汽車線控轉向系統容錯和故障診斷技術綜述

于 蕾 艷

(中國石油大學(華東) 機電工程學院，山東 青島 266580)

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汽車線控轉向系統容錯和故障診斷技術綜述

于 蕾 艷

(中國石油大學(華東) 機電工程學院，山東 青島 266580)

分析了線控轉向系統的基本結構、應用和容錯要求；研究了線控轉向系統傳感器、電子控制單元、執行機構、通信網絡、電源等關鍵部件的容錯方法,以及國內外研究現狀，包括基于觀測器的解析冗余方法等；分析了線控轉向系統故障診斷方法的國內外研究現狀。為提高線控轉向系統的容錯和故障診斷能力、實現批量化生產等提供借鑒。

車輛工程；汽車線控轉向系統；容錯；故障診斷；可靠性

源于飛機線控操縱的汽車線控轉向技術符合汽車安全、節能、環保的要求，是汽車結構的重要變革。由于線控轉向(Steer-By-Wire,SBW)系統在轉向盤和轉向輪之間不存在機械連接，而代之以電子連接方式，具有很多優點，例如減少了在車輛碰撞時對駕駛員的傷害；采用電力驅動，無轉向液，實現環保；輕量化，可模塊化靈活設計；提高動力學控制的靈活性，實現主動轉向和路感優化，改善了車輛的主動安全性、操縱穩定性等[1]。

但是正由于線控轉向系統在轉向盤和轉向輪之間不存在機械連接，電子設備的魯棒性比機械、液壓部件低，電子部件可能毫無預警信號的發生故障。某個傳感器、執行機構或電子控制單元發生故障時，必須快速以容錯方式處理，否則將發生不期望的轉向。因此，亟待提高的容錯與故障診斷技術是線控轉向技術能夠產業化的關鍵技術之一[1]。筆者在大量文獻調研的基礎上，分析研究線控轉向系統容錯與故障診斷技術方面國內外研究方法、取得進展等，為深入研發具有高度安全性、可靠性的線控轉向系統提供借鑒。

1 汽車線控轉向系統分析

1.1 汽車線控轉向系統基本結構和功能

圖1為純線控、無機械或液壓備份系統的汽車線控轉向系統基本結構示意。包括傳感器、控制器、執行器、通信網絡等[2]。其主要功能仍然是轉向和通過轉向盤給駕駛員轉向力反饋兩方面，但其執行機構采用電機。

對于轉向功能，安裝在短轉向柱上的轉向盤轉角、力矩傳感器檢測轉向盤轉角、力矩，輸入電子控制單元(ECU)，ECU識別駕駛員轉向意圖，根據轉向控制算法控制轉向執行機構實現預期車輪轉角。對于路感反饋功能，傳感器檢測作用在轉向輪上的力，ECU根據路感控制算法控制力反饋裝置提供給駕駛員可調的轉向阻力矩，改善駕駛員對于車輛狀態的感覺。

圖1 線控轉向系統基本結構示意Fig.1 Basic structure schematic diagram of steer-by-wire

1.2 汽車線控轉向系統的應用

1996年，7個汽車公司和兩所大學參與了歐盟資助的線控項目。美國、日本、德國、中國等許多國家的大學、公司相繼展開了線控轉向系統設計、控制、容錯等方面研究，制造出線控轉向系統樣機。各類電動汽車、巡航輔助高速公路系統、先進的安全車輛、智能交通車輛采用線控轉向系統，大大降低駕駛員的駕駛負荷，改善車輛動力學控制性能。時間觸發架構(Time-Triggered Architecture，TTA)工作組研究農用拖拉機、叉車、輪式裝載機等非公路車輛線控轉向系統，降低操作者的操作負荷[2]。

1.3 汽車線控轉向系統的容錯要求

線控轉向系統實現上路行駛要求的主要挑戰是保證可靠性、安全性、成本降低到合理水平。采用機械轉向系統備份，可以實現在線控轉向系統發生故障時由機械轉向系統實現轉向功能，但其結構復雜，僅是現階段的過渡方案，最終的方案是無機械、液壓系統備份的純線控轉向系統。線控轉向系統是基于微處理器控制器、傳感器、電子控制的執行機構的控制系統，某個部件發生故障時必須容錯，確保系統繼續工作。故障是系統外部狀態的偏離，由磨損、老化、受熱、機械壓力等引起。提高可靠性的方法包括設計、研發、試驗階段防止故障產生；系統運行中容錯；故障診斷與根除；基于對系統屬性的測量、計算進行故障預測以評價系統可靠性等[3]。

