汽车四轮主动转向操纵控制系统的制作方法

专利名称：汽车四轮主动转向操纵控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及汽车转向控制技术领域，尤其是涉及一种适用于前后轮均 能主动转向汽车即四轮转向汽车的汽车四轮主动转向操纵控制系统。
背景技术：
汽车的搡纵性是指汽车能够遵循驾驶员通过转向器及转向车轮给定 的方向行驶，也就是维持直线行驶或能按照给定半径弯道进行转向的能 力，操纵性的不良或丧失，将导致汽车侧滑、激转甚至倾覆等危险发生。
汽车在高速转向过程中，由于路面摩擦条件的限制经常会造成驾驶员 不能准确控制车辆转向或车辆对驾驶员指令不能准确快速反应，导致出现 侧滑或偏离预定行驶车道，甚至进入对方行驶车道从而发生碰撞、追尾或 避让不及等交通事故。
汽车在转向过程中出现侧滑，是由于路面所能提供给车轮的侧向转弯 力(侧向摩擦力)小于车辆由于作曲线运动而产生的离心力所致，汽车前、 后轴侧滑的综合作用将导致车辆质心处速度方向与车辆纵向对称轴线产 生夹角，即产生车体侧偏角，使得车辆不能按照给定弯道半径准确转向而 偏离预定行驶车道，同时也将对驾驶员的前方视野造成不良影响，这都将 对车辆的安全行驶造成重大影响。
汽车是否能按照预定半径弯道进行准确转向同时也与汽车转动的快 慢，即车体转动角速度也有关联，车体转动角速度由地面作用于各轮胎上 的侧向力对质心的横摆力矩决定。在转向过程中，过大或过小的横摆力矩 将导致车辆的过多转向或较多的不足转向。过多转向是由较小的后轴侧向 力引起，不足转向则由不足的前轴侧向力引起。当前轴地面侧向力饱和达 到摩擦极限时，会产生车辆的"漂移"现象，转弯半径要比驾驶员期望的要大，车辆很难跟随预期的轨迹。当后轴地面侧向力饱和达到摩擦极限时， 将产生车辆的"激转"现象，此时转弯半径比驾驶员期望的要小，车体产 生了较大的侧偏角，将逐渐失去稳定性，驾驶员很难控制车辆，对于未加 装主动转向控制系统的车辆具有极大的危险性。
因此可知，车体侧偏角与转动角速度是影响车辆转向操纵性能的两个 主要指标，而传统的前轮转向汽车仅单纯依靠调整前轮转角则很难同时实
现对二者的满意控制；但对于四轮转向汽车，如果利用方向盘转角来体现
驾驶员的转向意图，然后通过主动调整汽车前、后轮转角来校正驾驶员期 望转向状态与车辆实际转向状态的偏差则很容易实现对二者的综合控制， 从而达到通过主动转向控制技术来改善车辆转向操纵性、提高行驶安全性 的目的。

发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一 种汽车四轮主动转向操纵控制系统，其设计合理且使用操作简便，能有效 改善四轮转向汽车转弯时的操纵性问题，大大提高了汽车在会车、超车和 弯道行驶时的安全性。
为解决上述技术问题，本发明釆用的技术方案是 一种汽车四轮主动转 向操纵控制系统，其特征在于包括实时对驾驶员预定转向状态进行检测 的驾驶员预定转向检测装置、实时对车辆实际转向状态进行检测的实际转 向检测装置，以及对所述驾驶员预定转向检测装置和实际转向检测装置所 检测信号进行分析比较并相应对前轮转向控制器和后轮转向控制器进行 控制的电子控制单元；所述驾驶员预定转向检测装置和实际转向检测装置 均与电子控制单元相接。
所述驾驶员预定转向检测装置包括实时对方向盘转角进行检测的方 向盘转角传感器、实时对车辆行驶速度进行检测的行驶速度传感器，以及 驾驶员预定转向控制器；所述驾驶员预定转向控制器为根据方向盘转角传感器和行驶速度传感器所检测信号并结合推算得出的车辆理想转向模型， 相应分析处理得出驾驶员预定车体质心侧偏角与预定车体转动角速度的 控制器；
所述方向盘转角传感器和行驶速度传感器均接驾驶员预定转向控制器。
所述实际转向检测装置包括实时对车体纵向加速度进行检测的纵向 加速度传感器、实时对车体侧向加速度进行检测的侧向加速度传感器、实 时对车辆行驶速度进行检测的行驶速度传感器，以及车辆实际转向控制
器；所述车辆实际转向控制器为根据纵向加速度传感器、侧向加速度传感 器和行驶速度传感器所检测信号并结合推算得出的车辆动力学模型，利用 卡尔曼递推滤波方法相应分析处理得出实际车体质心侧偏角与实际车体 转动角速度的控制器；
