微型車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究

(北京信息科技大學(xué) 北京 100192)

一、引言

汽車工業(yè)發(fā)展至今的百余年里，控制技術(shù)在不斷的進步[1]，在一定程度上反映了汽車的工業(yè)水平[2]。自動駕駛汽車開始出現(xiàn)在人們的視野中。而在自動駕駛車輛轉(zhuǎn)向過程中，方向盤依然隨著轉(zhuǎn)向柱在旋轉(zhuǎn)。在高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)和自動駕駛技術(shù)飛速發(fā)展的今天，若要讓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成到整車控制、聽從中央處理器的指揮，則勢必要拋棄這種傳統(tǒng)的機械連接，加入智能的處理器和執(zhí)行器以精準(zhǔn)地、安全地控制轉(zhuǎn)向的力度和角度。

本文在系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)上，完成了微型車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件改造和控制策略設(shè)計，利用PID算法控制轉(zhuǎn)向電機電流，并對微型車實車試驗結(jié)果進行了分析。

二、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與建模

(一)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是由轉(zhuǎn)向盤總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成、轉(zhuǎn)向控制器以及容錯系統(tǒng)、汽車總線網(wǎng)絡(luò)和車載電源等輔助系統(tǒng)組成[3]，圖1為線控轉(zhuǎn)向原理示意圖。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摒棄了轉(zhuǎn)向柱萬向節(jié)等部件，改為電信號總線技術(shù)傳輸控制信息。駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤，安裝在方向盤部位的轉(zhuǎn)角傳感器將轉(zhuǎn)角信息輸入到轉(zhuǎn)向控制器中，控制器結(jié)合當(dāng)前車速、橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角等車輛狀態(tài)信息計算出適合當(dāng)前汽車運行狀態(tài)的轉(zhuǎn)向傳動比作為理想轉(zhuǎn)向傳動比，控制器按照設(shè)計好的控制策略計算出轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機需要的電流，轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機連接轉(zhuǎn)向器，經(jīng)過轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)使前輪轉(zhuǎn)向，達到駕駛員希望轉(zhuǎn)過的角度，前輪轉(zhuǎn)角傳感器將當(dāng)前轉(zhuǎn)角信息反饋給控制器，形成閉環(huán)控制。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理圖如圖1。

圖1 線控轉(zhuǎn)向原理圖

(二)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模

方向盤系統(tǒng)模型：

(1)

(2)

(3)

轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機模型：

(4)

式中Js為轉(zhuǎn)向盤子系統(tǒng)等效到轉(zhuǎn)向柱的轉(zhuǎn)動慣量；θh為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，Cs為轉(zhuǎn)向盤子系統(tǒng)等效到轉(zhuǎn)向柱的阻尼系數(shù)；Th為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩；Tsm為路感電機轉(zhuǎn)矩；Gsm為路感電機減速器傳動比；Jf為前輪子系統(tǒng)等效到前輪轉(zhuǎn)向銷的轉(zhuǎn)動慣量；Cf為前輪子系統(tǒng)等效到前輪轉(zhuǎn)向銷的阻尼系數(shù)；Tfm為前輪轉(zhuǎn)向電機轉(zhuǎn)矩；Ta為前輪的回正力矩；θf前輪轉(zhuǎn)角；Jfm為前輪轉(zhuǎn)向電機轉(zhuǎn)動慣量；θfm為前輪轉(zhuǎn)向電機轉(zhuǎn)角；Cfm為電機軸阻尼系數(shù)；Tfm為前輪轉(zhuǎn)向電機轉(zhuǎn)矩；Gs為齒輪齒條轉(zhuǎn)向器傳動比；Gfm前輪轉(zhuǎn)向電機減速器傳動比；d為輪胎氣壓拖距與輪胎機械拖距之和，視為一定值；v為側(cè)向速度；u為車輛汽車前進速度；k1為前輪側(cè)偏剛度；ke電動勢常數(shù)。

根據(jù)上述微分方程建立Simulink模型，結(jié)合微型試驗車的整車參數(shù)，建立CarSim整車模型?？刂瓶驁D如圖2所示。

圖2 控制框圖

三、理想傳動比的設(shè)計

在傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總傳動比為：

(6)

傳動比i由機械系統(tǒng)決定。傳動比是操縱性中的轉(zhuǎn)向特性和轉(zhuǎn)向盤力特性，以及穩(wěn)定性方面的直線行駛路徑保持性的影響因素[7]。對于微型試驗車原轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，i為定值。試驗車的穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益[7]如下所示：

(7)

