ES2753875T3

ES2753875T3 - Método para controlar la dirección de vehículos y el comportamiento de vehículos

Info

Publication number: ES2753875T3
Application number: ES10786465T
Authority: ES
Inventors: Wolfgang Birk
Original assignee: Sentient AB
Current assignee: Sentient AB
Priority date: 2009-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2020-04-14
Anticipated expiration: 2030-06-11
Also published as: SE0950446A1; EP2440442B1; EP2440442A1; WO2010144049A1; SE533985C2; EP2440442A4

Abstract

Un método para controlar uno o más actuadores de dirección en un sistema (100) de dirección en un vehículo que incorpora las siguientes etapas de método: - medición de al menos una señal de entrada con la ayuda de un sensor y, - determinación a partir de dicha señal de entrada de una medida de un par aplicado por el conductor a través de un volante (120), en el que dicha señal de entrada de una medida de un par aplicado por el conductor a través de un volante (120) se transforma en un estado de vehículo de guiñada y/o lateral deseado, por lo que el estado de vehículo de guiñada y/o lateral mencionado se usa como una señal de entrada a un controlador para el control mencionado de uno o más actuadores de dirección, caracterizado por que el estado de vehículo de guiñada y/o lateral se determina a partir de dicha medida de un par aplicado por el conductor a través de un volante (120) corregido con un par de compensación, en el que dicho par de compensación incluye una o más de las siguientes contribuciones de par: par de fricción del sistema de dirección, par de fricción de neumático, par de amortiguación y par de autoalineación del volante.

Description

DESCRIPCIÓN

Método para controlar la dirección de vehículos y el comportamiento de vehículos

Alcance técnico

La presente invención se refiere a un método para el control de uno o más actuadores de dirección incluidos en un sistema de dirección para un vehículo, como se describe en la introducción a la reivindicación 1 de la patente, y un sistema de dirección para un vehículo que incluye uno o más actuadores de dirección como se describe en la introducción a la reivindicación 11 de la patente.

La presente invención se refiere particularmente a sistemas de dirección asistidos por potencia, denominados servoasistidos, que se usan para proporcionar una fuerza auxiliar en el sistema de dirección en automóviles y otros vehículos, de modo que el conductor pueda dirigir el vehículo más fácilmente.

Antecedentes de la tecnología

Ya se conocen bien varias soluciones para ayudar al conductor a dirigir un vehículo más fácilmente. Por lo general, el conductor controla la dirección del vehículo con un volante que está conectado a las ruedas a través de un sistema de dirección. Para que sea más fácil para el conductor superar las fuerzas que surgen en el contacto entre la rueda y la carretera y en el sistema de dirección, los vehículos están comúnmente equipados con servodirección que reduce la fuerza que el conductor necesita aplicar para cambiar el ángulo de rueda y, por lo tanto, la dirección del vehículo. La fuerza de asistencia puede ser proporcionada por varios tipos de actuadores. Hoy en día, los actuadores hidráulicos y eléctricos son los más comunes.

Tradicionalmente, se han utilizado diferentes tipos de sistemas de energía hidráulica en vehículos. Dichos sistemas tienen una válvula que cambia sucesivamente el área de apertura de cada cámara del cilindro hidráulico cuando el conductor aplica un par al volante. Tal sistema proporciona una característica de potencia llamada “curva de refuerzo” o curva de asistencia. La curva de refuerzo es la gráfica de la relación entre el par del volante aplicado por el conductor y el par auxiliar. Las características de la curva de refuerzo están determinadas principalmente por la válvula y las propiedades de la bomba hidráulica. Esto significa que la servodirección hidráulica tiene una característica de potencia estática, ya que la asistencia está determinada por el par que el conductor aplica al volante. Cuando el conductor aumenta el par en el volante, la válvula se abre más, y el cilindro hidráulico que está acoplado a la cremallera de dirección ayuda al conductor a superar las fuerzas en el contacto de la rueda en la carretera y en el sistema de dirección a través de un aumento en el par de asistencia. En consecuencia, el par de asistencia es una función directa del par que el conductor aplica al volante, que a su vez será diferente para diferentes casos de conducción con diferentes velocidades, diferentes radios de giro, etc.

Una limitación de un sistema de potencia que está regulado por un método de asistencia como la curva de refuerzo es que no es posible lograr tanto una buena sensación de dirección con la retroalimentación de la información del camino (acumulación de par) como la supresión de perturbaciones no deseadas. Esto se ejemplifica a continuación. Un alto nivel de asistencia en un sistema de curva de refuerzo proporcionará un vehículo fácil de maniobrar a bajas velocidades, como al estacionar. Un alto nivel de asistencia también tiene la ventaja de que las perturbaciones se eliminan más fácilmente. El problema es que el vehículo es sensible al movimiento del volante. Esto es evidente a altas velocidades y, como resultado, el vehículo no se siente estable con respecto a sus propiedades de dirección, con una pobre sensación de dirección como resultado.

A un nivel de asistencia bajo, el vehículo será estable a altas velocidades con una buena sensación de dirección. Sin embargo, a bajas velocidades, las perturbaciones, como las pistas en la carretera, la división de mu (diferentes niveles de fricción, mu, en los lados izquierdo y derecho) y la dirección de torque durante la aceleración (porque las fuerzas longitudinales son diferentes en los lados izquierdo y derecho y/o porque las fuerzas longitudinales no actúan en el centro del contacto del neumático), serán prominentes y las fuerzas del volante serán altas.

Los sistemas de energía hidráulica tuvieron su gran avance en los años cincuenta y todavía funcionan según los mismos principios. Además de los mencionados anteriormente, las principales desventajas de los sistemas en los vehículos actuales son que son difíciles de ajustar, presentan grandes variaciones en el resultado de producción y deben adaptarse a la carga de cada eje delantero y el ancho de los neumáticos (y estos varían con diferentes alternativas de motor incluso en el mismo modelo de vehículo). Difícil de ajustar significa que los sistemas son difíciles de ajustar finamente. Además, se exige fricción en el sistema de dirección, con respecto no solo a su magnitud sino también a su ubicación (para una buena sensación de dirección, la fricción debe ser de la magnitud correcta y estar correctamente distribuida entre los vástagos de torsión inferior y superior).

Desde 2000, los sistemas de energía hidráulica, particularmente en vehículos ligeros, son reemplazados sucesivamente por sistemas eléctricos. Actualmente, estos sistemas están regulados casi exclusivamente de la misma manera que los hidráulicos, con la ayuda de una curva de refuerzo. Un actuador de asistencia es un actuador destinado a brindar al conductor la asistencia correcta. Un actuador de asistencia ajustable es un actuador en el que se puede regular el nivel de asistencia. Las siguientes patentes incluyen el control de la potencia de dirección.

La patente estadounidense 6250419 B1 (Chabaan) presenta un sistema de dirección para un vehículo en el que se utiliza un controlador de infinito H para regular un motor eléctrico en un sistema de energía eléctrica. Esta invención está completamente en línea con el concepto tradicional de curva de refuerzo, en el que el par aplicado por el conductor al volante se traduce a través de una curva de refuerzo a un par auxiliar proporcionado por un motor eléctrico.

La patente europea 1431 160 B1 (Ekmark) describe un algoritmo de control para un servosistema de potencia del vehículo. Ekmark calcula el par deseado del volante, un valor de referencia, en función de las condiciones del vehículo, como el ángulo del volante, la velocidad del vehículo, la aceleración lateral, la aceleración de guiñada, etc. Ekmark mide entonces el par real del volante y regula el servomotor eléctrico para que el par medido coincida con el valor de referencia.

Ekmark afirma que este método de control mejora la supresión de las perturbaciones indeseadas de la carretera en el sistema de dirección, pero dado que el control se basa en una discrepancia entre el par calculado del volante y el valor correcto, algunas de las perturbaciones siempre se propagarán al volante antes de que sean reguladas.

