微型車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究

(北京信息科技大學(xué) 北京 100192)

一、引言

汽車工業(yè)發(fā)展至今的百余年里，控制技術(shù)在不斷的進(jìn)步[1]，在一定程度上反映了汽車的工業(yè)水平[2]。自動(dòng)駕駛汽車開始出現(xiàn)在人們的視野中。而在自動(dòng)駕駛車輛轉(zhuǎn)向過程中，方向盤依然隨著轉(zhuǎn)向柱在旋轉(zhuǎn)。在高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)和自動(dòng)駕駛技術(shù)飛速發(fā)展的今天，若要讓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成到整車控制、聽從中央處理器的指揮，則勢(shì)必要拋棄這種傳統(tǒng)的機(jī)械連接，加入智能的處理器和執(zhí)行器以精準(zhǔn)地、安全地控制轉(zhuǎn)向的力度和角度。

本文在系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)上，完成了微型車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件改造和控制策略設(shè)計(jì)，利用PID算法控制轉(zhuǎn)向電機(jī)電流，并對(duì)微型車實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

二、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與建模

(一)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是由轉(zhuǎn)向盤總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成、轉(zhuǎn)向控制器以及容錯(cuò)系統(tǒng)、汽車總線網(wǎng)絡(luò)和車載電源等輔助系統(tǒng)組成[3]，圖1為線控轉(zhuǎn)向原理示意圖。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摒棄了轉(zhuǎn)向柱萬向節(jié)等部件，改為電信號(hào)總線技術(shù)傳輸控制信息。駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，安裝在方向盤部位的轉(zhuǎn)角傳感器將轉(zhuǎn)角信息輸入到轉(zhuǎn)向控制器中，控制器結(jié)合當(dāng)前車速、橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角等車輛狀態(tài)信息計(jì)算出適合當(dāng)前汽車運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比作為理想轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比，控制器按照設(shè)計(jì)好的控制策略計(jì)算出轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)需要的電流，轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)連接轉(zhuǎn)向器，經(jīng)過轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)使前輪轉(zhuǎn)向，達(dá)到駕駛員希望轉(zhuǎn)過的角度，前輪轉(zhuǎn)角傳感器將當(dāng)前轉(zhuǎn)角信息反饋給控制器，形成閉環(huán)控制。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理圖如圖1。

圖1 線控轉(zhuǎn)向原理圖

(二)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模

方向盤系統(tǒng)模型：

(1)

(2)

(3)

轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)模型：

(4)

式中Js為轉(zhuǎn)向盤子系統(tǒng)等效到轉(zhuǎn)向柱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；θh為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，Cs為轉(zhuǎn)向盤子系統(tǒng)等效到轉(zhuǎn)向柱的阻尼系數(shù)；Th為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩；Tsm為路感電機(jī)轉(zhuǎn)矩；Gsm為路感電機(jī)減速器傳動(dòng)比；Jf為前輪子系統(tǒng)等效到前輪轉(zhuǎn)向銷的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Cf為前輪子系統(tǒng)等效到前輪轉(zhuǎn)向銷的阻尼系數(shù)；Tfm為前輪轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)矩；Ta為前輪的回正力矩；θf前輪轉(zhuǎn)角；Jfm為前輪轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；θfm為前輪轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)角；Cfm為電機(jī)軸阻尼系數(shù)；Tfm為前輪轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)矩；Gs為齒輪齒條轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比；Gfm前輪轉(zhuǎn)向電機(jī)減速器傳動(dòng)比；d為輪胎氣壓拖距與輪胎機(jī)械拖距之和，視為一定值；v為側(cè)向速度；u為車輛汽車前進(jìn)速度；k1為前輪側(cè)偏剛度；ke電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。

根據(jù)上述微分方程建立Simulink模型，結(jié)合微型試驗(yàn)車的整車參數(shù)，建立CarSim整車模型。控制框圖如圖2所示。

圖2 控制框圖

三、理想傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總傳動(dòng)比為：

(6)

傳動(dòng)比i由機(jī)械系統(tǒng)決定。傳動(dòng)比是操縱性中的轉(zhuǎn)向特性和轉(zhuǎn)向盤力特性，以及穩(wěn)定性方面的直線行駛路徑保持性的影響因素[7]。對(duì)于微型試驗(yàn)車原轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，i為定值。試驗(yàn)車的穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益[7]如下所示：

(7)

