巴哈賽車線控轉向系統(tǒng)設計

李千也 周羅燚 ?；?卞毅杰 周天俊

摘要：由于目前競爭環(huán)境的激烈，巴哈賽車作為一項廣泛運用于工程院校的教學項目，集合汽車設計、營銷、成本預算等方面為一體，更需要精益求精，才能脫穎而出。巴哈大賽中存在問題較多的地方在轉向系統(tǒng)，從而需要對賽車的轉向系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，因此，本小組以轉向系統(tǒng)作為著手點，對巴哈賽車的部分性能進行優(yōu)化。傳統(tǒng)的機械轉向系統(tǒng)中，轉向盤與前輪通過轉向柱連接，傳動比固定不變，不能適應不同的路況，而通過線控轉向控制可以根據(jù)車輛進行設計，提高車輛回正性、穩(wěn)定性和轉向性。本文首先從根據(jù)汽車傳統(tǒng)的轉向系統(tǒng)，設計新的線控轉向方案，再對汽車線控轉向系統(tǒng)的執(zhí)行機構算法改良，建立汽車的線控轉向系統(tǒng)模型，然后通過仿真軟件對線控轉向系統(tǒng)進行實驗仿真，最后對整體的模態(tài)做靜力學分析，驗證設計的合理性。

關鍵詞：線控轉向;仿真模擬;理想傳動比設計

中圖分類號：U463.33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0024-04

0? 引言

大學生巴哈比賽是一項針對汽車及相關專業(yè)院校參加的越野車設計制造和檢測的比賽，其對于賽車的運動情況十分嚴格，尤其是四小時的耐久賽，耐久賽賽道設置了很多轉彎賽道，以及不同的連續(xù)坡度彎道等，所以合理設計轉向方案并滿足賽車的轉彎要求顯得十分重要。同樣因為賽事成立不久，許多學校的設計方案并不十分成熟，在賽車轉彎或過坡道的時候存在很多問題，例如轉向時轉向盤轉角與車輪實際轉向角度的實際匹配方面的問題和所需力矩的大小不定問題，導致賽車輪轉向過程中出現(xiàn)故障。本文立足該問題，提出了線控轉向的解決方案，并設計約束函數(shù)，和不同情況下的傳動比轉化方案，對轉向角度方面的函數(shù)進行優(yōu)化設計，并進行了軟件仿真，從而為巴哈賽車轉向系統(tǒng)的設計提供參考。

1? 轉向系統(tǒng)與理想傳動比設計的現(xiàn)實意義

線控轉向系統(tǒng)通過設計控制器的控制原理，既能實現(xiàn)汽車駕駛的個性化，也能夠通過改變傳統(tǒng)轉向機構的機械連接來提高駕駛安全性，減少了撞車事故中對駕駛員健康的危害，并能通過路感的識別與檢測，通過執(zhí)行機構和傳感器來反饋路感信息，包括轉向力矩等，以此駕駛員便于調整力量的大小和傳動比調整，同時適應不同的駕駛環(huán)境，通過軟件恰好能夠模擬還原相應的真實情況，并做出分析判斷，同時線控技術的智能化能根據(jù)大數(shù)據(jù)的經驗來判斷汽車的行駛情況，并判斷駕駛員的操作合理性根據(jù)實驗經驗來做出回正調整，實現(xiàn)雙重保障，對偏離軌道的車輛及時進行穩(wěn)定的控制，做出調整，由于取消了機械轉向柱的鏈接，使汽車內的活動空間更大，提高了駕駛員的舒適性和操作穩(wěn)定性，也因此，路面上的不平對輪胎的不平衡性也不會傳遞到傳遞機構上，能夠有效延緩駕駛員的疲勞程度，并且能夠通過傳感器反饋信號來檢測路況和行駛狀態(tài)，加強對車輪主動輪的控制，便于駕駛員操作。線控轉向系統(tǒng)的容錯率也較為良好，由于冗余和容錯技術的采用，在系統(tǒng)中，當部分電子零件出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會轉為主動控制，仍能實現(xiàn)最基本的控制轉向功能，改善了駕駛的性能體驗，對于車輛速度，轉向傳動比不斷變化，實現(xiàn)低速時轉向的靈敏響應等。

通過研究巴哈賽車轉向的特性，設計對應的轉向算法，包括轉向角度、橫擺角速度、側向加速度、不足轉向特性等，并調整轉向機構設計，借助軟件進行仿真模擬與改進。理想傳動比的設計能夠改善汽車的行駛安全性，并給人足夠的反應時間。進行仿真實際檢驗，并分析反饋信息。

線控轉向系統(tǒng)的發(fā)展在無人駕駛技術層面有較深層的應用，并有多種實現(xiàn)方式，比如主動輪的線控轉向和四驅的線控轉向。其中主動輪的線控轉向又被分成多種，比如，汽車輪轂對電機形成的牽引力會使繞主軸的轉向力矩產生，通過萬向節(jié)對轉向梯形傳遞力矩，實現(xiàn)汽車的轉向，或者利用兩個相對獨立的電機分別對汽車左右兩個輪胎進行驅動，完成轉角。在當前比較常用的線控轉向系統(tǒng)中，采用的是轉向電機對齒輪齒條轉向器驅動的方式，具體結構如圖1所示。

