汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感反饋技術綜述

于蕾艷， 伊劍波， 鮑長勇

(中國石油大學(華東) 機電工程學院， 山東 青島 266580)

線控轉(zhuǎn)向(Steer by Wire，簡稱SBW)系統(tǒng)在結(jié)構上取消了轉(zhuǎn)向人機接口和轉(zhuǎn)向執(zhí)行裝置之間的機械連接，且其控制靈活，目前已經(jīng)應用在飛機、汽車、船舶等交通工具及裝載機等工程機械的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中[1].隨著電動汽車的日益發(fā)展，承載眾多高科技的線控系統(tǒng)獲得了良好的發(fā)展空間，成為國內(nèi)外科研人員研究的熱點.國外大學如美國斯坦福等大學對此展開研究.美國TRW公司、福特公司、Visteon公司、Delphi公司、SKF公司等，德國ZF公司、韓國現(xiàn)代汽車公司、日本光洋公司等制造了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的物理樣機進行實驗研究.目前可檢索到美國批準的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的171項專利，歐洲批準的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的95項專利.

自2000年后，國內(nèi)許多大學如清華大學、同濟大學、北京理工大學等也針對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制策略、實驗等方面展開了研究.吉林大學基于駕駛模擬器進行了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感(road feel)反饋研究，長安大學進行了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)虛擬樣機、控制器、實驗臺的設計，江蘇大學搭建了線控轉(zhuǎn)向硬件在環(huán)實驗臺，北京工業(yè)大學進行了FlexRay通信試驗.國內(nèi)企業(yè)方面主要是奇瑞汽車研究院開展了軟硬件的研制，并申請了一些相關專利.專利數(shù)據(jù)庫可檢索到30項中國相關專利.

隨著高速公路發(fā)展和汽車速度不斷提高,轉(zhuǎn)向路感受到了越來越多的關注[2].轉(zhuǎn)向盤力反饋系統(tǒng)的設計和控制是線控系統(tǒng)研究的關鍵技術之一.通過觸感裝置設計和路感反饋控制算法可以獲得良好的駕駛感覺.

1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感反饋的典型結(jié)構及路感的機理

1.1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感反饋的典型結(jié)構

根據(jù)作用的原理不同，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)向盤阻力矩的執(zhí)行機構有基于電機提供力反饋、基于磁流變液、操縱桿、基于液壓作用等多種結(jié)構形式.

1.1.1 基于電機的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感反饋裝置

圖1為執(zhí)行機構采用電機的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構簡圖，電機可采用無刷電機.圖1中，轉(zhuǎn)向柱的一端與轉(zhuǎn)向盤連接，另一端與電機的蝸桿傳動減速器中的蝸輪連接，蝸桿與電機輸出軸連接.主控制單元發(fā)送轉(zhuǎn)向盤反饋力矩目標值到力反饋電機的驅(qū)動電路，控制電機的輸出力矩，調(diào)節(jié)路感的大小[3].

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制系統(tǒng)框圖如圖2所示.圖2中，主控制單元綜合左右橫拉桿力信號，進行力矩值查表，產(chǎn)生目標轉(zhuǎn)向盤反饋力矩值輸出到轉(zhuǎn)向盤執(zhí)行機構.

1.1.2 基于磁流變液的可調(diào)路感反饋裝置

利用磁流變液體具有“液”、“固”態(tài)瞬間轉(zhuǎn)換的可逆性和可控性對阻尼力實施控制，能量消耗較低、結(jié)構簡單、成本低廉、可靠性高.文獻[4]進行了低成本的磁流變液的測試、討論，證明其滿足力反饋安全可靠的需要[4].

1.轉(zhuǎn)向柱；2.力反饋電機；3.電機轉(zhuǎn)角傳感器；4.力反饋電機驅(qū)動電路；5.主控制單元；6.轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動電路；7.轉(zhuǎn)向電機轉(zhuǎn)角傳感器；8.轉(zhuǎn)向電機；9.絲杠傳動；10.車速傳感器；11.蝸桿傳動減速器圖1 基于電機的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構簡圖

