分布式電動汽車的轉向亢余容錯控制綜述

郭增江 李剛 趙士博 張琳偉

摘 要：分布式電動汽車必然是未來電動汽車發(fā)展的方向，首先對線控轉向進行介紹概括，并對分布式電動汽車的轉向的亢余容錯控制的國內外研究現(xiàn)狀進行分析總結，分析了線控轉向系統(tǒng)的故障診斷的方法的國內外現(xiàn)狀，并對容錯控制進行展望。

關鍵詞：分布式電動汽車;線控轉向;容錯控制

0 前言

隨著無人駕駛技術的快速發(fā)展，對汽車轉向系統(tǒng)的安全性提出了更高的要求。汽車線控轉向（Steer-By-Wire）系統(tǒng)通過對電機的控制，完成車輛的轉向過程，突破了傳統(tǒng)機械式轉向的各種限制，可以根據(jù)司機的駕駛意圖、路面情況、整車運行狀態(tài)靈活地對轉向力、轉向角進行控制，提高了整車的操控性和舒適性。

線控轉向系統(tǒng)是整個無人駕駛系統(tǒng)的核心，其性能對整車會產(chǎn)生直接的影響，因此在線控轉向系統(tǒng)中，各個裝置運行的可靠性和安全性顯得尤為重要。當轉向系統(tǒng)發(fā)生故障時，汽車轉向系統(tǒng)失效，正在行駛的汽車無法繼續(xù)正常運行，車內乘客的安全就無法保證?，F(xiàn)有的線控轉向系統(tǒng)由于缺乏容錯機制，無法實現(xiàn)由于轉向電機故障并能保持繼續(xù)平穩(wěn)運行的功能，難以滿足未來無人駕駛汽車高安全性的需求。

線控轉向系統(tǒng)主要由3大部分組成，包括方向盤總成、轉向執(zhí)行總成和主控制器。結構圖如圖1所示。

圖1 線控轉向結構示意圖

方向盤總成可以和駕駛員直接接觸，并直接收到駕駛員控制，主要是由轉向操縱機構、轉角傳感器和轉矩傳感器、路感模擬點擊和減速器等組成。主要作用就是接受駕駛員的輸入，得到輸入信號，通過一系列傳感器傳遞給控制器，由控制器根據(jù)所設計的控制策略產(chǎn)生的相應的信號發(fā)送給執(zhí)行機構。

轉向執(zhí)行機構總成主要包含轉向電機以及各類傳感器。主要功能就收到控制器發(fā)出的信號，從而由轉向電機產(chǎn)生合適的轉矩和轉角，控制車輪的轉角。

主控制器是線控轉向的核心，是整個系統(tǒng)的控制和決策中心。通過采集信號對駕駛員的意圖進行判斷，并根據(jù)設定好的控制策略做出合理的決策?？刂妻D向執(zhí)行總成，保證汽車能夠按照駕駛員的意圖安全行駛。

故障容錯部分是線控轉向系統(tǒng)不可或缺的部分，他監(jiān)視著線控轉向系統(tǒng)各個部分的工作情況，針對不同情況采取不同的措施，在部分硬件或軟件出現(xiàn)故障時，保證汽車仍具有基本的轉向能力。電源系統(tǒng)主要起到為主控制器、轉向執(zhí)行電機和路感模擬電機以及其他車載電器供電的作用，電源系統(tǒng)性能的好壞對線控轉向系統(tǒng)的正常運行有著重要影響。

1 國內外研究現(xiàn)狀

由于線控系統(tǒng)取消駕駛員輸入系統(tǒng)與執(zhí)行系統(tǒng)之間的機械連接，其在可靠性方面的要求高于傳統(tǒng)電控系統(tǒng)，因此其容錯控制的要求也要高于現(xiàn)有的成型的電控系統(tǒng)容錯控制。國外的這方面研究起步較早，許多學者和公司從線控轉向系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)入手，做了一些研究。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

韓國Hanyang大學和萬都汽車零部件研發(fā)中心基于預測模型的冗余分析法，對線控制動系統(tǒng)傳感器故障的容錯控制策略開展了研究，其通過建立線控系統(tǒng)的數(shù)學模型，并以電流異常檢測實現(xiàn)傳感器的故障診斷。

美國俄亥俄州立大學Wang針對4WID電動車的驅動電機及其控制器的故障，提出了主動容錯控制的方法。一旦診斷出故障后，減小故障電機的控制增益。通過使用電機控制增益估計值，更新系統(tǒng)控制矩陣?？刂品峙浞椒▽⒆詣拥脑谑Ｓ嗟恼ｋ姍C中分配總體控制目標。

Hayama等采用雙套轉向系統(tǒng)，通常使用SBW系統(tǒng)，應急轉向系統(tǒng)采用機械轉向系統(tǒng)。這種SBW系統(tǒng)結構簡單，易于實現(xiàn)和控制，但是在電子系統(tǒng)失效后車輛的性能可能會出現(xiàn)很大變化，從而引起駕駛員的不適，增加駕駛員負擔。

Werner Harter等采用雙套相互監(jiān)控的SBW系統(tǒng)。這種系統(tǒng)有一定的優(yōu)勢，一旦電子系統(tǒng)失效，它可以避免由此帶來的汽車狀態(tài)輸出參數(shù)的劇烈變化，車輛的可靠性、安全性得到極大提升。但是該系統(tǒng)劣勢也很明顯，因整體部件都是雙份的，也就不可避免增加了成本。

