專利名稱：用于控制車輛轉向系統的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種用于控制車輛轉向系統的裝置和方法。
背景技術：
未來的駕駛輔助系統和主動安全裝置必須能通過電子控制器影響轉向系統。轉向中的自由度通常包含轉向位置(車輪的角位置)和轉向感覺(手動/方向盤扭矩)。該兩 個自由度都能由適宜的執行器控制，這通常稱為ECS (電子可控控制系統)。ECS系統(其 中轉向位置能獨立于駕駛員的輸入而被控制)的例子是主動轉向系統(AFS，即“主動前轉 向(ActiveFront Steering) ”)，“線控轉向系統”(其中轉向指令專門通過電子手段傳遞到 執行轉向指令的驅動器，也簡稱為SbW系統)，以及具有轉向后軸的系統(RAS，即“后軸轉向 (Rear Axle Steering)，，)。如果駕駛員不對車輛的橫向運轉狀態施加任何影響(也就是說，比如他把手從 方向盤上移開)，則轉向位置控制能夠通過控制轉向扭矩的附加的轉向系統來執行，比如 在電力輔助轉向系統(EPAS，即“電動助力轉向(Electric Power-Assisted Steering)”) 的情況下。EPAS系統或組合，比如，AFS/SbW系統與EPAS系統的組合能夠實現轉向感覺 /扭矩控制過程。在這種情況下，駕駛員也施加一定的轉向扭矩，應當將其考慮至控制架 構中。此外，電動液壓輔助轉向系統(EHPAS，即“電動液壓助力轉向(Electro-Hydraulic Power-Assisted Steering)")能夠輔助轉向扭矩，但是，這通常發生在控制范圍內，與EPAS 系統相比，該控制范圍通常是受到限制的。在車輛未來的發展中，需要同時包括不同的轉向功能，特別是甚至在用于轉向位 置和轉向扭矩的控制回路(control loops)同時發出指令的情形下。一個特有的問題產生了，即盡管每個單獨的系統相對于特定駕駛狀態和/或駕駛 員輸入檢查其開啟，但是相互之間不直接兼容的多個系統會同時請求開啟。此外，可能發生 這種情況，即盡管每個單獨的系統監視著由各自系統生成的角度請求或扭矩請求，但是生 成的角度或扭矩的總值超過特定的極限值，該極限值是由駕駛員方面的可操控性預先設定 的。不正確的裁定和限制會增加不舒適的轉向狀態，在最壞的情況下甚至會導致普通水平 的駕駛員失去對轉向系統的控制的情形。US 7 263 419 B2號專利公開了一種用于車輛的控制系統，該車輛具有駕駛員輸 入、控制開啟裝置和控制處理器，該控制處理器配置成處理駕駛員輸入、得出當前駕駛員請 求并根據駕駛員請求使用控制開啟裝置控制車輛。US 7 243 014 B2號專利公開了一種集成的車輛控制系統，其具有多個控制單元， 該多個控制單元包含至少一個驅動系統控制單元和一個制動系統控制單元，該兩者每個都 具有開環/閉環控制功能、處理單元和記錄(registration)部分，其中，開環/閉環控制是 基于開啟請求對車輛的駕駛狀態的控制；處理單元用于在車輛移動一定距離或移動到一個 位置(該距離或位置是基于駕駛員的視覺信息而設定的)時生成用于在每個控制單元使用 的信息，并用于向每個控制單元輸出生成的信息；寄存部分用于記錄關于至少一個控制單元的操作請求。現有技術中已知的其它解決方法包括稱為多輸入多輸出 (Multi-InputMulti-Output，簡稱MIM0)概念的方法，其中互相耦合的多個控制回路通過 中央控制器來控制。即使不同的功能(假定單個系統的最大功能)能夠通過這樣的概念來 控制，甚至是在多系統同時開啟的情況下，在管理發向轉向系統的同時請求的過程中，還是 會出現各種各樣的不利因素。一方面，這種情況可能出現在MIM0概念不能完全覆蓋非線性 的情況中。此外，中央MIM0控制器的建立大大增加了調節復雜性。如果增加或移除某個系 統，就必須重新調節整個MIM0控制器。另外，相對于參數變化(如由于老化過程)的中央 MIM0控制器的魯棒性小于具有單個輸出的控制回路的情況下的魯棒性。

發明內容
