一种复合转向系统及其多目标优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种复合转向系统及其多目标优化方法，该复合转向系统融合了电动助力转向系统和线控四轮转向系统，采用一个助力电机和四个轮毂电机进行转向助力。本发明专利技术在线控四轮转向系统基础上增设电动助力转向系统，存在机械连接，能够确保转向系统的可靠性。由于复合转向系统的结构复杂，本发明专利技术基于该复合转向系统提出多目标优化方法，以部分转向系统结构参数作为优化变量，建立目标函数，设置约束条件，建立复合转向系统优化模型，采用模拟退火算法对复合转向系统进行多目标优化。

Composite steering system and multi-objective optimization method thereof

The invention discloses a composite steering system and multi-objective optimization method, the composite steering system integration of the electric power steering system and four wheel steering by wire system, using a motor and four wheel motor for power steering. An electric power assisted steering system is additionally arranged on the basis of an on-line four wheel steering system, and the mechanical connection can be ensured, and the reliability of the steering system can be ensured. Due to the structure of the steering system of the complex compound, the invention of the composite steering system based on multi-objective optimization method is proposed, in the steering system structure parameters as optimization variables, the objective function is established, set constraints, the establishment of composite steering system optimization model, the simulated annealing algorithm for composite steering system for multi objective optimization.

【技术实现步骤摘要】
一种复合转向系统及其多目标优化方法
本专利技术涉及转向系统
，具体涉及一种复合转向系统及其多目标优化方法。
技术介绍
线控转向系统采用轮毂电机直接驱动，不但取代了传统的动力传递，简化底盘结构；还减少了很多机械传动机构，提高传动效率。线控转向系统取消了方向盘与转向轮之间的机械连接，完全由电控实现转向，摆脱了传统转向系统的各种限制。但是同时由于无机械连接，可靠性较差。电动助力转向系统有完整的机械连接的转向系统，靠助力电机施加助力转矩来减小转向手力，能够很好的解决线控四轮转向系统可靠性差的问题。融合电动助力转向系统和线控四轮转向系统的复合转向系统，机械结构复杂，转向性能难免会受到影响，因此需要对复合转向系统进行优化设计。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
中所涉及到的缺陷，提供一种复合转向系统及其多目标优化方法。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种复合转向系统，包括电动助力转向系统和线控四轮转向系统，所述电动助力转向系统包括方向盘、转向管柱、转矩传感器、转向伺服电机、助力电机减速机构、转向输出轴、齿轮齿条转向器、助力电机、转向控制ECU、车速传感器、横摆角速度传感器；所述线控四轮转向包括前轴、左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、电机控制单元、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机、后轴、左前轮轮速传感器、右前轮轮速传感器、左后轮轮速传感器和右后轮轮速传感器；所述