車輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究綜述

屈 翔,陳 豪,張 君,王 偉

(1.重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400054;2.重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 重慶 400054)

0 引言

車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)向著舒適、安全、靈活的目標(biāo)不斷發(fā)展,經(jīng)歷了機(jī)械轉(zhuǎn)向(mechanical steering,MS)、液壓助力轉(zhuǎn)向(hydraulic power steering,HPS)、電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向(electro-hydraulic power steering,EHPS),直至當(dāng)前被廣泛應(yīng)用的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(electric power steering,EPS)。

線控轉(zhuǎn)向(steering-by-wire,SBW)系統(tǒng)作為線控底盤的關(guān)鍵執(zhí)行系統(tǒng),受益于轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的電氣連接,打破了轉(zhuǎn)向柱的限制,減輕了產(chǎn)品重量,減少了所需空間,增加了設(shè)計(jì)靈活性;SBW系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)模塊化結(jié)構(gòu),利于提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與底盤其他子系統(tǒng)的耦合性和控制自由度;系統(tǒng)控制器可根據(jù)傳感器采集的信號(hào)判斷駕駛員轉(zhuǎn)向意圖,并結(jié)合控制策略計(jì)算出前輪轉(zhuǎn)角,輔助駕駛員完成復(fù)雜的轉(zhuǎn)向操作,同時(shí)將真實(shí)舒適的路面信息反饋給駕駛員[1-4]。

SBW系統(tǒng)具有變傳動(dòng)比和路感控制多樣化的優(yōu)勢(shì),開發(fā)人員可根據(jù)車輛實(shí)際用途設(shè)計(jì)相應(yīng)的變傳動(dòng)比和路感反饋策略[5-6]。通過采用卡爾曼濾波技術(shù)等作為狀態(tài)估計(jì)算法[7],進(jìn)一步優(yōu)化了系統(tǒng)的控制精度,被廣泛應(yīng)用于車輛工程中。

本文從SBW基本結(jié)構(gòu)、演變歷史及2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)展開敘述,詳細(xì)介紹了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感模擬技術(shù)與變傳動(dòng)比技術(shù),對(duì)SBW技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 SBW系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及演變歷史

1.1 SBW系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

SBW系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)[8]如圖1所示,主要由電子控制單元、轉(zhuǎn)向輔助電機(jī)和傳感器組成,取消了傳統(tǒng)車輛的機(jī)械轉(zhuǎn)向柱連桿[9],實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪的解耦。可細(xì)分為:上層主要由轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)角傳感器、路感電機(jī)組成;下層由轉(zhuǎn)向電機(jī)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向輪等組成。轉(zhuǎn)向盤與執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的機(jī)械連接被線控系統(tǒng)代替,由電信號(hào)控制車輛完成轉(zhuǎn)向。

圖1 SBW系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

前輪和轉(zhuǎn)向盤的機(jī)械解耦提高了車輛的被動(dòng)安全,避免車輛在發(fā)生正面碰撞時(shí),機(jī)械管柱給駕駛艙人員造成嚴(yán)重的傷害;線控系統(tǒng)布置更加自由[10],減小了不同車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本和難度;轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比更靈活,開發(fā)人員可根據(jù)不同人群的喜好和需求自由設(shè)計(jì)傳動(dòng)比控制策略,改善汽車的操控性能及乘坐舒適度[11-12]。但是由于沒有機(jī)械桿,駕駛員很難直接獲取當(dāng)前路面信息[13],需要通過路感電機(jī)生成的阻力矩來(lái)模擬路面給駕駛員帶來(lái)的反饋。

1.2 SBW系統(tǒng)演變歷史

19世紀(jì)80年代,機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開始發(fā)展,早期結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,駕駛員依靠水平桿手柄完成轉(zhuǎn)向任務(wù),操作十分困難,容易造成交通事故。為減輕駕駛負(fù)擔(dān),增加車輛安全性和操縱輕便性,1894年潘哈德公司首次提出使用轉(zhuǎn)向盤代替水平桿,機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也逐漸發(fā)展成熟。

機(jī)械轉(zhuǎn)向路感沉重,駕駛員容易疲勞,1897年Ernest等[14]提出液壓助力轉(zhuǎn)向器,1926年美國(guó)Pierce-Arrow汽車公司Francis W.Davis推進(jìn)了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的商業(yè)化進(jìn)程,解決了轉(zhuǎn)向沉重的問題。隨著電控技術(shù)革新,電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(如圖2[15])逐漸進(jìn)入大眾視野,20世紀(jì)中期Letourneau等[16]提出一套與拖拉機(jī)適配的EPS,1956年Lincoln等[17]提出用電動(dòng)組件代替液壓組件輔助駕駛員完成轉(zhuǎn)向任務(wù),隨后電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)快速發(fā)展,成為目前應(yīng)用最廣的車載轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

