汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)容錯(cuò)和故障診斷技術(shù)綜述

于 蕾 艷

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580)

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汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)容錯(cuò)和故障診斷技術(shù)綜述

于 蕾 艷

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580)

分析了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、應(yīng)用和容錯(cuò)要求；研究了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳感器、電子控制單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、通信網(wǎng)絡(luò)、電源等關(guān)鍵部件的容錯(cuò)方法,以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，包括基于觀測(cè)器的解析冗余方法等；分析了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障診斷方法的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。為提高線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的容錯(cuò)和故障診斷能力、實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)等提供借鑒。

車輛工程；汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；容錯(cuò)；故障診斷；可靠性

源于飛機(jī)線控操縱的汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)符合汽車安全、節(jié)能、環(huán)保的要求，是汽車結(jié)構(gòu)的重要變革。由于線控轉(zhuǎn)向(Steer-By-Wire,SBW)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間不存在機(jī)械連接，而代之以電子連接方式，具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如減少了在車輛碰撞時(shí)對(duì)駕駛員的傷害；采用電力驅(qū)動(dòng)，無(wú)轉(zhuǎn)向液，實(shí)現(xiàn)環(huán)保；輕量化，可模塊化靈活設(shè)計(jì)；提高動(dòng)力學(xué)控制的靈活性，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)轉(zhuǎn)向和路感優(yōu)化，改善了車輛的主動(dòng)安全性、操縱穩(wěn)定性等[1]。

但是正由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間不存在機(jī)械連接，電子設(shè)備的魯棒性比機(jī)械、液壓部件低，電子部件可能毫無(wú)預(yù)警信號(hào)的發(fā)生故障。某個(gè)傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)或電子控制單元發(fā)生故障時(shí)，必須快速以容錯(cuò)方式處理，否則將發(fā)生不期望的轉(zhuǎn)向。因此，亟待提高的容錯(cuò)與故障診斷技術(shù)是線控轉(zhuǎn)向技術(shù)能夠產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。筆者在大量文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，分析研究線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)容錯(cuò)與故障診斷技術(shù)方面國(guó)內(nèi)外研究方法、取得進(jìn)展等，為深入研發(fā)具有高度安全性、可靠性的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供借鑒。

1 汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析

1.1 汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和功能

圖1為純線控、無(wú)機(jī)械或液壓備份系統(tǒng)的汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意。包括傳感器、控制器、執(zhí)行器、通信網(wǎng)絡(luò)等[2]。其主要功能仍然是轉(zhuǎn)向和通過(guò)轉(zhuǎn)向盤給駕駛員轉(zhuǎn)向力反饋兩方面，但其執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用電機(jī)。

對(duì)于轉(zhuǎn)向功能，安裝在短轉(zhuǎn)向柱上的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、力矩傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、力矩，輸入電子控制單元(ECU)，ECU識(shí)別駕駛員轉(zhuǎn)向意圖，根據(jù)轉(zhuǎn)向控制算法控制轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)期車輪轉(zhuǎn)角。對(duì)于路感反饋功能，傳感器檢測(cè)作用在轉(zhuǎn)向輪上的力，ECU根據(jù)路感控制算法控制力反饋裝置提供給駕駛員可調(diào)的轉(zhuǎn)向阻力矩，改善駕駛員對(duì)于車輛狀態(tài)的感覺。

圖1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Basic structure schematic diagram of steer-by-wire

1.2 汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用

1996年，7個(gè)汽車公司和兩所大學(xué)參與了歐盟資助的線控項(xiàng)目。美國(guó)、日本、德國(guó)、中國(guó)等許多國(guó)家的大學(xué)、公司相繼展開了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制、容錯(cuò)等方面研究，制造出線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)樣機(jī)。各類電動(dòng)汽車、巡航輔助高速公路系統(tǒng)、先進(jìn)的安全車輛、智能交通車輛采用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，大大降低駕駛員的駕駛負(fù)荷，改善車輛動(dòng)力學(xué)控制性能。時(shí)間觸發(fā)架構(gòu)(Time-Triggered Architecture，TTA)工作組研究農(nóng)用拖拉機(jī)、叉車、輪式裝載機(jī)等非公路車輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，降低操作者的操作負(fù)荷[2]。

