一种用于线控转向系统的可变角传动比生成方法

1.本发明涉及汽车的转向控制技术领域，具体涉及一种用于线控转向系统的可变角传动比生成方法。


背景技术：

2.线控转向系统(steer-by-wire,sbw)在当前广泛应用的电动助力转向系统(electric power steering,eps)基础上发展而来，系统将驾驶员的操作输入转化为电信号，无需机械装置连接，通过can通讯传递给转向执行机构实现转向，可以自由地设计转向系统的角传递特性和力传递特性。相比eps系统，线控转向车辆设计更灵活，机械连接约束较少，可实现转向系统和转向盘总成的解耦，十分契合自动驾驶的需求，是实现高级别自动驾驶汽车、智能网联汽车的核心技术环节之一，也是汽车转向系统未来的发展方向。
3.线控转向系统由路感模拟器总成和转向执行机构总成组成。路感模拟器主要包括转向盘、路感电机、转矩转角传感器、路感模拟控制器等组件，为驾驶员操纵转向盘提供模拟的路感反馈，同时将驾驶员操纵信号转换为目标前轮转角信号。转向执行机构主要包括转向执行电机、转向控制器、转角传感器、转向机构等组件，转向控制器通过私域can通讯接收路感模拟控制器发出的目标前轮转角请求，控制转向执行电机通过转向机构推动前轮转动到目标角度，实现前轮转向。
4.灵活的角传递特性是线控转向系统相比eps的一大特点，也是设计的关键点之一。角传递特性通过角传动比体现，即转向盘转角与前轮转角的比值，直接影响整车的转向稳定性和操纵轻便性。在eps中，由于转向管柱与转向机之间存在机械连接，角传动比为定值；在sbw中，角传动比设计为可变，可实现低车速时高灵活性、高车速时高稳定性强的转向性能。
5.目前，线控转向可变角传动比设计较多基于稳态转向增益不变的方法，以减小实际转向系统、悬架系统、轮胎等部件的非线性特性对整车操纵的影响。对于转向角传动比固定的车辆，整车横摆角速度增益对转向盘转角阶跃信号的响应随车速变化而变化：车速越快，横摆角速度增益的振荡越剧烈，车辆越接近不稳定状态，驾驶员操作难度越大，越不安全。因此，从整车横摆角速度增益不变的角度设计可变角转动比，可保证汽车在不同车速下均具有相近的响应，降低车辆驾驶难度，对不同驾驶者都有较好的适应性。专利cn202210248910.6设计当车速处于30-120km/h区间时，转向系统角传动比根据定横摆角速度增益进行计算，横摆角速度增益由车辆横摆角速度传感器采集并在电子控制单元中计算获得。专利cn202010004877.3以基于横摆角速度增益的变角传动比公式建立了操纵稳定性评价指标值，进而获得车辆操纵性能评价指标。该设计等间距(0.1、0.15、0.2
……
0.5)地选取横摆角速度增益值，计算每个横摆角速度增益和车速下的操纵稳定性指标，通过二次多项式拟合得到每个车速下最优的横摆角速度增益值，并最终用于计算目标角传动比。专利cn202111382718.8首先根据转向盘参数确定基准传动比，再根据车速查取预设的车速增益模型确定车速增益系数和转向灵敏度修正系数，对基准传动比进行修正，得到目标变传动
比。
6.此外，可变角传动比设计还有一类方法，利用设计前期的仿真模拟将角传动比设计成横摆角速度、车速、侧向加速度、转向盘转角等参数的函数，直接生成映射关系map。实际车辆行驶时，通过采集所涉信号，实时对信号进行处理并在映射关系map中查取当前角传动比。当前应用较多的车速、转向盘转角对目标角传动比的三维映射map。
7.现有的两类生成目标角传动比的方法主要存在以下不足：
8.(1)采用给定横摆角速度增益计算目标传动比时，目标传动比随车速变化的总体趋势为：先增大，达到最大值后开始减小，并随车速进一步增大而减小，如图1所示。以图1为例，当车速超过80km/h后，目标角传动比开始下降。然而，高车速情况下角传动比减小，将导致车辆高速行驶时转向灵敏度增大，具体表现为车辆对转向盘转角输入十分敏感，驾驶员对转向盘的微小转动或误操作都会引起前轮转角的大幅变化，容易导致高车速情况下车辆失控。
9.同时，采用给定横摆角速度增益计算目标传动比时，随着车速增大，相同转向盘转角下的侧向加速度稳态增益值将逐渐增大，由于轮胎附着力的限制，过大的侧向加速度可能导致车辆侧滑，车辆难以控制，影响车辆的操纵稳定性。
