一種人機共駕型電動助力轉向系統及模式切換方法與流程

本發明屬于智能汽車無人轉向領域，尤其涉及一種人機共駕型電動助力轉向系統及模式切換方法。

背景技術：

智能汽車是集環境感知、規劃決策、多等級輔助駕駛等多領域高新技術于一體的復雜系統，智能汽車技術的發展必將經歷從部分駕駛功能自主化到完全自主駕駛，從高速公路等簡單環境自動駕駛到各種道路自動駕駛的不斷前進的歷程。德國大陸集團推出的智能汽車計劃分為三步：到2016年實現部分自動駕駛，汽車需要監控系統，駕駛員要隨時準備接手駕駛，目標是實現30km/h以內的自動駕駛；到2020年實現高度自動駕駛，不需要監控系統，但駕駛員要在規定時間內接手駕駛；到2025年實現完全自動駕駛，不需要監控系統，駕駛員也無需接手駕駛。2015年底美國加州公布的自動駕駛汽車在城市中行駛管理草案，對智能汽車的轉向系統提出了明確的要求：必須兼容自動轉向和人工轉向雙重操控模式。

同時，電動助力轉向系統(Electric Power Steering system，簡稱EPS)由電機直接提供助力，通過合適的綜合控制方法，能十分方便的調節系統助力特性，在汽車中得到了越來越廣泛的應用，代表著當今汽車助力轉向系統的發展方向。當前歐美日等國家的新車EPS裝車率已超過40％，其中日本小車EPS裝車率已達到80％。EPS由于在主動安全性、環保節能、電子集成控制、可靠性、結構緊湊性等方面具有顯著優勢，成為智能汽車轉向系統人工轉向操控模式必然的選擇。

中國專利CN103895691A公開了一種商用車智能轉向補償裝置，可以根據車輛行駛狀態，通過正反向補償來減少轉向不足或緩解轉向過度，提高車輛操控靈敏性，但是只是涉及人工轉向的情況，并沒有考慮自動轉向的實現。

中國專利CN101875370A公開了一種汽車自適應智能轉向系統，可以在自動和手動(舒適/智能/運動)轉向模式下切換，但是切換過程需要按下手動/自動轉向開關才可以進行切換，尤其是從自動轉向切換至手動轉向的過程無法自動實現，智能化程度有待進一步提高。

技術實現要素：

為解決上述技術問題，本發明提供了一種人機共駕型電動助力轉向系統及模式切換方法，在充分發揮電動助力轉向系統在人工轉向優勢的基礎之上，通過對原有系統進行改進，增加自動轉向功能，實現智能汽車的人機共駕功能，并保證兩種模式之間的安全智能切換。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種人機共駕型電動助力轉向系統，其特征在于，包括前置轉矩/轉角傳感器、后置轉矩/轉角傳感器、車速傳感器、人機共駕型轉向控制器、模式切換控制器、轉向電機、轉向軸、減速機構、齒輪齒條機構及橫擺角速度傳感器；

所述人機共駕型轉向控制器包括信號調理模塊、微處理器及驅動模塊，所述信號調理模塊用于調理前置轉矩/轉角傳感器、后置轉矩/轉角傳感器及車速傳感器的信號，去除信號中較大的干擾和雜波；所述微處理器用于產生控制轉向電機的控制策略；所述驅動模塊是通過微處理器發出的PWM信號調整比例線圈中的電流大小，從而驅動轉向電機工作；

所述模式切換控制器包括信號調理模塊、微處理器及輸出模塊，所述信號調理模塊用于調理前置轉矩/轉角傳感器、后置轉矩/轉角傳感器及車速傳感器的信號，去除信號中較大干擾的和雜波；所述微處理器用于產生模式切換控制策略；所述輸出模塊是根據微處理器發出的高低電平信號，把相應的工作模式傳輸給人機共駕型轉向控制器；

所述轉向軸與齒輪齒條機構通過齒輪嚙合，所述轉向軸從上至下依次安裝有前置轉矩/轉角傳感器、減速機構及后置轉矩/轉角傳感器，所述減速機構與轉向電機通過聯軸器連接；所述轉向電機與人機共駕型轉向控制器通過導線連接，所述人機共駕型轉向控制器通過電流控制轉向電機；所述人機共駕型轉向控制器還通過導線分別與車速傳感器、模式切換控制器連接，分別用于產生電動助力轉向控制策略、判斷人機駕駛模式的切換時間；

