一种基于阿克曼转向定理的方向盘转角估算方法及系统与流程

本发明涉及车辆转向控制领域，尤其涉及一种基于阿克曼转向定理的方向盘转角估算方法及系统。

背景技术：

随着社会经济的发展，机动车辆使用越来越多，尤其是四轮或多于四轮的机动车辆。机动车辆通常是通过方向盘来控制前轮的转向，从而控制车辆前进的方向。并且，机动车辆的转向性能直接影响整车的机动性、灵活性和行驶稳定性，尤其对于大型的机动车辆来说。

车辆，尤其是四轮及以上的车辆，在转弯时，内外转向轮路径指向的圆心不同，构成了阿克曼转向几何(ackermannsteeringgeometry)。依据阿克曼转向几何设计的车辆，在沿着弯道转弯时，利用四连杆的相等曲柄使内侧轮的转向角比外侧轮大大约2～4度，使四个轮子路径的圆心大致上交会于后轴的延长线上瞬时转向中心，从而让车辆可以顺畅地转弯。

并且，在现在的车辆中，“方向盘转角传感器”已经被广泛应用于汽车动力稳定性控制系统(esp)和电动助力转向系统(eps)中，机动车在转向时，通过它实时计算方向盘转角位置和变化速率，从而为eps和esp的控制单元提供数据依据。

方向盘转角传感器为车辆稳定性控制系统的一个组成部分，用于测量转角和转过的圈数。主要安装在方向盘下方的方向柱内，一般通过can总线和控制单元相连，可以分为模拟式方向盘转角传感器和数字式方向盘转角传感器。

目前，用于计算方向盘的绝对位置角度的所述“方向盘转角传感器”，在物理结构上，通常采用三个齿轮的齿轮组的机械结构，如图1所示，采用一个大齿圈作为主动齿轮5，所述主动齿轮5的内部与管柱固定连接，外部啮合两个小的从动齿轮，第一从动轮2和第二从动轮3。其中，主动齿轮5随方向盘管柱一起转动，两个小齿轮则相差固定的齿数，与传感器外壳一起固定在车身上，随方向盘转动及主动齿轮5的带动而转动。两个小齿轮对随方向盘转动的转角分别加以采集，同时，由于相差固定齿，故不同的圈数就会相差特定的角度，则通过计算就可以得到方向盘的绝对转角。

在行车中，所述方向盘转角传感器的稳定性和精度与行车安全直接相关。根据道路车辆功能安全标准iso26262的要求，在人工驾驶工况下，“方向盘转角传感器”的asil(汽车安全完整性水平automotivesafetyintegritylevel)等级最低要达到asilb等级。其中，所述asil的标准有四个等级，分别为a、b、c、d，其中a级为最低的等级，d级为最高的等级。在自动驾驶场景下，方向盘转角需要达到asild才能满足功能安全标准。

若安全等级要达到asild标准，对所述三个齿轮的齿轮组的机构和精度提出了较高的要求，尤其是所述从动齿轮的角度探测需要增加冗余设计，以保证从动轮角度探测的可靠性和精确性。故而，采用现有的技术方案使“方向盘转角传感器”达到asild将会压缩原本就有限的汽车内部空间，给设计者带来新的困难，同时还会增加成本，并且，结构的复杂化也会影响其工作稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于阿克曼转向定理的方向盘转角估算方法及系统，从而在不增加方向盘转角传感器的体积，即不占用额外的汽车内部空间的情况下，最大化方向盘转角传感器的性能和安全等级。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本申请第一个方面提供了一种基于阿克曼转向定理的方向盘转角估算方法，包括：

设置转向力矩阈值、稳定行驶速度下限阈值、直行方向盘转速上限阈值、横摆角速度阈值、前后轴速度差阈值、稳定转向方向盘转矩阈值；

车辆处于行驶状态；

从方向盘力矩传感器读取方向盘的转向力矩，判断方向盘的转向力矩是否低于转向力矩阈值，若低于转向力矩阈值，启动直行工况判断步骤，否则，启动转向工况判断步骤；

所述直行工况判断步骤，包括：从车速传感器读取车速，若车速高于稳定行驶速度下限阈值，且方向盘转速低于直行方向盘转速上限阈值，则进行直行置信因子累积，否则返回初始状态；若直行置信因子累积至满足要求，则判断为直行工况、进行方向盘转角计算，否则返回初始状态，等待下一循环的工况判断；

