CN111204371B - 一种汽车线控转向路感模拟装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽车线控转向路感模拟装置及其控制方法，涉及车辆转向实验技术领域，路感模拟装置包括机械传动机构和信息采集与控制机构，路感模拟装置包括路感模拟机构和方向盘回正机构。本发明为车辆线控转向系统提供了一种控制精确、反应迅速的“路感”反馈装置，采用的磁流变阻尼器在不同的励磁电流的激励下，可以实现针对不同路况和工况实时提供“路感”反馈力矩，为驾驶人员提供“路感”反馈信息；在为线控转向系统系统路感反馈力矩的同时，能够在自动回正时准确断开与磁流变阻尼器的连接，避免磁流变阻尼器自身摩擦和粘滞阻力矩对自动回正的影响；避免了控制系统故障时反馈电机驱动方向盘乱转导致的安全问题，保障驾乘人员的安全。
Description
技术领域
本发明涉及车辆转向实验技术领域，具体涉及一种用于汽车线控转向的路感模拟装置及该装置的控制方法。
背景技术
随着电动汽车和智能汽车的发展，线控驱动技术被应用到了车辆的转向系统中。线控转向系统是一种用于汽车转向的创新技术，由电子控制单元、转向辅助电机和传感器组成，具有几个显着的优点：首先，当车辆前部发生碰撞时，取消转向柱可以在很大程度上减轻对驾驶人员的伤害；其次，在线控转向系统中，方向盘和转向轮之间的传统机械联接和液压系统被机电作动器和人机界面所取代，这不仅减轻了车辆的重量、噪音、振动和能量消耗，而且增加了驾驶人员在执行转向操作时的自由度，从而提高车辆的稳定性和机动性；最后，将力反馈电机与方向盘连接，为驾驶人员提供转向轮与路面之间相互作用力的模拟反馈力，能够快速准确地模拟反馈力，并去除了传统机械转向中干扰驾驶人员判断的摩擦力和阻尼力。
在设置传统转向系统的车辆上，驾驶人员通过方向盘的控制实现车辆横向移动的控制，并通过机械连接机构将转向车轮上因路面不平度和路面摩擦等产生的转向阻力矩传递到方向盘获取“路感”反馈，随后，驾驶人员能根据“路感”传递的车辆行驶信息和路面信息调整驾驶行为。而线控转向系统没有方向盘和转向执行机构间的机械连接柱，使得“路感”不能传递到方向盘，驾驶人员无法根据路面状况调整驾驶行为，无法实现安全驾驶。故此，线控转向系统需要一种可以模拟“路感”的力反馈装置。
通过专利检索，存在以下已知的技术方案：
专利1：
申请号：CN201510329873.1，申请日：2015.06.15，授权公告日：2015.11.25，本发明公开了一种基于参数估计的线控转向路感装置及其控制方法,包括方向盘，与方向盘相连的转角传感器、转矩传感器、转向管柱、路感电机及路感控制器等，其中包括一套离合器，由控制器检测到当前状态出现差错，通过控制离合器来切换到备用电机转向模式；所述规划方法由传感器测得信号，通过卡尔曼滤波估计得到当前汽车状态变量，计算得到汽车转向阻力矩，并通过车速、变传动比及侧向加速度对转向路感进行补偿修正，得到当前理想的转向盘力矩值。本发明可以通过加装离合器，切换工作模式，确保在线控模式出现故障时仍能保证正常的转向功能，提供可靠路感；同时，在正常行驶工况下，可以使得驾驶员获得良好的路面信息，提高汽车的操纵性和舒适性。
在该申请中，为驾驶人员提供“路感”反馈的是由ECU控制的反馈电机，该方法解决了线控系统没有“路感”的问题，但是采用的反馈电机在控制系统不稳定的情况下会发生干扰驾驶人员转向操作等故障，影响车辆行驶安全。
申请号：CN201110185746.0，申请日：2011.06.30，授权公告日：2012.01.18，本发明提供一种线控转向汽车路感模拟执行装置，它包括支撑机构、磁流变液阻尼器、一对扭簧及扭簧随动件，所述磁流变液阻尼器安装在支撑机构上，磁流变液阻尼器的阻尼器轴与汽车中的转向盘的转向盘轴连接，所述一对扭簧分别安装在扭簧随动件的两侧的阻尼器轴上，所述一对扭簧同轴安装且扭向相反，每个扭簧的一端固定在支撑机构上，另一端与扭簧随动件连接，扭簧随动件与阻尼器轴周向限位。采用这种线控转向汽车路感模拟执行装置，结构简单、能耗较低，并且安全性高，具有主动回正功能。
