具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明针对现有技术中轮毂电机未集成转向系统且车辆转向范围有限的问题，提供一种线控转向系统及其控制方法、装置、控制设备及汽车。

如图1所示，本发明其中一实施例提供一种线控转向系统，安装于具有轮毂电机1的车辆上，包括：

设置于车辆转向轮上的转向模块，所述转向模块包括扭矩转角传感器、转向电机001、行星齿轮机构002和转向附件；其中，所述转向电机001通过转向输入轴003连接所述行星齿轮机构002，所述行星齿轮机构002通过转向输出轴004和所述转向附件连接轮毂电机1，所述扭矩转角传感器设置在所述转向输入轴003或所述转向输出轴004上；

与所述转向电机001连接的线控转向控制器01；

通过整车通讯网络与所述线控转向控制器01连接的力矩传感器和方向盘转角传感器。

需要说明的是，如图2所示，表示本发明其中一实施例提供的基于轮毂电机的转向系统，该转向系统亦属于一种线控转向系统。所述线控转向系统包括转向模块、线控转向控制器01和方向盘模块3个子系统模块，其中，转向模块包括扭矩转角传感器、转向电机001、行星齿轮机构002和转向附件等；方向盘模块包括方向盘组件、方向盘转角传感器、力矩传感器和方向盘回正力矩电机。其中，所述行星齿轮机构002与整车固定，比如可与整车车架4固定连接。

根据本发明其中一实施例提供的所述线控转向系统，可以任意搭配两轮转向或四轮以及六轮等多轮转向架构。对于每个转向轮，均设置一套转向电机001和传动机构，即可在车辆的每个转向轮都独立设置一个所述转向模块；而在控制方面，各转向电机001可共用一个所述线控转向控制器01，所述线控转向控制器01与驾驶员之间可通过整车通讯网络连接，从而隔离开了驾驶员与所述线控转向控制器01之间的力矩连接。此外，由于所述线控转向系统的方向盘和转向器3之间取消了转向柱等机械连接，所以需要设置方向盘回正力矩电机，即用于模拟回正的电机。也就是说，所述方向盘回正力矩电机用于模拟路感，而路感反馈模拟部分的控制则由所述转向模块的所述扭矩转角传感器提供输入。

可选地，所述转向附件包括转向臂005、叉臂006和/或减震器；其中，所述转向臂005和所述叉臂006连接所述转向输出轴004与所述轮毂电机1。

需要说明的是，转向附件包括机械连接结构，也可把减震器和/或减震弹簧等结构集成进来。所述机械连接结构可包括转向臂005和叉臂006，或者其他可用于连接所述转向输出轴004与所述轮毂电机1以传递力矩的机械结构，所述机械连接结构可绕所述转向输出轴004转动。

本发明实施例提供的所述线控转向系统和主流线控转向系统的区别在于：

首先，所述线控转向系统的机械执行机构与主流线控转向系统不同，主要体现在所述线控转向系统不需要齿轮齿条啮合、涡轮蜗杆和转向横拉杆等结构。

其次，所述线控转向系统的各个转向电机001之间可独立工作，互不影响。也就是说，即使是同为前/后轮，也可分别转动不同的角度。

再次，所述线控转向系统集成在轮毂电机1中，取消了主流线控转向系统的大部分机械结构，力矩传动机构可采用行星齿轮机构002传递力矩。

最后，该轮毂电机1转向系统整体结构上与主流线控转向器的最大区别还在于用行星齿轮机构002替代了涡轮、蜗杆、齿条、内拉杆、外拉杆和球头等机构，机械结构大大减少的同时也提升了传动效率。

还需要说明的是，目前市场上的线控转向系统均未集成在轮毂电机1上，即传统的线控转向系统是通过给助力电机发送电信号指令，从而实现对线控转向系统进行控制。传统的线控转向系统的工作原理如图7所示，通过检测方向盘转角的绝对位置的传感器将信号直接传递给转向机上的控制单元，该控制单元按照方向盘的输入角度换算成车轮应该转动的角度，从而控制电机运转，进而带动转向机实现转向动作。

从集成的角度来说，与未集成在轮毂电机1上的传统线控转向系统相比，本发明实施例提供的线控转向系统有以下几个优点：

由于集成在轮毂电机1中，使得所述线控转向系统得以取消了主流线控转向器的大部分机械结构，集成度更高；

各个转向轮独立转动，互不影响。相比于传统线控转向系统的双冗余设计，所述线控转向系统可以做到至少4倍的冗余设计(每个车轮都是转向轮的情况下，各个转向轮上的线控转向系统互为冗余)；