1.轉(zhuǎn)向盤執(zhí)行機構；2.轉(zhuǎn)向盤力矩傳感器；3.轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器；4.轉(zhuǎn)向盤力反饋總成；5.車速傳感器；6.車速信號；7.前輪轉(zhuǎn)角目標值；8.車輪轉(zhuǎn)向單元；9.左橫拉桿力信號；10.右橫拉桿力信號；11.主控制單元；12.力矩目標值；13.轉(zhuǎn)向盤力矩信號；14.轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號；15.左橫拉桿力傳感器；16.右橫拉桿力傳感器；17.車輪轉(zhuǎn)角傳感器圖2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制系統(tǒng)框圖

如圖3所示，基于磁流變液的新型轉(zhuǎn)向盤觸感反饋裝置包括磁流變液、線圈、轉(zhuǎn)子、控制器等.轉(zhuǎn)向盤通過轉(zhuǎn)向軸與磁流變液觸感反饋裝置連接.殼里充滿磁流變液，轉(zhuǎn)子對磁流變液的機械阻力、粘度敏感.可采用遺傳算法進行磁流變阻尼器阻尼力與位移和速度的非線性模型參數(shù)識別.

1.轉(zhuǎn)子；2.線圈；3.磁流變液；4.轉(zhuǎn)子；5.殼；6.轉(zhuǎn)向軸；7.轉(zhuǎn)向柱罩；8. 葉片圖3 基于磁流變液的路感反饋裝置結(jié)構示意

基于磁流變液的可調(diào)路感反饋裝置工作原理見圖4.控制單元接收轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩或位置等傳感器的信號，控制線圈中的電流變化，進而控制產(chǎn)生的磁場，磁流變液的粘度隨磁場變化而變化.增加磁流變液的粘度時，轉(zhuǎn)子自由旋轉(zhuǎn)的阻力增加，駕駛員手把在轉(zhuǎn)向盤上時感受到手運動阻力的變化[5].

圖4磁流變液的路感反饋裝置的控制示意圖

1.1.3 采用操縱桿的轉(zhuǎn)向盤力反饋裝置

僅通過電子信號就可駕駛車輛，也為替代現(xiàn)有的轉(zhuǎn)向盤、踏板而開發(fā)新型的人機界面提供了機會.例如操縱桿上面設計有加速、制動、轉(zhuǎn)向的按鈕，對于有身體障礙的人士駕駛車輛有意義[6].通過駕駛員的力輸入，向線控系統(tǒng)ECU發(fā)送力信號，從而實現(xiàn)駕駛時同時轉(zhuǎn)向、制動或加速的作用.其操縱手柄可以在支撐座上自由轉(zhuǎn)動，在操縱桿底面的前后左右四個位置處采集力的信號，力的大小通過膜片彈簧的變形來體現(xiàn)，進而通過應變片的測量，得出此時駕駛員施加的力，通過系統(tǒng)ECU可以計算得到駕駛員所需要的轉(zhuǎn)角和加速或者制動的意圖[7].

1.2 路感的機理

路感是駕駛者通過汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)感受到的來自路面的反饋.反饋包括由車輛的向心加速度引起的作用在車輛輪胎上的側(cè)偏力的變化等和反映為作用于方向盤上的操舵力的變化等.路感反映轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的逆效率[2].

在機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)向力完全由駕駛員的手動操舵力矩構成，路感與反饋成正比關系.而線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于斷開了轉(zhuǎn)向盤-人機接口和轉(zhuǎn)向執(zhí)行裝置之間的機械連接，所以需要人為地向駕駛員提供轉(zhuǎn)向時的阻力，使得駕駛員獲得可靠的路感.該路感可獨立于反饋進行優(yōu)化而靈活控制.

2 汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感反饋的控制算法

針對不同的汽車、不同的道路使用條件設置相應的路感反饋算法.例如，希望直線行駛或在微小的轉(zhuǎn)向角范圍內(nèi)行駛具有強的路感.