该申请采用了磁流变阻尼器模拟了驾驶转向时的“路感”反馈，但在方向盘自动回正时，没有考虑磁流变阻尼器的干摩擦和粘滞阻力矩对提供回正力矩的扭簧的影响，会导致方向盘无法自动回正。
通过以上的检索发现，以上技术方案没有影响本发明的新颖性；并且以上专利文件的相互组合没有破坏本发明的创造性。
发明内容
本发明正是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种汽车线控转向路感模拟装置及其控制方法。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：一种汽车线控转向路感模拟装置，所述路感模拟装置包括机械传动机构和信息采集与控制机构，支座固设于底座上，磁流变阻尼器、输出联轴器、电磁离合器、小齿轮、第二联轴器、扭矩传感器、第一联轴器和方向盘共中心轴依次连接，所述小齿轮连接于所述电磁离合器的输出轴上，构成路感模拟机构；
大齿轮、扭簧、小联轴器和光电编码器共中心轴依次连接，构成方向盘回正机构；所述方向盘回正机构设于所述路感模拟机构侧方，所述大齿轮与所述小齿轮啮合；所述方向盘回正机构和所述路感模拟机构由所述支座支撑固定，构成所述机械传动机构；
上位机与数据采集卡数据连通，所述数据采集卡的信号输出端口与驱动器的信号输入端口数据连通，所述驱动器的电流输入端与电流源电性连接，构成所述信息采集与控制机构；所述数据采集卡的信号输入端口与所述扭矩传感器及所述光电编码器数据连通，所述驱动器的电流输出端分别与所述磁流变阻尼器和所述电磁离合器电性连接。
一种汽车线控转向路感模拟装置的控制方法，包括以下步骤：
步骤一，检查机械传动机构、信息采集与控制机构及两者之间的线路连接，保证上位机控制程序与信号采集程序正常运行；
步骤二，上位机向数据采集卡发送模拟“路感”电流的控制信号，实时控制驱动器输入磁流变阻尼器的励磁电流，并发送控制电磁离合器闭合的电信号；
步骤三，实验人员按转向操作模式操作方向盘，模拟车辆在驾驶过程中的转向操作；
步骤四，所述数据采集卡采集扭矩传感器的实时扭矩与光电编码器的转角信息，传递到所述上位机记录并分析数据；
步骤五，上位机按如下方式判断转向操作模式：
若Δθ＞5°，则转向操作模式为主动转向，执行步骤六；
若|Δθ|≤5°，则转向操作模式为转向保持，执行步骤六；
若Δθ＜-5°且|ΔT|≤Tp，则转向操作模式为主动回正，执行步骤六；
若Δθ＜-5°且|ΔT|＞Tp，则转向操作模式为自动回正，执行步骤七；
其中，Δθ为所述方向盘的转角变化，ΔT为所述方向盘的转向扭矩变化率；Tp为所述磁流变阻尼器设计最大扭矩的％；
步骤六，所述磁流变阻尼器正常工作，提供模拟“路感”扭矩，同时所述电磁离合器闭合，传递扭矩，随后执行步骤八；
步骤七，断开所述驱动器输入所述磁流变阻尼器和所述电磁离合器的电流，所述磁流变阻尼器停止工作，所述电磁离合器断开；
步骤八，所述上位机记录数据；
步骤九，若实验人员方向盘操作结束，则结束实验；
否则，执行步骤四。
进一步的，所述步骤五中，
Δθ＝θ(tn)-θ(t0)；
|ΔT|＝|T(tn)-T(t0)|；
其中，t0为固定数据观察周期初始时刻，tn为固定数据观察周期末尾时刻，θ(t0)为固定数据观察周期初始时刻方向盘转角，θ(tn)为固定数据观察周期末尾时刻方向盘转角，T(t0)为固定数据观察周期初始时刻扭矩值，T(tn)为固定数据观察周期末尾时刻扭矩值。
进一步的，所述固定数据观察周期为每二十个采集数据的时间。
本发明提供了一种汽车线控转向路感模拟装置及其控制方法，具有以下有益效果：
1、为车辆线控转向系统提供了一种控制精确、反应迅速的“路感”反馈装置，采用的磁流变阻尼器在不同的励磁电流的激励下，可以实现针对不同路况和工况实时提供理想和精确的“路感”反馈力矩，为驾驶人员提供最真实、最准确的“路感”反馈信息；
2、在为线控转向系统系统路感反馈力矩的同时，能够在自动回正时准确断开与磁流变阻尼器的连接，避免磁流变阻尼器自身摩擦和粘滞阻力矩对自动回正的影响；