10.(2)现有采用上述方法计算的设计中，为避免高车速目标角传动比减小的问题，一般将车速达到一定较高阈值(如100km/h或120km/h)后设定目标角传动比为一个定值，即目标角传动比的最大值。然而，直接给定最大值可能导致目标角传动比较小，转向灵敏度仍然较大的问题；或者设定的目标角传动比偏大，无法实现与低车速的平滑过渡。
11.(3)对于直接从车速、转向盘转角对角传动比的三维映射map查取目标值的方法，该三维映射map形状特性复杂，涉及到车辆转向稳定性、操纵灵敏度等多个重要性能指标，在车辆实际标定过程中难以直接获得，实施起来难度较大。


技术实现要素：

12.本发明的目的是针对现有技术中的问题，提供一种用于线控转向系统的可变角传动比生成方法，该方法将横摆角速度灵敏度和侧向加速度灵敏度相结合，并根据车速和转向盘转角进行加权调节和修正，生成目标角传动比。
13.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
14.一种用于线控转向系统的可变角传动比生成方法，包括如下步骤：
15.s1，采集车速u、车辆稳定性因数k及转向盘转角δ
sw
信号，并对车速u信号进行低通滤波处理；
16.s2，获得不同车速下横摆角速度灵敏度和侧向加速度灵敏度
17.s3，计算基于横摆角速度的理想角传动比i
yaw
和基于侧向加速度灵敏度的理想角传动比i
ay
；
18.s4，对角转动比进行加权调节，加权调节后的角传动比的计算公式为i
vsr_weighted
＝p
·iyaw
(1-p)
·iay
，p为预设的加权调节因数，取值为0到1；
19.s5，对加权调节后的角传动比进行转向盘转角系数修正，修正后的角传动比的计算公式为：i
vsr
＝g
sw
·ivsr_weighted
，g
sw
为转向盘转角系数；
20.s6，对修正后的角传动比进行限值，限值后的目标角传动比的计算公式为：
21.其中，u1和u2均为车速阈值；
22.s7，生成目标角传动比i
vsr
。
23.优选地，步骤s2中，先预设横摆角速度灵敏度与车速的映射图、侧向加速度灵敏度与车速的映射图，然后通过仿真软件进行仿真修正，或者通过实车测试标定进行修正，得到最终的横摆角速度灵敏度-车速的映射图、侧向加速度灵敏度-车速的映射图，从而得到不同车速下横摆角速度灵敏度和侧向加速度灵敏度
24.优选地，步骤s3中，基于横摆角速度的理想角传动比i
yaw
的计算公式为：l为轴距，l＝lf lr，lf和lr分别为前、后轴距离整车质心的距离。
25.优选地，步骤s3中，基于侧向加速度的理想角传动比i
ay
的计算公式为：l为轴距，l＝lf lr，lf和lr分别为前、后轴距离整车质心的距离。
26.优选地，步骤s4中，当车速＜40km/h时，p值为1；当40km/h≤车速≤160km/h时，p值逐渐减小；当车速＞160km/h时，p值为0。
27.优选地，步骤s5中，转向盘转角系数g
sw
的确定方法为：
28.(1)当转向盘转角从0开始增加且不大于转角第一阈值p0时，转向盘转角系数g
sw
取值为最大值cmax，cmax≥1；
29.(2)当转向盘转角从第一阈值p0后增加，且小于转角第二阈值p1时，转向盘转角系数g
sw
线性地逐渐减小；
30.(3)当转向盘转角增加达到转角第二阈值p1，并继续增加时，转向盘转角系数g
sw
保持在最小值cmin，cmin≤1。
31.进一步地，车速不同时，最大值cmax和最小值cmin均不同，车速越高，最大值cmax越小并且越接近1，最小值cmin越大并且越接近1。
32.进一步地，转向盘以不同的方向转动时，转向盘转角系数g
sw
的变化趋势相同。
33.优选地，步骤s6中，在车速为零状态下，通过期望的转向盘最大转角与前轮最大转角之比确定理想角传动比最小值i
vsr_min
；在车速为120km/h、双移线仿真工况下根据期望的转向盘转角与该前轮转角之比确定理想角传动比最大值i
vsr_max
。
34.优选地，步骤s1中，车速u信号、车辆稳定性因数k通过can总线从整车控制器中获取，或者使车辆稳定性因数k采用定值，从转向盘转角传感器采集转向盘转角δ
sw
信号。
35.由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
