基于系统辨识的车辆主动转向控制策略研究

张杰飞，王培

（河南交通职业技术学院 汽车学院，河南 郑州 450000）

引言

自动驾驶技术是当前汽车行业新的革命方向，自动驾驶能有效提高行车安全性、舒适性与交通效率。其中车辆控制是自动驾驶的核心技术之一，而转向系统是控制车辆运动的关键系统，也是自动驾驶最重要的执行器之一。

自动驾驶对转向系统提出了新的要求，由此诞生了主动转向系统。主动转向系统由电机完全提供转向力矩，控制转向系统运动以跟踪输入地期望转向信号，其性能决定了自动驾驶性能的上限。因此，主动转向系统的研发有巨大的现实意义，而主动转向的控制是其核心之一。

现有主动转向控制技术主要从现有的电动助力转向控制技术上发展而来。由于一般采用单片机作为控制单元，主动转向多采用多级PID控制方法，如采用电流环反馈与位置环反馈进行转角控制[1]，或采用二阶转向系统模型前馈、回正力矩前馈与位置PID反馈进行控制[2]。

本项目目标是为已改装主动转向系统的九龙e6纯电动商务车设计控制算法，实现方向盘转角对期望转角的跟踪。主动转向系统的改装是在保留原车液压助力系统的基础上，在转向柱上添加由单片机控制的主动转向电机。

1 方案设计

主动转向控制的主要难点在于转向系统加上轮胎与路面构成的系统不易建模的非线性。转向系统本身是个机械系统，但由于直接相关部件较多，设计多变，再加上液压助力组件，使得理论建模困难。在实际使用中，轮胎与地面间的作用力与力矩，输入转向系统，会对控制产生直接影响。而轮胎与地面对转向系统的力矩作用更难以精确建模。

由于系统特性对控制性能的影响显著，需采用前馈控制补偿，前馈控制量由系统模型给出。采用实验建模的方法，通过实验对简化模型的参数进行辨识或标定。这样虽然有较大的建模误差，但只要建模误差小于没有前馈时的误差，对于反馈控制的处理就更有利。由于没有电机电流、电压到转矩的特性，为了提高控制精度，本文采用速度反馈加位置反馈的双环PID控制。

1.1 系统辨识

将转向系统进行简化为二阶系统，可以用系统辨识的方法通过实验求得模型参数，主要为系统转动惯量与阻尼比[2]。以转向力矩T为输入、以方向盘转角θ为输出的转向系统传递函数为：

为了使得进行系统辨识时，系统的响应收敛，设计单位反馈的比例控制器对转向系统进行闭环控制，受控系统模型为：

图1 受控系统逻辑框图

此时，期望方向盘转角输入到实际方向盘转角输出的受控系统传递函数为：

其中，K为人为设定的比例反馈增益。

辨识传递函数的参数，主要需要得到系统有关不同频率的输入信号的响应，以此为目标设计输入信号。精确的方法是分别测试不同频率正弦输入的响应，获得Bode图再辨识参数。为简便，且使得信号各频率成分均匀，本项目采用扫频正弦信号，在100秒时间圆频率从0Hz到5Hz，如图2所示。

图2 扫频正弦信号

由于地面对转向系统有较大的作用力，在进行实验时需将车辆转向轮抬起，仅测试转向系统自身动力学特性。对实车控制器输入扫频正弦信号，获取同步的方向盘转角输出，用Matlab系统辨识工具箱获得辨识的。

实际上，转向系统摩擦系数也是重要的前馈项，无法通过上述方法得到。摩擦力与速度方向成正比，是非线性的。本项目采用的方法是在辨识出二阶系统后，在Simulink中添加摩擦环节进行仿真。

1.2 反馈控制设计

本项目采用双环反馈控制，外环为位置环，内环为速度环。位置环以角度误差为输入，乘增益后求得期望趋近角速度，与期望转角的微分转速相加，形成期望角速度输出。速度环以期望角速度为输入，通过PID控制器输出电机力矩。