3、避免了控制系统故障时反馈电机驱动方向盘乱转导致的安全问题，使驾驶人员能在控制系统故障的状况下完成转向控制，离开所处的危险驾驶状况，保障驾乘人员的安全；
4、节约能源、节约资源，采用的提供“路感”反馈的磁流变阻尼器与传递扭矩的电磁离合器所需的电能远小于驱动“路感”反馈电机需要的电能，并且磁流变阻尼器相较于“路感”反馈电机更加稳定，不易损坏，节约资源，降低成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明信息采集与控制机构的各部件的连接示意图；
图3为本发明控制方法的流程图。
图中：
100、上位机，101、数据采集卡，102、电流源，103、驱动器；200、支座，201、底座；300、磁流变阻尼器；400、电磁离合器，401、输出联轴器；500、小齿轮，501、大齿轮；600、扭簧；700、光电编码器，701、小联轴器；800、方向盘；900、扭矩传感器，901、第一联轴器，902、第二联轴器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1～图3所示，其结构关系为：一种汽车线控转向路感模拟装置，路感模拟装置包括机械传动机构和信息采集与控制机构，支座200固设于底座201上，磁流变阻尼器300、输出联轴器401、电磁离合器400、小齿轮500、第二联轴器902、扭矩传感器900、第一联轴器901和方向盘800共中心轴依次连接，小齿轮500连接于电磁离合器400的输出轴上，构成路感模拟机构；磁流变阻尼器300通过励磁电流激励而产生“路感”反馈力矩；
大齿轮501、扭簧600、小联轴器701和光电编码器700共中心轴依次连接，构成方向盘回正机构；方向盘回正机构设于路感模拟机构侧方，大齿轮501与小齿轮500啮合；方向盘回正机构和路感模拟机构由支座200支撑固定，构成机械传动机构；
上位机100与数据采集卡101数据连通，数据采集卡101的信号输出端口与驱动器103的信号输入端口数据连通，驱动器103的电流输入端与电流源102电性连接，构成信息采集与控制机构；数据采集卡101的信号输入端口与扭矩传感器900及光电编码器700数据连通，驱动器103的电流输出端分别与磁流变阻尼器300和电磁离合器400电性连接。驱动器103的型号为L298N。
该装置的控制方法包括以下步骤：
步骤一，检查机械传动机构、信息采集与控制机构及两者之间的线路连接，保证上位机控制程序与信号采集程序正常运行；
步骤二，上位机100向数据采集卡101发送模拟“路感”电流的控制信号，实时控制驱动器103输入磁流变阻尼器300的励磁电流，并发送控制电磁离合器400闭合的电信号；
步骤三，实验人员按转向操作模式操作方向盘800，模拟车辆在驾驶过程中的转向操作；
步骤四，数据采集卡101采集扭矩传感器900的实时扭矩与光电编码器700的转角信息，传递到上位机100记录并分析数据；
步骤五，上位机按如下方式判断转向操作模式：
若Δθ＞5°，则转向操作模式为主动转向，执行步骤六；
若|Δθ|≤5°，则转向操作模式为转向保持，执行步骤六；
若Δθ＜-5°且|ΔT|≤Tp，则转向操作模式为主动回正，执行步骤六；
若Δθ＜-5°且|ΔT|＞Tp，则转向操作模式为自动回正，执行步骤七；
其中，Δθ为方向盘800的转角变化，ΔT为方向盘800的转向扭矩变化率；Tp为磁流变阻尼器300设计最大扭矩的10％；
步骤六，磁流变阻尼器300正常工作，提供模拟“路感”扭矩，同时电磁离合器400闭合，传递扭矩，随后执行步骤八；
步骤七，断开驱动器103输入磁流变阻尼器300和电磁离合器400的电流，磁流变阻尼器300停止工作，电磁离合器400断开；
步骤八，上位机100记录数据；
步骤九，若实验人员方向盘操作结束，则结束实验；
否则，执行步骤四。
优选的，步骤五中，
Δθ＝θ(tn)-θ(t0)；
|ΔT|＝|T(tn)-T(t0)|；
其中，t0为固定数据观察周期初始时刻，tn为固定数据观察周期末尾时刻，θ(t0)为固定数据观察周期初始时刻方向盘转角，θ(tn)为固定数据观察周期末尾时刻方向盘转角，T(t0)为固定数据观察周期初始时刻扭矩值，T(tn)为固定数据观察周期末尾时刻扭矩值。