El concepto de Ekmark es muy sensible cuando el volante está en posición recta. Para lograr una buena acumulación de par con el volante en la posición recta, el concepto de Ekmark requiere que el gradiente de aceleración lateral/par sea muy alto. Sin embargo, un alto gradiente de aceleración lateral/par significa que el control en esta invención es muy sensible a las perturbaciones en la señal para el ángulo del piñón o el ángulo correspondiente. Con una ganancia tan alta, el volante comienza a oscilar, lo que resulta tanto incómodo como inseguro. Con una ganancia baja, existe un riesgo considerable de que la acumulación de par en la conducción directa sea insuficiente. También se requiere un controlador de par subyacente, en el que existe un compromiso entre el rendimiento y la estabilidad del controlador. Al mismo tiempo, las incertidumbres en forma de resultado de tolerancia, envejecimiento, temperatura, desgaste, etc. deben tenerse en cuenta en la elección correcta de los parámetros del controlador. Esto significa que existe un compromiso entre la sensación de dirección, la supresión de perturbaciones y la estabilidad del controlador. Las perturbaciones como el viento lateral y la distorsión del bastidor (común en camiones con carga) no se pueden regular. Además, el documento US 2004/262063 A1 muestra el preámbulo de las reivindicaciones independientes.

Un propósito de la presente invención es proporcionar un método y un sistema en el que el sistema de control suprima automáticamente las perturbaciones externas tales como el viento lateral y la distorsión del bastidor, y en el que se pueda lograr una buena sensación de dirección sin exigir la supresión de perturbaciones y estabilidad.

Lo que se conoce previamente dentro de este campo, según las referencias mencionadas anteriormente, no aborda el problema de traducir la fuerza/par que un conductor aplica al volante al estado de vehículo de guiñada y/o lateral deseado, ni el de controlar la servo asistencia en base a la misma.

Sumario de la invención

Por lo tanto, el propósito de la presente invención es, al menos en parte, eliminar los problemas mencionados anteriormente mediante un método mejorado para regular uno o más actuadores de dirección incluidos en un sistema de dirección para un vehículo.

Este propósito se logra con un método para regular uno o más actuadores de dirección incluidos en un sistema de dirección para un vehículo según la reivindicación 1, que incluye las siguientes etapas: la medición de al menos una señal de entrada con la ayuda de un sensor, y el establecimiento a partir de esta señal de entrada de una medida del par aplicado por el conductor a través del volante. Además, la medida antes mencionada del par aplicado por el conductor a través del volante se transforma en el estado de vehículo de guiñada y/o lateral deseado, después de lo cual se utiliza este estado de vehículo de guiñada y/o lateral deseado como señal de entrada en un controlador para el control de uno o más actuadores de dirección.

Una señal de entrada puede ser, por ejemplo, la medida de un par aplicado por el conductor a través del volante, medido en algún lugar entre el volante y la rueda, o una señal derivada de esta cantidad. Un actuador de dirección es un actuador que puede usarse para influir en uno o más de los estados del actuador de dirección, como el ángulo de dirección de la rueda trasera, los ángulos de dirección individuales de las ruedas, el par o la fuerza de frenado del eje, el par o la fuerza de frenado de la rueda, el par motor o la fuerza en los ejes individuales, el par motor o la fuerza en las ruedas individuales, el ángulo de inclinación en cada eje o el ángulo de inclinación en cada rueda.

Al transformar la medida mencionada anteriormente en el estado de vehículo de guiñada y/o lateral deseado, el control se basa en un valor deseado y no en una discrepancia entre el valor deseado y el valor real o el valor real, que es el caso con tecnología conocida. De esta manera, una perturbación, debida, por ejemplo, a un camino en mal estado, puede eliminarse antes de que llegue al volante. Por lo tanto, con funciones automáticas como la estabilización de guiñada con la ayuda de la dirección (generalmente llamada ESP), la invención proporciona una compensación por las perturbaciones del viento lateral y la distorsión del bastidor. Esto conlleva una sensación de dirección robusta sin perturbaciones no deseadas ni en el volante ni en el estado del vehículo y sin comprometer el margen de estabilidad del sistema. Una ventaja adicional de la invención es que proporcionará el mismo carácter (sin embargo, las propiedades del sistema pueden introducir limitaciones) independientemente del vehículo o sistema en el que se implemente, sin la necesidad de diseñar para cada situación.

Como en un método según la invención, el estado del vehículo de guiñada y/o lateral deseado se fija a partir de la medida antes mencionada de un par aplicado por el conductor a través del volante corregido por un par de compensación.

El par medido con un sensor incluye un par de conductor que corresponde a esa parte del par, el par de dirección, que corresponde al estado del vehículo que el conductor desea alcanzar, y también un par de compensación que es la diferencia entre el par medido y el par de dirección. Junto con el par de dirección, la función del par de compensación es describir la acumulación de par del vehículo en el volante. El objetivo de esto es calcular el par de dirección. Al compensar el par medido con el par de compensación, se obtiene una señal de dirección real que corresponde directamente al patrón de movimiento deseado en el vehículo.

Como en un método según la invención, el par de compensación incluye una o más de las siguientes contribuciones de par: par de fricción del sistema de dirección, par de fricción de neumático, par de amortiguación y par de autoalineación del volante.

De esta manera, el par de compensación se puede evaluar mejor, y esto significa una mejor supresión de las perturbaciones. El par de fricción del neumático tiene en cuenta el ángulo de la rueda, el historial del ángulo de la rueda, la posición del vehículo y la velocidad del vehículo, lo cual es importante en el caso de una velocidad de vehículo baja, ya que el contacto del neumático cambia más rápidamente que el giro del neumático a altas velocidades. El par de fricción del sistema de dirección tiene en cuenta el hecho de que el sistema de dirección debe tener una cierta fricción para que el conductor pueda descansar, de modo que el conductor no tenga que dar todo el par de dirección. También se necesita una cierta histéresis para que el automóvil no se sienta “tambaleante” o “rebelde”. El par de amortiguación proporciona una amortiguación importante del ángulo de dirección y, por lo tanto, de la respuesta del vehículo. Se puede preferir una amortiguación diferente hacia afuera o hacia adentro cuando se conduce en línea recta y en las curvas para que el par de dirección no sea demasiado grande a altas velocidades de ángulo del volante. El par de autoalineación del volante significa que el volante vuelve a la posición recta también a velocidades tan bajas que no hay retroalimentación de estado de vehículo de guiñada y/o lateral. El par de autoalineación del volante puede ser una tabla de interpolación o una función de software.

Como ejemplo de un método según la invención, el par de compensación es en función de una o más de las siguientes variables: ángulo de dirección, velocidad del ángulo de dirección y/o aceleración del ángulo de dirección. De esta manera, los parámetros incluidos en el par de compensación se pueden evaluar en caso de un cambio deseado en el estado del vehículo.

Como ejemplo de un método según la invención, el estado de vehículo de guiñada y/o lateral deseado se transforma a través de un modelo de vehículo en uno o más estados del actuador de dirección. Un modelo de vehículo es un modelo matemático de la dinámica del vehículo en forma de una función de transferencia dependiente de velocidad entre el ángulo de dirección y el estado del vehículo. Se puede usar un modelo de vehículo para transformar el ángulo de dirección al estado del vehículo y viceversa. Un modelo de vehículo permite obtener la sensación de dirección deseada.

Como ejemplo de un método según la invención, el modelo del vehículo es un modelo de dirección casi estático o dinámico. Es preferible un modelo de dirección casi estático o dinámico, ya que dicho modelo puede configurarse más fácilmente de modo que se tengan en cuenta las circunstancias externas predominantes para diferentes casos de conducción, como la velocidad y el radio de giro, en contraste con un modelo de dirección estática en el que la asistencia está determinada por la magnitud del par que el conductor aplica al volante.

Como ejemplo de un método según la invención, el/los estado(s) deseado(s) del actuador de dirección se transforma(n) a través de un controlador de estado del actuador de dirección en fuerzas, pares, posiciones, velocidades o aceleraciones del actuador para que se minimice la diferencia entre el/los estado(s) de dirección deseado(s) y el/los estado(s) de dirección real(es). De esta manera, el vehículo se controlará hacia el estado del vehículo solicitado.

