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1、(10)申请公布号 CN 102275611 A (43)申请公布日 2011.12.14 C N 1 0 2 2 7 5 6 1 1 A *CN102275611A* (21)申请号 201110112169.2 (22)申请日 2011.04.29 B62D 6/00(2006.01) B60R 16/023(2006.01) B62D 101/00(2006.01) B62D 113/00(2006.01) B62D 119/00(2006.01) (71)申请人上海理工大学 地址 200093 上海市杨浦区军工路516号 (72)发明人张凤登 华俊 范科发 尚雯雯 王闯 侯斌 胡羽 张。
2、玮 王臻 (74)专利代理机构上海新天专利代理有限公司 31213 代理人祖志翔 (54) 发明名称 分布式汽车线控转向系统及控制方法 (57) 摘要 一种分布式汽车线控转向系统，设置于方 向盘与连接于车轮上的方向机之间，其包括 FlexRay总线、若干FlexRay节点、转角转矩传感 器、路感电机、位移传感器和转向电机，所述转角 转矩传感器和路感电机同时与所述方向盘连接， 所述位移传感器和转向电机同时与所述方向机连 接，所述转角转矩传感器、路感电机、位移传感器 和转向电机分别与若干FlexRay节点中不同的一 FlexRay节点连接，所述若干FlexRay节点中的所 有FlexRay节点与所。
3、述FlexRay总线连接。本发 明采用分布式的冗余结构并使用FlexRay通信协 议，有利于汽车线束减少，具有良好的可扩容性、 开放性、实时性和高可靠性，并且调试方便，有利 于保障安全。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 3 页 CN 102275614 A 1/2页 2 1.一种分布式汽车线控转向系统，设置于方向盘与连接于车轮上的方向机之间，其特 征在于：所述分布式汽车线控转向系统包括FlexRay总线、若干FlexRay节点、转角转矩传 感器、路感电机、位移传感器和转向电机，所述转角转矩传感器和路感。
4、电机同时与所述方向 盘连接，所述位移传感器和转向电机同时与所述方向机连接，所述转角转矩传感器、路感电 机、位移传感器和转向电机分别与若干FlexRay节点中不同的一FlexRay节点连接，所述若 干FlexRay节点中的所有FlexRay节点与所述FlexRay总线连接。 2.根据权利要求1所述的分布式汽车线控转向系统，其特征在于：所述若干FlexRay 节点包括有FlexRay节点A、FlexRay节点B、FlexRay节点C、FlexRay节点D和FlexRay节 点E；所述FlexRay节点E接受车速信号且传送到FlexRay总线上；所述FlexRay节点A连接 转角转矩传感器，并且将之。
5、测得的方向盘转角转矩模拟信号转换成数字量后送到FlexRay 总线上；所述FlexRay节点D连接位移传感器，并且将之测得的方向机位移模拟信号转换成 数字量后，求得车轮实际转角送到FlexRay总线上；所述FlexRay节点B连接转向电机，并 且由FlexRay总线上获得方向盘转角转矩信号、车轮实际转角信号和车速信号以求得闭环 控制值控制转向电机；所述FlexRay节点C连接路感电机，并且由FlexRay总线上获得方向 盘转角转矩信号、车轮实际转角信号和车速信号以求得闭环控制值控制路感电机。 3.根据权利要求2所述的分布式汽车线控转向系统，其特征在于：所述分布式汽车线 控转向系统还包括有备用F。
