还提出一种基于上述线控独立转向系统的容错控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
17.步骤1、进行系统自检，判断第一反力电机、第二反力电机、第一转向驱动电机、第二转向驱动电机是否存在失效，若第一反力电机失效，则进入步骤2.1，若第二反力电机失效，则进入步骤3.1，若第一转向驱动电机失效，则进入步骤4.1，若第二转向驱动电机失效，则进入步骤5.1；若否，则程序返回结束；
18.步骤2.1、切换模式1，结束后进行然后进行下一步；
19.步骤2.2、进行系统自检，判断第一转向驱动电机、第二转向驱动电机是否失效，若第一转向驱动电机失效，则用第二转向驱动电机代偿冗余，若第二转向驱动电机失效，则用第一转向驱动电机代偿冗余；若否，则程序返回结束；
20.步骤3.1、切换模式1，结束后进行然后进行下一步；
21.步骤3.2、进行系统自检，判断第一转向驱动电机、第二转向驱动电机是否失效，若第一转向驱动电机失效，则用第二转向驱动电机代偿冗余，若第二转向驱动电机失效，则则用第一转向驱动电机代偿冗余；若否，则程序返回结束；
22.步骤4.1、切换模式2，结束后进行然后进行下一步；
23.步骤4.2、进行系统自检，判断第二转向驱动电机、第二反力电机、第一反力电机是否失效，若第一反力电机失效，则切换模式4；若第二反力电机失效，用第二转向驱动电机代偿冗余，若第二转向驱动电机失效，则用第二反力电机代偿冗余；若否，则程序返回结束；
24.步骤5.1、切换模式，
25.步骤5.2、进行系统自检，判断第一转向驱动电机、第二反力电机、第一反力电机是否失效，若第一反力电机失效，则切换模式4；若第二反力电机失效，用第一转向驱动电机代偿冗余，若第一转向驱动电机失效，则用第二反力电机代偿冗余；若否，则程序返回结束。
26.进一步地，所述模式1包括以下步骤：
27.1)线控独立转向系统执行器各部件保持初始状态；
28.2)读取方向盘转矩与转角信号；
29.3)ecu依据梯形转向算法生成车轮目标转角信号；
30.4)ecu向第一转向执行电机发送转角控制指令，并反馈执行器执行状态，第一转向驱动电机依据整车转角指令调节本侧车轮转角；ecu向第二转向驱动电机发送转角控制指令，并反馈执行器执行状态，第二转向驱动电机依据整车转角指令调节本侧车轮转角；
31.5)左右两侧车轮转角等于ecu梯形转向策略目标转角信号；
32.6)第三电磁离合器接合，第四电磁离合器接合；
33.7)切换为线控梯形转向模式。
34.进一步地，所述模式2包括以下步骤：
35.1)第一电磁离合器断开，第二电磁离合器接合；
36.2)读取方向盘转矩与转角信号；
37.3)ecu依据梯形转向算法生成车轮目标转角信号；
38.4)ecu向执行第二反力电机发送转角控制指令，并反馈执行器执行状态，转向第二反力电机依据整车转角指令调节本侧车轮转角；ecu向第二转向驱动电机发送转角控制指令，并反馈执行器执行状态，第二转向驱动电机依据整车转角指令调节本侧车轮转角；
39.5)两侧车轮转角等于ecu梯形转向策略转角信号；
40.6)第三电磁离合器接合，第四电磁离合器接合；
41.7)切换为线控梯形转向模式。
42.进一步地，所述模式包括以下步骤：
43.1)第一电磁离合器断开，第二电磁离合器接合；
44.2)读取方向盘转矩与转角信号；
45.3)ecu依据梯形转向算法生成车轮目标转角信号；
46.4)ecu向第二反力电机发送转角控制指令，并反馈执行器执行状态，第二反力电机依据整车转角指令调节本侧车轮转角；ecu向第一转向驱动电机发送转角控制指令，并反馈执行器执行状态，第一转向驱动电机依据整车转角指令调节本侧车轮转角；