1.3 汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的容錯(cuò)要求

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上路行駛要求的主要挑戰(zhàn)是保證可靠性、安全性、成本降低到合理水平。采用機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)備份，可以實(shí)現(xiàn)在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)由機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅是現(xiàn)階段的過(guò)渡方案，最終的方案是無(wú)機(jī)械、液壓系統(tǒng)備份的純線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是基于微處理器控制器、傳感器、電子控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)，某個(gè)部件發(fā)生故障時(shí)必須容錯(cuò)，確保系統(tǒng)繼續(xù)工作。故障是系統(tǒng)外部狀態(tài)的偏離，由磨損、老化、受熱、機(jī)械壓力等引起。提高可靠性的方法包括設(shè)計(jì)、研發(fā)、試驗(yàn)階段防止故障產(chǎn)生；系統(tǒng)運(yùn)行中容錯(cuò)；故障診斷與根除；基于對(duì)系統(tǒng)屬性的測(cè)量、計(jì)算進(jìn)行故障預(yù)測(cè)以評(píng)價(jià)系統(tǒng)可靠性等[3]。

2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的容錯(cuò)技術(shù)

容錯(cuò)技術(shù)多采用冗余原則，包括被動(dòng)冗余方案與主動(dòng)冗余方案，被動(dòng)冗余方案中冗余部分作為備份，只有系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)才工作；主動(dòng)冗余方案中，冗余部分與系統(tǒng)并行工作。有系統(tǒng)重構(gòu)策略和故障隱蔽策略兩種容錯(cuò)策略，系統(tǒng)重構(gòu)策略包括故障檢測(cè)、故障定位發(fā)現(xiàn)故障源、系統(tǒng)恢復(fù)三步；故障隱蔽策略采用復(fù)制方法，不涉及故障檢測(cè)和對(duì)檢測(cè)故障的恢復(fù)[3]。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的容錯(cuò)方法主要包括硬件冗余容錯(cuò)方法和軟件容錯(cuò)方法等。

2.1 汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬件冗余容錯(cuò)結(jié)構(gòu)

硬件冗余是在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將一些關(guān)鍵電子部件如傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、通信網(wǎng)絡(luò)、電源等兩倍、甚至三倍冗余，三倍冗余成本較高，多采用兩倍冗余。圖2為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)兩倍硬件冗余容錯(cuò)結(jié)構(gòu)示意。兩個(gè)電機(jī)均與蝸桿連接，蝸桿傳動(dòng)減速器驅(qū)動(dòng)雙小齒輪-齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。每個(gè)電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)閉環(huán)電機(jī)力矩控制和電機(jī)故障檢測(cè)。兩個(gè)微控制器通過(guò)仲裁總線互相連接，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪控制[4]。如果某個(gè)部件發(fā)生故障，其備用部件工作，車輛繼續(xù)安全駕駛，即單個(gè)故障容錯(cuò)。

圖2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)硬件冗余容錯(cuò)結(jié)構(gòu)示意

2.2 關(guān)鍵部件的容錯(cuò)方法

僅通過(guò)硬件冗余實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。為了降低成本，不犧牲容錯(cuò)性能的前提下必須降低冗余部件的總數(shù)。方法之一是利用解析冗余，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大多采用軟件冗余(完整性控制)與硬件冗余相結(jié)合的容錯(cuò)控制方法[5]。

