查云飛 于淼 馬芳武,2 鄭尋

（1.福建工程學(xué)院福建省汽車電子與電驅(qū)動技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州350118；2.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春130026）

主題詞：線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 研究現(xiàn)狀 變角傳動比控制

0 前言

隨著世界汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車工業(yè)在新時代逐漸形成以“智能、安全、節(jié)能、環(huán)?！睘楹诵牡陌l(fā)展局面[1]。智能技術(shù)逐漸融入汽車行業(yè)，為人們的出行帶來更便捷、更安全、更舒適的駕乘體驗(yàn)的同時又進(jìn)一步激發(fā)了人們對汽車安全及智能化的需求。國內(nèi)外各大汽車企業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、科研院校紛紛投入到相關(guān)領(lǐng)域的研究中，這些都進(jìn)一步推進(jìn)了智能駕駛汽車及相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。對智能汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)難以滿足智能汽車電控技術(shù)需求[2]，線控轉(zhuǎn)向技術(shù)（Steer-By-Wire，SBW）應(yīng)運(yùn)而生。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器通過電信號將轉(zhuǎn)向盤模塊和轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接起來，替代轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)功能，將駕駛轉(zhuǎn)向意圖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，控制轉(zhuǎn)向電機(jī)實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向[3]。根據(jù)不同行駛工況及理想控制目標(biāo)，SBW 基于自身電控特性可以通過智能控制算法實(shí)現(xiàn)人為轉(zhuǎn)向操縱與車輛響應(yīng)之間的解耦，在保證安全性前提下，可開發(fā)個性化變角傳動比控制策略，又可配合線控油門、線控制動等其他線控底盤技術(shù)，結(jié)合各大線控底盤技術(shù)優(yōu)勢完善車輛底盤動力學(xué)集成控制，進(jìn)一步提高車輛行駛穩(wěn)定性和安全性[4]。線控轉(zhuǎn)向技術(shù)具有變角傳動比特性，依據(jù)該特性設(shè)計控制算法即能對汽車隨車速變化的轉(zhuǎn)向特性進(jìn)行校正，提高車輛操縱穩(wěn)定性，同時又能將駕駛員理想汽車轉(zhuǎn)向特性融入到算法開發(fā)中，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性向“車適應(yīng)人”的方向不斷發(fā)展，使汽車轉(zhuǎn)向性能設(shè)計更加人性化、智能化[5]。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)展現(xiàn)出的種種獨(dú)特優(yōu)勢，被普遍認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高級智能駕駛的核心技術(shù)之一[6]。

首先對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的變角傳動比特性進(jìn)行公式理論分析。然后，對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變角傳動比控制策略典型控制規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，梳理線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變角傳動比控制研究現(xiàn)狀，為后續(xù)變角傳動比控制研究提供理論參考。

1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向盤模塊、SBW 控制器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊以及相關(guān)傳感器組成，如圖1所示。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向盤模塊由轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)角傳感器、路感電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)等組成。線控轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的控制單元主要由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)傳感器、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器硬件、車輛狀態(tài)信息采集器和通信總線組成。轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊由轉(zhuǎn)向電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向車輪等組成[7-10]。通過對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)特性分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于物理連接的存在，其角傳動比為固定值或只能小范圍變動。但線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)傳動方式，其以線控轉(zhuǎn)向控制單元為核心，以電信號為載體，實(shí)現(xiàn)變角傳動比傳遞，為變角傳動比提供廣闊的控制策略設(shè)計空間，同時結(jié)合相關(guān)傳感器反饋車輛運(yùn)動狀態(tài)信號，進(jìn)一步提高汽車操縱穩(wěn)定性、駕駛舒適性及轉(zhuǎn)向主動安全性[11-12]。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為體積小、布置靈活，符合汽車模塊集成、節(jié)能環(huán)保、安全智能的需求。

圖1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 固定角傳動比特性分析

在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角δsw與前輪轉(zhuǎn)角δf的關(guān)系[13]：

式中i為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動比。在不同車速角階躍工況下，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為固定角傳動比的汽車橫擺角速度增益（轉(zhuǎn)向靈敏度）曲線如圖2所示，公式（2）為轉(zhuǎn)向橫擺角速度增益計算公式。隨著車速的變化，橫擺角速度增益也隨之變化，轉(zhuǎn)向增益的非線性變化不但增加駕駛員操作負(fù)擔(dān)，而且對汽車安全性、穩(wěn)定性、舒適性產(chǎn)生較大的影響。

圖2 不同車速下具有固定傳動比車輛轉(zhuǎn)向靈敏度曲線

公式（2）還可以表達(dá)為:

