考虑人机驾驶模式的电控全液压转向系统及控制方法与流程

本发明属于全液压转向系统领域，尤其涉及一种考虑人机驾驶模式的电控全液压转向系统及控制方法。

背景技术：

1、随着智能技术的快速发展，农业机械和工程机械等非公路车辆智能化在提高工作效率和控制精度的同时，也满足降低驾驶员工作强度的目标，因此将智能控制系统与传统机械液压系统结合，实现非公路车辆的“液电智机一体化”迫在眉睫。目前非公路车辆普遍采用传统全液压转向系统，不能满足智能化的要求，因此将智能电控系统与传统全液压系统相结合，由智能控制系统辅助驾驶员进行转向操控，以缓解驾驶员的操纵复杂程度。电控全液压转向系统多采用双模式切换型和人机共驾型，双模式切换型需要驾驶员手动切换电控全液压转向系统的工作模式，存在智能程度低问题；而现有的人机共驾型存在驾驶权争夺与驾驶模式切换的平顺性问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的不足，本发明提出考虑人机驾驶模式的电控全液压转向系统及控制方法。根据不同驾驶模式对电控全液压转向系统采用不同控制策略，实现智能驾驶与全液压转向系统的紧密结合，尤其解决了人机冲突以及驾驶模式切换的平顺性问题。

2、考虑人机驾驶模式的电控全液压转向系统包括手动全液压模块和电控全液压模块。

3、所述的手动全液压模块内部包含转向油缸、手动全液压转向阀、转向油泵、方向盘以及油箱；

4、所述的转向油缸具有第一油口和第二油口；

5、所述的手动全液压转向阀具有进油口p1、出油口t1、油口a和油口b；

6、所述的手动全液压转向阀的油口b与所述的转向油缸的第二油口连接，所述的转向油缸的第一油口与所述的手动全液压转向阀的油口a连接；

7、所述的转向油泵向液压系统供油，与所述的油箱连接；

8、所述的方向盘的转轴与所述的手动全液压转向阀的转轴连接。

9、所述的电控全液压模块包含电控全液压转向阀与电控系统；

10、所述的电控全液压转向阀的信号输入端与所述的电控系统的信号输出端连接；

11、所述的电控全液压转向阀具有进油口p2、出油口t2、油口c、油口d；

12、所述的电控全液压转向阀的油口d与所述的转向油缸的第二油口连接，所述的转向油缸的第一油口与所述的电控全液压转向阀的油口c连接；

13、所述的电控系统包括阀芯位移计算模块、驾驶意图判别模块、回中计算模块、mpc轨迹跟踪模块；

14、所述的阀芯位移计算模块根据目标前轮转角与实际前轮转角的差值得到电控全液压转向阀阀芯位移；

15、所述的驾驶意图判别模块根据驾驶员转动方向盘时间、转动方向盘力矩和转角判定驾驶员是否接管车辆，当驾驶员转动方向盘时间、转动方向盘力矩和转角达到阈值，则驾驶员接管驾驶权；

16、所述的回中计算模块在相同转向与相反转向两种情况下，根据驾驶员转动方向盘速度求解电控全液压转向阀阀芯的回中速度，之后根据电控全液压转向阀阀芯的回中速度与阀芯的初始位置求解实时的电控全液压转向阀阀芯的目标位置；

17、所述的mpc轨迹跟踪模块根据规划的路径，采用基于mpc的轨迹跟踪控制器求解出目标前轮转角。

18、所述的考虑人机驾驶模式的电控全液压转向系统的控制方法，包括如下步骤：

19、步骤s1、根据驾驶员转动方向盘持续时间、转动方向盘力矩和转角判定驾驶员是否接管车辆，由此确定车辆处于自动驾驶模式、人机共驾模式还是人驾模式；

20、步骤s2、当车辆处于自动驾驶模式时，采用基于mpc的轨迹跟踪控制器得到目标前轮转角，之后根据目标前轮转角与实际前轮转角的差值，通过滑模控制器得出电控全液压转向阀阀芯位移；

21、步骤s3、当车辆处于人机共驾模式时，由驾驶员转动方向盘方向与当前车轮偏转方向确定电控全液压转向阀阀芯回到中位的速度；之后根据电控转向阀阀芯回到中位的速度与阀芯的初始位置求解实时的电控全液压转向阀阀芯目标位置；

