阅读说明：本技术 机动车辆转向控制系统及转向控制方法 (Motor vehicle steering control system and steering control method ) 是由 陈柏全 李旻贞 陈韦仲 林育民 陈元骏 顾迪 于 2018-06-07 设计创作，主要内容包括：一种机动车辆转向控制系统,用以执行一转向控制方法,以对一机动车辆的转向轮进行转向。转向控制方法包含：接收一转向参考角度以及一实际转向角度,依据转向参考角度及实际转向角度计算一控制力矩；依据实际转向角度及转向参考角度于一取样时间内的变化,而得到一实际转向角速度以及一转向参考角速度,并依据实际转向角速度以及转向参考角速度,以得到一摩擦力矩补偿；估测转向后产生的一回正力矩估测；以及依据控制力矩、摩擦力矩补偿以及回正力矩估测计算辅助力矩,输出辅助力矩。(A motor vehicle steering control system is used for executing a steering control method to steer the steering wheel of a motor vehicle. The steering control method includes: receiving a steering reference angle and an actual steering angle, and calculating a control moment according to the steering reference angle and the actual steering angle; obtaining an actual steering angular velocity and a steering reference angular velocity according to the change of the actual steering angle and the steering reference angle in a sampling time, and obtaining a friction torque compensation according to the actual steering angular velocity and the steering reference angular velocity; estimating a correcting moment generated after steering; and estimating and calculating the auxiliary torque according to the control torque, the friction torque compensation and the aligning torque, and outputting the auxiliary torque.)

机动车辆转向控制系统及转向控制方法

技术领域

本发明有关于机动车辆转向的电动辅助转向模块，特别是关于一种机动车辆转向控制系统及一种转向控制方法。

背景技术

随着机动车辆的车重以及车速的提升，机动车辆转向所需要的转向力矩，已经超过人力所能提供的控制力矩，因此需要辅助转向系统提供额外的力矩辅助。现有的电动辅助转向系统(Electrical Power Steering，EPS)可以提供较精确的辅助力矩以及转向角度，且容易与行车计算机建立联机以供行车计算机介入以进行机动车辆动态控制，例如辅助进行车道维持。

为了提供精确的辅助力矩，需有正确的干扰评估，以提供足够的辅助力矩，太小的辅助力矩无法适时满足控制力矩的需求，过大的辅助力矩产生的转向角速度过大而影响车身稳定性。然而，辅助力矩的运算需考虑各种干扰，从而消除干扰输入对于控制结果的相关影响，达到有效的消除干扰输入以精确控制车辆的行驶。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出一种机动车辆转向控制系统以及一转向控制方法，通过估测控制力矩的外部干扰，提供更精确的辅助力矩。

为了达成上述目的，本发明提出一种机动车辆转向控制系统，用于对一机动车辆的转向轮进行转向，包含一电动辅助转向模块、一马达驱动电路、一角度感知器以及一控制器。电动辅助转向模块用于对转向轮输出一辅助力矩。马达驱动电路用以接收一控制命令，并根据控制命令输出对应的一马达驱动电流以驱动电动辅助转向模块输出辅助力矩。角度感知器用于检测的一实际转向角度。控制器用以产生控制命令。其中控制器接收一转向参考角度，依据转向参考角度及实际转向角度计算控制力矩；控制器依据实际转向角度及转向参考角度于一取样时间内的变化，而得到一实际转向角速度以及一转向参考角速度，并依据实际转向角速度以及转向参考角速度，以得到一摩擦力矩补偿；控制器估测转向后的转向轮回正产生的一回正力矩估测；以及控制器依据控制力矩、摩擦力矩补偿以及回正力矩估测计算辅助力矩，而产生控制命令。

本发明还提出一种转向控制方法，用于对一机动车辆的转向轮进行转向，包含：接收一转向参考角度以及一实际转向角度，依据转向参考角度及实际转向角度计算一控制力矩；依据实际转向角度及转向参考角度于一取样时间内的变化，而得到一实际转向角速度以及一转向参考角速度，并依据实际转向角速度以及转向参考角速度，以得到一摩擦力矩补偿；估测转向后产生的一回正力矩估测；以及依据控制力矩、摩擦力矩补偿以及回正力矩估测计算一辅助力矩，输出辅助力矩。

