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1、(10)申请公布号 CN 103085871 A (43)申请公布日 2013.05.08 CN 103085871 A *CN103085871A* (21)申请号 201210280781.5 (22)申请日 2012.06.29 10-2011-0112247 2011.10.31 KR B62D 6/00(2006.01) B60L 15/32(2006.01) B62D 101/00(2006.01) B62D 113/00(2006.01) B62D 125/00(2006.01) B62D 137/00(2006.01) (71)申请人 现代自动车株式会社 地址 韩国首尔 (72。
2、)发明人 黄盛郁 (74)专利代理机构 北京尚诚知识产权代理有限 公司 11322 代理人 龙淳 (54) 发明名称 使用轮内系统控制车辆的系统和方法 (57) 摘要 本发明公开一种使用轮内系统控制车辆的系 统和方法， 该轮内系统独立地控制安装在车辆的 各个车轮内的电动机。 更具体地， 控制单元配置成 基于车辆驾驶信息确定车辆的转向模式， 基于所 确定的转向模式计算车辆的当前阿克曼率， 基于 当前阿克曼率生成控制命令， 并且使用控制命令 独立控制各个车轮的电动机。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局。
3、 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图5页 (10)申请公布号 CN 103085871 A CN 103085871 A *CN103085871A* 1/2 页 2 1. 一种使用轮内系统控制车辆的方法， 所述轮内系统控制安装在车辆的各个车轮内的 电动机， 所述方法包括 ： 通过控制单元， 基于车辆驾驶信息确定车辆的转向模式 ； 通过所述控制单元， 基于所确定的转向模式计算车辆的当前阿克曼率 ； 通过所述控制单元， 基于所述当前阿克曼率生成控制命令 ； 以及 通过所述控制单元， 分别使用所述控制命令独立控制所述各个车轮的电动机。 2. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中。
4、， 当所述转向模式处于第一模式时， 通过将车辆的 当前偏航率与取决于车辆的所述当前阿克曼率的目标偏航率进行比较来生成所述控制命 令。 3. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 当所述转向模式处于第二模式时， 通过计算所述 当前阿克曼率的最小转向半径并将所述当前阿克曼率的最小转向半径与 100阿克曼率的 最小转向半径进行比较来生成所述控制命令。 4. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述车辆驾驶信息包括转向角、 转向角速度、 车 辆速度、 和偏航率中的至少一种。 5. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 基于齿条齿轮转向传动比、 轮胎角、 转向角、 和车 辆数据中的至少一种计算所。
5、述当前阿克曼率。 6. 根据权利要求 2 所述的方法， 其中， 基于车辆的所述当前阿克曼率、 转向角、 和车辆 速度中的至少一种计算所述目标偏航率。 7. 根据权利要求 3 所述的方法， 其中， 基于齿条齿轮转向传动比、 轮胎角、 转向角、 和车 辆数据中的至少一种计算所述当前阿克曼率的最小转向半径。 8. 一种非暂时性计算机可读介质， 其含有通过控制单元执行的程序指令， 所述计算机 可读介质包括 ： 基于车辆驾驶信息确定车辆的转向模式的程序指令 ； 基于所确定的转向模式计算车辆的当前阿克曼率的程序指令 ； 基于所述当前阿克曼率生成控制命令的程序指令 ； 以及 分别使用所述控制命令独立控制各个。