2.1 基于車速的路感反饋控制

2.1.1 車速感應型路感反饋控制

圖5表示了不同車速、不同轉(zhuǎn)向盤輸入力矩下，力反饋電機的輸出電流大小(其中：T為駕駛員輸入的轉(zhuǎn)向盤力矩；I為力反饋電機的電流；Ta、Tmax為根據(jù)經(jīng)驗確定的閾值).力反饋電機的力特性指電動機的輸出動力隨汽車運動狀況和受力狀況發(fā)生變化而變化的規(guī)律，應綜合考慮轉(zhuǎn)向輕便性和路感靈敏性的要求確定力反饋電機的力特性.在原地轉(zhuǎn)向或低速轉(zhuǎn)向時，即當轉(zhuǎn)向阻力比較大時，為了降低駕駛員勞動強度，電流應稍小一些；隨著車速的增大，即當轉(zhuǎn)向阻力比較小時，為了保持良好的路感，應輸出較大一點的電流；在車輪轉(zhuǎn)向阻力從0到一定值時，電機電流應上升迅速，以保證電機良好的起動；相反，當轉(zhuǎn)向阻力達到一定的范圍內(nèi)，電機電流上升應比較緩慢，以保證良好的路感[8].

2.1.2 基于車速等補償?shù)霓D(zhuǎn)向力反饋控制

如圖6所示，力反饋子系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向盤執(zhí)行機構、控制器、輪胎回正力傳感器等.控制器預先儲存了一系列以輪胎回正力傳感器的監(jiān)測信號b為參數(shù)的函數(shù).根據(jù)b值，選擇最優(yōu)函數(shù).根據(jù)輸入的檢測信號和所選擇的函數(shù)，計算出驅(qū)動信號c輸出到轉(zhuǎn)向盤執(zhí)行機構.

圖5 力反饋電機的輸出力特性

圖6 進行車速等補償?shù)霓D(zhuǎn)向力反饋控制示意圖

圖7 轉(zhuǎn)向盤反饋力-輪胎力的函數(shù)關系

圖8 轉(zhuǎn)向盤反饋力與車速和輪胎力的關系

圖 7為轉(zhuǎn)向盤反饋力-輪胎力的函數(shù)關系，轉(zhuǎn)向盤反饋力-輪胎力的函數(shù)關系分為3個區(qū)間.圖8中，聯(lián)合運用車速傳感器和輪胎力傳感器檢測車輛的運行狀態(tài)，進行車速補償保持車輛穩(wěn)定.車速低于某預定值時，轉(zhuǎn)向盤反饋力增加；車速高于某預定值時，轉(zhuǎn)向盤反饋力減少[9].另外，可以增加基于其它傳感器的補償，如轉(zhuǎn)向盤反饋力、操縱加速度、環(huán)境溫度、路面干濕情況等，增加相應的函數(shù)關系.

2.2 基于駕駛員控制力和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的路感反饋

文獻[10]根據(jù)駕駛員的控制力和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角2個參數(shù)設計了路感控制策略，設計了模糊PID控制器實時控制路感模擬電機，低速轉(zhuǎn)向輕便，高速轉(zhuǎn)向清晰穩(wěn)定.

2.3 基于車輛模型和觀測器的路感反饋

2.3.1 基于電流傳感器的路感反饋

文獻[11]采用便宜簡單的電流傳感器直接測量電機電流，可間接測量作用在轉(zhuǎn)向機構上的轉(zhuǎn)向力矩.該轉(zhuǎn)向力矩包括了道路條件、回正力矩、輪胎特性等的影響.根據(jù)轉(zhuǎn)向盤運動的頻率特性、基于力矩圖方法改善線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能.基于LabVIEW的仿真驗證了該方法容易實現(xiàn)真實的駕駛感覺，改善了穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向盤的回正能力.

2.3.2 基于虛擬車輛參考模型和觀測器估計的路感反饋

輪胎與地面相互作用、車輛動力學等產(chǎn)生的道路反饋信息對于路感反饋的質(zhì)量非常重要.但由于力傳感器成本高、魯棒性差，所以可以采用輪胎力估計方法.文獻[12]將摩擦力建模為隨機Gauss-Markov過程，設計了擴展卡爾曼濾波器估計輪胎阻力矩.實驗驗證了該方法的可行性和有效性.

文獻[13]建立了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模型，得到了轉(zhuǎn)向回正力矩的公式，利用二自由度整車模型作為虛擬車輛參考模型估計產(chǎn)生駕駛員熟悉的力反饋.

非線性跟蹤控制器根據(jù)觀測器提供與輪胎-道路的回正力矩成比例的可調(diào)力反饋.不需利用力矩傳感器測量力矩.在不同駕駛工況下驗證了路感反饋控制器的性能[14].