所述模式切換控制器通過導線分別與前置轉矩/轉角傳感器、后置轉矩/轉角傳感器、車速傳感器及橫擺角速度傳感器相連，采集轉矩/轉角值、車速以及橫擺角速度值，用于判斷當前車輛的轉向模式，并將當前車輛的轉向模式通過高低電平信號傳輸給人機共駕型轉向控制器；

所述人機共駕型轉向控制器通過導線與前置轉矩/轉角傳感器、后置轉矩/轉角傳感器及車速傳感器相連，所述人機共駕型轉向控制器通過采集前置轉矩/轉角傳感器的轉矩/轉角信號與車速傳感器的車速信號或后置轉矩/轉角傳感器的轉矩/轉角信號與車速傳感器)的車速信號，分別對轉向電機控制，實現人駕模式轉向控制或機駕模式轉向控制。

上述方案中，所述人機共駕型轉向控制器包含兩種轉向模式，即人駕模式和機駕模式。

上述方案中，在人駕模式下，轉向電機充當助力電機，輔助駕駛員進行人工轉向；在機駕模式下，轉向電機充當驅動電機，實現無駕駛員參與的自動轉向操作。

一種人機共駕型電動助力轉向系統的模式切換方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1)，根據模式切換控制器采集前置轉矩/轉角傳感器、后置轉矩/轉角傳感器的轉矩/轉角信號以及車速傳感器的車速信號，計算當前車速下的理想橫擺角速度值

步驟2)，根據模式切換控制器采集車速傳感器的車速信號，計算當前車速下的橫擺角速度值的上限值

步驟3)，由當前車速下的橫擺角速度值的上限值得到當前車速下橫擺角速度值的安全值，同時得到系統認為可以進行兩種轉向模式之間進行切換的當前車速下橫擺角速度值的安全域；

步驟4)，從機駕模式切換到人駕模式的過程中，通過檢測前置轉矩/轉角傳感器和后置轉矩/轉角傳感器的轉矩值，判斷是否存在轉矩差；同時判斷橫擺角速度傳感器檢測到的當前橫擺角速度值是否處于橫擺角速度安全域中，從而確定是否可以實現機駕模式到人駕模式的切換；

步驟5)，從人駕模式切換到機駕模式的過程中，通過檢測前置轉矩/轉角傳感器的轉矩值，判斷是否存在轉矩值；同時判斷前置轉矩/轉角傳感器的轉矩值是否維持在3秒以上以及橫擺角速度傳感器檢測到的當前橫擺角速度值是否處于橫擺角速度安全域中，從而確定是否可以實現人駕模式到機駕模式的切換。

進一步，所述步驟3)中當前車速下橫擺角速度值的安全值為其中k為當前車速下橫擺角速度值的安全系數，安全系數k是經過大量仿真和試驗獲取的。

進一步，所述步驟3)中當前車速下橫擺角速度值的安全域為

本發明的有益效果為：本發明通過對現有電動助力轉向系統的簡單改造，在原有電動助力轉向系統上加裝后置轉矩/轉角傳感器，實現人駕和機駕兩種模式下轉矩轉角信號的實時獲取，為兩種模式下的轉向電機的工作提供極大便利；同時根據前置轉矩/轉角傳感器和后置轉矩/轉角傳感器的信號，可以簡單快速的判斷當前車輛的轉向模式，并可以實現兩種轉向模式之間的自動、安全切換。

附圖說明

圖1為人機共駕型電動助力轉向系統的結構示意圖；

圖2為人機共駕型電動助力轉向系統模式切換方法的流程圖；

圖3為機駕模式向人駕模式切換時，人機共駕型電動助力轉向系統的模式切換原理框圖；

圖4為人駕模式向機駕模式切換時，人機共駕型電動助力轉向系統的模式切換原理框圖。

圖中：1-前置轉矩/轉角傳感器；2-后置轉矩/轉角傳感器；3-車速傳感器；4-人機共駕型轉向控制器；5-模式切換控制器；6-轉向電機；7-轉向軸；8-減速機構；9-齒輪齒條機構；10-橫擺角速度傳感器。

具體實施方式

下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步的說明。

如圖1所示，一種人機共駕型電動助力轉向系統，包括前置轉矩/轉角傳感器1、后置轉矩/轉角傳感器2、車速傳感器3、人機共駕型轉向控制器4、模式切換控制器5、轉向電機6、轉向軸7、減速機構8、齒輪齒條機構9及橫擺角速度傳感器10；

