一种适用于不平路面的线控转向系统路感补偿方法

：
1.本发明涉及汽车线控转向领域，具体地说涉及一种适用于不平路面的线控转向系统路感补偿方法。


背景技术：

2.随着汽车向智能化、电动化的方向发展，线控转向因为有较高控制自由度和容易与其他智能控制系统集成，被视为转向方式的未来方向。在一般转向系统中，可通过转向盘反作用力将整车及轮胎的运动、受力情况反馈给驾驶者，这种反馈被称为驾驶员感受到的路感。汽车行驶过程中，路感是驾驶员感知路面附着情况和车辆运动状态的重要信息来源，良好的路感是优良的操纵稳定性中不可缺少的部分。而在线控转向系统中，由于转向车轮与方向盘之间没有机械连接，方向盘上的路感反馈力矩需要通过与之连接的路感电机提供，借助路感反馈力矩为驾驶员提供合适的路感信息。方向盘路感反馈力矩包含轮胎与路面的接触信息和车辆运动状态信息，是驾驶员做出正确操作的重要根据，而如何为驾驶员提供合适的路感反馈力矩也成为线控系统的关键问题。
3.在车辆行驶过程中，复杂工况行驶对驾驶员状态影响极大，不平路面属于复杂工况的一种，驾驶员行驶在不平路面时很容易造成驾驶疲劳从而导致驾驶员注意力不集中。最新数据表明，60％的交通事故与驾驶员注意力不集中有关，因此不平路面行驶是一种很危险的驾驶工况，此时需要驾驶员掌握不平路面的信息才能保障不平路段行驶时安全性。而不平路面会对车辆产生路面冲击，在一般的转向系统中，路面冲击力矩也会通过转向传动机构传递给驾驶员，影响驾驶的舒适性。因此出于舒适性考虑，许多学者主张将对路面冲击产生的转向盘冲击力矩进行衰减处理。但往往这种衰减处理会损失不平路面信息。在现有的线控转向路感补偿方法中，所设计的路感反馈力矩通常会屏蔽不平路面的信息，然而从安全性角度来说，这种路感反馈力矩设计是不合理的，应当向驾驶员提供不平路面路感信息。因此，有必要开发一种能够反映不平路面信息的路感反馈力矩计算方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种适用于不平路面的线控转向系统路感补偿方法，将路感反馈力矩设计成稳态力矩分量和动态力矩分量叠加的形式，稳态力矩分量主要为驾驶员提供车辆状态信息和路面附着情况，而动态力矩分量则为驾驶员提供不平路面信息，最终为驾驶员提供能够反映不平路面信息的路感反馈力矩，保障在不平路段行驶时的安全性。
5.为了实现上述目的，本发明是按如下技术方案实现的：
6.一种适用于不平路面的线控转向系统路感补偿方法，包括信息获取模块、稳态力矩计算模块、动态力矩补偿模块和路感反馈力矩计算模块；所述路感反馈力矩计算模块分别与稳态力矩计算模块、动态力矩补偿模块相连，所述动态力矩补偿模块还与信息获取模块相连；技术方案所述的信息获取模块通过双目摄像头获取路面附着系数与不平路面形状的时间频率f
fre
、空间频率n1和幅值am，并且根据不平路面形状的幅值am将不平路面类型划
分为微观尺度类型和宏观尺度类型两大类，若幅值am小于0.5厘米时，将不平路面类型划分为微观尺度类型，否则划分为宏观尺度类型；技术方案所述的不平路面形状的幅值am定义为路面相对于基准平面的高度或深度绝对值中的最大值；在微观尺度类型中，根据空间频率n1进一步划分为a、b、c、d四个等级的路面，若0.01≤n1＜2.0，则将路面定义为a等级路面；若2.0≤n1＜20，则将路面定义为b等级路面；若20≤n1＜200，则将路面定义为c等级路面；若200≤n1＜2000，则将路面定义为d等级路面，n1的单位为m-1
；在宏观尺度类型中，按照不平路面形状波形进一步划分为三角波型、正弦波型、方波型、梯形波型、锯齿波型；技术方案所述的信息获取模块将路面附着系数与不平路面形状的时间频率f
fre
、空间频率n1和幅值am发送给动态力矩补偿模块；
7.技术方案所述的稳态力矩计算模块通过传感器获取线控转向系统转向电机的输出转矩，并计算反映车辆运动状态和路面状况的稳态力矩，最后将稳态力矩发送到路感反馈力矩计算模块；技术方案所述的稳态力矩的计算公式如下：
[0008][0009]
式中，t
main
是线控转向系统转向电机的输出转矩经过低通滤波处理得到的主反馈力矩，技术方案所述的低通滤波的截止频率可在5至10赫兹范围内选取；t
adj
是调节力矩，由方向盘阻尼力和方向盘摩擦力构成；v
x
、θ
sw
和分别是车辆纵向车速、方向盘转角和方向盘角速度，可分别通过车速传感器、方向盘转角传感器和方向盘角速度传感器获取；kv和ka分别是车速增益因子、方向盘的转角增益因子；是关于方向盘角速度的符号函数，具体取值如下：
