CN111376971B - 一种基于齿条力的路面识别及自适应方向盘力矩补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种基于齿条力的路面识别及自适应方向盘力矩补偿方法，由以下步骤组成：基准曲线的标定‑包括标定基准齿条力曲线、标定齿条力随车速的变化因数和标定齿条力随方向盘转向速度的变化因数，然后确认满足齿条力计算的触发条件并计算齿条力，并通过输入信号为车速、方向盘转角、齿条力和方向盘转角速度运算获得低附着系数路面的识别，最后在满足低附着系数路面的判定条件下，系统以补偿电机输出扭矩的形式对方向盘力矩进行补偿。本发明的一种基于齿条力的路面识别及自适应方向盘力矩补偿方法可以解决车辆在低附着路面上转向时，方向盘手力急剧降低的问题，避免了驾驶员在转向时发生转向过多或需要反复修正方向盘的操作，避免了交通事故风险。

Description

一种基于齿条力的路面识别及自适应方向盘力矩补偿方法

技术领域

本发明涉及汽车行车安全领域，尤其涉及一种应用于汽车转向系统的基于齿条力的路面识别及自适应方向盘力矩补偿方法。

背景技术

目前，涉及到汽车行车安全通常分为驾驶员主动因素和环境路面因素，而其中的环境路面因素通常会参考路面路况、天气情况等，而这些通常通过路面附着系数来反馈到车辆及驾驶员本身。

所谓的路面附着系数，是指附着力与车轮法向(即，与路面垂直的方向)压力的比值，可以把它看成是轮胎和路面之间的静摩擦系数，路面附着系数通常由路面和轮胎决定的，路面附着系数越大，则可利用的附着力就越大，汽车就越不容易打滑。

高附着系数路面，如干燥、整洁、交通规划指示合理的沥青马路，行车较为安全，驾驶员对车辆的操控性好，而相对于高附着系数路面，车辆在低附着系数路面上(如下雨潮湿、积水、积雪覆盖甚至是冰冻路面)进行调整转向时，方向盘的力矩急剧降低，此时的驾驶员会感觉手力过轻、反馈手感和路感较差，甚至会产生自己不在路面上的错觉，而这种低附着系数路面在弯道行驶时，为了达到过弯的准确性，驾驶员需要多次修正或反复修正方向盘角度，这种操作需要驾驶员本身有非常良好的驾驶经验，而对于普通驾驶员来说，这种情况会带来过弯的信心不足，极大影响通行效率和安全性，如果在紧急情况下需要在低附着系数路面变道，驾驶员就更加容易转向过多，引起车辆失控，导致交通事故，这些情况在每年的雨雪天气经常发生，而且一旦发生往往造成严重的连环车祸，造成重大人员伤亡。

虽然现有技术下也有尝试解决该问题的技术，比如驾驶模式的切换功能，但是驾驶模式切换需要驾驶员本身能够识别路况，而且还需要手动切换，另外驾驶模式的切换功能需要在系统中预置可以产生不同手力大小的电机助力、方向回正和阻尼曲线，导致驾驶模式的切换功能系统复杂、成本较高，不利于汽车市场的发展。

CN106741149A的一种电动助力转向系统的驾驶模式切换控制方法，该申请公开了在不同驾驶模式下，具有不同的方向盘手感，通过存储在标定数据中的助力曲线决定的；该系统初始化阶段对ECU进行初始配置和上电诊断，然后进入助力控制轮循阶段；在助力控制轮循阶段，所述助力控制模块实时检测整车网络指令，根据整车驾驶模式切换指令进行驾驶模式切换，并选取切换后驾驶模式对应的标定变量实现不同的手感；在预定驾驶模式下，所述助力控制模块按一定周期轮循检测外部输入信号，根据各信号状态实时调整力矩指令的大小。

该专利即上述的驾驶模式的切换功能，还是没有解决需要手动切换的问题。

CN107662611A公开了一种基于驾驶员情绪识别的自动驾驶模式切换系统，该申请包括驾驶员生理信息监测模块、路怒状态识别模块、驾驶模式切换模块及自动驾驶模块；驾驶员生理信息监测模块包括安装在方向盘横轴两端部的心率、血氧传感器；路怒状态识别模块构建驾驶员愤怒情绪的离线训练与在线识别模型进行驾驶员愤怒情绪的在线识别；驾驶模式切换模块在路怒状态识别模块判断驾驶员处于愤怒情绪时，将车辆驾驶模式切换为自动驾驶模式，使驾驶员对汽车的操作失效，当确认驾驶员做好接管准备时，驾驶模式切换模块将车辆驾驶模式由自动驾驶模式切换为人工驾驶模式；自动驾驶模式模块包括用于实现车辆纵向自动控制的ACC系统和用于实现车辆侧向自动控制的LKA系统。

该申请涉及对驾驶员本身的检测，需要采集各种数据来判定，虽说驾驶模式切换模块属于自动模式，但低附着系数路面上的事故可能发生在一瞬间，而且很多事故不一定是本车驾驶员情绪的问题，而是突发的路面情况或者其他车辆造成。

CN107564363A的一种用于驾驶模式切换的方法和装置，该申请利用自动驾驶车辆的车载传感器所采集到的安全场景数据和不安全场景数据，训练一个用于在端对端驾驶模式与循迹驾驶模式之前切换的深度学习决策模型，在实际应用中，该模型能够感知到当前实际场景是否安全，做出决策，输出指令在该两种驾驶模式中进行切换。

该申请涉及自动驾驶领域，主要是用作车辆的车载传感器所采集的传感器数据，对应的端对端驾驶模式或循迹驾驶模式作为输出，训练模式切换模型。

综上所述，目前国内外是对驾驶模式切换进行了不少的研究，但是目前还没有提出基于齿条力的路面识别方法及自适应的方向盘力矩补偿的方法。

发明内容

为了解决现有技术下的车辆在低附着系数路面上转向时方向盘的力矩急剧降低，驾驶员会感觉手力过轻、反馈手感和路感较差的问题，本发明提供了一种基于齿条力的路面识别及自适应方向盘力矩补偿方法，本发明无需驾驶员手动切换，采用本发明的转向系统能自动识别低附着路面并且自动切换成低附着路面的转向助力模式。