人機共駕型轉向控制器4包括信號調理模塊、微處理器及驅動模塊，信號調理模塊用于調理前置轉矩/轉角傳感器1、后置轉矩/轉角傳感器2及車速傳感器3的信號，去除信號中較大的干擾和雜波；微處理器用于產生控制轉向電機6的控制策略；驅動模塊是通過微處理器發出的PWM信號調整轉向電機6比例線圈中的電流大小，從而驅動轉向電機6工作；

模式切換控制器5包括信號調理模塊、微處理器及輸出模塊，信號調理模塊用于調理前置轉矩/轉角傳感器1、后置轉矩/轉角傳感器2及車速傳感器3的信號，去除信號中較大干擾的和雜波；微處理器用于產生模式切換控制策略；輸出模塊是根據微處理器發出的高低電平信號，把相應的工作模式(人駕或機駕模式)傳輸給人機共駕型轉向控制器4；

轉向軸7與齒輪齒條機構9通過齒輪嚙合，轉向軸7從上至下依次安裝有前置轉矩/轉角傳感器1、減速機構8及后置轉矩/轉角傳感器2，減速機構8與轉向電機6通過聯軸器連接；轉向電機6與人機共駕型轉向控制器4通過導線連接，人機共駕型轉向控制器4通過電流控制轉向電機6；人機共駕型轉向控制器4還通過導線分別與車速傳感器3、模式切換控制器5連接，分別用于產生電動助力轉向控制策略、判斷人機駕駛模式的切換時間；

模式切換控制器5通過導線分別與前置轉矩/轉角傳感器1、后置轉矩/轉角傳感器2、車速傳感器3及橫擺角速度傳感器10相連，采集轉矩/轉角值、車速以及橫擺角速度值，用于判斷當前車輛的轉向模式，并將當前車輛的轉向模式通過高低電平信號傳輸給人機共駕型轉向控制器4；

人機共駕型轉向控制器4通過導線與前置轉矩/轉角傳感器1、后置轉矩/轉角傳感器2及車速傳感器3相連，人機共駕型轉向控制器4通過采集前置轉矩/轉角傳感器1的轉矩/轉角信號與車速傳感器3的車速信號或后置轉矩/轉角傳感器2的轉矩/轉角信號與車速傳感器3的車速信號，分別對轉向電機6控制，實現人駕模式轉向控制或機駕模式轉向控制。

人機共駕型轉向控制器4包含兩種轉向模式，即人駕模式(人工轉向)和機駕模式(自動轉向)；在人駕模式(人工轉向)下轉向電機6充當助力電機，輔助駕駛員進行人工轉向；在機駕模式(自動轉向)下，轉向電機6充當驅動電機，實現無駕駛員參與的自動轉向操作。

一種人機共駕型電動助力轉向系統的工作過程為：

人機共駕型轉向控制器4通過采集前置轉矩/轉角傳感器1的轉矩/轉角信號與車速傳感器3的車速信號或后置轉矩/轉角傳感器2的轉矩/轉角信號與車速傳感器3的車速信號；經信號調理模塊去除干擾和雜波后的信號傳輸給微處理器，微處理器通過接收的轉矩/轉角信號與車速信號產生控制轉向電機6的控制策略，并發出PWM信號調整轉向電機6比例線圈中的電流大小，從而驅動轉向電機6工作；轉向電機6經過減速機構8輸出轉矩給轉向軸7，帶動齒輪齒條機構9工作，從而使得車輪產生轉向運動；

當轉向模式需要切換時，模式切換控制器5通過采集前置轉矩/轉角傳感器1和后置轉矩/轉角傳感器2的轉矩/轉角值、車速傳感器3的車速及橫擺角速度傳感器10的橫擺角速度值，經信號調理模塊去除干擾和雜波后傳輸給微處理器，微處理器產生模式切換控制策略并發出高低電平信號，把相應的轉向模式傳輸給人機共駕型轉向控制器4；

從機駕模式切換到人駕模式的過程中，模式切換控制器5通過檢測前置轉矩/轉角傳感器1和后置轉矩/轉角傳感器2的轉矩值，判斷是否存在轉矩差；同時判斷橫擺角速度傳感器10檢測到的當前橫擺角速度值是否處于橫擺角速度安全域中，從而確定是否可以實現人駕模式到機駕模式的切換；若可以切換，則模式切換控制器5向人機共駕型轉向控制器4發出指令，從而實現機駕模式到人駕模式的切換；