36.(1)本发明将横摆角速度灵敏度和侧向加速度灵敏度相结合，可显著改善现有的采用给定横摆角速度增益计算目标传动比时，中高车速情况下车辆侧向加速度不断增大，可能导致失控、侧滑等不稳定现象的问题。通过预设的加权对角传动比进行调节，可实现中低车速时以横摆角速度灵敏度预设值变化为主，以减小车辆转向时的非线性特性，驾驶员操纵时的可控感更强，提高了路感跟踪能力和操纵轻便性；高车速时以侧向加速度灵敏度
预设值变化为主，将侧向加速度灵敏度控制在驾驶员易于操纵的安全限度内，使前轮转角对转向盘输入变化变得缓慢，提高操纵安全性和车辆侧向稳定性。
37.(2)本发明可实现相同车速下角传动比随转向盘转角的变化，对于停车、掉头等低车速大转角场景，可有效减小驾驶员操纵负担，发挥出线控转向的优势。
38.(3)相比直接从车速、转向盘转角对角传动比的三维映射map查取目标值的方法，本方案给出了目标角传动比的生成步骤，每一步涉及到的映射关系均可通过简单可行的方式进行预设，且便于标定和调整，具有较好的实施可行性。
附图说明
39.附图1为现有技术目标传动比随车速变化示意图；
40.附图2为本发明的目标可变角传动比生成步骤流程图；
41.附图3为本发明的目标可变角传动比生成流程框图；
42.附图4为本发明的横摆角速度灵敏度与车速的映射关系图；
43.附图5为本发明的侧向加速度灵敏度与车速的映射关系图；
44.附图6本发明的加权调节系数与车速的映射关系图；
45.附图7为本发明的转角修正系数的确定示意图。
具体实施方式
46.本发明针对现有技术中计算目标角传动比方法的不足，提出了将横摆角速度灵敏度和侧向加速度灵敏度相结合，并根据车速和转向盘转角进行加权调节和修正的目标角传动比生成方法。实施步骤和流程框图如图2和图3所示。具体实施步骤如下：
47.s1，信号采集与处理。
48.线控转向系统中的路感模拟器总成控制器从整车控制器中通过can总线获取车速信号u和车辆稳定性因数k。从转向盘转角传感器采集转向盘转角信号δ
sw
，并对车速信号u进行低通滤波处理。
49.可选地，也可将车辆稳定性因数k选取为能够反映整车不足转向特性的定值，用于目标角传动比的计算。
50.本实施例中采用一阶数字低通滤波器得到车速低频信号，计算方式如下式所示：
51.y(n)＝α
·
x(n) (1-α)
·
y(n-1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
52.其中，x(n)为n时刻的输入车速信号值；y(n)和y(n-1)为n和n-1时刻车速信号输出值；α为滤波系数，可通过标定得到。
53.s2，获取不同车速下转向灵敏度和
54.预设横摆角速度灵敏度与车速的映射图、侧向加速度灵敏度与车速的映射图，并通过仿真软件进行仿真修正，或者通过实车测试标定进行修正，得到最终的横摆角速度灵敏度-车速的映射图、侧向加速度灵敏度-车速的映射图，根据上述的映射图，得到不同车速下横摆角速度灵敏度和侧向加速度灵敏度
55.作为预设的参考，对于一般驾驶员，横摆角速度灵敏度取值在0.16～0.37s-1
为宜；对于经验丰富的驾驶员，横摆角速度灵敏度取值在0.22～0.41s-1
较为合适。本实施例中，横摆角速度灵敏度取值范围为随着车速增加从0.30～0.18s-1
线性减小，如图4所示。
56.侧向加速度灵敏度取值与转向盘每转动100度产生的侧向加速度增量有关，这一增量值一般范围为0.9～1.4g/100度。本设计中取值范围预设为随着车速增加从1.2～1.3g/100度线性增加，如图5所示。
57.s3，计算基于横摆角速度的理想角传动比i
yaw
和基于侧向加速度灵敏度的理想角传动比i
ay
。
58.稳态下线性二自由度车辆动力学模型写成状态空间形式如下：
[0059][0060][0061][0062]
其中，m为整车质量；r为横摆角速度；β为质心侧偏角；δf为前轮转角；cf和cr分别为前、后轮侧偏刚度；lf和lr分别为前、后轴距离整车质心的距离，轴距l＝lf lr；i
zz
为整车横摆转动惯量。
[0063]
横摆角速度灵敏度可从式(2)中推导得到，表达式如下：
[0064][0065]
转向盘转角与前轮转角之比因此得到基于横摆角速度的理想角传动比表达式为：
[0066][0067]
同理，推导得到基于侧向加速度的理想角传动比表达式：
[0068][0069]
获取滤波后车速u、稳定性因数k、映射得到的横摆角速度灵敏度和侧向加速度灵敏度后，通过式(4)计算得到基于横摆角速度的理想角传动比i
yaw