所述纵向加速度传感器、侧向加速度传感器和行驶速度传感器均接车 辆实际转向控制器；所述纵向加速度传感器与侧向加速度传感器均安装在 车体质心。
所述电子控制单元包括对驾驶员预定转向控制器和车辆实际转向控 制器所输出信号进行比较和偏差运算的状态偏差控制功能模块，以及依据 最优控制方法相应对前轮转向控制器和后轮转向控制器进行控制的主动 转向最优控制功能模块；
所述方向盘转角传感器、驾驶员预定转向控制器和状态偏差控制功能 模块均接主动转向最优控制功能模块；
所述主动转向最优控制功能模块为将方向盘转角传感器输出信号的 前馈增益值、驾驶员预定转向控制器输出信号的前馈增益值以及状态偏差 控制功能模块的反馈增益值加权合成后，对前轮转向控制器和后轮转向控 制器进行控制的控制模块。
本发明与现有技术相比具有以下优点，1、设计新颖且控制关系合理、 功能齐全、控制精度高。2、在转弯过程中，通过本发明对四轮转向汽车进行控制，能对被控车体的车体侧偏角进行有效调整，使得经调整被控车 体的车体侧偏角角度很小，因而能有效避免车辆高速过弯时较易出现的车 身姿态不良问题，也就是说能有效减少车体的后部摆尾情形，并能改善驾 驶员的目视条件，减少了交通事故发生的可能性。3、本发明能够控制车 体具有合适的转动角速度，保证了车辆能跟随预期的道路轨迹行驶，因而 对车辆的高速行驶稳定性具有良好的辅助驾驶功能，大大提高了行驶安全 性。4、本发明通过后轮主动参与车辆转向，缩短了后轴地面侧向力产生 的滞后，减小了车辆对驾驶员搡纵指令的反应时间并提高了反应的准确
性，改善了车辆的搡纵性。5、釆用卡尔曼滤波估计技术进行车体侧偏角
与转动角速度实时信号的软测量，减少了对车体侧偏角传感器与检测车体 转动角速度的车载陀螺仪的需要，降低了传感器使用成本。综上，本发明 结构合理且成本低廉，在有效改善汽车转向时的路径跟踪精度的同时，也
能够对高速行驶情况下的驾驶员转向操作发挥智能辅助作用；并且在减少
转向时车体质心侧偏角的同时，又保证了汽车转动角速度与驾驶员期望的
一致性，有利于汽车高速行驶时的操纵稳定性控制，大大提高了汽车高速 行驶时的主动安全性和汽车在会车、超车以及紧急避让时的安全性。 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。


图1为本发明的电路框图。
图2为本发明电子控制单元的控制原理图。 附图标记说明
l一状态信号测量装置； 2 —电子控制单元； 3—前轮转向控制器； 4一后轮转向控制器； 5—行驶速度传感器；6—方向盘转角传感器； 7 —驾驶员预定转向控制8 —纵向加速度传感9一侧向加速度传感器；
器； 器'，
IO —车辆实际转向控制ll一状态偏差控制功12 —主动转向最优控制器； 能模块； 功能模块；
13—四轮转向汽车；"一驾驶员预定转向
控制器。
具体实施例方式
如图i所示，本发明包括实时对驾驶员预定转向状态进行检测的驾驶 员预定转向检测装置、实时对车辆实际转向状态进行检测的实际转向检测 装置，以及对所述驾驶员预定转向检测装置和实际转向检测装置所检测信
号进行分析比较并相应对前轮转向控制器3和后轮转向控制器4进行控制 的电子控制单元2;所述驾驶员预定转向检测装置和实际转向检测装置均 与电子控制单元2相接。所述驾驶员预定转向检测装置和实际转向检测装 置组成状态信号测量装置l。
本实施例中，所述驾驶员预定转向检测装置包括实时对方向盘转角进 行检测的方向盘转角传感器6、实时对车辆行驶速度进行检测的行驶速度 传感器5，以及驾驶员预定转向控制器7。所述驾驶员预定转向控制器7 为根据方向盘转角传感器6和行驶速度传感器5所检测信号并结合推算得 出的车辆理想转向模型14,相应分析处理得出驾驶员预定车体质心侧偏角 与预定车体转动角速度的控制器。所述方向盘转角传感器6和行驶速度传 感器5均接驾驶员预定转向控制器7。其中，车体质心侧偏角是指车体质 心实时速度方向与车体纵向对称轴线的夹角，车体转动角速度是指绕过车 体质心垂直轴线转动的角速度。其中，所述车辆理想转向模型14由行驶 速度传感器5与方向盘转角传感器6所检测信号推算得出。