47.5)左右两侧车轮转角等于ecu梯形转向策略目标转角信号；
48.6)第三电磁离合器接合，第四电磁离合器接合；
49.7)切换为线控梯形转向模式。
50.进一步地，所述模式4包括以下步骤：
51.1)第二电磁离合器断开；
52.2)读取转向反馈信号；
53.3)ecu依生成目标反作用力矩信号；
54.4)ecu向第二反力电机发送转矩控制指令；
55.5)反作用力矩目标值与实际值相等；
56.6)第一电磁离合器接合；
57.7)完成完成线控梯形转向模式下执行状态切换。
58.本发明的优点：
59.本发明提供的线控独立转向系统及容错控制方法，其对于线控转向系统的不同失效条件所导致的失效轮转向偏移，可以在不对未失效轮进行转向调节的前提下使其满足梯形转向关系以切换为线控梯形转向，降低了失效切换对转向动作的影响，且在线控梯形转向模式下仍保持部分部件冗余，大大提高了转向系统的冗余范围与程度。
附图说明
60.图1是本发明提供的线控独立转向系统示意图；
61.图2是本发明提供的双层失效保护执行策略图；
62.图3是模式1切换流程图；
63.图4是模式2切换流程图；
64.图5是模式3切换流程图；
65.图6是模式4切换流程图。
66.图中所示：
67.1-方向盘；2-转向柱；3-扭矩转角传感器；4-第一反力电机减速机；5-第一反力电机；6-第一电磁离合器；7-第二反力电机减速机；8-第二反力电机；9-转向传动轴；10-第二电磁离合器；11-齿轮传动机；11-1-齿轮机第一齿轮轴；11-2-齿轮机第二齿轮轴；12-第三电磁离合器；13-第四电磁离合器；14-第一转向驱动电机；15-第二转向驱动电机；16-第一小齿轮传动轴；17-第二小齿轮传动轴；18-第一转向驱动电机减速机；19-第二转向驱动电机减速机；20-第一横拉杆位移传感器；21-第二横拉杆位移传感器；22-第一转向横拉杆；23-第二转向横拉杆；24-ecu。
具体实施方式
68.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
69.参见图1，一种线控独立转向系统，包括转向操纵及反作用力产生单元，用于驾驶员转向动作输入及对方向盘施加的反作用扭矩，其包括：方向盘1、转向柱2、扭矩转角传感器3、第一反力电机减速机4、第一反力电机5、第一电磁离合器6、第二反力电机减速机7、第二反力电机8、转向传动轴9。
70.所述转向操纵及反作用力产生单元中，所述方向盘1与转向柱2上端连接，第一反力电机5通过第一反力电机减速机4与第一转向柱2连接，第二反力电机8通过第二反力电机减速机7与转向转动轴9连接，转向柱2下端通过第一电磁离合器6与转向传动轴9上端连接。
71.优选的，所述转向操纵及反作用力产生单元的第一反力电机5可选用直接与转向
柱2配合的直驱电机，从而省去第一反力电机减速机4，从而提高反力力矩反馈性能与传动效率。
72.优选的，所述转向操纵及反作用力产生单元的第一反力电机8可选用直接与转向柱2配合的直驱电机，从而省去第一反力电机减速机7，从而提高力矩反力反馈性能与传动效率。
73.一种可能的实施方式，所述转向操纵及反作用力产生单元的转向传动轴9可加装万向传动机构以适应车辆转向系统空间布置需求并连接第一电磁离合器6与第二电磁离合器10。
