汽车线控转向系统变角传动比控制研究进展综述

查云飞 于淼 马芳武,2 郑寻

（1.福建工程学院福建省汽车电子与电驱动技术重点实验室，福州350118；2.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，长春130026）

主题词：线控转向系统 研究现状 变角传动比控制

0 前言

随着世界汽车工业的快速发展，汽车工业在新时代逐渐形成以“智能、安全、节能、环保”为核心的发展局面[1]。智能技术逐渐融入汽车行业，为人们的出行带来更便捷、更安全、更舒适的驾乘体验的同时又进一步激发了人们对汽车安全及智能化的需求。国内外各大汽车企业、互联网企业、科研院校纷纷投入到相关领域的研究中，这些都进一步推进了智能驾驶汽车及相关技术产业的发展。对智能汽车转向系统而言，传统转向系统难以满足智能汽车电控技术需求[2]，线控转向技术（Steer-By-Wire，SBW）应运而生。线控转向系统控制器通过电信号将转向盘模块和转向执行机构连接起来，替代转向传动机构功能，将驾驶转向意图转换成相应的电信号，控制转向电机实现车辆转向[3]。根据不同行驶工况及理想控制目标，SBW 基于自身电控特性可以通过智能控制算法实现人为转向操纵与车辆响应之间的解耦，在保证安全性前提下，可开发个性化变角传动比控制策略，又可配合线控油门、线控制动等其他线控底盘技术，结合各大线控底盘技术优势完善车辆底盘动力学集成控制，进一步提高车辆行驶稳定性和安全性[4]。线控转向技术具有变角传动比特性，依据该特性设计控制算法即能对汽车随车速变化的转向特性进行校正，提高车辆操纵稳定性，同时又能将驾驶员理想汽车转向特性融入到算法开发中，实现转向系统特性向“车适应人”的方向不断发展，使汽车转向性能设计更加人性化、智能化[5]。线控转向系统展现出的种种独特优势，被普遍认为是实现高级智能驾驶的核心技术之一[6]。

首先对线控转向系统的变角传动比特性进行公式理论分析。然后，对线控转向系统变角传动比控制策略典型控制规律进行总结，梳理线控转向系统变角传动比控制研究现状，为后续变角传动比控制研究提供理论参考。

1 线控转向系统

线控转向系统主要由转向盘模块、SBW 控制器、转向执行模块以及相关传感器组成，如图1所示。线控转向系统转向盘模块由转向盘、转矩/转角传感器、路感电机、减速机构等组成。线控转向控制系统的控制单元主要由转向系统相关传感器、线控转向系统控制器硬件、车辆状态信息采集器和通信总线组成。转向执行模块由转向电机、减速机构、转向器、转向拉杆、转向车轮等组成[7-10]。通过对线控转向系统硬件结构特性分析，发现传统转向系统由于物理连接的存在，其角传动比为固定值或只能小范围变动。但线控转向系统突破了传统传动方式，其以线控转向控制单元为核心，以电信号为载体，实现变角传动比传递，为变角传动比提供广阔的控制策略设计空间，同时结合相关传感器反馈车辆运动状态信号，进一步提高汽车操纵稳定性、驾驶舒适性及转向主动安全性[11-12]。线控转向系统在硬件结构上表现为体积小、布置灵活，符合汽车模块集成、节能环保、安全智能的需求。

图1 线控转向系统结构

2 固定角传动比特性分析

在转向系统中，转向盘转角δsw与前轮转角δf的关系[13]：

式中i为转向系统角传动比。在不同车速角阶跃工况下，转向系统为固定角传动比的汽车横摆角速度增益（转向灵敏度）曲线如图2所示，公式（2）为转向横摆角速度增益计算公式。随着车速的变化，横摆角速度增益也随之变化，转向增益的非线性变化不但增加驾驶员操作负担，而且对汽车安全性、稳定性、舒适性产生较大的影响。

图2 不同车速下具有固定传动比车辆转向灵敏度曲线

公式（2）还可以表达为:

3 变角传动比特性分析

从公式（1）～（3）可知，具有固定角传动比汽车的转向特性随着车速的变化而变化，这与驾驶员期望的转向特性严重不符。理想的转向特性是低速时通过较小的力和较少的转向盘转角实现较大的前轮转角，也就是低速时希望有较小的角传动比和较大的转向助力；高速时希望有较大的角传动比和较小的转向助力[16]。针对期望的转向系统特性，可以依托线控转向系统，基于横摆角速度增益不变、侧向加速度增益不变，开展变角传动比研究，使得汽车的转向系统增益不随车速变化。同时考虑到，当车速从0开始变化，理想传动比i的值过小而易达到转向极限位置，这与实际驾驶情况不符，因此设定理想传动比最小值为imin。反之，车辆在高速段转向时响应过于迟钝，不能及时完成变道、避障任务，理想传动比最大值设为imax，最终确定基于摆角速度增益不变的变角传动比规律如式（4）[17]：