本发明的一种基于齿条力的路面识别及自适应方向盘力矩补偿方法，其具体内容如下所述：

一种基于齿条力的路面识别及自适应方向盘力矩补偿方法，包括如下步骤：

1)基准曲线的标定：

根据方向盘转角、方向盘转角速度和车速输入信号进行基准曲线标定，分为标定基准齿条力曲线、标定齿条力随车速的变化因数和标定齿条力随方向盘转向速度的变化因数这3个部分，其具体为：

1a)标定基准齿条力曲线，其中，齿条力基准值随方向盘转角的变化而变化，步骤如下：

1a1)将胎压校正为规定值，胎压规定值可从主机厂直接获得；

1a2)将车辆加载至满载，该满载时的载荷量等于满载时前轴和后轴载荷之和，如果试验车辆加上乘员后载荷不足，需要用沙袋补充，直至达到满载为止，其中，满载的前、后轴荷数值可以从主机厂直接获得，载荷值为固定值，不参与运算，作为基准齿条力曲线标定条件之一；

1a3)将车辆处于驻车状态，停在干燥沥青路面上；

1a4)打开标定软件，记录方向盘转角、方向盘扭矩、电机扭矩的计算齿条力需要的基本数据，其中，方向盘转角信号由EPS内置的电机转子位置传感器或扭矩-转角传感器得到，如果EPS没有内置这两种传感器，则方向盘转角信号可以由外部的方向盘转角传感器得到，而方向盘扭矩信号则由EPS内置的扭矩传感器或扭矩-转角传感器得到；

1a5)转动方向盘，转向速度为100deg/s～200deg/s，记录下两个完整转动方向盘循环的数据；

1a6)计算齿条力，该计算时确认为管柱助力的电动转向系统或齿条助力的电动转向系统，根据不同的EPS类型选择相应的公式，计算方法分别如下：

公式(1)-对于管柱助力的电动转向系统：

其中，J:电机转子转动惯量,通过电机转子转动惯量试验台测得；

d²Φ/dt²：电机转子加速度，是电机转角对时间的二阶导数；Φ:电机的转角；

M_motor:电机输出力矩，由计算得出，M_motor＝9549·功率/电机转速；

M_hand:方向盘力矩,由方向盘扭矩传感器测量得到；

i_worm:蜗轮蜗杆传动比，由计算得出，该i_worm＝蜗轮转动圈数/蜗杆转动1圈；

i_pinion:齿轮齿条线角传动比，单位：mm/rev,由计算得出，该i_pinion＝齿条位移量/转向机输入轴转动1圈；

η_worm:蜗轮蜗杆的传递效率，由测量得到，该η_worm＝蜗杆输出扭矩/蜗轮输入扭矩；

η_gear:转向机的传递效率，由测量得到，该η_gear＝转向机输出扭矩/输入扭矩；

公式(2)-而对于齿条助力的电动转向系统：

其中，J:电机转子转动惯量,通过电机转子转动惯量试验台测得；

d²Φ/dt²：电机转子加速度，是电机转角对时间的二阶导数；Φ:电机的转角；

M_motor:电机输出力矩，由计算得出，M_motor＝9549·功率/电机转速；

M_hand:方向盘力矩,由方向盘扭矩传感器测量得到；

i_worm:蜗轮蜗杆传动比，由计算得出，该i_worm＝蜗轮转动圈数/蜗杆转动1圈；

i_pinion:转向机输入轴端齿轮齿条线角传动比，由计算得出，该i_pinion＝齿条位移量/转向机输入轴转动1圈；

i_servo:伺服电机端的齿轮齿条线角传动比，该i_servo＝齿条位移量/电机转子转动1圈；

η_worm:蜗轮蜗杆的传递效率，由测量得到，该η_worm＝蜗杆输出扭矩/蜗轮输入扭矩；

η_gear:转向机的传递效率，由测量得到，该η_gear＝转向机输出扭矩/输入扭矩；

η_servo:伺服电机端的齿轮齿条的传递效率，由测量得到，该η_servo＝转向机输出扭矩/伺服电机端输入轴输入扭矩；

本步骤中，方向盘转角、方向盘扭矩、电机扭矩的信号都无需进行处理，测量的信号可以直接使用；

1a7)经过上述步骤，进行标定基准齿条力曲线：

该基准齿条力在标定软件中是一个可调变量，x轴为方向盘转角，y轴为基准齿条力，共9个节点，该基准齿条力曲线表述的是方向盘从中间位置到右边末端的齿条力变化，方向盘转角为正值；左边的齿条力与右边的齿条力成相反数，二者原点对称；对上述记录的数据进行齿条力计算，以齿条力为y轴，方向盘转角为x轴，画出齿条力随方向盘转角的变化曲线，取方向盘向右转向部分，均匀取9个节点，即生成了基准齿条力曲线；

1a8)步骤1a7)的基准齿条力曲线需要标定三次，三次的误差不超过5％，则认为标定合格，如误差超过5％，则需要按照上述各个步骤检查出错的地方，再次测量，直至满足要求；

1b)标定齿条力随车速的变化因数:

由于车辆在行驶的过程中，载荷会从前轴向后轴转移，对于前轮转向的车辆，齿条力随着车速的增加而减低，其具体标定步骤如下：

1b1)将车辆配置为满载；

1b2)胎压校正为规定值；

1b3)车辆行驶的路面为干燥沥青平整路面；

1b4)在不同车速下，以100deg/s～200deg/s向右侧转动方向盘至到最大侧向加速度为止，且车轮未侧滑，使用标定软件记录方向盘扭矩，电机输出扭矩、方向盘转角、方向盘转角速度和车速数据，根据不同的EPS类型选择相应的公式计算齿条力，计算方法同样为上述步骤1a6)中的公式(1)与公式(2)；

