線控轉向系統中集成操作桿和控制算法的研究

（青島理工大學機械工程學院，山東 青 島 2 66033）

電子技術的快度發展對自動化產業產生了深遠的影響,致使許多自動化中的機械式部件連接逐漸被電子部件連接所取代，傳統的自動化行業正發生巨大的變化。近幾年來，在智能車輛系統上的研究結果將逐漸應用于商務汽車。智能車輛系統最基本的技術是線控系統，例如，線控油門系統、線控制動系統、線控轉向線系統等。線控系統是一種新的技術，其用現代電子技術取代了傳統的機械式連接，減輕了汽車的總質量。在這些應用中，線控油門系統已經被應用于商務車中，線控制動系統在未來將會被一些自動化的公司所采用。另一方面，雖然線控轉向系統仍沒有得到實際的應用，但是據我們了解，基本的線控轉向系統已經在EPS行業開始形成。近幾年來，線控轉向系統一直得到研究，對該系統的研究主要集中在液壓助力轉向自動化在路感中的應用方面。因此，需要力傳感器測量轉向輪的輸入轉矩，并且其給予動力。但是轉向輪的控制環與路感傳感器的控制環是非耦合的。這種類型的控制方法在傳遞轉向輪的信息時，具有較嚴重的缺陷，這是由EPS系統中轉向輪和路輪間的機械連接導致的，但是線控轉向系統中沒有這種連接和缺陷?；谶@種原因，駕駛員會感受到一種不協調感，而這就可能會導致交通事故發生。

在本文中，我們對線控轉向系統提出了一種新的算法，該算法在兩個控制環路中具有耦合的結構。這種算法是基于遠程控制算法而實現的，也就是說，我們把線控轉向系統視為一種雙向控制系統。駕駛員的轉向反應可以影響路輪動作，同樣，路輪的動作也可以影響轉向裝置。對于這種系統，我們研發了一種由直流伺服電機和電位計組成的集成操作桿。利用這種操作桿，駕駛員可以在沒有轉向盤、制動踏板和驅動踏板的情況下駕駛車輛[2]。同時，對這種算法進行了實驗測試，實驗結果驗證了這種線控轉向系統的性能和控制算法的優勢。

1 系統結構設計

這種系統可以使駕駛員在沒有轉向輪、制動踏板和驅動踏板的情況下，利用反應操作桿駕駛車輛。

1.1 系統整體結構

在圖1中顯示了整個系統的結構。應用一種商務的R-EPS系統驅動路輪、APM驅動節流閥、一個直流伺服電機和輪線系統驅動一個簡單的機械裝置來驅動剎車踏板。該系統是由SBC（單片機）、數據I/O接口、數據轉換板、動力板和介質板組成的中央控制器控制的。

圖1 系統整體結構

1.2 集成操作桿設計

大多數的操作桿有±20°~30°的擺動位移。在車輛駕駛過程中，這個小的位移需要駕駛員謹慎的駕駛。因而駕駛員容易感到疲勞從而導致危險事故的發生[3]。為了解決這種問題，我們設計了一種新型的操作桿。這種新的操作桿以手腕旋轉推動加速和拉動制動來操作。這使得轉向位移可以擴大到±90°。這種操作桿的另一種優勢是：其操作僅僅需要很小的工作空間。該機構的詳細構造，如圖3所示。這種操作桿有兩個自由度，一個用于轉向，另一個用于加速或者剎車。需要一個直流伺服電機實現反應力和用于檢測發出制動或者加速命令桿的電位計。這根桿有±6°的位移，中位是靠萬向聯軸節保持的。

2 系統控制

我們認為EPS系統是線控轉向系統的基礎。這是因為線控轉向系統和EPS系統在組成和控制原理上具有很多相似之處，它們之間最本質的區別在于，線控轉向系統完全取消了機械連接[4]，鑒于此，我們認為線控轉向系統是一種遠程控制系統，即EPS系統在轉向輪和路輪之間仍是依靠機械連接，因此，這兩個部件之間的位置誤差始終為零。

在本文中，我們認為線控轉向系統是沒有時間延遲的單自由度的遠程控制系統。其控制環路如圖4所示，就遠程控制而言，我們把操作桿作為主控制器，EPS動力作為一個伺服控制。這種系統的計算公式如下：

其中，

xm和xs表示位置；

Bm和Bs是粘性系數；

τm和τs是鉸鏈驅動力；

下標"m"表示主要的參數值，下標"s"表示次要的參數值；

fh是作用于主要參數上的力；

fe是次要的施加于抵消工況環境的力。

圖2 操作桿示意圖

圖3 線控轉向系統環路控制示意圖

選擇該系統的簡單控制器為

FTf和FtT是分別指反應力和牽引力，它們是由PD控制器提供，則

式中，Kmp和Kmd是比例系數和主參數衍生的，Ksp和Ksd是從動值。計算式如下：

式中，Ks是總轉向比的比例因子。此轉向比與車速比成反比。這種雙向控制器可以由伺服服務器傳給主服務器。

在這種情況下，主服務器是轉向裝置。為了安全轉向,需要施加一些額外的力給主控制器以提供驅動力矩，計算式如下所示：

式中，

VV為車輛的速度；

KV(VV)為車輛行駛速度和主控制器運行速度阻尼比；

KSA(VV)為自調心增益；

KD為額外的阻尼比，對于制動驅動機構控制，一般選擇PD控制器。

3 實驗和結論

實驗是在公路上用真實的汽車進行模擬的。在兩種場合進行了測試，一種是在駕駛過程中測試，另一種是在停車過程中測試。測試結果證明：在沒有反應操作桿的情況下，駕駛員在轉向時要補償自適應性造成的影響，在應用反應操作桿轉向的情況下，駕駛員的轉向行為與傳統的轉向輪轉向時非常相似的，這種影響不復存在。從而，研發的反應操縱桿的性能和控制算法得到證實。

4 結束語

本論文，我們介紹了一種新型的反應操作桿，并引進了安全駕駛的一種新算法。我們應用EPS系統、APM系統和簡化的剎車踏板的反應機構，建立了一個簡化的DBW系統進行試驗。通過真實的汽車進行場地測試，我們證實了研發的反應操縱桿和控制算法的性能。截止到目前為止，我們仍在探究更優的算法來評估汽車的駕駛性能。

[1]趙 燕.C型電動轉向系統力學分析與研究[D].武漢：武漢理工大學，2006.

[2]王柏峰.基于徑向基神經網絡的電動助力轉向系統研究[D].長沙：湖南大學，2007.

[3]吳基安.汽車電子技術[M].北京：人民郵電出版社，1999.

[4]何 軍.基于DSP的汽車電動助力轉向系統的設計[D].北京：北京交通大學，2007.