本发明以感知器直接检测电动辅助转向模块的变化，取得各项必要参数以计算辅助力矩，使得计算出来的结果有较佳的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例的系统方块图。

图2为本发明实施例中，信息流程的示意图。

图3为本发明实施例的方法流程图。

图4为图3中，步骤Step 120的细部流程图。

图5为图3中，干扰估测以估测回正力矩的示意图。

图6为本发明实施例的回授控制架构图。

图7、图8、图9为本发明不同具体应用例的示意图。

其中附图标记为：

100 电动辅助转向模块(EPS模块)

200 控制器 300 马达驱动电路

400 角度感知器 500 扭矩感知器

600 电流感知器 V,V’ 机动车辆

B 障碍物

θ_ref 转向参考角度 θ_m 实际转向角度

T_a 回正力矩 回正力矩估测值

T_m 辅助力矩 T_c 控制力矩

C 转移函数 摩擦力矩补偿

估测的库伦摩擦力矩 Δθ_m 实际转向角速度

Δθ_ref 转向参考角速度 L_p 估测增益矩阵

ε₁ 第一门槛值 ε2 第二门槛值

具体实施方式

请参阅图1所示，为本发明实施例所揭露的一种机动车辆转向控制系统，用以执行一转向控制方法，以对一机动车辆V的转向轮进行转向。机动车辆转向控制系统包含有一电动辅助转向模块100

(Electric Power Steering Module，EPS)、一控制器200、一马达驱动电路300、一角度感知器400、一扭矩感知器500以及一电流感知器600。

如图1所示，EPS模块100包含方向机柱以及辅助马达。方向机柱系连接方向盘、机动车辆V转向轮以及辅助马达，用于在驾驶人对方向机柱施加的驾驶力矩之外提供一辅助力矩T_m，以使方向机柱对机动车辆V转向轮提供足够的转向力矩。EPS模块100已经是机动车辆工程领域中发展成熟的技术，其基本组成与运作原理为具有通常知识得依据先前技术据以实施，因此以下不再详细描述其技术细节。马达驱动电路300连接于EPS模块100，用以依据控制器200的控制命令，输出对应的马达驱动电流以驱动EPS模块100输出对应辅助力矩T_m。

方向机柱的旋转动态可用旋转动态方程式表示如下：

其中，

I是方向机柱的转动惯量；

为转向机柱角加速度；

T_d是驾驶力矩(驾驶人提供的转向力矩)；

T_m是辅助马达对方向机柱施加的辅助力矩；

T_f是方向机柱内部的摩擦力矩；

T_a是转向后的转向轮回正产生的回正力矩。

上述的摩擦力矩T_f，主要与角速度ω相关，可表示为角速度ω的方程式T_f(ω)。T_f(ω)可以采取LuGre静态摩擦模型仿真之，可区分为库伦摩擦、黏滞摩擦以及Stribeck效应以及动摩擦等四种主要的摩擦力效应，而角速度ω为零时，摩擦力矩为零，因此T_f(ω)可以表示为：

其中，

α₀为库伦摩擦力矩系数；

α₁为静摩擦力矩系数；

α₂为黏滞摩擦系数；

ω_s为Striebeck速度。

上述的α₀、α₂可以通过系统量测别得到，例如已知文献提供的最小平方法(L.Ljung,“System Identification,”Signal analysis and prediction.Boston,pp.163-173,1998.)；α₁、ω_s可参考已知文献提供的数值(例如S.S.Ge,T.H.Lee,andS.X.Ren,“Adaptive friction compensation of servo mechanisms,”Int.J.Syst.Sci.,vol.32,no.4,pp.523–532,Jan.2001.)。

上述方程式(2)的LuGre静态摩擦模型载系统有作动时进一步简化，忽略静摩擦力，以利系统判别：

T_f(ω)＝T_f,c+T_f,b＝α₀sgn(ω)+α₂ω (3)