6、车轮的电动机的程序指令。 9. 根据权利要求 8 所述的非暂时性计算机可读介质， 其中， 当所述转向模式处于第一 模式时， 通过将车辆的当前偏航率与取决于车辆的所述当前阿克曼率的目标偏航率进行比 较来生成所述控制命令。 10. 根据权利要求 8 所述的非暂时性计算机可读介质， 其中， 当所述转向模式处于第二 模式时， 通过计算所述当前阿克曼率的最小转向半径并将所述当前阿克曼率的最小转向半 径与 100阿克曼率的最小转向半径进行比较来生成所述控制命令。 11. 根据权利要求 8 所述的非暂时性计算机可读介质， 其中， 所述车辆驾驶信息包括转 向角、 转向角速度、 车辆速度、 和偏航率中的至少一种。
7、。 12. 根据权利要求 8 所述的非暂时性计算机可读介质， 其中， 基于齿条齿轮转向传动 比、 轮胎角、 转向角、 和车辆数据中的至少一种计算所述当前阿克曼率。 13. 根据权利要求 9 所述的非暂时性计算机可读介质， 其中， 基于车辆的所述当前阿克 曼率、 转向角、 和车辆速度中的至少一种计算所述目标偏航率。 14. 根据权利要求 10 所述的非暂时性计算机可读介质， 其中， 基于齿条齿轮转向传动 权 利 要 求 书 CN 103085871 A 2 2/2 页 3 比、 轮胎角、 转向角、 和车辆数据中的至少一种计算所述当前阿克曼率的最小转向半径。 15. 一种使用轮内系统控制车辆的系统。
8、， 所述轮内系统控制安装在车辆的各个车轮内 的电动机， 所述系统包括 ： 控制单元， 其配置成基于车辆驾驶信息确定车辆的转向模式， 基于所确定的转向模式 计算车辆的当前阿克曼率， 基于所述当前阿克曼率生成控制命令， 并且分别使用所述控制 命令独立控制所述各个车轮的电动机。 16. 根据权利要求 15 所述的系统， 其中， 当所述转向模式处于第一模式时， 通过将车辆 的当前偏航率与取决于车辆的所述当前阿克曼率的目标偏航率进行比较来生成所述控制 命令。 17. 根据权利要求 15 所述的系统， 其中， 当所述转向模式处于第二模式时， 通过计算所 述当前阿克曼率的最小转向半径并将所述当前阿克曼率的最。
9、小转向半径与 100阿克曼率 的最小转向半径进行比较来生成所述控制命令。 18. 根据权利要求 15 所述的系统， 其中， 所述车辆驾驶信息包括转向角、 转向角速度、 车辆速度、 和偏航率中的至少一种， 并且基于齿条齿轮转向传动比、 轮胎角、 转向角、 和车辆 数据中的至少一种计算所述当前阿克曼率。 19. 根据权利要求 16 所述的系统， 其中， 基于车辆的所述当前阿克曼率、 转向角、 和车 辆速度中的至少一种计算所述目标偏航率， 并且基于齿条齿轮转向传动比、 轮胎角、 转向 角、 和车辆数据中的至少一种计算所述当前阿克曼率的最小转向半径。 权 利 要 求 书 CN 103085871 A 。
10、3 1/5 页 4 使用轮内系统控制车辆的系统和方法 0001 相关申请的交叉引用 0002 本申请要求于 2011 年 10 月 31 日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第 10-2011-0112247 号的优先权和权益， 其全部内容引入本文以供参考。 技术领域 0003 本发明涉及一种使用轮内系统控制车辆的系统和方法。更具体地， 本发明涉及一 种使用轮内系统控制车辆的方法， 其通过使用阿克曼趋势转向原理可以使旋转半径最小化 且具有转向稳定性。 背景技术 0004 轮内系统通常具有安装在车辆的各个车轮内的电动机， 并直接控制各个车轮的驱 动。轮内系统通常被用于使用电动机作为动力源的车辆中。