74.转向执行单元，用于控制车轮转向，其包括：第二电磁离合器10、齿轮传动机11、第三电磁离合器12、第四电磁离合器13、第一转向驱动电机14、第二转向驱动电机15、第一小齿轮传动轴16、第二小齿轮传动轴17、第一转向驱动电机减速机18、第二转向驱动电机减速机19、第一横拉杆位移传感器20、第二横拉杆位移传感器21、第一转向横拉杆22、第二转向横拉杆23。
75.所述转向执行单元中，第二电磁离合器10通过与转向传动轴9的连接与所述转向操纵及反作用力产生单元相连，第二电磁离合器10、第一小齿轮传动轴16、第二小齿轮传动轴17分别与齿轮传动机11的齿轮机第一齿轮轴111的上端、齿轮机第一齿轮轴111的下端、齿轮机第二齿轮轴1112的下端相连，第一转向驱动电机14通过第一驱动电机减速机18与第一小齿轮轴16连接并通过齿轮齿条配合使第一转向横拉杆22产生直线位移，第二转向驱动电机15通过第二转向驱动电机减速机19与第二小齿轮轴17连接并通过齿轮齿条配合使第二转向横拉杆23产生直线位移，第一横拉杆位移传感器20安装于第一转向横拉杆22所在壳体，第二横拉杆位移传感器21安装于第二转向横拉杆23所在壳体。
76.一种可能的实施方式，所述第二电磁离合器10与齿轮机第二齿轮轴112上端连接从而代替与齿轮机第一传动轴111的连接，进而通过与第二电磁离合器10的连接与所述转向操纵反作用力单元相连。
77.一种可能的实施方式，所述转向执行单元的第一小齿轮传动轴16可加装万向传动机构以适应车辆转向系统空间布置需求并连接第三电磁离合器12与第一小齿轮传动轴16。
78.一种可能的实施方式，所述转向执行单元的第二小齿轮传动轴17可加装万向传动机构以适应车辆转向系统空间布置需求并连接第四电磁离合器13与第二小齿轮传动轴17。
79.控制单元，用于接收系统状态信号并发送控制指令，其分别与所述第一反力电机5、第二反力电机8、第一转向驱动电机14、第二转向驱动电机15、第一电磁离合器6、第二电磁离合器10、第三电磁离合器12、第四电磁离合器13、扭矩转角传感器3、第一转向横拉杆位移传感器20、第二转向横拉杆位移传感器21信号线连接。所述转向操纵及反作用力产生单元与转向执行单元在线控独立转向模式下执行器执行状态为，第一电磁离合器6接合，第二电磁离合器10断开，第三电磁离合器12断开，第四电磁离合器13断开。
80.参见图2，一种基于上述线控独立转向系统的容错控制方法，其包括以下步骤：
81.步骤1、进行系统自检，判断第一反力电机5、第二反力电机8、第一转向驱动电机14、第二转向驱动电机15是否存在失效，若第一反力电机5失效，则进入步骤2.1，若第二反力电机8失效，则进入步骤3.1，若第一转向驱动电机14失效，则进入步骤4.1，若第二转向驱动电机15失效，则进入步骤5.1；若否，则程序返回结束；
82.步骤2.1、切换模式1，结束后进行然后进行下一步；
83.步骤2.2、进行系统自检，判断第一转向驱动电机14、第二转向驱动电机15是否失效，若第一转向驱动电机14失效，则用第二转向驱动电机15代偿冗余，若第二转向驱动电机15失效，则用第一转向驱动电机14代偿冗余；若否，则程序返回结束；
84.步骤3.1、切换模式1，结束后进行然后进行下一步；
85.步骤3.2、进行系统自检，判断第一转向驱动电机14、第二转向驱动电机15是否失效，若第一转向驱动电机14失效，则用第二转向驱动电机15代偿冗余，若第二转向驱动电机15失效，则则用第一转向驱动电机14代偿冗余；若否，则程序返回结束；
86.步骤4.1、切换模式2，结束后进行然后进行下一步；
87.步骤4.2、进行系统自检，判断第二转向驱动电机15、第二反力电机8、第一反力电机5是否失效，若第一反力电机5失效，则切换模式4；若第二反力电机8失效，用第二转向驱动电机15代偿冗余，若第二转向驱动电机15失效，则用第二反力电机8代偿冗余；若否，则程序返回结束；