2.4 基于駕駛員喜好的可配置路感反饋

文獻[15]研究了滿足客戶喜好的多模式人機界面，提供了可調(diào)增益，允許強調(diào)不同反饋因素，如轉(zhuǎn)向剛度、阻尼、回正力矩、極限位置、靜摩擦等.評價了控制、自信，容易操縱，安全性.實驗結(jié)果和主觀、客觀駕駛員在回路結(jié)果表明，利用可配置力反饋方法改善了駕駛員的感覺.

文獻[16]基于中國駕駛員轉(zhuǎn)向力喜好函數(shù)進行了路感的優(yōu)化.轉(zhuǎn)向力是車速、側(cè)向加速度的函數(shù).轉(zhuǎn)向力隨車速、側(cè)向加速度增加而增加，加速度比較高時，力矩梯度為負，提醒駕駛員前輪要達到附著極限.利用駕駛模擬器的29自由度模型實驗，通過修改的轉(zhuǎn)向力特性，表明傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的死區(qū)消除，中間位置的非線性減弱，轉(zhuǎn)向感覺更平順，舒適.

文獻[17]針對不同的駕駛?cè)蝿赵O置不同的轉(zhuǎn)向盤動力學特性(修改轉(zhuǎn)向盤剛度、阻尼和轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù))，通過移線時間等指標評價駕駛性能.實驗結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向盤動力學特性應該與不同的駕駛?cè)蝿沼嘘P.

3 路感反饋的控制方法

3.1 轉(zhuǎn)向力反饋的經(jīng)典控制方法

文獻[17]通過對汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感的理論分析，建立了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學模型.采用卡爾曼濾波技術對汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)齒條受力進行估計，設計復制電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感模擬方法.試驗結(jié)果表明，路感模擬方法可以使駕駛員獲得有效的路感信息，提高了汽車的操縱性和舒適性.

3.1.1 反饋型

圖9所示為前饋+反饋型轉(zhuǎn)向力反饋控制流程.轉(zhuǎn)向盤力矩反饋值的參考，可分為高頻和低頻2種譜組分，其高頻成分駕駛員可即刻感知獲得滿意的觸覺感覺.轉(zhuǎn)向盤力矩反饋參考值經(jīng)過前饋和反饋環(huán)節(jié).在前饋環(huán)節(jié)，一階頻率濾波器只允許其超過預設的一階截止頻率的譜成分通過，之后信號經(jīng)過為車速函數(shù)的調(diào)制環(huán)節(jié)，作為前饋環(huán)節(jié)的最終值.在反饋環(huán)節(jié)，二階頻率濾波器只允許其低于預設的二階截止頻率的譜成分通過，之后信號經(jīng)過為車速函數(shù)的調(diào)制環(huán)節(jié).調(diào)制后的信號與轉(zhuǎn)向盤力矩傳感器的信號值的差經(jīng)過補償環(huán)節(jié)(保證穩(wěn)定性、提供充分的道路信息反饋)作為反饋的最終值.前饋和反饋的最終值合成后輸入到轉(zhuǎn)向盤執(zhí)行機構，以期在駕駛員操縱的帶寬范圍內(nèi)提供期望的力反饋水平、增強轉(zhuǎn)向感覺、增加對干擾的不敏感性等[18].

1.目標轉(zhuǎn)向盤反饋力矩值；2.基于一階頻率的高通濾波器；3，7.車速調(diào)制；4.駕駛員輸入；5.轉(zhuǎn)向盤執(zhí)行機構；6.基于二階頻率的低通濾波器； 8.基于頻率的補償器；9.轉(zhuǎn)向盤力矩傳感器信號圖9前饋+反饋型轉(zhuǎn)向力反饋控制流程

3.1.2 PID控制方法

文獻[19]設計了線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，實現(xiàn)基于模糊PID控制的路感反饋，實現(xiàn)理想的路感特性.文獻[20]分析了輪胎和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力學特性，建立了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方向盤力回饋模型，利用PID算法對系統(tǒng)進行優(yōu)化，仿真結(jié)果表明該模型能夠滿足路感要求.