1b5)在不同车速下，取步骤1b4)测量的最大方向盘转角Φ，及对应的齿条力F₁，在基准齿条力曲线上，分别找出相同方向盘转角的齿条力F₂，取F₁/F₂为该车速下的齿条力随车速的变化因数，其中，齿条力随车速的变化因数在标定软件中是一个可调变量，x轴为车速，y轴为齿条力随车速变化因数，共10个节点；

1b6)在步骤1b4)的不同车速中的各个车速下，重复测量两次，要求两次测量的误差小于5％，则为标定合格，如误差超过5％，则需要再次测量直至满足要求。

1c)标定齿条力随方向盘转向速度的变化因数：

由于方向盘转向速度增加，系统阻尼力，即阻力会增加，驾驶员需要更大的手力来克服阻力，因此齿条力随着方向盘转向速度的增加而缓慢增加，其具体标定步骤如下：

1c1)车辆配置满载；

1c2)胎压校正为规定值；

1c3)车辆为驻车状态停在干燥沥青路面上；

1c4)分别以50deg/s,100deg/s,150deg/s,200deg/s,300deg/s,400deg/s,500deg/s,600deg/s,700deg/s,800deg/s向右转动方向盘至末端，使用标定软件记录方向盘扭矩，电机输出扭矩、方向盘转角、方向盘转角速度和车速数据，根据不同的EPS类型选择相应的公式计算齿条力，计算方法同样为上述步骤1a6)中的公式(1)与公式(2)，本步骤中，分别取不同转向速度下的最大齿条力F₃，将F₃与基准齿条力最大值F_max的比值：F₃/F_max定义为齿条力随方向盘转向速度的变化因数，齿条力随转向速度变化因数在标定软件中是一个可调变量，x轴为车速，y轴为齿条力随转向速度变化因数，共10个节点；

1c5)将步骤1c4)中的每个方向盘转向速度下，重复测量两次，误差要求不超过5％，则为标定合格，如误差超过5％，则需要再次测量直至满足要求；

2)上述步骤1)中有关齿条力的计算需满足触发条件，系统才开始进行齿条力计算，其条件如下：

检测到车辆有明显的转向行为，即，方向盘转角绝对值大于10°，如果上述条件不满足，则不进行齿条力计算，只有检测到方向盘转角绝对值大于10°，才开始齿条力计算，进而才可以进行后续的路面状况识别和方向盘力矩补偿功能；

3)低附着系数路面的识别：

在路面识别模块中，首先根据车速、方向盘转速、方向盘转角信号通过插值运算可以实时得到基准齿条力，同时根据上述步骤1a6)中的公式(1)与公式(2)计算齿条力，然后将基准齿条力与计算齿条力做比较，输出判定因子Δ，利用该判定因子Δ做出车辆是否在低附着系数路面上行驶的判断，最终输出低附着系数路面判定的指示变量flag_lowmiu，如flag_lowmiu＝0，即为非低附着系数路面，而flag_lowmiu＝1则判定为低附着系数路面；

4)步骤3)中，如判定因子Δ满足下面的关系并持续T₀时间也可以认定车辆行驶在低附着系数的路面上，具体为：

△∈[0.25,0.5]；T₀＝2s；

其中，0.25～0.5的范围是试验数据，是对不同载荷的不同类型的车辆在高、低附着系数路面上测量的结果，涵盖了市场上常见的不同设计载荷的轿车、SUV、MPV等车型，如果判定因子Δ低于0.25，则说明车辆的轮胎至少有一个或者全部悬空，比如车辆在举升架上，这时无需进行手力补偿；

5)在满足步骤3)或步骤4)中的低附着系数路面的判定条件下，系统以补偿电机输出扭矩的形式对方向盘力矩进行补偿，在补偿模块中，驾驶员手力补偿是根据降低电机输出扭矩来实现的，电机输出扭矩乘以补偿因数得到补偿后的电机扭矩，根据方向盘扭矩补偿算法可以计算得到方向盘力矩补偿值，与扭矩传感器测量得到的方向盘力矩相加，就得到补偿后的方向盘力矩，补偿因数的标定和方向盘力矩补偿算法分别如下：

5a)补偿因数的标定：

该补偿因数α随车速和判定因子变化而变化，补偿因数有两根曲线，分别对应不同范围的判定因子Δ，曲线1对应的判定因子Δ₁∈[0.25,0.35]，曲线2对应的判定因子Δ₂∈(0.35,0.5]，曲线1和曲线2都随车速变化而变化，该补偿因数α是可标定的变量，每条曲线共有8个节点，标定步骤如下：

5a1)车辆配置满载；

5a2)胎压校正为规定值；

5a3)在冰面上或湿的光滑瓷砖路面上，计算判定因子Δ，如果属于Δ₁的范围，根据不同的车速标定曲线1，如果属于Δ₂的范围，根据不同的车速标定曲线2；在雪面上或湿玄武岩路面上，同理标定；