，通过式(5)计算得到基于侧向加速度灵敏度的理想角传动比i
ay
。
[0070]
s4，对理想角转动比进行加权调节。
[0071]
为了使线控转向车辆在低速时获得线性的、可控的操纵性能，中低车速范围内角
传动比应以基于横摆角速度的理想角传动比为主。为了使车辆在高速时有适当的转向灵敏度，高速范围内角传动比应以基于侧向加速度灵敏度的理想角传动比为主。
[0072]
本发明加权调节后的角传动比通过以下表达式计算：
[0073]ivsr_weighted
＝p
·iyaw
(1-p)
·iay
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0074]
其中，p为预设的加权调节因数，取值为0到1。本发明设计加权调节因数与车速存在如下映射关系：当车速较低时，如车速＜40km/h，p取值为1，角传动比设计以操纵性为主；当车速处于中高范围时，如40km/h≤车速≤160km/h，p取值逐渐减小，角转动比设计逐渐向稳定性过渡；当车速高于一定值时，如车速＞160km/h时，p取值为0，角传动比设计以稳定性为主。加权调节系数p与车速的映射关系图如图6所示。
[0075]
s5，对加权后的角传动比进行转向盘转角系数修正。
[0076]
低车速时，车辆存在需要驾驶员大角度操纵转向盘的场景，通过对角传动比进行转角系数修正，可以使相同车速下转向盘转角越大，角传动比越小。相比修正前，转向盘转动较小的转角即可达到相同的前轮转角，有利于在停车、掉头等场景下减小驾驶员的操纵负担。
[0077]
高车速时，车辆对转向盘转角输入十分敏感，驾驶员对转向盘的微小转动或误操作会引起前轮转角的大幅变化，容易导致高车速情况下车辆失控。通过对角传动比进行转角系数修正，相比修正前，可使转向盘转动相对较大的转角才可达到相同的前轮转角，有利于降低转向盘灵敏度，提高车辆的稳定性和安全性。
[0078]
本发明设计转向盘转角系数g
sw
，修正后的角传动比通过以下表达式计算：
[0079]ivsr
＝g
sw
·ivsr_weighted
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0080]
转向盘转角系数g
sw
预设值可通过以下方法确定，具体如图7所示。
[0081]
当转向盘转角从0开始增加，且不大于转角第一阈值p0时，转向盘转角系数g
sw
取值为cmax，即转向盘转角系数g
sw
的最大值，本实施例中，最大值cmax大于等于1，这一设计可使转向盘在转角不大的范围内降低灵敏度，用于提高中高车速下的稳定性和安全性。
[0082]
当转向盘转角从第一阈值p0后增加时，且小于转角第二阈值p1时，转向盘转角系数g
sw
线性地逐渐减小。
[0083]
当转向盘转角增加达到转角第二阈值p1并继续增加时，转向盘转角系数g
sw
不再减小，保持在转向盘转角系数的最小值cmin，本实施例中，最小值cmin小于等于1，这一设计使转向盘在大角度情况下转向系统可减小驾驶员操作负担。
[0084]
转向盘向不同的方向转动时，转向盘转角系数g
sw
的变化趋势与上述相同。
[0085]
对于不同车速，本实施例中，将转向盘转角系数g
sw
的最大值cmax和最小值cmin设计为变化值，具体变化规律为：车速越高，最大值cmax越小并且越接近1，最小值cmin越大并且越接近1。
[0086]
s6，对理想角传动比进行限值。
[0087]
为了避免出现理想角传动比为零或者理想角传动比偏大，无法实现与低车速的平滑过渡的情况，对理想角传动比的最小值和最大值分别进行限定。
[0088]
理想角传动比的最小值确定方法为：在车速为零状态下，根据期望的转向盘最大转角与前轮最大转角之比确定最小值。确定对应的车速阈值u1，本实施例中，车速阈值u1为30km/h。
[0089]
最大值确定方法为：在120km/h车速、双移线仿真工况下，前轮转角一般约为1.5
°
，根据期望的转向盘转角与该前轮转角之比确定最大值i
vsr_max
。确定对应的车速阈值u2，本实施例中，车速阈值u2为100km/h。
[0090]
限值后的目标角传动比为：
[0091][0092]
s7，根据公式(8)生成目标角传动比i
vsr
。
[0093]
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。