其中，

T_f,c为库伦摩擦力矩；

T_f,b为黏滞摩擦力矩。

将简化后的LuGre静态摩擦模型方程式(3)带入旋转动态方程式(1)后，则可在简化旋转动态方程式(1)为方程式(4)。

上述即为使转向轮产生预定方向转向所需要的转向力矩；T_m以及T_d分别为EPS模块100提供的辅助力矩以及驾驶人转动方向盘产生的驾驶力矩；其余部分则为摩擦力矩以及回正力矩T_a等干扰，需要调整辅助力矩T_m的输出以进行补偿。

方程式(4)依据方程式(3)可以简化表示如下：

T_f,c为EPS模块100内部的库伦摩擦力矩，也是需要估算的摩擦力矩补偿；α₂为黏滞摩擦系数，亦为EPS模块100内部的旋转阻尼系数；为转向机柱角速度(即ω)。

其中，摩擦力矩补偿T_f,c与单位时间内的转向角度Δθ_m差(即角速度ω)，摩擦力矩补偿T_f,c可通过库伦摩擦力矩α₀乘以角速度ω取得。

上述方程式(5)以空间矩阵可以表示为：

其中，包含了方向盘转向角度θ、方向盘角速度ω以及回正力矩T_a。在主动转向的情况下，驾驶力矩T_d为零，系统输入u＝T_m-T_f,c为马达力矩扣除估测出的库伦摩擦力矩；w为系统的干扰噪声；α₂是转向系统的旋转阻尼系数；I是转向系统的转动惯量，而转向系统的状态矩阵、控制输入矩阵、干扰输入矩阵，其各矩阵详细内容如方程式(7)所示。

方程式(6)、(7)转换为离散时间的状态系统为：

x(k+1)＝Φx(k)+Гu(k)+Г₁w(k)

y(k)＝Hx(k)-υ(k) (8)

其中y(k)为x(k)为经过离散时间转移函数H运算后的输出，w(k)为系统的干扰噪声，v(k)为感知器量测误差，这两个皆为零平均值的随机序列，表示如方程式(9)所示：

ε{w(k)}＝ε{v(k)}＝0 (9)

前述方程式通过卡尔曼滤波器(Kalman Filter)，进行状态项的预估，如方程式(10)所示。并配合感知器量测值y(k)与估测增益矩阵L_p进行估测值的更新，如方程式(11)，以得到最佳的估测值

其中为估测的系统状态，为估测的转向方向，为估测的方向盘角速度，为回正力矩的估测值。在方程式(10)中，从到的过程，可称为时间更新，其过程中将会进行协方差矩阵P(k)的预估，如方程式(12)所示。并在方程式(11)中，到的过程则称为量测更新，其估测增益矩阵L_p则会根据预估估测协方差矩阵P进行更新，如方程式(13)所示。M则为由P量测更新后的协方差矩阵，如方程式(14)。而在方程式(12)、(13)、(14)中，R_v为系统传感器权重，R_w则为实际干扰权重。

P(k)＝M(k)-M(k)H^T(HM(k)H^T+R_v)^-1HM(k) (12)

L_P(k)＝P(k)^TR_V ^-1 (13)

参阅图1及图2所示，首先，依据驾驶的操作、行车动态的监控，行车计算机的动态稳定系统或其他辅助操作机制，将会产生一转向参考角度θ_ref，作为一角度需求输入至控制器200。

控制器200依据转向参考角度θ_ref计算对转向轮施加的控制力矩T_c。此转向参考角度θ_ref为EPS模块100需要输出的转向角度，系根据转弯、侧向移动以变化车道或侧向移动以稳定车身维持于车道等不同需求计算得出。