提升了功能安全性能；

车轮可进行360°的旋转，整车可实现原地转动和完全的侧向移动，对狭小空间内的车辆移动提供极大的便利与优势；

此外，目前整车自动驾驶控制多采用轨迹控制，但传统的转向系统对同轴的车轮只能进行同角度转动，而不能准确按照上层自动驾驶系统拟合的轨迹来行驶。而本发明实施例提供的线控转向系统则不存在这个问题，基于轮毂电机的线控转向系统对遵循理想行驶轨迹方面具有天然的优势。

本申请融合了线控转向和轮毂电机两种前沿技术，使得车辆各个转向轮可以独立运动并实现了360°转向的功能。此外，本发明实施例提供的线控转向系统不仅仅可以用于本申请中的这一类轮毂电机，只要是能为该专利中的线控转向系统提供各车轮无硬连接的整车平台，均可搭载本申请中的线控转向系统。

还需要说明的是，相比于一般的齿轮传动机构，行星齿轮机构002传动具有功率范围大、传动效率高、传动比准确、使用寿命长、结构体积小以及工作平稳的优点。本申请可选取行星齿轮机构002作为转向电机001的传动机构，还可以选用外加电动换挡结构的多排行星齿轮机构，以实现变传动比转向。行星齿轮机构002与种类有很多，可根据整车实际所需的传动比或机械效率来选取不同的类型，还可以将行星齿轮机构002与定轴轮系组合形成复合轮系。由于行星齿轮机构002变体较多，在此，为了便于演示，本发明实施例仅以图示的形式展示其中一种可行的行星齿轮机构002，该行星齿轮机构002是一种单排单级的行星齿轮机构，如图3所示。其中，所述行星齿轮机构002包括太阳轮0021、行星架0022、行星齿轮0024和齿圈0023，所述行星齿轮机构002通过外齿圈0023与整车固定，其主动件(即太阳轮0021)连接所述转向输入轴003，从动件(即行星架0022)连接所述转向输出轴004。除上述这种行星齿轮机构002外，还可以采用其他形式的行星齿轮机构002，如主从动关系不同的单排行星齿轮、多排或多级行星齿轮，以及电动可变齿比的多排行星齿轮机构，也可采用更简单的齿轮传动或带传动机构。

本发明实施例中，集成在轮毂电机中的线控转向系统，进一步提升了轮毂电机汽车的集成度，可采用一种较为简单的结构实现车辆的360°转向功能。另外，还可提升车辆的转向角控制精度，优化自动驾驶控制基于转角控制的高级功能，例如高速路辅助驾驶功能HWA或交通拥堵辅助自动驾驶功能TJP的精准度，以及对理想行驶轨迹的实现能力。

本发明实施例还提供一种控制方法，应用于如上所述的线控转向系统。所述线控转向系统采用集中控制和四轮(或多轮)分布式输出的控制架构，以实现360°的四轮(或多轮)协同转向，如图5所示，所述线控转向系统各轮的转向驱动电机共享一个线控转向控制器01。由于考虑到360°转向对整车纵向控制与横向控制都会产生影响，故所述线控转向系统不但需要具备执行功能，而且应该在特定工况下能够独立完成转向工作。

需要说明的是，车辆在中高速行驶工况下，出于整车驾驶安全角度考虑，大角度转向属于极其危险的操作，所以需要在中高车速时(比如车速在20km/h以上工况)限制所述线控转向控制器01的转向角范围，以保障车辆安全；而车辆在低速行驶工况下，大角度的转向相对来说较为安全，但考虑到复杂工况，该操作仍具有较大风险，所以需要上层控制器来配合确认周边车况信息和路况信息，以及控制车速，以保障车辆安全，所述上层控制器包括高级驾驶辅助系统(Advanced Driving Assistance System，简称ADAS)控制器或底盘域控制器等。

