巴哈賽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計

李千也 周羅燚 ?；?卞毅杰 周天俊

摘要：由于目前競爭環(huán)境的激烈，巴哈賽車作為一項廣泛運用于工程院校的教學(xué)項目，集合汽車設(shè)計、營銷、成本預(yù)算等方面為一體，更需要精益求精，才能脫穎而出。巴哈大賽中存在問題較多的地方在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，從而需要對賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，因此，本小組以轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為著手點，對巴哈賽車的部分性能進(jìn)行優(yōu)化。傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向盤與前輪通過轉(zhuǎn)向柱連接，傳動比固定不變，不能適應(yīng)不同的路況，而通過線控轉(zhuǎn)向控制可以根據(jù)車輛進(jìn)行設(shè)計，提高車輛回正性、穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向性。本文首先從根據(jù)汽車傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，設(shè)計新的線控轉(zhuǎn)向方案，再對汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)算法改良，建立汽車的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型，然后通過仿真軟件對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行實驗仿真，最后對整體的模態(tài)做靜力學(xué)分析，驗證設(shè)計的合理性。

關(guān)鍵詞：線控轉(zhuǎn)向;仿真模擬;理想傳動比設(shè)計

中圖分類號：U463.33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0024-04

0? 引言

大學(xué)生巴哈比賽是一項針對汽車及相關(guān)專業(yè)院校參加的越野車設(shè)計制造和檢測的比賽，其對于賽車的運動情況十分嚴(yán)格，尤其是四小時的耐久賽，耐久賽賽道設(shè)置了很多轉(zhuǎn)彎賽道，以及不同的連續(xù)坡度彎道等，所以合理設(shè)計轉(zhuǎn)向方案并滿足賽車的轉(zhuǎn)彎要求顯得十分重要。同樣因為賽事成立不久，許多學(xué)校的設(shè)計方案并不十分成熟，在賽車轉(zhuǎn)彎或過坡道的時候存在很多問題，例如轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與車輪實際轉(zhuǎn)向角度的實際匹配方面的問題和所需力矩的大小不定問題，導(dǎo)致賽車輪轉(zhuǎn)向過程中出現(xiàn)故障。本文立足該問題，提出了線控轉(zhuǎn)向的解決方案，并設(shè)計約束函數(shù)，和不同情況下的傳動比轉(zhuǎn)化方案，對轉(zhuǎn)向角度方面的函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并進(jìn)行了軟件仿真，從而為巴哈賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

1? 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與理想傳動比設(shè)計的現(xiàn)實意義

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過設(shè)計控制器的控制原理，既能實現(xiàn)汽車駕駛的個性化，也能夠通過改變傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的機(jī)械連接來提高駕駛安全性，減少了撞車事故中對駕駛員健康的危害，并能通過路感的識別與檢測，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器來反饋路感信息，包括轉(zhuǎn)向力矩等，以此駕駛員便于調(diào)整力量的大小和傳動比調(diào)整，同時適應(yīng)不同的駕駛環(huán)境，通過軟件恰好能夠模擬還原相應(yīng)的真實情況，并做出分析判斷，同時線控技術(shù)的智能化能根據(jù)大數(shù)據(jù)的經(jīng)驗來判斷汽車的行駛情況，并判斷駕駛員的操作合理性根據(jù)實驗經(jīng)驗來做出回正調(diào)整，實現(xiàn)雙重保障，對偏離軌道的車輛及時進(jìn)行穩(wěn)定的控制，做出調(diào)整，由于取消了機(jī)械轉(zhuǎn)向柱的鏈接，使汽車內(nèi)的活動空間更大，提高了駕駛員的舒適性和操作穩(wěn)定性，也因此，路面上的不平對輪胎的不平衡性也不會傳遞到傳遞機(jī)構(gòu)上，能夠有效延緩駕駛員的疲勞程度，并且能夠通過傳感器反饋信號來檢測路況和行駛狀態(tài)，加強對車輪主動輪的控制，便于駕駛員操作。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的容錯率也較為良好，由于冗余和容錯技術(shù)的采用，在系統(tǒng)中，當(dāng)部分電子零件出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會轉(zhuǎn)為主動控制，仍能實現(xiàn)最基本的控制轉(zhuǎn)向功能，改善了駕駛的性能體驗，對于車輛速度，轉(zhuǎn)向傳動比不斷變化，實現(xiàn)低速時轉(zhuǎn)向的靈敏響應(yīng)等。