5a4)在不同车速下，低附着路面上的补偿方向盘力矩M_HandTorComp满足下面的条件则认为标定合格，否则需要调整补偿因数α，直至满足要求，条件如下：

0.9·M_HandTorFric≤M_HandTorComp≤M_HandTorFric

其中，M_HandTorComp：低附着路面上补偿后的方向盘力矩；

M_HandTorFric：高附着路面上相同车速下的方向盘力矩；

5b)方向盘力矩补偿算法：

公式3-对于管柱助力的电动转向系统：

M_{HandTorOffset}＝M_MotTorOffset·i_worm·η_worm

其中，M_{HandTorOffset}：方向盘力矩补偿值；

M_MotTorOffset：电机扭矩差，该M_MotTorOffset＝电机扭矩-电机扭矩x补偿因数α；

i_worm:蜗轮蜗杆传动比，由计算得出，该i_worm＝蜗轮转动圈数/蜗杆转动1圈；

η_worm:蜗轮蜗杆的传递效率，由测量得到，该η_worm＝蜗杆输出扭矩/蜗轮输入扭矩；

公式4-对于齿条助力的电动转向系统：

其中，M_{HandTorOffset}：方向盘力矩补偿值；

M_MotTorOffset：电机扭矩差，该M_MotTorOffset＝电机扭矩-电机扭矩x补偿因数α；

i_pinion:转向机输入轴端齿轮齿条线角传动比，由计算得出，该i_pinion＝齿条位移量/转向机输入轴转动1圈；

i_worm:蜗轮蜗杆传动比，由计算得出，该i_worm＝蜗轮转动圈数/蜗杆转动1圈；

i_servo:伺服电机端的齿轮齿条线角传动比，该i_servo＝齿条位移量/电机转子转动1圈；

η_worm:蜗轮蜗杆的传递效率，由测量得到，该η_worm＝蜗杆输出扭矩/蜗轮输入扭矩；

η_servo:伺服电机端的齿轮齿条的传递效率，由测量得到，该η_servo＝转向机输出扭矩/伺服电机端输入轴输入扭矩；

η_gear:转向机的传递效率，由测量得到，该η_gear＝转向机输出扭矩/输入扭矩。

根据本发明的一种基于齿条力的路面识别及自适应方向盘力矩补偿方法，其特征在于，所述的步骤1a4)、1b4)和1c4)中记录方向盘转角、方向盘扭矩、电机扭矩的计算齿条力需要的基本数据的标定软件通常使用ETAS公司的INCA软件或VECTOR公司的CANape。

使用本发明的一种基于齿条力的路面识别及自适应方向盘力矩补偿方法获得了如下有益效果：

本发明的一种基于齿条力的路面识别及自适应方向盘力矩补偿方法可以解决车辆在低附着路面上转向时，方向盘手力急剧降低的问题，避免了驾驶员在转向时发生转向过多或需要反复修正方向盘的操作，避免了交通事故风险。

附图说明

图1为本发明的一种基于齿条力的路面识别及自适应方向盘力矩补偿方法的流程图；

图2为本发明的一种基于齿条力的路面识别及自适应方向盘力矩补偿方法的基准齿条力曲线图；

图3为本发明的一种基于齿条力的路面识别及自适应方向盘力矩补偿方法的齿条力随方向盘转向速度的变化因数曲线图；

图4为本发明的一种基于齿条力的路面识别及自适应方向盘力矩补偿方法的齿条力随方向盘转向速度的变化因数曲线图；

图5为本发明的一种基于齿条力的路面识别及自适应方向盘力矩补偿方法的路面识别模块的指示变量flag_lowmiu的计算逻辑框图；

图6为本发明的一种基于齿条力的路面识别及自适应方向盘力矩补偿方法的补偿因数的曲线图；

图7为本发明的一种基于齿条力的路面识别及自适应方向盘力矩补偿方法的补偿电机输出扭矩的计算逻辑框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种基于齿条力的路面识别及自适应方向盘力矩补偿方法做进一步的描述。

实施例

如图1～图7所示，一种基于齿条力的路面识别及自适应方向盘力矩补偿方法，包括如下步骤：

1)基准曲线的标定：

根据方向盘转角、方向盘转角速度和车速输入信号进行基准曲线标定，分为标定基准齿条力曲线、标定齿条力随车速的变化因数和标定齿条力随方向盘转向速度的变化因数这3个部分，其具体为：

1a)如图2所示，标定基准齿条力曲线，其中，齿条力基准值随方向盘转角的变化而变化，步骤如下：

1a1)将胎压校正为规定值，胎压规定值可从主机厂直接获得；

1a2)将车辆加载至满载，该满载时的载荷量等于满载时前轴和后轴载荷之和，如果试验车辆加上乘员后载荷不足，需要用沙袋补充，直至达到满载为止，其中，满载的前、后轴荷数值可以从主机厂直接获得，载荷值为固定值，不参与运算，作为基准齿条力曲线标定条件之一；

1a3)将车辆处于驻车状态，停在干燥沥青路面上；

1a4)打开标定软件，记录方向盘转角、方向盘扭矩、电机扭矩的计算齿条力需要的基本数据，其中，方向盘转角信号由EPS内置的电机转子位置传感器或扭矩-转角传感器得到，如果EPS没有内置这两种传感器，则方向盘转角信号可以由外部的方向盘转角传感器得到，而方向盘扭矩信号则由EPS内置的扭矩传感器或扭矩-转角传感器得到；

