[发明专利]基于驾驶员行为辨识的线控转向双电机系统及其横摆稳定性补偿策略

权利要求书

1.一种基于驾驶员行为辨识的线控转向双电机系统，其特征在于，该系统包括：采集单元、中央控制器、转向盘总成和前轮转向总成；

所述采集单元包括：转向盘转角传感器(4)，转向盘力矩传感器(5)，前轮转角传感器(9)，前轮力矩传感器(12)，车速传感器(19)，侧向加速度传感器(20)和横摆角速度传感器(21)；

所述中央控制器包括运算控制器(7)、鲁棒性控制及补偿单元(18)；所述鲁棒性控制及补偿单元(18)包括鲁棒性控制单元和补偿控制策略单元；

所述转向盘总成包括依次连接的转向盘(1)、转向柱(2)、路感电机(3)和路感电机控制器(6)；

所述前轮转向总成包括依次连接的转角电机控制器(8)，转角电机(10)，双级减速器(11)，转矩电机控制器(16)，转矩电机(13)，减速器(14)，齿轮齿条机构(15)，前轮(17)；

其中，转向盘(1)通过转向杆柱(2)与路感电机(3)及转向盘转角传感器(4)相连接，转向盘力矩传感器(5)安装在转向杆柱(2)上；路感电机控制器(6)安装在路感电机(3)上，并与转向盘力矩传感器(5)相接；

齿轮齿条转向器(15)分别与转角电机(10)、转矩电机(13)、双级减速器(11)、减速器(14)相连接，前轮(17)安装在齿轮齿条转向器(15)的两侧；前轮转角传感器(9)安装在前轮(17)上；前轮转角传感器(9)与转矩传感器(12)连接总线，将转角电机控制器(8)及转矩电机控制器(16)的信号输入到总线中，再通过总线传输到鲁棒性控制及补偿单元(18)中；转角电机(10)及双级减速器(11)均与转角电机控制器(8)相连接，转矩电机(13)及减速器(14)均与转矩电机控制器(16)相连接；

侧向加速度传感器(20)和横摆角速度传感器(21)均安装在前轮(17)上，侧向加速度传感器(20)和横摆角速度传感器(21)均分别与鲁棒性控制及补偿单元(18)连接；

鲁棒性控制及补偿的单元(18)与路感控制器(6)分别与总线相连接，鲁棒性控制及补偿的单元(18)与转矩电机控制器(12)，转角电机控制器(8)，前轮转角传感器(9)，转矩传感器(12，运算控制器(7)，转角电机控制器(8)及转矩电机控制器(16)分别连接。

2.如权利要求1所述基于驾驶员行为辨识的线控转向双电机系统的横摆稳定性补偿策略，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1：

在汽车行驶过程中，通过采集单元采集驾驶员的行为信号，方向盘转角传感器的转角信号δ_sw1，实际横摆角速度信号ω_r，车速信号u，转角电机的转角信号θ，转矩电机的转矩信号并传递给运算控制器；

步骤2.1：

运算控制器通过驾驶员行为辨识得到反应驾驶员意图的理想转向盘转角δ_sw；

设车辆质心相对于地面坐标系的位置为(X，Y)，车辆纵轴线与X轴的夹角为φ(车辆横摆角)，则X，Y和φ可以通过下式求得：

其中，X₀，Y₀是t＝0时刻车辆的位置；

根据预瞄点处的位移误差和汽车当前位置的行驶角误差来决定转向盘转角的输入大小：

前视时间T_p的预瞄点处位移误差ε_y由期望路径的侧向位移Y_d、当前时刻车辆质心处的侧向位移Y_d和确定；

转向盘转角可表示为汽车行驶位移误差与方向误差的加权和与驾驶员操作延迟的乘积：

其中：δ_sw为理想方向盘转角；K₁和K₂分别为驾驶员对位移误差和方向误差的补偿增益；τ_d为延迟时间；

步骤2.2：

运算控制器通过综合横摆角速度增益与侧向加速度增益的影响得到线控转向双电机汽车的理想传动比：

其中：C_wr是横摆角速度增益对应的系数，取值范围为3.03-6.25，C_ay是侧向加速度增益对应的系数，取值范围0.16-0.22；

步骤2.3：

运算控制器将实时转向盘δ_sw代入逆向理想输入模型(5)，获得转角电机输入理想电流i₂，并进一步传递给转角电机控制器；

其中δ_f是前轮转角，δ_sw是转向盘转角，B_R是系统等效阻尼系数，理想传动比i_d，齿条小齿轮转角到转向前轮转角的传动比，T_m2是转角电机的输出转矩，J_m2是转角电机的转动惯量，δ_m2是转角电机的转角，B_m2是转角电机的阻尼，T_g2是转角电机的负载转矩，K_t是转角电机的转矩系数，i₂是转矩电机的电流，G1是二级减速器的减速比，J_R是齿轮齿条系统等效转动惯量，B_R是齿轮齿条系统等效阻尼，T_a是转向车轮的所受的回正力矩，f_p是摩擦阻力矩，η是系统的传递效率；