圖2 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

EPS系統(tǒng)無(wú)法較好地完成主動(dòng)轉(zhuǎn)向功能[18],成為汽車智能化發(fā)展的阻礙,SBW系統(tǒng)由于與未來(lái)車輛概念高度匹配,而成為下一代轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。SBW系統(tǒng)源于航天技術(shù),在汽車上的應(yīng)用可追溯至20世紀(jì)50年代[19],北美和中歐地區(qū)多家汽車企業(yè)設(shè)想用線控信號(hào)來(lái)代替轉(zhuǎn)向管柱。90年代后德國(guó)多家公司發(fā)布搭載SBW系統(tǒng)的概念車[20],如寶馬公司的BMW Z22車型、奔馳公司的F400Carving、克萊斯勒公司的R129等。

21世紀(jì)初美國(guó)通用、意大利Berstone、日本豐田、法國(guó)雪鐵龍、韓國(guó)現(xiàn)代和起亞等各大汽車廠商以及斯坦福大學(xué)、吉林大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等國(guó)內(nèi)外高校開始對(duì)SBW展開系統(tǒng)研究。

直至2013第一款SBW量產(chǎn)車輛(英菲尼迪Q50)[21]在歐洲及美國(guó)市場(chǎng)問世,但該車仍保留了機(jī)械備份,在實(shí)用性和成本控制上引發(fā)了廣泛討論。

2 SBW系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

SBW系統(tǒng)的兩大關(guān)鍵技術(shù)(路感模擬技術(shù)與變傳動(dòng)比技術(shù))是推進(jìn)該系統(tǒng)大規(guī)模量產(chǎn)的重要因素。卡爾曼濾波作為重要的參數(shù)估計(jì)算法,在線控轉(zhuǎn)向車輛中應(yīng)用廣泛,與SBW關(guān)鍵技術(shù)的關(guān)系如圖3所示。

圖3 卡爾曼濾波、路感及變傳動(dòng)比與SBW關(guān)鍵技術(shù)的關(guān)系

路感是駕駛員通過觸覺[22]獲取路面信息的重要來(lái)源,SBW系統(tǒng)由于取消了機(jī)械連接,需通過路感模擬技術(shù)為駕駛員補(bǔ)償路面感知信息。變傳動(dòng)比技術(shù)直接影響車輛穩(wěn)定性,不同工況下車輛的轉(zhuǎn)向特性不同,匹配合適的傳動(dòng)比可減輕駕駛員的體能消耗和精神負(fù)擔(dān)。路感控制和傳動(dòng)比控制在設(shè)計(jì)特性上完全解耦,但在工程應(yīng)用中應(yīng)考慮相互影響,路感反饋策略和變傳動(dòng)比控制策略直接影響駕駛員感受,所以在設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分考慮兩者的匹配度。路感控制和傳動(dòng)比控制的輸入量均可采用卡爾曼濾波器統(tǒng)計(jì)?？柭鼮V波算法是狀態(tài)參數(shù)估計(jì)的重要方法,可以為系統(tǒng)提供更準(zhǔn)確的估計(jì)值,提高路感真實(shí)度和變傳動(dòng)比匹配度。

3 路感模擬技術(shù)

由于SBW系統(tǒng)無(wú)法給駕駛員固有的轉(zhuǎn)向感覺,存在使駕駛員出現(xiàn)誤操作而導(dǎo)致交通事故的風(fēng)險(xiǎn),需要路感模擬技術(shù)給駕駛員帶來(lái)路面的反饋信息。駕駛員通過轉(zhuǎn)向盤上的手感獲取有關(guān)道路和轉(zhuǎn)向輪的反饋信息,有助于完成過彎、變道等駕駛?cè)蝿?wù)[23]。路感是SBW技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題,主要解決:將車輪與路面的轉(zhuǎn)向阻力矩,以及由于輪胎側(cè)偏特性產(chǎn)生的回正力矩反饋到轉(zhuǎn)向盤上,以便駕駛員了解車輛運(yùn)動(dòng)狀況,獲得與EPS系統(tǒng)同等手感。在研究過程中需要考慮到系統(tǒng)參數(shù)變化、信號(hào)干擾等內(nèi)部影響因素,以及路面狀況變化和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化等外部影響因素。

路感控制是對(duì)路面反饋力矩和轉(zhuǎn)向盤回正力矩的控制[22]。要使駕駛員獲得真實(shí)路感,實(shí)質(zhì)是通過合理控制策略將下層電機(jī)和傳感器的數(shù)據(jù)信息通過上層路感電機(jī)模擬并傳遞到轉(zhuǎn)向盤上,讓駕駛員獲得路面反饋力矩和轉(zhuǎn)向盤回正力矩。