角度感知器400连接于EPS模块100，用于持续量测EPS模块100目前的实际转向角度θ_m，传送至控制器200。

如图1、图2及图3所示，控制器200可计算转向参考角度θ_ref以及实际转向角度θ_m的差值，得到一转向角度差(Δθ＝θ_ref-θ_m)，也就是EPS模块100还需要对转向轮进行多少角度的转向。控制器200同时利用转向角度差(Δθ＝θ_ref-θ_m)计算EPS模块100需要提供给转向轮的控制力矩T_c，如步骤Step 110所示。控制力矩T_c的大小，可以通过一个转移函数C来取得，控制器200并以转向角度差乘以转移函数C得到控制力矩T_C，转移函数C取得的方式说明如下。

首先，以IMC控制器(Internal Model Control)设计控制器200，使得图6所示的控制力矩预估可形成实际模型G与近似模型并联，在回授连接至IMC控制器G_imc的架构，如文献B.A.Francis and W.M.Wonham,“The internal model principle of controltheory,”Automatica,vol.12,no.5,pp.457–465,1976.所提出的设计原则。依据前述架构及设计原则，可得到转移函数C为：

依据方程式(15)，即可依据转向角度差(Δθ＝θ_ref-θ_m)计算控制力矩T_C：

Tc＝(θ_ref-θ_m)×C (16)

如图1及图2所示，扭矩感知器500连接于EPS模块100，用以检测驾驶人通过方向盘输入的驾驶力矩T_d，传送至控制器200，以供控制器200判断驾驶人的转向意图。

参阅图1、图2及图3所示，控制器200计算摩擦力矩补偿如步骤Step 120所示。

摩擦力矩补偿的详细运算流程如图4所示，首先，控制器200依据持续接收的实际转向角度θ_m，计算实际转向角度θ_m于一取样时间内的变化Δθ_m，而此取样时间内的实际转向角度变化Δθ_m可视为实际转向角速度控制器200比较实际转向角速度Δθ_m的绝对值是否大于一第一门槛值ε₁，如步骤Step 121所示。

如步骤Step122所示，若实际取样时间内的变化Δθ_m的绝对值大于第一门槛值ε₁，代表角度感知器400所得到的实际转向角度变化Δθ_m并非噪声，使得摩擦力矩补偿T_f,c与实际转向角速度Δθ_m有较高的相关度。此时，控制器200以实际转向角速度Δθ_m计算摩擦力矩补偿的估测值并以实际转向角速度Δθ_m的正负值决定摩擦力矩补偿的估测值的方向：

上述方程式，函数符号sgn系用以表示的方向性与实际转向角速度Δθ_m的关联，为估测的库伦摩擦力矩，简化前的完整方程式请参阅方程式(2)。

如步骤Step123所示，若，实际转向角速度Δθ_m的绝对值小于或等于，亦即实际转向角速度Δθ_m的绝对值不大于第一门槛值ε₁，则控制器200将实际转向角速度Δθ_m视为噪声，亦即无实际转向角速度。此时需判断转向参考角度θ_ref的变化量Δθ_ref。控制器200计算取样时间内的转向参考角度θ_ref的变化量Δθ_ref以作为转向参考角速度，而进一步比较转向参考角速度Δθ_ref的绝对值是否大于一第二门槛值ε₂。

如步骤Step 124所示，若转向参考角速度Δθ_ref的绝对值大于一第二门槛值ε₂，代表EPS模块100将介入方向机柱转向，而使得摩擦力矩补偿的估测值与转向参考角速度Δθ_ref有较高的相关度。此时，控制器200以转向参考角速度Δθ_ref计算摩擦力矩补偿估测值并以转向参考角速度Δθ_ref的正负值决定摩擦力矩补偿估测值的方向。

上述方程式，函数符号sgn系用以表示的方向性与实际转向角速度Δθ_ref的关联，为估测的库伦摩擦力矩，简化前的完整方程式请参阅方程式(2)。

如步骤Step 125所示，若转向参考角速度Δθ_ref的绝对值也不大于第二门槛值ε₂，则不进行摩擦力矩补偿，则代表机动车辆V本身并无转向改变需求，亦即EPS模块100不驱动方向机柱转动，而不产生旋转摩擦，因此控制器200将摩擦力矩补偿估测值设定为零。

