汽车线控转向系统论文

汽车线控转向系统论文（精选6篇）

篇1：汽车线控转向系统论文

汽车线控转向技术发展综述

线控转向(Steer-By-Wire)是汽车转向系统的最新技术,可以提高汽车操纵稳定性、安全性和舒适性,代表着未来的`发展趋势.了解线控转向系统的结构、工作原理以及性能特点并进行相关分析有利于我们掌握线控转向的关键技术.

作 者：刘齐 LIU Qi  作者单位：上海交通大学自动化系,上海,200030 刊 名：芜湖职业技术学院学报 英文刊名：JOURNAL OF WUHU VOCATIONAL INSTITUTE OF TECHOLOGY 年，卷(期)：2009 11(2) 分类号：U463.4 关键词：线控转向   线控技术   发展现状   结构   关键技术.  

篇2：汽车线控转向系统论文

通过线控转向和线控制动两方面阐述线控技术结构原理及在现代汽车电子中的运用.汽车线控技术是将驾驶员的操纵动作经过传感器变成电信号,通过电缆直接传输到执行机构的一种系统.线控系统彻底摆脱了传统机械连接装置,便于实现和其他系统的.集成.

作 者：李华宁 陈小龙 LI Hua-ning CHEN Xiao-long  作者单位：李华宁,LI Hua-ning(南京理工大学,教务处,江苏,南京,210014)

陈小龙,CHEN Xiao-long(江阴职业技术学院,机电工程系,江苏,江阴,214433)

刊 名：苏州市职业大学学报 英文刊名：JOURNAL OF SUZHOU VOCATIONAL UNIVERSITY 年，卷(期)：2009 20(3) 分类号：U461 关键词：线控技术   汽车电子   线控转向   线控制动  

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篇3：汽车线控转向系统

SBW (Steering-By-Wire) 系统是继EPS后发展起来的新一代转向系统, 它完全摆脱了传统机械转向系统的设计理念, 取消了方向盘和转向轮之间的机械连接, 由电动机驱动转向系统控制汽车的转向, 减少了路面的冲击, 降低了噪声, 消除了碰撞时方向柱对驾驶员的伤害, 增大了驾驶员腿部活动空间, 提高了驾驶舒适度, 是汽车转向系统的重大革新。

线控转向系统的结构与工作原理

S B W的工作原理是, 当转向盘转动时, 转向传感器和转向角传感器, 将测量到的驾驶员转矩和转向盘的转角转变成电信号送给主控制器, 主控制器对信号进行分析处理后将控制信号传递给转向电动机, 转向电动机输出转向所需的扭矩带动车轮转向, 从而实现驾驶员的转向意图。

S B W系统由转向盘模块、前轮转向模块和主控制器以及故障诊断与容错控制模块、电源等组成, 其结构如附图所示。

转向盘模块包括:方向盘、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、路感电动机。转向盘模块通过测量方向盘转角, 将驾驶员的转向意图转换成数字信号并传递给主控制器, 主控制器对采集的信号进行分析处理, 判别汽车的运动状态, 向前轮转向模块发送指令, 通过转向电动机控制器控制转向轮转动, 实现转向。同时, 主控制器向路感电动机发送转矩信号, 产生转向盘回正力矩, 以提供给驾驶员相应的路感。

前轮转向模块包括前轮转角传感器、转向电动机、转向电动机控制器和前轮转向组件等。前轮转向模块的功能是接受主控制器的命令, 控制转向电动机实现要求的前轮转角, 完成驾驶员的转向意图, 并将测得的前轮转角信号反馈给主控制器。

主控制器模块对采集的信号分析处理, 判别汽车的运动状态, 向路感电动机和前轮转向电动机发送命令, 控制两个电动机协调工作, 以实现车辆的转向和驾驶员路感的模拟。主控制器还可以对驾驶员的操作指令进行识别, 判定在当前状态下驾驶员的转向操作是否合理。当系统检测到驾驶员的转向操作不合理, 系统指令出现错误或汽车处于非稳定状态时, 主控制器能及时屏蔽错误指令, 并以合理的方式自动驾驶车辆, 使汽车尽快恢复到稳定状态。另外, 当线控转向系统出现故障时, 主控制器能及时、准确采取措施进行补救, 使驾驶员有效控制车辆。

故障诊断与容错控制模块是在线控转向系统有故障时, 为了确保转向系统的基本转向功能而设计的备用模块, 它包括一系列的监控和实施算法, 针对不同的故障形式和故障等级做出相应的处理, 以求最大限度地保持汽车转向系统的安全性能, 保证汽车的正常行驶。

线控转向系统的性能特点

(1) 改善了操纵稳定性改善了传统汽车所不能解决的汽车转向过程中转向力和转向响应时间的矛盾, 使得转向系统和转向盘同步工作, 控制更加灵敏;具有变传动比特点的SBW系统, 克服了传统的转向角传动比固定所带来的转向特性随汽车行驶姿态的不同而变化的缺点。

