一种新型线控转向路感模拟器的设计

张博 郑良剑 牛占占

摘 要： 随着国家2020 战略和新基建政策的落地，针对智能驾驶的投入和普及越来越高，线控转向成为量产的研究热点，而法规规定不能取消中间轴和方向盘，那么路感模拟成为很长时间的过渡方案，笔者通过研究目前路感模拟器的几种传动结构方式和控制算法，提出了自己的新型线控转向路感模拟器及其算法，并针对性的做了样机和算法台架试验认证，为在整车上匹配验证打下了坚实的基础。

關键词：线控转向 路感 模拟器 算法 结构

1 前言

线控技术最初是在飞机控制系统上出现，1972 年NASA 推出应用，对比传统的机械和液压系统，线控系统在飞机的性能反方面表现的更为出色。而1960 年首次应用在汽车上发展到现在正组建走向商业化[1]。

线控转向系统中的重要模块之一是路感模拟控制器，路感模拟器能为驾驶员提供路面信息，是驾驶员安全驾驶车辆的重要保障。

由于法规不允许取消中间轴，路感模拟器是以后线控转向能否搭载量产的关键所在[2]。

2 路感模拟器现状分析

目前线控转向系统（SBW）的路感模拟控制策略研究方法主要有四种：第一种为传感器测量方法，由于齿条处力矩包含有轮胎力和回正力矩等信息都包含在齿条处的力矩，所以使用传感器测量齿条力的数据经过滤波处理就可以作为反馈力矩。

第二种测得转向电机电流等效路面负载，对转向机构的齿条力进行准确的计算，然后将计算得到的齿条力折算成相应的路感信息提供给驾驶员。

第三种是根据目前传统机械转向系统的路感产生的机理，建立转向系统相关的动力学模型并计算出与路感相关的轮胎纵向力、侧向力等，最终得到路感。

第四种是根据经验设计路感反馈，也叫参数拟合法，即根据汽车的状态与路感存在一定的关系来设计路感模拟策略，通过传感器测量一些容易测得的参数，如方向盘转角、车速、侧向加速度等，根据测得的数据将路感与数据设计成函数关系式，以达到模拟路感的设计目标，同时满足驾驶员对路感的要求[3]。如表1 所示。

3 路感反馈的模型搭建

线控转向系统取消了方向盘和转向执行器之间的机械连接，所以地面给轮胎的反作用力无法反馈到方向盘上，同时驾驶员也无法感受到真实的路感[4]。针对这个问题，线控转向系统在方向盘总成中安装了路感模拟器，在转向过程中使用电机给方向盘施加阻力矩来模拟路感，回正的过程中如果驾驶员不接触方向盘就给电机一定的回正力矩使方向盘能够回到中间位置。根据本文所选的控制策略给出了所搭建的模型，如图1 所示。

考虑到方向盘转矩的影响因素，在模型中建立了反馈力矩、摩擦力矩、阻尼控制力矩、限位控制力矩，以及主动回正力矩的车辆线控转向盘转矩的模型[5]。为驾驶员提供了基本的路感，同时也和传统的机械转向系统的特点保持一致。

4 台架试验验证

为了验证和评估所建立路感模型的真实效果和有效性，使用CarSim 软件来提供整车模型的仿真环境，进行了台架试验。使用自己搭建的线控转向路感模拟模型和控制器为基础，建立试验台架。选择某款车型为试验用车，在CarSim 中输入整车参数建立整车模型和设置模拟工况并在计算机中实时运行。

同时，使用CAN 通信把车速信号、侧向加速度信号、转向盘转角信号和转向盘转矩信号，发送给线控转向系统的控制器。在CarSim中设置的为附着系数0.8 的干燥路面。打开CarSim 软件，连接好控制器，打开电源使整车模型和控制器之间进行正常信息交换。

4.1 工况条件

①方向盘力矩、方向盘转角及方向盘转速以顺时针为正;方向盘力矩、方向盘转角及方向盘转速的sign 值顺时针为+1，逆时针为-1。②路感使能方向和主动回正方向相反。③车速为0-200Km/h。

4.2 工况条件下测试的结果

使用CANape 工具在试验台架上对方向盘转角、手力、电机力矩指令观测。

5 结论

通过台架试验，搭建的线控转向系统路感模拟模型可以为驾驶员在低速情况下提供转向轻便的手感，同时也可以为驾驶员在高速状态下提供稳定的手感。克服了传统转向系统的缺陷，突出了设计自由的优势。在实验中，方向盘上的路感力矩和设计的目标力矩基本吻合，转向系统从转向路感状态到回正状态的模式切换过度良好，同时超调现象也非常小，在可接受范围之内。证明所建立的线控转向系统的路感模拟器有很好的应用效果。

参考文献：

[1] 李时雨. 基于线控转向系统的无人驾驶技术发展[J]. 汽车工程师，2018（3）：14-17.

[2] 宗长富，韩衍东，何磊，等.车辆线控转向变角传动比特性研究[J].中国公路学报，2015，28（9）：115-120.

[3] 解后循，高翔，夏长高.基于综合路感强度的方向盘转向力矩特性分析[J].机械科学与技术，2012，31（7）：1104.1109.

[4] 周兵，范璐，吕绪宁.主动前轮转向系统改进型变传动比曲线设计[J].中国机械工程，2014（20）：2813-2818.

[5] 赵林峰，从光好，邵文彬，陈无畏. 线控转向车辆方向盘转矩特性研究[J]. 机械工程学报，2018，54（24）：138-146.