88.步骤5.1、切换模式3，
89.步骤5.2、进行系统自检，判断第一转向驱动电机14、第二反力电机8、第一反力电机5是否失效，若第一反力电机5失效，则切换模式4；若第二反力电机8失效，用第一转向驱动电机14代偿冗余，若第一转向驱动电机14失效，则用第二反力电机8代偿冗余；若否，则程序返回结束。
90.作为本发明的一个优选实施例，参见图3，所述模式1包括以下步骤：
91.1)线控独立转向系统执行器各部件保持初始状态；
92.2)读取方向盘转矩与转角信号；
93.3)ecu依据梯形转向算法生成车轮目标转角信号；
94.4)ecu向第一转向执行电机发送转角控制指令，并反馈执行器执行状态，第一转向驱动电机依据整车转角指令调节本侧车轮转角；ecu向第二转向驱动电机发送转角控制指令，并反馈执行器执行状态，第二转向驱动电机依据整车转角指令调节本侧车轮转角；
95.5)左右两侧车轮转角等于ecu梯形转向策略目标转角信号；
96.6)第三电磁离合器接合，第四电磁离合器接合；
97.7)切换为线控梯形转向模式。
98.作为本发明的一个优选实施例，参见图4，所述模式2包括以下步骤：
99.1)第一电磁离合器断开，第二电磁离合器接合；
100.2)读取方向盘转矩与转角信号；
101.3)ecu依据梯形转向算法生成车轮目标转角信号；
102.4)ecu向执行第二反力电机发送转角控制指令，并反馈执行器执行状态，转向第二反力电机依据整车转角指令调节本侧车轮转角；ecu向第二转向驱动电机发送转角控制指令，并反馈执行器执行状态，第二转向驱动电机依据整车转角指令调节本侧车轮转角；
103.5)两侧车轮转角等于ecu梯形转向策略转角信号；
104.6)第三电磁离合器接合，第四电磁离合器接合；
105.7)切换为线控梯形转向模式。
106.作为本发明的一个优选实施例，参见图5，所述模式3包括以下步骤：
107.1)第一电磁离合器断开，第二电磁离合器接合；
108.2)读取方向盘转矩与转角信号；
109.3)ecu依据梯形转向算法生成车轮目标转角信号；
110.4)ecu向第二反力电机发送转角控制指令，并反馈执行器执行状态，第二反力电机依据整车转角指令调节本侧车轮转角；ecu向第一转向驱动电机发送转角控制指令，并反馈执行器执行状态，第一转向驱动电机依据整车转角指令调节本侧车轮转角；
111.5)左右两侧车轮转角等于ecu梯形转向策略目标转角信号；
112.6)第三电磁离合器接合，第四电磁离合器接合；
113.7)切换为线控梯形转向模式。
114.作为本发明的一个优选实施例，参见图6，所述模式4包括以下步骤：
115.1)第二电磁离合器断开；
116.2)读取转向反馈信号；
117.3)ecu依生成目标反作用力矩信号；
118.4)ecu向第二反力电机发送转矩控制指令；
119.5)反作用力矩目标值与实际值相等；
120.6)第一电磁离合器接合；
121.7)完成完成线控梯形转向模式下执行状态切换。
122.综上所述，本发明提供的线控独立转向系统及容错控制方法，其对于线控转向系统的不同失效条件所导致的失效轮转向偏移，可以在不对未失效轮进行转向调节的前提下使其满足梯形转向关系以切换为线控梯形转向，降低了失效切换对转向动作的影响，且在线控梯形转向模式下仍保持部分部件冗余，大大提高了转向系统的冗余范围与程度。
123.以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。