通過研究巴哈賽車轉(zhuǎn)向的特性，設(shè)計對應(yīng)的轉(zhuǎn)向算法，包括轉(zhuǎn)向角度、橫擺角速度、側(cè)向加速度、不足轉(zhuǎn)向特性等，并調(diào)整轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計，借助軟件進(jìn)行仿真模擬與改進(jìn)。理想傳動比的設(shè)計能夠改善汽車的行駛安全性，并給人足夠的反應(yīng)時間。進(jìn)行仿真實際檢驗，并分析反饋信息。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展在無人駕駛技術(shù)層面有較深層的應(yīng)用，并有多種實現(xiàn)方式，比如主動輪的線控轉(zhuǎn)向和四驅(qū)的線控轉(zhuǎn)向。其中主動輪的線控轉(zhuǎn)向又被分成多種，比如，汽車輪轂對電機(jī)形成的牽引力會使繞主軸的轉(zhuǎn)向力矩產(chǎn)生，通過萬向節(jié)對轉(zhuǎn)向梯形傳遞力矩，實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向，或者利用兩個相對獨立的電機(jī)分別對汽車左右兩個輪胎進(jìn)行驅(qū)動，完成轉(zhuǎn)角。在當(dāng)前比較常用的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，采用的是轉(zhuǎn)向電機(jī)對齒輪齒條轉(zhuǎn)向器驅(qū)動的方式，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2? 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計和函數(shù)分析設(shè)計

2.1 設(shè)計理念

在傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，方向盤和轉(zhuǎn)向輪通過傳動機(jī)構(gòu)和操舵裝置連接在一起，操作不便，且傳動比固定，在面對較為復(fù)雜的路況時，轉(zhuǎn)型盤所需力矩較大，不利于操作，安全性較差，這種純機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好，但傳動比的變化范圍有限，在助力系統(tǒng)轉(zhuǎn)向的作用下，汽車的輕轉(zhuǎn)向問題才被解決。

所以這次選擇了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為實物轉(zhuǎn)向模板，如圖2所示，借助其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向可變性設(shè)計相應(yīng)的算法，來改變實際操作中轉(zhuǎn)向盤扭角和主輪實際轉(zhuǎn)動角。

通過實驗結(jié)果表明，車輛在高速時，靈敏度較高，相應(yīng)的所需的傳動比較小;車輛在低速行駛時，靈敏度較小，轉(zhuǎn)向反應(yīng)也就較慢，所需的傳動比較大。

2.2 理想傳動比的設(shè)計思路

為了實現(xiàn)不同車速下理想的傳動比，根據(jù)理想傳動比理論特性可知，側(cè)向加速度a的值和車輛傳動比有一定的相關(guān)聯(lián)系，a的值越小，傳動比的成長性越快，此外還發(fā)現(xiàn)其他參數(shù)對于車輛實際響應(yīng)速度的影響，并設(shè)計了中間值，以反應(yīng)時間為測量依據(jù)，約束了橫擺角度、橫擺加速度增益、不定量因素等，同時為了保證汽車在實驗?zāi)M中正常操作，以及實際道路上，車輛的操作穩(wěn)定性和安全性，調(diào)整轉(zhuǎn)向特性，并分析出了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動比與橫擺角速度及反應(yīng)時間需滿足如下的條件：

①現(xiàn)實生活中，汽車低速轉(zhuǎn)向時，其傳動比小，轉(zhuǎn)向盤對于車輪主動輪的靈敏度較差，使得其車速變化慢，高速轉(zhuǎn)向時，傳動比大，隨著車速的增加，轉(zhuǎn)向靈敏度增加，其轉(zhuǎn)彎變化加快，為了保證高速轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)向的操縱穩(wěn)定性以及滿足低速和高速對傳動比的不同的要求，設(shè)計可識別路況和車速變化的傳動比，并根據(jù)結(jié)果，增大傳動比在不同速度的梯度范圍，使得車輛能夠更好的適應(yīng)路況做出轉(zhuǎn)向反應(yīng)。