2? 轉向機構的設計和函數(shù)分析設計

2.1 設計理念

在傳統(tǒng)的機械轉向系統(tǒng)中，方向盤和轉向輪通過傳動機構和操舵裝置連接在一起，操作不便，且傳動比固定，在面對較為復雜的路況時，轉型盤所需力矩較大，不利于操作，安全性較差，這種純機械結構結構簡單、可靠性好，但傳動比的變化范圍有限，在助力系統(tǒng)轉向的作用下，汽車的輕轉向問題才被解決。

所以這次選擇了線控轉向系統(tǒng)為實物轉向模板，如圖2所示，借助其執(zhí)行機構的轉向可變性設計相應的算法，來改變實際操作中轉向盤扭角和主輪實際轉動角。

通過實驗結果表明，車輛在高速時，靈敏度較高，相應的所需的傳動比較小;車輛在低速行駛時，靈敏度較小，轉向反應也就較慢，所需的傳動比較大。

2.2 理想傳動比的設計思路

為了實現(xiàn)不同車速下理想的傳動比，根據(jù)理想傳動比理論特性可知，側向加速度a的值和車輛傳動比有一定的相關聯(lián)系，a的值越小，傳動比的成長性越快，此外還發(fā)現(xiàn)其他參數(shù)對于車輛實際響應速度的影響，并設計了中間值，以反應時間為測量依據(jù)，約束了橫擺角度、橫擺加速度增益、不定量因素等，同時為了保證汽車在實驗模擬中正常操作，以及實際道路上，車輛的操作穩(wěn)定性和安全性，調整轉向特性，并分析出了線控轉向系統(tǒng)的傳動比與橫擺角速度及反應時間需滿足如下的條件：

①現(xiàn)實生活中，汽車低速轉向時，其傳動比小，轉向盤對于車輪主動輪的靈敏度較差，使得其車速變化慢，高速轉向時，傳動比大，隨著車速的增加，轉向靈敏度增加，其轉彎變化加快，為了保證高速轉向時的轉向的操縱穩(wěn)定性以及滿足低速和高速對傳動比的不同的要求，設計可識別路況和車速變化的傳動比，并根據(jù)結果，增大傳動比在不同速度的梯度范圍，使得車輛能夠更好的適應路況做出轉向反應。

②以駕駛技術一般的駕駛員為測量目標，其對路況的反應時間一般為0.1-0.5s，對復雜路況的反應為1-3s，對復雜路況進行認知并做出判斷的反應時間為3-5s。根據(jù)對轉向系統(tǒng)角位移傳動比的要求，本次實驗數(shù)據(jù)取中間值。并且在已知車速v情況下，當橫擺角速度增益和側向加速度增益為定值時，汽車的操縱更加簡單方便也便于數(shù)據(jù)的測量。并且設置前輪轉角不超過其極限值，并確定轉向傳動比的波動范圍，其最小值為9.6，這樣在保證轉向盤在極限轉角角度時也更輕便的轉向，按照理想傳動比的設計規(guī)律，需要設置速度分界值來衡量速度的大小，便于觀察系統(tǒng)判斷車輛轉彎時的傳動比選擇，本次初始速度臨界值設為30km/h。

3? 算法設計及仿真

3.1 仿真操作

通過前期的MATLAB算法設計得出了初步的模型，然后進行了在Simone上的試車仿真。本次的設計主要是實際操作中方向盤的轉向角度的優(yōu)化，轉向盤會根據(jù)車速的不同采用不同的傳動比設計，以車輛的轉向盤轉角為輸入，車輪實際轉角為輸出，并且初始設定橫擺角速度增益Kr 不變和側向加速度增益Kay不變，且選取Kr=0.5，Kay=1.2，傳動比設計如下：

然后分別在速度為20km/h、70km/h、90km/h情況下進行仿真。

3.2 結果分析

實驗結果表明，當車輛行駛速度小于 30km/h 時，為了滿足低速轉向的要求，要求車輛轉向系統(tǒng)的角傳動比為 9.6，且傳動比隨車速的增加而增大。中速度行駛時，其傳動比有上升趨勢，高速行駛時，其傳動比較大，按照仿真結果能夠給與駕駛者足夠的反應時間。

本次實驗是在側向加速度響應和橫擺角速度響應增益不變的情況下的仿真曲線，仿真結果表明，在恒定橫向加速度增益的理想傳動比在低速范圍內變化不明顯，高速時最大傳動比始終小于 22，不能達到理想傳動比要求，嘗試改變橫向加速度增益，使其隨著速度的增大而增大，在速度為100km/h時，傳動比近似為26，所以相較之下，變化的橫向加速度增益更加符合設計要求。同時考慮側向加速度增益的影響關系，其與車速成反比，初始設置數(shù)值對傳動比的影響較小，經過實驗表明，其對傳動比的影響基于實際車速的改變，車速不變，傳動比較大，其數(shù)值越小，并且初始設置值滿足設計要求。以此還得出優(yōu)化結果：設計正常的操作環(huán)境，設定各項增益滿足設計要求，車速在相應路段逐漸增加。