(2) 提高了舒适性由于取消了传统的机械连接, 地面的不平和转向轮的不平衡等扰动不会传递到方向盘上, 从而减轻了驾驶员的疲劳。而转向柱的取消使得驾驶员腿部活动的空间增加, 驾驶和出入更方便自由。

(3) 改善了路感由于转向盘和转向轮之间无机械连接, 反馈给驾驶员的路感是通过主控制器控制转向盘总成中的路感电动机模拟生成。因此, 设计路感模拟控制策略, 时可以从汽车各种信号中提取最能够反映真实路感的汽车行驶状态和路面附着条件等作为路感模拟控制变量, 从而为驾驶员提供更为真实的“路感”。

(4) 节能环保取消了转向系统的机械和液压装置, 仅用电动机进行驱动, 从而避免了液压油泄漏、液压油管和油封等废弃物对环境的污染。线控转向系统仅在需要转向时电动机才有功率输出, 省去了传递效率极低的皮带传动, 提高了传动效率、燃油经济性和环保性。

线控转向系统的关键技术

1.传感器技术

传感器是组成线控系统的基本单元, 线控系统控制效果紧紧依赖于传感器的信息采集和反馈精度, 因而传感器性能直接影响整个线控系统的性能。研制可靠性高、成本低、高精度、集成化的传感器成为线控系统的关键问题之一。

2.容错控制技术

线控转向系统发展过程中最大的困扰是安全性和可靠性问题, 为解决这一问题就必须采用容错控制技术。容错控制技术方法包括硬件冗余方法和解析冗余方法两种。硬件冗余方法是通过对系统重要部件及易发生故障部件进行备份, 以提高系统的容错性能。冗余是容错控制的基础, 一旦某个部件出现问题, 则可以利用冗余关系, 用其他部件代替故障部件, 以消除故障。解析冗余方法主要是通过设计控制器的软件来提高整个系统的冗余度, 进而改善整个系统的容错性能。

3.总线技术

目前存在着多种汽车总线标准, 一些高速实时传输特性的总线标准和协议将得到应用。这一类总线标准主要有时间触发协议 (TTP) 、Byteflight和Flex Ray。T T P是一个应用于分布式实时控制系统的完整通信协议, 能够支持多种容错策略, 具有节点恢复和再整合功能;BMW公司的Byteflight可用于汽车线控系统的网络通信, 其特点是既能满足某些高优先级消息需要时间触发, 以保证确定延迟的要求, 又能满足某些消息需要事件触发, 需要中断处理的要求;Flex Ray是一种高速度、双信道、时间触发容错协议。Flex Ray通过在确定的时间槽中传递信息, 以及在两个通道上的故障容错和冗余信息的传送, 满足了故障容错与时间确定性的需求。

4.电源技术

要保证整个系统的稳定工作, 电源的性能至关重要。随着电子元件及其高功耗零部件的不断增加, 使得汽车的电负荷成倍增加。比如S B W系统中动力电源承担着电子控制单元、四个电动机的供电 (冗余路感电动机和冗余转向执行电动机) , 路感电动机功率大约50~80W, 转向执行电动机功率大约500~800W, 电源负荷相当重, 若继续维持12V供电系统, 就必须通过提高电流来获得更多的功率, 而高电流会大大增加汽车电路上的热能消耗, 给整个系统带来安全隐患, 所以汽车供电系统必须提高电压以满足现代汽车电气系统负荷日益增长的需要。42V电源的采用为线控技术的发展提供了条件。

线控转向系统国内外研究现状

汽车线控转向概念的提出最早可以追溯到20世纪50年代。60年代末, 德国的Kasselmann等设计了电子主动转向系统, 这便是早期的SBW系统。1990年德国奔驰公司率先开始了前轮SBW系统的研究, 并将它应用于概念车F400Carving上。随后世界各大汽车厂商和研发机构包括美国的TRW、德尔福、戴姆勒-克莱斯勒、宝马、Z F, 以及日本的光洋K O Y O、本田汽车公司等都对汽车线控转向系统做了深入研究。

1998年, ZF公司在开发出电动助力转向系统之后, 又积极开发研究了自己的线控转向系统, 目前已经研发出整套的SBW系统。2001年, 意大利的Berstone汽车设计及开发公司在第71届日内瓦国际汽车展览会上展示了新型概念车“F I L O”, 其整体驱动均采用了线控的思想, 转向、加速、制动、换挡、离合都是由线控系统控制完成。

2002年, 通用公司在巴黎车展上展示了世界上第一辆可驾驶的燃料电池线控HY Wire概念车。它取消了仪表盘、转向盘以及制动踏板, 而以“X-Drive”设备代替。摆动设备上的手柄即可实现加减速, 按下制动促动器即可制动。