从公式（4）可以分析出，转向角传动比i的确定不但与车辆行驶车速有关系，而且与横摆角速度增益的取值有关。横摆角速度增益合理选取范围，由原联邦德国大学汽车研究所，在车速为22.35 m/s,侧向加速度0.4g条件下对汽车进行试验后统计得出，轿车的稳态横摆角速度增益值为0.12～0.37 s-1，熟练驾驶员横摆角速度稳态增益取值范围在0.120～0.417 s-1之间[18]。

汽车从方向盘转角δsw到汽车响应的侧向加速度增益，用可表示为：

式中，ay为汽车侧向加速度；为汽车前轮角到车辆响应的侧向加速度增益，其中侧向加速度与纵向车速的关系为ay=ωr×u[19]。同理为保证线控转向系统在不同车速下的转向性能，基于侧向加速度增益不变，理想传动比规律为[20]：

式（6）中侧向加速度稳态增益Gaysw通常以方向盘每转100°所对应侧向加速度的增量表示[21]：

文献[19,21]通过仿真验证及理论分析，侧向加速增益不变的传动比策略适用于高速工况。车辆高速转向时，通常对侧向加速度稳态增益加以限制来确定此时的角传动比特性，侧向加速度稳态增益应小于1.4g/100°。

式中，u为车辆沿x轴方向的速度即车辆行驶前进速度；l为轴距；a、b为质心到车辆前、后轴的距离；k为稳定因数；为侧向加速度增益；k1、k2为车辆前、后轮侧偏刚度；m为汽车整备质量。以变角传动比设计为前馈，以前轮转角反馈的线控转向执行控制策略为例[22]，如图3所示。在转向的过程中，线控转向控制器遵循驾驶转向意图，结合车辆运动状态参数（车速），通过当前车速设计得到理想传动比，并计算出期望前轮转角。以期望车轮转角与反馈的实际前轮转角值差作为PID 算法输入，通过PID 算法对转向电机进行控制，以此实现快速准确转向，使车辆具有良好的操纵稳定性。

图3 线控转向执行控制策略

4 变角传动比控制策略研究现状

在线控转向变角传动比控制研究中，国内外研发趋势与前沿技术是兼顾转向过程的操纵稳定性、安全性与适应性，尝试在结构及控制算法上实现突破，保证搭载线控转向的车辆更加安全、稳定[23]。

在机械结构上，Benz 研发了可变齿比的转向齿条，在中间位置采用较大的角传动比，两侧采用较小的传动比，BMW 公司研发的主动转向系统利用一套行星齿轮组，在驾驶员的输入转角上叠加了一部分电机转角进而间接控制角传动比[24-25]。

4.1 基于转向增益不变的变角传动比控制

在控制算法上，国内外研究学者在对线控转向变角传动比研究中考虑到车辆轮胎、悬架等机械系统所固有的非线性特征，通过改变角传动比的变化规律，改善转向系统的转向特性。文献[26]根据期望横摆角速度增益不变和期望侧向加速度增益不变分别设计传动比控制策略，并将2 者按比例综合设计成第3 种控制策略，并通过仿真分析对比，发现按比例综合2种转向增益不变设计传动比控制策略具有明显优势。文献[27]基于汽车动力学仿真软件CarSim，在推导出实际横摆角速度增益公式的基础上，依据不同车速，对变角传动比控制进行分段研究。文献[28]采用基于稳态横摆角速度增益不变与模糊控制相结合的方式实现变角传动比设计。但是，按照转向增益一定比例设计的变角传动比控制策略以及按照车速变化分段设计的变角传动比控制策略都难以保证转向过程中不出现顿挫感。文献[29]采用曲线拟合的方法使角传动比控制曲线随着车速平滑改变，文献[30]则通过模糊智能算法修正变角传动比，而文献[31]利用遗传算法对不同车速下的传动比进行优化，使转向执行电机工作时具有较好的平顺性。