所述转向工况判断步骤，包括：计算横摆角速度，若横摆角速度低于横摆角速度阈值，且前后轴速度差低于前后轴速度差阈值，同时方向盘的转向力矩低于稳定转向方向盘转矩阈值，则判断此时车辆为稳定转向工况、进行方向盘转角计算；否则，判断此时车辆为不稳定转向工况，返回初始状态，等待下一循环的工况判断；

计算出方向盘转角后，与方向盘转角传感器测得的方向盘转角实际值进行差值计算，获得方向盘转角误差，若方向盘转角误差满足要求，则进行角度置信因子累积，否则判断车辆行驶为不稳定状态，停止车轮轮速差与角度置信因子的计算并返回初始状态，等待下一循环的工况判断；若角度置信因子累积至满足要求，则直行工况下对方向盘转角零位进行标记，并输出计算的方向盘转角，稳定转向工况下直接输出计算的方向盘转角。

优选地，车辆处于行驶状态，包括以下判断步骤：

设置车速最低阈值、轮速差值阈值；

进行第一判断步骤：读取车速传感器的车速，并与车速最低阈值进行比较，若车速高于车速最低阈值，则判断车辆处于行驶状态，执行第二判断步骤；否则，判断车辆行驶为不稳定状态，返回初始状态；

进行第二判断步骤：读取四个轮速传感器的轮速数据，计算平均轮速，若各个轮速与平均轮速的差值均低于轮速差值阈值，则判断车辆为稳定行驶状态；否则返回初始状态。

优选地，所述计算横摆角速度的步骤包括：

从轮速传感器获取左后轮轮速和右后轮轮速；

根据左后轮轮速和右后轮轮速计算轮速差；

根据轮速差和预设常数计算横摆角速度；

对计算出的横摆角速度进行滤波处理。

更优选地，所述预设常数为10.1deg/m。

更优选地，所述滤波处理采用一阶低通滤波器。

优选地，所述根据公式计算出方向盘转角的步骤包括：

从轮速传感器获取左后轮轮速和右后轮轮速；

根据左后轮轮速和右后轮轮速计算轮速差，轮速差＝左后轮轮速-右后轮轮速；代入公式计算出方向盘转角估计值：

方向盘转角估计值＝轮速差×估计值常数/((左后轮轮速+右后轮轮速)/2)；

对计算出的方向盘转角估计值求绝对值，得到方向盘转角估计值绝对值；

用方向盘转角估计值绝对值做二维线性差值计算，查数据表获得方向盘转角估计值绝对值对应的转向比值；

根据方向盘转角估计值和转向比值的乘积计算出方向盘转角。

更优选地，所述数据表为二维表，所述二维表的x轴坐标为等间隔预设的方向盘转角估计值绝对值，y轴坐标为转向比值；其中，所述x轴坐标和所述y轴坐标一一对应，满足线性递增关系。

更优选地，所述二维线性插值计算的步骤包括：

所述方向盘转角估计值绝对值为变量x，在所述数据表中找到第一个点(x0,y0)和第二个点(x1,y1)，x0和x1的大小与x的大小最接近，且x0<x1；

计算变量x在所述数据表中对应的y轴坐标y为：y＝y0-(y1-y0)(x-x0)/(x1–x0)，

其中，x0表示第一个点预设的方向盘转角估计值绝对值，y0表示第一个点的转向比值，x1表示第二个点预设的方向盘转角估计值绝对值，y1表示第二个点的转向比值，y表示方向盘转角估计值绝对值对应的转向比值。

优选地，所述直行置信因子累积的计算步骤，包括：

电机位置传感器采样得到电机位置角度值；

车速传感器采样得到车速；

将当前时刻的电机位置角度值与方向盘的绝对零度标定值进行差值计算，获得第一偏差值；

计算直行置信因子累积，直行置信因子累积＝(电机位置角度值+第一偏差值)×车速×第一累积增益值；其中，第一累积增益值为一预设常数。

优选地，所述角度置信因子累积的计算步骤，包括：

方向盘转角传感器采样得到方向盘转角实际值(或称方向盘绝对位置角度)；

车速传感器采样得到车速；

将计算出的方向盘转角与预设的目标值进行差值计算，获得第二偏差值；

计算角度置信因子累积，角度置信因子累积＝(方向盘转角实际值+第二偏差值)×车速×第二累积增益值；其中，第二累积增益值为一预设常数。

本申请第二个方面提供了一种方向盘转角估算系统，包括：

——传感器信号读取模块，用于读取传感器采集的数据，所述传感器包括车速传感器、轮速传感器、方向盘转角传感器、方向盘力矩传感器；

——车辆行驶工况判断模块，包括直行工况判断模块和转向工况判断模块，其中，

直行工况判断模块，用于当方向盘力矩传感器采集的方向盘的转向力矩低于转向力矩阈值时，判断车速传感器采集的车速是否高于稳定行驶速度下限阈值，且方向盘转速是否低于直行方向盘转速上限阈值，若同时满足，则进行直行置信因子累积，当直行置信因子累积至满足要求，则判断车辆行驶为直行工况；