其中，所述驾驶员预定车体质心侧偏角与预定车体转动角速度，即为 汽车转向过程中的预定转向状态值。
所述实际转向检测装置包括实时对车体纵向加速度进行检测的纵向 加速度传感器8、实时对车体侧向加速度进行检测的侧向加速度传感器9、 实时对车辆行驶速度进行检测的行驶速度传感器5,以及车辆实际转向控
8制器10。所述车辆实际转向控制器10为根据纵向加速度传感器8、侧向
加速度传感器9和行驶速度传感器5所检测信号并结合推算得出的车辆动
力学模型，利用卡尔曼递推滤波方法相应分析处理得出实际车体质心侧偏 角与实际车体转动角速度的控制器。
所述纵向加速度传感器8、侧向加速度传感器9和行驶速度传感器5 均接车辆实际转向控制器10。所述纵向加速度传感器8与侧向加速度传感 器9均安装在车体质心。
其中，所述汽车转向过程中的实际车体质心侧偏角与实际车体转动角 速度，即为实际转向状态值。具体确定实际转向状态值时，先利用纵向加 速度传感器8、侧向加速度传感器9和行驶速度传感器5三者所检测的信 号，来确定各个轮胎在转弯过程中所实际承受的垂直载荷；再由上述计算 结果且按照轮胎模型，计算此时地面可提供的转弯力(即轮胎侧向力)， 然后根据轮胎侧向力与车辆状态变量的动力学关系计算车辆的实际转向 状态值。在实际转向状态值计算过程中，具体是用卡尔曼滤波方法进行计 算。上述卡尔曼滤波方法是一种在前一时刻状态估计值的基础上，根据当 前时刻的测量值，递推得到当前时刻状态估计值的递推线性最小方差估计 技术。
所述电子控制单元2包括对驾驶员预定转向控制器7和车辆实际转向 控制器IO所输出信号进行比较和偏差运算的状态偏差控制功能模块11， 以及依据最优控制方法相应对前轮转向控制器3和后轮转向控制器4进行 控制的主动转向最优控制功能模块12。所述方向盘转角传感器6、驾驶员 预定转向控制器7和状态偏差控制功能模块11均接主动转向最优控制功 能模块12。
所述主动转向最优控制功能模块12为将方向盘转角传感器6输出信 号的前馈增益值、驾驶员预定转向控制器7输出信号的前馈增益值以及状 态偏差控制功能模块11的反馈增益值加权合成后，对前轮转向控制器3 和后轮转向控制器4进行控制的控制模块。结合图2,所述电子控制单元2由两个前馈环节和一个反馈环节组成，
其最优控制的实质是驾驶员按照正常驾驶传统前轮转向汽车的方式，根
据实际道路情况和车辆运动响应的反馈信息，对四轮主动转向汽车即四轮
转向汽车13的方向盘进行操作。在车辆行驶过程中，电子控制单元2首 先将由方向盘转角传感器6检测确定的方向盘转角&，通过给定转向传动 比i,转换为作为电子控制单元2即最优控制器参考输入的参考前轮转角 Sf',并且以跟踪车辆理想转向模型14的转向状态为目标，利用最优控制 算法计算车辆需要的实际前、后轮转角5f与&，并相应对前轮转向控制器 3和后轮转向控制器4进行控制，用于实际控制四轮转向汽车13完成转向 运动；同时，相应精确完成转向过程的路径跟踪任务，尽量减少车辆的侧 向滑移，保持车身良好姿态。其中，^一方向盘转角，可通过所给定的转 向传动比i转换为对应的参考前轮转角Sf' (S/=Sw/i) ; Xd—驾驶员预定转 向状态信号(包含驾驶员预定车体质心侧偏角与预定车体转动角速度信 号)；X—车辆实际转向状态信号(包含实际车体质心侧偏角与实际车体 转动角速度信号)；e—车辆实际转向状态信号与驾驶员预定转向状态信 号的偏差；r一状态误差e的反馈增益矩阵；f为理想车辆模型状态XJ卩 驾驶员预定转向状态信号的前馈增益矩阵；r为参考前轮转角S/的前馈增 益矩阵；U—最优控制器输出信号(包含前、后轮转角Sf与&)。
本发明的工作过程是当车辆转向时，首先由状态信号测量装置1， 实时检测确定汽车转向过程中的实际转向状态值和驾驶员期望的预定转 向状态值。
随后，状态信号测量装置1将其所得出的车辆实际转向状态信号与驾 驶员期望的转向状态信号输送至电子控制单元2中内嵌的状态偏差控制功
