[发明专利]一种适用于商用车的多轴转向控制系统

权利要求书

1.一种适用于商用车的多轴转向控制系统，其特征在于：

包括后轮转角计算模块、场景监测模块、多模式切换模块和转向执行模块；

所述的多轴转向控制系统适用于半挂车，包括牵引车单元和拖车单元；

所述的牵引车单元为三轴式，其中前轴为转向轴，称为第一轴，左侧车轮转角δ_1l的范围为-40°≤δ_1l≤45°，右侧车轮转角δ_1r的范围为-45°≤δ_1r≤40°，另外两轴为驱动轴，从前向后依次称为第二轴和第三轴，也可以进行小角度转向,且第一轴、第二轴和第三轴车轮的最大转角比例关系如下：

左侧车轮最大转角比例关系：

δ_1l:δ_2l:δ_3l＝6:1.5:1；

右侧车轮最大转角比例关系：

δ_1r:δ_2r:δ_3r＝6.05:1.55:1；

其中,δ_il(i＝1,2,3)为第i轴左侧车轮转角,δ_ir(i＝1,2,3)为第i轴右侧车轮转角；

所述的拖车单元为三轴式，并且所有轴均可用于转向，从前向后依次称之为第四轴、第五轴和第六轴，第六轴左侧车轮转角δ_6l的范围为-42°≤δ_6l≤47°，第六轴车轮转角δ_6r的范围为-47°≤δ_6r≤42°，且第四轴、第五轴和第六轴车轮的最大转角比例关系如下：

左侧车轮最大转角比例关系：

δ_4l:δ_5l:δ_6l＝1:1.2:1.4；

右侧车轮最大转角比例关系：

δ_4r:δ_5r:δ_6r＝1:1.25:1.45；

其中,δ_il(i＝4,5,6)为第i轴左侧车轮转角,δ_ir(i＝4,5,6)为第i轴右侧车轮转角；

所述的后轮转角计算模块，根据牵引车单元前轴轮胎转向角和内置转角计算公式实时计算，得到理想拖车轮胎转角δ_ideal；

所述的场景监测模块主要由多个传感器组成，实时监测转弯时的车周环境；

所述的多模式切换模块分为经济性转向模式、机动性转向模式和安全性转向模式；

所述的转向执行模块包括提示模块、预警模块和执行模块；

左侧车轮转角和右侧车轮转角，其分别由左轮转角传感器和右轮转角传感器来获得，左轮转角传感器安装在左侧车轮水平对称面上，并且位于距离左侧车轮内侧0.1×D和距离车轮中心线0.25×D处，右轮转角传感器安装在右侧车轮水平对称面上，并且位于距离右侧车轮内侧0.1×D和距离车轮中心线0.25×D处，其中D为车轮直径；

所述的左轮转角传感器和右轮转角传感器分别为两个，并且两个传感器的类型不同，当两者都正常工作时可以相互校正，提高角度测量准确度，当其中一个传感器失灵时，还可以保证角度的测量，两个传感器关于车轮中心线对称分布，安装间距为0.5×D；

所述的理想拖车轮胎转角δ_ideal使得牵引车单元的车轮与拖车单元的车轮绕同一点进行转向，所有转向轮胎进行纯滚动；

所述的理想拖车轮胎转角δ_ideal的计算结果由专门的储存器进行储存，在其他模块使用时随时可以调用；

所述的内置转角计算公式分为左转弯工况和右转弯工况；

所述的左转弯工况拖车轮胎转角计算公式如下：

当ψ＜0时：

式中，ψ为铰接角，δ_il,δ_ir分别为第i(i＝1,4,5,6)轴左、右侧车轮转角，B_f,B_r分别为牵引车单元车轮轮距和拖车单元车轮轮距，L_i为第i(i＝1,4,5,6)轴到铰接点的距离,a为转向中心到牵引车单元纵向中心线的距离,b为转向中心在牵引车单元纵向中心线的投影到铰接点的距离,c为转向中心到铰接点的距离,θ为转向中心与铰接点的连线和转向中心与拖车单元纵向中心线的垂线之间的夹角；