2003年, 日本丰田公司在纽约国际车展上推出了采用线控转向系统的Lexus HPX概念车, 该车仪表盘集成了各种控制功能, 实现了车辆的自动控制。

此外如雪铁龙、本田等公司, 也都开发了匹配有SBW系统的概念车。

国内SBW系统的研究起步较晚, 对线控转向系统的研究还仅限于高校的研究, 主要集中于理论建模与分析以及试验平台的开发设计。

(1) 2004年同济大学在工博会上展出的“春晖三号”电动车采用了线控转向技术, 其转向器与转向盘间实现了无机械连接。

(2) 北京工业大学的朱亮等基于A T91 R M9200芯片与F1e x R a y总线技术设计了S B W系统E C U, 为S B W系统的控制策略研究提供了硬件环境。

(3) 吉林大学的刘冰研究了线控转向系统硬件试验台的整体方案、结构组成及工作原理, 并对线控转向加载试验台及路感模拟与回正试验台进行了软、硬件研究。

(4) 山东交通学院的邱绪云等通过分析转向系统的力学特性, 建立了SBW系统动力学模型, 并对路感模拟控制策略进行了研究, 为SBW系统的实际研发提供了理论基础。

与国外相比, 除了在低速特种车上已有应用外, 国内整车厂还没有生产出匹配有SBW系统的样车。目前, 国内一些自主品牌汽车厂家如华晨、长安和奇瑞等已经开展了对SBW系统的前期研究, 预计近几年将推出匹配有SBW系统的概念样车。

结语

线控转向系统代表了汽车转向系统的发展方向, 具有广阔的发展前景。但仍有许多问题亟待解决, 如系统的安全性、可靠性、控制策略的可行性、动力电源的高效性以及传感器的精度等。同时, 建立较为完备的测试和评价体系, 是使其符合汽车法规标准的前提。

汽车底盘集成控制是未来电控系统的发展趋势, 将S B W系统与主动制动系统、牵引力控制系统 (T C S) 、四轮转向系统 (4W S) 、制动防抱死系统 (A B S) 等进行协调控制, 是今后研究的一大热点。随着汽车电子产品的认证技术手段的完善, 汽车开发的节能、环保和安全要求日益强烈, 线控转向系统必将得到越来越广泛的应用。

篇4：汽车线控转向系统论文

摘要：针对线控转向汽车在紧急转向时，按理想转向传动比控制得到的横摆角速度动态响应慢、超调量大、稳定时间长的问题，提出了一种基于驾驶员转向意图辨识的横摆角速度反馈控制方法.该方法在正常转向时，车辆按照理想转向传动比控制；在紧急转向时，在理想转向传动比控制基础上，叠加横摆角速度反馈控制.车辆紧急转向引入驾驶员转向意图辨识环节，以判定何时叠加横摆角速度反馈控制.转向意图辨识利用多维高斯隐马尔可夫模型建模，通过离线训练参数、在线辨识识别的方式实现.实验验证结果表明：该方法能够有效降低线控汽车瞬态转向响应的超调量、减少稳定时间.

关键词：汽车；线控转向；意图辨识；隐马尔可夫模型；反馈控制

中图分类号：U463.4 文献标识码：A

线控转向系统由于取消了转向盘与转向器的机械连接并通过电子控制单元控制转向，使得转向传动比的设计自由度变大，能够实现保证汽车稳态增益不变的理想转向传动比，让汽车驾驶适合于更多的人群，特别是让更多的非职业驾驶员容易掌握汽车动力学特性[1].但是，驾驶员在紧急转向时，按照理想转向传动比得到的横摆角速度动态响应无论在响应速度、超调量，还是稳定时间上都不是理想的，通过加入横摆角速度反馈控制则可以降低超调量、缩短稳定时间.横摆角速度反馈控制仅在紧急转向工况下进行叠加，因此，需引入驾驶员转向意图辨识环节，以此判定何时进行横摆角速度反馈控制.

驾驶员转向意图辨识本质上是一个模式识别过程，在此领域主要使用的模式识别方法有模糊模式识别、神经网络模式识别和统计模式识别等.其中，神经网络模式识别方法中神经网络的设计和实现没有理论依据可以借鉴，只能依赖于经验[2].结构模式识别方法适合结构性强的模式识别，其抗噪声能力差，计算复杂度高[3].统计模式识别有很多具体的方法，进入21世纪以来，Bayes决策理论越来越多地用来解决具体的模式识别问题，并产生了优异的分类性能[4].基于Bayes决策理论的隐式马尔可夫模型（Hidden Markov Model，简称HMM），由于具有处理时间序列数据的特性，近年来广泛应用于语音识别和驾驶员行为辨识领域中.以HMM为基础的模式识别方法随着样本的增加，模型会变得越来越好.

鉴于转向驾驶行为的强时间序列性，本文以HMM为基础理论，搭建多维高斯HMM模型，对模型中的参数进行训练，辨识驾驶员的转向意图，并根据辨识出的转向意图，对车辆进行不同模式的控制：在正常转向时，车辆按照理想转向传动比控制；在紧急转向时，在理想转向传动比控制基础上叠加横摆角速度反馈控制.

1驾驶员转向意图辨识方法

1.1隐式马尔科夫模型

隐式马尔科夫包含双重的随机过程，分别是Markov链和一般的随机过程.在HMM里，状态是不能直接看到的，观察者只能看到基于状态产生的模型输出（观察序列）.每一个状态与其可能的观察值之间的关系通过一般的随机过程描述；状态间的转移通过Markov链来描述.应用这两个随机过程，能透过HMM产生的观察序列，得到状态时间序列和模型的相关信息.