3 變角傳動比特性分析

從公式（1）～（3）可知，具有固定角傳動比汽車的轉(zhuǎn)向特性隨著車速的變化而變化，這與駕駛員期望的轉(zhuǎn)向特性嚴(yán)重不符。理想的轉(zhuǎn)向特性是低速時通過較小的力和較少的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)較大的前輪轉(zhuǎn)角，也就是低速時希望有較小的角傳動比和較大的轉(zhuǎn)向助力；高速時希望有較大的角傳動比和較小的轉(zhuǎn)向助力[16]。針對期望的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性，可以依托線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，基于橫擺角速度增益不變、側(cè)向加速度增益不變，開展變角傳動比研究，使得汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)增益不隨車速變化。同時考慮到，當(dāng)車速從0開始變化，理想傳動比i的值過小而易達(dá)到轉(zhuǎn)向極限位置，這與實(shí)際駕駛情況不符，因此設(shè)定理想傳動比最小值為imin。反之，車輛在高速段轉(zhuǎn)向時響應(yīng)過于遲鈍，不能及時完成變道、避障任務(wù)，理想傳動比最大值設(shè)為imax，最終確定基于擺角速度增益不變的變角傳動比規(guī)律如式（4）[17]：

從公式（4）可以分析出，轉(zhuǎn)向角傳動比i的確定不但與車輛行駛車速有關(guān)系，而且與橫擺角速度增益的取值有關(guān)。橫擺角速度增益合理選取范圍，由原聯(lián)邦德國大學(xué)汽車研究所，在車速為22.35 m/s,側(cè)向加速度0.4g條件下對汽車進(jìn)行試驗(yàn)后統(tǒng)計得出，轎車的穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益值為0.12～0.37 s-1，熟練駕駛員橫擺角速度穩(wěn)態(tài)增益取值范圍在0.120～0.417 s-1之間[18]。

汽車從方向盤轉(zhuǎn)角δsw到汽車響應(yīng)的側(cè)向加速度增益，用可表示為：

式中，ay為汽車側(cè)向加速度；為汽車前輪角到車輛響應(yīng)的側(cè)向加速度增益，其中側(cè)向加速度與縱向車速的關(guān)系為ay=ωr×u[19]。同理為保證線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在不同車速下的轉(zhuǎn)向性能，基于側(cè)向加速度增益不變，理想傳動比規(guī)律為[20]：

式（6）中側(cè)向加速度穩(wěn)態(tài)增益Gaysw通常以方向盤每轉(zhuǎn)100°所對應(yīng)側(cè)向加速度的增量表示[21]：

文獻(xiàn)[19,21]通過仿真驗(yàn)證及理論分析，側(cè)向加速增益不變的傳動比策略適用于高速工況。車輛高速轉(zhuǎn)向時，通常對側(cè)向加速度穩(wěn)態(tài)增益加以限制來確定此時的角傳動比特性，側(cè)向加速度穩(wěn)態(tài)增益應(yīng)小于1.4g/100°。

式中，u為車輛沿x軸方向的速度即車輛行駛前進(jìn)速度；l為軸距；a、b為質(zhì)心到車輛前、后軸的距離；k為穩(wěn)定因數(shù)；為側(cè)向加速度增益；k1、k2為車輛前、后輪側(cè)偏剛度；m為汽車整備質(zhì)量。以變角傳動比設(shè)計為前饋，以前輪轉(zhuǎn)角反饋的線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行控制策略為例[22]，如圖3所示。在轉(zhuǎn)向的過程中，線控轉(zhuǎn)向控制器遵循駕駛轉(zhuǎn)向意圖，結(jié)合車輛運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)（車速），通過當(dāng)前車速設(shè)計得到理想傳動比，并計算出期望前輪轉(zhuǎn)角。以期望車輪轉(zhuǎn)角與反饋的實(shí)際前輪轉(zhuǎn)角值差作為PID 算法輸入，通過PID 算法對轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行控制，以此實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確轉(zhuǎn)向，使車輛具有良好的操縱穩(wěn)定性。

圖3 線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行控制策略

4 變角傳動比控制策略研究現(xiàn)狀

在線控轉(zhuǎn)向變角傳動比控制研究中，國內(nèi)外研發(fā)趨勢與前沿技術(shù)是兼顧轉(zhuǎn)向過程的操縱穩(wěn)定性、安全性與適應(yīng)性，嘗試在結(jié)構(gòu)及控制算法上實(shí)現(xiàn)突破，保證搭載線控轉(zhuǎn)向的車輛更加安全、穩(wěn)定[23]。

