張 博，張小樂，張 善

（聯(lián)創(chuàng)汽車電子有限公司，上海 201206）

1 線控轉(zhuǎn)向的研究概念及行業(yè)環(huán)境

線控技術(shù) （X-by-Wire）源于飛機(jī)控制系統(tǒng)，1972年NASA推出應(yīng)用，對比傳統(tǒng)的機(jī)械和液壓系統(tǒng)，線控系統(tǒng)顯著提高了飛機(jī)的性能，而1960年首次應(yīng)用在汽車上發(fā)展到現(xiàn)在正逐漸走向商業(yè)化。

到2020年，汽車DA （駕駛輔助）、PA （部分自動駕駛）、CA（有條件自動駕駛）系統(tǒng)新車裝配率超過50%，網(wǎng)聯(lián)式駕駛輔助系統(tǒng)裝配率達(dá)到10%，滿足智慧交通城市建設(shè)需求。到2025年，汽車DA、PA、CA新車裝配率達(dá)80%，其中PA、CA級新車裝配率達(dá)25%，高度和完全自動駕駛汽車開始進(jìn)入市場。

2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)架構(gòu)介紹

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及功能如圖1所示，其中：上層反饋器有路感模擬、角度控制、機(jī)械鎖止功能；下層執(zhí)行器有角度控制、冗余控制等［1-5］。

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

豐田集團(tuán)的研究學(xué)者采用狀態(tài)觀測器和曲線擬合方法來完成齒條力預(yù)估，并在臺架對各種工況進(jìn)行了試驗，試驗結(jié)果模擬出的路感合理性較高，貼近傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向獲得的路感，證明該方法的可用性較高［6］。

現(xiàn)代集團(tuán)的Sungwook等學(xué)者通過對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析，完成動力學(xué)建模，并結(jié)合參數(shù)曲線擬合的方法完成了路感模擬，仿真結(jié)果表明該方法在一定的工況下可以獲得駕駛員期望的路感。在此基礎(chǔ)上，Soobo Park等學(xué)者開發(fā)出了具有兩種控制方法的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原型樣機(jī)，并進(jìn)行了臺架試驗［7-8］。

雷諾集團(tuán)的Julien等學(xué)者基于輪胎的回正力矩和方向盤手感之間的關(guān)系建立了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)模型，并結(jié)合參數(shù)曲線擬合方法設(shè)計了路感模擬策略，為了保證系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性，采用了閉環(huán)控制方法，最后進(jìn)行了整車試驗，結(jié)果表明該路感模擬策略和閉環(huán)控制策略對路面的干擾具有一定的魯棒性和穩(wěn)定性［9］。

TNO公司的Robert為實現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感模擬的低速輕便性和高速穩(wěn)定性能，采用SBW動力學(xué)建模的方法，并結(jié)合傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感試驗數(shù)據(jù)來優(yōu)化線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感模擬，試驗結(jié)果驗證該方法可以還原傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感［10］。

日本的Shoji Asai、Hiroshi Kuroyanagi等針對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提出了路感模擬的方法，該方法使用干擾觀測器估計施加在齒條上的力矩，能夠良好地模擬轉(zhuǎn)向路感［11］。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

吉林大學(xué)的田承偉搭建了研究線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的平臺，確定了汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感模擬算法和轉(zhuǎn)向控制算法，并在自主研發(fā)的駕駛模擬器上進(jìn)行試驗，結(jié)果表明該控制算法可以有效模擬路感和實現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)向［12］。鄭宏宇博士結(jié)合了SBW動力學(xué)模型和Kalman算法對輪胎回正力矩進(jìn)行預(yù)估，獲得了駕駛員期望的方向盤手感［13］。

圖1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)架構(gòu)

合肥工業(yè)大學(xué)的陳無畏通過觀察轉(zhuǎn)向盤力矩特性的影響因素，提出了一種方向盤力矩模型，并利用駕駛員偏好轉(zhuǎn)向盤力矩的試驗數(shù)據(jù)對模型中的參數(shù)進(jìn)行了辨識，采用自適應(yīng)PID控制算法對路感電機(jī)進(jìn)行控制，并通過仿真分析驗證了所提出轉(zhuǎn)向盤力矩模型的有效性［14］。

中國石油大學(xué)的于蕾艷教授對方向盤回正力矩的來源進(jìn)行了分析，該力矩與輪胎回正力矩、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的阻尼、摩擦、慣性和車輛狀態(tài)參數(shù) （側(cè)向加速度等）有較強(qiáng)的耦合關(guān)系。劉永等學(xué)者認(rèn)為方向盤回正力矩由輪胎側(cè)向力造成的回正力矩和縱向力造成的回正力矩組合而成［15］。

清華大學(xué)季學(xué)武和上海大眾合作研發(fā)了基于線控系統(tǒng)的可定制化路感反饋技術(shù)研究取得了初步進(jìn)展。

上海交大和聯(lián)創(chuàng)汽車電子有限公司結(jié)合車速和車輛輪胎阻力矩等信息設(shè)計利用函數(shù)曲線、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制的最優(yōu)控制器等控制算法來設(shè)計路感反饋控制器算法，并通過二自由度模型CARSIM和臺架試驗?zāi)M。

3 發(fā)展趨勢

目前，路感反饋力矩估計一般有3種方法［16］。

一是模擬傳統(tǒng)的車輛機(jī)械系統(tǒng)，通過車速、側(cè)向加速度和橫擺角速度等，建立與路感相關(guān)的動力學(xué)模型。該方法得到的方向盤路感較為真實，近似于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感，可以使駕駛員把握車輛當(dāng)前行駛狀況，但由于模型較為復(fù)雜，不容易獲得。

二是根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計的原則，通過車輛狀態(tài)參數(shù) （車速、方向盤轉(zhuǎn)角和側(cè)向加速度等）與方向盤反饋力矩的映射關(guān)系，得到一個以車輛狀態(tài)參數(shù)為輸入、方向盤手感為輸出分段函數(shù)。該函數(shù)的優(yōu)點是可以通過調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，根據(jù)不同駕駛員的駕駛習(xí)慣，自由設(shè)計期望的手感。但是由于該設(shè)計是通過車輛狀態(tài)參數(shù)來反應(yīng)手感，而車輛狀態(tài)參數(shù)對路面的反應(yīng)具有一定的延時效應(yīng)，所以通過該方法得到的手感對于反應(yīng)路面的真實干擾存在一定的延時以及隨機(jī)性，駕駛員獲取對路面特征的感受真實性和實時性不足。

三是傳感器電流測量或者齒條力傳感器通過實際測量得到的齒條力，并利用對應(yīng)的SBW動力學(xué)公式和大量的試驗擬合出路感反饋力矩。

然而，這3種方法都有不可避免的缺陷，因此結(jié)合上述3種方法優(yōu)缺點，如圖2所示，更加系統(tǒng)的研究方案應(yīng)該是：首先研究路感產(chǎn)生機(jī)理，附以人-車-路閉環(huán)控制研究進(jìn)行參數(shù)擬合，綜合考慮不同駕駛員、不同車型、不同車輛行駛狀態(tài)、不同道路場景路面制定對應(yīng)的路感控制策略，得到更貼合實際的路感，從而實現(xiàn)低速行駛靈活輕便性、高速行駛穩(wěn)定性。

圖2 路感控制算法框圖

（編輯 凌 波）