3.1 反饋力矩控制

反饋力矩主要由道路和輪胎相互作用產(chǎn)生,是SBW系統(tǒng)為駕駛員提供路感和車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)鍵部分,Zhao等[24]收集了不同駕駛場(chǎng)景下的反饋力矩?cái)?shù)據(jù),采用K均值聚類算法(K-means clustering algorithm,KMA)將收集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分為4個(gè)典型大類,對(duì)比2種建模方法的精確度,擇優(yōu)選擇GPRM(Gaussian process regression model)來(lái)訓(xùn)練反饋力矩模型。Zhang等[25]為提高SBW系統(tǒng)力矩反饋精度,通過卡爾曼濾波器優(yōu)化預(yù)測(cè)值和測(cè)量值并實(shí)時(shí)更新,減小白噪聲導(dǎo)致的估計(jì)值誤差。Liu等[26]設(shè)計(jì)了隨車速變化的路感力矩反饋算法,改善了車輛的穩(wěn)定性,同時(shí)將較為成熟的PID和前饋控制算法應(yīng)用于SBW系統(tǒng)電機(jī)控制中,提高了電機(jī)電流的控制精度和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感反饋質(zhì)量。為提高路感電機(jī)可靠性,Xu等[27]針對(duì)SBW路感電機(jī)信號(hào)采集模塊故障,提出基于卡爾曼濾波器的電機(jī)轉(zhuǎn)矩傳感器故障檢測(cè)方法,有效改善了路感系統(tǒng)穩(wěn)定性。Avinash等[28]把簡(jiǎn)化的路感反饋模型與輪胎力矩模型相結(jié)合,客觀考慮參數(shù)影響,使路感力矩反饋更加直觀,保證駕駛員獲得的路感具有一定保真度,有利于獲取真實(shí)的路面情況。Zheng等[29]同樣提出具有高保真度的力矩反饋模型,此模型將系統(tǒng)參數(shù)中影響反饋力矩的參數(shù)分類,并綜合考慮各個(gè)參數(shù)的影響程度,使模型的反饋力矩更加精確。這種全局分析的思想,有利于提高路感的真實(shí)度。此外為改善路感的真實(shí)性,Wang等[30]提出一種TSMC(terminal sliding mode control)路感設(shè)計(jì)方法,該方法在轉(zhuǎn)向扭矩反饋模型(該模型包括阻尼轉(zhuǎn)矩、慣性轉(zhuǎn)矩、對(duì)準(zhǔn)力矩和頂升轉(zhuǎn)矩)基礎(chǔ)上有效保證了反饋力矩的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。Su等[31]將轉(zhuǎn)向盤的反饋力矩看成輪胎的等效摩擦力矩,為了讓等效力矩能夠平滑地傳遞到駕駛員手上,采用數(shù)學(xué)方法(雙曲線正切函數(shù))來(lái)還原路感,得到客觀的力矩?cái)?shù)據(jù)。

上述文獻(xiàn)以路感真實(shí)度和駕駛員感受作為設(shè)計(jì)目標(biāo),在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,成本是不可忽略的重要因素,Nguyen等[32]用成本較低的電流傳感器來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)向電機(jī)電流,并設(shè)計(jì)控制算法為系統(tǒng)增加阻尼進(jìn)而獲得一個(gè)新力矩,參考電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩的理論關(guān)系,將測(cè)得的電流信號(hào)表示成駕駛員所需的路感,這種方案不僅控制了成本,且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,能夠得到直觀的路面信息和輪胎力信息。

反饋力矩的研究與輪胎動(dòng)力學(xué)緊密相關(guān),不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、不同路面附著系數(shù)輪胎彈性形變量存在差異,這些因素影響著輪胎動(dòng)力學(xué),在工程研究中,為了便于理論實(shí)現(xiàn),通常會(huì)將輪胎假設(shè)成剛性,并作一些忽略,例如在研究車輛橫向控制動(dòng)力學(xué)時(shí)常用的2自由度模型[33],此模型忽略了風(fēng)阻和懸架作用等影響因素,但基本能描述車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于一些極限工況的研究,此模型輸出的參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,需要更復(fù)雜的5自由度[34]、7自由度[35]等車輛模型。

3.2 回正力矩控制

車輛回正力矩容易受輪胎摩擦力影響,導(dǎo)致轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正性能變差,降低線控車輛的操縱穩(wěn)定性,將駕駛負(fù)擔(dān)再次施加到駕駛員身上。主動(dòng)回正控制是指當(dāng)駕駛員松手或不再給轉(zhuǎn)向盤施加轉(zhuǎn)向力矩時(shí),轉(zhuǎn)向盤能夠自動(dòng)回到初始位置,并保持直線行駛,很大程度上減輕了駕駛疲勞感[36-37]。