优选的，固定数据观察周期为每二十个采集数据的时间。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (3)
1.一种汽车线控转向路感模拟装置的控制方法，所述路感模拟装置包括机械传动机构和信息采集与控制机构，支座(200)固设于底座(201)上，其特征在于：磁流变阻尼器(300)、输出联轴器(401)、电磁离合器(400)、小齿轮(500)、第二联轴器(902)、扭矩传感器(900)、第一联轴器(901)和方向盘(800)共中心轴依次连接，所述小齿轮(500)连接于所述电磁离合器(400)的输出轴上，构成路感模拟机构；
大齿轮(501)、扭簧(600)、小联轴器(701)和光电编码器(700)共中心轴依次连接，构成方向盘回正机构；所述方向盘回正机构设于所述路感模拟机构侧方，所述大齿轮(501)与所述小齿轮(500)啮合；所述方向盘回正机构和所述路感模拟机构由所述支座(200)支撑固定，构成所述机械传动机构；
上位机(100)与数据采集卡(101)数据连通，所述数据采集卡(101)的信号输出端口与驱动器(103)的信号输入端口数据连通，所述驱动器(103)的电流输入端与电流源(102)电性连接，构成所述信息采集与控制机构；所述数据采集卡(101)的信号输入端口与所述扭矩传感器(900)及所述光电编码器(700)数据连通，所述驱动器(103)的电流输出端分别与所述磁流变阻尼器(300)和所述电磁离合器(400)电性连接；
其特征在于，所述汽车线控转向路感模拟装置的控制方法包括以下步骤：
步骤一，检查机械传动机构、信息采集与控制机构及两者之间的线路连接，保证上位机控制程序与信号采集程序正常运行；
步骤二，上位机(100)向数据采集卡(101)发送模拟“路感”电流的控制信号，实时控制驱动器(103)输入磁流变阻尼器(300)的励磁电流，并发送控制电磁离合器(400)闭合的电信号；
步骤三，实验人员按转向操作模式操作方向盘(800)，模拟车辆在驾驶过程中的转向操作；
步骤四，所述数据采集卡(101)采集扭矩传感器(900)的实时扭矩与光电编码器(700)的转角信息，传递到所述上位机(100)记录并分析数据；
步骤五，上位机按如下方式判断转向操作模式：
若Δθ＞5°，则转向操作模式为主动转向，执行步骤六；
若|Δθ|≤5°，则转向操作模式为转向保持，执行步骤六；
若Δθ＜-5°且|ΔT|≤Tp，则转向操作模式为主动回正，执行步骤六；
若Δθ＜-5°且|ΔT|＞Tp，则转向操作模式为自动回正，执行步骤七；
其中，Δθ为所述方向盘(800)的转角变化，ΔT为所述方向盘(800)的转向扭矩变化率；Tp为所述磁流变阻尼器(300)设计最大扭矩的10％；
步骤六，所述磁流变阻尼器(300)正常工作，提供模拟“路感”扭矩，同时所述电磁离合器(400)闭合，传递扭矩，随后执行步骤八；
步骤七，断开所述驱动器(103)输入所述磁流变阻尼器(300)和所述电磁离合器(400)的电流，所述磁流变阻尼器(300)停止工作，所述电磁离合器(400)断开；
步骤八，所述上位机(100)记录数据；
步骤九，若实验人员方向盘操作结束，则结束实验；
否则，执行步骤四。
2.根据权利要求1所述的一种汽车线控转向路感模拟装置的控制方法，其特征在于：所述步骤五中，
Δθ＝θ(tn)-θ(t0)；
|ΔT|＝|T(tn)-T(t0)|；
其中，t0为固定数据观察周期初始时刻，tn为固定数据观察周期末尾时刻，θ(t0)为固定数据观察周期初始时刻方向盘转角，θ(tn)为固定数据观察周期末尾时刻方向盘转角，T(t0)为固定数据观察周期初始时刻扭矩值，T(tn)为固定数据观察周期末尾时刻扭矩值。
3.根据权利要求2所述的一种汽车线控转向路感模拟装置的控制方法，其特征在于：所述固定数据观察周期为每二十个采集数据的时间。
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