2.2.1 傳感器的容錯(cuò)方法

傳感器是考慮容錯(cuò)的主要部件之一。解析冗余方法比較測(cè)量數(shù)據(jù)和已知數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)單靈活、成本低，優(yōu)于硬件冗余。利用車輛和線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的合并模型設(shè)計(jì)全狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)車身側(cè)偏角。由質(zhì)心側(cè)偏角觀測(cè)、車輛橫擺角速度、轉(zhuǎn)向電機(jī)電流測(cè)量值等估計(jì)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角，這為ECU增加了一個(gè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角值，與物理傳感器比較。轉(zhuǎn)向角分析值越多，系統(tǒng)越魯棒。Simulink仿真結(jié)果表明，對(duì)于單點(diǎn)故障，基于觀測(cè)器的解析冗余方法降低冗余傳感器總數(shù)而保持高可靠性，達(dá)到和全硬件冗余系統(tǒng)一樣高的容錯(cuò)水平[4]?？衫梅蔷€性觀測(cè)器的基于解析冗余的預(yù)測(cè)容錯(cuò)控制[6]。

基于多維Gauss 隱藏Markov模型的容錯(cuò)控制策略，利用硬件冗余方法建立轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器容錯(cuò)控制策略。硬件在環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證有效改善了線控轉(zhuǎn)向車輛不發(fā)生傳感器故障的可靠性和安全性[7]。

采用基于魚群算法優(yōu)化的最小二乘支持向量回歸機(jī)方法，利用魚群算法的尋優(yōu)能力迭代求解最小二乘支持向量回歸機(jī)中的矩陣方程組，將訓(xùn)練好的回歸機(jī)用于質(zhì)心側(cè)偏角的預(yù)測(cè)輸出，代替?zhèn)鹘y(tǒng)觀測(cè)器的估計(jì)輸出。減少計(jì)算時(shí)間，提高回歸機(jī)訓(xùn)練效率；相比觀測(cè)器，有較好的抗干擾能力[1]。

2.2.2 電子控制單元的容錯(cuò)方法

可重構(gòu)容錯(cuò)控制律由線性反饋控制律和基于在線優(yōu)化的控制分配器組成，控制器設(shè)計(jì)方法根據(jù)控制分配器的非線性輸入-輸出特性保證系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性[8]。

圖3中，兩個(gè)微控制器采用主從結(jié)構(gòu)，主控制器實(shí)現(xiàn)所有的控制功能，從控制器提供冗余。主控制器發(fā)生故障時(shí)，由從控制器控制。每個(gè)微控制器發(fā)送表明其故障狀態(tài)的數(shù)字輸出信號(hào)到另一個(gè)微控制器的輸入端口，當(dāng)主控制器發(fā)生故障時(shí)，從控制器接收到主控制器的低信號(hào)，自動(dòng)重配置進(jìn)行控制[9]。在Visteon底盤先進(jìn)技術(shù)部的線控轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行容錯(cuò)試驗(yàn)，發(fā)生某個(gè)電機(jī)控制環(huán)或微控制器等單點(diǎn)故障時(shí)，雙控制器架構(gòu)自動(dòng)平順重構(gòu)，不降低控制系統(tǒng)性能。

圖3 容錯(cuò)控制器Fig.3 Schematic diagram of fault tolerant controller

利用試驗(yàn)臺(tái)架的硬件在環(huán)仿真結(jié)果表明，基于分布式處理和異常決策機(jī)制的電子控制單元雙核容錯(cuò)控制架構(gòu)和協(xié)調(diào)機(jī)制可行，有效改善了ECU的可靠性和安全性[10]。

2.2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的容錯(cuò)方法

執(zhí)行機(jī)構(gòu)容錯(cuò)可采用多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)并行、靜態(tài)或動(dòng)態(tài)冗余；或執(zhí)行機(jī)構(gòu)里可靠性低的部件采用冗余，例如電機(jī)可采用三個(gè)繞組。利用最小方差方法、直流電機(jī)模型離線辨識(shí)電機(jī)相關(guān)參數(shù)；基于自適應(yīng)Kalman濾波技術(shù)在線估計(jì)參數(shù)。在線估計(jì)和離線估計(jì)的對(duì)比結(jié)果、車輛試驗(yàn)等表明，容錯(cuò)控制有效改善了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可靠性和安全性。如圖2，采用雙電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，一個(gè)電機(jī)產(chǎn)生故障時(shí)，另一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能[10]。