1.2多维高斯HMM建模及模型参数的训练方法

鉴于HMM的处理时序序列的能力和强的统计学基础，本文借助吉林大学的驾驶模拟器采集转向盘转角和转向盘角速度的数据，对数据预处理后，用BaumWelch算法对紧急转向、正常转向和直线行驶三个转向驾驶行为HMM模型的参数进行优化.然后借助于NI公司的LabVIEW和驾驶模拟器对转向驾驶行为进行实时的验证.整个过程如图1所示.

模型采集的数据都是连续的，为了防止信号量子化造成的信号失真，本文应用多维高斯HMM理论来搭建驾驶员转向行为模型：直线行驶、正常转向及紧急转向.这些驾驶员转向行为对应的多维高斯HMM模型的模型结构如图2所示.

训练数据的采集借助于驾驶模拟器，选定正常转向、紧急转向和直线行驶三个工况，其中正常转向和直线行驶是在驾驶模拟器的一般道路试验场景里完成的，紧急转向是借助于双移线场景完成的.不同年龄的专业驾驶员对应每个工况的多次试验数据构成了整个训练数据集.

对数据集的数据进行滤波处理，将滤波后的数据按辨识长度进行截断、剔除异常数据段之后，借助于Kmeans算法确定驾驶员意识上的直线行驶、正常转向和紧急转向的界限值，根据这个界限值对截断后的数据段进行分类，以得到驾驶员直线行驶、正常转向及紧急转向驾驶行为模型的训练数据.编写MATLAB程序，结合HMM工具箱里的BaumWelch算法，训练得出多维高斯HMM模型参数.

2线控汽车紧急转向控制方法

车辆紧急转向时，转向盘输入的速度较大，车辆瞬态转向特性表现较为明显.为了弥补车辆设计时的瞬态转向响应品质的不足，在车辆理想转向传动比控制的基础上，加入横摆角速度反馈叠加转角控制.系统的控制结构如图3所示，转向执行器的目标控制转角δd由δ1和δ2两部分组成.其中，δ1是根据理想转向传动比计算得出的，理想传动比1/G由转向盘转角δsw和纵向车速Vx确定[8].δ2是横摆角速度反馈控制叠加转角.当辨识驾驶员为正常转向时，横摆角速度叠加转角为0；当辨识驾驶员为紧急转向时，横摆角速度叠加转角由期望横摆角速度和实际横摆角速度的偏差经过PID调节得到.

从控制结构上看，理想传动比是内环控制，它能有效地进行车辆稳定性转向控制；横摆角速度反馈是外环控制，只在特定工况下进行.采用理想传动比控制，可以保证汽车的转向控制算法在全工况内都切实有效.由于实际转向工况复杂，不全是稳态转向，而驾驶员在紧急转向时接近阶跃转向，此时按照理想传动比计算的转向输入横摆角速度动态响应无论从响应速度、超调量，还是稳定时间上都不是理想的，若通过叠加横摆角速度反馈控制，则可提高车辆的瞬态转向品质.

2.1理想转向传动比设计

线控转向系统转向传动比控制策略设计结合了理想转向传动比和模糊控制转向传动比各自的优点[9].当汽车低速和高速行驶时采用模糊控制转向传动比，满足驾驶员低速转向灵敏性和高速转向平稳性的要求.汽车中速行驶时，采用理想转向传动比，保证汽车横摆角速度增益不变，降低驾驶难度和负担，使驾驶员更容易掌握汽车动力学特性.因此，线控转向系统转向传动比具体设计如下：1） 当车速0～20 km/h时，转向传动比保持为固定值6；2） 车速在20～30 km/h时，转向传动比从6平稳过渡到理想转向传动比；3） 考虑基于模糊控制的车速在90 km/h时，模糊控制转向传动比与理想转向传动比较接近，均为18左右.因此，选择车速在30～90 km/h时，采用理想转向传动比；车速为90～95 km/h时采用数据拟合的方法实现传动比向模糊控制转向传动比平滑过渡；车速大于95 km/h时，采用模糊控制转向传动比.具体的转向变传动比如图4所示.

3实验结果分析

为验证线控转向汽车紧急转向时，叠加横摆角速度反馈控制的有效性，对比了有反馈控制和无反馈控制的实验结果.受实验设备及条件的限制，实验台实验无法给出相同的两次紧急转向输入，因此，先进行了转向盘角阶跃输入工况的软件仿真验证.仿真时，车辆以80 km/h的速度行驶，施加如图5所示的转向盘转角，图6为相应的车速变化曲线.