2 線控轉向系統的容錯技術

容錯技術多采用冗余原則，包括被動冗余方案與主動冗余方案，被動冗余方案中冗余部分作為備份，只有系統出現故障時才工作；主動冗余方案中，冗余部分與系統并行工作。有系統重構策略和故障隱蔽策略兩種容錯策略，系統重構策略包括故障檢測、故障定位發現故障源、系統恢復三步；故障隱蔽策略采用復制方法，不涉及故障檢測和對檢測故障的恢復[3]。

線控轉向系統的容錯方法主要包括硬件冗余容錯方法和軟件容錯方法等。

2.1 汽車線控轉向系統的硬件冗余容錯結構

硬件冗余是在線控轉向系統基本結構的基礎上將一些關鍵電子部件如傳感器、執行機構、通信網絡、電源等兩倍、甚至三倍冗余，三倍冗余成本較高，多采用兩倍冗余。圖2為線控轉向系統轉向子系統兩倍硬件冗余容錯結構示意。兩個電機均與蝸桿連接，蝸桿傳動減速器驅動雙小齒輪-齒條轉向機構。每個電機控制器實現內環閉環電機力矩控制和電機故障檢測。兩個微控制器通過仲裁總線互相連接，實現轉向輪控制[4]。如果某個部件發生故障，其備用部件工作，車輛繼續安全駕駛，即單個故障容錯。

圖2 線控轉向系統轉向子系統硬件冗余容錯結構示意

2.2 關鍵部件的容錯方法

僅通過硬件冗余實現容錯的線控轉向系統缺點是結構復雜，成本較高。為了降低成本，不犧牲容錯性能的前提下必須降低冗余部件的總數。方法之一是利用解析冗余，線控轉向系統大多采用軟件冗余(完整性控制)與硬件冗余相結合的容錯控制方法[5]。

2.2.1 傳感器的容錯方法

傳感器是考慮容錯的主要部件之一。解析冗余方法比較測量數據和已知數學模型，簡單靈活、成本低，優于硬件冗余。利用車輛和線控轉向系統的合并模型設計全狀態觀測器估計車身側偏角。由質心側偏角觀測、車輛橫擺角速度、轉向電機電流測量值等估計轉向輪轉向角，這為ECU增加了一個轉向輪轉向角值，與物理傳感器比較。轉向角分析值越多，系統越魯棒。Simulink仿真結果表明，對于單點故障，基于觀測器的解析冗余方法降低冗余傳感器總數而保持高可靠性，達到和全硬件冗余系統一樣高的容錯水平[4]。可利用非線性觀測器的基于解析冗余的預測容錯控制[6]。

基于多維Gauss 隱藏Markov模型的容錯控制策略，利用硬件冗余方法建立轉向盤轉角傳感器容錯控制策略。硬件在環試驗驗證有效改善了線控轉向車輛不發生傳感器故障的可靠性和安全性[7]。

采用基于魚群算法優化的最小二乘支持向量回歸機方法，利用魚群算法的尋優能力迭代求解最小二乘支持向量回歸機中的矩陣方程組，將訓練好的回歸機用于質心側偏角的預測輸出，代替傳統觀測器的估計輸出。減少計算時間，提高回歸機訓練效率；相比觀測器，有較好的抗干擾能力[1]。

2.2.2 電子控制單元的容錯方法

可重構容錯控制律由線性反饋控制律和基于在線優化的控制分配器組成，控制器設計方法根據控制分配器的非線性輸入-輸出特性保證系統閉環穩定性[8]。

圖3中，兩個微控制器采用主從結構，主控制器實現所有的控制功能，從控制器提供冗余。主控制器發生故障時，由從控制器控制。每個微控制器發送表明其故障狀態的數字輸出信號到另一個微控制器的輸入端口，當主控制器發生故障時，從控制器接收到主控制器的低信號，自動重配置進行控制[9]。在Visteon底盤先進技術部的線控轉向試驗臺進行容錯試驗，發生某個電機控制環或微控制器等單點故障時，雙控制器架構自動平順重構，不降低控制系統性能。

圖3 容錯控制器Fig.3 Schematic diagram of fault tolerant controller

利用試驗臺架的硬件在環仿真結果表明，基于分布式處理和異常決策機制的電子控制單元雙核容錯控制架構和協調機制可行，有效改善了ECU的可靠性和安全性[10]。

2.2.3 執行機構的容錯方法

執行機構容錯可采用多個執行機構并行、靜態或動態冗余；或執行機構里可靠性低的部件采用冗余，例如電機可采用三個繞組。利用最小方差方法、直流電機模型離線辨識電機相關參數；基于自適應Kalman濾波技術在線估計參數。在線估計和離線估計的對比結果、車輛試驗等表明，容錯控制有效改善了線控轉向系統可靠性和安全性。如圖2，采用雙電機分別驅動轉向機構，一個電機產生故障時，另一個電機驅動，實現轉向功能[10]。