转向管柱一端和汽车的方向盘固定相连，另一端通过转向伺服电机和所述转向输出轴相连，其中，所述转向伺服电机包含定子部分和转子部分，所述定子部分与转向管柱固定连接，所述转子部分与转向输出轴的一端固定相连；所述转矩传感器安装在转向管柱上，用于获取汽车方向盘的转矩；所述助力电机通过助力电机减速机构安装在转向输出轴上，用于提供转向助力；所述车速传感器、横摆角速度传感器安装在车身上，分别用于获取汽车车速和汽车横摆角速度；所述前轴两端分别与汽车的左前轮、右前轮相连；所述左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机安装在左前轮、右前轮上，分别用于驱动汽车的左前轮、右前轮；所述后轴两端分与汽车的左后轮、右后轮相连；所述左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机安装在左后轮、右后轮上，分别用于驱动汽车的左后轮、右后轮；所述左前轮轮速传感器、右前轮轮速传感器、左后轮轮速传感器、右后轮轮速传感器分别安装在汽车的左前轮、右前轮、左后轮、右后轮上，分别用于获取汽车左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮速；所述齿轮齿条转向器设置在所述前轴上，与转向输出轴的另一端相连；所述转向控制ECU分别与助力电机、转矩传感器、转向伺服电机的转子部分、车速传感器、横摆角速度传感器、电机控制单元电气相连，用于根据转矩传感器、车速传感器、横摆角速度传感器测得的方向盘转矩、汽车车速和汽车横摆角速度信息控制助力电机、转向伺服电机的转子部分工作，计算左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机的力矩并产生相应的电流信号传递给所述电机控制单元；所述电机控制单元分别与转向控制ECU、左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机、前轮轮速传感器、右前轮轮速传感器、左后轮轮速传感器、右后轮轮速传感器电气相连，用于根据前轮轮速传感器、右前轮轮速传感器、左后轮轮速传感器、右后轮轮速传感器测得的轮速信号和接收到的电流信号控制左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机工作。本专利技术还公开了一种基于该复合转向系统的多目标优化方法，包括以下步骤：步骤1)，建立整车二自由度模型、电动助力转向系统模型和线控四轮转向系统模型；步骤2)，基于电动助力转向系统模型和线控四轮转向系统模型，建立复合转向系统模型；步骤3)，基于整车二自由度模型、复合转向系统模型推导复合转向系统的转向路感、转向灵敏度和转向半径比量化公式；步骤4)，选取优化变量、建立多目标优化模型目标函数、设置约束条件，建立复合转向系统多目标优化模型；步骤5)，基于复合转向系统多目标优化模型，采用模拟退火算法，对复合转向系统进行优化。作为本专利技术一种复合转向系统的多目标优化方法进一步的优化方案，步骤1)中所述的整车二自由度模型为：式中：k1、k2为前后轮侧偏刚度；a为质心到前轴轴距；b为质心到后轴轴距；m为整车质量；u为汽车速度；β为质心侧偏角；ωr为横摆角速度；δf为前轮转角；δr为后轮转角；Iz为汽车质量对z轴的转动惯量。作为本专利技术一种复合转向系统的多目标优化方法进一步的优化方案，步骤1)中所述的电动助力转向系统模型为：式中，Jh和Bh分别表示方向盘等效转动惯量和等效阻尼系数；θh为方向盘转角；Ks1为方向盘转角传感器等效刚度；Th为驾驶员作用在方向盘作用力；Js和Bs分别表示转向管柱和伺服电机定子部分等效转动惯量和等效阻尼系数；θs为转向输入轴转角；Tw为作用于汽车轮胎的阻力矩等效到转向螺杆上的力矩；Jr和Br分别表示转向伺服电机转子部分的等效转动惯量和等效阻尼系数；θr为转向伺服电机转子部分的转角；Ks2为伺服电机转子部分和转向输出轴的等效刚度；Jm和Bm分别表示助力电机等效转动惯量和等效阻尼系数；θm为助力电机的输出转角；Km为助力电机和减速机构的等效刚度；G为助力电机减速机构的减速比；Tm为助力电机输出转矩；Je和Be分别表示转向输出轴的等效转动惯量和等效阻尼系数；θe为转向输出轴的转角；mr为齿条的等效质量；br为齿条的等效阻尼系数；kr为齿条的等效刚度；rp为小齿轮半径；Fδ为路面激励。作为本专利技术一种复合转向系统的多目标优化方法进一步的优化方案，汽车轮胎的特性为线性，d为轮距，n2为转向螺杆到前轮的传动比。