汽车线控转向系统的路感反馈技术综述

于蕾艳， 伊剑波， 鲍长勇

(中国石油大学(华东) 机电工程学院， 山东 青岛 266580)

线控转向(Steer by Wire，简称SBW)系统在结构上取消了转向人机接口和转向执行装置之间的机械连接，且其控制灵活，目前已经应用在飞机、汽车、船舶等交通工具及装载机等工程机械的转向系统中[1].随着电动汽车的日益发展，承载众多高科技的线控系统获得了良好的发展空间，成为国内外科研人员研究的热点.国外大学如美国斯坦福等大学对此展开研究.美国TRW公司、福特公司、Visteon公司、Delphi公司、SKF公司等，德国ZF公司、韩国现代汽车公司、日本光洋公司等制造了线控转向系统的物理样机进行实验研究.目前可检索到美国批准的线控转向系统的171项专利，欧洲批准的线控转向系统的95项专利.

自2000年后，国内许多大学如清华大学、同济大学、北京理工大学等也针对线控转向系统的控制策略、实验等方面展开了研究.吉林大学基于驾驶模拟器进行了线控转向系统的路感(road feel)反馈研究，长安大学进行了线控转向系统虚拟样机、控制器、实验台的设计，江苏大学搭建了线控转向硬件在环实验台，北京工业大学进行了FlexRay通信试验.国内企业方面主要是奇瑞汽车研究院开展了软硬件的研制，并申请了一些相关专利.专利数据库可检索到30项中国相关专利.

随着高速公路发展和汽车速度不断提高,转向路感受到了越来越多的关注[2].转向盘力反馈系统的设计和控制是线控系统研究的关键技术之一.通过触感装置设计和路感反馈控制算法可以获得良好的驾驶感觉.

1 线控转向系统路感反馈的典型结构及路感的机理

1.1 线控转向系统路感反馈的典型结构

根据作用的原理不同，线控转向系统提供转向盘阻力矩的执行机构有基于电机提供力反馈、基于磁流变液、操纵杆、基于液压作用等多种结构形式.

1.1.1 基于电机的线控转向系统路感反馈装置

图1为执行机构采用电机的线控转向系统结构简图，电机可采用无刷电机.图1中，转向柱的一端与转向盘连接，另一端与电机的蜗杆传动减速器中的蜗轮连接，蜗杆与电机输出轴连接.主控制单元发送转向盘反馈力矩目标值到力反馈电机的驱动电路，控制电机的输出力矩，调节路感的大小[3].

线控转向系统的控制系统框图如图2所示.图2中，主控制单元综合左右横拉杆力信号，进行力矩值查表，产生目标转向盘反馈力矩值输出到转向盘执行机构.

1.1.2 基于磁流变液的可调路感反馈装置

利用磁流变液体具有“液”、“固”态瞬间转换的可逆性和可控性对阻尼力实施控制，能量消耗较低、结构简单、成本低廉、可靠性高.文献[4]进行了低成本的磁流变液的测试、讨论，证明其满足力反馈安全可靠的需要[4].

1.转向柱；2.力反馈电机；3.电机转角传感器；4.力反馈电机驱动电路；5.主控制单元；6.转向电机驱动电路；7.转向电机转角传感器；8.转向电机；9.丝杠传动；10.车速传感器；11.蜗杆传动减速器图1 基于电机的线控转向系统结构简图

1.转向盘执行机构；2.转向盘力矩传感器；3.转向盘转角传感器；4.转向盘力反馈总成；5.车速传感器；6.车速信号；7.前轮转角目标值；8.车轮转向单元；9.左横拉杆力信号；10.右横拉杆力信号；11.主控制单元；12.力矩目标值；13.转向盘力矩信号；14.转向盘转角信号；15.左横拉杆力传感器；16.右横拉杆力传感器；17.车轮转角传感器图2 线控转向系统的控制系统框图

如图3所示，基于磁流变液的新型转向盘触感反馈装置包括磁流变液、线圈、转子、控制器等.转向盘通过转向轴与磁流变液触感反馈装置连接.壳里充满磁流变液，转子对磁流变液的机械阻力、粘度敏感.可采用遗传算法进行磁流变阻尼器阻尼力与位移和速度的非线性模型参数识别.