Como ejemplo de un método según la invención, el error de estado de vehículo de guiñada y/o lateral deseado se obtiene como la diferencia entre el estado de vehículo de guiñada y/o lateral deseado y el estado de vehículo de guiñada y/o lateral medido y/o estimado. Este error se incluye en un control en cascada del estado del vehículo en un circuito externo y el estado del actuador en un circuito interno.

Como ejemplo de un método según la invención, un controlador de vehículo transforma un error de estado de vehículo de guiñada y/o lateral deseado en uno o más estados deseados del actuador de dirección. Dado que una perturbación a la que está sujeto el vehículo, como un derrape, viento lateral o distorsión del bastidor, aparecerá como una diferencia entre el estado del vehículo solicitado y el estado real del vehículo, el controlador del vehículo puede eliminar el error.

Como ejemplo de un método según la invención, las fuerzas, pares, posiciones, velocidades y/o aceleraciones del actuador están limitadas por una desviación máxima de una curva de asistencia. De esta manera, la seguridad del método se controla comparando la solicitud de asistencia del actuador del concepto de control con la solicitud de asistencia que se habría obtenido mediante una curva de asistencia de seguridad en el mismo momento. Si la solicitud de asistencia proporcionada por el método se encuentra entre los límites inferior y superior, esta solicitud se envía al actuador de asistencia. De lo contrario, la solicitud de asistencia del concepto de control se limita. Esto puede ser ventajoso ya que una curva de asistencia de seguridad usa menos señales de medición que el método descrito en esta invención y se reduce el número de modos de error posibles.

Como ejemplo de un método según la invención, la curva de asistencia se implementa en forma de una función matemática o una tabla de interpolación. De esta manera, la curva de asistencia se puede elegir de tal manera que se considere que la solicitud de asistencia que se puede obtener en cada límite conduce a una conducción segura del vehículo.

Como ejemplo de un método según la invención, cuando la limitación de la solicitud del controlador ha continuado durante un intervalo de tiempo que excede un primer valor límite, y/o una diferencia entre la solicitud del controlador y los límites excede un segundo valor límite, y/o un producto ponderado y/o la integral de una o más de las desviaciones mencionadas excede un tercer valor límite, la desviación máxima se reduce de modo que la solicitud del controlador se degrada un tiempo determinado o durante el resto del ciclo de conducción o hasta un error haya sido corregido. Esto puede ser ventajoso para garantizar que el método sea seguro y que el vehículo sea controlable por el conductor incluso cuando surgen uno o más posibles errores de medición en las señales de medición o cuando no se realizan mediciones.

Definiciones

control de un actuador: lograr un estado deseado en el actuador de manera controlada

actuador: dispositivo para influir en el cambio de uno o más estados

actuador de dirección: un dispositivo para influir en el cambio en el estado de vehículo de guiñada y/o lateral del vehículo

estado de un sistema dinámico: una serie de variables que describen el estado del sistema en un momento dado estado del vehículo: una serie de variables que describen el estado del vehículo en un momento dado

estado de guiñada de un vehículo: la posición de guiñada, la velocidad de guiñada o la aceleración de guiñada del vehículo en un momento dado

estado lateral del vehículo: la posición lateral, la velocidad lateral o la aceleración lateral del vehículo en un momento dado

dirección de guiñada: la rotación alrededor del eje z del vehículo, que se dirige hacia arriba y en perpendicular al plano x-y en el que se encuentra el vehículo

dirección lateral: el eje y del vehículo, dirigido hacia la izquierda y en perpendicular al plano x-z

dirección longitudinal: el eje x del vehículo, dirigido hacia adelante y en perpendicular al plano y-z

sistema de dirección: el sistema del vehículo que puede influir en el estado de vehículo de guiñada y lateral transformación: la operación en uno o más estados que da como resultado uno o más estados

controlador: algoritmo en el proceso que controla y se esfuerza por mantener un valor de referencia en equilibrio controlando el resultado a través de una retroalimentación

valor de referencia: valor deseado para un controlador

margen de estabilidad: el margen al estado límite donde el sistema es inestable

par motor: el par aplicado por el conductor a través del volante

par de dirección: la parte del par aplicado por el conductor a través del volante que corresponde al/a los estado(s) del vehículo que el conductor desea alcanzar

contribución de par: parte del par motor, como el par de dirección o una parte del par de compensación

par de fricción del sistema de dirección: contribución de par que aumenta el par en el volante debido a la fricción deseada en el sistema de dirección. Esta contribución de par es un valor de referencia para la fricción deseada y, por lo tanto, no está relacionada con la fricción real en el sistema.

par de fricción del neumático: contribución del par que aumenta el par en el volante debido a la fricción deseada del neumático. Esta contribución de par es un valor de referencia para la fricción deseada y, por lo tanto, no está relacionada con la fricción real de los neumáticos.

par de amortiguación: contribución de par que acumula el par que aparece en el volante debido a la amortiguación deseada. Esta contribución de par es un valor de referencia para la amortiguación y, por lo tanto, no está relacionada con la amortiguación real

torque de autoalineación del volante: contribución de par que aumenta el par que aparece en el volante debido a la autoalineación deseada. Esta contribución de par es un valor de referencia para la autoalineación y, por lo tanto, no está relacionada con la autoalineación real del sistema

autoalineación del volante: la capacidad del propio sistema de dirección para devolver el volante a la posición recta posición recta: la posición del volante cuando el vehículo se mueve en línea recta en la dirección x

ángulo de dirección: un ángulo que corresponde de alguna manera al ángulo de la rueda, medido en algún lugar del sistema de dirección

proceso dinámico: un proceso que tiene una inercia de modo que su estado depende de los valores de señal de entrada anteriores

proceso casi estático: un proceso cuyo estado no depende de valores de señal de entrada anteriores

par de asistencia: el par aplicado por la curva de asistencia del actuador de dirección: la curva para la transformación entre el par motor y el par de asistencia

función: una fórmula matemática que asigna un valor de salida para un valor de entrada dado

tabla de interpolación: una tabla con valores de entrada y valores de salida que asigna un valor de salida para un valor de entrada dado a través de la interpolación

limitación del controlador: limitación de la señal de salida del controlador para que la señal de salida del controlador se reduzca en comparación con la solicitud del controlador

degradación: reducción de la señal de salida del controlador

Breve descripción de las figuras.

La invención se describirá con mayor detalle a continuación, con referencia a las realizaciones preferidas mostradas en los dibujos adjuntos que muestran esquemáticamente el flujo de señal y también las etapas de cálculo elementales para un controlador de sensación de dirección según la invención.

Figura 1. El modelo mecánico que es la base de los diagramas de bloques.

Figura 2. Diagrama de bloques para un sistema de dirección controlado según el principio de la curva de asistencia. Figura 3. Función de transferencia de perturbaciones para un sistema de dirección controlado según el principio de la curva de asistencia.

Figura 4. Diagrama de bloques para un sistema de dirección controlado según el principio del generador de referencia de par.

Figura 5. Función de transferencia de perturbaciones para un sistema de dirección controlado según el principio del generador de referencia de par.

Figura 6. Diagrama de bloques para un sistema de dirección controlado según la Figura 10.

Figura 7. Función de transferencia de perturbaciones para un sistema de dirección controlado según la Figura 10. Figura 8. Concepto de seguridad con una curva de asistencia para un sistema de dirección controlado por un controlador de estado del vehículo y un actuador de estado del actuador de dirección.

Figura 9. Sistema de dirección para la dirección del vehículo.

Figura 10. Implementación de la invención con solo la retroalimentación del ángulo del volante.

Figura 11. Implementación de la invención con el estado del vehículo (velocidad de ángulo de guiñada y'vehículo y/o aceleración lateral ay) y retroalimentación del ángulo del volante. La figura muestra solo la retroalimentación de la aceleración lateral. La retroalimentación de la velocidad del ángulo de guiñada tiene lugar de manera correspondiente.

Figura 12. Representación esquemática del cálculo del par de compensación T^o.

Figura 13. Ejemplo de histéresis de fricción en el modelo de fricción en función del ángulo de dirección. El modelo describe un comportamiento de histéresis suave.

Figura 14. Ejemplo de la relajación del neumático en función de la longitud de rodadura del neumático.

