自動駕駛客車線控轉(zhuǎn)向響應(yīng)性能臺架測試研究

汪雙柱

(中興智能汽車有限公司，廣東 珠海 519040)

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是自動駕駛汽車的重要組成部分[1-3]。響應(yīng)性能作為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)重要的指標(biāo)，直接影響轉(zhuǎn)向控制的精準(zhǔn)度，對車輛的舒適性和安全性有重大影響。在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的選型過程中，需要開展響應(yīng)性能測試，以確保其符合設(shè)計要求。目前該測試一般在樣車下線后進行，發(fā)現(xiàn)問題后的整改或重新選型耗時較長，對整車的開發(fā)進度影響較大。本文基于某自動駕駛客車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)選型的需要，提出一種線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)響應(yīng)性能的臺架測試方案，并在樣車下線之前開展測試，選出符合設(shè)計要求的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，節(jié)約整車開發(fā)時間。

1 測試系統(tǒng)的搭建

1.1 測試系統(tǒng)構(gòu)成

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的響應(yīng)性能測試包括躍階響應(yīng)性能測試及正弦響應(yīng)性能測試。測試系統(tǒng)方案如圖1所示。測試方案中CAN收發(fā)器、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參照實車狀態(tài)進行配置和安裝。

圖1 測試系統(tǒng)方案示意圖

其中，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是被測樣件，直流穩(wěn)壓電源用于給CAN收發(fā)器及線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器提供工作電源，測試系統(tǒng)其他部分在后文詳述。

1.2 CANoe工具

測試過程中，利用CANoe工具[4]生成線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸入報文指令，并接收CAN總線上的轉(zhuǎn)向結(jié)果報文數(shù)據(jù)，以及進行響應(yīng)性能的測試結(jié)果分析。

1.3 CAN收發(fā)器

在實車狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸入報文指令是通過整車控制器發(fā)出，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)接收到指令后再執(zhí)行轉(zhuǎn)向動作，整車控制器對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的響應(yīng)性能影響較大。為模擬實車狀態(tài)下線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的真實響應(yīng)性能，在圖1所示的測試系統(tǒng)中布置CAN收發(fā)器，它由整車控制器改造而來——將整車控制器轉(zhuǎn)向控制相關(guān)功能保留，屏蔽掉其他功能。測試過程中，由CANoe工具生成轉(zhuǎn)向輸入指令報文，CAN收發(fā)器接收指令后，輸出至線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向控制器，執(zhí)行轉(zhuǎn)向動作。

1.4 轉(zhuǎn)向阻力模擬電機

測試時采用電機阻力矩來模擬汽車原地轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向器輸出端的阻力矩。此阻力矩可以通過兩種方式獲得：

1)采集相似車輛原地轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向器的輸出力矩值。

2)按經(jīng)驗公式[5-8]計算原地轉(zhuǎn)向阻力矩，再根據(jù)轉(zhuǎn)向器角傳動比或轉(zhuǎn)向搖臂長等換算為轉(zhuǎn)向器輸出端阻力矩。原地轉(zhuǎn)向阻力矩計算公式為：

Tr=f/3·(G3/P)1/2

式中：Tr為原地轉(zhuǎn)向阻力矩，N·m；f為輪胎與路面的滑動摩擦系數(shù)；G為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷，N；P為輪胎氣壓，Pa。

1.5 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

測試時，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輸入為各個時刻期望達到的轉(zhuǎn)向角度，即目標(biāo)轉(zhuǎn)向角度；輸出為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)置的角度傳感器測量的各個時刻的實際轉(zhuǎn)向角度，即實際反饋轉(zhuǎn)向角度，由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器以報文的形式發(fā)送在CAN總線上。

2 測試及結(jié)果分析

2.1 躍階響應(yīng)性能測試

2.1.1 躍階響應(yīng)性能主要指標(biāo)

自動駕駛汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)躍階響應(yīng)性能主要指標(biāo)有響應(yīng)時間、超調(diào)時間、最大超調(diào)角度和最大穩(wěn)態(tài)誤差等。如圖2所示，其定義如下：

圖2 躍階響應(yīng)性能主要指標(biāo)示意圖

1)響應(yīng)時間ΔT1。是指CAN總線上開始發(fā)出目標(biāo)轉(zhuǎn)向角度指令的時刻到接收到實際反饋轉(zhuǎn)向角度開始產(chǎn)生變化的時刻之間的時間差。

2)超調(diào)時間ΔT2。是指實際反饋轉(zhuǎn)向角度第一次達到目標(biāo)轉(zhuǎn)向角度時刻與實際反饋轉(zhuǎn)向角度第一次達到最大誤差要求時刻之間的時間差。