6、lexRay节点A、备用FlexRay节点B、备用FlexRay节点C、 备用FlexRay节点D、冗余转角转矩传感器、冗余路感电机、冗余位移传感器和冗余转向电 机，它们以与FlexRay节点A、FlexRay节点B、FlexRay节点C、FlexRay节点D、转角转矩传 感器、路感电机、位移传感器和转向电机相同的连接方式连接成冗余结构并与之并联，所述 FlexRay总线具有双通信通道。 4.根据权利要求1至3中任一项所述的分布式汽车线控转向系统，其特征在于：所述 转向电机为直流电机，路感电机为力矩电机。 5.一种用于权利要求3所述分布式汽车线控转向系统的控制方法，其特征在于：控制 流程如下：。
7、 (1)所述转角转矩传感器由方向盘上获得转向的转角转矩模拟信号传给FlexRay节点 A，FlexRay节点A将之转换成数字量后，在规定的FlexRay通信静态时隙内送到FlexRay总 线上； (2)所述位移传感器由方向机上获得车轮转向的方向机线性位移模拟信号传给 FlexRay节点D，FlexRay节点D将之转换成数字量后，求得车轮实际转角在规定的FlexRay 通信静态时隙内送到FlexRay总线上； (3)所述FlexRay节点E接受车速信号且传送到FlexRay总线上； (4)所述FlexRay节点B在规定的FlexRay通信静态时隙内由FlexRay总线上获得方 向盘转角转矩信号、。
8、车轮实际转角信号和车速信号，使用闭环控制算法求得闭环控制值以 控制转向电机； (5)所述FlexRay节点C在规定的FlexRay通信静态时隙内由FlexRay总线上获得方 向盘转角转矩信号、车轮实际转角信号和车速信号，使用闭环控制算法求得闭环控制值控 制路感电机以模拟路感； (6)在实施上述步骤(1)至(5)的同时，所述备用FlexRay节点A、备用FlexRay节点 权 利 要 求 书CN 102275611 A CN 102275614 A 2/2页 3 B、备用FlexRay节点C和备用FlexRay节点D处于监听FlexRay总线情况状态，通信在 FlexRay总线的双通信通道上进行。
9、； (7)当工作节点或设备出现故障时，与之相应的备用节点或冗余设备将启动工作以替 代故障节点或设备，该故障节点或设备退出FlexRay总线通信。 6.根据权利要求5所述分布式汽车线控转向系统的控制方法，其特征在于：所有信号 通讯采用FlexRay通信协议，并以报文形式传送。 权 利 要 求 书CN 102275611 A CN 102275614 A 1/4页 4 分布式汽车线控转向系统及控制方法 技术领域 ： 0001 本发明涉及汽车转向系统，特别涉及一种分布式汽车线控转向系统及其控制方 法，属于汽车技术领域。 背景技术 ： 0002 汽车转向系统是提高车辆操纵稳定性、降低驾驶员操纵负担以及。
10、改善人车闭 环控制系统性能的关键因素。汽车转向系统根据提供动力方式的不同又可以分为液压助力 转向系统、电控液压助力转向系统、电动助力转向系统和线控转向系统。 0003 线控转向与其他转向系统的根本区别是取消了转向盘和转向轮之间的机械或液 压连接装置，摆脱了齿轮啮合的固定传动比限制，使系统惯性、系统摩擦和传动部件之间的 总间隙降低，提高了系统的响应速度和响应准确性。 0004 国内在线控转向方面的研究起步得比较晚，但在近几年有了很大的突破。2004年 同济大学在工博会上展出的“春晖三号”电动车运用了线控转向技术，其转向器与方向盘间 无机械连接。武汉理工大学利用电磁施力器进行转向盘力反馈，设计了模。
11、糊-PID混合控制 器，开发的线控转向系统可以实现转向随动。吉林大学进行了变传动比、转向盘回正力矩和 稳定性算法研究。 0005 分布式系统因其开放性好，安装灵活，可组装性、可扩容性好，调试方便等优点，在 一些场合逐步替代了传统的集散式控制系统。但是由于线控转向系统中转向盘和转向轮之 间没有机械或液压连接装置，当电子节点出现故障时，势必危及生命和财产安全，因此必须 采用容错控制技术。 0006 FlexRay总线因其高带宽、通信线路冗余、通讯灵活等优点，成为未来主要的安全 型车载总线。国外著名的汽车公司奔驰、宝马、奥迪都对FlexRay总线在汽车上的应用做了 尝试。虽然国外很早就开始研究线控转。