2.2.4 通信網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)的容錯(cuò)方法

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要滿足功能和安全性要求，需要容錯(cuò)的數(shù)據(jù)通信架構(gòu)。TTA線控轉(zhuǎn)向工作組致力于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參考框架，如農(nóng)用拖拉機(jī)為75/321/EEC[2]。自2002年，已經(jīng)成功推廣了時(shí)間觸發(fā)框架，是可實(shí)現(xiàn)高可靠性的實(shí)時(shí)系統(tǒng)的分布式的計(jì)算機(jī)架構(gòu)，可確保最壞的情況下數(shù)據(jù)總線仍能傳輸最重要的消息。TTA系統(tǒng)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)都具有容錯(cuò)性。硬件容錯(cuò)依賴冗余節(jié)點(diǎn)和多個(gè)信道，軟件利用控制基本服務(wù)的算法容錯(cuò)。如UN ECE 79 R2第一次為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上路許可提供了基礎(chǔ)。

利用狀態(tài)傳遞圖建模單信道線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，分析系統(tǒng)特性和故障事件率之間的關(guān)系，進(jìn)行有備份信道的容錯(cuò)系統(tǒng)的功能安全性分析，研究故障事件率與主信道故障率的關(guān)系，主信道故障的檢測(cè)速度等[11]。

2.2.5 電池的容錯(cuò)方法

利用安培小時(shí)方法、開路電壓方法、擴(kuò)展Kalman濾波方法等有效估計(jì)荷電狀態(tài)，判斷動(dòng)力電池是否能保證性能，必要時(shí)激活容錯(cuò)控制。通過(guò)冗余電池并聯(lián)連接獲得電池容錯(cuò)控制[12]。

2.3 其它容錯(cuò)方法

日本JTEKT公司研究基于轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、加速的多樣性容錯(cuò)架構(gòu)，包括線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、在線控轉(zhuǎn)向發(fā)生故障時(shí)利用制動(dòng)、加速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的后備系統(tǒng)，其后備轉(zhuǎn)向功能基于駕駛員制動(dòng)、加速意圖選擇。駕駛模擬器研究表明，在高速公路上前方避障期間，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，駕駛員仍然可通過(guò)轉(zhuǎn)向盤操縱車輛，避免了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)過(guò)度冗余引起的成本和體積增加問(wèn)題[13]。

3 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的故障診斷研究

系統(tǒng)故障按故障本質(zhì)分為硬件故障和軟件故障；按故障持續(xù)時(shí)間分為永久性故障、瞬時(shí)故障和間歇故障；按故障活動(dòng)性分為潛伏故障和活動(dòng)故障等；按故障域分為內(nèi)容故障、時(shí)間故障；按故障可檢測(cè)性分為信號(hào)揭示故障和無(wú)信號(hào)揭示故障；按故障后果分為無(wú)害故障、微小故障、危險(xiǎn)故障、災(zāi)難性故障等[3]。

3.1 關(guān)鍵部件的故障診斷

3.1.1 傳感器的故障診斷

為使系統(tǒng)魯棒，傳感器測(cè)量必須準(zhǔn)確可靠，必須消除有故障的信號(hào)以防止不期望的轉(zhuǎn)向效果?；跍y(cè)量信號(hào)的故障診斷方法包括門限值檢查、真實(shí)值檢查；對(duì)于單周期隨機(jī)信號(hào)的基于信號(hào)模型的方法；對(duì)于兩個(gè)或多個(gè)相關(guān)信號(hào)的基于過(guò)程模型的方法等。圖4的故障診斷流程中，既采用了基于信號(hào)模型的方法，又采用了基于過(guò)程模型的方法[3]。