1.转子；2.线圈；3.磁流变液；4.转子；5.壳；6.转向轴；7.转向柱罩；8. 叶片图3 基于磁流变液的路感反馈装置结构示意

基于磁流变液的可调路感反馈装置工作原理见图4.控制单元接收转向盘转矩或位置等传感器的信号，控制线圈中的电流变化，进而控制产生的磁场，磁流变液的粘度随磁场变化而变化.增加磁流变液的粘度时，转子自由旋转的阻力增加，驾驶员手把在转向盘上时感受到手运动阻力的变化[5].

图4磁流变液的路感反馈装置的控制示意图

1.1.3 采用操纵杆的转向盘力反馈装置

仅通过电子信号就可驾驶车辆，也为替代现有的转向盘、踏板而开发新型的人机界面提供了机会.例如操纵杆上面设计有加速、制动、转向的按钮，对于有身体障碍的人士驾驶车辆有意义[6].通过驾驶员的力输入，向线控系统ECU发送力信号，从而实现驾驶时同时转向、制动或加速的作用.其操纵手柄可以在支撑座上自由转动，在操纵杆底面的前后左右四个位置处采集力的信号，力的大小通过膜片弹簧的变形来体现，进而通过应变片的测量，得出此时驾驶员施加的力，通过系统ECU可以计算得到驾驶员所需要的转角和加速或者制动的意图[7].

1.2 路感的机理

路感是驾驶者通过汽车的转向系统感受到的来自路面的反馈.反馈包括由车辆的向心加速度引起的作用在车辆轮胎上的侧偏力的变化等和反映为作用于方向盘上的操舵力的变化等.路感反映转向系统的逆效率[2].

在机械转向系统中,转向力完全由驾驶员的手动操舵力矩构成，路感与反馈成正比关系.而线控转向系统由于断开了转向盘-人机接口和转向执行装置之间的机械连接，所以需要人为地向驾驶员提供转向时的阻力，使得驾驶员获得可靠的路感.该路感可独立于反馈进行优化而灵活控制.

2 汽车线控转向系统路感反馈的控制算法

针对不同的汽车、不同的道路使用条件设置相应的路感反馈算法.例如，希望直线行驶或在微小的转向角范围内行驶具有强的路感.

2.1 基于车速的路感反馈控制

2.1.1 车速感应型路感反馈控制

图5表示了不同车速、不同转向盘输入力矩下，力反馈电机的输出电流大小(其中：T为驾驶员输入的转向盘力矩；I为力反馈电机的电流；Ta、Tmax为根据经验确定的阈值).力反馈电机的力特性指电动机的输出动力随汽车运动状况和受力状况发生变化而变化的规律，应综合考虑转向轻便性和路感灵敏性的要求确定力反馈电机的力特性.在原地转向或低速转向时，即当转向阻力比较大时，为了降低驾驶员劳动强度，电流应稍小一些；随着车速的增大，即当转向阻力比较小时，为了保持良好的路感，应输出较大一点的电流；在车轮转向阻力从0到一定值时，电机电流应上升迅速，以保证电机良好的起动；相反，当转向阻力达到一定的范围内，电机电流上升应比较缓慢，以保证良好的路感[8].

2.1.2 基于车速等补偿的转向力反馈控制

如图6所示，力反馈子系统包括转向盘执行机构、控制器、轮胎回正力传感器等.控制器预先储存了一系列以轮胎回正力传感器的监测信号b为参数的函数.根据b值，选择最优函数.根据输入的检测信号和所选择的函数，计算出驱动信号c输出到转向盘执行机构.

图5 力反馈电机的输出力特性

图6 进行车速等补偿的转向力反馈控制示意图

图7 转向盘反馈力-轮胎力的函数关系

图8 转向盘反馈力与车速和轮胎力的关系

图 7为转向盘反馈力-轮胎力的函数关系，转向盘反馈力-轮胎力的函数关系分为3个区间.图8中，联合运用车速传感器和轮胎力传感器检测车辆的运行状态，进行车速补偿保持车辆稳定.车速低于某预定值时，转向盘反馈力增加；车速高于某预定值时，转向盘反馈力减少[9].另外，可以增加基于其它传感器的补偿，如转向盘反馈力、操纵加速度、环境温度、路面干湿情况等，增加相应的函数关系.