3)最大超調(diào)角Δθ1。是指轉(zhuǎn)向過程中實際反饋轉(zhuǎn)向角度超過目標(biāo)轉(zhuǎn)向角度的最大角度值。

4)最大穩(wěn)態(tài)誤差Δθ2。是指實際反饋轉(zhuǎn)向角度達到目標(biāo)轉(zhuǎn)向角度(穩(wěn)態(tài))時存在的最大誤差。

2.1.2 躍階響應(yīng)性能測試步驟

1)采集相似車型轉(zhuǎn)向器輸出端的阻力矩值為3.6 N·m，作為測試線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的加載輸入力矩。

2)按圖1所示，安裝待測試的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)樣件，連接轉(zhuǎn)向阻力矩模擬電機，連接各路硬線和CAN總線。設(shè)置上述1)中的轉(zhuǎn)向阻力矩值。

3)20°轉(zhuǎn)角步長躍階響應(yīng)測試。為實現(xiàn)圖2所示的躍階輸入，采用CANoe工具設(shè)定躍階轉(zhuǎn)向速度為600°/s(也可以是其他數(shù)據(jù)，僅用于設(shè)定輸入曲線斜率，不影響測試結(jié)果)，目標(biāo)轉(zhuǎn)向角度分別為0°、20°、40°和60°，記錄目標(biāo)轉(zhuǎn)向角度曲線和實際反饋轉(zhuǎn)向角度曲線，按圖2所示定義，利用CANoe軟件光標(biāo)功能測量其響應(yīng)時間、超調(diào)時間、最大超調(diào)角度和最大穩(wěn)態(tài)誤差。

4)90°轉(zhuǎn)角步長躍階響應(yīng)測試。重復(fù)步驟3)，輸入的躍階轉(zhuǎn)向速度不變，設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)向角度分別為0°、90°、180°和270°，記錄目標(biāo)轉(zhuǎn)向角度曲線和實際反饋轉(zhuǎn)向角度曲線，利用CANoe軟件光標(biāo)功能測量各響應(yīng)性能指標(biāo)。

5)按此方法，完成180°、360°和720°轉(zhuǎn)角步長躍階響應(yīng)測試。

2.1.3 躍階響應(yīng)測試結(jié)果分析

所測線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的躍階響應(yīng)性能結(jié)果見表1。從測試結(jié)果來看，2.1.1中的4項主要指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計要求。

表1 躍階響應(yīng)性能指標(biāo)設(shè)計要求及測試結(jié)果

2.2 正弦響應(yīng)性能測試

2.2.1 正弦響應(yīng)性能主要指標(biāo)

自動駕駛汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的正弦響應(yīng)性能主要指標(biāo)為延遲時間ΔT，如圖3所示，其定義為目標(biāo)轉(zhuǎn)向角度指令與接收到實際反饋轉(zhuǎn)向角度的時間差。通常以相鄰的目標(biāo)轉(zhuǎn)向角度和實際反饋轉(zhuǎn)向角度對應(yīng)的正弦曲線峰值的時間差作為測試結(jié)果。

圖3 正弦響應(yīng)延遲時間示意圖

2.2.2 正弦響應(yīng)性能測試步驟

1)、2)與2.1.2相同。

3)幅值100°周期2 s響應(yīng)性能測試。采用CANoe工具設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)向角幅值和周期為100°和2 s，記錄目標(biāo)轉(zhuǎn)向角度曲線和實際反饋轉(zhuǎn)向角度曲線，利用CANoe軟件光標(biāo)功能測量其響應(yīng)延遲時間。

4)同上，分別完成目標(biāo)轉(zhuǎn)向角幅值/周期為200°/4 s、300°/4 s、400°/6 s和500°/6 s的正弦輸入的響應(yīng)性能測試。

2.2.3 正弦響應(yīng)測試結(jié)果分析

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正弦響應(yīng)性能測試結(jié)果見表2。設(shè)計要求延遲時間小于200 ms，各幅值與周期下的最大延遲時間均優(yōu)于設(shè)計要求，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)表現(xiàn)優(yōu)異，可以精準(zhǔn)執(zhí)行整車控制器指令。

表2 正弦響應(yīng)性能測試結(jié)果

3 結(jié)束語

運用本文方案對該自動駕駛客車的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的響應(yīng)性能進行了測試評價。樣車下線后的整車測評中，所選線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的響應(yīng)性能和控制精度都達到了設(shè)計預(yù)期。達到了臺架測試的目的。