滑?？刂?sliding mode control,SMC)有較高的魯棒性,可抑制系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)變化帶來(lái)的影響及由負(fù)載引起的擾動(dòng),提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定性。具體控制步驟可分為:選擇一個(gè)滑動(dòng)變量,若該變量趨近于零,系統(tǒng)就趨近于穩(wěn)定狀態(tài);設(shè)計(jì)一個(gè)由滑動(dòng)變量定義的非線性反饋定律,使軌跡與滑動(dòng)表面重合,此時(shí)系統(tǒng)干擾可被有效抑制[37-38]。

Ikram等[39]和Sun等[40]提出了將自適應(yīng)滑模控制器(adaptive sliding mode control,ASMC)用于改善SBW系統(tǒng)回正性能。此方法將輪胎摩擦力矩和系統(tǒng)回正力矩看作外部干擾因素,控制器用于處理干擾因素的不確定性,并設(shè)計(jì)自適應(yīng)定律估計(jì)系統(tǒng)的回正系數(shù),可有效補(bǔ)償自對(duì)準(zhǔn)力矩的干擾損失、提高系統(tǒng)跟蹤精度。Sun等[41]設(shè)計(jì)的滑模學(xué)習(xí)控制器,能抑制可變齒輪比對(duì)轉(zhuǎn)向性能的影響,因系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)已有閉環(huán)控制策略的能力,不需要獲取車輛參數(shù)變化和回正力矩變化便能實(shí)現(xiàn)將回正力矩等路感信息反饋到轉(zhuǎn)向盤上。此外武國(guó)飛等[36]觀察到了SBW系統(tǒng)回正超調(diào)和不足現(xiàn)象,并提出相應(yīng)的滑?；卣刂撇呗詫?duì)路感電機(jī)進(jìn)行控制,引入指數(shù)趨近律提高系統(tǒng)響應(yīng)速度,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明在該策略控制下的回正性能較好,不存在回正不足或超調(diào)現(xiàn)象。文獻(xiàn)[42-45]采用滑?？刂谱罱K實(shí)現(xiàn)了將轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角收斂為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的目標(biāo),減小了系統(tǒng)參數(shù)、路況變化等不確定因素的影響,且提高了非線性系統(tǒng)抗干擾能力。不同的是Wang等[45]發(fā)現(xiàn)回正力矩對(duì)轉(zhuǎn)向性能的影響比轉(zhuǎn)矩脈沖擾動(dòng)影響更為明顯,為解決這一問題,在滑?？刂频幕A(chǔ)上使用雙曲切線信號(hào)來(lái)模擬系統(tǒng)回正力矩,以提高車輛的魯棒性能,緩解回正力矩對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。

回正力矩是路感技術(shù)研究的重要方向,近年來(lái)受到大量學(xué)者關(guān)注?；卣乜刂萍夹g(shù)是評(píng)價(jià)SBW系統(tǒng)好壞的指標(biāo),也是主動(dòng)轉(zhuǎn)向的研究基礎(chǔ)。如何改善回正力矩達(dá)到與助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相同的效果是研究的核心問題?；卣蛔慊虺{(diào)等現(xiàn)象與轉(zhuǎn)向盤自由間隙[46]的力相關(guān)特性未受到學(xué)界的廣泛關(guān)注,從力傳遞特性分析上層回正力矩與下層轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)系,將其轉(zhuǎn)化成電機(jī)間的電信號(hào)傳遞特性,利于設(shè)計(jì)SBW系統(tǒng)真實(shí)的回正力矩。

為提高SBW路感質(zhì)量,Liang等[47]對(duì)路感進(jìn)行分層控制,在上層采用混合H/H控制提高系統(tǒng)魯棒性,并綜合考慮多種不確定因素對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響;下層采用卡爾曼濾波器減小電流諧波,有效提高系統(tǒng)路感控制性能。行駛工況下,顛簸路面會(huì)使得路感反饋系統(tǒng)出現(xiàn)較大波動(dòng),給駕駛員造成精神負(fù)擔(dān)。Liang等[48]重新定義了路感扭矩方程式,并在此理論基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)具有雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)的控制器以跟蹤路感轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角信息,使得駕駛員獲得的手感穩(wěn)定且波動(dòng)小。Tian等[49]采用PID及其衍生算法為駕駛員提供較好的路感力矩及回正力矩,并通過對(duì)SBW傳動(dòng)比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)提高路感質(zhì)量,解決了低速轉(zhuǎn)向輕便與高速轉(zhuǎn)向穩(wěn)定的矛盾。

3.3 路感控制參數(shù)估計(jì)方法

SBW系統(tǒng)路感控制輸入量大多采用傳感器測(cè)量值,測(cè)量信號(hào)受到噪聲的影響會(huì)導(dǎo)致精度下降,而傳感器本身不具備過濾噪聲的功能,須通過濾波算法估計(jì)出更準(zhǔn)確的參數(shù)信息。