1a5)转动方向盘，转向速度为100deg/s～200deg/s，记录下两个完整转动方向盘循环的数据；

1a6)计算齿条力，该计算时确认为管柱助力的电动转向系统或齿条助力的电动转向系统，根据不同的EPS类型选择相应的公式，计算方法分别如下：

公式(1)-对于管柱助力的电动转向系统：

其中，J:电机转子转动惯量,通过电机转子转动惯量试验台测得；

d²Φ/dt²：电机转子加速度，是电机转角对时间的二阶导数；Φ:电机的转角；

M_motor:电机输出力矩，由计算得出，M_motor＝9549·功率/电机转速；

M_hand:方向盘力矩,由方向盘扭矩传感器测量得到；

i_worm:蜗轮蜗杆传动比，由计算得出，该i_worm＝蜗轮转动圈数/蜗杆转动1圈；

i_pinion:齿轮齿条线角传动比，单位：mm/rev,由计算得出，该i_pinion＝齿条位移量/转向机输入轴转动1圈；

η_worm:蜗轮蜗杆的传递效率，由测量得到，该η_worm＝蜗杆输出扭矩/蜗轮输入扭矩；

η_gear:转向机的传递效率，由测量得到，该η_gear＝转向机输出扭矩/输入扭矩；

公式(2)-而对于齿条助力的电动转向系统：

其中，J:电机转子转动惯量,通过电机转子转动惯量试验台测得；

d²Φ/dt²：电机转子加速度，是电机转角对时间的二阶导数；Φ:电机的转角；

M_motor:电机输出力矩，由计算得出，M_motor＝9549·功率/电机转速；

M_hand:方向盘力矩,由方向盘扭矩传感器测量得到；

i_worm:蜗轮蜗杆传动比，由计算得出，该i_worm＝蜗轮转动圈数/蜗杆转动1圈；

i_pinion:转向机输入轴端齿轮齿条线角传动比，由计算得出，该i_pinion＝齿条位移量/转向机输入轴转动1圈；

i_servo:伺服电机端的齿轮齿条线角传动比，该i_servo＝齿条位移量/电机转子转动1圈；

η_worm:蜗轮蜗杆的传递效率，由测量得到，该η_worm＝蜗杆输出扭矩/蜗轮输入扭矩；

η_gear:转向机的传递效率，由测量得到，该η_gear＝转向机输出扭矩/输入扭矩；

η_servo:伺服电机端的齿轮齿条的传递效率，由测量得到，该η_servo＝转向机输出扭矩/伺服电机端输入轴输入扭矩；

本步骤中，方向转角、方向盘扭矩、电机扭矩的信号都无需进行处理，测量的信号可以直接使用；

1a7)经过上述步骤，进行标定基准齿条力曲线：

该基准齿条力在标定软件中是一个可调变量，x轴为方向盘转角，y轴为基准齿条力，共9个节点，该基准齿条力曲线表述的是方向盘从中间位置到右边末端的齿条力变化，方向盘转角为正值；左边的齿条力与右边的齿条力成相反数，二者原点对称；对上述记录的数据进行齿条力计算，以齿条力为y轴，方向盘转角为x轴，画出齿条力随方向盘转角的变化曲线，取方向盘向右转向部分，均匀取9个节点，即生成了基准齿条力曲线；

1a8)步骤1a7)的基准齿条力曲线需要标定三次，三次的误差不超过5％，则认为标定合格，如误差超过5％，则需要按照上述各个步骤检查出错的地方，再次测量，直至满足要求；

1b)如图3所示，标定齿条力随车速的变化因数:

由于车辆在行驶的过程中，载荷会从前轴向后轴转移，对于前轮转向的车辆，齿条力随着车速的增加而减低，其具体标定步骤如下：

1b1)将车辆配置为满载；

1b2)胎压校正为规定值；

1b3)车辆行驶的路面为干燥沥青平整路面；

1b4)在不同车速下，以100deg/s～200deg/s向右侧转动方向盘至到最大侧向加速度为止，且车轮未侧滑，使用标定软件记录方向盘扭矩，电机输出扭矩、方向盘转角、方向盘转角速度和车速数据，根据不同的EPS类型选择相应的公式计算齿条力，计算方法同样为上述步骤1a6)中的公式(1)与公式(2)；

1b5)在不同车速下，取步骤1b4)测量的最大方向盘转角Φ，及对应的齿条力F₁，在基准齿条力曲线上，分别找出相同方向盘转角的齿条力F₂，取F₁/F₂为该车速下的齿条力随车速的变化因数，其中，齿条力随车速的变化因数在标定软件中是一个可调变量，x轴为车速，y轴为齿条力随车速变化因数，共10个节点；

1b6)在步骤1b4)的不同车速中的各个车速下，重复测量两次，要求两次测量的误差小于5％，则为标定合格，如误差超过5％，则需要再次测量直至满足要求。

1c)如图4所示，标定齿条力随方向盘转向速度的变化因数：

由于方向盘转向速度增加，系统阻尼力，即阻力会增加，驾驶员需要更大的手力来克服阻力，因此齿条力随着方向盘转向速度的增加而缓慢增加，其具体标定步骤如下：

1c1)车辆配置满载；

1c2)胎压校正为规定值；

1c3)车辆为驻车状态停在干燥沥青路面上；

1c4)分别以50deg/s,100deg/s,150deg/s,200deg/s,300deg/s,400deg/s,500deg/s,600deg/s,700deg/s,800deg/s向右转动方向盘至末端，使用标定软件记录方向盘扭矩，电机输出扭矩、方向盘转角、方向盘转角速度和车速数据，根据不同的EPS类型选择相应的公式计算齿条力，计算方法同样为上述步骤1a6)中的公式(1)与公式(2)，本步骤中，分别取不同转向速度下的最大齿条力F₃，将F₃与基准齿条力最大值F_max的比值：F₃/F_max定义为齿条力随方向盘转向速度的变化因数，齿条力随转向速度变化因数在标定软件中是一个可调变量，x轴为车速，y轴为齿条力随转向速度变化因数，共10个节点；

1c5)将步骤1c4)中的每个方向盘转向速度下，重复测量两次，误差要求不超过5％，则为标定合格，如误差超过5％，则需要再次测量直至满足要求；

2)上述步骤1)中有关齿条力的计算需满足触发条件，系统才开始进行齿条力计算，其条件如下：

检测到车辆有明显的转向行为，即，方向盘转角绝对值大于10°，如果上述条件不满足，则不进行齿条力计算，只有检测到方向盘转角绝对值大于10°，才开始齿条力计算，进而才可以进行后续的路面状况识别和方向盘力矩补偿功能；

3)低附着系数路面的识别：

在路面识别模块中，首先根据车速、方向盘转速、方向盘转角信号通过插值运算可以实时得到基准齿条力，同时根据上述步骤1a6)中的公式(1)与公式(2)计算齿条力，然后将基准齿条力与计算齿条力做比较，输出判定因子Δ，利用该判定因子Δ做出车辆是否在低附着系数路面上行驶的判断，最终输出低附着系数路面判定的指示变量flag_lowmiu，如图5所示，如flag_lowmiu＝0，即为非低附着系数路面，而flag_lowmiu＝1则判定为低附着系数路面；