圖4 故障診斷流程Fig.4 Schematic diagram of fault detection flow

對(duì)于靜態(tài)冗余，需要至少3個(gè)冗余部件輸出信號(hào)通過(guò)多數(shù)表決算法進(jìn)行故障診斷；對(duì)于動(dòng)態(tài)冗余，基于模型的方法進(jìn)行故障診斷?；趦蓚€(gè)物理車輪轉(zhuǎn)角傳感器(一個(gè)絕對(duì)位置傳感器和一個(gè)相對(duì)位置傳感器組合)、車輪轉(zhuǎn)角傳感器的解析估計(jì)值(代替第三個(gè)物理傳感器)，利用多數(shù)表決方法建立的故障檢測(cè)和隔離算法監(jiān)測(cè)發(fā)生故障的傳感器以保持安全行駛，產(chǎn)生單點(diǎn)故障時(shí)，該算法與全硬件冗余的系統(tǒng)容錯(cuò)能力相同[6]。

針對(duì)參數(shù)不確定性和傳感器故障，基于線性矩陣不等性設(shè)計(jì)魯棒H∞滑模觀測(cè)器，估計(jì)橫擺角速度等系統(tǒng)狀態(tài)，估計(jì)誤差動(dòng)力性漸進(jìn)穩(wěn)定。仿真驗(yàn)證了存在不確定時(shí)，滑模觀測(cè)器仍精確估計(jì)橫擺角速度傳感器出現(xiàn)的故障，對(duì)參數(shù)不確定性魯棒[5]。

利用基于刁番圖的長(zhǎng)范圍預(yù)測(cè)器改善故障檢測(cè)效率。利用線控轉(zhuǎn)向硬件在環(huán)試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證總體預(yù)測(cè)容錯(cuò)控制策略，故障診斷和隔離算法融合傳感器解析冗余無(wú)損系統(tǒng)整體魯棒性，更快檢測(cè)到衰減型故障[6]。

利用多數(shù)表決的方法建立故障診斷和隔離算法，診斷有故障的傳感器、保持安全行駛，基于有限狀態(tài)機(jī)邏輯實(shí)現(xiàn)該算法[4]。

選擇基于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的診斷方法，利用狀態(tài)估計(jì)的解析冗余，構(gòu)造殘差向量，不同傳感器故障體現(xiàn)在殘差向量不同方向上，實(shí)現(xiàn)各傳感器故障的檢測(cè)和分離[14]。

3.1.2 電機(jī)的故障診斷

采用自適應(yīng)卡爾曼濾波算法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)、電機(jī)故障診斷，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電樞線圈內(nèi)阻、電感等電機(jī)性能參數(shù)，克服了常規(guī)卡爾曼濾波器應(yīng)用于參數(shù)時(shí)變性較強(qiáng)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)的缺陷[14]。

3.1.3 微處理器的故障診斷

可通過(guò)奇偶校驗(yàn)、看門狗定時(shí)器等發(fā)現(xiàn)有故障的微處理器[3]。

3.2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的故障診斷方法

用粗糙集模型簡(jiǎn)化冗余信息，抽取分類規(guī)則。設(shè)計(jì)利用粒子群優(yōu)化方法優(yōu)化的徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，學(xué)習(xí)冗余信息簡(jiǎn)化抽取的故障規(guī)則。MATLAB仿真表明，智能故障診斷方法提高了診斷精確水平[15]。

基于改善的自適應(yīng)粒子群優(yōu)化算法動(dòng)態(tài)改變慣性權(quán)重和閾值，根據(jù)粒子成熟收斂度和粒子適應(yīng)度自適應(yīng)調(diào)整粒子的慣性權(quán)重，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立了故障診斷模型。與粒子群優(yōu)化算法和遺傳算法相比，有效改善了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練效率，獲得了較好的診斷結(jié)果[16]。

建立滑模觀測(cè)器進(jìn)行基于模型的故障診斷和隔離，系統(tǒng)不確定性條件下處理多個(gè)傳感器故障。為了抑制噪聲、傳感器輸出相互作用、模型不確定性，基于實(shí)時(shí)、閉環(huán)反饋性能設(shè)計(jì)具有魯棒自適應(yīng)觀測(cè)器的故障診斷和重構(gòu)策略。硬件在環(huán)試驗(yàn)表明精確、可靠的用于在線故障診斷、數(shù)據(jù)再構(gòu)[17-18]。