转向工况判断模块，用于当方向盘力矩传感器采集的方向盘的转向力矩高于等于转向力矩阈值时，判断横摆角速度是否低于横摆角速度阈值，且前后轴速度差是否低于前后轴速度差阈值，同时方向盘的转向力矩是否低于稳定转向方向盘转矩阈值，若同时满足，则判断车辆行驶为稳定转向工况；否则，判断车辆行驶为不稳定转向工况；

——方向盘转角估算模块，用于根据公式估算出方向盘转角值；

——方向盘转角误差计算模块，用于将估算的方向盘转角值与方向盘转角传感器测得的方向盘转角实际值进行差值计算，获得方向盘转角误差；

——角度置信因子累积模块，用于当方向盘转角误差计算模块计算的方向盘转角误差满足要求时，对角度置信因子进行累积；

——方向盘转角输出模块，用于当角度置信因子累积模块累积的角度置信因子满足要求时，将估算的方向盘转角值输出。

优选地，所述传感器信号读取模块通过can通信总线与所述车辆行驶工况判断模块进行通信，发送相应的传感数据。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供了一种新的基于阿克曼转向定理的方向盘转角估算方法及系统，在直行工况和转向工况下，通过对车速、轮速、方向盘的转向力矩等现有传感器信号，对车辆工况进行识别，通过预先设置的车辆行驶工况状态参数，就可以输出估算的方向盘转角，达到asild等级，不需要增加车辆的物理成本，不需要占用汽车的内部空间。对于只要求达到最低要求为asilb的用户而言，只需要省略掉系统中的方向盘转角估算模块即可，因此，本申请与使用角度传感器冗余设计实现asild等级的方案相比，降低了成本。

附图说明

构成本申请的一部分附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是目前使用的方向盘转角传感器的结构示意图；

图2是目前使用的方向盘转角传感器的结构俯视图；

图3是本发明的方向盘转角传感器的工作示意图；

图4是本发明的方向盘转角估算系统的结构示意图；

图5是本发明的方向盘转角估算方法的流程图。

图例说明：

1、磁芯；2、第一从动轮；3、第二从动轮；4、传感器；5、主动齿轮；6、电路板；7、cpu控制单元；8、转向管柱；10、前轮；91、传感器信号读取模块；92、车辆行驶工况判断模块；9201、直行工况判断模块；9202、转向工况判断模块；93、方向盘转向估算模块；94、方向盘转角误差计算模块；95、角度置信因子累积模块；96、方向盘转角输出模块。

具体实施方式

本发明提供一种基于阿克曼转向定理的方向盘转角估算方法及系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明所述的方向盘转角估算方法，应用于车辆的转向控制上，具体地，根据图2所述的方向盘转角传感器的结构俯视图所示，因为第一从动轮2和第二从动轮3之间差了一个齿，故而在接受主动齿轮5旋转驱动时，两者的转速并不相同，通过从动轮中心的磁芯就可以分别检测出两个从动轮的转速，再根据第一从动轮2和第二从动轮3之间的转动差值、以及本发明所公开的方向盘转角估算方法，就可以计算出实时的车辆运行工况。

本申请通过对车速、轮速、方向盘的转向力矩等现有传感器信号，对车辆工况进行识别，通过预先设置的车辆行驶工况状态参数，就可以输出估算的方向盘转角。

如图3所示，当车辆行驶时，首先判断车辆是否处于正常行驶状态，具体地，包括两个判断步骤：

第一判断步骤：读取车速传感器的车速，并与车速最低阈值进行比较，若车速高于车速最低阈值，则判断车辆处于行驶状态，执行第二判断步骤；否则，判断车辆行驶为不稳定状态，例如将要停车或刚刚启动，则返回初始状态；

第二判断步骤：读取四个轮速传感器的轮速数据，计算平均轮速，若各个轮速与平均轮速的差值均低于轮速差值阈值，则判断车辆为稳定行驶状态，从而可以进行下一步的检测和判断工作；否则返回初始状态。

图4为本申请的方向盘转角估算系统的结构示意图。如图4所示，一种方向盘转角估算系统，包括传感器信号读取模块91、车辆行驶工况判断模块92、方向盘转角估算模块93、方向盘转角误差计算模块94、角度置信因子累积模块95和方向盘转角输出模块96。