12、向系统和FlexRay通信，可是直至今日，也未能在汽 车上将两者合二为一。 0007 发明内容： 0008 本发明所要解决的技术问题是克服现有汽车线控转向系统的不足，提供一种分布 式汽车线控转向系统，其在系统中的电子节点使用FlexRay总线分布式网络，并且采用冗 余结构，使所述汽车线控转向系统不仅开放性好、可扩容性好、调试方便，而且具有良好的 扩展性和可配置性，当电子节点出现故障时也能保证安全。 0009 本发明所要解决的另一技术问题是提供所述分布式汽车线控转向系统的控制方 法。 0010 本发明解决其技术问题所采取的技术方案如下： 0011 一种分布式汽车线控转向系统，设置于方向盘与连接于。
13、车轮上的方向机之间，其 包括FlexRay总线、若干FlexRay节点、转角转矩传感器、路感电机、位移传感器和转向电 机，所述转角转矩传感器和路感电机同时与所述方向盘连接，所述位移传感器和转向电机 同时与所述方向机连接，所述转角转矩传感器、路感电机、位移传感器和转向电机分别与若 说 明 书CN 102275611 A CN 102275614 A 2/4页 5 干FlexRay节点中不同的一FlexRay节点连接，所述若干FlexRay节点中的所有FlexRay 节点与所述FlexRay总线连接。 0012 本发明所述的分布式汽车线控转向系统的若干FlexRay节点包括有FlexRay节点 A。
14、、FlexRay节点B、FlexRay节点C、FlexRay节点D和FlexRay节点E；所述FlexRay节点E 接受车速信号且传送到FlexRay总线上；所述FlexRay节点A连接转角转矩传感器，并且将 之测得的方向盘转角转矩模拟信号转换成数字量后送到FlexRay总线上；所述FlexRay节 点D连接位移传感器，并且将之测得的方向机位移模拟信号转换成数字量后，求得车轮实 际转角送到FlexRay总线上；所述FlexRay节点B连接转向电机，并且由FlexRay总线上获 得方向盘转角转矩信号、车轮实际转角信号和车速信号以求得闭环控制值控制转向电机； 所述FlexRay节点C连接路感电机，。
15、并且由FlexRay总线上获得方向盘转角转矩信号、车轮 实际转角信号和车速信号以求得闭环控制值控制路感电机；所述分布式汽车线控转向系统 还包括有备用FlexRay节点A、备用FlexRay节点B、备用FlexRay节点C、备用FlexRay 节点D、冗余转角转矩传感器、冗余路感电机、冗余位移传感器和冗余转向电机，它们以与 FlexRay节点A、FlexRay节点B、FlexRay节点C、FlexRay节点D、转角转矩传感器、路感电 机、位移传感器和转向电机相同的连接方式连接成冗余结构并与之并联，所述FlexRay总 线具有双通信通道；所述转向电机为直流电机，路感电机为力矩电机。 0013 本发。
16、明所采取的另一技术方案是： 0014 一种用于所述分布式汽车线控转向系统的控制方法，其控制流程如下： 0015 (1)所述转角转矩传感器由方向盘上获得转向的转角转矩模拟信号传给FlexRay 节点A，FlexRay节点A将之转换成数字量后，在规定的FlexRay通信静态时隙内送到 FlexRay总线上； 0016 (2)所述位移传感器由方向机上获得车轮转向的方向机线性位移模拟信号传给 FlexRay节点D，FlexRay节点D将之转换成数字量后，求得车轮实际转角在规定的FlexRay 通信静态时隙内送到FlexRay总线上； 0017 (3)所述FlexRay节点E接受车速信号且传送到Flex。
17、Ray总线上； 0018 (4)所述FlexRay节点B在规定的FlexRay通信静态时隙内由FlexRay总线上获 得方向盘转角转矩信号、车轮实际转角信号和车速信号，使用闭环控制算法求得闭环控制 值以控制转向电机； 0019 (5)所述FlexRay节点C在规定的FlexRay通信静态时隙内由FlexRay总线上获 得方向盘转角转矩信号、车轮实际转角信号和车速信号，使用闭环控制算法求得闭环控制 值控制路感电机以模拟路感； 0020 (6)在实施上述步骤(1)至(5)的同时，所述备用FlexRay节点A、备用FlexRay 节点B、备用FlexRay节点C和备用FlexRay节点D处于监听Fl。