2.2.4 通信網絡容錯的容錯方法

轉向系統要滿足功能和安全性要求，需要容錯的數據通信架構。TTA線控轉向工作組致力于線控轉向系統參考框架，如農用拖拉機為75/321/EEC[2]。自2002年，已經成功推廣了時間觸發框架，是可實現高可靠性的實時系統的分布式的計算機架構，可確保最壞的情況下數據總線仍能傳輸最重要的消息。TTA系統的硬件和軟件實現都具有容錯性。硬件容錯依賴冗余節點和多個信道，軟件利用控制基本服務的算法容錯。如UN ECE 79 R2第一次為線控轉向系統上路許可提供了基礎。

利用狀態傳遞圖建模單信道線控轉向系統，分析系統特性和故障事件率之間的關系，進行有備份信道的容錯系統的功能安全性分析，研究故障事件率與主信道故障率的關系，主信道故障的檢測速度等[11]。

2.2.5 電池的容錯方法

利用安培小時方法、開路電壓方法、擴展Kalman濾波方法等有效估計荷電狀態，判斷動力電池是否能保證性能，必要時激活容錯控制。通過冗余電池并聯連接獲得電池容錯控制[12]。

2.3 其它容錯方法

日本JTEKT公司研究基于轉向、制動、加速的多樣性容錯架構，包括線控轉向系統、在線控轉向發生故障時利用制動、加速實現轉向的后備系統，其后備轉向功能基于駕駛員制動、加速意圖選擇。駕駛模擬器研究表明，在高速公路上前方避障期間，線控轉向系統發生故障時，駕駛員仍然可通過轉向盤操縱車輛，避免了線控轉向系統過度冗余引起的成本和體積增加問題[13]。

3 線控轉向系統的故障診斷研究

系統故障按故障本質分為硬件故障和軟件故障；按故障持續時間分為永久性故障、瞬時故障和間歇故障；按故障活動性分為潛伏故障和活動故障等；按故障域分為內容故障、時間故障；按故障可檢測性分為信號揭示故障和無信號揭示故障；按故障后果分為無害故障、微小故障、危險故障、災難性故障等[3]。

3.1 關鍵部件的故障診斷

3.1.1 傳感器的故障診斷

為使系統魯棒，傳感器測量必須準確可靠，必須消除有故障的信號以防止不期望的轉向效果。基于測量信號的故障診斷方法包括門限值檢查、真實值檢查；對于單周期隨機信號的基于信號模型的方法；對于兩個或多個相關信號的基于過程模型的方法等。圖4的故障診斷流程中，既采用了基于信號模型的方法，又采用了基于過程模型的方法[3]。

圖4 故障診斷流程Fig.4 Schematic diagram of fault detection flow

對于靜態冗余，需要至少3個冗余部件輸出信號通過多數表決算法進行故障診斷；對于動態冗余，基于模型的方法進行故障診斷。基于兩個物理車輪轉角傳感器(一個絕對位置傳感器和一個相對位置傳感器組合)、車輪轉角傳感器的解析估計值(代替第三個物理傳感器)，利用多數表決方法建立的故障檢測和隔離算法監測發生故障的傳感器以保持安全行駛，產生單點故障時，該算法與全硬件冗余的系統容錯能力相同[6]。

針對參數不確定性和傳感器故障，基于線性矩陣不等性設計魯棒H∞滑模觀測器，估計橫擺角速度等系統狀態，估計誤差動力性漸進穩定。仿真驗證了存在不確定時，滑模觀測器仍精確估計橫擺角速度傳感器出現的故障，對參數不確定性魯棒[5]。

利用基于刁番圖的長范圍預測器改善故障檢測效率。利用線控轉向硬件在環試驗臺驗證總體預測容錯控制策略，故障診斷和隔離算法融合傳感器解析冗余無損系統整體魯棒性，更快檢測到衰減型故障[6]。

利用多數表決的方法建立故障診斷和隔離算法，診斷有故障的傳感器、保持安全行駛，基于有限狀態機邏輯實現該算法[4]。

選擇基于系統數學模型的診斷方法，利用狀態估計的解析冗余，構造殘差向量，不同傳感器故障體現在殘差向量不同方向上，實現各傳感器故障的檢測和分離[14]。

3.1.2 電機的故障診斷

采用自適應卡爾曼濾波算法進行參數估計、電機故障診斷，實時監測電樞線圈內阻、電感等電機性能參數，克服了常規卡爾曼濾波器應用于參數時變性較強的線控轉向系統時的缺陷[14]。