在傳感器的魯棒性問題上,Bajcinca等[50]為減小傳感器故障率,提出了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的估算策略,濾波器被用于估計(jì)車輪摩擦力矩,并將估計(jì)值信號(hào)與SBW控制系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)耦合,為路感控制提供了有效參考方法。Tong等[51]基于SBW和線控制動(dòng)集成控制,控制參數(shù)輸入主要來(lái)源于擴(kuò)展卡爾曼濾波器,這種方法不僅解決了一些傳感器無(wú)法測(cè)量的參數(shù),而且代替了部分價(jià)格昂貴的傳感器,為SBW研究提供了實(shí)驗(yàn)方法。Zhang等[52]在提出的前輪轉(zhuǎn)角傳感器容錯(cuò)方案中采用卡爾曼濾波算法估計(jì)車輛前輪轉(zhuǎn)向角,有效減小了傳感器故障和過程噪聲帶來(lái)的不利影響。Zou等[53]提出的傳感器容錯(cuò)補(bǔ)償策略,與Zhang等[52]有著同樣的目的,均為提高SBW車輛前輪轉(zhuǎn)角傳感器的容錯(cuò)性能,不同的是Zou等[53]考慮到車輛是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng),因此采用由預(yù)測(cè)模塊和校正模塊組成的擴(kuò)展卡爾曼濾波器來(lái)估計(jì)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角。

3.4 小結(jié)

綜上所述,推動(dòng)路感技術(shù)發(fā)展的核心動(dòng)力是為駕駛員提供舒適、真實(shí)的駕駛體驗(yàn)。但不同人群所需的路感反饋特性存在差異,在不破壞路感真實(shí)度的前提下,可考慮根據(jù)駕駛習(xí)慣為不同駕駛者提供反饋方案。如考慮到車輛的速度、側(cè)向加速度及轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角對(duì)駕駛員路感力矩的影響,在原有的機(jī)械轉(zhuǎn)向路感轉(zhuǎn)矩基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)駕駛員偏好的路感力矩修正算法,讓駕駛員在不同車速下獲得偏好路感。

4 變傳動(dòng)比技術(shù)

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比是指轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與前輪轉(zhuǎn)角的比值[54],它直接影響車輛的操縱穩(wěn)定性和主動(dòng)安全性,傳動(dòng)比控制流程如圖4所示。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于受到機(jī)械耦合限制,角傳遞特性可設(shè)計(jì)范圍狹窄,而SBW系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械解耦,解放了設(shè)計(jì)傳動(dòng)比的受限條件,可以自由設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與前輪轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系。

圖4 傳動(dòng)比控制

車輛傳動(dòng)比特性包括:隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的穩(wěn)態(tài)特性及變化過程中的瞬態(tài)特性。主要受車速、橫擺角速度、橫擺角速度差和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角影響。當(dāng)傳動(dòng)比為固定值,在低速變道或掉頭工況,轉(zhuǎn)向盤需要轉(zhuǎn)動(dòng)較大角度,增加了駕駛員的體能消耗;在高速行駛工況,轉(zhuǎn)向盤細(xì)微的變化便會(huì)導(dǎo)致車輛左右晃動(dòng),甚至失穩(wěn),增加了駕駛難度,降低了車輛穩(wěn)定性。SBW變傳動(dòng)比技術(shù)可參考當(dāng)前車速控制上下層轉(zhuǎn)角關(guān)系,讓傳動(dòng)比隨著車速的增大而減小,使車輛轉(zhuǎn)向增益不隨速度變化,達(dá)到低速轉(zhuǎn)向靈活輕便,高速轉(zhuǎn)向精確穩(wěn)定的目標(biāo)[18-19,55-56]。

變角傳動(dòng)比設(shè)計(jì)方法主要有2種,分別是:恒定橫擺角速度的變角傳動(dòng)比設(shè)計(jì)方法和隨車速或轉(zhuǎn)角變化的變角傳動(dòng)比設(shè)計(jì)方法。

4.1 恒定橫擺角速度變傳動(dòng)比設(shè)計(jì)方法

橫擺角速度與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角構(gòu)成線性關(guān)系,保證車輛在行駛過程中橫擺角速度與車速無(wú)關(guān),給車輛乘員穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向感受,抑制隨車速或轉(zhuǎn)角增大帶來(lái)的側(cè)傾感,減輕車內(nèi)乘員身體負(fù)擔(dān),提高車輛舒適性和穩(wěn)定性。