18、exRay总线情况状态，通 信在FlexRay总线的双通信通道上进行； 0021 (7)当工作节点或设备出现故障时，与之相应的备用节点或冗余设备将启动工作 以替代故障节点或设备，该故障节点或设备退出FlexRay总线通信。 0022 本发明所述分布式汽车线控转向系统的控制方法中，所有的信号通讯采用 FlexRay通信协议，并以报文形式传送。 0023 与现有分布式汽车线控转向系统相比较，本发明取得了如下有益效果： 说 明 书CN 102275611 A CN 102275614 A 3/4页 6 0024 1、使用分布式结构并采用FlexRay通信协议，有利于汽车线束减少，提高了线控 转向系统。
19、中各个控制单元的可扩容性、开放性和实时性，并且调试方便，便于在线故障诊 断。 0025 2、本发明采用了冗余结构，设置有备用FlexRay节点和冗余设备，当工作节点或 设备出现故障时，相应的备用节点或冗余设备将启动工作以替代故障节点或设备，因此提 高了所述分布式汽车线控转向系统的可靠性，保障了车辆、人员的生命和财产安全。 附图说明 ： 0026 图1是本发明的结构示意图。 0027 图2是本发明的系统工作流程图。 0028 图3是本发明备用节点的工作流程图。 0029 图4是本发明转向电机的控制流程图。 0030 图5是本发明路感电机的控制流程图。 具体实施方式 ： 0031 现结合具体实施例。
20、和附图对本发明进行详细说明。 0032 请参阅图1本发明的结构示意图，图示分布式汽车线控转向系统设置于方向盘 1与方向机13之间，该方向机13连接于车轮12上。所述分布式汽车线控转向系统包括 FlexRay总线20、若干FlexRay节点、转角转矩传感器3、路感电机14、位移传感器10和转 向电机9。所述若干FlexRay节点包括有FlexRay节点A4、FlexRay节点B2、FlexRay节点 C15、FlexRay节点D16和FlexRay节点E19，所述的所有FlexRay节点4、2、15、16和19均 与所述FlexRay总线20相连接。所述转角转矩传感器3、路感电机14、位移传感器。
21、10和转 向电机9分别与若干FlexRay节点中不同的一FlexRay节点连接。 0033 所述转角转矩传感器3连接于所述方向盘1上，并且检测该方向盘1的转角转矩 模拟信号以获得驾驶者的转向意图；所述FlexRay节点A4连接转角转矩传感器3，并且将 转角转矩传感器3测得的方向盘1的转角转矩模拟信号转换成数字量后送到FlexRay总线 20上。 0034 所述位移传感器10与所述方向机13连接，并且检测车轮12转向时方向机13的 线性位移模拟信号；所述FlexRay节点D16连接位移传感器10，并且将位移传感器10测得 的方向机13的位移模拟信号转换成数字量后，求得车轮实际转角送到FlexRa。
22、y总线20上。 0035 所述FlexRay节点E19接受车速信号且传送到FlexRay总线20上。所述路感电 机14因其经常处于堵转状态，所以采用力矩电机，其与所述方向盘1连接，并通过力反馈方 式模拟路感，使驾驶者知晓路面情况和汽车驾驶情况；所述FlexRay节点C15连接路感电机 14，并且由FlexRay总线20上获得方向盘转角转矩信号、车轮实际转角信号和车速信号以 求得闭环控制值控制路感电机14。 0036 所述转向电机9为直流电机，要求有一定的转矩和响应速度，以保证车轮12随动， 其与所述方向机13连接，以驱动车轮12转向；所述FlexRay节点B2连接转向电机9，并且 由FlexR。