2.2 基于驾驶员控制力和转向盘转角的路感反馈

文献[10]根据驾驶员的控制力和转向盘转角2个参数设计了路感控制策略，设计了模糊PID控制器实时控制路感模拟电机，低速转向轻便，高速转向清晰稳定.

2.3 基于车辆模型和观测器的路感反馈

2.3.1 基于电流传感器的路感反馈

文献[11]采用便宜简单的电流传感器直接测量电机电流，可间接测量作用在转向机构上的转向力矩.该转向力矩包括了道路条件、回正力矩、轮胎特性等的影响.根据转向盘运动的频率特性、基于力矩图方法改善线控转向系统的性能.基于LabVIEW的仿真验证了该方法容易实现真实的驾驶感觉，改善了稳定性和转向盘的回正能力.

2.3.2 基于虚拟车辆参考模型和观测器估计的路感反馈

轮胎与地面相互作用、车辆动力学等产生的道路反馈信息对于路感反馈的质量非常重要.但由于力传感器成本高、鲁棒性差，所以可以采用轮胎力估计方法.文献[12]将摩擦力建模为随机Gauss-Markov过程，设计了扩展卡尔曼滤波器估计轮胎阻力矩.实验验证了该方法的可行性和有效性.

文献[13]建立了转向系统的模型，得到了转向回正力矩的公式，利用二自由度整车模型作为虚拟车辆参考模型估计产生驾驶员熟悉的力反馈.

非线性跟踪控制器根据观测器提供与轮胎-道路的回正力矩成比例的可调力反馈.不需利用力矩传感器测量力矩.在不同驾驶工况下验证了路感反馈控制器的性能[14].

2.4 基于驾驶员喜好的可配置路感反馈

文献[15]研究了满足客户喜好的多模式人机界面，提供了可调增益，允许强调不同反馈因素，如转向刚度、阻尼、回正力矩、极限位置、静摩擦等.评价了控制、自信，容易操纵，安全性.实验结果和主观、客观驾驶员在回路结果表明，利用可配置力反馈方法改善了驾驶员的感觉.

文献[16]基于中国驾驶员转向力喜好函数进行了路感的优化.转向力是车速、侧向加速度的函数.转向力随车速、侧向加速度增加而增加，加速度比较高时，力矩梯度为负，提醒驾驶员前轮要达到附着极限.利用驾驶模拟器的29自由度模型实验，通过修改的转向力特性，表明传统转向系统的死区消除，中间位置的非线性减弱，转向感觉更平顺，舒适.

文献[17]针对不同的驾驶任务设置不同的转向盘动力学特性(修改转向盘刚度、阻尼和转动惯量等参数)，通过移线时间等指标评价驾驶性能.实验结果表明，转向盘动力学特性应该与不同的驾驶任务有关.

3 路感反馈的控制方法

3.1 转向力反馈的经典控制方法

文献[17]通过对汽车转向系统路感的理论分析，建立了线控转向系统动力学模型.采用卡尔曼滤波技术对汽车转向系统齿条受力进行估计，设计复制电动助力转向系统路感的线控转向系统路感模拟方法.试验结果表明，路感模拟方法可以使驾驶员获得有效的路感信息，提高了汽车的操纵性和舒适性.

3.1.1 反馈型

图9所示为前馈+反馈型转向力反馈控制流程.转向盘力矩反馈值的参考，可分为高频和低频2种谱组分，其高频成分驾驶员可即刻感知获得满意的触觉感觉.转向盘力矩反馈参考值经过前馈和反馈环节.在前馈环节，一阶频率滤波器只允许其超过预设的一阶截止频率的谱成分通过，之后信号经过为车速函数的调制环节，作为前馈环节的最终值.在反馈环节，二阶频率滤波器只允许其低于预设的二阶截止频率的谱成分通过，之后信号经过为车速函数的调制环节.调制后的信号与转向盘力矩传感器的信号值的差经过补偿环节(保证稳定性、提供充分的道路信息反馈)作为反馈的最终值.前馈和反馈的最终值合成后输入到转向盘执行机构，以期在驾驶员操纵的带宽范围内提供期望的力反馈水平、增强转向感觉、增加对干扰的不敏感性等[18].

