用于控制主动式后轮转向的方法和设备 相关申请的交叉引用
本申请要求 2009 年 2 月 12 日提交的美国临时申请 No.61/151946 的优先权， 将其 整个内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明的技术领域一般涉及对车辆的主动式后轮转向 (ARS) 系统的控制。 背景技术 现代的车辆有时结合有主动式车辆控制子系统。 一种用于提供自动后轮转向的这 样的子系统被公知为主动式后轮转向 (ARS) 控制系统。ARS 控制系统修正操作者的转向命 令， 以使车辆更接近地遵循车辆操作者所期望的转向路径， 同时增加车辆的稳定性和操作 性。但是， 在高速情况下， 某些 ARS 控制系统会做出使车辆的总体性能恶化的转向修正。
发明内容
各个实施例通过提供一种构造成对用于各种车辆状态的车辆后轮角度进行控制 的主动式后轮转向 (ARS) 控制系统， 从而克服了现有技术的顾虑， 其中所述车辆状态包括 了高速情况的车辆状态。例如， 车辆状态信息用来根据高速时车辆操作所用的优选转弯特 性来对后轮转向角度命令进行整形。
根据一个示例性的实施例， 用于车辆的主动式后轮转向控制系统包括 ： 构造成 测量车辆的前轮转向角度的前轮转向角度传感器、 构造成测量车辆横摆率的横摆率传感 器、 构造成测量车辆速度的速度传感器、 以及控制器。控制器包括这样的指令， 即， 当该 指令由处理器执行时， 使处理器作为前轮转向角度的函数来确定第一后轮转向角度 ； 作 为横摆率的函数来确定第二后轮转向角度 ； 作为前轮转向角度、 横摆率和速度中至少一 个的函数来确定车辆状态 ； 作为车辆状态的函数来确定与第一后轮转向角度相关联的第 一整形函数 ； 作为车辆状态的函数来确定与第二后轮转向角度相关联的第二整形函数 (shapingfunction) ； 和作为第一后轮转向角度、 第二后轮转向角度、 第一整形函数、 以及第 二整形函数的函数来确定后轮转向命令。
本发明提供了一种用于车辆的主动式后轮转向控制系统， 包括 ：
构造成测量车辆的前轮转向角度的前轮转向角度传感器 ；
构造成测量车辆的横摆率的横摆率传感器 ；
构造成测量车辆速度的速度传感器 ； 和
控制器， 所述控制器包括这样的指令， 即， 当所述指令由处理器执行时， 使处理 器：
作为前轮转向角度的函数来确定第一后轮转向角度 ；
作为横摆率的函数来确定第二后轮转向角度 ；
作为速度的函数来确定车辆状态 ；作为车辆状态的函数来确定与第一后轮转向角度相关联的第一整形函数 ；
作为车辆状态的函数来确定与第二后轮转向角度相关联的第二整形函数 ； 和
作为第一后轮转向角度、 第二后轮转向角度、 第一整形函数、 和第二整形函数的函 数来确定后轮转向命令。
优选地， 确定车辆状态包括从车辆状态的枚举列表中进行选择。
优选地， 确定车辆状态包括确定车辆状态信号的大小。
优选地， 车辆状态进一步是前轮转向角度的函数。
优选地， 车辆状态是前轮转向角度的变化率的函数。
优选地， 车辆状态进一步是横摆率的函数。
优选地， 车辆状态是横摆率的变化率的函数。
优选地， 车辆状态进一步是前轮转向角度和横摆率的函数。
优选地， 后轮转向命令是乘以第一整形函数的第一后轮转向角度与乘以第二整形 函数的第二后轮转向角度的和。
优选地， 第一整形函数和第二整形函数中的每一个都是从多个增益中加以选择。
优选地， 所述增益被确定为前轮转向角度的函数。 优选地， 第一整形函数和第二整形函数中的每一个还是第一后轮转向角度和第二 后轮转向角度中的相关联的一个的函数。
优选地， 还包括构造成根据后轮转向命令来控制车辆后轮的后轮转向角度的致动 器。