3.2 路感反饋的現(xiàn)代控制方法

文獻[21]研究汽車轉(zhuǎn)向盤力特性與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車速、側(cè)向加速度及轉(zhuǎn)向阻力矩的關系,運用多變量模糊控制技術研究了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感，通過ADAMS提供離線汽車數(shù)據(jù),在Matlab /Simulink中對路感多變量模糊控制器進行了仿真.進行了硬件在環(huán)試驗，給出了路感多變量模糊控制的一種參數(shù)調(diào)整方法以及路感數(shù)據(jù).仿真同硬件在環(huán)仿真結(jié)果基本一致，驗證了路感多變量模糊控制方法可行.

文獻[22]設計了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡整定的自適應PID控制器，實現(xiàn)了PID參數(shù)的在線調(diào)整.仿真和實驗結(jié)果表明，該控制器可使線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實現(xiàn)理想的路感特性.

文獻[23]建立了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方向盤模塊的動力學模型，提出了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感的分層控制策略.上層控制策略主要是研究不同車速和方向盤轉(zhuǎn)角下方向盤的目標回正力矩;下層控制策略主要是通過分數(shù)階PIλDμ控制器，根據(jù)已經(jīng)確定的方向盤目標回正力矩對路感模擬電機進行實時控制，以實現(xiàn)駕駛員的路感模擬和方向盤的回正.仿真結(jié)果表明，所設計的分數(shù)階PIλDμ控制器能很好地滿足實際需要.

文獻[24]針對車輛線控轉(zhuǎn)向路感模擬控制受外界擾動大、建模困難等問題，基于線性自抗擾控制技術設計了一種車輛線控轉(zhuǎn)向路感模擬控制算法.建立了線控轉(zhuǎn)向路感控制仿真模型，包括駕駛員模型、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型、兩自由度車輛模型、輪胎模型及控制器模型等，在給定道路函數(shù)條件下進行了系統(tǒng)仿真驗證.結(jié)果表明，所設計的線性自抗擾控制器可以實現(xiàn)強魯棒和高精度的車輛線控轉(zhuǎn)向路感模擬控制.

文獻[25]考慮了系統(tǒng)不確定性設計H∞控制器，確保穩(wěn)定性和魯棒性.

4 汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力反饋控制的驗證實驗

汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的實驗包括硬件在環(huán)實驗、駕駛模擬器實驗[26]和實車實驗.如圖10所示，線控轉(zhuǎn)向硬件在環(huán)系統(tǒng)包括：汽車動力學模型、控制算法等軟件部分和上位機、下位機、執(zhí)行器、電機驅(qū)動電路、傳感器等硬件部分[25].啟動仿真后，下位機根據(jù)上位機傳來的車輛運行狀態(tài)參數(shù)、駕駛員輸入、傳感器信號等運算出控制信號給電機驅(qū)動器并把反饋信號給上位機，驅(qū)動器根據(jù)控制參數(shù)控制執(zhí)行電機運行，傳感器將轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩信號給下位機[27].

圖10 線控轉(zhuǎn)向硬件在環(huán)系統(tǒng)結(jié)構框圖

文獻[28]針對路感特性試驗的需求選用了試驗儀器，然后明確了試驗條件，最后確定了試驗方法.經(jīng)過大量的分析研究發(fā)現(xiàn)，汽車在行駛中轉(zhuǎn)向輪的橫擺角加速度包含有路感原始量的全部信息，此外，路感還與汽車行駛速度有關.因此，該項試驗內(nèi)容至少應包括轉(zhuǎn)向盤的反作用力矩、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向輪橫擺角加速度和汽車的行駛速度.汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力反饋控制策略的效果可通過方向盤輕便性、回正性試驗等驗證[29].

5 結(jié)論

(1)汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的機械連接，結(jié)構簡單，轉(zhuǎn)向盤力反饋裝置可采用電機、磁流變液等多種形式進行模塊化設計.

(2)可采用模糊控制、魯棒控制、PID等多種線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力反饋控制策略，根據(jù)車速、轉(zhuǎn)向盤力矩等傳感器信息實時向駕駛員提供轉(zhuǎn)向阻力矩，優(yōu)化轉(zhuǎn)向感覺，提高穩(wěn)定性.因而，汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)值得深入研究，推廣使用.

(3)應通過更多硬件在環(huán)實驗和實車試驗驗證路感反饋的效果，確定路感的評價指標.

(4)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與線控制動系統(tǒng)集成，轉(zhuǎn)向路感與制動踏板感覺聯(lián)合優(yōu)化，可以改善駕駛感覺，提高舒適性.

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