4)步骤3)中，如判定因子Δ满足下面的关系并持续T₀时间也可以认定车辆行驶在低附着系数的路面上，具体为：

△∈[0.25,0.5]；T₀＝2s；

其中，0.25～0.5的范围是试验数据，是对不同载荷的不同类型的车辆在高、低附着系数路面上测量的结果，涵盖了市场上常见的不同设计载荷的轿车、SUV、MPV等车型，如果判定因子Δ低于0.25，则说明车辆的轮胎至少有一个或者全部悬空，比如车辆在举升架上，这时无需进行手力补偿；

5)在满足步骤3)或步骤4)中的低附着系数路面的判定条件下，系统以补偿电机输出扭矩的形式对方向盘力矩进行补偿，在补偿模块中，驾驶员手力补偿是根据降低电机输出扭矩来实现的，电机输出扭矩乘以补偿因数得到补偿后的电机扭矩，根据方向盘扭矩补偿算法可以计算得到方向盘力矩补偿值，与扭矩传感器测量得到的方向盘力矩相加，就得到补偿后的方向盘力矩，补偿因数的标定和方向盘力矩补偿算法分别如下：

5a)如图6所示，补偿因数的标定：

该补偿因数α随车速和判定因子变化而变化，补偿因数有两根曲线，分别对应不同范围的判定因子Δ，曲线1对应的判定因子Δ₁∈[0.25,0.35]，曲线2对应的判定因子Δ₂∈(0.35,0.5]，曲线1和曲线2都随车速变化而变化，该补偿因数α是可标定的变量，每条曲线共有8个节点，标定步骤如下：

5a1)车辆配置满载；

5a2)胎压校正为规定值；

5a3)在冰面上或湿的光滑瓷砖路面上，计算判定因子Δ，如果属于Δ₁的范围，根据不同的车速标定曲线1，如果属于Δ₂的范围，根据不同的车速标定曲线2；在雪面上或湿玄武岩路面上，同理标定；

5a4)在不同车速下，低附着路面上的补偿方向盘力矩M_HandTorComp满足下面的条件则认为标定合格，否则需要调整补偿因数α，直至满足要求，条件如下：

0.9·M_HandTorFric≤M_HandTorComp≤M_HandTorFric

其中，M_HandTorComp：低附着路面上补偿后的方向盘力矩；

M_HandTorFric：高附着路面上相同车速下的方向盘力矩；

5b)如图7所示，方向盘力矩补偿算法：

公式3-对于管柱助力的电动转向系统：

M_{HandTorOffset}＝M_MotTorOffset·i_worm·η_worm

其中，M_{HandTorOffset}：方向盘力矩补偿值；

M_MotTorOffset：电机扭矩差，该M_MotTorOffset＝电机扭矩-电机扭矩x补偿因数α；

i_worm:蜗轮蜗杆传动比，由计算得出，该i_worm＝蜗轮转动圈数/蜗杆转动1圈；

η_worm:蜗轮蜗杆的传递效率，由测量得到，该η_worm＝蜗杆输出扭矩/蜗轮输入扭矩；

公式4-对于齿条助力的电动转向系统：

其中，M_{HandTorOffset}：方向盘力矩补偿值；

M_MotTorOffset：电机扭矩差，该M_MotTorOffset＝电机扭矩-电机扭矩x补偿因数α；

i_pinion:转向机输入轴端齿轮齿条线角传动比，由计算得出，该i_pinion＝齿条位移量/转向机输入轴转动1圈；

i_worm:蜗轮蜗杆传动比，由计算得出，该i_worm＝蜗轮转动圈数/蜗杆转动1圈；

i_servo:伺服电机端的齿轮齿条线角传动比，该i_servo＝齿条位移量/电机转子转动1圈；

η_worm:蜗轮蜗杆的传递效率，由测量得到，该η_worm＝蜗杆输出扭矩/蜗轮输入扭矩；

η_servo:伺服电机端的齿轮齿条的传递效率，由测量得到，该η_servo＝转向机输出扭矩/伺服电机端输入轴输入扭矩；

η_gear:转向机的传递效率，由测量得到，该η_gear＝转向机输出扭矩/输入扭矩。

步骤1a4)、1b4)和1c4)中记录方向盘转角、方向盘扭矩、电机扭矩的计算齿条力需要的基本数据的标定软件通常使用ETAS公司的INCA软件或VECTOR公司的CANape。

本发明的一种基于齿条力的路面识别及自适应方向盘力矩补偿方法可以解决车辆在低附着路面上转向时，方向盘手力急剧降低的问题，避免了驾驶员在转向时发生转向过多或需要反复修正方向盘的操作，避免了交通事故风险。

Claims (2)

1.一种基于齿条力的路面识别及自适应方向盘力矩补偿方法，包括如下步骤：

1)基准曲线的标定：

根据方向盘转角、方向盘转角速度和车速输入信号进行基准曲线标定，分为标定基准齿条力曲线、标定齿条力随车速的变化因数和标定齿条力随方向盘转向速度的变化因数这3个部分，其具体为：

1a)标定基准齿条力曲线，其中，齿条力基准值随方向盘转角的变化而变化，步骤如下：

1a1)将胎压校正为规定值，胎压规定值可从主机厂直接获得；

1a2)将车辆加载至满载，该满载时的载荷量等于满载时前轴和后轴载荷之和，如果试验车辆加上乘员后载荷不足，需要用沙袋补充，直至达到满载为止，其中，满载的前、后轴荷数值可以从主机厂直接获得，载荷值为固定值，不参与运算，作为基准齿条力曲线标定条件之一；

1a3)将车辆处于驻车状态，停在干燥沥青路面上；

1a4)打开标定软件，记录方向盘转角、方向盘扭矩、电机扭矩的计算齿条力需要的基本数据，其中，方向盘转角信号由EPS内置的电机转子位置传感器或扭矩-转角传感器得到，如果EPS没有内置这两种传感器，则方向盘转角信号可以由外部的方向盘转角传感器得到，而方向盘扭矩信号则由EPS内置的扭矩传感器或扭矩-转角传感器得到；