优选地， 第一后轮转向角度进一步是前轮刚度和后轮刚度的函数。
优选地， 第二后轮转向角度进一步是速度、 车辆质量、 前轮刚度、 后轮刚度、 从前轴 到车辆重心的距离、 以及从后轴到该重心的距离的函数。
本发明提供了一种主动式后轮转向控制系统的控制器， 包括 ：
处理器 ； 和
至少一个包括指令的软件模块， 当所述指令由处理器执行时， 使得处理器 ：
确定第一后轮转向角度， 该第一后轮转向角度作为通过主动式后轮转向控制系统 的转向角度传感器测量的前轮转向角度的函数 ；
确定第二后轮转向角度， 该第二后轮转向角度作为通过主动式后轮转向控制系统 的横摆率传感器测量的横摆率的函数 ；
确定车辆状态， 该车辆状态作为通过主动式后轮转向控制系统的速度传感器测量 的速度的函数 ；
作为车辆状态的函数来确定与第一后轮转向角度相关联的第一整形函数 ；
作为车辆状态的函数来确定与第二后轮转向角度相关联的第二整形函数 ； 和
作为第一后轮转向角度、 第二后轮转向角度、 第一整形函数、 和第二整形函数的函 数来确定后轮转向命令。
优选地， 车辆状态进一步是前轮转向角度的函数。
优选地， 车辆状态进一步是横摆率的函数。
优选地， 后轮转向命令是乘以第一整形函数的第一后轮转向角度与乘以第二整形 函数的第二后轮转向角度的和。
前面主要地概括了各个实施例的某些方面和特征， 其应当解释为仅仅是对各个可 能的应用的说明。 通过以不同的方式应用所公开的信息或通过组合所公开的实施例的各个 方面可以获得其它有益的结果。除了权利要求书限定的范围之外， 通过结合附图并参照对 示例性实施例的详细描述可以获得其它的方面和更全面的理解。 附图说明
图 1 是根据示例性实施例的， 包括了主动式后轮转向系统的车辆的示意性图示。
图 2 是示出了图 1 的主动式后轮转向系统的软件模块的方法的流程图。
图 3 是示出了图 1 的主动式后轮转向系统的软件模块的方法的流程图。 具体实施方式
在这里按照规定公开了详细的实施例。应当理解的是， 所公开的实施例仅仅是各 种形式和替换形式的示例性例子。如在这里使用的， 措词 “示例性例子” 被扩展性地用来指 作为说明、 样本、 模型或模式而起作用的实施例。附图无需按照比例， 并且某些特征可以被 放大或缩小以示出特定部件的细节。在其它情况下， 对于本领域的技术人员来说已公知的 部件、 系统、 材料或方法不会再进行详细的描述， 以免使本发明不够清晰。 因此， 在这里公开 的具体的结构性和功能性的细节将不被解释为限制， 而仅仅是作为权利要求书的基础并且 作为用于教导本领域的技术人员的代表性基础。
参照图 1， 车辆 12 包括主动式后轮转向 (ARS) 控制系统 10、 转向轮 44、 转向柱 46、 前轴 48、 前轮 26、 后轴 50、 和后轮 24。ARS 控制系统 10 包括 ARS 控制器 19、 处理器 40、 存储 器 42 和 ARS 致动器 14。如在这里使用的， 术语 “控制器” 表示计算装置， 例如但不限于可编 程逻辑控制器 (PLC)、 远程终端单元 (RTU)、 或分布式控制系统 (DCS) 等， 其监控和影响给定 系统的操作情况。ARS 控制器 19 包括软件模块 16、 18a、 18b、 20、 22、 23， 所述软件模块包括 可由处理器 40 执行的指令。所述 ARS 致动器 14 包括构造成使车辆 12 的后轮 24 根据后轮 转向命令 δrcom 转向的马达 28。
ARS 控制系统 10 包括构造成测量车辆 12 的横摆率 ψ′的横摆率传感器 30、 构造 成测量车辆 12 的纵向速度 Vx 和横向速度 Vy 的速度传感器 32、 和构造成测量车辆 12 的前 轮转向角度 δf 的转向角度传感器 34。