传感器信号读取模块91，用于读取传感器采集的数据，所述传感器包括车速传感器、轮速传感器、方向盘转角传感器、方向盘力矩传感器；本申请中，传感器信号读取模块91可以通过can通信总线与车辆行驶工况判断模块92进行通信，从而发送相应的传感数据。

车辆行驶工况判断模块92，包括直行工况判断模块9201和转向工况判断模块9202，其中，直行工况判断模块9201，用于当方向盘力矩传感器采集的方向盘的转向力矩低于转向力矩阈值时，判断车速传感器采集的车速是否高于稳定行驶速度下限阈值，且方向盘转速是否低于直行方向盘转速上限阈值，若同时满足，则进行直行置信因子累积，当直行置信因子累积至满足要求，则判断车辆行驶为直行工况；转向工况判断模块9202，用于当方向盘力矩传感器采集的方向盘的转向力矩高于等于转向力矩阈值时，判断横摆角速度是否低于横摆角速度阈值，且前后轴速度差是否低于前后轴速度差阈值，同时方向盘的转向力矩是否低于稳定转向方向盘转矩阈值，若同时满足，则判断车辆行驶为稳定转向工况；否则，判断车辆行驶为不稳定转向工况。

方向盘转角估算模块93，用于根据公式估算出方向盘转角值。

方向盘转角误差计算模块94，用于将估算的方向盘转角值与方向盘转角传感器测得的方向盘转角实际值进行差值计算，获得方向盘转角误差。

角度置信因子累积模块95，用于当方向盘转角误差计算模块94计算的方向盘转角误差满足要求时，对角度置信因子进行累积。

方向盘转角输出模块96，用于当角度置信因子累积模块95累积的角度置信因子满足要求时，将估算的方向盘转角值输出。

本申请通过对直行工况的判断条件，转向工况的判断条件和不稳定状态的判断方法，以及使用直行置信因子和角度置信因子这两个状态参数来保障达到指定条件。具体地，图5是本申请的方向盘转角估算方法的流程图。

如图5所述，所述方向盘转角估算方法包括：

步骤s1：读取车速传感器的车速，并与车速最低阈值进行比较，若车速高于车速最低阈值，则判断车辆处于行驶状态，执行步骤s2；否则，判断车辆行驶为不稳定状态，例如将要停车或刚刚启动，则返回初始状态。

步骤s2：读取四个轮速传感器的轮速数据，计算平均轮速，并计算各个轮速与平均轮速的差值。

步骤s3：判断各个轮速与平均轮速的差值是否均低于轮速差值阈值，若是，则判断车辆为稳定行驶状态(无打滑等工况)，执行步骤s4；否则，停止计算，返回初始状态。

步骤s4：从方向盘力矩传感器读取方向盘的转向力矩，判断方向盘的转向力矩是否低于转向力矩阈值，若低于转向力矩阈值，则执行步骤s501，启动直行工况判断步骤；否则，执行步骤s601，启动转向工况判断步骤。

步骤s501：判断车速传感器采集的车速是否高于稳定行驶速度下限阈值，若高于，则执行步骤s502；否则，停止计算，返回初始状态。

步骤s502：判断方向盘转速是否低于直行方向盘转速上限阈值，若低于，则执行步骤s503；否则，停止计算，返回初始状态。

步骤s503：进行直行置信因子累积。

具体地，直行置信因子累积的计算步骤，包括：

1)电机位置传感器采样得到电机位置角度值；

2)车速传感器采样得到车速；

3)将当前时刻的电机位置角度值与方向盘的绝对零度标定值进行差值计算，获得第一偏差值；

4)根据如下公式计算直行置信因子累积：

直行置信因子累积＝(电机位置角度值+第一偏差值)×车速×第一累积增益值；其中，第一累积增益值为一预设常数。

步骤s504：判断直行置信因子累积是否满足要求，若满足要求，则执行步骤s505；否则，停止计算，返回初始状态。

步骤s505：满足直行工况检测窗口，判定车辆行驶为直行工况。

步骤s506：根据公式估算方向盘转角。

具体地，计算方向盘转角的步骤包括：

1)从轮速传感器获取左后轮轮速和右后轮轮速；

2)根据左后轮轮速和右后轮轮速计算轮速差diff，轮速差diff＝左后轮轮速-右后轮轮速；

3)代入公式计算出方向盘转角估计值：

方向盘转角估计值＝轮速差diff×估计值常数c/((左后轮轮速+右后轮轮速)/2)，估计值常数c可暂定100deg；

4)对计算出的方向盘转角估计值求绝对值，得到方向盘转角估计值绝对值，即方向盘转角估计值绝对值＝|方向盘转角估计值|；

5)用方向盘转角估计值绝对值做二维线性差值计算，查数据表获得方向盘转角估计值绝对值对应的转向比值；

其中，所述数据表为二维表，所述二维表的x轴坐标为等间隔预设的方向盘转角估计值绝对值，y轴坐标为转向比值；其中，所述x轴坐标和所述y轴坐标一一对应，满足线性递增关系。