針對上述背景技術，本發明的目的是提供一種用于控制車輛轉向系統的裝置和方 法，通過該裝置和方法，能夠根據車輛的狀態和當前駕駛風格協調發向轉向系統的不同請 求。該目的通過具有獨立權利要求1的特征的裝置和具有獨立權利要求7的特征的方 法來實現。一種用于控制車輛轉向系統的裝置，其中，轉向系統具有多個子系統，每個子系統 配置為將至少一個轉向請求引至轉向系統，轉向系統還具有裁定和限制邏輯，其根據不同 子系統的駕駛狀況，將引至轉向系統的轉向請求按優先次序排序，并且以不超出轉向系統 所施加的預定的轉向扭矩的總體水平的方式，抑制可能同時發生的轉向請求。根據本發明，發向轉向系統的不同請求接受裁定或按優先次序排序，以根據車輛 狀態和當前駕駛風格來互相協調這些轉向功能。此外，根據本發明，為了確保在所有駕駛條 件下的功能可靠性，實施到達一定程度或級別的轉向干預的限制，該限制可以由駕駛員控 制或處理，并且適宜時，在該限制處，同時發生的請求被限制到對功能的不利影響最小的總 體可接受的水平內。本發明的裁定和限制邏輯特別能夠在電子可控控制系統(ECS)系統的電子控制 單元(ECU)內部實現，因為外部請求必須與生成典型轉向感覺的內部轉向功能相協調。作 為對此的一種選擇，使用其他控制模塊也是可行的。特別地，本發明的主題是用于外部轉向請求的裁定和限制邏輯。這些外部轉向請 求通常根據(測量或估算的)駕駛狀態來計算。這些請求可以包含大量的信號波形。本發明特別提供一種裁定和限制邏輯，其獨立于子系統和輸出各自轉向請求的函 數的數學描述(例如以代數微分方程、神經網絡、模糊邏輯等形式)。本發明的邏輯能夠根 據功能請求容易地實施和調整。模塊設計相對于參數變化提供魯棒性。在上下文中，本發明集中式裁定和限制邏輯使得多種駕駛輔助功能和/或安全功 能的組合成為可能，其中，駕駛員在所有駕駛狀態下都不會脫離可操控性的范圍。裁定和限制邏輯最初以執行器的信號電平來定義，因此，在EPAS系統的情況下， 這基于電動機所施加的扭矩來進行。為此，在進行裁定和限制處理之前，在專門為該目的提 供的控制回路中，將基于角度的請求轉換為基于扭矩的請求。相比之下，在基于角度的執行 器的情況下，如在AFS系統的情況下，裁定和限制邏輯是基于角度進行的，結果是首先相應地轉換邏輯的其他請求。在說明書和從屬權利要求中可以發現更多的改進。


下文利用優選的示例性實施例并參照附圖，對本發明進行更詳細地說明。圖1為解釋裁定和限制邏輯基本集成到根據本發明的方法中的示意圖。圖2為解釋裁定和限制邏輯的模塊化設計的簡圖。圖3為解釋說明圖2中裁定和限制邏輯的“網關和限制器”模塊設計的簡圖。圖4為解釋圖2中裁定和限制邏輯中出現的裁定單元的運行方法的簡圖。圖5為解釋本發明的方法中所使用的裁定規則庫的圖表。圖6為解釋本發明的方法中所使用的解除開啟規則庫的圖表。圖7為解釋圖2中裁定和限制邏輯中的整體扭矩限制器的設計的簡圖。圖8為解釋圖7中整體扭矩限制器中的中央限制單元的設計的簡圖。以及圖9-13為解釋圖2中裁定和限制邏輯的運行方法的簡圖。
具體實施例方式圖1以示意圖的形式首先展示了裁定和限制邏輯130在多個子系統111、112、 113......以及扭矩控制器140之間的基本集成。根據示例性的實施例，子系統111、112、113......包含SAPP(Semi-Automatic
Parallel Parking，半自動平行停車)系統 111、PDC(Pull_Drift Compensation，拉漂移 補償)系統 112、TSC(Torque-SteerCompensation，扭矩轉向補償)系統 113、NDA (Nibble Detection Algorithm，半字節檢測算法)系統，和 DSR (Driver Steer Recommendation，驅 動轉向推薦)系統(未示出)，以及LDW(Lane Departure Warning，車道偏離警告)系統。特別地，裁定和限制邏輯130執行以下任務根據駕駛狀況確定系統干預，確定子系統的優先次序，以對所有駕駛狀況都最佳的方式開啟/解除開啟每個子系統，與子系統通信以交換各自的狀態，處理不同區域中的子系統請求轉向角度、方向盤扭矩和轉向參數變化請求，子系統之間平緩的和/或漸進的過渡，抑制任何可能由子系統的組合引起的故障(比如不期望的振動)，確保在所有駕駛狀況下都不超出駕駛員可操控性的極限，感測駕駛員釋放方向盤的情形，使調節的復雜性最小化，以及協調多個子系統，該多個子系統以這樣的方式分析相同的車輛信號一個子系統 的開啟不會對其他子系統造成不利影響。根據圖2，本發明的裁定和限制邏輯130具有模塊化設計，具體地，其包含下述功 能塊用于每個子系統的網關和限制模塊211、212、213......