实际上，第一门槛值ε₁与第二门槛值ε₂都是用于筛选噪声的门槛值，其数值大小可由角度感知器400的灵敏度决定。例如，角度感知器400可以检测的角度变化率(即角速度)的灵敏度是0.1度/秒时，可以设定单位时间内角度变化量小于0.2度的状况视为噪声，亦即EPS模块100中的方向机柱没有角度变化，而不需摩擦力矩补偿，控制器200设定摩擦力矩补偿估测值为零。

如图1、图2以及图3所示，接着，控制器200估测回正力矩T_a，如步骤Step 130所示。

参阅图5，如前所述，方向机柱的旋转动态可用旋转动态方程式表示为：

上述旋转动态方程式以方程式(6)以空间矩阵化之后，通过卡尔曼滤波器(KalmanFilter)配合估测增益矩阵L_p，让L_p随时间变化，通过变动的L_p来进行干扰估测，以实际转向角速度(即为ω)、上一个时间点估算的辅助力矩T_m以及目前的摩擦力矩补偿T_f,c，以估测增益矩阵L_p迭代，让L_p随时间变化，通过变动的L_p来进行干扰估测，而得到不同时间的回正力矩估测值

参阅图1、图2以及图3所示，最后，控制器200即可计算目前的辅助力矩如步骤Step 140所示。

最后，控制器200发出控制命令，控制马达驱动电路300输出对应的马达驱动电流，以驱动EPS模块100中的辅助马达，使得EPS模块100输出辅助力矩T_m，从而通过方向机柱驱动控制转向轮的转向角度。

如图1以及图2所示，电流感知器600连接于马达驱动电路300，用以检测马达驱动电流大小，回授给控制器200，以供控制器200判断并调整EPS模块100输出的辅助力矩T_m。

前述的辅助力矩T_m，系假设驾驶无转向意图而没有提供驾驶力矩。实际上扭矩感知器500检测的驾驶力矩，也持续回授至控制器200，以调整实际需要输出的辅助力矩T_m。

参阅图1及6所示，实际上的回授架构，系在转向参考角度θ_ref，作为一角度需求输入至控制器200之后，控制器200持续接收实际转向角度θ_m，并根据实际转向角度θ_m计算控制力矩估测值摩擦力矩补偿估测值以及干扰估测(估测回正力矩)，而重新迭代控制力矩估测值摩擦力矩补偿T_f,c以及估测回正力矩其中更以实际的回正力矩T_a判断估测误差。

如图1及7所示，为本发明的一种具体应用例，通过影像辨识道路标线或其他辨识手段，机动车辆V的行车计算机可识别机动车辆V是否偏离车道。行车计算机根据车道维持系统的辨识分析输出车道行驶所需的转向参考角度θ_ref，以修正机动车辆V的行车方向。此时，依据转向参考角度θ_ref，控制器200便开始由角度感知器400、扭矩感知器500以及电流感知器600接收各项参数，而持续计算控制力矩估测值摩擦力矩补偿估测值估测回正力矩而得到辅助力矩T_m，而以驱动马达电路输出对应电流以驱动EPS模块100输出辅助力矩T_m。控制器200同时持续接收各项参数的回授，持续修正辅助力矩T_m转向角控制，而维持机动车辆V于车道上。

如图1及8所示，为本发明另一种具体应用例，通过影像辨识道路标线或其他辨识手段，机动车辆V的行车计算机可识别机动车辆V前方有其他相对速度较低的机动车辆V’，而决策变换车道进行超车后回到原车道。此时行车计算机先预估变化行车轨迹，而持续输出转向参考角度θ_ref，使机动车辆V依据轨迹移动。此时，依据转向参考角度θ_ref，控制器200便开始接收各项参数，而持续计算控制力矩估测值摩擦力矩补偿估测值估测回正力矩而得到辅助力矩T_m，而以驱动马达电路输出对应电流以驱动EPS模块100输出辅助力矩T_m。控制器200同时持续接收各项参数的回授，而持续修正辅助力矩T_m及转向角控制，而使机动车辆V依据轨迹移动。此时，若有检测到驾驶力矩，则依据驾驶力矩修正辅助力矩T_m，例如降低辅助力矩T_m的输出。或，驾驶力矩产生的当前转向过度或不足，则辅助修正实际转向角度θ_m使其符合转向参考角度θ_ref。

