線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中集成操作桿和控制算法的研究

（青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 青 島 2 66033）

電子技術(shù)的快度發(fā)展對(duì)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響,致使許多自動(dòng)化中的機(jī)械式部件連接逐漸被電子部件連接所取代，傳統(tǒng)的自動(dòng)化行業(yè)正發(fā)生巨大的變化。近幾年來(lái)，在智能車輛系統(tǒng)上的研究結(jié)果將逐漸應(yīng)用于商務(wù)汽車。智能車輛系統(tǒng)最基本的技術(shù)是線控系統(tǒng)，例如，線控油門(mén)系統(tǒng)、線控制動(dòng)系統(tǒng)、線控轉(zhuǎn)向線系統(tǒng)等。線控系統(tǒng)是一種新的技術(shù)，其用現(xiàn)代電子技術(shù)取代了傳統(tǒng)的機(jī)械式連接，減輕了汽車的總質(zhì)量。在這些應(yīng)用中，線控油門(mén)系統(tǒng)已經(jīng)被應(yīng)用于商務(wù)車中，線控制動(dòng)系統(tǒng)在未來(lái)將會(huì)被一些自動(dòng)化的公司所采用。另一方面，雖然線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍沒(méi)有得到實(shí)際的應(yīng)用，但是據(jù)我們了解，基本的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)在EPS行業(yè)開(kāi)始形成。近幾年來(lái)，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一直得到研究，對(duì)該系統(tǒng)的研究主要集中在液壓助力轉(zhuǎn)向自動(dòng)化在路感中的應(yīng)用方面。因此，需要力傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)向輪的輸入轉(zhuǎn)矩，并且其給予動(dòng)力。但是轉(zhuǎn)向輪的控制環(huán)與路感傳感器的控制環(huán)是非耦合的。這種類型的控制方法在傳遞轉(zhuǎn)向輪的信息時(shí)，具有較嚴(yán)重的缺陷，這是由EPS系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向輪和路輪間的機(jī)械連接導(dǎo)致的，但是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中沒(méi)有這種連接和缺陷?；谶@種原因，駕駛員會(huì)感受到一種不協(xié)調(diào)感，而這就可能會(huì)導(dǎo)致交通事故發(fā)生。

在本文中，我們對(duì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提出了一種新的算法，該算法在兩個(gè)控制環(huán)路中具有耦合的結(jié)構(gòu)。這種算法是基于遠(yuǎn)程控制算法而實(shí)現(xiàn)的，也就是說(shuō)，我們把線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)視為一種雙向控制系統(tǒng)。駕駛員的轉(zhuǎn)向反應(yīng)可以影響路輪動(dòng)作，同樣，路輪的動(dòng)作也可以影響轉(zhuǎn)向裝置。對(duì)于這種系統(tǒng)，我們研發(fā)了一種由直流伺服電機(jī)和電位計(jì)組成的集成操作桿。利用這種操作桿，駕駛員可以在沒(méi)有轉(zhuǎn)向盤(pán)、制動(dòng)踏板和驅(qū)動(dòng)踏板的情況下駕駛車輛[2]。同時(shí)，對(duì)這種算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這種線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能和控制算法的優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

這種系統(tǒng)可以使駕駛員在沒(méi)有轉(zhuǎn)向輪、制動(dòng)踏板和驅(qū)動(dòng)踏板的情況下，利用反應(yīng)操作桿駕駛車輛。

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

在圖1中顯示了整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。應(yīng)用一種商務(wù)的R-EPS系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)路輪、APM驅(qū)動(dòng)節(jié)流閥、一個(gè)直流伺服電機(jī)和輪線系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)剎車踏板。該系統(tǒng)是由SBC（單片機(jī)）、數(shù)據(jù)I/O接口、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換板、動(dòng)力板和介質(zhì)板組成的中央控制器控制的。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.2 集成操作桿設(shè)計(jì)

大多數(shù)的操作桿有±20°~30°的擺動(dòng)位移。在車輛駕駛過(guò)程中，這個(gè)小的位移需要駕駛員謹(jǐn)慎的駕駛。因而駕駛員容易感到疲勞從而導(dǎo)致危險(xiǎn)事故的發(fā)生[3]。為了解決這種問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型的操作桿。這種新的操作桿以手腕旋轉(zhuǎn)推動(dòng)加速和拉動(dòng)制動(dòng)來(lái)操作。這使得轉(zhuǎn)向位移可以擴(kuò)大到±90°。這種操作桿的另一種優(yōu)勢(shì)是：其操作僅僅需要很小的工作空間。該機(jī)構(gòu)的詳細(xì)構(gòu)造，如圖3所示。這種操作桿有兩個(gè)自由度，一個(gè)用于轉(zhuǎn)向，另一個(gè)用于加速或者剎車。需要一個(gè)直流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)力和用于檢測(cè)發(fā)出制動(dòng)或者加速命令桿的電位計(jì)。這根桿有±6°的位移，中位是靠萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)保持的。