1.目标转向盘反馈力矩值；2.基于一阶频率的高通滤波器；3，7.车速调制；4.驾驶员输入；5.转向盘执行机构；6.基于二阶频率的低通滤波器； 8.基于频率的补偿器；9.转向盘力矩传感器信号图9前馈+反馈型转向力反馈控制流程

3.1.2 PID控制方法

文献[19]设计了线控液压转向系统，实现基于模糊PID控制的路感反馈，实现理想的路感特性.文献[20]分析了轮胎和转向系统的力学特性，建立了线控转向系统的方向盘力回馈模型，利用PID算法对系统进行优化，仿真结果表明该模型能够满足路感要求.

3.2 路感反馈的现代控制方法

文献[21]研究汽车转向盘力特性与转向盘转角、车速、侧向加速度及转向阻力矩的关系,运用多变量模糊控制技术研究了线控转向系统的路感，通过ADAMS提供离线汽车数据,在Matlab /Simulink中对路感多变量模糊控制器进行了仿真.进行了硬件在环试验，给出了路感多变量模糊控制的一种参数调整方法以及路感数据.仿真同硬件在环仿真结果基本一致，验证了路感多变量模糊控制方法可行.

文献[22]设计了一种基于BP神经网络整定的自适应PID控制器，实现了PID参数的在线调整.仿真和实验结果表明，该控制器可使线控转向系统实现理想的路感特性.

文献[23]建立了线控转向系统方向盘模块的动力学模型，提出了线控转向系统路感的分层控制策略.上层控制策略主要是研究不同车速和方向盘转角下方向盘的目标回正力矩;下层控制策略主要是通过分数阶PIλDμ控制器，根据已经确定的方向盘目标回正力矩对路感模拟电机进行实时控制，以实现驾驶员的路感模拟和方向盘的回正.仿真结果表明，所设计的分数阶PIλDμ控制器能很好地满足实际需要.

文献[24]针对车辆线控转向路感模拟控制受外界扰动大、建模困难等问题，基于线性自抗扰控制技术设计了一种车辆线控转向路感模拟控制算法.建立了线控转向路感控制仿真模型，包括驾驶员模型、线控转向系统模型、两自由度车辆模型、轮胎模型及控制器模型等，在给定道路函数条件下进行了系统仿真验证.结果表明，所设计的线性自抗扰控制器可以实现强鲁棒和高精度的车辆线控转向路感模拟控制.

文献[25]考虑了系统不确定性设计H∞控制器，确保稳定性和鲁棒性.

4 汽车线控转向系统的力反馈控制的验证实验

汽车线控转向系统的实验包括硬件在环实验、驾驶模拟器实验[26]和实车实验.如图10所示，线控转向硬件在环系统包括：汽车动力学模型、控制算法等软件部分和上位机、下位机、执行器、电机驱动电路、传感器等硬件部分[25].启动仿真后，下位机根据上位机传来的车辆运行状态参数、驾驶员输入、传感器信号等运算出控制信号给电机驱动器并把反馈信号给上位机，驱动器根据控制参数控制执行电机运行，传感器将转角、转矩信号给下位机[27].

图10 线控转向硬件在环系统结构框图

文献[28]针对路感特性试验的需求选用了试验仪器，然后明确了试验条件，最后确定了试验方法.经过大量的分析研究发现，汽车在行驶中转向轮的横摆角加速度包含有路感原始量的全部信息，此外，路感还与汽车行驶速度有关.因此，该项试验内容至少应包括转向盘的反作用力矩、转角、转向轮横摆角加速度和汽车的行驶速度.汽车线控转向系统的力反馈控制策略的效果可通过方向盘轻便性、回正性试验等验证[29].

5 结论

(1)汽车线控转向系统取消了转向盘与转向轮之间的机械连接，结构简单，转向盘力反馈装置可采用电机、磁流变液等多种形式进行模块化设计.

(2)可采用模糊控制、鲁棒控制、PID等多种线控转向系统力反馈控制策略，根据车速、转向盘力矩等传感器信息实时向驾驶员提供转向阻力矩，优化转向感觉，提高稳定性.因而，汽车线控转向系统值得深入研究，推广使用.

(3)应通过更多硬件在环实验和实车试验验证路感反馈的效果，确定路感的评价指标.

(4)线控转向系统与线控制动系统集成，转向路感与制动踏板感觉联合优化，可以改善驾驶感觉，提高舒适性.

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