具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本公开实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

如背景技术部分所示，现有商用车的转向助力模式通常采用液压助力或电机助力加液压助力，申请人在实现本公开的过程中发现，转向助力系统的结构参数设计的不合理时，对质量重、载荷大的商用车的助力效果并不明显，助力状态也不稳定，还会导致大量能量损失的问题。

有鉴于此，本公开实施例提供了一种转向助力系统结构参数的优化方案，首先构建转向助力系统的数学模型，再根据转向助力系统的数学模型在仿真软件中建立转向助力系统的物理模型，最终根据遗传算法确定转向助力系统结构参数的最优解，能够提升转向助力系统的助力效果，使助力状态保持稳定，并减少助力能量的损失。

以下，通过具体的实施例来详细说明本公开的技术方案。

参考图1，本公开一个实施例的转向助力系统结构参数的优化方法，应用于重型商用车，包括以下步骤：

步骤S101，构建转向助力系统的数学模型。

在本步骤中，所述转向助力系统的数学模型包括转向助力系统机械结构数学模型、助力电机数学模型以及循环球式转向器的液压助力数学模型。

其中，所述转向助力系统机械结构数学模型包括转向盘和转向管柱数学模型、转角转矩传感器数学模型、减速机构数学模型以及螺母和齿扇数学模型。

可选的，构建转向盘和转向管柱数学模型包括：根据转向输入轴角加速度，转向输入轴角速度，施加在方向盘上的转矩和转角转矩传感器测得的转矩，构建转向盘和转向管柱数学模型。

需要说明的是，所述转向盘和转向管柱数学模型的表达式为：

其中，表示转向盘的转向输入轴的转动惯量，表示转向输入轴的角加速度，表示转向输入轴的黏性阻尼系数，表示转向输入轴的角速度，表示施加在方向盘上的转矩，表示转角转矩传感器测得的转矩。

另外，为转向输入轴的转角的一阶导数，为转向输入轴转角的二阶导数，因而能够通过和求得转向输入轴的转角。

根据转向输入轴的转角，转向螺杆转角和转角转矩传感器测得的转矩，构建转角转矩传感器数学模型。所述转角转矩传感器数学模型的表达式为：

其中，表示扭杆刚性系数，表示转向螺杆转角。

所述减速机构数学模型包括输出轴和转向螺杆数学模型。其中，构建输出轴和转向螺杆数学模型包括：根据转向螺杆角加速度，转向螺杆角速度，输出轴上传递的转矩，转角转矩传感器测得的转矩，转向螺杆的轴向工作载荷和施加在转向螺杆的轴向载荷到转向螺杆中心的距离，构建输出轴和转向螺杆数学模型。

具体的，所述输出轴和转向螺杆数学模型的表达式为：

其中，表示转向螺杆与CVT变速器的输出轴的等效转动惯量，表示转向螺杆角加速度，表示转向螺杆与输出轴的等效粘性阻尼系数，表示转向螺杆角速度，表示输出轴上传递的转矩，F表示转向螺杆的轴向工作载荷，l表示施加在转向螺杆的轴向载荷到转向螺杆中心的距离。

l的表达式为：

其中，表示螺旋线升程角，表示循环球螺杆副的当量摩擦角，表示钢球中心距，表示钢球直径。

相应的，为的一阶导数，为的二阶导数，对进行求导能够得到和。

根据螺母移动的加速度，螺母的移动速度，作用在螺母上的轴向力，齿扇上传递的转矩，以及齿扇的角加速度，齿扇的角速度以及转向阻力等效到摇臂轴上的转矩构建所述螺母和齿扇数学模型。所述螺母和齿扇数学模型的表达式为：

其中，m表示螺母的质量，表示螺母移动的加速度，表示螺母的粘性阻尼系数，表示螺母的移动速度，表示作用在螺母上的轴向力，表示齿扇上传递的转矩，r _w 表示齿扇节圆半径，表示齿扇的转动惯量，表示齿扇的角加速度，表示齿扇的粘性阻尼系数，表示齿扇的角速度，表示转向阻力等效到摇臂轴上的转矩。

需要说明的是，和为大小相等、方向相反的两个力；为螺母的位移x的一阶导数，为螺母的位移x的二阶导数，对螺母的位移x进行求导能够得到和；为齿扇转角的一阶导数，为齿扇转角的二阶导数，对齿扇转角进行求导能够得到和。