步骤2.4：

转角电机控制器通过前轮转角传感器与转矩传感器将获得的信号：方向盘转角信号理想值δ_sw、车速信号u、理想横摆角速度、实际横摆角速度信号ω_r传递给鲁棒性控制单元；

步骤3：

鲁棒性控制单元根据汽车实时车速u和前轮转角输入整车转向二自由度模型得到实际横摆角速度ω_r：

式中：m为汽车质量；I_Z为汽车绕z轴的转动惯量；k₁、k₂分别为前后车轮的侧偏刚度；δ_f为前轮转角；a，b分别为前、后轴至车辆质心的距离；u为车辆前进速度；ω_r为横摆角速度；β为质心侧偏角；

同时运算控制器通过实时反应驾驶员意图的理想的转向盘转角信号δ_sw，与车速信号u计算出理想横摆角速度ω_r^*，并发送给鲁棒性控制单元；

理想横摆角速度

稳定性因素

其中m是汽车的质量，L是汽车的前后轴矩，k₁是汽车前轴车轮的侧偏刚度，k₂是汽车的后轴车轮的侧偏刚度，a是汽车的前轴轴矩，b是汽车的后轴轴矩，K是汽车的稳定性因素，u是汽车的纵向车速；

步骤4：

鲁棒性控制单元获得实际横摆角速度与理想横摆角速度后的综合处理，并把实际横摆角速度与理想横摆角速度差值Δω_r转换成相应的补偿转矩T₁，路面干扰形成的补偿转矩T₂，系统摩擦形成的补偿转矩T₃，考虑系统稳定性控制因素，同时采用μ综合鲁棒控制，获得补偿控制策略，传递给补偿控制策略单元；

其中ΔT＝kc*ΔI (18)

ΔT是总的补偿转矩，ΔI是转矩电机的补偿电流；

所述μ综合鲁棒控制根据线控转向双电机横摆角速度的状态空间实现：

控制系统的状态变量为系统的输入为u＝[ΔI]，系统的扰动输入为w＝[I d_r F_yw]^T，系统输出为y＝[r]，则线控转向双电机横摆角速度控制的状态空间实现为：

式中，

其中θ_s2是转角电机作用下的小齿轮转角，θ_s3是转矩电机作用下的小齿轮的转角，B_R是系统等效阻尼系数，齿条小齿轮转角到转向前轮转角的传动比G，I是转角电机的理想输入电流，ΔI是转矩电机补偿电流输入，J_m2是转角电机的转动惯量，J_m3是转矩电机的转动惯量，B_m2是转角电机的阻尼，B_m3是转矩电机的阻尼，K_t是转角电机和转矩电机的转矩系数，G1是二级减速器的减速比，J_R是齿轮齿条系统等效转动惯量，B_R是齿轮齿条系统等效阻尼，f_p是摩擦阻力矩，η＝0.99是系统的传递效率；

步骤5：

补偿控制策略单元接受来自鲁棒性控制单元的补偿转矩进行补偿控制策略判定：

当总的补偿转矩为正值时，控制转矩电机进行转矩的补偿：

齿条的运动微分方程为：

式中：m_rack为齿条的质量；y_rack为齿条的位移；r_L为主销轴的偏置；K_L为转向拉杆刚度；B_rack为齿条阻尼系数；F_frrack为系统间的摩擦力，G为双减速器机构的减速比；T_g2是转角电机的输出转矩；T_g3是转矩电机上一时刻的输出转矩：

ΔT＝T₁+T₂+T₃ (24)

其中：ΔT是总的补偿转矩，T₁使弥补横摆角速度差值所需的补偿转矩，T₂路面干扰形成的补偿转矩，T₃系统摩擦形成的补偿转矩；

当总的补偿转矩ΔT为负值或0时，不控制转矩电机进行转矩的补偿，齿条的运动微分方程为：

式中：m_rack为齿条的质量；y_rack为齿条的位移；r_L为主销轴的偏置；K_L为转向拉杆刚度；B_rack为齿条阻尼系数；F_frrack为系统间的摩擦力，G为双减速器机构的减速比；T_g2是转角电机的输出转矩；T_g3是转矩电机的输出转矩。