彭文典等[57]基于橫擺角速度不變?cè)O(shè)計(jì)傳動(dòng)比控制策略,將車輛狀態(tài)參數(shù)作為變傳動(dòng)比控制策略輸入信號(hào),得到理想傳動(dòng)比,通過轉(zhuǎn)向器實(shí)際傳動(dòng)比將其換算成理想電機(jī)轉(zhuǎn)角。對(duì)下層電機(jī)采用反饋控制,降低轉(zhuǎn)向跟蹤誤差和信號(hào)延遲。趙樹恩等[58]和趙林峰等[59]發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)比對(duì)車輛高速和低速工況的影響更明顯,傳動(dòng)比過小會(huì)導(dǎo)致低速轉(zhuǎn)向過于靈敏,傳動(dòng)比過大則會(huì)導(dǎo)致高速轉(zhuǎn)向過于遲鈍。為了解決這一問題,2篇文章分別提出:在高低速區(qū)間采用固定傳動(dòng)比,在中速區(qū)域采用橫擺角速度增益不變的變傳動(dòng)比策略,設(shè)計(jì)滿足不同車速的理想變傳動(dòng)比;基于橫擺角速度增益不變,設(shè)置變角傳動(dòng)比上下限,實(shí)時(shí)修正車輛前輪轉(zhuǎn)角,減小實(shí)際前輪轉(zhuǎn)角與理想前輪轉(zhuǎn)角的誤差,主動(dòng)修正車輛運(yùn)動(dòng)姿態(tài),防止出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)。Huang等[60]設(shè)計(jì)了基于橫擺角速度增益不變和橫向加速度增益不變的可變轉(zhuǎn)向比(variable transmission ratio,VSR)算法,并結(jié)合2種增益的優(yōu)點(diǎn)提出動(dòng)、靜態(tài)VSR算法。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證動(dòng)態(tài)VSR可變轉(zhuǎn)向比算法自抗擾能力更強(qiáng),車輛表現(xiàn)更穩(wěn)定。Xiang等[61]根據(jù)線控轉(zhuǎn)向叉車模型(TE60)的參數(shù)設(shè)計(jì)基于恒定橫擺角速度增益不變的理想傳動(dòng)比,將模糊控制技術(shù)應(yīng)用在變傳動(dòng)比控制器上,車輛可準(zhǔn)確快速地跟蹤駕駛員期望的軌跡。

4.2 隨車速或轉(zhuǎn)角變化的變傳動(dòng)比設(shè)計(jì)方法

基于橫擺角速度增益不變的變傳動(dòng)比設(shè)計(jì)方法,在低速工況會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)比過小,轉(zhuǎn)向輪容易到達(dá)極限,轉(zhuǎn)向過于靈敏;在高速工況會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)比過大,轉(zhuǎn)向盤容易到達(dá)極限,造成轉(zhuǎn)向遲鈍。為解決上述問題,引入隨車速或轉(zhuǎn)角變化的變傳動(dòng)比設(shè)計(jì)方法。該方法主要考慮傳動(dòng)比與車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系,對(duì)不同車速區(qū)間和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)傳動(dòng)比控制策略,保證車輛在各區(qū)間獲得期望的轉(zhuǎn)向靈敏度。

徐飛翔等[62]基于模糊控制理論,將轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和車輛行駛速度作為變傳動(dòng)比控制器的輸入量,并提出模糊控制器內(nèi)部規(guī)則;車速、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比的隸屬度函數(shù)值;輸入輸出信息模糊化規(guī)則,在減輕低速轉(zhuǎn)向負(fù)擔(dān)的同時(shí)提高高速行駛操縱穩(wěn)定性。為了解決同樣的問題,Yang等[63]設(shè)計(jì)了基于自適應(yīng)模糊控制理論的可變轉(zhuǎn)向比控制策略,該策略將反饋控制與前饋控制結(jié)合,分別以駕駛員輸入的前輪轉(zhuǎn)角和車輛運(yùn)動(dòng)速度作為系統(tǒng)輸入量,為提高車輛穩(wěn)定性,開發(fā)了傳動(dòng)比補(bǔ)償策略,以保證在不同轉(zhuǎn)向角度下車輛的橫擺角速度增益不變。Zhang等[64]根據(jù)泛布爾代數(shù)邏輯控制方法設(shè)計(jì)SBW系統(tǒng)變角傳動(dòng)比控制器,通過傳感器測(cè)量橫擺角速度及增益作為邏輯規(guī)則反饋信號(hào),將控制器輸出的傳動(dòng)比由小到大劃分為5個(gè)等級(jí),分別對(duì)應(yīng)不同車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角。改善了SBW車輛的轉(zhuǎn)向特性,可防止車輛出現(xiàn)高速大轉(zhuǎn)角工況導(dǎo)致側(cè)翻。Zheng等[65]基于采用操縱桿的SBW車輛設(shè)計(jì)速度修正因子,將傳動(dòng)比變化看作線性過程,對(duì)不同車速下的實(shí)際轉(zhuǎn)角進(jìn)行修正,以達(dá)到轉(zhuǎn)角隨車速變化的目的。宗長(zhǎng)富等[66]充分考慮到傳動(dòng)比隨車速變化的特性,提出不同車速段變?cè)鲆嬖O(shè)計(jì)方案,在中、高速段分別以橫擺角速度增益、穩(wěn)態(tài)側(cè)向加速度增益為設(shè)計(jì)依據(jù),在低速段則是以典型工況和駕駛員習(xí)慣為依據(jù),改善了駕駛員的體驗(yàn)感、車輛緊急避障和彎道跟蹤性能。