11、， 例如混合动力车、 燃料电池车、 和电动车。 0005 通常， 设置这种类型的转向装置， 用于控制车辆的行驶方向。 转向装置将动力从齿 轮装置转移至车辆的前轮， 并且包括转向横拉杆和转向节臂用于支撑左轮与右轮之间的相 关位置。 0006 转向装置通常遵循阿克曼趋势转向原理。 可在由转向角和轮胎角生成的齿条行程 之间建立阿克曼几何条件， 并且可在阿克曼几何条件下如下面所述地定义阿克曼角和阿克 曼率。 0007 可将阿克曼角定义为当前轮和后轮的法线通过旋转中心时外轮的轮胎角， 并且可 将阿克曼率定义为理论阿克曼角与实际驾驶中生成的实际轮胎角之间的比率 ( )。可通 过图 1 示出的式计算阿克曼角。
12、和阿克曼率。 0008 如果阿克曼率为 100是理想的， 但实际上根据基于其它连接部件的限制条件的 转向角， 将阿克曼率设计为 40-80。如果未适当地应用阿克曼率， 可能出现例如轮胎滞后 (tire drag) 或转向传感退化的一些问题。 0009 在传统技术的情况中， 如图 1 所示， 在车辆转向时向车辆施加离心力。向车辆的轮 胎施加侧向反力， 并且发生轮胎滑移来抵消离心力。 当发生轮胎滑移时， 不能满足阿克曼几 何条件， 因为由于轮胎滑移， 枢轴中心 (O) 移动到上面的位置 (O )。结果在传统技术中发 生轮胎滞后并且转向传感退化。而且， 如图 2 所示， 传统技术存在问题， 即由于正。
13、常转向时 转向角非常小， 所以在车辆正常转向时阿克曼率下降。 0010 另一方面， 当车辆需要以最小旋转半径转向时， 大的外轮角对使旋转半径最小化 是更有利的。在这种情况下， 转向角应该更大以使旋转半径最小化， 并且当转向角变大时， 如图 2 所示， 阿克曼率则增加。 0011 然而， 根据图 1 所示的阿克曼率式， 当内轮角大于外轮角时， 阿克曼率具有较大的 值。结果， 在传统技术中， 难以通过保持转向稳定性来使旋转半径最小化， 因为为了增加阿 克曼率外轮角应当更小， 而这不利于使旋转半径最小化。 说 明 书 CN 103085871 A 4 2/5 页 5 0012 上述在该背景技术部分公。
14、开的信息仅用于增强对本发明背景的理解， 因此其可能 含有不构成在该国本领域普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。 发明内容 0013 本发明致力于提供一种使用轮内系统控制车辆的系统和方法， 其具有经由阿克曼 函数改善转向稳定性并使旋转半径最小化的优点。 0014 本发明的示例性实施方式提供一种使用轮内系统控制车辆的系统和方法， 该轮内 系统控制安装在车辆的各个车轮内的电动机。具体地， 控制单元可配置成基于车辆驾驶信 息确定车辆的转向模式并且相应于转向模式计算车辆的当前阿克曼率。 然后控制单元可基 于当前阿克曼率生成控制命令， 并使用控制命令分别控制各个车轮的电动机。 0015 当转向模式处于转。
15、向稳定改善模式 ( 即第一模式 ) 时， 可通过将车辆的当前偏航 率 (yaw rate) 与取决于车辆的当前阿克曼率的目标偏航率进行比较来生成控制命令。当 转向模式处于转向半径最小化模式 ( 即第二模式 ) 时， 可通过计算当前阿克曼率的最小转 向半径并将当前阿克曼率的最小转向半径与 100阿克曼率的最小转向半径进行比较来生 成控制命令。 0016 在本发明的一些示例性实施方式中， 驾驶信息可包括转向角、 转向角速度、 车辆速 度、 和偏航率中的至少一种。 可通过考虑齿条齿轮转向传动比、 轮胎角、 转向角、 和车辆数据 中的至少一种来计算当前阿克曼率， 并且可基于车辆的当前阿克曼率、 转向角。