从图7与图8的仿真结果可以看出，仅有理想传动比控制的车辆在转向盘阶跃转向1.2 rad时，侧向加速度约有0.35 rad/s的超调量，横摆角速度约有0.38 rad/s的超调量，超调量数值均较大.在添加横摆角速度反馈控制后，侧向加速度的超调量降低了约0.32 rad/s的超调量，横摆角速度的超调量降低了约0.35 rad/s的超调量.不仅如此，在叠加反馈控制前，汽车瞬态转向的稳定时间约为1 s，而在叠加反馈控制后，这个时间缩短为0.4 s左右.由此可见，叠加反馈控制能保证车辆良好的瞬态转向特性.

在进行软件仿真后，又在线控转向系统硬件在环实验台上进行了验证.实验选取了两次基本相同的工况来比较验证叠加横摆角速度反馈的必要性.图9给出了图11的驾驶员转向行为辨识结果，在角阶跃转向开始阶段准确辨识出驾驶员的紧急转向行为.其中，右侧轴线中的0表示直线行驶，1表示正常转向，2表示紧急转向.在辨识驾驶员紧急转向行为后，叠加横摆角速度反馈控制，降低阶跃转向时的横摆角速度超调量.车速变化如图10所示，两次转向盘转角输入分别如图11与图12所示.由于设计的叠加横摆角速度控制是依据驾驶员转向行为辨识结果决定的，所以在整个转向过程中，先在6～16 s阶段采用转向盘转角连续正弦输入模拟正常的转向操作，再在16 s～25 s采用转向盘转角阶跃输入模拟紧急转向工况.从图13与图14的实验结果可以看出，仅理想传动比的横摆角速度的超调量约为0.3 rad/s，而带反馈控制的横摆角速度曲线基本消除了此超调量.汽车瞬态转向的稳定时间也缩短约0.5 s.

4 结语

本文以HMM为基础理论，搭建多维高斯HMM模型，利用吉林大学驾驶模拟器对模型中的参数进行离线训练，达到在线辨识驾驶员转向意图的目的.根据辨识出的驾驶员转向意图，对车辆进行不同模式的控制：在正常转向时，车辆按照理想转向传动比控制；在紧急转向时，在理想转向传动比控制基础上叠加横摆角速度反馈控制.实验结果表明：驾驶员转向意图辨识结果准确，紧急转向时叠加的横摆角速度反馈控制能够有效降低线控汽车瞬态转向响应的超调量、减少稳定时间.

参考文献

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[2]耿冠宏，孙伟，罗培.神经网络模式识别[J].软件导刊，2008，7（10）：81-83.

[3]杨合超，宋海歌，周雪梅.模式识别的主要方法及其应用[J].电脑知识与技术，2008，S2：156-157.

[4]卢力，田金文，柳健.统计模式识别研究进展[J].军民两用技术与产品，2003，11：39-42.

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[6]VASEGHI S V.State duration modeling in hidden Markov models[J].Signal Processing， 1995， 41（1）： 31-41.

[7]宗长富，王畅，何磊，等.基于双层隐式马尔科夫模型的驾驶意图辨识[J].汽车工程，2011，33（8）：701-706.

[8]何磊.基于FlexRay总线的线控转向系统双电机控制方法研究[D].长春：吉林大学汽车工程学院，2011.

[9]郑宏宇.汽车线控转向路感模拟与主动转向控制策略研究[D].长春：吉林大学汽车工程学院，2009.

3实验结果分析

为验证线控转向汽车紧急转向时，叠加横摆角速度反馈控制的有效性，对比了有反馈控制和无反馈控制的实验结果.受实验设备及条件的限制，实验台实验无法给出相同的两次紧急转向输入，因此，先进行了转向盘角阶跃输入工况的软件仿真验证.仿真时，车辆以80 km/h的速度行驶，施加如图5所示的转向盘转角，图6为相应的车速变化曲线.

从图7与图8的仿真结果可以看出，仅有理想传动比控制的车辆在转向盘阶跃转向1.2 rad时，侧向加速度约有0.35 rad/s的超调量，横摆角速度约有0.38 rad/s的超调量，超调量数值均较大.在添加横摆角速度反馈控制后，侧向加速度的超调量降低了约0.32 rad/s的超调量，横摆角速度的超调量降低了约0.35 rad/s的超调量.不仅如此，在叠加反馈控制前，汽车瞬态转向的稳定时间约为1 s，而在叠加反馈控制后，这个时间缩短为0.4 s左右.由此可见，叠加反馈控制能保证车辆良好的瞬态转向特性.

在进行软件仿真后，又在线控转向系统硬件在环实验台上进行了验证.实验选取了两次基本相同的工况来比较验证叠加横摆角速度反馈的必要性.图9给出了图11的驾驶员转向行为辨识结果，在角阶跃转向开始阶段准确辨识出驾驶员的紧急转向行为.其中，右侧轴线中的0表示直线行驶，1表示正常转向，2表示紧急转向.在辨识驾驶员紧急转向行为后，叠加横摆角速度反馈控制，降低阶跃转向时的横摆角速度超调量.车速变化如图10所示，两次转向盘转角输入分别如图11与图12所示.由于设计的叠加横摆角速度控制是依据驾驶员转向行为辨识结果决定的，所以在整个转向过程中，先在6～16 s阶段采用转向盘转角连续正弦输入模拟正常的转向操作，再在16 s～25 s采用转向盘转角阶跃输入模拟紧急转向工况.从图13与图14的实验结果可以看出，仅理想传动比的横摆角速度的超调量约为0.3 rad/s，而带反馈控制的横摆角速度曲线基本消除了此超调量.汽车瞬态转向的稳定时间也缩短约0.5 s.