状态软件模块 16 构造成确定车辆 12 的状态 S， 状态 S 作为横摆率 ψ′、 车辆速度 Vx 和前轮转向角度 δf 的函数。转向角度软件模块 20、 22 构造成确定作为横摆率 ψ′和前 轮转向角度 δf 的函数的后轮转向角度 δr1、 δr2。整形软件模块 18a、 18b 构造成确定作为 后轮转向角度 δr1、 δr2 中的相应一个、 前轮转向角度 δf、 和车辆状态 S 的函数的整形函数 Fsh1、 Fsh2。组合软件模块 23 构造成将后轮转向角度 δr1、 δr2 与整形函数 Fsh1、 Fsh2 进行组合 以产生后轮转向命令 δrcom。ARS 致动器 14 构造成作为后轮转向命令 δrcom 的函数来控制 后轮 24 和使其转向。例如， ARS 致动器 14 采用后轮转向命令 δrcom 来产生信号以驱动马达 28。
现在对软件模块 16、 18a、 18b、 20、 22、 23 进行更加详细的描述。状态软件模块 16 构造成确定车辆状态 S。为了教导的目的， 将各种状态 S 如下进行限定。第一状态 S1 包括 低速 Vx 和稳定的操作 ； 第二状态 S2 包括高速 Vx 和稳定的操作 ； 第三状态 S3 包括低速 Vx 和瞬时的操作 (transient operation) ； 以及， 第四状态 S4 包括高速 Vx 和瞬时的操作。为了 教导的目的， 稳定的操作和瞬时的操作由前轮转向速度阈值 δfth′、 最小的前轮转向速度 δfthmin′、 横摆加速度阈值 ψth″、 和最小的横摆加速度 ψthmin″限定。 例如， 在阈值 δfth′、 ψth″两者以上的操作是瞬时的操作， 而在阈值 δfth′、 ψth″之一或两者以下的操作是稳 定的操作。最小值 δfthmin′、 ψthmin″均小于阈值 δfth′、 ψth″， 并被用于在一段时间或多 个循环周期内验证稳定的状态。阈值 δfth′、 ψth″和最小值 δfthmin′、 ψthmin″均通过对 车辆 12 进行测试从而实验地确定。相似地， 高速和低速由阈值速度 Vth 限定。在阈值速度 Vth 之上为高速， 在阈值速度 Vth 之下为低速。为了说明的目的， 阈值速度 Vth 是 16m/s。
参照图 2， 描述了一种确定车辆状态 S 的示例性方法。在步骤 132， 状态软件模 块 16 计算前轮转向角度 δf 和横摆率 ψ′的导数， 以获得前轮转向速度 δf ′和横摆加 速度 ψ″。在步骤 136， 状态软件模块 16 确定转向角速度 δf′是否大于转向角速度阈值 δfth′。如果是， 那么在方框 150 中状态软件模块 16 将第一标志 G1 设置为 1。如果否， 那 么在步骤 134， 状态软件模块 16 确定转向角速度 δf ′是否持续在某段时间内 ( 例如， 控 制循环周围时间为 10 毫秒的 20 次循环周期， 也就是 200 毫秒 ) 都小于最小的转向角速度 δfthmin′。如果是， 那么在方框 152 中状态软件模块 16 将第一标志 G1 设置为 0。如果否， 那么在方框 150 中状态软件模块 16 将第一标志 G1 设置为 1。 在步骤 138， 状态软件模块 16 确定横摆加速度 ψ″是否大于阈值横摆加速度 ψth ″。如果是， 那么在方框 146 中， 状态软件模块 16 将第二标志 G2 设置为 1。如果否， 那么在步聚 140， 状态软件模块 16 确定横摆加速度 ψ″是否持续在某段时向内 ( 例如， 控 制循环周期时间为 10 毫秒的 20 次循环周期， 也就是 200 毫秒 ) 都小于最小的横摆加速度 ψthmin″。如果是， 那么在方框 148 中状态软件模块 16 将第二标志 G2 设置为 0。如果否， 那 么在方框 146 中状态软件模块 16 将第二标志 G2 设置为 1。在步骤 160， 状态软件模块 16 通 过使第一标志 G1 和第二标志 G2 相乘来确定可变标志 G。在这里， 可变标志 G 等于 1 表示瞬 时的操作， 可变标志 G 等于 0 则表示稳定的操作。