Figura 15. Ejemplo del par de fricción del sistema de dirección en función del ángulo de dirección. El modelo describe un comportamiento de histéresis suave.

Figura 16. Ejemplo del par de amortiguación en función del par del modelo de amortiguación.

Figura 17. Ejemplo del par de autoalineación del volante en función del ángulo de dirección.

Figura 18. Ejemplo de la solicitud de aceleración lateral en función del par de aceleración lateral.

Figura 19. Ejemplo de la curva de histéresis para un modelo de sensación de dirección según la invención.

Descripción detallada

El sistema de servodirección según esta invención incluye la estimación o medición del par aplicado por el conductor en el volante 120, una función o una tabla de interpolación que transforma el par en la barra 121 del volante en los estados del vehículo en los que el vehículo asumirá (en forma de un valor de referencia de control), un sensor o modelo que mide o calcula los estados actuales del vehículo, un controlador que compara los valores del estado actuales del vehículo con los solicitados a través del par motor y que controla (de alguna manera conocida para el experto) el estado del actuador 115, tal como la posición y/o velocidad y/o aceleración y/o par y/o fuerza para lograr esto.

Los estados del vehículo incluyen aceleración, velocidad y posición en la dirección lateral (la relación del vehículo con, por ejemplo, el borde de la carretera) y/o la dirección de rotación (alrededor del eje de rotación del vehículo) y/o la curvatura y/o el ángulo de dirección. La fuerza/par del conductor, que se aplica al volante 120, puede transformarse al estado de vehículo de guiñada y/o lateral deseado. Para los vehículos de carretera, estos estados se denominan aceleración lateral, velocidad lateral, posición lateral, aceleración de guiñada, velocidad de guiñada, ángulo de guiñada, curvatura y ángulo de la rueda, o más generalmente ángulos de rueda en el caso de dirección de varios ejes.

El par aplicado por el conductor, que proporciona la señal de entrada, debe corregirse en un sistema de dirección 100 para interpretar la fuerza con la que el conductor desea conducir como la base para transformar el par de dirección en un estado de guiñada y/o lateral del vehículo. Normalmente, se describe la sensación de dirección en el volante 120. En este control, primero se deducen las propiedades de sensación de dirección, como la fricción deseada, que se basa en una sensación directa, la amortiguación deseada y también, por ejemplo, las pérdidas de fuerza. La autoalineación deseada del volante también puede deducirse de lo que es la base para transformar el par de dirección del conductor. El par de dirección es el par que el conductor aplica al volante 120, y que puede medirse en algún lugar entre el volante 120 y las ruedas 127, o estimarse a partir de otros estados, como el par o fuerza del motor de asistencia, ángulos medidos en el sistema de dirección, etc.

La tabla de interpolación o función en el sistema de control 110 proporciona los valores que los estados controlados del vehículo deben asumir cuando el conductor aplica un cierto par al volante. La tabla de interpolación o función también puede, pero no necesariamente, basarse en otros estados del vehículo, de modo que los otros estados del vehículo también influyen en cómo se interpreta el par del conductor en el estado controlado del vehículo, como la velocidad del vehículo, pero también en observaciones, mediciones, cálculos, etc. de las señales del conductor (por ejemplo, el pedal del freno, el pedal del acelerador o la preparación del conductor), el estado ambiental (por ejemplo, fricción en la carretera) y otras situaciones (por ejemplo, estacionamiento).

El modelo y uno o más sensores que miden los estados del vehículo proporcionan el valor actual. Este puede tomarse directamente de uno o más sensores inteligentes o calcularse a través de otros estados del vehículo con la ayuda de un modelo de vehículo 134.

El error de control para el controlador es la diferencia entre el valor del estado actual del vehículo y el que el conductor ha solicitado a través del par interpretado en el volante (como la diferencia entre a^y,i y a^y en la Figura 11). A partir de esto, uno o más actuadores 115 se regulan con respecto a la posición, fuerza o par.

La invención funciona de la siguiente manera. Cuando el conductor desea girar, lo que significa que desea cambiar el estado de un vehículo, el conductor aplica una fuerza al volante 120, y se crea un par en la barra del volante 121. Este par se transforma a través de la tabla de interpolación o función al estado del vehículo que el conductor desea alcanzar, por ejemplo, una aceleración lateral. El controlador compara el valor actual con el valor solicitado por el controlador y calcula, por ejemplo, la posición para que un actuador 115 alcance el valor de estado del vehículo solicitado.

Una perturbación será efectivamente eliminada. Si existe una carretera en mal estado, el par motor o el desequilibrio de la rueda conllevan una perturbación en forma de fuerza en la rueda 127 que se propaga en el mecanismo de dirección, el controlador del actuador elimina el efecto de la perturbación de manera rápida y efectiva antes de que llegue al volante 120. Esto se logra mediante la implementación de la invención como se indica en la Figura 10 o la Figura 11.

Si el vehículo experimenta una perturbación como un derrape, viento lateral o distorsión del bastidor, esto aparecerá como una diferencia entre el estado del vehículo solicitado y el estado actual del vehículo, lo que significa que la diferencia se elimina en el controlador 135 del vehículo, véase, por ejemplo, la implementación de la invención como se muestra en la Figura 11. Por lo tanto, a través de funciones automáticas tales como la estabilización de guiñada con la ayuda de la dirección (a menudo denominada ESP), la invención proporciona una compensación de la distorsión del marco bastidor y del viento lateral.

Una ventaja de la invención es que proporcionará el mismo carácter (sin embargo, las propiedades del sistema pueden presentar limitaciones) independientemente del vehículo o sistema en el que se implemente, sin la necesidad de diseñar para cada situación.

Se muestran ventajas adicionales en la descripción detallada del concepto.

El concepto de dirección descrito en esta invención puede compararse ventajosamente con otras soluciones conocidas, de modo que esas ventajas para el vehículo que proporciona la invención se vuelven claras. Los conceptos que es importantes comparar son el control de la curva de asistencia y el control con la ayuda de un generador de referencia de par. Este último es descrito en detalle por Ekmark en la patente europea EP1431160 B1, y el primero es hoy en día la forma aceptada de controlar la dirección de un vehículo servoasistido.

La Figura 1 muestra el modelo mecánico utilizado en el siguiente análisis. La figura muestra la cremallera de dirección 124, con las inercias predominantes que consisten en las ruedas derecha e izquierda 127, el eje de dirección, el volante 120 y el servomotor. La figura también muestra la barra de par 128 y la curva de asistencia que describe la relación entre el par aplicado por el conductor y el par de asistencia del servomotor. La notación en la figura sigue las designaciones T para par, 5 para ángulo, J para momento de inercia y c para la rigidez de la barra de torsión. Los sufijos se refieren a wr para la rueda derecha, wl para la rueda izquierda, s para un sensor, sw para el volante 120 y sm para el servomotor. A partir de este modelo, se puede derivar un diagrama de bloques tal como es el procedimiento habitual en los análisis de ingeniería de control.

El diagrama de bloques para un sistema de dirección controlado según el principio de asistencia se muestra en la Figura 2. Esto incluye una serie de funciones de transferencia en el diagrama de bloques, como G^sw = 5^swl(T^d - T^s) que describe la dinámica del volante y la columna de dirección 121 y G^prw = 5^p/T^s que describe la dinámica de la cremallera de dirección 124. Las propiedades que van a ilustrarse en la comparación entre los tres conceptos de dirección mencionados son la capacidad del sistema para suprimir las perturbaciones de la carretera o aquellas que surgen a través del contacto entre el vehículo y la carretera. En este contexto, la función de transferencia de perturbaciones del sistema de dirección 100 es importante, es decir, la función de transferencia entre el par de perturbación T^w y el ángulo del piñón 5^p.

El diagrama de bloques para la función de transferencia de perturbaciones para un sistema de dirección 100 controlado según el principio de asistencia se muestra en la Figura 3. En este caso, el parámetro K^{b c} se refiere a la ganancia linealizada de la curva de asistencia en cualquier punto de funcionamiento. Es importante comprender que un sistema de dirección 100 controlado según este principio tiene una ganancia comparativamente baja a bajos niveles de asistencia. La capacidad del sistema para suprimir perturbaciones es directamente proporcional a esta ganancia, por lo que no es posible una buena supresión de perturbaciones a un nivel de asistencia bajo, lo que a menudo es sinónimo de conducción en línea recta.