針對(duì)有限參數(shù)不確定性的線性系統(tǒng)，設(shè)計(jì)魯棒的基于模型的故障診斷濾波器。最大化系統(tǒng)和診斷濾波器的理論信道能力，把故障條件視為假定的信道的輸入，把產(chǎn)生的分量作為輸出，把傳感器噪聲、干擾、系統(tǒng)輸入作為干擾源。產(chǎn)生的余量對(duì)故障敏感，對(duì)噪聲和干擾不敏感[19]。

研究基于滑模觀測(cè)器的預(yù)測(cè)故障診斷，設(shè)計(jì)滑模觀測(cè)器，利用線性車輛模型、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和橫擺角速度反饋來(lái)估計(jì)車輛轉(zhuǎn)向角度。通過(guò)長(zhǎng)范圍預(yù)測(cè)方法根據(jù)估計(jì)的轉(zhuǎn)向角度和當(dāng)前輸入預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)向角度。基于非線性滑模觀測(cè)器、預(yù)測(cè)的解析冗余降低所需的冗余轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角傳感器的數(shù)目，保持高可靠性。用持續(xù)故障和初始故障評(píng)價(jià)提出算法的有效性，故障傳感器辨識(shí)時(shí)間隨預(yù)測(cè)水平增加而降低，基于預(yù)測(cè)的解析冗余算法適合處理單點(diǎn)故障[20]。

4 汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的展望

4.1 更多試驗(yàn)驗(yàn)證容錯(cuò)與故障診斷技術(shù)的效果

汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)容錯(cuò)使得在發(fā)生一個(gè)部件或子系統(tǒng)故障時(shí)仍然實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能?，F(xiàn)有的容錯(cuò)與故障診斷技術(shù)許多僅通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證，而沒有經(jīng)過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)，尤其是實(shí)車試驗(yàn)更少。今后的發(fā)展趨勢(shì)是通過(guò)大量的硬件在環(huán)臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)容錯(cuò)與故障診斷技術(shù)的效果，為汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。

4.2 集成線控底盤的容錯(cuò)與故障診斷研究

汽車線控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是研發(fā)集成線控轉(zhuǎn)向、線控制動(dòng)、線控驅(qū)動(dòng)的線控底盤，采用多傳感器信息融合方法，進(jìn)行線控轉(zhuǎn)向、線控制動(dòng)、線控驅(qū)動(dòng)的集成容錯(cuò)與故障診斷，完成容錯(cuò)的橫擺力矩控制等功能，整體提高線控底盤的可靠性[21]。

5 結(jié) 語(yǔ)

汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)帶來(lái)了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制等方面的變革，大大優(yōu)化汽車操縱穩(wěn)定性、舒適性等性能。提高安全可靠性、降低系統(tǒng)成本是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，容錯(cuò)技術(shù)需要高可靠性的傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等、快速故障診斷算法，發(fā)生故障時(shí)保持車輛可靠控制。

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Fault Tolerant and Fault Diagnosis Technologies of Automobile Steer-by-Wire System

Yu Leiyan

(School of Mechanical & Electronic Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, Shandong, China)

Firstly, the basic structure, application area and fault tolerant requirements were analyzed. Then, fault tolerant methods including analytical redundancy methods based on the observation home and abroad research status of key parts of steer-by-wire system including sensors, electronic control units, actuators, communication network and power supplies was researched. Finally, home and abroad research status of fault diagnosis methods of steer-by-wire system were analyzed. The proposed study helps to improve fault tolerant and fault diagnosis ability of steer-by-wire system and to realize mass production of automobile steer-by-wire systems.

vehicle engineering; automobile steer-by-wire system; fault tolerant; fault diagnosis; reliability

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.33

2013-03-20；

2014-08-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51005248,51005115)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(11CX04039A)

于蕾艷(1980—)，女，山東煙臺(tái)人，副教授，博士，主要從事車輛動(dòng)力學(xué)與控制方面的研究。E-mail：yulyx2009@163.com。

U463.4

A

1674-0696(2015)05-165-05