能模块11,状态偏差控制功能模块11通过对上述两种状态信号进行比较 与分析后得出二者状态偏差值，并实时输送至电子控制单元2中内嵌的主 动转向最优控制功能模块12,主动转向最优控制功能模块12根据方向盘 转角传感器6实时检测信号和上述状态偏差值通过最优控制方法确定最优的汽车前轮转角与后轮转角，并对前轮转角控制器3与后轮转角控制器4 进行相应控制，以实现车辆转弯过程中减小车体侧偏角与改善转弯过多或 转弯不足的控制目的，最终达到改善汽车操纵性与提高转向安全性的目的。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是 变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
权利要求
1.一种汽车四轮主动转向操纵控制系统，其特征在于包括实时对驾驶员预定转向状态进行检测的驾驶员预定转向检测装置、实时对车辆实际转向状态进行检测的实际转向检测装置，以及对所述驾驶员预定转向检测装置和实际转向检测装置所检测信号进行分析比较并相应对前轮转向控制器(3)和后轮转向控制器(4)进行控制的电子控制单元(2)；所述驾驶员预定转向检测装置和实际转向检测装置均与电子控制单元(2)相接。
2. 按照权利要求l所述的汽车四轮主动转向操纵控制系统，其特征在 于所述驾驶员预定转向检测装置包括实时对方向盘转角进行检测的方向 盘转角传感器(6 )、实时对车辆行驶速度进行检测的行驶速度传感器(5 )， 以及驾驶员预定转向控制器(7);所述驾驶员预定转向控制器(7)为根 据方向盘转角传感器(6)和行驶速度传感器(5)所检测信号并结合推算 得出的车辆理想转向模型(14),相应分析处理得出驾驶员预定车体质心 侧偏角与预定车体转动角速度的控制器；所述方向盘转角传感器(6)和行驶速度传感器(5)均接驾驶员预定 转向控制器(7)。
3. 按照权利要求2所述的汽车四轮主动转向操纵控制系统，其特征在 于所述实际转向检测装置包括实时对车体纵向加速度进行检测的纵向加 速度传感器(8)、实时对车体侧向加速度进行检测的侧向加速度传感器(9)、实时对车辆行驶速度进行检测的行驶速度传感器(5)，以及车辆 实际转向控制器(10);所述车辆实际转向控制器(10)为根据纵向加速 度传感器(8)、侧向加速度传感器(9)和行驶速度传感器(5)所检测 信号并结合推算得出的车辆动力学模型，利用卡尔曼递推滤波方法相应分 析处理得出实际车体质心侧偏角与实际车体转动角速度的控制器；所述纵向加速度传感器(8)、侧向加速度传感器(9)和行驶速度传 感器(5)均接车辆实际转向控制器(10);所述纵向加速度传感器(8)与侧向加速度传感器(9)均安装在车体质心。
4.按照权利要求3所述的汽车四轮主动转向搡纵控制系统，其特征在 于所述电子控制单元(2)包括对驾驶员预定转向控制器(7)和车辆实 际转向控制器(10)所输出信号进行比较和偏差运算的状态偏差控制功能 模块(11)，以及依据最优控制方法相应对前轮转向控制器(3)和后轮 转向控制器(4)进行控制的主动转向最优控制功能模块(12);所述方向盘转角传感器(6)、驾驶员预定转向控制器(7)和状态偏 差控制功能模块(11)均接主动转向最优控制功能模块(12);所述主动转向最优控制功能模块(12)为将方向盘转角传感器(6) 输出信号的前馈增益值、驾驶员预定转向控制器(7)输出信号的前馈增 益值以及状态偏差控制功能模块(11)的反馈增益值加权合成后，对前轮 转向控制器(3)和后轮转向控制器(4)进行控制的控制模块。
全文摘要
本发明公开了一种汽车四轮主动转向操纵控制系统，包括实时对驾驶员预定转向状态进行检测的驾驶员预定转向检测装置、实时对车辆实际转向状态进行检测的实际转向检测装置，以及对所述驾驶员预定转向检测装置和实际转向检测装置所检测信号进行分析比较并相应对前轮转向控制器和后轮转向控制器进行控制的电子控制单元；所述驾驶员预定转向检测装置和实际转向检测装置均与电子控制单元相接。本发明设计合理且使用操作简便，能有效改善四轮转向汽车转弯时的操纵性问题，大大提高了汽车在会车、超车和弯道行驶时的安全性。
文档编号B62D6/00GK101537853SQ200910021369
公开日2009年9月23日 申请日期2009年3月4日 优先权日2009年3月4日
发明者 张, 峰 杜, 林广宇, 伟 赵, 赵凯辉, 赵建有, 邱兆文, 涛 陈, 朗 魏 申请人:长安大学