Los diagramas de bloques para el generador de referencia de par según Ekmark se pueden derivar de la manera correspondiente. La Figura 4 muestra un diagrama de bloques en el que se muestra claramente la diferencia de par y, por lo tanto, el generador de referencia de par, y la Figura 5 muestra la función de transferencia de perturbaciones para el sistema.

De una manera correspondiente a aquella mediante la que se regula el sistema de dirección 100 según el principio de asistencia, la ganancia total del circuito de la función de transferencia de perturbaciones es una medida de la capacidad del sistema para suprimir las perturbaciones de la carretera. Lo que resulta sorprendente para el generador de referencia de par es que existe un conflicto entre la retroalimentación de par subyacente y la ganancia del generador de referencia de par. Este compromiso es evidente en el signo menos en el bloque inferior de la Figura 5. El parámetro K^trg es la ganancia linealizada del generador de referencia de par. A diferencia del control de asistencia, este parámetro tiene valores altos para conducir en línea recta y valores bajos durante las curvas. Es importante comprender que una buena sensación de dirección en la conducción en línea recta requiere valores altos para este parámetro, lo que significa que la ganancia total del circuito de la función de transferencia de perturbaciones disminuye al aumentar K^trg. Una reducción en la ganancia del circuito conlleva una disminución en la capacidad de suprimir las perturbaciones. Con respecto al generador de referencia de par, por consiguiente, está claro que existe un compromiso entre una buena sensación de dirección en la conducción en línea recta y una buena supresión de perturbaciones.

El diagrama de bloques para la implementación de la invención según la Figura 10 se muestra en la Figura 6, y la función de transferencia de perturbaciones se muestra en la Figura 7.

Con respecto a los análisis anteriores de la ganancia total del circuito, se puede llegar a la siguiente conclusión con respecto a la capacidad de la invención para suprimir perturbaciones. No existe compromiso entre la supresión de perturbaciones y una buena sensación de dirección, ya que la ganancia total del circuito está dominada por la ganancia del controlador de ángulo. Por lo tanto, la aplicación del requisito principal de la invención significa que una buena sensación de dirección se combina con una buena supresión de perturbaciones, lo que hasta ahora no había sido posible alcanzar a través de invenciones previamente conocidas.

El concepto de dirección descrito en esta invención depende de más señales de medición del vehículo que las requeridas en un control de asistencia tradicional. Esto significa que el número de posibles modos de error aumenta en caso de uno o más errores de medición en las señales de medición, o cuando no se realizan mediciones. También en este caso, se debe garantizar que el concepto de dirección permanece seguro y que el vehículo pueda ser controlado por el conductor.

Una posible forma de verificar la seguridad del concepto de dirección es comparar la solicitud de asistencia del actuador del concepto de dirección con la solicitud de asistencia que hubiera sido proporcionada por una curva de asistencia de seguridad en el mismo momento. Una curva de asistencia de seguridad utiliza menos señales de medición que el concepto de dirección descrito en esta invención y, por lo tanto, el número de posibles modos de error es menor. La medición de las señales para la curva de asistencia debe diseñarse de manera redundante o libre de errores.

Es apropiado usar una curva de asistencia como la asistencia básica y añadir solo la asistencia del controlador, como se muestra en la Figura 8. La asistencia del controlador puede limitarse de modo que el par en el volante 120 no se desvíe en una cantidad superior que la correspondiente al límite establecido para la solicitud de asistencia del controlador.

La curva de asistencia es una tabla o función de interpolación predeterminada que se ha elegido de tal manera que se considera que la solicitud de asistencia que pueda proporcionarse en cada límite conlleva una conducción segura del vehículo.

Si la solicitud de asistencia del concepto de dirección se encuentra entre los límites inferior y superior, esta solicitud se envía al actuador de asistencia. De lo contrario, la solicitud de asistencia del concepto de dirección se limita. El concepto de seguridad descrito anteriormente también puede usarse ventajosamente para otros tipos de conceptos de dirección, como el concepto de generador de referencia de par descrito anteriormente.

Descripción de las realizaciones preferidas

El sistema 100 de dirección, como se muestra en la Figura 9, comprende una cremallera 124 de dirección con vástagos 125 asociados conectados a las ruedas de dirección 127 del vehículo. El volante 120 del vehículo está conectado a la cremallera a través de la columna 121 de dirección. La columna 121 de dirección incorpora una barra 128 de par con un sensor de par para medir el par de dirección aplicado por el conductor. El par de asistencia lo proporciona un motor 115 que está regulado por un sistema 110 de control.

El algoritmo de control para el control de la sensación de dirección funciona de la siguiente manera. El par de dirección T^e aplicado por el conductor se mide con la ayuda del sensor de par. Para calcular el par Tⁱ que se considera el par que corresponde a la aceleración lateral prevista por el conductor, el par T^o se deduce del par medido T^e. El par T^o incluye varias contribuciones de par que se consideran necesarias para lograr una buena sensación de dirección del vehículo, como el par de fricción Trc, el par de amortiguación T^damp, el par de autoalineación del volante T^ret y el par de la rueda T^o que corresponde a la sensación de dirección, por ejemplo, en maniobras y estacionamientos.

La contribución del par que se considera que corresponde a la solicitud de aceleración lateral por parte del conductor se evalúa mediante una función o una tabla de interpolación para lograr la aceleración lateral deseada por el conductor. Esta aceleración lateral es utilizada por un vehículo 134 modelo para calcular el ángulo de dirección Sⁱ requerido para lograr esta aceleración lateral. El ángulo de dirección Sⁱ es el valor de referencia para un controlador de ángulo de dirección que regula el par de asistencia del motor de tal manera que la diferencia entre el ángulo de dirección de referencia Sⁱ y el ángulo de dirección real S^d es lo menor posible. Esta implementación de la invención significa que si el vehículo experimenta una perturbación tal como derrape, viento lateral o una distorsión del bastidor, esto aparecerá como una diferencia entre el estado del vehículo solicitado y el estado actual del vehículo, lo que significa que se elimina la diferencia por el controlador 135 del vehículo.

La implementación de la invención mostrada en la Figura 10 puede extenderse a través de una retroalimentación adicional para que las ventajas de la estabilización de guiñada con la ayuda de la dirección (generalmente llamada ESP) y la compensación del viento lateral y de la distorsión de bastidor se puedan lograr además del hecho que si una carretera en mal estado, un par motor o un desequilibrio de la rueda produce una perturbación en forma de una fuerza sobre la rueda 127 que se propaga al mecanismo de dirección, el control del actuador elimina el error de manera rápida y efectiva sin llegar al volante. Ambas implementaciones proporcionan la ventaja de que la invención proporcionará el mismo carácter (sin embargo, las propiedades del sistema pueden presentar limitaciones) independientemente del vehículo o sistema en el que se implemente, sin la necesidad de diseñar para cada situación. Esto se muestra en la Figura 11 a través de la introducción de la retroalimentación del estado de un vehículo. Este estado puede ser, por ejemplo, la velocidad de ángulo de guiñada ip'o la aceleración lateral a^y, como se muestra en la figura. Cuando se conduce un vehículo, la sensación de dirección es una cualidad importante. La sensación de dirección consiste en dos partes: la acumulación de par en el par de dirección y la respuesta del vehículo.

La acumulación de par depende de las cualidades del vehículo, el sistema 100 de dirección y la acumulación de asistencia, y la respuesta del vehículo principalmente sobre las propiedades del vehículo. La respuesta puede verse ligeramente influenciada por la acumulación de par a través de la flexibilidad del sistema de dirección 100, de modo que un par de dirección mayor proporciona una mayor torsión del sistema 100 de dirección y, por lo tanto, una respuesta menor y viceversa.

