(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910168102.7
(22)申请日 2019.03.06
(71)申请人 江苏大学
地址 212013 江苏省镇江市京口区学府路
301号
(72)发明人 孙晓强　王雨俊　蔡英凤　陈龙　
汪少华　
(51)Int.Cl.
B62D  5/06(2006.01)
B62D  6/00(2006.01)
(54)发明名称一种无人驾驶汽车液力式自动转向系统及其控制方法(57)摘要本发明公开了一种无人驾驶汽车液力式自动转向系统及其控制方法，属于车辆智能驾驶及转向安全控制领域。该系统主要由转向工作缸，工作缸活塞，流量可控节流阀，转向液压泵，转向油罐，回油管路，进油管路以及高速开关电磁阀等组成。控制四个高速开关电磁阀的通断状态来形成工作缸活塞左右两侧不同方向的油液压差，实现汽车左转或右转。转向回正时，高速开关电磁阀的通断状态均与前述相反。流量可控节流阀根据期望前轮转角确定工作缸活塞左右两侧的油液压差，流经可控节流阀的油液流量由自适应控制器得出。本发明不仅能够实现无人驾驶汽车自动转向，且系统结构简单，可靠性好，实用性
强。权利要求书3页  说明书7页  附图2页CN 110001769 A 2019.07.12
C N  110001769
A
1.一种无人驾驶汽车液力式自动转向系统，其特征在于，所述液力式自动转向系统主要包括转向工作缸(1)，工作缸活塞(2)，流量可控节流阀(5)，流量可控节流阀(7)，转向液压泵(10)，转向油罐(9)，第一进油管路(11)，第二进油管路(14)，第一回油管路(12)，第二回油管路(13)，高速开关电磁阀(3)，高速开关电磁阀(4)，高速开关电磁阀(6)以及高速开关电磁阀(8)；
工作缸活塞(2)把工作缸(1)分为左腔和右腔；
所述液力式自动转向系统共包含两条进油管路，分别为第一进油管路(11)和第二进油管路(14)；第一进油管路(11)上串联有一个高速开关电磁阀(3)和一个流量可控节流阀(7)，第二进油管路(14)上串联有一个高速开关电磁阀(8)和一个流量可控节流阀(5)；第一进油管路(11)从转向液压泵(10)连接至转向工作缸(1)的左腔，第二进油管路(14)从转向液压泵(10)连接至转向工作缸(1)的右腔；
所述液力式自动转向系统还包含两条回油管路，分别为第一回油管路(12)和第二回油管路(13)；第一回油管路(12)上有一个高速开关电磁阀(6)，第二回油管路(13)上有一个高速开关电磁阀(4)；第一回油管路(12)从转向工作缸(1)的左腔连接至转向油罐(9)，第二回油管路(13)从转向工作缸(1)的右腔连接至转向油罐(9)；
无人驾驶汽车第一回油管路(12)与第一进油管路(11)连接于转向工作缸(1)的左腔，第二进油管路(14)与第二回油管路(13)连接于转向工作缸(1)的右腔；转向液压泵(10)与转向油罐(9)相连。
2.一种根据权利要求1所述的无人驾驶汽车液力式自动转向系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，建立转向系统数学模型，所述模型的输入为流经可控节流阀(5)和可控节流阀(7)的油液流量，输出为汽车前轮转角；
步骤2，基于模糊自适应控制算法设计所述液力式自动转向系统的控制策略，所述控制策略的输入为目标前轮转角与实际前轮转角之间的差值及差值变化率，输出为流经可控节流阀(5)和可控节流阀(7)的油液流量；
步骤3，进行系统控制策略的性能仿真分析，若控制性能仿真结果达不到系统要求，则进一步调整控制策略，直至满足系统控制性能要求。
3.根据权利要求2所述的一种无人驾驶汽车液力式自动转向系统的控制方法，其特征在于，所述转向系统的数学模型主要为轮胎非线性侧偏力学特性模型，高速开关电磁阀油液流量模型，油液流量可控节流阀模型，工作缸活塞受力分析模型以及工作缸活塞移动速度与汽车前轮转角间的传递关系模型。
4.根据权利要求3所述的一种无人驾驶汽车液力式自动转向系统的控制方法，其特征在于，所述轮胎非线性侧偏力学特性模型的建立包括如下步骤：
步骤1.1，在轮胎试验台上进行轮胎侧偏力学特性试验，通过试验准确获取反映轮胎实际侧偏力学特性的试验数据，包括轮胎侧向力数据，轮胎回正力矩数据，轮胎垂向载荷数据以及轮胎侧偏角数据等；
步骤1.2，根据试验数据进行轮胎侧偏力学特性魔术公式模型参数的辨识；
步骤1.3，对辨识得到的轮胎侧偏力学特性魔术公式模型进行仿真，将仿真结果与试验数据进行对比，验
证辨识模型的精度，若精度满足要求，则辨识结束，若精度不满足要求，则
重新回到步骤1.2。
5.根据权利要求2所述的一种无人驾驶汽车液力式自动转向系统的控制方法，其特征在于，基于模糊自适应控制算法设计所述液力式自动转向系统的控制策略的实现过程包括如下步骤：
步骤2.1，计算汽车目标前轮转角与实际前轮转角之间的差值及差值变化率，并对其进行模糊化处理；
步骤2.2，制定模糊控制器的模糊规则表，所述模糊控制器的输入为汽车目标前轮转角与实际前轮转角之间的差值及差值变化率，输出为PID控制器的三个参数，即Kp，Ki以及Kd；