[0010][0011]
技术方案所述的调节力矩的计算公式如下：
[0012]
t
adj
＝t
damp
+tf[0013]
式中，t
damp
和tf分别表示方向盘阻尼力矩、方向盘摩擦力矩，计算公式为以下表达式：
[0014]
式中，k
damp
为阻尼调节系数，用于调节方向盘阻尼力矩的大小；kf为摩擦系数，cf是摩擦力矩调节系数，是关于方向盘角速度的双曲正切函数；
[0015]
技术方案所述的动态力矩补偿模块用于计算反映路面类型信息的动态力矩以补偿路感反馈力矩，包含四种补偿模式：第一补偿模式、第二补偿模式、第三补偿模式和第四补偿模式，并将动态力矩发送到路感反馈力矩计算模块；
[0016]
技术方案所述的动态力矩在不同补偿模式下的计算公式各异；在第一补偿模式下，将主补偿力矩与主反馈力矩叠加，第一补偿模式下的动态力矩等于主补偿力矩；在第二补偿模式下，将主补偿力矩与主反馈力矩叠加，并且将附加阻尼力矩与方向盘阻尼力矩叠加，第二补偿模式下的动态力矩等于主补偿力矩与附加阻尼力矩的和；在第三补偿模式下，将主补偿力矩与主反馈力矩叠加，并且将附加摩擦力矩与方向盘摩擦力矩叠加，第三补偿
模式下的动态力矩等于主补偿力矩与附加摩擦力矩的和；在第四补偿模式下，将主补偿力矩与主反馈力矩叠加，并且将附加阻尼力矩与方向盘阻尼力矩叠加，以及将附加摩擦力矩与方向盘摩擦力矩叠加，第四补偿模式下的动态力矩等于主补偿力矩、附加阻尼力矩以及附加摩擦力矩三者的和；
[0017]
技术方案所述的主补偿力矩的计算有两种公式：第一计算公式和第二计算公式，技术方案所述的第一计算公式适用于宏观尺度路面类型，技术方案所述的第二计算公式适用于微观尺度路面类型；
[0018]
技术方案所述的补偿模式可通过预先训练好的模糊神经网络确定，也可由驾驶员根据自身适应性自由选择；技术方案所述的用于确定补偿模式的模糊神经网络的结构共有5层：输入层、模糊化层、模糊规则层、模糊决策层和输出层，技术方案所述的模糊神经网络的输入层包含3个单元：路面附着系数、路面形状的幅值am和空间频率n1；模糊化层的隶属度函数由神经网络根据用于预先训练的不同路面的路面附着系数、路面形状的幅值am和空间频率n1数据生成，模糊规则层的模糊规则由神经网络从知识库中提取，神经网络根据车辆已经行驶通过路面的路面附着系数、路面形状的幅值am和空间频率n1数据的更新以实时调整知识库，并在线自动优化模糊规则的参数，模糊语言值共4条：{fm，sm，tm，lm}，含义分别是：{第一补偿模式，第二补偿模式，第三补偿模式，第四补偿模式}；输出层包含一个神经元，输出该路面隶属度最高的补偿模式；
[0019]
技术方案所述的路感反馈力矩计算模块接收来自稳态力矩计算模块的稳态力矩和来自动态力矩补偿模块的动态力矩，并计算路感反馈力矩，技术方案所述的路感反馈力矩等于稳态力矩加上动态力矩，技术方案所述的路感反馈力矩作为线控转向系统路感反馈电机的目标力矩。
[0020]
技术方案所述的主补偿力矩t
dcomp
的第一计算公式如下：
[0021]
t
dcomp
＝f(k
ampam
,k
freqffre
)
[0022]
上式中，am和f
fre
分别为不平路面形状波形的幅值和时间频率，在第一计算公式中，主补偿力矩定义为不平路面形状波形的幅值am和时间频率f
fre
的函数，不平路面形状波形函数记为f(am,f
fre
)；k
amp
和k
freq
分别为幅值缩放系数和频率缩放系数，由预先训练好的第一神经网络模型计算得到，技术方案所述的第一神经网络模型包括输入层、隐藏层和输出层，输入层有3个神经元：路面附着系数、补偿模式指数和路面类型指数，第一补偿模式、第二补偿模式、第三补偿模式、第四补偿模式对应的补偿模式指数的取值分别为1、2、3、4；三角波型、正弦波型、方波型、梯形波型、锯齿波型路面类型对应的路面类型指数分别为1、2、3、4、5；隐藏层共有两层，第一层隐藏层有3个神经元，第二层隐藏层有2个神经元；输出层有2个神经元：幅值缩放系数和频率缩放系数。
[0023]
技术方案所述的主补偿力矩的第二计算公式如下：
[0024]
t
dcomp
＝k
wj
t
mh
[0025]
式中，k
wj
是微观主补偿力矩调节系数；t
mh
是线控转向系统转向电机的输出转矩经过高通滤波处理得到的力矩高频成分；微观主补偿力矩调节系数和高通滤波的截止频率皆取决于路面附着系数和路面等级a、b、c、d，采用预先训练好的第二神经网络模型计算技术方案所述的滤波的截止频率和微观主补偿力矩调节系数，技术方案所述的第二神经网络模型包括输入层、隐藏层和输出层，输入层有3个神经元：路面附着系数、补偿模式指数和路面