4.2 基于非线性因素的变角传动比控制

对线控转向变角传动比的设计多数是基于线性汽车二自由度车辆模型。经典的二自由度车辆模型可以清晰表达车辆转向特性，但是没有考虑到车辆轮胎、路面附着系数等其它非线性因素对线控转向系统的影响，因此基于转向系统增益不变设计得到的变角传动比与实际情况存在误差，甚至严重偏离驾驶员期望的角传动比，针对线控转向系统非线性特性，不少专家学者也开展了相关研究来使算法设计更加符合驾驶工况。文献[32]采用非线性二自由度车辆模型，设计得到理想角传动比，通过与线性二自由度车辆模型设计得到的传动比进行对比分析，发现在低附着路面行驶时，前者具有更好的操纵稳定性。文献[33]在6自由度非线性转向模型的基础上，提出了稳态增益理想传动比动态精确获取方法。考虑到车辆非线性横摆角速度增益特性对驾驶员转向操作的不利影响，文献[34]结合车辆操纵稳定性多目标评价函数，确定不同车速下的最优角传动比。

4.3 基于操纵杆结构的变角传动比控制

大多数的转向驾驶方式都是以转向盘式转向机构为对象，设计相应变角传动比算法。但是，线控转向系统的出现不但突破传统机械结构，也改变了传统驾驶方式，使得操纵杆结构在汽车上的应用成为可能，所以一些学者提出基于操纵杆结构的驾驶方式进行可变角传动比控制。文献[35-36]针对操纵杆控制汽车转向运动的结构和性能特点，提出转向变角传动比变增益控制方法。与此同时，为了适应从“人适应车”到“车适应人”的转变趋势，文献[37]充分考虑不同驾驶员转向行为特性，针对每一类转向特性进行个性化变角传动比设计，促进转向系统人性化设计。

4.4 基于智能算法的变角传动比控制

在对线控转向变角传动比研究的过程中，国内外学者考虑到“人-车-路”闭环系统具有较强的非线性特征，针对整体闭环系统难以建立精确的数学模型的情况，提出采用更加智能的算法来实现线控转向系统变角传动比的控制。文献[38]以车速、方向盘转角为输入，采用模糊控制器确定叉车动态转向系统传动比。文献[39]采用分层多级模糊控制的方法，设计变角传动比。仅仅在汽车稳定、理想条件下对线控转向系统进行理论分析会使的线控转向变角传动比控制策略不具备较强的鲁棒性、稳定性。一些学者采用不依赖精确的物理模型又能保证控制器精确控制的智能算法对变角传动比进行研究，文献[40]利用模糊神经网络、直线拟合、模糊软切换3种技术设计出兼顾转向性能和转向稳定性的角传动比。文献[41]提出了一种基于姿态预测的线控转向变角传动比防侧翻控制方法，将侧翻时间和侧倾角作为模糊规则输入，将传动比修正系数作为模糊决策输出。

4.5 基于其他技术的变角传动比控制

除上述的相关控制方法外，一些专家学者还采取四轮转向、主动转向与线控转向变角传动比相结合的集成控制方法来进一步提高控制效果。文献[42]基于角传动比特性和四轮转向技术的优点，提出线控转向模糊变角传动比和LQR 最优控制四轮转向相互结合的方法。文献[43]基于固定横摆角速度增益不变，提出1种主动前轮转向系统理想传动比控制方法。文献[44]基于LQR最优控制理论,提出了1种新型后轮主动转向变角传动比控制策略。同时还有部分专家学者采用变角传动比控制与其它控制策略相结合的方式展开研究，文献[45]采用基于变角传动比设计的前馈控制，结合PID算法，实现转向电机的闭环控制，以此提高车辆操纵稳定性。文献[46]在变角传动比前馈控制的基础上，设计出基于横摆角速度动态反馈的可拓滑模控制器来决策出合理的前轮转角。

5 结论

综上所述，线控转向变角传动比控制策略通过转向系统增益不变、模糊控制及其他智能算法设计变角传动比，结合汽车实时反馈的运动状态参数，对变角传动比进行校正、优化，不仅可改善车辆转向响应性能，而且实现车辆高速转向稳定、低速转向灵敏的控制目标。但是，基于理想稳态状态或仅依赖开发者的工程经验及智能算法进行变角传动比控制策略设计的方式还存在一定的局限性，因此针对线控转向系统变角传动比设计，还应结合电子传感技术、驾驶员转向操作特性及制造成本等综合因素，有机地融入当代汽车电动化、智能化、网联化、个性化的发展趋势，不断对线控转向系统变角传动比研究进行完善、突破。

由于法律法规限制、汽车电子技术、防错冗余等科学技术瓶颈的存在，完全意义上的线控转向系统应用到实际车辆中将面临巨大的挑战。将来，随着汽车电子技术的发展，线控转向技术在横向动力学控制、变角传动比控制、主动转向等方面优势会更加突出，可靠性和成本问题都将得到解决。因此，线控转向技术是未来汽车电控转向技术的主要发展方向之一，当下对线控转向关键技术的研究有重要实际应用意义。