当转向螺杆转过的角度为时，螺母移动位移的表达式为：

其中，P表示转向螺杆的螺距。

进一步的，构建所述助力电机数学模型，包括：根据电机轴角加速度，电机轴角速度，电机电枢电流，输出轴上传递的转矩，以及电枢电感，电枢电阻，反电动势和电枢两端电压构建所述助力电机数学模型。

所述助力电机数学模型的表达式为：

其中，表示电机转动惯量，表示电机轴角加速度，表示电机轴阻尼系数，表示电机轴角速度，表示电机反电动势，表示电机电枢电流，表示CVT变速器的传动比，表示电枢电感，t表示时间，表示电枢电阻，表示反电动势，表示电枢两端电压。

相应的，为电机转动角度的一阶导数，为电机转动角度的二阶导数，通过对电机转动角度进行求导能够得到和。

进一步的，参考图2，所述循环球式转向器的液压助力数学模型包括转阀模型，构建所述转阀模型的步骤包括：

基于流量平衡公式和薄壁小孔原理，得到流经每个节流阀的流量，其表达式为：

其中，Q₁，Q₂，Q₃，Q₄分别表示流经4个不同节流阀的流量，C _q 表示流量系数，A₁，A₂，A₃，A₄分别表示4个不同节流阀的开口面积，P _S 表示转阀回路的进油压力，P _A 表示动力缸进油压力，P _B 表示动力缸出油压力，P _T 表示储油罐压力，表示液压油密度。

基于所述每个节流阀的流量，得到每个所述节流阀两侧的压力差，其表达式为：

将所述压力差的表达式作为所述转阀模型。所述转阀的通流面积的表达式为：

其中，A表示转阀的通流面积，W ₁ 表示阀套槽轴向长度，W ₂ 表示小坡口的轴向长度，d ₁ 表示阀口的节流宽度，d ₂ 表示阀芯棱边的节流宽度，表示转阀产生的相对转角，和均表示转阀相对角特殊值。

液压缸流量方程的表达式为：

其中，Q _S 表示液压回路进油口流量，A _P 表示液压缸有效面积，x _r 表示液压缸的杆位移，且液压缸的杆位移与螺母的位移x相等。

步骤S102，基于所述转向助力系统的数学模型，在仿真软件中建立所述转向助力系统的物理结构模型。

在本步骤中，可在仿真软件Simulink/Simscape中建立转向助力系统的物理结构模型，对转向助力系统进行物理模型仿真。此处的物理结构模型实际是数学模型在仿真软件中的体现，与数学模型表达的内容一致。

步骤S103，根据遗传算法对所述转向助力系统的物理结构模型中待优化的结构参数进行优化，以确定最优的所述转向助力系统结构参数组合，并根据最优的所述转向助力系统结构参数组合，优化转向助力系统。

在本步骤中，根据所述转向助力系统的数学模型，选取所述转向助力系统的物理结构模型中待优化的结构参数，其中所述待优化的结构参数包括所述转向盘的转向输入轴的转动惯量、所述转向输入轴的黏性阻尼系数、所述扭杆刚性系数、所述转向螺杆与输出轴的等效转动惯量、所述转向螺杆与输出轴的等效粘性阻尼系数、所述齿扇的转动惯量、所述螺母的粘性阻尼系数以及所述齿扇的粘性阻尼系数。

基于预设的结构参数上下限，利用遗传算法对所述待优化的结构参数进行优化，直至得到所述待优化的结构参数的最优解。

需要说明的是，根据施加在方向盘上的转矩T _h ，由转向盘和转向管柱数学模型得到转向输入轴角加速度和转向输入轴角速度，进而得到转向输入轴转角；将转向输入轴转角输入至转角转矩传感器数学模型中，能够求得转向螺杆转角；对转向螺杆转角分别求一阶导数和二阶导数，得到转向螺杆角速度和转向螺杆角加速度，从而根据输出轴和转向螺杆数学模型得到输出轴上传递的转矩T _wg 和转向螺杆的轴向工作载荷F，由轴向工作载荷F能够得到与其大小相等、方向相反且作用在螺母上的轴向力，进一步通过螺母和齿扇数学模型求得齿扇上传递的转矩T _CS 、螺母的移动速度以及螺母移动的加速度，进一步求得螺母的位移x；根据给定的电机电枢电流i _a 和输出轴上传递的转矩T _wg ，由助力电机数学模型得到电机轴角加速度和电机轴角速度，进而得到电机转动角度；因为螺母的位移x与液压缸的杆位移x _r 相等，所以能够通过液压缸流量方程得到转阀回路进油口压力P _S 。