在步骤 161， 状态软件模块 16 确定车辆速度 Vx 是否小于阈值速度 Vth。如果是， 那 么在步骤 162， 状态软件模块 16 确定可变标记 G 是否被设置为 1。如果否， 那么在方框 166 中， 状态软件模块 16 将车辆状态 S 设置为第一状态 S1。如果是， 那么在方框 164 中， 状态软 件模块 16 将车辆状态 S 设置为第三状态 S3。如果在步骤 161 处车辆速度 Vx 不小于阈值速 度 Vth， 那么在步骤 168 处状态软件模块 16 确定可变标记 G 是否被设置为 1。如果否， 那么 在方框 170 中， 状态软件模块 16 将车辆状态 S 设置为第二状态 S2。如果是， 那么在方框 169 中， 状态软件模块 16 将车辆状态 S 设置为第四状态 S4。
在替换性实施例中， 该方法包括替换的或额外的车辆状态。该状态可以替换地由 连续的信号表示， 其中， 信号相对于阈值的大小指示状态。
现在对构造成确定后轮转向角度 δr1、 δr2 的示例性的转向角度软件模块 20、 22 进 行进一步的详细描述。为了教导的目的， 使用两自由度的横摆平面动力学模型。当车辆 12 经受操纵时， 它不仅会导致横摆运动， 而且同时发生侧滑运动。 横摆运动由横摆率 ψ′来部 分地表征， 而侧向运动则由侧滑速度或侧向速度 Vy 来部分地表征。车辆横摆平面动力学通 过二阶状态方程描述 ：
其中， a 是从车辆 12 的重心 52 到前轴 48 的距离 ； b 是从车辆 12 的重心 52 到后轴 50 的距离 ； Cf 是前轴 48 的两个前轮 26 的侧偏刚度 (cornering stiffness) ； Cr 是后轴 50 的两个后轮 24 的侧偏刚度 ； I 是车辆 12 围绕横摆轴线的惯性矩 ； m 是总的车辆质量 ； Vx 是 车辆的重心的纵向速度 ； Vy 是车辆的重心 52 的侧向速度 ； δf 是前轮 26 的前轮转向角度 ； δr 是后轮 24 的后轮转向角度 ； 以及， ψ′是车辆 12 的横摆率。实验地确定的参数和用于 查找的参数都存储在存储器 42 中。
通过将状态方程中的侧向速度 Vy 及其导数 Vy′都设置为 0， 后轮转向角度 δr 可 被确定为前轮转向角度 δf 和横摆率 ψ′的函数， 从而得出 ：
求解后轮转向角度 δr， 得到 ：后轮转向角度 δr 是第一后轮转向角度 δr1 和第二后轮转向角度 δr2 的和。第一 后轮转向角度 δr1 是前轮转向角度 δf 的函数， 并由下式给出 ：
第二后轮转向角度 δr2 信号是横摆率 ψ′和纵向速度 Vx 的函数， 并由下式给出 ：在一个替换性实施例中， 基于不同的目标来确定后轮转向角度 δr1、 δr2， 这些目 标包括例如， 主观车辆灵敏性、 车辆转弯圆周减速 (circle reduction)、 或车辆转向灵敏性 修改， 正如本领域的技术人员可以理解的那样。