二维线性插值计算的步骤包括：

所述方向盘转角估计值绝对值为变量x，在所述数据表中找到第一个点(x0,y0)和第二个点(x1,y1)，x0和x1的大小与x的大小最接近，且x0<x1；

计算变量x在所述数据表中对应的y轴坐标y为：y＝y0-(y1-y0)(x-x0)/(x1–x0)，

其中，x0表示第一个点预设的方向盘转角估计值绝对值，y0表示第一个点的转向比值，x1表示第二个点预设的方向盘转角估计值绝对值，y1表示第二个点的转向比值，y表示方向盘转角估计值绝对值对应的转向比值。

6)根据方向盘转角估计值和转向比值的乘积计算出方向盘转角，即方向盘转角＝方向盘转角估计值×转向比值。

步骤s507：将估算的方向盘转角，与方向盘转角传感器测得的方向盘转角实际值进行差值计算，获得方向盘转角误差，判断方向盘转角误差是否满足要求，若满足要求，执行步骤s508；否则，判断车辆行驶为不稳定状态，执行步骤s606。

步骤s508：进行角度置信因子累积。

具体地，角度置信因子累积的计算步骤，包括：

1)方向盘转角传感器采样得到方向盘转角实际值(或称方向盘绝对位置角度)；

2)车速传感器采样得到车速；

3)将计算出的方向盘转角与预设的目标值进行差值计算，获得第二偏差值；

3)计算角度置信因子累积，角度置信因子累积＝(方向盘转角实际值+第二偏差值)×车速×第二累积增益值；其中，第二累积增益值为一预设常数。

步骤s509：判断角度置信因子累积是否满足要求，若满足要求，则执行步骤s510；否则，返回初始状态，等待下一循环的工况判断与方向盘转角的计算。

步骤s510：对方向盘转角零位进行标记。

步骤s511：输出估算的方向盘转角，估算方法结束。

步骤s601：设置横摆角计算常数，例如，横摆角计算常数为10.1deg/m。

步骤s602：输入左后轮轮速、右后轮轮速，以及横摆角计算常数，计算横摆角速度并进行滤波处理。

具体地，根据公式计算横摆角速度：

横摆角速度＝(左后轮轮速-右后轮轮速)×横摆角计算常数；

其中，横摆角计算常数为10.1deg/m；滤波处理采用一阶低通滤波器。

步骤s603：判断横摆角速度是否低于横摆角速度阈值，若低于，则执行步骤s604；否则，说明此时车辆转向为不稳定状态，执行步骤s606。

步骤s604：判断前后轴速度差是否低于前后轴速度差阈值，若低于，则执行步骤s605；否则，说明此时车辆转向为不稳定状态，执行步骤s606。

步骤s605：判断方向盘的转向力矩是否低于稳定转向方向盘转矩阈值，若低于，说明此时车辆稳定转向(无打滑等工况)，执行步骤s607；否则，说明此时车辆转向为不稳定状态，执行步骤s606。

步骤s606：停止车轮轮速差与角度置信因子的计算，返回初始状态。

步骤s607：根据公式估算方向盘转角。

具体地，计算方向盘转角的步骤同步骤506。

步骤s608：估算出方向盘转角，与方向盘转角传感器测得的方向盘转角实际值进行差值计算，获得方向盘转角误差，判断方向盘转角误差是否满足要求，若满足要求，执行步骤s609；否则，判断车辆转向为不稳定状态，执行步骤s606。

步骤s609：进行角度置信因子累积。

具体地，角度置信因子累积的计算步骤，包括：

1)方向盘转角传感器采样得到方向盘转角实际值(或称方向盘绝对位置角度)；

2)车速传感器采样得到车速；

3)将计算出的方向盘转角与预设的目标值进行差值计算，获得第二偏差值；

4)计算角度置信因子累积，角度置信因子累积＝(方向盘转角实际值+第二偏差值×车速×第二累积增益值；其中，第二累积增益值为一预设常数。

步骤s610：判断角度置信因子累积是否满足要求，若满足要求，则执行步骤s511；否则，返回初始状态，等待下一循环的工况判断与方向盘转角的计算。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。