16、、 和车辆速度 中的至少一种计算目标偏航率。 另外， 可基于齿条齿轮转向传动比、 轮胎角、 转向角、 和车辆 数据中的至少一种计算当前阿克曼率的最小转向半径。 0017 根据本发明的示例性实施方式， 可通过保持高阿克曼率来改善车辆的转向稳定 性， 并且可通过使用轮内电动机独立地控制各个车轮的扭矩来使旋转半径最小化。 此外， 可 通过独立地控制各个车轮的扭矩来改善车辆的驾驶性能。 附图说明 0018 图 1 为示出用于计算阿克曼角和阿克曼率的式的示意图。 0019 图 2 为示出转向角与阿克曼率之间的关系的图。 0020 图 3 是根据本发明的示例性实施方式的使用轮内系统控制车辆的方法的流程图。。
17、 0021 图 4 是根据本发明的示例性实施方式的轮内系统的示意图。 0022 图 5 是示出阿克曼率与偏航率之间的关系的图。 0023 附图标记 0024 10 ： 轮内系统 0025 100 ： 轮毂 0026 200 ： 轮内电动机 0027 300 ： 减速器 具体实施方式 0028 在下文中将参考附图详细地描述本发明的示例性实施方式。 0029 应理解， 本文使用的术语 “车辆” 或 “车辆的” 或其它类似术语包括通常的机动车， 说 明 书 CN 103085871 A 5 3/5 页 6 例如， 包括多功能运动车 (SUV)、 公共汽车、 卡车、 各种商务车的客车， 包括各种船只和。
18、船舶 的水运工具， 飞行器等等， 并且包括混合动力车、 电动车、 插入式混合电动车、 氢动力车和其 它代用燃料车 ( 例如， 来源于石油以外的资源的燃料 )。 0030 此外， 用于执行本发明的示例性实施方式的控制逻辑可实施为含有通过处理器、 控制器等执行的可执行程序命令的非暂时性计算机可读介质。 计算机可读介质的例子包括 但不限于， ROM、 RAM、 光盘 (CD)-ROM、 磁带、 软盘、 优盘、 智能卡和光学数据存储装置。还能够 在网络耦合的计算机系统中分布计算机可读记录介质， 使得例如通过远程信息处理服务器 或控制器局域网 (CAN) 以分散的方式存储并且执行计算机可读介质。 003。
19、1 另外， 在不偏离本发明的示例说明的实施方式的整体概念和意图的情况下， 本文 描述的控制单元可实施为单一控制单元或多个控制单元。 由于任何公知的能够进行高级计 算的控制单元都可被本发明的示例说明的实施方式进行利用， 所以省略了描述控制单元的 说明和附图。 0032 图 3 是根据本发明的示例性实施方式的使用轮内系统控制车辆的方法的流程图。 如图 3 所示， 使用控制安装在车辆的各个车轮内的电动机 ( 下文中，“轮内电动机” ) 的轮内 系统来控制车辆的方法可包括 ： 在步骤 10 中通过控制单元， 基于车辆驾驶信息确定车辆的 转向模式 ； 在步骤S13和S23中通过控制单元， 相应于所确定的。
20、转向模式计算车辆的当前阿 克曼率 ； 在步骤S16和S26中基于当前阿克曼率生成控制命令 ； 以及在步骤S17和S27中使 用控制命令分别地控制系统内各个车轮的电动机。 0033 轮内系统是通过分别操作安装在各个车轮内的电动机来分别控制车辆的各个车 轮的系统。如图 4 所示， 根据轮内系统的示例性实施方式， 电动机可分别安装在前轮和后轮 的左轮和右轮内， 并且独立控制各个电动机的扭矩。 0034 如图 4 所示， 在一个或多个实施方式中， 轮内系统 10 可以包括配置成随车轮的输 出轴105旋转的轮毂100、 配置成旋转与输出轴105连接的输入轴205并且安装在车轮内的 电动机200、 以及布。