当ψ＞0时：

式中的a,b,c根据ψ＜0时的情况进行计算；

所述的右转弯工况拖车轮胎转角计算公式如下：

当ψ＞0时：

当ψ＜0时：

式中的a,b,c根据ψ＞0时的情况进行计算；

所述的场景监测模块利用多传感器监测周车环境，判定周围环境是无车还是有车；

所述的多传感器包括相机、毫米波雷达、激光雷达、超声波传感器、声呐，其中传感器使用其中的一种或多种，以达到监视周车环境的目的；

所述的传感器分别安装在牵引车单元外表面和拖车单元外表面，牵引车单元前端安装三个传感器，其中两个传感器安装在驾驶室车窗上方，两者非对称分布,左侧传感器f₁为相机，位于距离牵引车单元左侧0.1×E处,右侧传感器f₂为激光雷达，位于距离牵引车单元右侧0.2×E处，其中E为牵引车单元宽度，另一个传感器f₃为毫米波雷达，安装在车身纵向对称面上，且距离驾驶室车窗下边沿0.2×H₁处，其中H₁为牵引车单元高度，牵引车单元左右两侧分别安装一个传感器f₄,f₅，位于距牵引车单元前端0.6×F处，且距离牵引车单元车顶0.5×H₁处，其中F为牵引车单元长度，拖车单元后端安装一个传感器r₁，位于车身纵向对称面上，且距离拖车单元车顶0.4×H₂处，其中H₂为拖车单元高度，拖车单元左右两侧分别安装两个传感器，左侧两个传感器为r₂,r₃，右侧两个传感器为r₄,r₅，其分别位于距离拖车单元前端0.3×G和后端0.3×G处，且高度距离拖车单元车顶0.35×H₂处，其中G为拖车单元长度；

所述的多模式切换模块根据场景监测模块传来的车周环境来切换工作模式，当车周环境为无车时，多模式切换模块切换至经济性转向模式，当车周环境为有车时，多模式切换模块切换至机动性转向模式，当传感器出现故障时，多模式切换模块切换至安全性转向模式；

所述的经济性转向模式以经济性为首要考虑目标，使拖车按照实际拖车轮胎转角δ_actual进行转向，以达到减轻轮胎磨损的目的；

所述的实际拖车轮胎转角δ_actual由以下公式进行计算获得：

δ_actual＝μδ_ideal；

其中，μ为经济性调节系数，δ_ideal为理想拖车轮胎转角；

所述的经济性调节系数μ根据路况系数λ进行确定，路况系数λ根据路面等级确定数值，路面等级分为a₁,a₂,a₃,a₄分别代表路况良好、路况一般、路况差和路况恶劣，路况系数λ与路面等级的具体关系如下：

当路面等级处于a₁时：

λ＝100；

当路面等级处于a₂时：

λ＝75；

当路面等级处于a₃时：

λ＝50；

当路面等级处于a₄时：

λ＝25；

所述的经济性调节系数μ与路况系数λ的具体关系如下：

所述的机动性转向模式以机动性为首要考虑目标，根据理想拖车轮胎转角δ_ideal、调节控制率K以及预设延迟时间T进行拖车轮胎转向，使得拖车轨迹精确跟随牵引车轨迹，以达到机动性的目的；

所述的安全性转向模式以安全性为首要考虑目标，当场景监测模块中的传感器出现故障时，根据安全性系数S的大小锁定不同轴的转向机构；

所述的安全性系数S的范围为0≤S≤1,其与传感器损坏的个数和位置有关，将牵引车单元前端传感器f₁,f₂,f₃中的损坏数目记为J₁，将牵引车单元的侧方传感器f₄,f₅和拖车单元的侧方传感器r₂,r₃,r₄,r₅中的损坏数目记为J₂，将拖车单元后端传感器r₁的损坏数目记为J₃，具体关系如下：