從人駕模式切換到機駕模式的過程中，模式切換控制器5通過檢測前置轉矩/轉角傳感器1的轉矩值，判斷是否存在轉矩值；同時判斷前置轉矩/轉角傳感器1的轉矩值是否維持在3秒以上以及橫擺角速度傳感器10檢測到的當前橫擺角速度值是否處于橫擺角速度安全域中，從而確定是否可以實現人駕模式到機駕模式的切換；若可以切換，則模式切換控制器5向人機共駕型轉向控制器4發出指令，從而實現人駕模式到機駕模式的切換。

如圖2所示，一種人機共駕型電動助力轉向系統的模式切換方法的流程圖，包括步驟：

步驟1)，根據模式切換控制器5采集前置轉矩/轉角傳感器1、后置轉矩/轉角傳感器2的轉矩/轉角信號以及車速傳感器3的車速信號，計算當前車速下的理想橫擺角速度值

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{des}=\frac{\stackrel{\·}{x}}{R}=\frac{V}{l_f+l_r+\frac{{\mathrm{mV}}^2(l_r{C}_{\mathrm{\α}r}-l_f{C}_{\mathrm{\α}f})}{2C_{\mathrm{\α}f}{C}_{\mathrm{\α}r}L}}\mathrm{\δ}---\left(1\right)$

其中，V為車速，m/s；δ為車輪轉向角，°；C_αf、C_αr分別為前后輪的側向剛度，N/rad；m為車輛的總質量，kg；l_f、l_r分別為車輛質心到前、后輪的縱向距離，m；L為軸距(已知)，m；R為轉彎半徑(已知)m；

又

其中，為方向盤轉角，可由前置轉矩/轉角傳感器獲取，由式(2)計算得出車輪轉向角δ；車速V根據車速傳感器3獲取。

步驟2)，根據模式切換控制器5采集車速傳感器3的車速信號，計算當前車速下的橫擺角速度值的上限值

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{upper\_bound}=0.85\frac{\mathrm{\μ}g}{V}---\left(3\right)$

其中，μ為輪胎—路面附著系數，假定當前輪胎—路面附著系數為0.7；g為重力加速度，m/s²；V為車速，m/s。

步驟3)，由當前車速下的橫擺角速度值的上限值得到當前車速下橫擺角速度值的安全值：

$k\·{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{upper\_bound}---\left(4\right)$

其中k為當前車速下橫擺角速度值的安全系數，安全系數k是經過大量仿真和試驗獲取的，本發明經過大量仿真和試驗獲取的安全系數k＝0.85；

同時得到系統認為可以進行兩種轉向模式之間進行切換的當前車速下橫擺角速度值的安全域為

步驟4)，如圖3所示，從自動轉向到人工轉向的過程中，①通過檢測前置轉矩/轉角傳感器1和后置轉矩/轉角傳感器2的轉矩值，判斷是否存在轉矩差；如果存在轉矩差，證明駕駛員試圖控制方向盤，希望將自動轉向切換到人工轉向；②同時判斷橫擺角速度傳感器10檢測到的當前橫擺角速度值是否處于橫擺角速度安全域中；同時滿足上述①、②兩個條件，即可實現從自動轉向到人工轉向的自動切換，模式切換控制器5向人機共駕型轉向控制器4發出指令，使轉向電機6輸出助力轉矩；反之，如前置轉矩/轉角傳感器1和后置轉矩/轉角傳感器2無轉矩差或不滿足當前橫擺角速度值處于橫擺角速度安全域中的條件，助力轉向系統則維持當前轉向模式不變。

步驟5)，如圖4所示，從人工轉向切換到自動轉向過程中，①通過檢測前置轉矩/轉角傳感器1的轉矩值，判斷是否存在轉矩值；如果不存在轉矩值且維持3秒以上，認為駕駛員沒有控制方向盤的意愿，即沒有試圖將人工轉向切換到自動轉向；②同時判斷前置轉矩/轉角傳感器1的轉矩值是否維持在3秒以上以及橫擺角速度傳感器10檢測到的當前橫擺角速度值是否處于橫擺角速度安全域中；同時滿足上述①、②兩個條件，即可實現從人工轉向到自動轉向的自動切換，模式切換控制器5向人機共駕型轉向控制器4發出指令，使轉向電機6輸出驅動轉矩；反之，如前置轉矩/轉角傳感器1無轉矩值或不滿足當前橫擺角速度處于橫擺角速度安全域中的條件，助力轉向系統則維持當前轉向模式不變。

以上實施例僅用于說明本發明的設計思想和特點，其目的在于使本領域內的技術人員能夠了解本發明的內容并據以實施，本發明的保護范圍不限于上述實施例。所以，凡依據本發明所揭示的原理、設計思路所作的等同變化或修飾，均在本發明的保護范圍之內。