作为本专利技术一种复合转向系统的多目标优化方法进一步的优化方案，步骤1)中所述的线控四轮转向系统模型为：式中：Jeq和Beq分别表示轮毂电机的等效转动惯量和等效阻尼系数；θi(i＝1,2,3,4)分别为左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机的转角；ΔTst＝(Tt1-rFx1)-(Tt2-rFx2)+(Tt3-rFx3)-(Tt4-rFx4)；Tti(i＝1,2,3,4)分别为左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机输出转矩；r为轮胎半径；Fxi(i＝1,2,3,4)分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮和地面之间摩擦力。作为本专利技术一种复合转向系统的多目标优化方法进一步的优化方案，步骤2)中所述的复合转向系统模型为：式中，n1为转向伺服电机的定子转角与转子转角的比值；δ＝δf-δr。作为本专利技术一种复合转向系统的多目标优化方法进一步的优化方案，步骤3)中所述的转向路感、转向灵敏度和转向半径比量化公式依次为：转向路感量化公式：转向灵敏度量化公式：转向半径比量化公式：式中：E1(s),E2(s),E3(s)分别代表转向路感、转向灵敏度和转向半径比量化公式；s为频域信号；L＝a+b；X0＝n1n2Ks1+n2Ks2+n2krrp2+G2Km。作为本专利技术一种复合转向系统的多目标优化方法进一步的优化方案，所述步骤4)中：选取方向盘转角传感器等效刚度Ks1、助力电机等效转动惯量Jm和等效阻尼系数Bm、助力电机和减速机构的等效刚度Km、转向输出轴的等效转动惯量Je和等效阻尼系数Be、轮毂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合转向系统，其特征在于，包括电动助力转向系统和线控四轮转向系统，所述电动助力转向系统包括方向盘(1)、转向管柱(2)、转矩传感器(3)、转向伺服电机、助力电机减速机构(6)、转向输出轴(7)、齿轮齿条转向器(8)、助力电机(9)、转向控制ECU(10)、车速传感器(11)、横摆角速度传感器(12)；所述线控四轮转向包括前轴(13)、左前轮轮毂电机(14)、右前轮轮毂电机(15)、电机控制单元(16)、左后轮轮毂电机(17)、右后轮轮毂电机(18)、后轴(19)、左前轮轮速传感器(20)、右前轮轮速传感器(21)、左后轮轮速传感器(22)和右后轮轮速传感器(23)；所述转向管柱(2)一端和汽车的方向盘(1)固定相连，另一端通过转向伺服电机和所述转向输出轴(7)相连，其中，所述转向伺服电机包含定子部分(4)和转子部分(5)，所述定子部分(4)与转向管柱(2)固定连接，所述转子部分(5)与转向输出轴(7)的一端固定相连；所述转矩传感器(3)安装在转向管柱(2)上，用于获取汽车方向盘(1)的转矩；所述助力电机(9)通过助力电机减速机构(6)安装在转向输出轴(7)上，用于提供转向助力；所述车速传感器(11)、横摆角速度传感器(12)安装在车身上，分别用于获取汽车车速和汽车横摆角速度；所述前轴(13)两端分别与汽车的左前轮、右前轮相连；所述左前轮轮毂电机(14)、右前轮轮毂电机(15)分别安装在左前轮、右前轮上，分别用于驱动汽车的左前轮、右前轮；所述后轴(19)两端分别与汽车的左后轮、右后轮相连；所述左后轮轮毂电机(17)、右后轮轮毂电机(18)分别安装在左后轮、右后轮上，分别用于驱动汽车的左后轮、右后轮；所述左前轮轮速传感器(20)、右前轮轮速传感器(21)、左后轮轮速传感器(22)、右后轮轮速传感器(23)分别安装在汽车的左前轮、右前轮、左后轮、右后轮上，分别用于获取汽车左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮速；所述齿轮齿条转向器(8)设置在所述前轴(13)上，与转向输出轴(7)的另一端相连；所述转向控制ECU(10)分别与助力电机(9)、转矩传感器(3)、转向伺服电机的转子部分(5)、车速传感器(11)、横摆角速度传感器(12)、电机控制单元(16)电气相连，用于根据转矩传感器(3)、车速传感器(11)、横摆角速度传感器(12)测得的方向盘转矩、汽车车速和汽车横摆角速度信息控制助力电机(9)、转向伺服电机的转子部分(5)工作，计算左前轮轮毂电机(14)、右前轮轮毂电机(15)、左后轮轮毂电机(17)、右后轮轮毂电机(18)的力矩并产生相应的电流信号传递给所述电机控制单元(16)；所述电机控制单元(16)分别与转向控制ECU(10)、左前轮轮毂电机(14)、右前轮轮毂电机(15)、左后轮轮毂电机(17)、右后轮轮毂电机(18)、前轮轮速传感器(20)、右前轮轮速传感器(21)、左后轮轮速传感器(22)、右后轮轮速传感器(23)电气相连，用于根据前轮轮速传感器(20)、右前轮轮速传感器(21)、左后轮轮速传感器(22)、右后轮轮速传感器(23)测得的轮速信号和接收到的电流信号控制左前轮轮毂电机(14)、右前轮轮毂电机(15)、左后轮轮毂电机(17)、右后轮轮毂电机(18)工作。...