也就是说，需要根据车辆的当前车速，来控制所述线控转向系统的转向角范围，以保证车辆的安全。具体的，如图4所示，所述控制方法包括：

S41：获取力矩传感器采集的车辆方向盘的扭矩信号和方向盘转角传感器采集的车辆方向盘的转角信号；

S42：根据所述扭矩信号和所述转角信号确定第一转角；

S43：在所述第一转角大于预设角度时，获取当前车速，并根据所述当前车速确定第一目标转角；

S44：控制转向电机001输出所述第一目标转角；

S45：获取扭矩转角传感器采集的转向轴信号；

S46：根据所述转向轴信号，调整所述第一目标转角，得到第二目标转角，并控制所述转向电机001输出所述第二目标转角。

也就是说，在驾驶员转动方向盘时，所述力矩传感器可采集车辆方向盘的扭矩信号，所述方向盘转角传感器可采集车辆方向盘的转角信号，根据所述扭矩信号和所述转角信号可以获悉驾驶员当前的转向意图，即确定驾驶员想要的第一目标转角。然后根据所述第一目标转角来判断驾驶员要求想要“大角度”转向，还是“小角度”转向。所述“大角度”和“小角度”的转向意向可根据所述预设角度来进行区分，而所述预设角度可标定获得，例如设置车轮转动40°以上为大角度范围，即可将所述预设角度设为40°。

此外，由于行驶中的车辆其状态是随时变化的，因此在车辆转向过程中，可以监测各转向轮上的扭矩转角传感器采集到的各轴信号(即所述转向轴信号)，持续调整各电机的输出力矩和目标转角。

可选地，还包括：

在所述第一转角小于所述预设角度时，确定所述第一目标转角为所述第一转角。

也就是说，驾驶员想要获得的是一个“小角度”转向时，可以控制线控转向系统直接遵循驾驶员意愿，输出其要求的转向角度。而驾驶员想要获得的是一个“大角度”转向时，则要根据以下策略来进行进一步控制：

可选地，所述在所述第一转角大于预设角度时，获取当前车速，并根据所述当前车速确定第一目标转角，包括：

在所述当前车速为0时，确定所述第一目标转角为所述第一转角。

也就是说，车辆在静止状态时，车辆处于比较安全的状态，可以由驾驶员自行把控转向范围，驾驶员可以按照自己的意愿转向。

需要说明的是，在所述当前车速为0时，即在车辆原地转向工况时，线控转向系统将独立完成原地转向操作。但为了使驾驶员可以直观地感知到车辆移动方向，各轮的转向模块中的扭矩转角传感器采集到的各轮转角信息可以通过所述线控转向控制器01传输给整车通讯网络，并转化为可视化的结果。例如，可采用将现方向盘位置下预测的车辆运动轨迹投影在中控屏幕上的方式，以提示驾驶员。

在所述当前车速大于第一预设速度时，根据车速与预设角度的对应关系，确定所述第一目标转角为当前车速对应的第一预设角度；其中，所述第一预设速度大于0。

也就是说，在所述当前车速大于第一预设速度时，即中高速工况下(如20km/h以上工况)，大角度转向可能带来极其危险的后果，应该限制线控转向控制器01的转向角范围，该安全职能可由上层控制器(比如ADAS控制器或底盘域控制器等)承担，也可由线控转向控制器01承担。具体的，在中高速工况时，可在较小的安全角度范围内设置止点，并且可设置一个或多个止点，分别对应不同的速度范围。即可以通过设置止点，建立车速与预设角度之间的对应关系。比如，速度在70km/h～80km/h范围内时，设置的止点对应的转角为15°，而速度在90km/h～120km/h范围内时，设置的止点对应的转角为10°。

在所述当前车速大于0且小于所述第一预设速度时，向第一控制器发送请求信息，并根据接收到的反馈信息确定所述第一目标转角；其中，所述反馈信息为所述第一控制器根据所述请求信息发送的信息。

也就是说，车辆在相对低的速度下行驶时，需要第一控制器(即所述上层控制器)的配合来控制转向范围，以保障车辆转向安全。

此外，在低速和原地大角度转向时需要考虑到方向盘转动范围和方向盘路感模拟模块输出的回正力设置，此处通过路感模块设置止点的方式用软件限位。同时，对应的回正力设置为在到达方向盘软止点前逐渐增大，以尽量贴合普通汽车方向盘手感。

可选地，所述在所述当前车速大于0且小于所述第一预设速度时，向第一控制器发送请求信息，并根据接收到的反馈信息确定所述第一目标转角；其中，所述反馈信息为所述第一控制器根据所述请求信息发送的信息，包括：