整形软件模块 18a、 18b 构造成确定整形函数 Fsh1、 Fsh2。参照图 3， 现在对采用整形 软件模块 18a 确定第一整形函数 Fsh1 的示例性方法进行描述。 在步骤 182， 整形软件模块 18a 确定第一后轮转向角度 δr1 是否小于后轮转向角度阈值 δrthmin。如果是， 那么在方框 184 中， 整形软件模块 18a 将第一整形函数 Fsh1 设置为第一整形增益 Ksh(1)。如果在步骤 182 确 定第一后轮转向角度 δr1 不小于后轮转向角度阈值 δrthmin， 那么在步骤 186， 整形软件模块 18a 确定状态 S 是否是第三状态 S3 或第四状态 S4。如果是， 那么在方框 188 中， 整形软件模 块 18a 将第一整形函数 Fsh1 设置为第二整形增益 Ksh(2)。如果在步骤 186 处确定状态 S 不 是第三状态 S3 或第四状态 S4， 那么在步骤 190， 整形软件模块 18a 确定状态 S 是否是第一状 态 S1。如果是， 那么在方框 192 中， 整形软件模块 18a 将第一整形函数 Fsh1 设置为第三整形 增益 Ksh(3)。如果在步骤 190 处状态 S 不是 1， 那么在方框 194 中， 整形软件模块 18a 将第 一整形函数 Fsh1 设置为第四整形增益 Ksh(4)。整形软件模块 18b 根据相同方法确定第二整
形函数 Fsh2。
为第一整形函数 Fsh1 选择整形增益 Ksh 的示例性方法考虑了车辆状态 S 和后轮转 向角度 δr1、 δr2。示例性的整形增益 Ksh 如下给出 ：
Ksh(index) ＝ eZ(index)， 其中
Z(index) ＝ Z1(index)*Z2(index)
和
在这里， T 是循环时间 ( 例如， 10 毫秒 )， N 是循环数量， Nth 是循环的总数量， δfth 是前轮转向角度阈值 ( 例如， 5 度 )， 而 A 和 Ksh(rate) 是通过对车辆进行测试所实验地确定的 实验值。例如， 对于一组索引的情形 ( 其中， 索引数 index 是 [1， 2， 3， 4])， A(index) 是 [1， 1， 0.01， 0.02]， 以及 Ksh(rate)(index) 是 [0， 0， -5， -10]。当前轮转向角度 δf 小于前轮转向 角度阈值 δfth 时， 循环数量 N 被重新设置为 0。也可以使用用于整形增益 Ksh 的其它适当的 值， 整形函数 Fsh 可以根据替换性方法选择， 并且确定后轮转向命令 δrcom 的整形函数 Fsh 的
其体实施方式可以根据替换性实施例进行修改。
组合软件模块 23 构造成确定作为整形函数 Fsh1、 Fsh2 和后轮转向角度 δr1、 δr2 的 函数的后轮转向命令 δrcom。根据示例性的实施例， 组合软件模块 23 将整形函数 Fsh1、 Fsh2 和 后轮转向角度 δr1、 δr2 如下进行组合 ：
δrcom ＝ Fsh1*δr1+Fsh2*δr2
根据示例性的操作方法， 参照图 1， 传感器 30、 32、 34 测量横摆率 ψ′， 车辆速度 Vx、 Vy， 和前轮转向角度 δf。ARS 控制器 19 如上所述确定后轮转向命令 δrcom。总而言之， 状态软件模块 16 确定车辆状态 S， 转向角度软件模块 20、 22 确定后轮转向角度 δr1、 δr2， 整 形软件模块 18a 确定整形函数 Fsh1、 Fsh2， 组合软件模块 23 确定后轮转向命令 δrcom。ARS 致 动器 14 控制马达 28 根据后轮转向命令 δrcom 使后轮 24 转向。
上面描述的实施例仅仅是为了清楚地理解原理而进行阐述的说明性实施方式。 在 不背离权利要求书的范围的前提下， 可以实现上述实施例的变型、 修改和组合。 所有这些变 型、 修改和组合都包括在本发明和所附权利要求书的范围之内。