1.3 控制总结构

将各前馈控制模块与反馈控制模块的输出电机力矩加和，根据电机特性可通过电机力矩求得电机电流，根据电机模型可求得电机电压，即可得输出给电机驱动模块的PWM占空比。

图3 控制器总结构

2 测试验证

本项目要在底层控制器（单片机）上实现上述控制算法，并进行实车测试。

2.1 静态试验

在停车状态下对控制器进行实车测试有如下结果：

120度/秒的斜坡左转540度梯形信号测试在中等转速下的跟踪性能，此工况下控制应当平顺而稳定，同时有较小的跟踪误差。试验结果如下。

图4 中等转速左转梯形信号跟踪效果

图5 中等转速左转梯形信号跟踪中控制量

两次超调分别为5.9度和8.5度。由于斜坡信号在斜坡两端速度突变，转向模型的前馈项会突变，静态回正前馈不能完全准确，PID反馈需要重新调节到稳态，因而有较大超调。一个周期平均跟踪误差2.6度，跟踪误差标准差4.3度，总体跟踪性能较好。跟踪误差主要来自角度减小阶段的电机换向。由角速度跟踪曲线与控制量曲线可见，整体控制较为平顺，角度增加阶段的小幅度振荡是因为为了提高跟踪性能PID增益稍大。

图6 中等转速左转梯形信号跟踪误差

对右转重复上述试验，结果类似。

240度/秒的斜坡左转540度梯形信号测试在高转速下的跟踪性能，此工况下控制应当平顺而稳定，同时不要有太大的跟踪误差。试验结果如下。

图7 高转速左转梯形信号跟踪效果

两次超调分别为12.4度和13.0度。一个周期平均跟踪误差6.7度，跟踪误差标准差10.5度。跟踪误差不太大。由于期望转速较高，系统状态快速变化，前馈不准确的影响更为突出，整个转向系统的非线性对转速控制造成的影响变得明显，使得转速控制难度大大增加。但整体控制过程平顺稳定。

正弦信号是更符合实际驾驶工况的，可以更好测试真实情况下的性能。360度幅值10秒周期正弦信号试验结果如下。

图8 较高转速正弦信号跟踪效果

全程平均跟踪误差5.0度，跟踪误差标准差6.8度，跟踪过程平顺，跟踪性能较好。

2.2 动态试验

读取游戏方向盘转角传感器信号，输入转向控制器，在单片机中解析转角并作为转向控制期望转角，人操纵游戏方向盘进行线传转向控制。在园区内道路进行实车行驶中的线传转向测试，结果如下。

图9 实车线传转向跟踪效果

图10 实车线传转向跟踪误差

全程平均跟踪误差5.9度，跟踪误差标准差9.3度。跟踪稳定，但角度跟踪有一定滞后，有一定误差，这是由于测试时已有明显侧向加速度感受，驾驶人输入的斜坡角速度达230度/秒。总体跟踪性能满足实际使用要求。

3 结论

本项目为改装的主动转向平台设计了主动转向控制器，通过系统辨识的转向系统模型进行动力学前馈，通过重力回正模型进行静态回正前馈，通过期望转角序列与转角误差生成期望转速，再由PID反馈控制器进行转速闭环控制。

本文基于自主研发的串口数据解析软件进行控制器数据分析，然后针对主动转向控制器分别开展了静态实验和动态实验，实验结果均表明了控制策略的可行性。在静态实车试验中，本控制器在中低转速转角输入下控制平顺、跟踪性能与稳态性能较好，在高转速转角输入下控制平顺稳定，跟踪误差较小。在线传转向控制下的行车动态测试中，本控制器控制性能满足使用要求。

考虑到使用非线性轮胎模型可以更准确地表示车辆的纵向动力学特性，在以后的研究中，还可以优化电机换向时的控制策略，精细标定前馈量并适配反馈参数，对不同转速下参数进行精细调节，增加行车回正力矩前馈，以进一步提高跟踪性能及减少超调。