当待优化的结构参数确定后，需要确定转向助力系统优化的目标，即确定转向助力系统的输出性能。可选择转向阻力等效到摇臂轴上的转矩T _p 与施加在方向盘上的转矩T _h 的跟随性能作为评判转向助力系统优化性能的标准；也可以采用齿扇转角与转向输入轴转角的跟随性能作为评判转向助力系统优化性能的标准；还可以对上述两种方式的进行结合作为评判转向助力系统优化性能的标准，其表达式如下：

其中，V表示待优化的结构参数的矩阵，表示在t _k 时刻，优化参数值为V时的转向阻力等效到摇臂轴上的转矩，表示在t _k 时刻，施加在方向盘上的转矩T _h ，表示在t _k 时刻，优化参数值为V时的齿扇转角，表示在t _k 时刻的齿扇转角。

可见，本公开提出的技术方案，能够选择合理的结构参数，对转向助力系统的实物进行加工，明显改善了转向助力系统的助力效果，且能够保证助力状态的稳定性，避免造成助力能量损失。

在一些实施例中，基于预设的结构参数上下限，利用遗传算法对所述待优化的结构参数进行优化，直至得到所述待优化的结构参数的最优解具体包括：

在Simulink/Simscape中通过上述预设的方向盘转矩，对转向助力系统的初始参数进行设置，生成待优化的结构参数的初始化种群，并利用遗传算法进行迭代循环，计算适应度函数；根据得到的适应度函数值，通过“轮盘赌”方法选出下一代的染色体进行选择、交叉、变异操作优化种群，迭代完成后能够得到最优的转向助力系统结构参数组合。

需要说明的是，本公开实施例的方法可以由单个设备执行，例如一台计算机或服务器等。本实施例的方法也可以应用于分布式场景下，由多台设备相互配合来完成。在这种分布式场景的情况下，这多台设备中的一台设备可以只执行本公开实施例的方法中的某一个或多个步骤，这多台设备相互之间会进行交互以完成所述的方法。

需要说明的是，上述对本公开的一些实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于上述实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本公开还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上任意一实施例所述的转向助力系统结构参数的优化方法。

图3示出了本实施例所提供的一种更为具体的电子设备硬件结构示意图，该设备可以包括：处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040和总线 1050。其中处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040通过总线1050实现彼此之间在设备内部的通信连接。

处理器1010可以采用通用的CPU（Central Processing Unit，中央处理器）、微处理器、应用专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本说明书实施例所提供的技术方案。

存储器1020可以采用ROM（Read Only Memory，只读存储器）、RAM（Random AccessMemory，随机存取存储器）、静态存储设备，动态存储设备等形式实现。存储器1020可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本说明书实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存储器1020中，并由处理器1010来调用执行。

输入/输出接口1030用于连接输入/输出模块，以实现信息输入及输出。输入输出/模块可以作为组件配置在设备中（图中未示出），也可以外接于设备以提供相应功能。其中输入设备可以包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、各类传感器等，输出设备可以包括显示器、扬声器、振动器、指示灯等。

通信接口1040用于连接通信模块（图中未示出），以实现本设备与其他设备的通信交互。其中通信模块可以通过有线方式（例如USB、网线等）实现通信，也可以通过无线方式（例如移动网络、WIFI、蓝牙等）实现通信。

总线1050包括一通路，在设备的各个组件（例如处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040）之间传输信息。

需要说明的是，尽管上述设备仅示出了处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040以及总线1050，但是在具体实施过程中，该设备还可以包括实现正常运行所必需的其他组件。此外，本领域的技术人员可以理解的是，上述设备中也可以仅包含实现本说明书实施例方案所必需的组件，而不必包含图中所示的全部组件。

上述实施例的电子设备用于实现前述任一实施例中相应的转向助力系统结构参数的优化方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本公开还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如上任一实施例所述的转向助力系统结构参数的优化方法。

本实施例的计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存（PRAM）、静态随机存取存储器（SRAM）、动态随机存取存储器（DRAM）、其他类型的随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器（CD-ROM）、数字多功能光盘（DVD）或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。

上述实施例的存储介质存储的计算机指令用于使所述计算机执行如上任一实施例所述的转向助力系统结构参数的优化方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围（包括权利要求）被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本公开实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本公开实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路（IC）芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本公开实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本公开实施例的平台的（即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内）。在阐述了具体细节（例如，电路）以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本公开实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构（例如，动态RAM（DRAM））可以使用所讨论的实施例。

本公开实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本公开实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。