【技术特征摘要】
1.一种复合转向系统，其特征在于，包括电动助力转向系统和线控四轮转向系统，所述电动助力转向系统包括方向盘(1)、转向管柱(2)、转矩传感器(3)、转向伺服电机、助力电机减速机构(6)、转向输出轴(7)、齿轮齿条转向器(8)、助力电机(9)、转向控制ECU(10)、车速传感器(11)、横摆角速度传感器(12)；所述线控四轮转向包括前轴(13)、左前轮轮毂电机(14)、右前轮轮毂电机(15)、电机控制单元(16)、左后轮轮毂电机(17)、右后轮轮毂电机(18)、后轴(19)、左前轮轮速传感器(20)、右前轮轮速传感器(21)、左后轮轮速传感器(22)和右后轮轮速传感器(23)；所述转向管柱(2)一端和汽车的方向盘(1)固定相连，另一端通过转向伺服电机和所述转向输出轴(7)相连，其中，所述转向伺服电机包含定子部分(4)和转子部分(5)，所述定子部分(4)与转向管柱(2)固定连接，所述转子部分(5)与转向输出轴(7)的一端固定相连；所述转矩传感器(3)安装在转向管柱(2)上，用于获取汽车方向盘(1)的转矩；所述助力电机(9)通过助力电机减速机构(6)安装在转向输出轴(7)上，用于提供转向助力；所述车速传感器(11)、横摆角速度传感器(12)安装在车身上，分别用于获取汽车车速和汽车横摆角速度；所述前轴(13)两端分别与汽车的左前轮、右前轮相连；所述左前轮轮毂电机(14)、右前轮轮毂电机(15)分别安装在左前轮、右前轮上，分别用于驱动汽车的左前轮、右前轮；所述后轴(19)两端分别与汽车的左后轮、右后轮相连；所述左后轮轮毂电机(17)、右后轮轮毂电机(18)分别安装在左后轮、右后轮上，分别用于驱动汽车的左后轮、右后轮；所述左前轮轮速传感器(20)、右前轮轮速传感器(21)、左后轮轮速传感器(22)、右后轮轮速传感器(23)分别安装在汽车的左前轮、右前轮、左后轮、右后轮上，分别用于获取汽车左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的轮速；所述齿轮齿条转向器(8)设置在所述前轴(13)上，与转向输出轴(7)的另一端相连；所述转向控制ECU(10)分别与助力电机(9)、转矩传感器(3)、转向伺服电机的转子部分(5)、车速传感器(11)、横摆角速度传感器(12)、电机控制单元(16)电气相连，用于根据转矩传感器(3)、车速传感器(11)、横摆角速度传感器(12)测得的方向盘转矩、汽车车速和汽车横摆角速度信息控制助力电机(9)、转向伺服电机的转子部分(5)工作，计算左前轮轮毂电机(14)、右前轮轮毂电机(15)、左后轮轮毂电机(17)、右后轮轮毂电机(18)的力矩并产生相应的电流信号传递给所述电机控制单元(16)；所述电机控制单元(16)分别与转向控制ECU(10)、左前轮轮毂电机(14)、右前轮轮毂电机(15)、左后轮轮毂电机(17)、右后轮轮毂电机(18)、前轮轮速传感器(20)、右前轮轮速传感器(21)、左后轮轮速传感器(22)、右后轮轮速传感器(23)电气相连，用于根据前轮轮速传感器(20)、右前轮轮速传感器(21)、左后轮轮速传感器(22)、右后轮轮速传感器(23)测得的轮速信号和接收到的电流信号控制左前轮轮毂电机(14)、右前轮轮毂电机(15)、左后轮轮毂电机(17)、右后轮轮毂电机(18)工作。2.基于权利要求书1所述的复合转向系统的多目标优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)，建立整车二自由度模型、电动助力转向系统模型和线控四轮转向系统模型；步骤2)，基于电动助力转向系统模型和线控四轮转向系统模型，建立复合转向系统模型；步骤3)，基于整车二自由度模型、复合转向系统模型推导复合转向系统的转向路感、转向灵敏度和转向半径比量化公式；步骤4)，选取优化变量、建立多目标优化模型目标函数、设置约束条件，建立复合转向系统多目标优化模型；步骤5)，基于复合转向系统多目标优化模型，采用模拟退火算法，对复合转向系统进行优化。3.根据权利要求2所述的复合转向系统的多目标优化方法，其特征在于，步骤1)中所述的整车二自由度模型为：式中：k1、k2为前后轮侧偏刚度；a为质心到前轴轴距；b为质心到后轴轴距；m为整车质量；u为汽车速度；β为质心侧偏角；ωr为横摆角速度；δf为前轮转角；δr为后轮转角；Iz为汽车质量对z轴的转动惯量。4.根据权利要求3所述的复合转向系统的多目标优化方法，其特征在于，步骤1)中所述的电动助力转向系统模型为：

【专利技术属性】
技术研发人员：杨遵四，赵万忠，王春燕，张寒，邹松春，樊密丽，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32