22、步骤s4、当车辆处于人驾模式时，电控系统根据目标前轮转角与实际前轮转角之间的差值求解实时的电控全液压转向阀阀芯目标位置，通过电控全液压转向阀对转向液压缸进行补油。

23、进一步，步骤s1中，判定驾驶员是否接管车辆的方法为：

24、根据驾驶员转动方向盘持续时间、转动方向盘力矩和转角判定驾驶员是否接管车辆，判定依据如下所示：

25、

26、式中，t为驾驶员转动方向盘时间，tr为限定接管时间，m为驾驶员转动方向盘力矩，mr为限定接管方向盘力矩，θd为驾驶员转动方向盘角度，θr为限定接管方向盘角度。

27、进一步，s2中自动驾驶模式下电控全液压转向阀阀芯位移计算方法为：

28、s2.1根据规划的路径，采用基于mpc的轨迹跟踪得到前轮转角，过程如下：

29、1)建立车辆动力学的离散状态方程，如下所示：

30、

31、其中：xa(k)＝[vy(k)ωr(k)ψ(k)y(k)]t,

32、

33、式中，ωr为车辆横摆角速度；m为整车质量；cf为前轮的轮胎侧偏刚度；cr为后轮的轮胎侧偏刚度；a为质心距前轴的距离；b为质心距后轴的距离；iz为整车转动惯量；δf为前轮转角；vy为侧向速度；ψ为航向角；y为横向位移；k为第k时刻；vx为纵向速度；xa为状态量。

34、2)构建mpc的目标函数与约束条件，

35、目标函数如下所示：

36、

37、s.t.xk+j+1＝aaxk+j+baua,k+j

38、式中，ra为mpc控制器的控制目标期望值；qa为mpc权重矩阵；np为预测步长；nc为控制步长。

39、约束条件如下所示：

40、umin(k+j)≤u(k+j)≤umax(k+j)j＝0,1,…,nc-1

41、δumin(k+j)≤δu(k+j)≤δumax(k+j)j＝0,1,…,nc-1

42、ymin(k+j)≤y(k+j)≤ymax(k+j)j＝0,1,…,np

43、式中，umin、umax为控制量的上下限；δumin、δumax为控制增量的上下限；ymin、ymax为输出量的上下限。

44、3)采用二次规划算法对目标函数进行求解得到目标前轮转角。

45、s2.2根据转向动力学模型求解转向油缸工作时的压强，过程如下：

46、1)根据整车结构参数计算各车轮垂向力，计算公式如下所示：

47、

48、式中，fzi(i＝1,2,3,4)为各车轮垂向力(i＝1代表左前轮，i＝2代表右前轮，i＝3代表左后轮，i＝4代表右后轮)；m为整车质量；g为重力加速度；a为质心到前轴的距离；b为质心到后轴的距离；ax为纵向加速度；ay为侧向加速度；h为车辆质心高度；bx为前后轴轮距。

49、2)根据轮胎垂向力，轮胎滑移率和轮胎侧偏角，通过dugoff轮胎模型计算得出各轮胎的侧向力，计算公式如下所示：

50、

51、其中：

52、

53、式中，fyi为各轮胎侧向力；ky为轮胎侧向刚度；si为各轮胎纵向滑移率；αi为各车轮侧偏角；δi为车轮转角；u为纵向车速；v为侧向车速；ωr为横摆角速度；μ为路面附着系数；kx为轮胎纵向刚度；uw为轮胎中心处的速度；ωw为轮胎角速度；r为轮胎滚动半径。

54、3)根据轮胎垂向力计算轮胎垂向力相关的回正力矩，计算公式如下所示：

55、

56、式中，mzn(n＝1,2)为左右前轮轮胎垂向力相关的转向阻力矩；fzn为左右轮胎垂向力，dz为主销内移量；θ为主销内倾角；δf为前轮转角。

57、4)根据轮胎侧向力计算轮胎侧向力相关的回正力矩，计算公式如下所示：

58、my＝(fy1+fy2)·(tc+tn)

59、tn＝rtanθcas+rco

60、式中，my为轮胎侧向力相关的转向阻力矩；fy1，fy2分别为左右前轮的侧向力；tc为机械拖矩；tn为气胎拖矩；r为车轮滚动半径；θcas为主销后倾角；rco为轮心处主销纵向偏移量。