在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，Benz 研發(fā)了可變齒比的轉(zhuǎn)向齒條，在中間位置采用較大的角傳動比，兩側(cè)采用較小的傳動比，BMW 公司研發(fā)的主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)利用一套行星齒輪組，在駕駛員的輸入轉(zhuǎn)角上疊加了一部分電機(jī)轉(zhuǎn)角進(jìn)而間接控制角傳動比[24-25]。

4.1 基于轉(zhuǎn)向增益不變的變角傳動比控制

在控制算法上，國內(nèi)外研究學(xué)者在對線控轉(zhuǎn)向變角傳動比研究中考慮到車輛輪胎、懸架等機(jī)械系統(tǒng)所固有的非線性特征，通過改變角傳動比的變化規(guī)律，改善轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向特性。文獻(xiàn)[26]根據(jù)期望橫擺角速度增益不變和期望側(cè)向加速度增益不變分別設(shè)計傳動比控制策略，并將2 者按比例綜合設(shè)計成第3 種控制策略，并通過仿真分析對比，發(fā)現(xiàn)按比例綜合2種轉(zhuǎn)向增益不變設(shè)計傳動比控制策略具有明顯優(yōu)勢。文獻(xiàn)[27]基于汽車動力學(xué)仿真軟件CarSim，在推導(dǎo)出實(shí)際橫擺角速度增益公式的基礎(chǔ)上，依據(jù)不同車速，對變角傳動比控制進(jìn)行分段研究。文獻(xiàn)[28]采用基于穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益不變與模糊控制相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)變角傳動比設(shè)計。但是，按照轉(zhuǎn)向增益一定比例設(shè)計的變角傳動比控制策略以及按照車速變化分段設(shè)計的變角傳動比控制策略都難以保證轉(zhuǎn)向過程中不出現(xiàn)頓挫感。文獻(xiàn)[29]采用曲線擬合的方法使角傳動比控制曲線隨著車速平滑改變，文獻(xiàn)[30]則通過模糊智能算法修正變角傳動比，而文獻(xiàn)[31]利用遺傳算法對不同車速下的傳動比進(jìn)行優(yōu)化，使轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)工作時具有較好的平順性。

4.2 基于非線性因素的變角傳動比控制

對線控轉(zhuǎn)向變角傳動比的設(shè)計多數(shù)是基于線性汽車二自由度車輛模型。經(jīng)典的二自由度車輛模型可以清晰表達(dá)車輛轉(zhuǎn)向特性，但是沒有考慮到車輛輪胎、路面附著系數(shù)等其它非線性因素對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響，因此基于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)增益不變設(shè)計得到的變角傳動比與實(shí)際情況存在誤差，甚至嚴(yán)重偏離駕駛員期望的角傳動比，針對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)非線性特性，不少專家學(xué)者也開展了相關(guān)研究來使算法設(shè)計更加符合駕駛工況。文獻(xiàn)[32]采用非線性二自由度車輛模型，設(shè)計得到理想角傳動比，通過與線性二自由度車輛模型設(shè)計得到的傳動比進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)在低附著路面行駛時，前者具有更好的操縱穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[33]在6自由度非線性轉(zhuǎn)向模型的基礎(chǔ)上，提出了穩(wěn)態(tài)增益理想傳動比動態(tài)精確獲取方法?？紤]到車輛非線性橫擺角速度增益特性對駕駛員轉(zhuǎn)向操作的不利影響，文獻(xiàn)[34]結(jié)合車輛操縱穩(wěn)定性多目標(biāo)評價函數(shù)，確定不同車速下的最優(yōu)角傳動比。

4.3 基于操縱桿結(jié)構(gòu)的變角傳動比控制

大多數(shù)的轉(zhuǎn)向駕駛方式都是以轉(zhuǎn)向盤式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)為對象，設(shè)計相應(yīng)變角傳動比算法。但是，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的出現(xiàn)不但突破傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，也改變了傳統(tǒng)駕駛方式，使得操縱桿結(jié)構(gòu)在汽車上的應(yīng)用成為可能，所以一些學(xué)者提出基于操縱桿結(jié)構(gòu)的駕駛方式進(jìn)行可變角傳動比控制。文獻(xiàn)[35-36]針對操縱桿控制汽車轉(zhuǎn)向運(yùn)動的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，提出轉(zhuǎn)向變角傳動比變增益控制方法。與此同時，為了適應(yīng)從“人適應(yīng)車”到“車適應(yīng)人”的轉(zhuǎn)變趨勢，文獻(xiàn)[37]充分考慮不同駕駛員轉(zhuǎn)向行為特性，針對每一類轉(zhuǎn)向特性進(jìn)行個性化變角傳動比設(shè)計，促進(jìn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)人性化設(shè)計。