步骤2.3，对模糊控制器的输出进行解模糊，从而得到Kp，Ki以及Kd的实际值，在此基础上，根据PID控制原理进一步计算出流经可控节流阀(5)和可控节流阀(6)的油液流量；
步骤2.4，结合前述建立的转向系统数学模型，搭建无人驾驶汽车液力式自动转向系统模糊PID控制性能仿真分析平台；
步骤2.5，进行无人驾驶汽车液力式自动转向系统模糊PID控制性能仿真分析，若控制性能仿真结果达不到系统要求，则重新回到步骤2.2，调整模糊控制器的模糊规则表，再次进行性能仿真，直至系统控制性能满足要求。
6.根据权利要求2所述的一种无人驾驶汽车液力式自动转向系统的控制方法，其特征在于，所述液力式自动转向系统主要部件的参数确定包括如下步骤：
步骤3.1，根据转向系统的数学模型计算出汽车紧急转向时工作缸活塞(2)左右两侧所需的最大瞬时油液压差；
步骤3.2，根据前述工作缸活塞(2)左右两侧所需的最大瞬时油液压差计算出通过进油管路流向转向工作缸(1)左腔或右腔的最大瞬时油液流量；
步骤3.3，根据前述通过进油管路流向转向工作缸(1)左腔或右腔的最大瞬时油液流量确定转向液压泵(10)，高速开关电磁阀(3)，高速开关电磁阀(4)，高速开关电磁阀(6)，高速开关电磁阀(8)以及可控节流阀(5)和可控节流阀(7)的尺寸参数。
7.根据权利要求3所述的一种无人驾驶汽车液力式自动转向系统的控制方法，其特征在于，高速开关电磁阀油液流量模型为：
式中,Q1为流经高速开关电磁阀油液流量，C d1为高速开关阀阀口流量系数；ΔP为开关电磁阀进出油口的压差，MPa；ρ为所用液压油的密度，kg/m3；w为开关阀的面积梯度，m；x m为开阀芯最大开口量，m。
油液流量可控节流阀模型为：
式中，C d2为节流口流量系数；A为节流口面积，m；Δp为节流口压差，MPa；ρ为油液密度，kg/m3。
工作缸活塞受力分析模型：
F＝P l A1-P r A1
式中，F为工作缸活塞所受到的轴向力，P l、P r分别为工作缸活塞左右两侧的油液压强，
MPa；A1为工作缸活塞的截面积，m。
一种无人驾驶汽车液力式自动转向系统及其控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种无人驾驶汽车液力式自动转向系统及其控制方法，特指是包含多个高速开关电磁阀和可控节流阀的汽车液力式自动转向系统，属于车辆智能驾驶及转向安全控制领域。
背景技术
[0002]随着汽车保有量的增加，交通事故、交通拥堵以及环境污染等交通问题越来越严重，已经成为全球性的社会公害问题，同时也成为汽车工程界工程技术人员急需解决的重要课题。近年来，美国、欧洲以及日本等汽车工业发达国家先后投入大量的人力和物力进行智能交通系统(ITS)的研究，以期解决汽车带来的交通问题。作为ITS的重要组成部分，无人驾驶汽车是一个集环境感知、规划决策以及运动控制等功能于一体的高新技术载体，其可在不同道路环境下实现自主驾驶，代表了汽车未来发展的重要方向。运动控制是实现汽车无人驾驶的关键环节之一，其中，转向控制对于保证汽车按照既定轨迹行驶，改变或恢复汽车行驶方向具有重要意义。
[0003]目前，无人驾驶汽车的自动转向系统大多是在电动助力转向系统的基础上改造而成，即将原有的助力电机替换为功率较大的电机，然后直接通过控制电机的输出转矩进行无人驾驶汽车的自动转向，但是由于转向系统对汽车的行驶安全至关重要，对电机的可靠性要求较高。与此同时，电机本身输出特性较为复杂，在此基础上的无人驾驶汽车自动转向系统控制难度较大，控制时滞不可避免。
[0004]液力式转向系统工作压力高，部件尺寸小，且工作时无噪声，工作滞回时间短，可靠性好，还能
吸收来自不平路面的冲击，具有诸多优势，已经逐渐成为无人驾驶汽车自动转向系统的研究热点。
发明内容
[0005]本发明的目的在于提出一种无人驾驶汽车液力式自动转向系统及其控制方法，通过控制系统中相关电磁阀的通断状态及节流阀油液流量，即可形成工作缸活塞左右两侧不同方向的油液压差，从而实现汽车不同程度的左转或右转。
[0006]为达成上述目的，本发明的系统所采用的技术方案为：
[0007]一种无人驾驶汽车液力式自动转向系统，所述液力式自动转向系统主要包括转向工作缸(1)，工作缸活塞(2)，流量可控节流阀(5)，流量可控节流阀(7)，转向液压泵(10)，转向油罐(9)，第一进油管路(11)，第二进油管路(14)，第一回油管路(12)，第二回油管路
(13)，高速开关电磁阀(3)，高速开关电磁阀(4)，高速开关电磁阀(6)以及高速开关电磁阀
(8)；工作缸活塞(2)把工作缸(1)分为左腔和右腔；所述液力式自动转向系统共包含两条进油管路，分别为第一进油管路(11)和第二进油管路(14)；第一进油管路(11)上串联有一个高速开关电磁阀(3)和一个流量可控节流阀(7)，第二进油管路(14)上串联有一个高速开关电磁阀(8)和一个流量可控节流阀(5)；第一进油管路(11)从转向液压泵(10)连接至转向工
说　明　书1/7页CN 110001769 A