61、5)根据转向动力学模型求解转向油缸负载，计算公式如下：

62、md＝mzn+my

63、式中，md为基于转向动力学的转向阻力矩。

64、6)转向油缸工作压强的求解公式如下：

65、

66、其中，

67、式中，ps为转向油缸工作压强；fs为转向油缸工作压力；d为油缸缸径；d为油缸杆径；l为油缸到转向轮的力臂。

68、s2.3根据目标前轮转角与实际前轮转角的差值，采用滑模控制器得到电控全液压转向阀阀芯位移，滑模控制器构造过程如下：

69、1)状态方程如下所示：

70、δfd＝x1d，x1＝δf，x2＝x1'

71、

72、式中，δfd为目标前轮转角；δf为实际前轮转角；af为阀口面积；ρ为油液密度；ηv为液压转向器和转向液压缸容积效率；cd为流量系数；ik为前轮转角与转向油缸活塞的传动比；δp为油泵与转向油缸压强差；pl为油泵压强。

73、2)滑模面与指数趋近律如下所示：

74、s＝ce1＝c(x1d-x1)＝0c＞0

75、s'＝-εsgn(s)-psε＞0,p＞0

76、式中，e1为目标前轮转角与实际前轮转角差值；c＞0，满足hurwitz条件，c为滑模控制参数；ε,p为指数趋近律控制参数；

77、3)控制律如下所示：

78、

79、s2.4根据阀口面积拟合得到阀芯位移，计算公式如下：

80、af＝c1+c2x+c3x2+c4x3(x≥0)

81、

82、式中，x为阀芯位移，c1，c2，c3，c4为阀口类型与形状相关的拟合系数。

83、进一步，s3中人机共驾模式下电控全液压转向阀阀芯位移计算方法为：

84、s3.1当驾驶员转动方向盘方向与当前车轮方向相同时，根据方向盘转速得出电控全液压转向阀阀芯回到中位的速度，计算公式如下所示：

85、

86、v＝esωk1

87、式中：ωs为方向盘转速；ωsmax为同向最大方向盘转速；esω为同向归一化方向盘转速；k1为同向调整参数；v为电控全液压转向阀阀芯回到中位的速度。

88、s3.2当驾驶员转动方向盘方向与当前车轮方向相反时，根据方向盘转速得出电控全液压转向阀阀芯回到中位的速度，计算公式如下所示：

89、

90、v＝ehωk2

91、式中：ωhmax为反向最大方向盘转速；ehω为反向归一化方向盘转速；k2为反向调整参数。

92、s3.3根据电控全液压转向阀阀芯回到中位的速度与阀芯的初始位置求解实时的电控全液压转向阀阀芯目标位置，如下所示：

93、

94、式中：x0为电控全液压转向阀阀芯的初始位置；xt为t时刻电控全液压转向阀阀芯的位置。

95、进一步，s4中人驾模式下电控全液压转向阀阀芯位移计算方法为：

96、s4.1根据方向盘转角得到目标前轮转角，公式如下：

97、

98、式中：δfw为方向盘转角；b为排量；

99、s4.2根据目标前轮转角与实际前轮转角之间的差值，求解电控全液压转向阀阀芯目标位置，公式如下：

100、

101、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

102、在人驾模式下，电控全液压转向系统根据目标前轮转角与实际前轮转角之间的差值求解实时的电控全液压转向阀阀芯目标位置，通过电控全液压转向阀对转向液压缸进行补油，提高驾驶员控制转向角的精度；在人机共驾模式下，电控全液压转向系统根据驾驶员转动方向盘方向与当前车轮偏转方向确定电控全液压转向阀阀芯回到中位的速度，然后根据电控转向阀阀芯回到中位的速度与阀芯的初始位置求解实时的电控全液压转向阀阀芯目标位置，解决人机冲突以及驾驶模式切换的平顺性问题。本发明提出的考虑人机驾驶模式的电控全液压转向系统及控制方法实现智能驾驶与全液压转向系统的紧密结合；在不同驾驶模式下采用不同的电控全液压转向策略，不仅提高转向精度，而且解决了人机冲突以及驾驶模式切换的平顺性问题。