1.2 國內研究現(xiàn)狀

四輪獨立線控電動車在國內的研究剛剛起步，對于轉向系統(tǒng)故障容錯控制的研究并不多。吉林大學田承偉基于黎卡提方程和自適應卡爾曼濾波理論提出了線控轉向汽車方向盤模塊和線控轉向執(zhí)行電機的參數(shù)估計方法，以此為基礎，研究了基于殘差監(jiān)控的線控轉向汽車主要傳感器和電機容錯控制方法。利用線控轉向系統(tǒng)硬件在環(huán)實驗臺及線控轉向實驗車，對設計的傳感器、電機及控制器的容錯控制方法進行了實驗驗證。

吉林大學張萍結合軟件冗余和硬件冗余的優(yōu)勢，根據(jù)線控轉向試驗臺的特點，搭建方向盤和轉向執(zhí)行機構兩部分的數(shù)學模型，并分別針對兩部分的傳感器和執(zhí)行器故障進行計算機仿真，最后在XPC技術為基礎的硬件在環(huán)試驗臺上驗證所提出的容錯控制策略。

重慶大學張延鵬基于過驅動系統(tǒng)的功能冗余，針對線控轉向系統(tǒng)的失效問題，提出一種基于驅動或制動力矩控制分配的容錯控制方法，為保證線控轉向系統(tǒng)的安全性和可靠性提供一種思路。

南京航空航天大學秦曉熙針對穩(wěn)定性控制中線控四輪向系統(tǒng)魯棒性和魯棒性能問題以及雙輸入雙輸出控制系統(tǒng)特性，研究線控四輪轉向系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制策略。針對現(xiàn)有容錯控制策略中的狀態(tài)估計精度問題，基于線控四輪轉向系統(tǒng)的高精度狀態(tài)估計理論，對線控四輪轉向系統(tǒng)進行傳感器冗余設計，研究線控四輪轉向系統(tǒng)傳感器容錯控制策略。

2 線控轉向系統(tǒng)的診斷方法

基于模糊專家控制與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的故障診斷方法，首先利用模糊專家控制技術對傳感器輸出數(shù)據(jù)進行屬性分類，然后將分類后的不可靠數(shù)據(jù)用來進行故障診斷。

用粗糙集模型簡化冗余信息，抽取分類規(guī)則。設計利用粒子群優(yōu)化方法優(yōu)化的徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡，學習冗余信息簡化抽取的故障規(guī)則。MATLAB仿真表明，智能故障診斷方法提高了診斷精確水平。

基于改善的自適應粒子群優(yōu)化算法動態(tài)改變慣性權重和閾值，根據(jù)粒子成熟收斂度和粒子適應度自適應調整粒子的慣性權重，訓練神經(jīng)網(wǎng)絡，建立了故障診斷模型。與粒子群優(yōu)化算法和遺傳算法相比，有效改善了神經(jīng)網(wǎng)絡訓練效率，獲得了較好的診斷結果。

建立滑模觀測器進行基于模型的故障診斷和隔離，系統(tǒng)不確定性條件下處理多個傳感器故障。為了抑制噪聲、傳感器輸出相互作用、模型不確定性，基于實時、閉環(huán)反饋性能設計具有魯棒自適應觀測器的故障診斷和重構策略。硬件在環(huán)試驗表明精確、可靠的用于在線故障診斷、數(shù)據(jù)再構。

針對有限參數(shù)不確定性的線性系統(tǒng)，設計魯棒的基于模型的故障診斷濾波器。最大化系統(tǒng)和診斷濾波器的理論信道能力，把故障條件視為假定的信道的輸入，把產(chǎn)生的分量作為輸出，把傳感器噪聲、干擾、系統(tǒng)輸入作為干擾源。產(chǎn)生的余量對故障敏感，對噪聲和干擾不敏感。

研究基于滑模觀測器的預測故障診斷，設計滑模觀測器，利用線性車輛模型、線控轉向系統(tǒng)和橫擺角速度反饋來估計車輛轉向角度。通過長范圍預測方法根據(jù)估計的轉向角度和當前輸入預測轉向角度?；诜蔷€性滑模觀測器、預測的解析冗余降低所需的冗余轉向輪轉角傳感器的數(shù)目，保持高可靠性。用持續(xù)故障和初始故障評價提出算法的有效性，故障傳感器辨識時間隨預測水平增加而降低，基于預測的解析冗余算法適合處理單點故障。

3 汽車轉向系統(tǒng)的展望

汽車線控轉向系統(tǒng)容錯使得在發(fā)生一個部件或子系統(tǒng)故障時仍然實現(xiàn)轉向功能?，F(xiàn)有的容錯與故障診斷技術許多僅通過計算機仿真驗證，而沒有經(jīng)過臺架試驗，尤其是實車試驗更少。今后的發(fā)展趨勢是通過大量的硬件在環(huán)臺架試驗和實車試驗驗證汽車線控轉向系統(tǒng)容錯與故障診斷技術的效果，為汽車線控轉向系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化奠定基礎。

4 總結

汽車線控轉向系統(tǒng)帶來了轉向系統(tǒng)結構和控制等方面的變革，大大優(yōu)化汽車操縱穩(wěn)定性、舒適性等性能。提高安全可靠性、降低系統(tǒng)成本是線控轉向系統(tǒng)的關鍵技術，容錯技術需要高可靠性的傳感器、執(zhí)行機構等、快速故障診斷算法，發(fā)生故障時保持車輛可靠控制。

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作者簡介：郭增江（1995-），男，遼寧阜新人，研究生，研究方向：智能駕駛與主動安全。