基于系統辨識的車輛主動轉向控制策略研究

張杰飛，王培

（河南交通職業技術學院 汽車學院，河南 鄭州 450000）

引言

自動駕駛技術是當前汽車行業新的革命方向，自動駕駛能有效提高行車安全性、舒適性與交通效率。其中車輛控制是自動駕駛的核心技術之一，而轉向系統是控制車輛運動的關鍵系統，也是自動駕駛最重要的執行器之一。

自動駕駛對轉向系統提出了新的要求，由此誕生了主動轉向系統。主動轉向系統由電機完全提供轉向力矩，控制轉向系統運動以跟蹤輸入地期望轉向信號，其性能決定了自動駕駛性能的上限。因此，主動轉向系統的研發有巨大的現實意義，而主動轉向的控制是其核心之一。

現有主動轉向控制技術主要從現有的電動助力轉向控制技術上發展而來。由于一般采用單片機作為控制單元，主動轉向多采用多級PID控制方法，如采用電流環反饋與位置環反饋進行轉角控制[1]，或采用二階轉向系統模型前饋、回正力矩前饋與位置PID反饋進行控制[2]。

本項目目標是為已改裝主動轉向系統的九龍e6純電動商務車設計控制算法，實現方向盤轉角對期望轉角的跟蹤。主動轉向系統的改裝是在保留原車液壓助力系統的基礎上，在轉向柱上添加由單片機控制的主動轉向電機。

1 方案設計

主動轉向控制的主要難點在于轉向系統加上輪胎與路面構成的系統不易建模的非線性。轉向系統本身是個機械系統，但由于直接相關部件較多，設計多變，再加上液壓助力組件，使得理論建模困難。在實際使用中，輪胎與地面間的作用力與力矩，輸入轉向系統，會對控制產生直接影響。而輪胎與地面對轉向系統的力矩作用更難以精確建模。

由于系統特性對控制性能的影響顯著，需采用前饋控制補償，前饋控制量由系統模型給出。采用實驗建模的方法，通過實驗對簡化模型的參數進行辨識或標定。這樣雖然有較大的建模誤差，但只要建模誤差小于沒有前饋時的誤差，對于反饋控制的處理就更有利。由于沒有電機電流、電壓到轉矩的特性，為了提高控制精度，本文采用速度反饋加位置反饋的雙環PID控制。

1.1 系統辨識

將轉向系統進行簡化為二階系統，可以用系統辨識的方法通過實驗求得模型參數，主要為系統轉動慣量與阻尼比[2]。以轉向力矩T為輸入、以方向盤轉角θ為輸出的轉向系統傳遞函數為：

為了使得進行系統辨識時，系統的響應收斂，設計單位反饋的比例控制器對轉向系統進行閉環控制，受控系統模型為：

圖1 受控系統邏輯框圖

此時，期望方向盤轉角輸入到實際方向盤轉角輸出的受控系統傳遞函數為：

其中，K為人為設定的比例反饋增益。

辨識傳遞函數的參數，主要需要得到系統有關不同頻率的輸入信號的響應，以此為目標設計輸入信號。精確的方法是分別測試不同頻率正弦輸入的響應，獲得Bode圖再辨識參數。為簡便，且使得信號各頻率成分均勻，本項目采用掃頻正弦信號，在100秒時間圓頻率從0Hz到5Hz，如圖2所示。

圖2 掃頻正弦信號

由于地面對轉向系統有較大的作用力，在進行實驗時需將車輛轉向輪抬起，僅測試轉向系統自身動力學特性。對實車控制器輸入掃頻正弦信號，獲取同步的方向盤轉角輸出，用Matlab系統辨識工具箱獲得辨識的。

實際上，轉向系統摩擦系數也是重要的前饋項，無法通過上述方法得到。摩擦力與速度方向成正比，是非線性的。本項目采用的方法是在辨識出二階系統后，在Simulink中添加摩擦環節進行仿真。

1.2 反饋控制設計

本項目采用雙環反饋控制，外環為位置環，內環為速度環。位置環以角度誤差為輸入，乘增益后求得期望趨近角速度，與期望轉角的微分轉速相加，形成期望角速度輸出。速度環以期望角速度為輸入，通過PID控制器輸出電機力矩。