1a5)转动方向盘，转向速度为100deg/s～200deg/s，记录下两个完整转动方向盘循环的数据；

1a6)计算齿条力，该计算时确认为管柱助力的电动转向系统或齿条助力的电动转向系统，根据不同的EPS类型选择相应的公式，计算方法分别如下：

公式(1)-对于管柱助力的电动转向系统：

其中，J:电机转子转动惯量,通过电机转子转动惯量试验台测得；

d²Φ/dt²：电机转子加速度，是电机转角对时间的二阶导数；Φ:电机的转角；

M_motor:电机输出力矩，由计算得出，M_motor＝9549·功率/电机转速；

M_hand:方向盘力矩,由方向盘扭矩传感器测量得到；

i_worm:蜗轮蜗杆传动比，由计算得出，该i_worm＝蜗轮转动圈数/蜗杆转动1圈；

i_pinion:齿轮齿条线角传动比，单位：mm/rev,由计算得出，该i_pinion＝齿条位移量/转向机输入轴转动1圈；

η_worm:蜗轮蜗杆的传递效率，由测量得到，该η_worm＝蜗杆输出扭矩/蜗轮输入扭矩；

η_gear:转向机的传递效率，由测量得到，该η_gear＝转向机输出扭矩/输入扭矩；

公式(2)-而对于齿条助力的电动转向系统：

其中，J:电机转子转动惯量,通过电机转子转动惯量试验台测得；

d²Φ/dt²：电机转子加速度，是电机转角对时间的二阶导数；Φ:电机的转角；

M_motor:电机输出力矩，由计算得出，M_motor＝9549·功率/电机转速；

M_hand:方向盘力矩,由方向盘扭矩传感器测量得到；

i_worm:蜗轮蜗杆传动比，由计算得出，该i_worm＝蜗轮转动圈数/蜗杆转动1圈；

i_pinion:转向机输入轴端齿轮齿条线角传动比，由计算得出，该i_pinion＝齿条位移量/转向机输入轴转动1圈；

i_servo:伺服电机端的齿轮齿条线角传动比，该i_servo＝齿条位移量/电机转子转动1圈；

η_worm:蜗轮蜗杆的传递效率，由测量得到，该η_worm＝蜗杆输出扭矩/蜗轮输入扭矩；

η_gear:转向机的传递效率，由测量得到，该η_gear＝转向机输出扭矩/输入扭矩；

η_servo:伺服电机端的齿轮齿条的传递效率，由测量得到，该η_servo＝转向机输出扭矩/伺服电机端输入轴输入扭矩；

本步骤中，方向盘转角、方向盘扭矩、电机扭矩的信号都无需进行处理，测量的信号可以直接使用；

1a7)经过上述步骤，进行标定基准齿条力曲线：

该基准齿条力在标定软件中是一个可调变量，x轴为方向盘转角，y轴为基准齿条力，共9个节点，该基准齿条力曲线表述的是方向盘从中间位置到右边末端的齿条力变化，方向盘转角为正值；左边的齿条力与右边的齿条力成相反数，二者原点对称；对上述记录的数据进行齿条力计算，以齿条力为y轴，方向盘转角为x轴，画出齿条力随方向盘转角的变化曲线，取方向盘向右转向部分，均匀取9个节点，即生成了基准齿条力曲线；

1a8)步骤1a7)的基准齿条力曲线需要标定三次，三次的误差不超过5％，则认为标定合格，如误差超过5％，则需要按照上述各个步骤检查出错的地方，再次测量，直至满足要求；

1b)标定齿条力随车速的变化因数:

由于车辆在行驶的过程中，载荷会从前轴向后轴转移，对于前轮转向的车辆，齿条力随着车速的增加而减低，其具体标定步骤如下：

1b1)将车辆配置为满载；

1b2)胎压校正为规定值；

1b3)车辆行驶的路面为干燥沥青平整路面；

1b4)在不同车速下，以100deg/s～200deg/s向右侧转动方向盘至到最大侧向加速度为止，且车轮未侧滑，使用标定软件记录方向盘扭矩，电机输出扭矩、方向盘转角、方向盘转角速度和车速数据，根据不同的EPS类型选择相应的公式计算齿条力，计算方法同样为上述步骤1a6)中的公式(1)与公式(2)；

1b5)在不同车速下，取步骤1b4)测量的最大方向盘转角Φ，及对应的齿条力F₁，在基准齿条力曲线上，分别找出相同方向盘转角的齿条力F₂，取F₁/F₂为该车速下的齿条力随车速的变化因数，其中，齿条力随车速的变化因数在标定软件中是一个可调变量，x轴为车速，y轴为齿条力随车速变化因数，共10个节点；

1b6)在步骤1b4)的不同车速中的各个车速下，重复测量两次，要求两次测量的误差小于5％，则为标定合格，如误差超过5％，则需要再次测量直至满足要求；

1c)标定齿条力随方向盘转向速度的变化因数：

由于方向盘转向速度增加，系统阻尼力，即阻力会增加，驾驶员需要更大的手力来克服阻力，因此齿条力随着方向盘转向速度的增加而缓慢增加，其具体标定步骤如下：

1c1)车辆配置满载；

1c2)胎压校正为规定值；

1c3)车辆为驻车状态停在干燥沥青路面上；

1c4)分别以50deg/s,100deg/s,150deg/s,200deg/s,300deg/s,400deg/s,500deg/s,600deg/s,700deg/s,800deg/s向右转动方向盘至末端，使用标定软件记录方向盘扭矩，电机输出扭矩、方向盘转角、方向盘转角速度和车速数据，根据不同的EPS类型选择相应的公式计算齿条力，计算方法同样为上述步骤1a6)中的公式(1)与公式(2)，本步骤中，分别取不同转向速度下的最大齿条力F₃，将F₃与基准齿条力最大值F_max的比值：F₃/F_max定义为齿条力随方向盘转向速度的变化因数，齿条力随转向速度变化因数在标定软件中是一个可调变量，x轴为车速，y轴为齿条力随转向速度变化因数，共10个节点；