對(duì)于變傳動(dòng)比的研究,除上述2種方法外,吉林大學(xué)高振海等[67]提出由SBW系統(tǒng)的主控制器算法來(lái)完成傳動(dòng)比的改變,以駕駛員目標(biāo)轉(zhuǎn)角和車輛模型實(shí)際轉(zhuǎn)角的差值作為算法輸入量,實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動(dòng)比補(bǔ)償,可以很好地輔助駕駛員完成轉(zhuǎn)向任務(wù)。長(zhǎng)安大學(xué)Yuan等[68]參考模糊控制理論設(shè)計(jì)了理想的車輛傳動(dòng)比模型,該模型涵蓋了大部分影響因素與傳動(dòng)比的關(guān)系,在此基礎(chǔ)上引入分區(qū)控制概念,由中央處理器來(lái)判別車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài),再確定分區(qū)算法是否介入,優(yōu)化了模型在高速工況下的轉(zhuǎn)向性能。江蘇大學(xué)Liu等[69]考慮到線控智能車輛具有自動(dòng)駕駛功能,將SBW系統(tǒng)變傳動(dòng)比設(shè)計(jì)區(qū)分為乘員駕駛下和自動(dòng)駕駛下的變傳動(dòng)比策略,并滿足在2種模式間自由切換。在傳統(tǒng)駕駛模式下,通過粒子群優(yōu)化(PSO)算法優(yōu)化后的變傳動(dòng)比,更注重駕駛員的感受;在自動(dòng)駕駛模式下,同樣是PSO算法優(yōu)化后的傳動(dòng)比,增強(qiáng)了自動(dòng)駕駛軌跡跟蹤能力和車輛行駛的安全性。值得注意的是Liu等[69]采用離線優(yōu)化的方式,以空間換時(shí)間,提高了系統(tǒng)決策速度。

4.3 變傳動(dòng)比控制參數(shù)估計(jì)方法

恒定橫擺角速度變角傳動(dòng)比設(shè)計(jì)方法和隨車速或轉(zhuǎn)角變化的變角傳動(dòng)比設(shè)計(jì)方法均是基于車輛狀態(tài)參數(shù)的控制方法,獲得精準(zhǔn)的控制器輸入值將直接影響控制效果。

為此Wang等[70]基于車輛3自由度模型估計(jì)橫擺角速度的同時(shí),一并估計(jì)質(zhì)心側(cè)偏角和縱向加速度等,得到了更真實(shí)的車輛行駛狀態(tài)。Mirzaeinejad等[71]和Chu等[72]為估計(jì)車輛橫、縱向速度,用無(wú)跡卡爾曼濾波對(duì)測(cè)量值進(jìn)行估計(jì)計(jì)算,為主動(dòng)安全控制提供優(yōu)化數(shù)據(jù)。此外Wang等[70]用此方法估計(jì)路面的摩擦因數(shù),更準(zhǔn)確地描述出車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài);但Chu等[72]對(duì)估計(jì)條件要求更低,具有處理?xiàng)l件變化的應(yīng)急能力。Iqbal等[73]使用卡爾曼濾波器估計(jì)不同路況下輪胎轉(zhuǎn)彎剛度系數(shù)。當(dāng)估計(jì)出一組有效輪胎側(cè)偏剛度系數(shù)后,立即關(guān)閉估計(jì)器,將估計(jì)參數(shù)變?yōu)槌?shù),以提高估計(jì)值的收斂精度。