1.3 控制總結構

將各前饋控制模塊與反饋控制模塊的輸出電機力矩加和，根據電機特性可通過電機力矩求得電機電流，根據電機模型可求得電機電壓，即可得輸出給電機驅動模塊的PWM占空比。

圖3 控制器總結構

2 測試驗證

本項目要在底層控制器（單片機）上實現上述控制算法，并進行實車測試。

2.1 靜態試驗

在停車狀態下對控制器進行實車測試有如下結果：

120度/秒的斜坡左轉540度梯形信號測試在中等轉速下的跟蹤性能，此工況下控制應當平順而穩定，同時有較小的跟蹤誤差。試驗結果如下。

圖4 中等轉速左轉梯形信號跟蹤效果

圖5 中等轉速左轉梯形信號跟蹤中控制量

兩次超調分別為5.9度和8.5度。由于斜坡信號在斜坡兩端速度突變，轉向模型的前饋項會突變，靜態回正前饋不能完全準確，PID反饋需要重新調節到穩態，因而有較大超調。一個周期平均跟蹤誤差2.6度，跟蹤誤差標準差4.3度，總體跟蹤性能較好。跟蹤誤差主要來自角度減小階段的電機換向。由角速度跟蹤曲線與控制量曲線可見，整體控制較為平順，角度增加階段的小幅度振蕩是因為為了提高跟蹤性能PID增益稍大。

圖6 中等轉速左轉梯形信號跟蹤誤差

對右轉重復上述試驗，結果類似。

240度/秒的斜坡左轉540度梯形信號測試在高轉速下的跟蹤性能，此工況下控制應當平順而穩定，同時不要有太大的跟蹤誤差。試驗結果如下。

圖7 高轉速左轉梯形信號跟蹤效果

兩次超調分別為12.4度和13.0度。一個周期平均跟蹤誤差6.7度，跟蹤誤差標準差10.5度。跟蹤誤差不太大。由于期望轉速較高，系統狀態快速變化，前饋不準確的影響更為突出，整個轉向系統的非線性對轉速控制造成的影響變得明顯，使得轉速控制難度大大增加。但整體控制過程平順穩定。

正弦信號是更符合實際駕駛工況的，可以更好測試真實情況下的性能。360度幅值10秒周期正弦信號試驗結果如下。

圖8 較高轉速正弦信號跟蹤效果

全程平均跟蹤誤差5.0度，跟蹤誤差標準差6.8度，跟蹤過程平順，跟蹤性能較好。

2.2 動態試驗

讀取游戲方向盤轉角傳感器信號，輸入轉向控制器，在單片機中解析轉角并作為轉向控制期望轉角，人操縱游戲方向盤進行線傳轉向控制。在園區內道路進行實車行駛中的線傳轉向測試，結果如下。

圖9 實車線傳轉向跟蹤效果

圖10 實車線傳轉向跟蹤誤差

全程平均跟蹤誤差5.9度，跟蹤誤差標準差9.3度。跟蹤穩定，但角度跟蹤有一定滯后，有一定誤差，這是由于測試時已有明顯側向加速度感受，駕駛人輸入的斜坡角速度達230度/秒。總體跟蹤性能滿足實際使用要求。

3 結論

本項目為改裝的主動轉向平臺設計了主動轉向控制器，通過系統辨識的轉向系統模型進行動力學前饋，通過重力回正模型進行靜態回正前饋，通過期望轉角序列與轉角誤差生成期望轉速，再由PID反饋控制器進行轉速閉環控制。

本文基于自主研發的串口數據解析軟件進行控制器數據分析，然后針對主動轉向控制器分別開展了靜態實驗和動態實驗，實驗結果均表明了控制策略的可行性。在靜態實車試驗中，本控制器在中低轉速轉角輸入下控制平順、跟蹤性能與穩態性能較好，在高轉速轉角輸入下控制平順穩定，跟蹤誤差較小。在線傳轉向控制下的行車動態測試中，本控制器控制性能滿足使用要求。

考慮到使用非線性輪胎模型可以更準確地表示車輛的縱向動力學特性，在以后的研究中，還可以優化電機換向時的控制策略，精細標定前饋量并適配反饋參數，對不同轉速下參數進行精細調節，增加行車回正力矩前饋，以進一步提高跟蹤性能及減少超調。