圖3 橫擺速度增益與車速關(guān)系

通過仿真如圖可以看出，汽車的穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益會隨著車速的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在對試驗車的設(shè)計之中，因為試驗車的最高車速小于60km/h，故橫擺角速度增益會隨著車速的增加而增大。這就要求試驗車在低速時具有較小的傳動比，中高速時需要較大的傳動比。從而減小駕駛員的操縱負擔(dān)，使車輛橫擺角速度系統(tǒng)增益穩(wěn)定為一常數(shù)，提高行駛安全性。

本文基于期望的橫擺角速度增益為一定值，設(shè)計了微型試驗車的傳動比，如式(8)(9)。

(8)

(9)

微型試驗車的最高時速為50km/h，為方便研究，以時速10km/h為界限，劃定了試驗車的低速區(qū)和高速區(qū)。低速狀態(tài)下，試驗車傳動比為一定值，前輪最大轉(zhuǎn)向角度為30°，令i=6，方向盤轉(zhuǎn)動角度為±180°，方向盤由左極限位置到右極限位置打滿一圈即可實現(xiàn)前輪由左極限角度轉(zhuǎn)到右極限角度，保證輕便性的同時，大大提高了轉(zhuǎn)向靈活性，可方便駕駛員停車移位；高速狀態(tài)下為可變傳動比，即式(10)。

(10)

四、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略的設(shè)計

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖然實現(xiàn)了傳動比的自由設(shè)置，但是要使前轉(zhuǎn)向輪按照轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和可變傳動比決定的期望前輪轉(zhuǎn)角進行準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)向，需要對前輪電機進行適當(dāng)?shù)奈恢每刂?，進而保證前輪轉(zhuǎn)動角度的精確性。安裝在方向盤下方的轉(zhuǎn)角傳感器，輸出的信息為方向盤目標(biāo)轉(zhuǎn)角，把目標(biāo)轉(zhuǎn)角和角度傳感器輸出的實際轉(zhuǎn)角的差值作為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的輸入，控制器結(jié)合車輛當(dāng)前的車速和其他參數(shù)調(diào)整電機的電流和占空比，來控制轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機，從而達到駕駛員希望轉(zhuǎn)動的角度。

在過程控制中，按偏差的比例、積分和微分進行控制的PID控制器是應(yīng)用最為廣泛的一種自動控制器[7]。針對本線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，采用了應(yīng)用普遍的PID算法。經(jīng)過在線調(diào)整，系統(tǒng)響應(yīng)效果較好，本設(shè)計確定KP、KI、KD參數(shù)分別為12、0.005、0.06。

五、實驗結(jié)果分析

將設(shè)計好的傳動比和PID控制算法用C語言編寫成控制程序，通過Keil軟件將程序?qū)懭隨TM32F103單片機中,用12V鉛酸蓄電池轉(zhuǎn)角傳感器、控制器、轉(zhuǎn)向電機和實驗設(shè)備供電供電，控制器對應(yīng)引腳連接電機驅(qū)動器，電機驅(qū)動器連接轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機和路感電機。用Racelogic公司的V-BOX3來檢測車輛的速度和橫擺角速度等信息。用RMS公司的測力方向盤、DEWE數(shù)據(jù)采集儀采集方向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩信息。在混凝土路面，車速保持20km/h,在1s時間內(nèi)，通過DEWE實時顯示系統(tǒng)，方向盤轉(zhuǎn)過20°，進行試驗[8][9]。實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 橫擺角速度隨時間變化曲線

圖5 方向盤角階躍輸入

圖6 方向盤轉(zhuǎn)矩與時間關(guān)系

經(jīng)過時速20/km，30km/h，40km/h情況下的方向盤角階躍輸入試驗，可以看出試驗車的橫擺角速度穩(wěn)定在合理范圍之內(nèi)，能夠快速響應(yīng)轉(zhuǎn)向需求，在中高速時，系統(tǒng)穩(wěn)定時間較低速時更快。經(jīng)過計算，橫擺角速度增益穩(wěn)定在0.4左右。同時，轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩大小明顯降低，提高了轉(zhuǎn)向輕便性，減小了駕駛員操作負擔(dān)。

六、結(jié)論

本文運用Matlab/Simulink與CarSim軟件對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行了聯(lián)合仿真，針對微型車原有機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行了改造，設(shè)計了轉(zhuǎn)向控制策略，并進行了試驗。試驗結(jié)果表明，改造后的微型車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，響應(yīng)快速，操縱穩(wěn)定性提高，轉(zhuǎn)向輕便性更好，同時為整車線控化平臺的搭建提供了較好的工程意義。

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