車輛轉(zhuǎn)向伴隨著質(zhì)心側(cè)偏角的變化,這也是傳動(dòng)比控制中重要的參考變量,變傳動(dòng)比控制的本質(zhì)是使車輛在各速度區(qū)間均能保持穩(wěn)定行駛。Nam等[74]基于2自由度模型利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器估計(jì)車輛側(cè)滑角,使車輛在軌跡跟蹤時(shí)不易跑偏。Zhang等[75]同樣基于車輛2自由度動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)比擴(kuò)展卡爾曼濾波和無(wú)跡卡爾曼濾波估計(jì)的車輛質(zhì)心側(cè)偏角精度,擇優(yōu)選擇無(wú)跡卡爾曼濾波實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛穩(wěn)定性。Deng等[76]同樣是基于3自由度車輛模型采用無(wú)跡卡爾曼濾波器根據(jù)車輛當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)估計(jì)車輛實(shí)時(shí)重心高度,為重心實(shí)時(shí)變化的車輛提供了動(dòng)態(tài)控制方法。Fu等[77]提出了一種基于埃爾曼神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(elman neural network,ENN)和無(wú)跡卡爾曼濾波的優(yōu)化算法,將ENN處理非線性的優(yōu)勢(shì)和無(wú)跡卡爾曼濾波處理不確定性的能力相結(jié)合,用于估計(jì)車輛狀態(tài)參數(shù),該濾波器的整體誤差低于傳統(tǒng)的無(wú)跡卡爾曼濾波。

4.4 小結(jié)

變傳動(dòng)比技術(shù)同樣是SBW系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù),適當(dāng)?shù)膫鲃?dòng)比滿足了線控底盤的高性能要求,不僅能夠給乘員帶來(lái)舒適的駕乘體驗(yàn),還能提高車輛安全性。變傳動(dòng)比技術(shù)與主動(dòng)轉(zhuǎn)向密切相關(guān),行業(yè)內(nèi)已提出了大量變傳動(dòng)比控制策略,但未充分考慮不同人群對(duì)于車輛轉(zhuǎn)向感受的差異性,導(dǎo)致駕駛員對(duì)不匹配的傳動(dòng)比付出過多的適應(yīng)代價(jià),因此,如何在不破壞高速轉(zhuǎn)向穩(wěn)定與低速轉(zhuǎn)向輕便的平衡前提下,滿足不同駕駛員偏好的角傳遞特性,需要研究人員收集并分析大量的駕駛?cè)藬?shù)據(jù),從而對(duì)變傳動(dòng)比控制策略進(jìn)行修正與調(diào)整。

SBW系統(tǒng)力傳遞特性和角傳遞特性不耦合,路感控制和傳動(dòng)比控制實(shí)現(xiàn)完全解耦,但完全不考慮兩者的相互影響同樣會(huì)給駕駛員造成較差的駕駛體驗(yàn)。車輛高速行駛時(shí),轉(zhuǎn)向系大傳動(dòng)比會(huì)導(dǎo)致車身姿態(tài)不易控制;低速行駛時(shí),轉(zhuǎn)向系小傳動(dòng)比會(huì)影響路感和駕駛員對(duì)車輛的操縱,使得路感控制策略在相應(yīng)工況下不能給駕駛員帶來(lái)完全舒適的體驗(yàn)。

5 結(jié)論

路感模擬技術(shù)向著為駕駛員提供真實(shí)舒適路感的目標(biāo)不斷發(fā)展,近年衍生出個(gè)性化路感等研究方向,目標(biāo)人群難以細(xì)化是該方向需要重點(diǎn)解決的問題;變傳動(dòng)比技術(shù)的2種設(shè)計(jì)方法均是為了提高操縱穩(wěn)定性,使車輛在不同工況下具有最優(yōu)轉(zhuǎn)向響應(yīng);以卡爾曼濾波技術(shù)為主的參數(shù)估計(jì)算法在提高車輛參數(shù)估計(jì)精度的同時(shí)也增加了計(jì)算量。

本文詳細(xì)分析了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀,得出如下展望。

1) 路感個(gè)性化。路感是駕駛員作出動(dòng)作判斷的重要依據(jù),應(yīng)力求給駕駛員提供接近真實(shí)的路面信息,同時(shí)考慮到不同駕駛員駕駛習(xí)慣的差別,可設(shè)計(jì)不同行為習(xí)慣的路感控制策略,為不同駕駛?cè)巳禾峁┱鎸?shí)舒適的駕駛感受。

2) 安全可靠。為加快SBW車輛的量產(chǎn)化,需要提高其安全性能,增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性,由于轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)解耦,軟件一旦出現(xiàn)故障,車輛將不可控,所以應(yīng)加強(qiáng)軟件系統(tǒng)的安全冗余性能,讓其具有自主學(xué)習(xí)、自主處理故障的能力。

3) 精準(zhǔn)控制。為提高車輛的穩(wěn)定性能,設(shè)計(jì)更準(zhǔn)確的車輛狀態(tài)參數(shù)估計(jì)算法,提高控制精度。利用算法控制是線控車輛的一大優(yōu)勢(shì),參數(shù)估計(jì)不僅限于所闡述的橫擺角速度等,而且應(yīng)考慮到車輛位置信息、下一時(shí)刻運(yùn)動(dòng)軌跡等,并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角信號(hào),實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡和車輛轉(zhuǎn)角的耦合控制。