②以駕駛技術(shù)一般的駕駛員為測量目標(biāo)，其對路況的反應(yīng)時間一般為0.1-0.5s，對復(fù)雜路況的反應(yīng)為1-3s，對復(fù)雜路況進(jìn)行認(rèn)知并做出判斷的反應(yīng)時間為3-5s。根據(jù)對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角位移傳動比的要求，本次實驗數(shù)據(jù)取中間值。并且在已知車速v情況下，當(dāng)橫擺角速度增益和側(cè)向加速度增益為定值時，汽車的操縱更加簡單方便也便于數(shù)據(jù)的測量。并且設(shè)置前輪轉(zhuǎn)角不超過其極限值，并確定轉(zhuǎn)向傳動比的波動范圍，其最小值為9.6，這樣在保證轉(zhuǎn)向盤在極限轉(zhuǎn)角角度時也更輕便的轉(zhuǎn)向，按照理想傳動比的設(shè)計規(guī)律，需要設(shè)置速度分界值來衡量速度的大小，便于觀察系統(tǒng)判斷車輛轉(zhuǎn)彎時的傳動比選擇，本次初始速度臨界值設(shè)為30km/h。

3? 算法設(shè)計及仿真

3.1 仿真操作

通過前期的MATLAB算法設(shè)計得出了初步的模型，然后進(jìn)行了在Simone上的試車仿真。本次的設(shè)計主要是實際操作中方向盤的轉(zhuǎn)向角度的優(yōu)化，轉(zhuǎn)向盤會根據(jù)車速的不同采用不同的傳動比設(shè)計，以車輛的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角為輸入，車輪實際轉(zhuǎn)角為輸出，并且初始設(shè)定橫擺角速度增益Kr 不變和側(cè)向加速度增益Kay不變，且選取Kr=0.5，Kay=1.2，傳動比設(shè)計如下：

然后分別在速度為20km/h、70km/h、90km/h情況下進(jìn)行仿真。

3.2 結(jié)果分析

實驗結(jié)果表明，當(dāng)車輛行駛速度小于 30km/h 時，為了滿足低速轉(zhuǎn)向的要求，要求車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動比為 9.6，且傳動比隨車速的增加而增大。中速度行駛時，其傳動比有上升趨勢，高速行駛時，其傳動比較大，按照仿真結(jié)果能夠給與駕駛者足夠的反應(yīng)時間。

本次實驗是在側(cè)向加速度響應(yīng)和橫擺角速度響應(yīng)增益不變的情況下的仿真曲線，仿真結(jié)果表明，在恒定橫向加速度增益的理想傳動比在低速范圍內(nèi)變化不明顯，高速時最大傳動比始終小于 22，不能達(dá)到理想傳動比要求，嘗試改變橫向加速度增益，使其隨著速度的增大而增大，在速度為100km/h時，傳動比近似為26，所以相較之下，變化的橫向加速度增益更加符合設(shè)計要求。同時考慮側(cè)向加速度增益的影響關(guān)系，其與車速成反比，初始設(shè)置數(shù)值對傳動比的影響較小，經(jīng)過實驗表明，其對傳動比的影響基于實際車速的改變，車速不變，傳動比較大，其數(shù)值越小，并且初始設(shè)置值滿足設(shè)計要求。以此還得出優(yōu)化結(jié)果：設(shè)計正常的操作環(huán)境，設(shè)定各項增益滿足設(shè)計要求，車速在相應(yīng)路段逐漸增加。

軟件介紹：51Sim-One是51WORLD自主研發(fā)的國內(nèi)首款擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的智能汽車虛擬仿真工具。51Sim-One虛擬仿真工具應(yīng)用于各類自動駕駛系統(tǒng)共性技術(shù)的研發(fā)，為智能決策控制、復(fù)雜環(huán)境感知、人機(jī)交互與共駕，車路協(xié)同與網(wǎng)絡(luò)通訊等提供了安全可控的全要素多層級的測試與評價技術(shù)支撐。同時，51Sim-One的仿真引擎已拓展服務(wù)于智慧城市交通系統(tǒng)、交通環(huán)境仿真、智慧道路設(shè)施部署與監(jiān)控、無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)評估等領(lǐng)域。

實驗結(jié)果如下，選擇C++和Python，開發(fā)環(huán)境可以為 Windows 10 或 Linux（建議Ubuntu16.04）這里以C++的代碼curvesimple作為參考，如圖3操作平臺。

信息輸入部分：

獲得api接口處的傳感器信息

std：：unique_ptr<SimOne_Data_Gps> pGps=

std：：make_unique<SimOne_Data_Gps>（）;