如图1及9所示，为本发明又一种具体应用例，通过影像辨识道路标线或其他辨识手段，机动车辆V的行车计算机可识别机动车辆V前方有障碍物B，如行人，而决策变换车道闪避；或，行车计算机由控制器200的回报，得到突然快速增加实际转向角度θ_m，而判断驾驶要进行变换车道闪避。此时行车计算机先预估变化行车轨迹，而持续输出转向参考角度θ_ref，使机动车辆V依据轨迹移动。此时，依据转向参考角度θ_ref，控制器200便开始由角度感知器400、扭矩感知器500以及电流感知器600接收各项参数，而得到辅助力矩T_m，而以驱动马达电路输出对应电流以驱动EPS模块100输出辅助力矩T_m，并持续修正辅助力矩T_m及转向角控制。此时，若有检测到驾驶力矩T_d，判断是否转向不足或转向过度，而以辅助力矩T_m介入辅助修正实际转向角度θ_m及实际转向角速度Δθ_m(取样时间内的角度变化)，使其符合转向参考角度θ_ref以及转向参考角速度Δθ_ref，以避免驾驶的操作无法回避障碍物或是过度转向造成翻车。

本发明以感知器直接检测EPS模块100的变化，取得各项必要参数以计算辅助力矩T_m，降低获得参数的不确定性，使得计算出来的结果有效佳的可靠性。

若该实际转向角速度的绝对值不大于该第一门槛值，该控制器比较该转向参考角速度的绝对值是否大于一第二门槛值；且若该转向参考角速度的绝对值大于该第二门槛值，该控制器以该转向参考角速度计算该摩擦力矩补偿；以及

若该实际转向角速度的绝对值不大于该第一门槛值，且该转向参考角速度的绝对值不大于该第二门槛值，该控制器设定该摩擦力矩补偿为零。

6.如权利要求1所述的机动车辆转向控制系统，其特征在于，该控制器通过一卡尔曼滤波器配合一估测增益矩阵，而得到该回正力矩估测。

7.一种转向控制方法，用于对一机动车辆的转向轮进行转向，其特征在于，包含：

接收一转向参考角度以及一实际转向角度，依据该转向参考角度及该实际转向角度计算一控制力矩；

依据该实际转向角度及该转向参考角度于一取样时间内的变化，而得到一实际转向角速度以及一转向参考角速度，并依据该实际转向角速度以及该转向参考角速度，以得到一摩擦力矩补偿；

估测转向后产生的一回正力矩估测；以及

依据该控制力矩、该摩擦力矩补偿以及该回正力矩估测计算一辅助力矩，输出该辅助力矩。

8.如权利要求7所述的转向控制方法，其特征在于，更包含：

检测一驾驶人输入的驾驶力矩，以供该控制器判断该驾驶人的转向意图。

9.如权利要求7所述的转向控制方法，其特征在于，计算该控制力矩的步骤包含：

依据该转向参考角度以及该实际转向角度计算一转向角度差，以该转向角度差乘以一转移函数得到该控制力矩。

10.如权利要求7所述的转向控制方法，其特征在于，计算该摩擦力矩补偿的步骤包含：

比较该实际转向角速度的绝对值是否大于一第一门槛值，若该实际转向角速度的绝对值大于该第一门槛值，以该实际转向角速度计算该摩擦力矩补偿；

若该实际转向角速度的绝对值不大于该第一门槛值，比较该转向参考角速度的绝对值是否大于一第二门槛值；且若该转向参考角速度的绝对值大于该第二门槛值，以该转向参考角速度计算该摩擦力矩补偿；以及

若该实际转向角速度的绝对值不大于该第一门槛值，且该转向参考角速度的绝对值不大于该第二门槛值，设定该摩擦力矩补偿为零。