在所述当前车速大于0且小于所述第一预设速度时，向所述第一控制器发送进入大角度转向模式的请求信息；

在接收到所述第一控制器根据所述请求信息反馈的允许信号时，根据车速与预设角度的对应关系，确定所述第一目标转角为当前车速对应的第二预设角度；

其中，在所述大角度转向模式下，车辆的行驶速度小于或等于第二预设速度，且所述第二预设速度小于所述第一预设速度。

需要说明的是，在所述当前车速大于0且小于所述第一预设速度时，也就是说在低速工况下，需要请求上层控制器以进入大角度转向模式。由所述上层控制器确认周边车况信息和路况信息，并限制当前车速后，才进入大角度转向模式。限制当前车速是指把当前车速限制在一定的数值下，即上层控制器在接收到所述请求信息后，需要先把速度控制第二预设速度以下，再向所述线控转向控制器01发送所述允许信号，以保证车辆转向的安全性。其中，所述第二预设速度可标定获得，比如可设置为10km/h。在被允许进入大角度转向模式后，才允许响应驾驶员进行的大角度转向操作。进一步地，还可以将所述大角度转向模式下的车速设置恒定在第二预设速度，比如可设置为所述大角度转向模式下的车速恒为5km/h，以达到更好的安全效果。

可选地，所述第一控制器包括高级驾驶辅助系统ADAS控制器或底盘域控制器。

线控转向系统的控制原理图如图6所示，也就是说，整个控制过程大致可分为以下三个阶段：

阶段一：驾驶员转动方向盘，即驾驶员对方向盘施加了一个周向力矩。该力矩(即扭矩信号)被方向盘模块中的力矩传感器采集，而方向盘转动的转角(即转角信号)则被方向盘模块中的方向盘转角传感器采集，所述扭矩信号和所述转角信号经由整车通讯网络到达线控转向控制器01，如果转角为小角度转角则控制直接执行该角度的转向，如果转角为大角度转角则进入阶段二；

阶段二：分中高速、低速和原地三种不同情况采取不同的应对措施，如可以完全执行该转角，则由线控转向控制器01得出为达到驾驶员意图所需要两个四个/多个转向轮分别转动的角度，然后将目标转角发送给各个转向轮，并在车辆转向过程中，监测各转向轮上的扭矩转角传感器采集到的各轴信号，持续调整各电机的输出力矩和目标转角。其中，在低速时，线控转向控制器01需要通过与上层控制器之间的请求/确认信息交互，在得到上层控制器允许时进入大角度转角模式，进而控制转向。

阶段三：转向电机001接收线控转向控制器01发出的指令，驱动行星齿轮机构002带动转向臂005实现轮毂电机1以及车轮的旋转，进而使整车可以进行任意方向的转向。

可见，本申请的线控转向系统与现有技术的存在较大区别，具体可见下表分析：

本发明实施例中，高度集成了转向系统与轮毂电机系统，取消了主流转向系统(包括典型线控转向系统)中的很多机械连接结构，让各转向轮得以独立转动，互不影响；相比典型线控转向系统的双冗余设计，该转向系统则进行了至少4倍的冗余设计(每个车轮的轮毂电机1上都可以搭载一套独立的转向子系统)，较大幅度提高了转向系统冗余度，增加了整车的可靠性；各车轮可独立转动，使得该转向系统在搭配自动驾驶平台而精准实现车辆理想运行轨迹方面有着明显的优势。

如图8所示，本发明实施例还提供一种控制装置，应用于如上所述的线控转向系统，包括：

第一获取模块81，用于获取力矩传感器采集的车辆方向盘的扭矩信号和方向盘转角传感器采集的车辆方向盘的转角信号；

转角确定模块82，用于根据所述扭矩信号和所述转角信号确定第一转角；

目标转角模块83，用于在所述第一转角大于预设角度时，获取当前车速，并根据所述当前车速确定第一目标转角；

第一控制模块84，用于控制转向电机001输出所述第一目标转角；

第二获取模块85，用于获取扭矩转角传感器采集的转向轴信号；

第二控制模块86，用于根据所述转向轴信号，调整所述第一目标转角，得到第二目标转角，并控制所述转向电机001输出所述第二目标转角。

也就是说，在驾驶员转动方向盘时，所述力矩传感器可采集车辆方向盘的扭矩信号，所述方向盘转角传感器可采集车辆方向盘的转角信号，根据所述扭矩信号和所述转角信号可以获悉驾驶员当前的转向意图，即确定驾驶员想要的第一目标转角。然后根据所述第一目标转角来判断驾驶员要求想要“大角度”转向，还是“小角度”转向。所述“大角度”和“小角度”的转向意向可根据所述预设角度来进行区分，而所述预设角度可标定获得，例如设置车轮转动40°以上为大角度范围，即可将所述预设角度设为40°。