3.1.3 微處理器的故障診斷

可通過奇偶校驗、看門狗定時器等發現有故障的微處理器[3]。

3.2 線控轉向系統的故障診斷方法

用粗糙集模型簡化冗余信息，抽取分類規則。設計利用粒子群優化方法優化的徑向基神經網絡，學習冗余信息簡化抽取的故障規則。MATLAB仿真表明，智能故障診斷方法提高了診斷精確水平[15]。

基于改善的自適應粒子群優化算法動態改變慣性權重和閾值，根據粒子成熟收斂度和粒子適應度自適應調整粒子的慣性權重，訓練神經網絡，建立了故障診斷模型。與粒子群優化算法和遺傳算法相比，有效改善了神經網絡訓練效率，獲得了較好的診斷結果[16]。

建立滑模觀測器進行基于模型的故障診斷和隔離，系統不確定性條件下處理多個傳感器故障。為了抑制噪聲、傳感器輸出相互作用、模型不確定性，基于實時、閉環反饋性能設計具有魯棒自適應觀測器的故障診斷和重構策略。硬件在環試驗表明精確、可靠的用于在線故障診斷、數據再構[17-18]。

針對有限參數不確定性的線性系統，設計魯棒的基于模型的故障診斷濾波器。最大化系統和診斷濾波器的理論信道能力，把故障條件視為假定的信道的輸入，把產生的分量作為輸出，把傳感器噪聲、干擾、系統輸入作為干擾源。產生的余量對故障敏感，對噪聲和干擾不敏感[19]。

研究基于滑模觀測器的預測故障診斷，設計滑模觀測器，利用線性車輛模型、線控轉向系統和橫擺角速度反饋來估計車輛轉向角度。通過長范圍預測方法根據估計的轉向角度和當前輸入預測轉向角度。基于非線性滑模觀測器、預測的解析冗余降低所需的冗余轉向輪轉角傳感器的數目，保持高可靠性。用持續故障和初始故障評價提出算法的有效性，故障傳感器辨識時間隨預測水平增加而降低，基于預測的解析冗余算法適合處理單點故障[20]。

4 汽車線控轉向系統的展望

4.1 更多試驗驗證容錯與故障診斷技術的效果

汽車線控轉向系統容錯使得在發生一個部件或子系統故障時仍然實現轉向功能。現有的容錯與故障診斷技術許多僅通過計算機仿真驗證，而沒有經過臺架試驗，尤其是實車試驗更少。今后的發展趨勢是通過大量的硬件在環臺架試驗和實車試驗驗證汽車線控轉向系統容錯與故障診斷技術的效果，為汽車線控轉向系統產業化奠定基礎。

4.2 集成線控底盤的容錯與故障診斷研究

汽車線控系統的發展趨勢是研發集成線控轉向、線控制動、線控驅動的線控底盤，采用多傳感器信息融合方法，進行線控轉向、線控制動、線控驅動的集成容錯與故障診斷，完成容錯的橫擺力矩控制等功能，整體提高線控底盤的可靠性[21]。

5 結 語

汽車線控轉向系統帶來了轉向系統結構和控制等方面的變革，大大優化汽車操縱穩定性、舒適性等性能。提高安全可靠性、降低系統成本是線控轉向系統的關鍵技術，容錯技術需要高可靠性的傳感器、執行機構等、快速故障診斷算法，發生故障時保持車輛可靠控制。

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Fault Tolerant and Fault Diagnosis Technologies of Automobile Steer-by-Wire System

Yu Leiyan

(School of Mechanical & Electronic Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, Shandong, China)

Firstly, the basic structure, application area and fault tolerant requirements were analyzed. Then, fault tolerant methods including analytical redundancy methods based on the observation home and abroad research status of key parts of steer-by-wire system including sensors, electronic control units, actuators, communication network and power supplies was researched. Finally, home and abroad research status of fault diagnosis methods of steer-by-wire system were analyzed. The proposed study helps to improve fault tolerant and fault diagnosis ability of steer-by-wire system and to realize mass production of automobile steer-by-wire systems.

vehicle engineering; automobile steer-by-wire system; fault tolerant; fault diagnosis; reliability

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.33

2013-03-20；

2014-08-12

國家自然科學基金資助項目(51005248,51005115)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(11CX04039A)

于蕾艷(1980—)，女，山東煙臺人，副教授，博士，主要從事車輛動力學與控制方面的研究。E-mail：yulyx2009@163.com。

U463.4

A

1674-0696(2015)05-165-05