其中,J₁,J₂,J₃为整数，且取值范围如下：

0≤J₁≤3,0≤J₂≤6,0≤J₃≤1；

所述的安全性系数S越大，说明传感器的故障对于安全性的影响越小，锁定不同轴转向机构的概率越小,安全性系数S与安全性转向模式的关系具体如下：

当S＝1时，传感器全部正常工作，安全性转向模式关闭；

当0.8≤S＜1时，安全性转向模式锁定第二轴轮胎的转向机构；

当0.6≤S＜0.8时，安全性转向模式锁定第二、三轴轮胎的转向机构；

当0.4≤S＜0.6时，安全性转向模式锁定第二、三、四轴轮胎的转向机构；

当0.2≤S＜0.4时，安全性转向模式锁定第二、三、四、五轴轮胎的转向机构；

当0≤S＜0.2时，安全性转向模式锁定第二、三、四、五、六轴轮胎的转向机构；

所述的多模式切换模块的经济性转向模式、机动性转向模式和安全性转向模式的所占比重由权重系数来决定；

所述的权重系数包括经济性转向模式权重系数A、机动性转向模式权重系数B和安全性转向模式权重系数C，即多模式切换模块为：

A×经济性转向模式+B×机动性转向模式+C×安全性转向模式；

且有：

A+B+C＝1；

其中A,B,C的数值大小由路况和交通环境来决定；

当在柏油路面或水泥路面附着系数良好的路面时，以经济性转向模式为主要模式，机动性转向模式与安全性转向模式并重：

A＝0.4,B＝0.3,C＝0.3；

当在冰雪路面或者湿滑路面时，考虑到此时路面附着系数极小，以安全性转向模式为主要模式：

A+B≤0.5,C≥0.5；

当在泥泞路面或乡村道路时，以机动性转向模式为主要模式，经济性转向模式与安全性转向模式并重：

A＝0.3,B＝0.4,C＝0.3；

当在山区道路行驶时，以安全性转向模式为首要模式，机动性转向模式较经济性转向模式更重要：

A＝0.2,B＝0.3,C＝0.5；

当在拥堵交通环境时，以机动性转向模式为首要考虑模式，安全性转向模式较经济性转向模式更重要：

A＝0.15,B＝0.6,C＝0.25；

当在交通环境良好的环岛或弯道时，考虑到此时转弯角度较大，以经济性为首要考虑因素，安全性和机动性次之：

A＝0.6,B＝0.15,C＝0.25；

当处于其他情况时，以保证安全性为首要任务：

A+B≤0.4,C≥0.6；

所述的提示模块、预警模块以及执行模块的工作区间根据距离弯道行车时间t进行划分；

所述的距离弯道行车时间t根据距离弯道距离s、行驶车速v和行驶加速度a_x进行计算，其中距离弯道行车时间t由以下公式进行计算：

匀速行驶时：

s＝vt₁；

其中，t₁是匀速行驶时的距离弯道行车时间；

匀加速或者匀减速行驶时：

其中，t₂是匀加速或匀减速行驶时的距离弯道行车时间；

其他复杂行驶情况:

其中，t₃是复杂行驶工况时的距离弯道行车时间，k₁为匀速行驶权重系数，k₂为匀加速或匀减速行驶权重系数，k₁,k₂的大小由驾驶员的驾驶风格来决定；

当驾驶员为成熟型驾驶风格时：

k₁＝0.5,k₂＝0.5；

当驾驶员为激进型驾驶风格时：

k₁＝0.2,k₂＝0.8；

当驾驶员为新手型驾驶风格时：

k₁＝0.7,k₂＝0.3；

为了行驶的安全，采用保守策略，距离弯道行车时间t采取三个时间的最小值，即：

t＝min(t₁,t₂,t₃)；

所述的距离弯道距离s由场景监测模块的多传感器进行测量；

所述的行驶车速v和行驶加速度a_x分别由车速传感器和加速度传感器测量；

所述的提示模块在大于0.5×t至小于等于t之间的时间起主要作用，其根据场景监测模块和多模式切换模块的信息分别以不同颜色的灯光闪烁或友好语言对驾驶员进行提示，绿灯闪烁代表周围无车，并语音播报“周围无车，请以经济性模式进行转弯”，黄灯闪烁代表周围有车，并语音播报“周围有车，请以机动性模式进行转弯”，红灯闪烁代表传感器出现故障，系统根据安全性转向模式下的安全性系数来判别故障的严重程度，严重程度不同红灯的亮度不同，并语音播报不同的提示“传感器轻微故障，系统仍能正常行驶”，“传感器中等故障，系统仍能运行，但需要及时修复”，“传感器全部故障，请锁定后轮转向机构”，当传感器全部故障时，车厢内还会响起蜂鸣警报，引起驾驶员的强烈关注；

所述的预警模块在大于0.1×t至小于等于0.5×t之间的时间起主要作用，当驾驶员在提示模式下不进行操作时，进入预警模块，预警模块提示“即将进入自动转弯模式”，并进行方向盘和座椅振动，把转弯控制权交给车辆控制单元；

所述的执行模块在大于等于0×t至小于等于0.1×t之间的时间起主要作用，此模块是车辆转弯的必须模块，它在车辆转弯的任意时刻都会起作用，其分为手动模式、自动模式和辅助模式，手动模式由驾驶员进行操控，自动模式由控制单元进行控制，在提示模块时，驾驶员通过人为操作进行转向，在预警模块时，当驾驶员不进行转向时，由车辆控制单元进行自动控制模式，当驾驶员介入时，又可由自动模式自动切换为手动模式，辅助模式装有智能助力系统，当在紧急情况下，需要急剧转动方向盘时，而驾驶员的转向速度和转向力不足时，智能助力系统根据驾驶员手力的大小和方向补充一个转向力矩，使得车辆能够及时转弯；