此外，由于行驶中的车辆其状态是随时变化的，因此在车辆转向过程中，可以监测各转向轮上的扭矩转角传感器采集到的各轴信号(即所述转向轴信号)，持续调整各电机的输出力矩和目标转角。

可选地，还包括：

第三控制模块，用于在所述第一转角小于所述预设角度时，确定所述第一目标转角为所述第一转角。

也就是说，驾驶员想要获得的是一个“小角度”转向时，可以控制线控转向系统直接遵循驾驶员意愿，输出其要求的转向角度。而驾驶员想要获得的是一个“大角度”转向时，则要根据以下策略来进行进一步控制：

可选地，所述目标转角模块83包括：

第一控制子模块，用于在所述当前车速为0时，确定所述第一目标转角为所述第一转角。

也就是说，车辆在静止状态时，车辆处于比较安全的状态，可以由驾驶员自行把控转向范围，驾驶员可以按照自己的意愿转向。

第二控制子模块，用于在所述当前车速大于第一预设速度时，根据车速与预设角度的对应关系，确定所述第一目标转角为当前车速对应的第一预设角度；其中，所述第一预设速度大于0。

也就是说，在所述当前车速大于第一预设速度时，即中高速工况下(如20km/h以上工况)，大角度转向可能带来极其危险的后果，应该限制线控转向控制器01的转向角范围，该安全职能可由上层控制器(比如ADAS控制器或底盘域控制器等)承担，也可由线控转向控制器01承担。具体的，在中高速工况时，可在较小的安全角度范围内设置止点，并且可设置一个或多个止点，分别对应不同的速度范围。即可以通过设置止点，建立车速与预设角度之间的对应关系。比如，速度在70km/h～80km/h范围内时，设置的止点对应的转角为15°，而速度在90km/h～120km/h范围内时，设置的止点对应的转角为10°。

第三控制子模块，用于在所述当前车速大于0且小于所述第一预设速度时，向第一控制器发送请求信息，并根据接收到的反馈信息确定所述第一目标转角；其中，所述反馈信息为所述第一控制器根据所述请求信息发送的信息。

也就是说，车辆在相对低的速度下行驶时，需要第一控制器(即所述上层控制器)的配合来控制转向范围，以保障车辆转向安全。

此外，在低速和原地大角度转向时需要考虑到方向盘转动范围和方向盘路感模拟模块输出的回正力设置，此处通过路感模块设置止点的方式用软件限位。同时，对应的回正力设置为在到达方向盘软止点前逐渐增大，以尽量贴合普通汽车方向盘手感。

可选地，所述第三控制子模块包括：

请求单元，用于在所述当前车速大于0且小于所述第一预设速度时，向所述第一控制器发送进入大角度转向模式的请求信息；

控制单元，用于在接收到所述第一控制器根据所述请求信息反馈的允许信号时，根据车速与预设角度的对应关系，确定所述第一目标转角为当前车速对应的第二预设角度；

其中，在所述大角度转向模式下，车辆的行驶速度小于或等于第二预设速度，且所述第二预设速度小于所述第一预设速度。

需要说明的是，在所述当前车速大于0且小于所述第一预设速度时，也就是说在低速工况下，需要请求上层控制器以进入大角度转向模式。由所述上层控制器确认周边车况信息和路况信息，并限制当前车速后，才进入大角度转向模式。限制当前车速是指把当前车速限制在一定的数值下，即上层控制器在接收到所述请求信息后，需要先把速度控制第二预设速度以下，再向所述线控转向控制器01发送所述允许信号，以保证车辆转向的安全性。其中，所述第二预设速度可标定获得，比如可设置为10km/h。在被允许进入大角度转向模式后，才允许响应驾驶员进行的大角度转向操作。进一步地，还可以将所述大角度转向模式下的车速设置恒定在第二预设速度，比如可设置为所述大角度转向模式下的车速恒为5km/h，以达到更好的安全效果。

可选地，所述第一控制器包括高级驾驶辅助系统ADAS控制器或底盘域控制器。

本发明实施例还提供一种控制设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的程序；所述处理器执行所述程序时实现如上所述的控制方法。

本发明实施例还提供一种汽车，包括如上所述的控制装置。

以上所述的是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明所述的原理前提下还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。