軟件介紹：51Sim-One是51WORLD自主研發(fā)的國內首款擁有自主知識產權的智能汽車虛擬仿真工具。51Sim-One虛擬仿真工具應用于各類自動駕駛系統(tǒng)共性技術的研發(fā)，為智能決策控制、復雜環(huán)境感知、人機交互與共駕，車路協(xié)同與網絡通訊等提供了安全可控的全要素多層級的測試與評價技術支撐。同時，51Sim-One的仿真引擎已拓展服務于智慧城市交通系統(tǒng)、交通環(huán)境仿真、智慧道路設施部署與監(jiān)控、無線網絡建設評估等領域。

實驗結果如下，選擇C++和Python，開發(fā)環(huán)境可以為 Windows 10 或 Linux（建議Ubuntu16.04）這里以C++的代碼curvesimple作為參考，如圖3操作平臺。

信息輸入部分：

獲得api接口處的傳感器信息

std：：unique_ptr<SimOne_Data_Gps> pGps=

std：：make_unique<SimOne_Data_Gps>（）;

信息初始化加載

while （1） {

SimOneSM：：GetGps（0， pGps.get（））;

if （SimOneSM：：IsCaseStart（） && （pGps->

timestamp > 0）） {

printf（"SimOne Initialized＼n"）;

break;

}

printf（"SimOne Initializing...＼n"）;

}

設置測試的起點（startPt）和終點坐標（endPt）的地圖，如圖4。

std：：unique_ptr<SimOne_Data_Gps> pGps =

std：：make_unique<SimOne_Data_Gps>（）;

SSD：：SimPoint3D startPt， endPt;

if （SimOneSM：：GetGps（0， pGps.get（）））

{

startPt.x = pGps->posX;

startPt.y = pGps->posY;

startPt.z = pGps->posZ;

}

SimOne_Data_WayPoints_Entry terminal;

if （SimOneSM：：GetTerminalPoint（&terminal））

{

endPt.x = terminal.posX;

endPt.y = terminal.posY;

endPt.z = 0;

}

設置初始化過程的默認時間，并將這個變量作為參數(shù)賦予SimOneSM：：LoadHDMap對象得到測試過程中每一時刻測試對象的瞬時位置坐標，以便于測試完成后對于數(shù)據(jù)的分析和處理。

int timeout = 20;

SimOneSM：：LoadHDMap（timeout）

根據(jù)起點和重點坐標規(guī)劃測試過程的行動路線如圖5所示。

SSD：：SimVector<long> naviRoadIdList =

GetNavigateRoadIdList（startPt， endPt）;

設計結果表明，完全通過各個彎道，且反應時間均在范圍內，對于相應的復雜路段也能輕量轉向并通過。此外作為延伸，還進行了相應的行駛路線規(guī)劃，依照實際生活中的各個行駛路線，以及實際場地的路感模擬，根據(jù)路況設計了應對的方案，代碼如下：

巴哈賽車線控轉向自動駕駛算法部分：

①條件終止條件判斷，在測試過程設置標準，當在測試運行過程中不滿足預期時終止測試的。

if （SimOneSM：：IsCaseStop（）） {

break;

}

②通過API調用SimOneSM：：LoadHDMap地圖獲得測試對象的瞬時位置，路況信息。這里對每一個道路進行了編號，通過不同編號來識別道路，得到小車的相對位置。并且‘if （！SimOneSM：：GetGps（0， pGps.get（）））’對象可以時刻監(jiān)督信號連接的準確性，以保證實驗的準確性和合理性。

SimOneSM：：GetGps（0， pGps.get（））;

std：：cout << "targetpath size ：" << targetPath.size（） << std：：endl;

std：：cout << "current mainVehicle posX， posY：" << pGps->posX << " " << pGps->posY << std：：endl;

if （！SimOneSM：：GetGps（0， pGps.get（））） {

std：：cout << "Fetch GPS failed" << std：：endl;

}

③引入對象‘controlPtr.get（）’幫助測試過程中對油門和速度進行控制

controlPtr->timestamp = pGps->timestamp;

SimOneSM：：SetDrive（0， controlPtr.get（））;

主要是針對一些復雜的路況，包括較大難度的轉彎等等。

4? 結語

本文通過設計傳動比變化函數(shù)，并設計各個參量的合理值，對轉向器執(zhí)行機構的改進，對線控轉向系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性進行了初步研究，優(yōu)化和提高了賽車的轉向傳動比。參照理論函數(shù)設計理想傳動比，并設計出了在平臺上進行了仿真模擬，同時對操縱穩(wěn)定性進行了客觀評價和仿真驗證，尤其是變角傳動比操縱穩(wěn)定性。函數(shù)結果還存在一定的偏差，可能是偏轉角度、不足轉向特性等約束條件還不夠完善。但基于優(yōu)化的線控轉向系統(tǒng)，巴哈賽車可以擁有更佳的穩(wěn)定性，相信它在特定的比賽中能表現(xiàn)出更優(yōu)秀的性能。

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