裁定裝置220，整體扭矩限制器230，以及模式和故障處理器240根據圖2，分別指定給各個子系統的網關和限制模塊211、212、213......接收來
自相關子系統的請求，輸出具有各自狀態信息項的響應，并且，如果需要的話，將輸出值限
制在預定的范圍內。與此同時，各個網關和限制模塊211、212、213......將各自子系統的
狀態傳送至中央裁定單元220，并從其接收開啟/解除開啟決定。“網關和限制器”概念是 并行可用的，以將EPAS的不同輸入信號電平(如方向盤扭矩基礎)考慮在內。更進一步的 “網關和限制器”信號流輔助轉向系統參數的直接改變。在裁定和限制過程發生之前，必要 的轉向角度改變在閉合控制回路中進行處理，其中，向“網關和限制器”模塊提供扭矩請求。 更多的子系統可以集成到該設計中，而無需明顯的調整支出。在進一步的說明中，具體地，參照EPAS執行器的具體例子。圖3表示“網關和限制器”模塊211的設計，具體地，其包含用于限制請求的絕 對值和比率(例如“扭矩極限值”，“比率極限值”)的模塊。另一個塊211c( “淡入/淡出 (fade-in/out)")執行對轉換過程的監視，而與系統的交換通過通信塊211d進行。此外， 在獨立的模塊211e中，收集與扭矩比率或扭矩極限值故障相關的信息。 根據圖4，裁定單元220具有裁定規則庫220a，其作出關于系統干預和優先次序的 決定，裁定單元220還有獨立的解除開啟規則庫220b，用于正確地解除開啟系統和故障內 存。在由于超出可控范圍而異常終止請求的情況下，解除開啟規則庫220b用于將轉向系統 平緩地和/或漸進地恢復至有效狀態，而不讓駕駛員因此而感到任何困惑。根據圖5，裁定規則庫220a在二維矩陣中限定了裁定和限制器模塊對系統請求的 反應。依賴于系統的當前狀態(開啟或未開啟)，所述二維矩陣包含接受還是拒絕請求的信 息。如果一些子系統已被開啟，則某行中的“拒絕”字段已經足夠來拒絕請求。矩陣值經受 調節并依賴于其他子系統的可能的干預。對于子系統符合要求的干預來說，需要適當的解除開啟程序。這可以通過與裁定 規則庫220a相似的方式達到。檢查由裁定規則庫啟動的新運行的子系統是否需要解除已 經開啟的子系統。根據圖6，解除開啟規則庫220b包含“繼續”和“解除開啟”指令，該兩者 是根據當前系統狀態的輸出。此外，在由優先次序預定的順序下，來自整體扭矩限制器230 的“超出極限”信號導致解除開啟子系統。矩陣的內容和用于子系統的優先次序列表都經 受調節。根據圖7，整體扭矩限制器230具有中央限制單元230a，其讀入所請求的扭矩或所 請求的轉向器(steering rack)作用力、當前車速和用于釋放方向盤的確認信號。基于該 信息，中央限制器230a將兩個請求通路上的最大允許值動態地限制在所期望的范圍內。此 夕卜，限制單元230a監視狀況，以防已經達到極限值和信號吞吐量進入飽和狀態的狀況。根據圖8，中央限制單元230a由多個塊組成。極限值表格塊231根據與方向盤的 可能釋放相關的坡道(ramp)、信號波形、頻率和車速，以及狀態(偏航率(yaw rate)、縱向 加速度和轉向扭矩請求)來限定最大允許轉向扭矩。根據圖9，該極限值表格塊231可以作 為查詢表來實施。計算極限值的另一方法是在預定的時間段內觀察請求，以將可操控性考 慮在內。為最大允許扭矩和最小允許扭矩定義出了曲線，在這點上，分開的、減少的極限值還能用于已釋放方向盤的情形中。在極限值之間的切換依賴于輸入信號，就此而論，通過曲線之間的轉變能夠確保平緩的過渡。依賴于各自考慮的系統，還可以為負車速定義扭矩極 限值。