4.4 基于智能算法的變角傳動比控制

在對線控轉(zhuǎn)向變角傳動比研究的過程中，國內(nèi)外學(xué)者考慮到“人-車-路”閉環(huán)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的非線性特征，針對整體閉環(huán)系統(tǒng)難以建立精確的數(shù)學(xué)模型的情況，提出采用更加智能的算法來實(shí)現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變角傳動比的控制。文獻(xiàn)[38]以車速、方向盤轉(zhuǎn)角為輸入，采用模糊控制器確定叉車動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動比。文獻(xiàn)[39]采用分層多級模糊控制的方法，設(shè)計變角傳動比。僅僅在汽車穩(wěn)定、理想條件下對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行理論分析會使的線控轉(zhuǎn)向變角傳動比控制策略不具備較強(qiáng)的魯棒性、穩(wěn)定性。一些學(xué)者采用不依賴精確的物理模型又能保證控制器精確控制的智能算法對變角傳動比進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[40]利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、直線擬合、模糊軟切換3種技術(shù)設(shè)計出兼顧轉(zhuǎn)向性能和轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的角傳動比。文獻(xiàn)[41]提出了一種基于姿態(tài)預(yù)測的線控轉(zhuǎn)向變角傳動比防側(cè)翻控制方法，將側(cè)翻時間和側(cè)傾角作為模糊規(guī)則輸入，將傳動比修正系數(shù)作為模糊決策輸出。

4.5 基于其他技術(shù)的變角傳動比控制

除上述的相關(guān)控制方法外，一些專家學(xué)者還采取四輪轉(zhuǎn)向、主動轉(zhuǎn)向與線控轉(zhuǎn)向變角傳動比相結(jié)合的集成控制方法來進(jìn)一步提高控制效果。文獻(xiàn)[42]基于角傳動比特性和四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提出線控轉(zhuǎn)向模糊變角傳動比和LQR 最優(yōu)控制四輪轉(zhuǎn)向相互結(jié)合的方法。文獻(xiàn)[43]基于固定橫擺角速度增益不變，提出1種主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理想傳動比控制方法。文獻(xiàn)[44]基于LQR最優(yōu)控制理論,提出了1種新型后輪主動轉(zhuǎn)向變角傳動比控制策略。同時還有部分專家學(xué)者采用變角傳動比控制與其它控制策略相結(jié)合的方式展開研究，文獻(xiàn)[45]采用基于變角傳動比設(shè)計的前饋控制，結(jié)合PID算法，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向電機(jī)的閉環(huán)控制，以此提高車輛操縱穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[46]在變角傳動比前饋控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計出基于橫擺角速度動態(tài)反饋的可拓滑?？刂破鱽頉Q策出合理的前輪轉(zhuǎn)角。

5 結(jié)論

綜上所述，線控轉(zhuǎn)向變角傳動比控制策略通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)增益不變、模糊控制及其他智能算法設(shè)計變角傳動比，結(jié)合汽車實(shí)時反饋的運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)，對變角傳動比進(jìn)行校正、優(yōu)化，不僅可改善車輛轉(zhuǎn)向響應(yīng)性能，而且實(shí)現(xiàn)車輛高速轉(zhuǎn)向穩(wěn)定、低速轉(zhuǎn)向靈敏的控制目標(biāo)。但是，基于理想穩(wěn)態(tài)狀態(tài)或僅依賴開發(fā)者的工程經(jīng)驗(yàn)及智能算法進(jìn)行變角傳動比控制策略設(shè)計的方式還存在一定的局限性，因此針對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變角傳動比設(shè)計，還應(yīng)結(jié)合電子傳感技術(shù)、駕駛員轉(zhuǎn)向操作特性及制造成本等綜合因素，有機(jī)地融入當(dāng)代汽車電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、個性化的發(fā)展趨勢，不斷對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變角傳動比研究進(jìn)行完善、突破。

由于法律法規(guī)限制、汽車電子技術(shù)、防錯冗余等科學(xué)技術(shù)瓶頸的存在，完全意義上的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際車輛中將面臨巨大的挑戰(zhàn)。將來，隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，線控轉(zhuǎn)向技術(shù)在橫向動力學(xué)控制、變角傳動比控制、主動轉(zhuǎn)向等方面優(yōu)勢會更加突出，可靠性和成本問題都將得到解決。因此，線控轉(zhuǎn)向技術(shù)是未來汽車電控轉(zhuǎn)向技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，當(dāng)下對線控轉(zhuǎn)向關(guān)鍵技術(shù)的研究有重要實(shí)際應(yīng)用意義。