21、置在输入轴与输出轴105之间用于使输入轴205的旋转速度减速的减速 器 300。 0035 可以独立地控制安装在各个车轮内的电动机 200， 使得可以通过适当地分配各个 车轮的扭矩来改善车辆的驾驶性能。 例如， 可使用侧向力使车辆转向， 该侧向力是通过控制 左轮与右轮之间的不同扭矩来生成的。 0036 如图 3 所示， 在步骤 S10 中， 基于车辆驾驶信息确定转向模式。在一个或多个示例 性实施方式中， 转向模式可以包括转向稳定性改善模式S12和转向半径最小化模式S22。 当 车辆处于正常转向状态S11时可以应用转向稳定性改善模式S12。 换句话说， 当例如在弯曲 的道路上驾驶车辆时应用转向稳。
22、定性改善模式S12。 另一方面， 当车辆需要以最小转向半径 缓慢驾驶 S21 时， 例如当停车或 U 形转向时， 可以应用转向半径最小化模式 S22。 0037 用于确定转向模式的驾驶信息可以包括转向角、 转向角速度、 车辆速度、 和偏航率 中的至少一种。可以通过使用传感器来测量车辆速度、 转向角、 转向角速度等。偏航率指的 是表示车辆转向的转向程度并且通过使用例如安装在车辆内的偏航率传感器来测量的值。 0038 通常， 转向角、 转向角速度、 和偏航率在转向半径最小化模式 S22 中比在转向稳定 性改善模式 S12 中更大， 并且速度在转向半径最小化模式 S22 中比在转向稳定性改善模式 S。
23、12 中更低。因而， 在步骤 S10 中， 可以基于上述驾驶信息确定车辆的转向模式。 说 明 书 CN 103085871 A 6 4/5 页 7 0039 另外， 在本发明的示例性实施方式中， 在确定出转向模式时在步骤S13和S23中基 于转向模式计算车辆的当前阿克曼率， 在步骤 S16 和 S26 中基于当前阿克曼率生成控制命 令， 并且在步骤 S17 和 S27 中使用控制命令独立控制各个车轮的轮内电动机。 0040 在步骤S13中， 当转向模式是转向稳定性改善模式S12时， 相应于转向稳定性改善 模式计算车辆的当前阿克曼率。 阿克曼率指的是理论阿克曼角与实际驾驶过程中生成的实 际轮胎角。
24、之间的比率， 并且阿克曼角指的是当前轮和后轮的法线通过转向中心时外轮的轮 胎角。 0041 可考虑齿条齿轮转向传动比、 轮胎角、 转向角、 和车辆数据中的至少一种计算当前 阿克曼率。通常， 车辆在转向装置的转向轴的端部具有齿轮转向机构 (pinion steering gear)， 以及与齿轮传动装置(pinion gear)连通的通过左右移动来控制车轮的方向的齿条 传动装置 (rack gear)。齿条齿轮转向传动比指的是齿条转向机构 (rack steering gear) 与齿轮转向机构之间的比率。 0042 进一步， 可通过图 1 所示的阿克曼角式和阿克曼率式计算当前阿克曼率。然后， 。
25、在 步骤 S16 中， 基于步骤 S14 中的当前偏航率与步骤 S15 中的和当前阿克曼率相应的目标偏 航率之间的比较而生成控制命令。 0043 步骤 S14 中的当前偏航率指的是表示当前车辆转向的转向程度并且可通过使用 安装在车辆内的偏航率传感器进行测量的值。 0044 另一方面， 在步骤 S15 中根据当前阿克曼率确定目标偏航率。在一个或多个示例 性实施方式中， 可考虑车辆的当前阿克曼率、 转向角、 和车辆速度中的至少一种计算目标偏 航率。如图 5 所示， 针对与阿克曼率相应的目标偏航率、 车辆速度、 和转向角之间的关系， 可 以预先制出三维图。 0045 在步骤 S16 中， 基于目标偏。
