張博 鄭良劍 牛占占

摘 要： 隨著國(guó)家2020 戰(zhàn)略和新基建政策的落地，針對(duì)智能駕駛的投入和普及越來越高，線控轉(zhuǎn)向成為量產(chǎn)的研究熱點(diǎn)，而法規(guī)規(guī)定不能取消中間軸和方向盤，那么路感模擬成為很長(zhǎng)時(shí)間的過渡方案，筆者通過研究目前路感模擬器的幾種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)方式和控制算法，提出了自己的新型線控轉(zhuǎn)向路感模擬器及其算法，并針對(duì)性的做了樣機(jī)和算法臺(tái)架試驗(yàn)認(rèn)證，為在整車上匹配驗(yàn)證打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：線控轉(zhuǎn)向 路感 模擬器 算法 結(jié)構(gòu)

1 前言

線控技術(shù)最初是在飛機(jī)控制系統(tǒng)上出現(xiàn)，1972 年NASA 推出應(yīng)用，對(duì)比傳統(tǒng)的機(jī)械和液壓系統(tǒng)，線控系統(tǒng)在飛機(jī)的性能反方面表現(xiàn)的更為出色。而1960 年首次應(yīng)用在汽車上發(fā)展到現(xiàn)在正組建走向商業(yè)化[1]。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的重要模塊之一是路感模擬控制器，路感模擬器能為駕駛員提供路面信息，是駕駛員安全駕駛車輛的重要保障。

由于法規(guī)不允許取消中間軸，路感模擬器是以后線控轉(zhuǎn)向能否搭載量產(chǎn)的關(guān)鍵所在[2]。

2 路感模擬器現(xiàn)狀分析

目前線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW）的路感模擬控制策略研究方法主要有四種：第一種為傳感器測(cè)量方法，由于齒條處力矩包含有輪胎力和回正力矩等信息都包含在齒條處的力矩，所以使用傳感器測(cè)量齒條力的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波處理就可以作為反饋力矩。

第二種測(cè)得轉(zhuǎn)向電機(jī)電流等效路面負(fù)載，對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的齒條力進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，然后將計(jì)算得到的齒條力折算成相應(yīng)的路感信息提供給駕駛員。

第三種是根據(jù)目前傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感產(chǎn)生的機(jī)理，建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)的動(dòng)力學(xué)模型并計(jì)算出與路感相關(guān)的輪胎縱向力、側(cè)向力等，最終得到路感。

第四種是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)路感反饋，也叫參數(shù)擬合法，即根據(jù)汽車的狀態(tài)與路感存在一定的關(guān)系來設(shè)計(jì)路感模擬策略，通過傳感器測(cè)量一些容易測(cè)得的參數(shù)，如方向盤轉(zhuǎn)角、車速、側(cè)向加速度等，根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)將路感與數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)成函數(shù)關(guān)系式，以達(dá)到模擬路感的設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)滿足駕駛員對(duì)路感的要求[3]。如表1 所示。

3 路感反饋的模型搭建

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了方向盤和轉(zhuǎn)向執(zhí)行器之間的機(jī)械連接，所以地面給輪胎的反作用力無法反饋到方向盤上，同時(shí)駕駛員也無法感受到真實(shí)的路感[4]。針對(duì)這個(gè)問題，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在方向盤總成中安裝了路感模擬器，在轉(zhuǎn)向過程中使用電機(jī)給方向盤施加阻力矩來模擬路感，回正的過程中如果駕駛員不接觸方向盤就給電機(jī)一定的回正力矩使方向盤能夠回到中間位置。根據(jù)本文所選的控制策略給出了所搭建的模型，如圖1 所示。

考慮到方向盤轉(zhuǎn)矩的影響因素，在模型中建立了反饋力矩、摩擦力矩、阻尼控制力矩、限位控制力矩，以及主動(dòng)回正力矩的車輛線控轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的模型[5]。為駕駛員提供了基本的路感，同時(shí)也和傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn)保持一致。

4 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證和評(píng)估所建立路感模型的真實(shí)效果和有效性，使用CarSim 軟件來提供整車模型的仿真環(huán)境，進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。使用自己搭建的線控轉(zhuǎn)向路感模擬模型和控制器為基礎(chǔ)，建立試驗(yàn)臺(tái)架。選擇某款車型為試驗(yàn)用車，在CarSim 中輸入整車參數(shù)建立整車模型和設(shè)置模擬工況并在計(jì)算機(jī)中實(shí)時(shí)運(yùn)行。

同時(shí)，使用CAN 通信把車速信號(hào)、側(cè)向加速度信號(hào)、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號(hào)，發(fā)送給線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制器。在CarSim中設(shè)置的為附著系數(shù)0.8 的干燥路面。打開CarSim 軟件，連接好控制器，打開電源使整車模型和控制器之間進(jìn)行正常信息交換。

4.1 工況條件

①方向盤力矩、方向盤轉(zhuǎn)角及方向盤轉(zhuǎn)速以順時(shí)針為正;方向盤力矩、方向盤轉(zhuǎn)角及方向盤轉(zhuǎn)速的sign 值順時(shí)針為+1，逆時(shí)針為-1。②路感使能方向和主動(dòng)回正方向相反。③車速為0-200Km/h。

4.2 工況條件下測(cè)試的結(jié)果

使用CANape 工具在試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)方向盤轉(zhuǎn)角、手力、電機(jī)力矩指令觀測(cè)。

5 結(jié)論

通過臺(tái)架試驗(yàn)，搭建的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感模擬模型可以為駕駛員在低速情況下提供轉(zhuǎn)向輕便的手感，同時(shí)也可以為駕駛員在高速狀態(tài)下提供穩(wěn)定的手感?？朔藗鹘y(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺陷，突出了設(shè)計(jì)自由的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)驗(yàn)中，方向盤上的路感力矩和設(shè)計(jì)的目標(biāo)力矩基本吻合，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從轉(zhuǎn)向路感狀態(tài)到回正狀態(tài)的模式切換過度良好，同時(shí)超調(diào)現(xiàn)象也非常小，在可接受范圍之內(nèi)。證明所建立的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感模擬器有很好的應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李時(shí)雨. 基于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的無人駕駛技術(shù)發(fā)展[J]. 汽車工程師，2018（3）：14-17.

[2] 宗長(zhǎng)富，韓衍東，何磊，等.車輛線控轉(zhuǎn)向變角傳動(dòng)比特性研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2015，28（9）：115-120.

[3] 解后循，高翔，夏長(zhǎng)高.基于綜合路感強(qiáng)度的方向盤轉(zhuǎn)向力矩特性分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2012，31（7）：1104.1109.

[4] 周兵，范璐，呂緒寧.主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改進(jìn)型變傳動(dòng)比曲線設(shè)計(jì)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2014（20）：2813-2818.

[5] 趙林峰，從光好，邵文彬，陳無畏. 線控轉(zhuǎn)向車輛方向盤轉(zhuǎn)矩特性研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2018，54（24）：138-146.