El par de estado de vehículo de guiñada y del Tⁱ, es decir, el acoplamiento entre el par de dirección y los estados de vehículo de guiñada y lateral, es el acoplamiento más importante para una buena sensación de dirección. Por lo tanto, la sensación de dirección en el volante se puede describir mediante el acoplamiento entre el par de dirección y el estado de vehículo de guiñada y lateral. Este acoplamiento se describe mediante la curva de histéresis en la Figura 19. La línea discontinua en la Figura 19 corresponde al par de aceleración lateral del vehículo Tⁱ. El par de aceleración lateral Tⁱ también puede incluir para velocidades bajas del vehículo un par de autoalineación del volante, T^sa, de modo que la línea discontinua en la Figura 19 corresponde a Tⁱ + T^sa. Ambos Tⁱ y T^sa si se desea, puede hacerse independientes de la velocidad del vehículo v^x. La línea continua con las flechas describe la sensación de dirección modelada en función del ángulo del volante p, la velocidad del ángulo del volante p y la velocidad del vehículo v^x para una velocidad específica del vehículo y la velocidad del ángulo del volante. La línea continua en la curva de histéresis describe los límites extremos para el posible par de dirección T^e para una velocidad específica del vehículo y la velocidad del ángulo del volante. La curva de histéresis se puede describir de la siguiente manera. Cuando un conductor realiza el movimiento del volante, está dentro de esta curva límite. En el caso de pequeños movimientos del volante y, por lo tanto, una velocidad de ángulo baja del volante, la curva se limita a un pequeño intervalo dentro del que permanece el conductor. Este intervalo es un subconjunto de la curva en la Figura 19. Cuando un conductor comienza a conducir, se puede decir que está en el punto I en la curva Cuando, por ejemplo, el conductor mueve el volante en sentido contrario a las agujas del reloj, es decir, en la dirección positiva, la fricción debe superarse antes de que la rueda comience a moverse. Esto corresponde a la distancia desde el punto I a II. En esta distancia, se aplica una contribución de torque a la rueda, pero el movimiento de la rueda y la respuesta del vehículo son insignificantes. Cuando el conductor ha superado la fricción, es decir, cuando está en el punto II, y continúa aplicando un par adicional al volante, esto corresponde a un movimiento a lo largo de la curva hacia el punto III. En esta parte de la curva, un par adicional proporciona un movimiento directo del volante y esto conlleva una respuesta del vehículo. El movimiento a lo largo de la curva depende de cómo de lejos el conductor mueva el volante en la dirección positiva. Luego, cuando el conductor mueve la rueda en el sentido de las agujas del reloj, es decir, en la dirección negativa, esto corresponde a un movimiento de vuelta al punto I a lo largo de la curva por medio del punto IV. Entre los puntos III y IV el conductor necesita, de manera correspondiente, nuevamente superar la fricción antes de que el volante comience a moverse. Por analogía con la distancia entre los puntos I y II, el movimiento del volante y la respuesta del vehículo son insignificantes en este caso, aunque se aplica un gran par al volante. Además, desde el punto IV al punto I, el par aplicado en el volante inmediatamente proporciona un movimiento del volante que conlleva una respuesta del vehículo. Por lo tanto, se puede decir que la curva que describe la sensación de la dirección describe la retroalimentación de par que se obtiene en la respuesta del vehículo a los movimientos del volante realizados por el conductor. Una contribución a la curva en la Figura 19 es, por ejemplo, el par de fricción del sistema de dirección que se describe mediante la curva de histéresis en la Figura 15. La curva de histéresis en la Figura 15 describe cómo se supera la fricción del sistema de dirección y tiene una pendiente correspondiente a la rigidez en el sistema de dirección. El par de fricción del sistema de dirección se describe con mayor detalle a continuación.

Para poder lograr de manera inequívoca el acoplamiento entre el par de dirección y los estados de vehículo de guiñada y lateral, el par de dirección medido se puede compensar como se muestra a continuación, véase también la Figura 12.

Ti = Tc - T 0 (1)

en donde el par de compensación es

^{T0 =} ^{V + T¿ Tsa (} 2⁾

y las contribuciones de par pueden describirse como:

• El par de fricción del neumático, Tj, t, es decir, una contribución del par de dirección que es en función del ángulo de la rueda, el historial del ángulo de la rueda, la posición y la velocidad del vehículo. Esta contribución es importante solo a una velocidad baja del vehículo, ya que el contacto del neumático cambia más rápidamente que el giro del neumático a altas velocidades.

• El par de fricción del sistema de dirección, Tj,s, es decir, una contribución del par de dirección que es en función del ángulo de dirección y del historial del ángulo de dirección. El sistema de dirección 100 requiere una cierta fricción para que el conductor pueda descansar, de modo que el conductor no necesita proporcionar el par de dirección completo. También se requiere una cierta histéresis para que el vehículo no se sienta “tambaleante” o “rebelde”. • El par de amortiguación, Td, es decir, una contribución del par de dirección que es en función de la velocidad del ángulo de dirección y el par de dirección. La amortiguación proporciona una amortiguación importante del ángulo de dirección y, por lo tanto, de la respuesta del vehículo.

• El par de autoalineación del volante, Tsa, es decir, una contribución del par de dirección que es en función del ángulo de dirección. Como resultado de esta contribución, el volante 120 vuelve a la posición recta incluso a velocidades tan bajas que no hay retroalimentación de estado de vehículo de guiñada o lateral.

Estas contribuciones pueden tratarse de la manera descrita a continuación.

El par de fricción del neumático tiene dos partes: una parte que aumenta el par cuando cambia el ángulo de dirección y una parte que mediante relajación reduce el par de dirección cuando el vehículo está en movimiento. La dependencia del ángulo de dirección aumenta, por ejemplo, mediante un modelo de cepillo, véase Svendenius [Sve07]. Un ejemplo de tal modelo de histéresis se proporciona en la Figura 13.

La relajación del neumático se describe, por ejemplo, mediante una vida media de par de torsión del neumático análoga a la vida media que caracteriza la descomposición de un isótopo radiactivo. Un ejemplo de tal modelo de relajación se proporciona en la Figura 14.

El par de fricción del sistema de dirección aumenta el par cuando se cambia el ángulo de dirección. La dependencia del ángulo de dirección aumenta, por ejemplo, mediante un modelo de cepillo, véase Svendenius [Sve07]. Un ejemplo de tal modelo de histéresis se proporciona en la Figura 13.

La amortiguación debe ser una función que conlleve una amortiguación diferente hacia afuera y hacia adentro al conducir en línea recta y en las curvas. Un ejemplo de esto se proporciona mediante las dos partes del par de amortiguación, Too, y el límite de amortiguación, T^d.

El límite de amortiguación es necesario para que la sensación de la dirección no sea demasiado pesada a altas velocidades del ángulo del volante y se pueda determinar según la siguiente relación, véase también la Figura 16.

⁽3⁾

El par de autoalineación del volante aumenta el par cuando se cambia el ángulo de dirección. El par de autoalineación del volante se puede obtener mediante una tabla de interpolación o una función de software como en la Figura 17.

El algoritmo de control para interpretar la indicación del conductor como una instrucción con respecto al ángulo de rueda deseado funciona de la siguiente manera:

1) Medición del par de dirección Te aplicado por el conductor,

2) Desarrollo de un modelo de sensación de dirección según la invención con respecto al ángulo actual del volante p, la velocidad del ángulo del volante p y la velocidad del vehículo vx,

3) Cálculo del par de aceleración lateral, Ti, según las ecuaciones 1 y 2, restando el par de fricción del neumático Tj, t, el par de fricción del sistema de dirección, Tj, s, el par de amortiguación, Td, y el par de autoalineación del volante Tsa, con la ayuda del modelo de sensación de dirección específico desarrollado en la etapa 2, en donde se han descrito las diversas contribuciones, a partir del par de dirección Te,

4) Desarrollo de un modelo para la relación entre la aceleración lateral. ay y el par de aceleración lateral,

5) Cálculo de la aceleración lateral ay del modelo desarrollado en la etapa 4,

6) Desarrollo de un modelo de vehículo que describe la aceleración lateral en función del ángulo del volante p y vx la velocidad del vehículo

7) Cálculo de un ángulo de volante deseado preferiblemente inequívoco y con la ayuda del modelo de vehículo desarrollado en la etapa 6. Por lo tanto, se obtiene un valor de referencia para el ángulo del volante y con la ayuda de un valor de medición factual para el par de dirección Tc.