26、航率与当前偏航率之间的比较， 生成控制命令。更具体 地， 控制命令是分别控制独立安装在各个车轮内的各个电动机的命令。在一个或多个示例 性实施方式中， 在当前偏航率遵循目标偏航率时生成控制命令。 0046 在步骤 S17 中， 通过生成的控制命令分别控制安装在各个车轮内的轮内电动机， 以使当前偏航率与目标偏航率相等。 换句话说， 分别控制轮内电动机， 以抵消当前偏航率与 目标偏航率之间的差异。 0047 在一个或多个示例性实施方式中， 在步骤 S17 中， 当前偏航率与目标偏航率之间 的差异可减小， 并且可通过增加安装在外轮内的轮内电动机的扭矩或者减小或保持安装在 内轮内的轮内电动机的扭矩来改善。
27、转向稳定性。 0048 另一方面， 在步骤 S23 中， 当转向模式是转向半径最小化模式 S22 时， 相应于转向 半径最小化模式计算车辆的当前阿克曼率。可考虑齿条齿轮转向传动比、 轮胎角、 转向角、 和车辆数据中的至少一种计算当前阿克曼率。然后， 在步骤 S24 中可计算当前阿克曼率的 最小转向半径。可考虑齿条齿轮转向传动比、 轮胎角、 转向角、 和车辆数据中的至少一种计 算当前阿克曼率的最小转向半径。 0049 在步骤S26中， 当在步骤S24中计算出当前阿克曼率的最小转向半径时， 可基于当 前阿克曼率的最小转向半径与步骤 S25 中 100阿克曼率的最小转向半径之间的比较而生 成控制命令。
28、。控制命令是分别控制独立安装在各个车轮内的各个电动机的命令。在一个或 多个示例性实施方式中， 在步骤 S26 中， 可在当前阿克曼率的最小转向半径遵循 100阿克 说 明 书 CN 103085871 A 7 5/5 页 8 曼率的最小转向半径时生成控制命令。 0050 在步骤 S27 中， 通过生成的控制命令分别控制安装在各个车轮内的轮内电动机， 以将当前阿克曼率的最小转向半径转换为100阿克曼率的最小转向半径。 换句话说， 分别 控制轮内电动机， 以抵消当前阿克曼率的最小转向半径与 100阿克曼率的最小转向半径 之间的差异。在一个或多个示例性实施方式中， 在步骤 S27 中， 可以通过增加。
29、安装在外轮内 的轮内电动机的扭矩并且减小或保持安装在内轮内的轮内电动机的扭矩来使转向半径最 小化。 0051 在步骤S21中， 通常， 需要转向半径减小模式S22的驾驶情况在低速例如在停车或 完成 U 形转向时出现。在传统技术的情况中， 在这些情形下， 可通过增加阿克曼率改善转向 稳定性， 但不利的是旋转半径最小化， 因为以传统技术的高阿克曼率， 外轮轮胎角变得小于 内轮轮胎角， 并且外轮的小轮胎角使得难以使车辆的旋转半径最小化。 0052 然而， 本发明在转向半径最小化模式 S22 中通过控制各个车轮的各个轮内电动 机， 允许分别控制外轮和内轮的扭矩， 使得本发明能够使旋转半径最小化而降低转。
30、向稳定 性。因而， 根据本发明的示例性实施方式， 可通过保持高阿克曼率来改善车辆的转向稳定 性， 并且可通过使用轮内电动机独立控制各个车轮的扭矩来使旋转半径最小化。 0053 尽管本发明结合目前被认为是实用的示例性实施方式进行了描述， 但应当理解本 发明不限于所公开的实施方式， 相反， 本发明意在涵盖包括在随附权利要求的精神和范围 内的各种变更和等同布置。 说 明 书 CN 103085871 A 8 1/5 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 103085871 A 9 2/5 页 10 图 2 说 明 书 附 图 CN 103085871 A 10 3/5 页 11 图 3 说 明 书 附 图 CN 103085871 A 11 4/5 页 12 图 4 说 明 书 附 图 CN 103085871 A 12 5/5 页 13 图 5 说 明 书 附 图 CN 103085871 A 13 。