等级指数，路面等级a、b、c、d对应的路面等级指数分别为1、2、3、4；隐藏层共有两层，第一层隐藏层有3个神经元，第二层隐藏层有2个神经元；输出层有2个神经元：高通滤波的截止频率、微观主补偿力矩调节系数。
[0026]
技术方案所述的附加阻尼力矩的计算公式为：
[0027][0028]
式中，t
adamp
表示附加阻尼力矩，k
adamp
是阻尼力修正因子；阻尼力修正因子的取值与不平路面形状的幅值am相关，具体由下式计算：
[0029]kadamp
＝q
ream
[0030]
式中，q
re
是幅值阻尼影响系数，可在0.01至0.5范围内取值。
[0031]
技术方案所述的附加摩擦力矩的计算公式如下：
[0032][0033]
式中，t
af
表示附加摩擦力矩，k
af
是摩擦力修正因子；摩擦力修正因子的取值与不平路面形状的幅值am相关，具体由下式计算：
[0034]kaf
＝q
refam
[0035]
式中，q
ref
是幅值摩擦影响系数，可在0.001至0.2范围内取值。
[0036]
本发明的有益效果为：本发明将路感反馈力矩设计成稳态力矩分量和动态力矩分量叠加的形式，使用稳态力矩分量为驾驶员提供车辆状态信息和路面附着情况，通过动态力矩分量为驾驶员提供不平路面信息，从而为驾驶员提供全面的路感信息，有助于提高在不平路段行驶时的安全性。
附图说明：
[0037]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0038]
图1为本发明的原理方框图；
[0039]
图2为本发明的工作方法示意图。
具体实施方式：
[0040]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
[0041]
参阅图1，本发明所述的一种适用于不平路面的线控转向系统路感补偿方法，包括信息获取模块、稳态力矩计算模块、动态力矩补偿模块和路感反馈力矩计算模块；所述路感反馈力矩计算模块分别与稳态力矩计算模块、动态力矩补偿模块相连，所述动态力矩补偿模块还与信息获取模块相连；所述信息获取模块将路面附着系数与不平路面形状的时间频率f
fre
、空间频率n1和幅值am发送给动态力矩补偿模块；所述稳态力矩计算模块通过传感器获取线控转向系统转向电机的输出转矩，并计算反映车辆运动状态和路面状况的稳态力矩，最后将稳态力矩发送到路感反馈力矩计算模块；所述动态力矩补偿模块用于计算反映路面类型信息的动态力矩以补偿路感反馈力矩，包含四种补偿模式：第一补偿模式、第二补偿模式、第三补偿模式和第四补偿模式，并将动态力矩发送到路感反馈力矩计算模块；所述
路感反馈力矩计算模块接收来自稳态力矩计算模块的稳态力矩和来自动态力矩补偿模块的动态力矩，并计算路感反馈力矩，所述路感反馈力矩等于稳态力矩加上动态力矩。
[0042]
参阅图2，本发明所述的一种适用于不平路面的线控转向系统路感补偿方法工作过程包括以下步骤：
[0043]
步骤1：信息获取模块通过双目摄像头获取路面附着系数与不平路面形状的时间频率f
fre
、空间频率n1和幅值am，并且发送给动态力矩补偿模块；
[0044]
步骤2：动态力矩补偿模块通过预先训练好的模糊神经网络确定补偿模式，或者由驾驶员根据自身适应性自由选择补偿模式；
[0045]
步骤3：动态力矩补偿模块按照选定的补偿模式计算动态力矩，并将动态力矩发送到路感反馈力矩计算模块；
[0046]
步骤4：稳态力矩计算模块通过传感器获取线控转向系统转向电机的输出转矩，并计算稳态力矩，并将稳态力矩发送到路感反馈力矩计算模块；
[0047]
步骤5：路感反馈力矩计算模块接收来自稳态力矩计算模块的稳态力矩和来自动态力矩补偿模块的动态力矩，并计算路感反馈力矩，所述路感反馈力矩等于稳态力矩加上动态力矩。
[0048]
以上的论述仅仅是本发明的优选实施例，是为了解释和说明，并不是对本发明本身的限制。本发明并不局限于这里公开的特定实施例，而由下面的权利要求确定。另外，在前面的描述中的与特定的实施例有关的记载并不能解释为对本发明的范围或者权利要求中使用的术语的定义的限制。所公开实施例的各种其它不同的实施例和各种不同的变形对于本领域技术人员来说是显而易见的。但所有不背离本发明基本构思的这些实施例、改变和变形均在所附权利要求的范围中。