4 结语

本文以HMM为基础理论，搭建多维高斯HMM模型，利用吉林大学驾驶模拟器对模型中的参数进行离线训练，达到在线辨识驾驶员转向意图的目的.根据辨识出的驾驶员转向意图，对车辆进行不同模式的控制：在正常转向时，车辆按照理想转向传动比控制；在紧急转向时，在理想转向传动比控制基础上叠加横摆角速度反馈控制.实验结果表明：驾驶员转向意图辨识结果准确，紧急转向时叠加的横摆角速度反馈控制能够有效降低线控汽车瞬态转向响应的超调量、减少稳定时间.

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[9]郑宏宇.汽车线控转向路感模拟与主动转向控制策略研究[D].长春：吉林大学汽车工程学院，2009.

3实验结果分析

为验证线控转向汽车紧急转向时，叠加横摆角速度反馈控制的有效性，对比了有反馈控制和无反馈控制的实验结果.受实验设备及条件的限制，实验台实验无法给出相同的两次紧急转向输入，因此，先进行了转向盘角阶跃输入工况的软件仿真验证.仿真时，车辆以80 km/h的速度行驶，施加如图5所示的转向盘转角，图6为相应的车速变化曲线.

从图7与图8的仿真结果可以看出，仅有理想传动比控制的车辆在转向盘阶跃转向1.2 rad时，侧向加速度约有0.35 rad/s的超调量，横摆角速度约有0.38 rad/s的超调量，超调量数值均较大.在添加横摆角速度反馈控制后，侧向加速度的超调量降低了约0.32 rad/s的超调量，横摆角速度的超调量降低了约0.35 rad/s的超调量.不仅如此，在叠加反馈控制前，汽车瞬态转向的稳定时间约为1 s，而在叠加反馈控制后，这个时间缩短为0.4 s左右.由此可见，叠加反馈控制能保证车辆良好的瞬态转向特性.

在进行软件仿真后，又在线控转向系统硬件在环实验台上进行了验证.实验选取了两次基本相同的工况来比较验证叠加横摆角速度反馈的必要性.图9给出了图11的驾驶员转向行为辨识结果，在角阶跃转向开始阶段准确辨识出驾驶员的紧急转向行为.其中，右侧轴线中的0表示直线行驶，1表示正常转向，2表示紧急转向.在辨识驾驶员紧急转向行为后，叠加横摆角速度反馈控制，降低阶跃转向时的横摆角速度超调量.车速变化如图10所示，两次转向盘转角输入分别如图11与图12所示.由于设计的叠加横摆角速度控制是依据驾驶员转向行为辨识结果决定的，所以在整个转向过程中，先在6～16 s阶段采用转向盘转角连续正弦输入模拟正常的转向操作，再在16 s～25 s采用转向盘转角阶跃输入模拟紧急转向工况.从图13与图14的实验结果可以看出，仅理想传动比的横摆角速度的超调量约为0.3 rad/s，而带反馈控制的横摆角速度曲线基本消除了此超调量.汽车瞬态转向的稳定时间也缩短约0.5 s.

4 结语

本文以HMM为基础理论，搭建多维高斯HMM模型，利用吉林大学驾驶模拟器对模型中的参数进行离线训练，达到在线辨识驾驶员转向意图的目的.根据辨识出的驾驶员转向意图，对车辆进行不同模式的控制：在正常转向时，车辆按照理想转向传动比控制；在紧急转向时，在理想转向传动比控制基础上叠加横摆角速度反馈控制.实验结果表明：驾驶员转向意图辨识结果准确，紧急转向时叠加的横摆角速度反馈控制能够有效降低线控汽车瞬态转向响应的超调量、减少稳定时间.

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篇5：汽车线控转向系统分析

转向系统是与汽车主动安全性能相关的重要系统, 其操纵稳定性好坏对汽车性能影响很大。操纵性是汽车准确的按照驾驶员意图行驶;稳定性是汽车在危险工况 (侧滑或横摆) 下汽车仍稳定行驶。

为提高操纵稳定性, 出现了ESP (电子稳定程序) 、主动转向、4WS (4轮转向) 等。ESP判断产生不足转向或过度转向时相应在后轮、前轮产生制动力, 产生横摆力矩即纠偏力矩。主动前轮转向 (AFS-Active front steering) 通过电机根据车速和行驶工况改变转向传动比。低、中速时, 转向传动比较小, 转向直接, 以减少转向盘的转动圈数, 提高转向的灵敏性和操纵性;高速时, 转向传动比较大, 提高车辆的稳定性和安全性。同时, 系统中的机械连接使得驾驶员直接感受到真实的路面反馈信息。四轮转向的后轮也参与转向。低速时, 后轮与前轮反向转向, 减小转弯半径, 提高机动灵活性。高速时, 后轮与前轮同向转向, 提高汽车的稳定性。其控制目标是质心侧偏角为零。