圖3 橫擺速度增益與車速關(guān)系

通過仿真如圖可以看出，汽車的穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益會(huì)隨著車速的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在對(duì)試驗(yàn)車的設(shè)計(jì)之中，因?yàn)樵囼?yàn)車的最高車速小于60km/h，故橫擺角速度增益會(huì)隨著車速的增加而增大。這就要求試驗(yàn)車在低速時(shí)具有較小的傳動(dòng)比，中高速時(shí)需要較大的傳動(dòng)比。從而減小駕駛員的操縱負(fù)擔(dān)，使車輛橫擺角速度系統(tǒng)增益穩(wěn)定為一常數(shù)，提高行駛安全性。

本文基于期望的橫擺角速度增益為一定值，設(shè)計(jì)了微型試驗(yàn)車的傳動(dòng)比，如式(8)(9)。

(8)

(9)

微型試驗(yàn)車的最高時(shí)速為50km/h，為方便研究，以時(shí)速10km/h為界限，劃定了試驗(yàn)車的低速區(qū)和高速區(qū)。低速狀態(tài)下，試驗(yàn)車傳動(dòng)比為一定值，前輪最大轉(zhuǎn)向角度為30°，令i=6，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度為±180°，方向盤由左極限位置到右極限位置打滿一圈即可實(shí)現(xiàn)前輪由左極限角度轉(zhuǎn)到右極限角度，保證輕便性的同時(shí)，大大提高了轉(zhuǎn)向靈活性，可方便駕駛員停車移位；高速狀態(tài)下為可變傳動(dòng)比，即式(10)。

(10)

四、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略的設(shè)計(jì)

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)比的自由設(shè)置，但是要使前轉(zhuǎn)向輪按照轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和可變傳動(dòng)比決定的期望前輪轉(zhuǎn)角進(jìn)行準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)向，需要對(duì)前輪電機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈恢每刂疲M(jìn)而保證前輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度的精確性。安裝在方向盤下方的轉(zhuǎn)角傳感器，輸出的信息為方向盤目標(biāo)轉(zhuǎn)角，把目標(biāo)轉(zhuǎn)角和角度傳感器輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)角的差值作為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的輸入，控制器結(jié)合車輛當(dāng)前的車速和其他參數(shù)調(diào)整電機(jī)的電流和占空比，來控制轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)，從而達(dá)到駕駛員希望轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

在過程控制中，按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的PID控制器是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器[7]。針對(duì)本線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，采用了應(yīng)用普遍的PID算法。經(jīng)過在線調(diào)整，系統(tǒng)響應(yīng)效果較好，本設(shè)計(jì)確定KP、KI、KD參數(shù)分別為12、0.005、0.06。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將設(shè)計(jì)好的傳動(dòng)比和PID控制算法用C語言編寫成控制程序，通過Keil軟件將程序?qū)懭隨TM32F103單片機(jī)中,用12V鉛酸蓄電池轉(zhuǎn)角傳感器、控制器、轉(zhuǎn)向電機(jī)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備供電供電，控制器對(duì)應(yīng)引腳連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)和路感電機(jī)。用Racelogic公司的V-BOX3來檢測(cè)車輛的速度和橫擺角速度等信息。用RMS公司的測(cè)力方向盤、DEWE數(shù)據(jù)采集儀采集方向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩信息。在混凝土路面，車速保持20km/h,在1s時(shí)間內(nèi)，通過DEWE實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)，方向盤轉(zhuǎn)過20°，進(jìn)行試驗(yàn)[8][9]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 橫擺角速度隨時(shí)間變化曲線

圖5 方向盤角階躍輸入

圖6 方向盤轉(zhuǎn)矩與時(shí)間關(guān)系

經(jīng)過時(shí)速20/km，30km/h，40km/h情況下的方向盤角階躍輸入試驗(yàn)，可以看出試驗(yàn)車的橫擺角速度穩(wěn)定在合理范圍之內(nèi)，能夠快速響應(yīng)轉(zhuǎn)向需求，在中高速時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間較低速時(shí)更快。經(jīng)過計(jì)算，橫擺角速度增益穩(wěn)定在0.4左右。同時(shí)，轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩大小明顯降低，提高了轉(zhuǎn)向輕便性，減小了駕駛員操作負(fù)擔(dān)。

六、結(jié)論

本文運(yùn)用Matlab/Simulink與CarSim軟件對(duì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合仿真，針對(duì)微型車原有機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了改造，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向控制策略，并進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，改造后的微型車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，響應(yīng)快速，操縱穩(wěn)定性提高，轉(zhuǎn)向輕便性更好，同時(shí)為整車線控化平臺(tái)的搭建提供了較好的工程意義。

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