根據圖8，在轉向器作用力請求的情況下，必須在一個獨立塊，“等效轉向扭矩”塊 232中，將這些轉換成轉向扭矩。然后，將所請求的轉向扭矩的總和與塊231中限定的當前 極限值進行比較，這由塊”(“小于/等于塊”)233執行。無論何時超出當前有效極 限值，設置相應的標記。在用于實施轉向的“標準增長”方法的情況下，可以使用下面方向盤扭矩Tsw和所 請求的轉向器作用力或輸出扭矩之間的間接關系TSff+f (Tsff) = T 輸出扭矩請求(1)函數f典型地定義為查詢表，結果是Tsw的明確的評估不直接根據所請求的輸出扭 矩而發生。然而，用于評估的逆序查詢表可以“離線”地(offline)確定。圖10中的簡圖 表示了用于車速的單一值的逆增長曲線(實線)的一般形式。由于增長曲線一般極大地依 賴于車速，所以逆序表格也必須為所有可能的車速進行定義。這同樣適用于附加的駕駛狀 態信號。為了顯著地減少必需的儲存空間，使用逆增長曲線的近似描述(圖10中的虛曲 線)是可行的，其僅需要一個x/y坐標(A)和車速的斜率值(B)用于完整的定義，因為曲線 相對于輸出扭矩的值是對稱的。基于X = 0和X =⑴時的正切值的近似曲線，總是大于或 者等于原始逆值，其結果是在安全方面，極限值受到不必要的限制。在圖11所示的“極限值”塊中，輸出扭矩請求和最大允許方向盤扭矩轉換成兩個 獨立的用于轉向扭矩和轉向器作用力的扭矩極限的值。信號流的結構展示了任意轉向器作 用力請求都具有施加到方向盤側的扭矩。根據圖8，感測到與方向盤的可能釋放有關的狀態，并將其發送信號給整體扭矩限 制器230。這是基于下述事實當行駛伴有釋放的方向盤時，駕駛輔助系統或安全系統的相 對于轉向扭矩的任意請求都會給車輛帶來從相對原始路線的偏離，該偏離大于預期。作為 結果，在方向盤被釋放的情況下，整體扭矩限制器230轉向不同于前面描述的限制曲線。根據圖12，此處提出的用于主動感測方向盤被釋放的情況的功能能夠具體地用作 為傳感器信號、方向盤角度、車速、扭力(torsion)扭矩，以及整體扭矩限制器230所請求的 扭矩。主動感測方向盤被釋放的情況的概念旨在為駕駛員提升更高程度的功能可用性。 為此，只有駕駛員沒有將手放在方向盤上并且系統請求引起橫向偏離時，“釋放的方向盤” 的標記才輸出為“真”。至于實施，該感測概念監視從方向盤角度得出的方向盤速度和方向 盤加速度，還監視扭轉扭矩，并根據各自系統請求檢查下列情形的存在存在系統請求，車速在特定范圍內，方向盤的高加速度和低扭轉扭矩發生在方向盤加速度的相反方向上，方向盤的高速度和低扭轉扭矩發生在速度的相反方向上，以及方向盤角度在中央位置周圍的定義的范圍內或者窗口內。該方法基于物理學背景，即駕駛員相對于所生成的轉向角度向轉向系統引入一定程度的阻尼和慣性，結果是方向盤被緊握或方向盤被釋放的情況由具有顯著不同的參數組 的積分方程來描述。下述方程描述了為簡化的轉向系統的情況而產生的轉向角度，其從中 央位置計數器向轉向器作用力發生作用(在模型中術語表述為彈簧)，并且沒有摩擦力影 響
<formula>formula see original document page 8</formula>因此，方向盤被握緊的狀態與方向盤被釋放的狀態之間的分化 (differentiation)可以基于轉向角度和扭轉扭矩對發動機扭矩變化的反應來作出。對于具體的駕駛輔助系統或安全系統，發動機扭矩請求可以超出預定的扭矩極限 值，而不在此處實際生成相應的關鍵的方向盤扭矩。一個例子是相對高頻的諧波扭矩請求， 在該情況下，轉向系統上的慣性影響和阻尼影響對用于所生成的方向盤扭矩的低通濾波器 產生影響。在這種情況下，整體扭矩限制器230應該以不必限制諧波信號的振幅的方式來 更新。圖13展示了整體扭矩限制器230的概念，其中，等效方向盤扭矩請求的最大值是 在將其與當前極限值進行比較之前通過適當級別的低通濾波器來引入的。低通濾波器的時 間常量是以體現轉向機制的動態行為的方式來配置的。對于整體扭矩限制器230的功能， 以下方式是有利的，即濾波不包含在輸入/輸出信號通道中，而僅包含在決定部分中，以使 不對所生成的轉向扭矩產生不利影響。