El modelo de sensación de dirección puede verse influenciado cambiando los componentes de entrada en el par de compensación T^o, como el par de fricción del neumático T^{j , t}, el par de fricción del sistema de dirección T^{j , s}, y el par de amortiguación T^d, y definiendo el par de aceleración lateral Tⁱ.

Una realización preferida del acoplamiento al par de estado de vehículo de guiñada y lateral es definir una relación entre la aceleración lateral casi estática y el par de aceleración lateral, véase la Figura 18.

De esta manera, se crea una relación entre el par de dirección medido y, en esta realización preferida, la aceleración lateral solicitada.

Para interpretar correctamente el par de dirección en el caso de una carretera resbaladiza, la expresión en la ecuación (4) se compensa tanto con respecto al hecho de que la respuesta se satura cuando la fricción de la carretera ya no es suficiente como con respecto al hecho de que el apalancamiento de la fuerza lateral de los neumáticos delanteros disminuye cuando la fricción de la carretera ya no es suficiente. Estos tipos de compensación se pueden lograr comparando las mediciones del estado del vehículo con el estado del modelo del vehículo.

Por medio del modelo 134 de vehículo, la aceleración lateral solicitada se puede transformar al ángulo de dirección solicitado. Véanse adicionalmente la Figura 10, la Figura 11 y la sección “modelo de vehículo”. Tenga en cuenta en este caso, que el ángulo de dirección es equivalente a la posición de una cremallera de dirección a través del radio del piñón y, por lo tanto, debe considerarse generalmente aplicable a todas las partes que están conectadas mecánicamente a la rueda 120 y/o a las ruedas. Por lo tanto, la invención es relevante para la asistencia de par de dirección, como EPS (dirección de energía eléctrica) o EPAS (dirección asistida por energía eléctrica), y la asistencia de par combinada con la asistencia de respuesta de dirección, como AFS (dirección delantera activa), donde un ángulo delta es agregado en algún lugar entre el volante 120 y las ruedas 127, para que el conductor reciba una asistencia de ángulo de dirección y una separación completa entre el volante 120 y las ruedas, SbW (dirección por cable).

Un vehículo puede ser dirigido de muchas maneras diferentes. La forma tradicional implica que las ruedas delanteras se giren formando un ángulo hacia afuera del plano x-z del vehículo. En este caso, el estado del actuador de dirección es el ángulo de la rueda. Dado que las ruedas 127 se dirigen tradicionalmente mecánicamente desde el volante, a través de engranajes y articulaciones, el estado del actuador de la dirección se puede medir en cualquier lugar entre el volante 120 y las ruedas 127. Otras formas posibles de dirigir un vehículo son con la ayuda de la dirección de rueda trasera, dirección individual de las ruedas 127, frenado de diferentes ejes, frenado de ruedas individuales 127, conducción en diferentes ejes, conducción en ruedas 127 individuales, cambio del ángulo de inclinación de los ejes, cambio del ángulo de inclinación de las ruedas 127 individuales, y combinaciones de los anteriores. Los estados tradicionales del actuador de dirección son entonces el ángulo de dirección de rueda trasera, el ángulo de dirección de las ruedas 127 individuales, el par o fuerza del frenado del eje, el par o fuerza del frenado de la rueda, el par o fuerza de conducción en diferentes ejes, el par motor o fuerza sobre ruedas 127 individuales, el ángulo de inclinación en cada eje y el ángulo de inclinación en cada rueda 127. Los actuadores de dirección son actuadores 115 que pueden usarse para influir en uno o más de estos estados de actuadores de dirección. El vehículo se puede dirigir a través del control combinado de varios actuadores 115. Esto se hace adecuadamente para que se usen aquellos actuadores 115 que son, en cierto sentido, los más adecuados. La elección de actuadores 115 o de la combinación de actuadores 115 se lleva a cabo con la ayuda de, por ejemplo, funciones de ponderación.

El controlador de estado del actuador de dirección se utiliza para llevar un actuador de dirección al estado deseado. En este caso, el controlador de estado del actuador de dirección es un controlador de ángulo de dirección. La tarea del controlador del ángulo de dirección en la Figura 10 y la Figura 11 es controlar la fuerza o par de asistencia del actuador 115 de tal manera que se minimiza la diferencia entre el ángulo de dirección o de rueda deseado y medido. El controlador puede ser del tipo PID o un controlador de estado. El método de cálculo de la asistencia del actuador para el controlador PID se ejemplifica mediante la ecuación:

La tarea del controlador de estado del vehículo, como se muestra en la Figura 8, es minimizar la diferencia entre el estado del vehículo solicitado, como la aceleración lateral o la velocidad del ángulo de guiñada, y el estado medido del vehículo. Esto significa que el vehículo estará regulado hacia el estado del vehículo solicitado. Dado que el controlador de estado del vehículo está incluido en el bucle externo del controlador en cascada con un controlador de ángulo de dirección en el bucle interno, el estado del vehículo se regulará con la ayuda de un ángulo de dirección.

La función de transferencia del vehículo de la aceleración lateral o la velocidad del ángulo de guiñada al ángulo de dirección muestra un fuerte comportamiento dependiente de velocidad [Wal96], lo que significa que un controlador basado en modelo que se autoadapta automáticamente a la ganancia y dinámica actuales del vehículo es una opción adecuada de controlador.

Una suposición razonable para la función de transferencia entre la solicitud del ángulo de dirección y la velocidad de aceleración lateral o ángulo de guiñada es que esta función de transferencia está dominada por la dinámica del vehículo y su ganancia estacionaria. Esta suposición puede estar motivada por el hecho de que la dinámica del sistema 100 de dirección suele ser mucho más rápida que la del vehículo y, por lo tanto, tiene una importancia subordinada para la función de transferencia mencionada. Si la función de transferencia real del vehículo de la aceleración lateral y la velocidad del ángulo de guiñada al ángulo del volante o al ángulo de la rueda se denomina G y el equivalente del modelo 134 de vehículo se llama G0, el controlador IMC se puede escribir como se muestra a continuación, en donde el parámetro del controlador r es la constante de tiempo del controlador IMC.

_ 1 1/(2^t)

*IMC _{j s r/2-s+l} ⁽6⁾

En este caso particular, un controlador IMC también se puede expresar como un controlador PID con una parte D aproximada, en donde los parámetros de control K^p, Kⁱ y K^d se adaptan dinámicamente según el punto de funcionamiento predominante.

Para obtener una sensación de dirección correcta, se necesita un modelo de dirección o modelo 134 de vehículo. El uso de un modelo 134 de vehículo se muestra en la Figura 10 y la Figura 11. Un modelo 134 de vehículo adecuado para este propósito es un modelo de bicicleta, véase, adicionalmente, Wallentowitz [Wal 96]. En el caso casi estático (cuando la aceleración de guiñada es cero):

)

y las compensaciones dinámicas se pueden obtener a partir de Wallentowitz [Wal 96]:

^ ‘ f (parámetros de vehículo) (9)

y

(parámetros de vehículo) (10)

La invención no se limitará a estas realizaciones preferidas, sino que puede usarse para todos los tipos de vehículos u otras embarcaciones.

La invención tampoco se limita a construcciones con una cremallera 124 de dirección, sino que puede usarse para todo tipo de sistemas 100 de dirección, tales como un sistema con un brazo Pitman.