然而这些汽车转向系统却处于机械传动阶段, 由于其转向传动比固定, 汽车的转向响应特性随车速而变化。因此驾驶员就必须提前针对汽车转向特性的幅值和相位变化进行一定的操作补偿, 从而控制汽车按其意愿行驶。如果能够将驾驶员的转向操作与转向车轮之间通过信号及控制器连接起来, 驾驶员的转向操作仅仅是向车辆输入自己的驾驶指令, 由控制器根据驾驶员指令、当前车辆状态和路面状况确定合理的前轮转角, 从而实现转向系统的智能控制, 必将对车辆操纵稳定性带来很大的提高, 降低驾驶员的操纵负担, 改善人一车闭环系统性能。因而线控转向系统 (Steering-By-Wire System, 简称SBW) 应运而生。SBW是X-By-Wire的一种。X—By—W的全称是“没有机械和液力后备系统的安全相关的容错系统”。“x”表示任何与安全相关的操作, 包括转向、制动等等。“By—Wire”表示X—By—w ire是一个电子系统。

在X—By—Wire系统中, 所有元件的控制和通讯都通过电子来实现。x—By—Wire系统是没有机械和液力后备系统的, 传统的机械和液力系统由于结构的原因 (间隙、运动惯量等) , 从控制指令发出到指令执行会有一定的延迟, 这在极限情况下是不能允许的。X—By—Wire系统用电来控制会大大地减小延迟, 为危险情况下的紧急处理赢得了宝贵的时间。

1 线控转向系统的结构及性能特点

1.1 线控转向系统的结构

线控转向系统由方向盘总成、转向执行总成和主控制器 (ECU) 以及自动防故障系统、电源等辅助系统组成, 方向盘总成包括:方向盘、方向盘转角传感器、力矩传感器、方向盘回正力矩电机。方向盘总成的主要功能是将驾驶员的转向意图 (通过测量方向盘转角) 转换成数字信号, 并传递给主控制器;同时接受主控制器送来的力矩信号, 产生方向盘回正力矩, 以提供给驾驶员相应的路感信息。转向执行总成包括前轮转角传感器、转向执行电机、转向电机控制器和前轮转向组件等组成。转向执行总成的功能是接受主控制器的命令, 通过转向电机控制器控制转向车轮转动, 实现驾驶员的转向意图。

主控制器对采集的信号进行分析处理, 判别汽车的运动状态, 向方向盘回正力电机和转向电机发送指令, 控制两个电机的工作, 保证各种工况下都具有理想的车辆响应, 以减少驾驶员对汽车转向特性随车速变化的补偿任务, 减轻驾驶员负担。同时控制器还可以对驾驶员的操作指令进行识别, 判定在当前状态下驾驶员的转向操作是否合理。当汽车处于非稳定状态或驾驶员发出错误指令时, 线控转向系统会将驾驶员错误的转向操作屏蔽, 而自动进行稳定控制, 使汽车尽快地恢复到稳定状态。自动防故障系统是线控转向系的重要模块, 它包括一系列的监控和实施算法, 针对不同的故障形式和故障等级做出相应的处理, 以求最大限度地保持汽车的正常行驶。故障的自动检测和自动处理是线控转向系统最重要的组成系统之一, 采用严密的故障检测和处理逻辑, 以更大地提高汽车安全性能。电源系统承担着控制器、两个执行马达以及其它车用电器的供电任务, 其中仅前轮转角执行马达的最大功率就有500—800W, 加上汽车上的其它电子设备, 电源的负担已经相当沉重。所以要保证电网在大负荷下稳定工作, 线控转向系统广泛采用了42V电源。

1.2 线控转向系统的性能特点

1.2.1 取消了方向盘和转向车轮之间的机械连接, 通过软件协调它们之间的运动关系, 因而取消了它们之间的机械约束和干涉, 使之可以相对独立运动, 因而可以实现传动比的任意设置, 可以根据车速和驾驶员喜好由程序根据汽车的行驶工况实时设置传动比。同时还可以从信号中提出最能够反映汽车行驶状态的信息, 作为方向盘回正力矩的控制变量, 使方向盘仅仅提供驾驶员有用信息, 以减轻驾驶员的体力脑力负荷, 提高“人一车闭环系统”对道路的跟踪特性。同时由于减少了机构部件数量, 而减少了从执行机构到转向车轮之间的传递过程, 使系统惯性、系统摩擦和传动部件之间的总间隙都得以降低, 从而使系统的响应速度和响应的准确性得以提高。

1.2.2 线控转向系统采用了软件控制, 因而可以把转向系统与其它主动安全设备如ABS、汽车动力学控制、防碰撞、轨道跟踪、自动导航以及自动驾驶等功能相结合, 实现对汽车的整体控制, 提高汽车整体稳定性, 且实现了ITS中的汽车辅助转向功能。