1c5)将步骤1c4)中的每个方向盘转向速度下，重复测量两次，误差要求不超过5％，则为标定合格，如误差超过5％，则需要再次测量直至满足要求；

2)上述步骤1)中有关齿条力的计算需满足触发条件，系统才开始进行齿条力计算，其条件如下：

检测到车辆有明显的转向行为，即，方向盘转角绝对值大于10°，如果上述条件不满足，则不进行齿条力计算，只有检测到方向盘转角绝对值大于10°，才开始齿条力计算，进而才可以进行后续的路面状况识别和方向盘力矩补偿功能；

3)低附着系数路面的识别：

在路面识别模块中，首先根据车速、方向盘转速、方向盘转角信号通过插值运算可以实时得到基准齿条力，同时根据上述步骤1a6)中的公式(1)与公式(2)计算齿条力，然后将基准齿条力与计算齿条力做比较，输出判定因子Δ，利用该判定因子Δ做出车辆是否在低附着系数路面上行驶的判断，最终输出低附着系数路面判定的指示变量flag_lowmiu，如flag_lowmiu＝0，即为非低附着系数路面，而flag_lowmiu＝1则判定为低附着系数路面；

4)步骤3)中，如判定因子Δ满足下面的关系并持续T₀时间也可以认定车辆行驶在低附着系数的路面上，具体为：

△∈[0.25,0.5]；T₀＝2s；

其中，0.25～0.5的范围是试验数据，是对不同载荷的不同类型的车辆在高、低附着系数路面上测量的结果，涵盖了市场上常见的不同设计载荷的轿车、SUV、MPV车型，如果判定因子Δ低于0.25，则说明车辆的轮胎至少有一个或者全部悬空，这时无需进行手力补偿；

5)在满足步骤3)或步骤4)中的低附着系数路面的判定条件下，系统以补偿电机输出扭矩的形式对方向盘力矩进行补偿，在补偿模块中，驾驶员手力补偿是根据降低电机输出扭矩来实现的，电机输出扭矩乘以补偿因数得到补偿后的电机扭矩，根据方向盘扭矩补偿算法可以计算得到方向盘力矩补偿值，与扭矩传感器测量得到的方向盘力矩相加，就得到补偿后的方向盘力矩，补偿因数的标定和方向盘力矩补偿算法分别如下：

5a)补偿因数α的标定：

该补偿因数α随车速和判定因子变化而变化，补偿因数有两根曲线，分别对应不同范围的判定因子Δ，曲线1对应的判定因子Δ₁∈[0.25,0.35]，曲线2对应的判定因子Δ₂∈(0.35,0.5]，曲线1和曲线2都随车速变化而变化，该补偿因数α是可标定的变量，每条曲线共有8个节点，标定步骤如下：

5a1)车辆配置满载；

5a2)胎压校正为规定值；

5a3)在冰面上或湿的光滑瓷砖路面上，计算判定因子Δ，如果属于Δ₁的范围，根据不同的车速标定曲线1，如果属于Δ₂的范围，根据不同的车速标定曲线2；在雪面上或湿玄武岩路面上，同理标定；

5a4)在不同车速下，低附着路面上的补偿方向盘力矩M_HandTorComp满足下面的条件则认为标定合格，否则需要调整补偿因数α，直至满足要求，条件如下：

0.9·M_HandTorFric≤M_HandTorComp≤M_HandTorFric

其中，M_HandTorComp：低附着路面上补偿后的方向盘力矩；

M_HandTorFric：高附着路面上相同车速下的方向盘力矩；

5b)方向盘力矩补偿算法：

公式3-对于管柱助力的电动转向系统：

M_{HandTorOffset}＝M_MotTorOffset·i_worm·η_worm

其中，M_{HandTorOffset}：方向盘力矩补偿值；

M_MotTorOffset：电机扭矩差，该M_MotTorOffset＝电机扭矩-电机扭矩x补偿因数α；

i_worm:蜗轮蜗杆传动比，由计算得出，该i_worm＝蜗轮转动圈数/蜗杆转动1圈；

η_worm:蜗轮蜗杆的传递效率，由测量得到，该η_worm＝蜗杆输出扭矩/蜗轮输入扭矩；

公式4-对于齿条助力的电动转向系统：

其中，M_{HandTorOffset}：方向盘力矩补偿值；

M_MotTorOffset：电机扭矩差，该M_MotTorOffset＝电机扭矩-电机扭矩x补偿因数α；

i_pinion:转向机输入轴端齿轮齿条线角传动比，由计算得出，该i_pinion＝齿条位移量/转向机输入轴转动1圈；

i_worm:蜗轮蜗杆传动比，由计算得出，该i_worm＝蜗轮转动圈数/蜗杆转动1圈；

i_servo:伺服电机端的齿轮齿条线角传动比，该i_servo＝齿条位移量/电机转子转动1圈；

η_worm:蜗轮蜗杆的传递效率，由测量得到，该η_worm＝蜗杆输出扭矩/蜗轮输入扭矩；

η_servo:伺服电机端的齿轮齿条的传递效率，由测量得到，该η_servo＝转向机输出扭矩/伺服电机端输入轴输入扭矩；

η_gear:转向机的传递效率，由测量得到，该η_gear＝转向机输出扭矩/输入扭矩。

2.如权利要求1所述的一种基于齿条力的路面识别及自适应方向盘力矩补偿方法，其特征在于，所述的步骤1a4)、1b4)和1c4)中记录方向盘转角、方向盘扭矩、电机扭矩的计算齿条力需要的基本数据的标定软件通常使用ETAS公司的INCA软件或VECTOR公司的CANape。

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