Anotación

Las siguientes anotaciones se utilizan para diferentes tipos de variables:

Á-X señal del sensor para X

>■ señal Xde un modelo casi estático

X señal Xde un modelo dinámico

Se utilizan las siguientes funciones de transferencia:

G^{s w} función de transferencia del par del volante T^d a ángulo de dirección 5

G^prw función de transferencia del par de la barra de torsión T^e al ángulo del piñón 5^p

G^bic función de transferencia desde el ángulo del volante 5 a la aceleración lateral del vehículo a^y

Se utilizan las siguientes anotaciones:

S ángulo de dirección

S.^p ángulo de piñón

velocidad de guiñada del vehículo

y aceleración de guiñada del vehículo

a distancia entre el eje delantero y el centro de gravedad

b distancia entre el eje trasero y el centro de gravedad

c rigidez de la barra de torsión

C^f rigidez en las curvas del eje delantero

C^r rigidez en las curvas del eje trasero

K^{s m} ganancia del servo actuador

K^{b c} ganancia linealizada de la curva de asistencia

K^trg ganancia linealizada del generador de referencia de par

K^arg ganancia linealizada del generador de referencia angular

K^a ganancia proporcional del generador de referencia angular

K^t ganancia proporcional del generador de referencia de par

L distancia entre ejes, es decir, L = a b

m masa del vehículo

U^x velocidad longitudinal del vehículo

U^y velocidad lateral del vehículo

a^y aceleración lateral del vehículo

Tⁱ par de estado de vehículo lateral y de guiñada

T^C par de dirección medido

T^o par de compensación

T^g,t par de fricción del neumático

T^g,s par de fricción del sistema de dirección

T^d par de amortiguación

T^d par motor

T^sa par de autoalineación del volante

T^w par de rueda

x dirección longitudinal

y dirección lateral

z dirección perpendicular a x e y

Referencias

[Sve07] Jacob Svendenius. Tire modeling and Friction Estimation. Tesis doctoral, Departamento de control automático, Universidad de Lund, Suecia, abril de 2007. ISRN LUTFD2/TFRT-0.1em-1077-0.1em-SE.

[Wal96] Henning Wallentowitz. Vertikal-/Querdynamik von Kraftfahlzeugen. Forschungsgesellshaft Kraftfahrwesen Aachen mbH, Aquisgrán, 1996.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para controlar uno o más actuadores de dirección en un sistema (100) de dirección en un vehículo que incorpora las siguientes etapas de método:

- medición de al menos una señal de entrada con la ayuda de un sensor y,

- determinación a partir de dicha señal de entrada de una medida de un par aplicado por el conductor a través de un volante (120),

en el que dicha señal de entrada de una medida de un par aplicado por el conductor a través de un volante (120) se transforma en un estado de vehículo de guiñada y/o lateral deseado, por lo que el estado de vehículo de guiñada y/o lateral mencionado se usa como una señal de entrada a un controlador para el control mencionado de uno o más actuadores de dirección,

caracterizado por que el estado de vehículo de guiñada y/o lateral se determina a partir de dicha medida de un par aplicado por el conductor a través de un volante (120) corregido con un par de compensación, en el que dicho par de compensación incluye una o más de las siguientes contribuciones de par: par de fricción del sistema de dirección, par de fricción de neumático, par de amortiguación y par de autoalineación del volante.

2. Un método según la reivindicación 1, caracterizado por que el par de compensación es una función de una o más de las siguientes variables: ángulo de dirección, velocidad del ángulo de dirección y/o aceleración del ángulo de dirección.

3. Un método según las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que el estado de vehículo de guiñada y/o lateral deseado se transforman a través de un modelo (134) de vehículo en uno o más estados del actuador de dirección.

4. Un método según la reivindicación 3, caracterizado por que el modelo (134) del vehículo es un modelo de dirección casi estático o dinámico.

5. Un método según las reivindicaciones 3 y 4, caracterizado por que el estado o estados deseados del actuador de dirección se transforma(n) en fuerzas, pares, posiciones, velocidades o aceleraciones del actuador para que la discrepancia entre el estado o estados de dirección deseado(s) y el estado o estados de dirección real(es) se minimice.

6. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,

caracterizado por que un error de estado de vehículo de guiñada y/o lateral se calcula como la diferencia entre el estado de vehículo de guiñada y/o lateral deseado y el estado de vehículo medido y/o estimado de guiñada y/o lateral.

7. Un método según la reivindicación 6, caracterizado por que un estado de vehículo de guiñada y/o lateral se transforma en un controlador (135) del vehículo en uno o más estados deseados del actuador de dirección.

8. Un método según las reivindicaciones 5-7, caracterizado por que las fuerzas, pares, posiciones, velocidades y/o aceleraciones del actuador están limitados por una desviación máxima de una curva de asistencia.

9. Un método según la reivindicación 8, caracterizado por que la curva de asistencia se implementa en forma de una función o de una tabla de interpolación.

10. Un método según la reivindicación 8 o 9, caracterizado por que cuando la limitación de la solicitud del controlador ha estado en funcionamiento durante un período de tiempo que excede un primer valor límite y/o una diferencia entre la solicitud del controlador y las limitaciones excede un segundo valor límite y/o un producto ponderado y/o integral de una o más de las desviaciones mencionadas excede un tercer valor límite, la desviación máxima se reduce de modo que la solicitud del controlador se degrada durante un tiempo determinado o durante el resto del ciclo de conducción o hasta que se haya corregido un fallo.

11. Un sistema (100) de dirección o un vehículo que contiene uno o más actuadores de dirección, al menos un sensor para la medición de al menos una señal de entrada que a partir de esta señal de entrada proporciona una medida del par aplicado por el conductor a través de un volante (120), en el que el sistema (100) de dirección contiene un bloque funcional en el que dicha medida de un par aplicado por el conductor a través de un volante (120) se transforma al estado de vehículo de guiñada y/o lateral deseado y porque el sistema (100) de dirección contiene un controlador en el que dicho estado de vehículo de guiñada y/o lateral se usa como señal de entrada para la central de uno o más actuadores de dirección,

caracterizado por que el estado de vehículo de guiñada y/o lateral se determina a partir de dicha medida de un par aplicado por el conductor a través de un volante (120) corregido con un par de compensación, en el que el par de compensación incluye una o más de las siguientes contribuciones de par: par de fricción del sistema de dirección, par de fricción de neumático, par de amortiguación y par de autoalineación del volante.

12. Un sistema (100) de dirección según la reivindicación 11, caracterizado por que el par de compensación es una función de una o más de las siguientes variables: ángulo de dirección, velocidad del ángulo de dirección y/o aceleración del ángulo de dirección.

13. Un sistema (100) de dirección según las reivindicaciones 11-12,

caracterizado por que el estado de vehículo de guiñada y/o lateral deseado se transforman a través de un modelo (134) de vehículo en uno o más estados del actuador de dirección.

14. Un sistema (100) de dirección según la reivindicación 13,

caracterizado por que el modelo (134) del vehículo es un modelo de dirección casi estático o dinámico.

15. Un sistema (100) de dirección según las reivindicaciones 13 o 14,

caracterizado por que el estado o estados deseados del actuador de dirección se transforma(n) en fuerzas, pares, posiciones, velocidades o aceleraciones del actuador para que se minimice la discrepancia entre el estado o estados de dirección deseado(s) y el estado o estados de dirección real(es).

16. Un sistema (100) de dirección según las reivindicaciones 11-15,

caracterizado por que un error de estado de vehículo de guiñada y/o lateral se calcula como la diferencia entre el estado de vehículo de guiñada y/o lateral deseado y el estado de vehículo de guiñada y/o lateral medido y/o estimado.

17. Un sistema (100) de dirección según la reivindicación 16,

caracterizado por que un estado de vehículo de guiñada y/o lateral se transforma en un controlador (135) del vehículo en uno o más estados deseados del actuador de dirección.

18. Un sistema (100) de dirección según las reivindicaciones 15-17,

caracterizado por que las fuerzas, pares, posiciones, velocidades y/o aceleraciones del actuador están limitadas por una desviación máxima de una curva de asistencia.

19. Un sistema (100) de dirección según la reivindicación 18,

caracterizado por que la curva de asistencia se implementa en forma de una función o de una tabla de interpolación.

20. Un sistema (100) de dirección según las reivindicaciones 18 o 19,

caracterizado por que cuando la limitación de solicitud del controlador ha estado en funcionamiento durante un período de tiempo que excede un primer valor límite y/o una diferencia entre la solicitud del controlador y las limitaciones excede un segundo valor límite y/o un producto ponderado y/o integral de una o más de las desviaciones mencionadas excede un tercer valor límite, la desviación máxima se reduce de modo que la solicitud del controlador se degrada durante un tiempo determinado o durante el resto del ciclo de conducción o hasta que se haya corregido un fallo.