信息初始化加載

while （1） {

SimOneSM：：GetGps（0， pGps.get（））;

if （SimOneSM：：IsCaseStart（） && （pGps->

timestamp > 0）） {

printf（"SimOne Initialized＼n"）;

break;

}

printf（"SimOne Initializing...＼n"）;

}

設(shè)置測試的起點（startPt）和終點坐標(biāo)（endPt）的地圖，如圖4。

std：：unique_ptr<SimOne_Data_Gps> pGps =

std：：make_unique<SimOne_Data_Gps>（）;

SSD：：SimPoint3D startPt， endPt;

if （SimOneSM：：GetGps（0， pGps.get（）））

{

startPt.x = pGps->posX;

startPt.y = pGps->posY;

startPt.z = pGps->posZ;

}

SimOne_Data_WayPoints_Entry terminal;

if （SimOneSM：：GetTerminalPoint（&terminal））

{

endPt.x = terminal.posX;

endPt.y = terminal.posY;

endPt.z = 0;

}

設(shè)置初始化過程的默認(rèn)時間，并將這個變量作為參數(shù)賦予SimOneSM：：LoadHDMap對象得到測試過程中每一時刻測試對象的瞬時位置坐標(biāo)，以便于測試完成后對于數(shù)據(jù)的分析和處理。

int timeout = 20;

SimOneSM：：LoadHDMap（timeout）

根據(jù)起點和重點坐標(biāo)規(guī)劃測試過程的行動路線如圖5所示。

SSD：：SimVector<long> naviRoadIdList =

GetNavigateRoadIdList（startPt， endPt）;

設(shè)計結(jié)果表明，完全通過各個彎道，且反應(yīng)時間均在范圍內(nèi)，對于相應(yīng)的復(fù)雜路段也能輕量轉(zhuǎn)向并通過。此外作為延伸，還進(jìn)行了相應(yīng)的行駛路線規(guī)劃，依照實際生活中的各個行駛路線，以及實際場地的路感模擬，根據(jù)路況設(shè)計了應(yīng)對的方案，代碼如下：

巴哈賽車線控轉(zhuǎn)向自動駕駛算法部分：

①條件終止條件判斷，在測試過程設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)在測試運行過程中不滿足預(yù)期時終止測試的。

if （SimOneSM：：IsCaseStop（）） {

break;

}

②通過API調(diào)用SimOneSM：：LoadHDMap地圖獲得測試對象的瞬時位置，路況信息。這里對每一個道路進(jìn)行了編號，通過不同編號來識別道路，得到小車的相對位置。并且‘if （！SimOneSM：：GetGps（0， pGps.get（）））’對象可以時刻監(jiān)督信號連接的準(zhǔn)確性，以保證實驗的準(zhǔn)確性和合理性。

SimOneSM：：GetGps（0， pGps.get（））;

std：：cout << "targetpath size ：" << targetPath.size（） << std：：endl;

std：：cout << "current mainVehicle posX， posY：" << pGps->posX << " " << pGps->posY << std：：endl;

if （！SimOneSM：：GetGps（0， pGps.get（））） {

std：：cout << "Fetch GPS failed" << std：：endl;

}

③引入對象‘controlPtr.get（）’幫助測試過程中對油門和速度進(jìn)行控制

controlPtr->timestamp = pGps->timestamp;

SimOneSM：：SetDrive（0， controlPtr.get（））;

主要是針對一些復(fù)雜的路況，包括較大難度的轉(zhuǎn)彎等等。

4? 結(jié)語

本文通過設(shè)計傳動比變化函數(shù)，并設(shè)計各個參量的合理值，對轉(zhuǎn)向器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的改進(jìn)，對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性進(jìn)行了初步研究，優(yōu)化和提高了賽車的轉(zhuǎn)向傳動比。參照理論函數(shù)設(shè)計理想傳動比，并設(shè)計出了在平臺上進(jìn)行了仿真模擬，同時對操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了客觀評價和仿真驗證，尤其是變角傳動比操縱穩(wěn)定性。函數(shù)結(jié)果還存在一定的偏差，可能是偏轉(zhuǎn)角度、不足轉(zhuǎn)向特性等約束條件還不夠完善。但基于優(yōu)化的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，巴哈賽車可以擁有更佳的穩(wěn)定性，相信它在特定的比賽中能表現(xiàn)出更優(yōu)秀的性能。

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