權利要求
一種用于控制車輛轉向系統的裝置，其中，轉向系統具有多個子系統(111、112、113、114......)，每個子系統配置為將至少一個轉向請求引至轉向系統，其特征在于引至轉向系統的轉向請求由裁定和限制邏輯(130)根據不同子系統(111，112，113，114，...)的駕駛狀況按優先次序排序，并且以不超出轉向系統所施加的預定的轉向扭矩的總體水平的方式，抑制可能同時發生的轉向請求。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，當感測到駕駛員釋放方向盤的情形時，配置裁定和限制邏輯(130)進入具有轉向扭矩 的改變了的極限的模式，該轉向扭矩由轉向系統施加。
3.根據權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，配置裁定和限制邏輯(130)來根據駕駛狀況開啟和/或解除開啟至少一個子系統 (111、112、113、114......)。
4.根據權利要求1至3中的任一項權利要求所述的裝置，其特征在于，裁定和限制邏輯(130)包含裁定單元(220)，其具有裁定規則庫(220a)，轉向請求的優先次序排序基于該裁定規 則庫，以及解除開啟規則庫(220b)，其獨立于裁定單元(220)，并且子系統(111、112、113、 114......)的解除開啟或開啟基于該解除開啟規則庫。
5.根據前述權利要求中任一項權利要求所述的裝置，其特征在于，裁定和限制邏輯(130)配置為獨立于由子系統(111、112、113、114......)引至轉向系統的轉向請求的數學描述之外。
6.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，轉向系統具有電動輔助轉向系統(EPAS)。
7.一種用于控制車輛轉向系統的方法，其中轉向系統具有多個子系統(111、112、113、 114......)，每個子系統配置為將轉向請求引至轉向系統，其特征在于，根據不同子系統(111，112，113，114，...)的駕駛狀況，將引至轉向系統的轉向請求按 優先次序排序，并且以不超出轉向系統所施加的預定的轉向扭矩的總體水平的方式，抑制 可能同時發生的轉向請求。
全文摘要
本發明涉及一種用于控制車輛轉向系統的裝置和方法，其中轉向系統具有多個子系統(111、112、113、114......)，每個子系統被配置為將至少一個轉向請求引向轉向系統。該裝置具有裁定和限制邏輯(130)，根據不同子系統(111、112、113、114……)的駕駛狀況，該裁定和限制邏輯(130)將引向轉向系統的轉向請求進行優先次序排序，并且以不超出轉向系統所施加的預定的轉向扭矩的總體水平的方式抑制可能同時發生的轉向請求。
文檔編號B62D6/08GK101823502SQ201010112480
公開日2010年9月8日 申請日期2010年2月10日 優先權日2009年2月16日
發明者喬格·哈默爾, 弗蘭克·皮特·恩格斯, 托斯頓·韋 申請人:福特全球技術公司