23、ay总线20上获得方向盘转角转矩信号、车轮实际转角信号和车速信号以求得闭环 控制值控制转向电机9；该FlexRay节点B2还可以通过FlexRay总线20获得汽车的其他 说 明 书CN 102275611 A CN 102275614 A 4/4页 7 信息，进而采用更优算法来控制。 0037 本发明所述分布式汽车线控转向系统不仅使用了FlexRay总线分布式网络，而且 采用了冗余结构，其还包括有备用FlexRay节点A7、备用FlexRay节点B5、备用FlexRay 节点C18、备用FlexRay节点D21、冗余转角转矩传感器7、冗余路感电机17、冗余位移 传感器11和冗余转向电机8，它们。
24、设置的位置分别与FlexRay节点A4、FlexRay节点B2、 FlexRay节点C15、FlexRay节点D16、转角转矩传感器3、路感电机14、位移传感器10和转 向电机9相对应，并且以与之相同的连接方式连接成一结构相同的冗余结构，该冗余结构 与原有工作结构相并联。所述FlexRay总线20亦具有双通信通道，该双通信通道所传输的 信息是一致的。 0038 本发明所述分布式汽车线控转向系统中的所有FlexRay节点使用FlexRay总线 分布式网络，其具有良好的扩展性和可配置性，可以与其他FlexRay总线通讯的节点之间 进行交互，还可通过选用附加功能模块实现与其它形式的车载总线进行通讯，。
25、比如CAN、LIN 总线。 0039 本发明还提供了一种用于所述分布式汽车线控转向系统的控制方法，在该方法中 所有的信号通讯采用FlexRay通信协议，并以报文形式传送。该控制方法的控制流程见图 2，具体步骤如下： 0040 (1)所述转角转矩传感器3由方向盘1上获得转向的转角转矩模拟信号传给 FlexRay节点A4，FlexRay节点A4将之转换成数字量后，在连续的三个FlexRay静态时隙 内以报文形式送到FlexRay总线20上。 0041 (2)所述位移传感器10由方向机13上获得车轮12转向的方向机13的线性位移 模拟信号传给FlexRay节点D16，FlexRay节点D16将之转换。
26、成数字量后，求得车轮实际转 角在连续的三个FlexRay静态时隙内以报文形式送到FlexRay总线20上。 0042 (3)所述FlexRay节点E19接受车速信号且在连续的三个FlexRay静态时隙内传 送到FlexRay总线20上。 0043 (4)所述FlexRay节点B2在规定的FlexRay通信静态时隙内由FlexRay总线20 上接收到报文，见图4，以获得方向盘转角转矩信号、车轮实际转角信号和车速信号，使用闭 环控制算法求得闭环控制值以控制转向电机9。 0044 (5)所述FlexRay节点C15在规定的FlexRay通信静态时隙内由FlexRay总线20 上接收到报文，见图5，以。
27、获得方向盘转角转矩信号、车轮实际转角信号和车速信号，使用闭 环控制算法求得闭环控制值控制路感电机14以模拟路感。 0045 (6)在实施上述步骤(1)至(5)的同时，如图3所示，所述备用FlexRay节点A7、 备用FlexRay节点B5、备用FlexRay节点C18和备用FlexRay节点D21处于监听FlexRay 总线20情况的状态，通信在FlexRay总线20的双通信通道上进行。 0046 (7)当工作节点或设备出现故障时，处于监听状态的备用节点发出启动备用节点 命令，与之相应的备用节点或冗余设备将启动工作以替代故障节点或设备，该故障节点或 设备退出FlexRay总线20的通信，故障均以故障码形式存放在存储器中。 说 明 书CN 102275611 A CN 102275614 A 1/3页 8 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102275611 A CN 102275614 A 2/3页 9 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102275611 A CN 102275614 A 3/3页 10 图5 说 明 书 附 图CN 102275611 A 。