一種新型線控轉向路感模擬器的設計

張博 鄭良劍 牛占占

摘 要： 隨著國家2020 戰(zhàn)略和新基建政策的落地，針對智能駕駛的投入和普及越來越高，線控轉向成為量產的研究熱點，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時間的過渡方案，筆者通過研究目前路感模擬器的幾種傳動結構方式和控制算法，提出了自己的新型線控轉向路感模擬器及其算法，并針對性的做了樣機和算法臺架試驗認證，為在整車上匹配驗證打下了堅實的基礎。

關鍵詞：線控轉向 路感 模擬器 算法 結構

1 前言

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

線控轉向系統(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向能否搭載量產的關鍵所在[2]。

2 路感模擬器現狀分析

目前線控轉向系統(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，所以使用傳感器測量齒條力的數據經過濾波處理就可以作為反饋力矩。

第二種測得轉向電機電流等效路面負載，對轉向機構的齒條力進行準確的計算，然后將計算得到的齒條力折算成相應的路感信息提供給駕駛員。

第三種是根據目前傳統(tǒng)機械轉向系統(tǒng)的路感產生的機理，建立轉向系統(tǒng)相關的動力學模型并計算出與路感相關的輪胎縱向力、側向力等，最終得到路感。

第四種是根據經驗設計路感反饋，也叫參數擬合法，即根據汽車的狀態(tài)與路感存在一定的關系來設計路感模擬策略，通過傳感器測量一些容易測得的參數，如方向盤轉角、車速、側向加速度等，根據測得的數據將路感與數據設計成函數關系式，以達到模擬路感的設計目標，同時滿足駕駛員對路感的要求[3]。如表1 所示。

3 路感反饋的模型搭建

線控轉向系統(tǒng)取消了方向盤和轉向執(zhí)行器之間的機械連接，所以地面給輪胎的反作用力無法反饋到方向盤上，同時駕駛員也無法感受到真實的路感[4]。針對這個問題，線控轉向系統(tǒng)在方向盤總成中安裝了路感模擬器，在轉向過程中使用電機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一定的回正力矩使方向盤能夠回到中間位置。根據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，以及主動回正力矩的車輛線控轉向盤轉矩的模型[5]。為駕駛員提供了基本的路感，同時也和傳統(tǒng)的機械轉向系統(tǒng)的特點保持一致。

4 臺架試驗驗證

為了驗證和評估所建立路感模型的真實效果和有效性，使用CarSim 軟件來提供整車模型的仿真環(huán)境，進行了臺架試驗。使用自己搭建的線控轉向路感模擬模型和控制器為基礎，建立試驗臺架。選擇某款車型為試驗用車，在CarSim 中輸入整車參數建立整車模型和設置模擬工況并在計算機中實時運行。

同時，使用CAN 通信把車速信號、側向加速度信號、轉向盤轉角信號和轉向盤轉矩信號，發(fā)送給線控轉向系統(tǒng)的控制器。在CarSim中設置的為附著系數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行正常信息交換。

4.1 工況條件

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

4.2 工況條件下測試的結果

使用CANape 工具在試驗臺架上對方向盤轉角、手力、電機力矩指令觀測。

5 結論

通過臺架試驗，搭建的線控轉向系統(tǒng)路感模擬模型可以為駕駛員在低速情況下提供轉向輕便的手感，同時也可以為駕駛員在高速狀態(tài)下提供穩(wěn)定的手感。克服了傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)的缺陷，突出了設計自由的優(yōu)勢。在實驗中，方向盤上的路感力矩和設計的目標力矩基本吻合，轉向系統(tǒng)從轉向路感狀態(tài)到回正狀態(tài)的模式切換過度良好，同時超調現象也非常小，在可接受范圍之內。證明所建立的線控轉向系統(tǒng)的路感模擬器有很好的應用效果。

參考文獻：

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

[2] 宗長富，韓衍東，何磊，等.車輛線控轉向變角傳動比特性研究[J].中國公路學報，2015，28（9）：115-120.

[3] 解后循，高翔，夏長高.基于綜合路感強度的方向盤轉向力矩特性分析[J].機械科學與技術，2012，31（7）：1104.1109.

[4] 周兵，范璐，呂緒寧.主動前輪轉向系統(tǒng)改進型變傳動比曲線設計[J].中國機械工程，2014（20）：2813-2818.

[5] 趙林峰，從光好，邵文彬，陳無畏. 線控轉向車輛方向盤轉矩特性研究[J]. 機械工程學報，2018，54（24）：138-146.