2 系統(tǒng)控制

我們認(rèn)為EPS系統(tǒng)是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)。這是因?yàn)榫€控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和EPS系統(tǒng)在組成和控制原理上具有很多相似之處，它們之間最本質(zhì)的區(qū)別在于，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完全取消了機(jī)械連接[4]，鑒于此，我們認(rèn)為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，即EPS系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向輪和路輪之間仍是依靠機(jī)械連接，因此，這兩個(gè)部件之間的位置誤差始終為零。

在本文中，我們認(rèn)為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是沒(méi)有時(shí)間延遲的單自由度的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。其控制環(huán)路如圖4所示，就遠(yuǎn)程控制而言，我們把操作桿作為主控制器，EPS動(dòng)力作為一個(gè)伺服控制。這種系統(tǒng)的計(jì)算公式如下：

其中，

xm和xs表示位置；

Bm和Bs是粘性系數(shù)；

τm和τs是鉸鏈驅(qū)動(dòng)力；

下標(biāo)"m"表示主要的參數(shù)值，下標(biāo)"s"表示次要的參數(shù)值；

fh是作用于主要參數(shù)上的力；

fe是次要的施加于抵消工況環(huán)境的力。

圖2 操作桿示意圖

圖3 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)環(huán)路控制示意圖

選擇該系統(tǒng)的簡(jiǎn)單控制器為

FTf和FtT是分別指反應(yīng)力和牽引力，它們是由PD控制器提供，則

式中，Kmp和Kmd是比例系數(shù)和主參數(shù)衍生的，Ksp和Ksd是從動(dòng)值。計(jì)算式如下：

式中，Ks是總轉(zhuǎn)向比的比例因子。此轉(zhuǎn)向比與車速比成反比。這種雙向控制器可以由伺服服務(wù)器傳給主服務(wù)器。

在這種情況下，主服務(wù)器是轉(zhuǎn)向裝置。為了安全轉(zhuǎn)向,需要施加一些額外的力給主控制器以提供驅(qū)動(dòng)力矩，計(jì)算式如下所示：

式中，

VV為車輛的速度；

KV(VV)為車輛行駛速度和主控制器運(yùn)行速度阻尼比；

KSA(VV)為自調(diào)心增益；

KD為額外的阻尼比，對(duì)于制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制，一般選擇PD控制器。

3 實(shí)驗(yàn)和結(jié)論

實(shí)驗(yàn)是在公路上用真實(shí)的汽車進(jìn)行模擬的。在兩種場(chǎng)合進(jìn)行了測(cè)試，一種是在駕駛過(guò)程中測(cè)試，另一種是在停車過(guò)程中測(cè)試。測(cè)試結(jié)果證明：在沒(méi)有反應(yīng)操作桿的情況下，駕駛員在轉(zhuǎn)向時(shí)要補(bǔ)償自適應(yīng)性造成的影響，在應(yīng)用反應(yīng)操作桿轉(zhuǎn)向的情況下，駕駛員的轉(zhuǎn)向行為與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向時(shí)非常相似的，這種影響不復(fù)存在。從而，研發(fā)的反應(yīng)操縱桿的性能和控制算法得到證實(shí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本論文，我們介紹了一種新型的反應(yīng)操作桿，并引進(jìn)了安全駕駛的一種新算法。我們應(yīng)用EPS系統(tǒng)、APM系統(tǒng)和簡(jiǎn)化的剎車踏板的反應(yīng)機(jī)構(gòu)，建立了一個(gè)簡(jiǎn)化的DBW系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)真實(shí)的汽車進(jìn)行場(chǎng)地測(cè)試，我們證實(shí)了研發(fā)的反應(yīng)操縱桿和控制算法的性能。截止到目前為止，我們?nèi)栽谔骄扛鼉?yōu)的算法來(lái)評(píng)估汽車的駕駛性能。

[1]趙 燕.C型電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力學(xué)分析與研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2006.

[2]王柏峰.基于徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2007.

[3]吳基安.汽車電子技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，1999.

[4]何 軍.基于DSP的汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].北京：北京交通大學(xué)，2007.