所述的手动模式、自动模式和辅助模式由执行模块权重系数来决定其重要性；

所述的执行模块权重系数包括手动模式权重系数P、自动模式权重系数Q和辅助模式权重系数R,即执行模块为：

P×手动模式+Q×自动模式+R×辅助模式；

且有：

P+Q+R＝1；

其中，P,Q,R的数值大小由距离弯道行车时间t和行车状况来决定；

当时间位于t时：

P＝1,Q＝0,R＝0；

当时间位于大于等于0.8×t至小于t之间时：

P＝0.8,Q＝0.1,R＝0.1；

当时间位于大于等于0.6×t至小于0.8×t之间时：

P＝0.6,Q＝0.25,R＝0.15；

当时间位于大于等于0.4×t至小于0.6×t之间时：

P＝0.5,Q＝0.3,R＝0.2；

当时间位于大于等于0.2×t至小于0.4×t之间时：

P＝0.3,Q＝0.4,R＝0.3；

当时间位于大于0×t至小于0.2×t之间时：

P＝0.1,Q＝0.6,R＝0.3；

当时间位于0×t时：

P＝0.05,Q＝0.65,R＝0.3；

当遇到紧急情况时：

P＝0.15,Q＝0.05,R＝0.8；

所述的机动性转向模块根据理想拖车轮胎转角δ_ideal和调节控制率K，得出机动性拖车轮胎转角值，再根据预设延迟时间T，控制拖车轮胎转向；

所述的调节控制率K根据不同的方向盘转角和车速标定出三维MAP图；

所述的调节控制率K的规律具体如下：

当车速v＝5km/h时：

K＝7.743×10^-8×δ²+2.472×10^-4×δ+0.4046；

当车速v＝10km/h时：

K＝2.369×10^-8×δ²+3.073×10^-4×δ+0.3742；

当车速v＝15km/h时：

K＝-1.335×10^-7×δ²+4.418×10^-4×δ+0.3178；

当车速v＝20km/h时：

K＝-1.595×10^-7×δ²+4.601×10^-4×δ+0.3042；

其中，δ为方向盘转角，其范围为45°≤δ≤900°；

所述的调节控制率K根据轨迹误差的大小进行实时调整，使得拖车轨迹和牵引车轨迹重合；

所述的调节控制率K的原理：根据轨迹误差的大小来实时进行调整K，使得拖车轨迹和牵引车轨迹重合，当轨迹误差大于0时，增大K值，使得拖车轨迹接近牵引车轨迹，当轨迹误差小于0时，减小K值，使拖车轨迹接近牵引车轨迹，当轨迹误差的绝对值小于e时，认为拖车轨迹与牵引车轨迹重合，其中e的计算公式如下：

e＝max(e₁,e₂)；

其中,e为轨迹误差判断标准，e₁为轨迹误差第一判断标准，δ_1o为第一轴外侧车轮转角，e₂为轨迹误差第二判断标准，δ_6o为第六轴外侧车轮转角；

所述的轨迹误差是指拖车轨迹和牵引车轨迹的差值；

所述的牵引车轨迹和拖车轨迹通过传感器获得，其中传感器的形式不限；

所述的牵引车轨迹传感器有两个，均安装在牵引车单元车身下表面与车身纵向对称面交汇线上，且分别位于距离牵引车单元前端0.1×F和0.2×F处，其中F为牵引车单元长度；

所述的拖车轨迹传感器有两个，均安装在拖车单元车身下表面与车身纵向对称面交汇线上，且分别位于距离拖车单元后端0.05×G和0.15×G处，其中G为拖车单元长度；

所述的预设延迟时间T是对调节控制率K的补充，其单位为秒,当转角较大时，经过调节控制率K的调节，在转向初期轨迹误差仍然很大，这称之为入弯尾摆，为了消除入弯尾摆，可使拖车轮胎转角较牵引车前轮转角延迟若干时间，延迟时间T的长短由预设延迟时间T标定图来决定；

所述的预设延迟时间T根据方向盘转角和车速来标定，当方向盘转角和车速处于预设延迟时间T标定图的对应范围内，预设延迟时间T起作用，使得机动性转向模式下的拖车轮胎转角延迟相应的预设延迟时间T,当方向盘转角和车速不在此范围内，预设延迟时间T不起作用，拖车轮胎转角单独由调节控制率K来调节；

所述的预设延迟时间T的具体规律如下：

当车速v＝5km/h时：

T＝9.406×10^-7×δ²-2.503×10^-3×δ+4.787；

当车速v＝10km/h时：

T＝9.406×10^-7×δ²-2.503×10^-3×δ+3.787；

当车速v＝15km/h时：

T＝5.879×10^-7×δ²-1.503×10^-3×δ+2.671；

当车速v＝20km/h时：

T＝2.205×10^-7×δ²-8.492×10^-4×δ+2.087；

其中，δ的范围为360°≤δ≤900°。