1.2.3 线控转向系统在实现上述操作性能上的突破的同时也带来了可观的经济性和环境效益。

1.2.4 线控转向系统是通过一个通用的执行器来调整转向的。要对汽车转向的动力性进行调整, 必须使用一个转角传感器, 这并不影响方向盘对车轮的快速调整。另一方面, 一个力矩传感器也是必须的, 它将对汽车转向的调整和自动驾驶起重要作用。因此, 驾驶员通过提供到方向盘的力矩知道正确的方向, 并通过进一步的引导控制系统来进行评估。

1.2.5 与“电子驾驶”和“电子停车”一起, 它提供了把它们实际化的条件, 并且把动力性和汽车控制统一到一个系统中。

1.2.6 对汽车生产商的好处。传统转向系中转向柱安装要求提供足够的空间 (左手或右手驾驶) , 而线控转向严格地控制了转向柱在发动机间隔内的自由度, 表明了机械式的转向柱没有很好地利用发动机的空间。

2 线控转向系统的关键技术

虚拟现实技术、人工神经网络、模糊控制等新思想、新技术的提出, 为研究者站在一个新的高度研究汽车操纵稳定性提供了可能, 汽车操纵稳定性的研究从单一的汽车本身的特性研究到汽车一驾驶员一环境闭环系统的研究, 人工神经网络、模糊控制理论和模糊神经等新思想、新理论也应用到汽车操纵稳定性的研究中, 在研究方法上采用虚拟试验技术。线控转向可以利用这些成果研究。

2 个自由度的整车动力学模型称为经典模型。这2个自由度为质心侧偏角和横摆角速度。其中质心侧偏角表示汽车方向特性。横摆角速度与侧向加速度在描述侧向动力学特性有同等作用, 可选其一作系统变量。车辆稳定性控制过程中, 采用横摆角速度和估计的质心侧偏角共同对车辆进行控制, 利用质心侧偏角的控制补偿单一横摆角速度控制所引起的行驶跟踪误差。实际行驶过程中, 车辆会受到系统内部和外界的干扰, 车辆参数产生波动;同时系统中还存在非线性摩擦、传感器噪声以及负载扰动等不确定因素的干扰。为较好地实现对目标车辆运动状态轨迹的跟踪控制, 将鲁棒控制理论引入汽车转向的控制。也可借助advisor、vedyna的整车模型进行仿真研究。

3 总结

当代汽车发展的趋势是安全、节能、环保。汽车转向系统是必不可少的最基本的系统之一也是决定汽车主动安全性的关键总成, 转向的好坏直接影响汽车行驶方向。由于科技的不断发展, 转向系统由传统机械转向到现在的电子助力转向, 轻便又安全。现在最新的技术汽车线控转向系统的设计以减轻驾驶员的体力和脑力劳动、提高整车主动安全性为根本出发点, 使汽车性能适合于更多非职业驾驶员的要求, 对广大消费者有着巨大的吸引力。

参考文献

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篇6：汽车线控转向系统论文

关键词：汽车线控制动系统；安全控制；技术分析

中图分类号： U462 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）26-158-2

0 引言

制动系统是汽车的重要组成部分，制动系统主要分为行车制动系统、驻车制动系统和应急制动系统，这些制动系统的构成对汽车的安全使用起到至关重要的作用。随着主动系统功能的不断进步，在生产中如何进一步促进汽车线控制动系统的安全性，是需要关注的问题。

1 汽车线控制系统概述

汽车线控制系统最早出现在上世纪末，该技术将汽车电子技术和网络通信技术结合，提升了汽车的自动化水平，促进汽车技术的进一步发展。在汽车线控制系统中，主要包括EHB系统、EMB系统等。

1.1 EHB系统

该系统又称为电压制动系统，这些系统主要是对传统制动系统的提升，将电子控制系统应用其中，提升液压控制系统的结构和效果。在进行使用过程中可以将踏板传感器和电子控制器进行使用，踏板传感器进行控制信号的传输，并在信号传输过程中进行EUC的计算，对制动大小进行控制，从而保证制动质量。该系统在工作过程中相对安全可靠，噪音污染较少，系统元件在布置过程中技术较为简单，可以节省汽车设计空间，进一步促进汽车结构的合理安排。但是该系统在运行过程中存在一定的局限性，因为其运行需要制动液，处理不当容易造成制动液的泄漏，为汽车的使用带来安全隐患。

1.2 BBW系统

该系统带来技术领域的升级，其主要组成包括带有传感器的踏板、计算和控制踏板、电子控制单元和相应的独立制动模块。如图一所示为该系统制动示意图，在进行工作的过程中驾驶员一旦踩下制动踏板，传感器就会将制动力检测出来，并通过测算将制动力进行控制，然后通过执行装置将指令进行传达，四个相应独立的制动模块开始工作，实现整体制动。BBW系统在技术方面取得一定的提升，可以智能的对路面情况进行判断，将路况、车速等情况与驾驶员情况相结合，及时进行制动操作，防止出现更大的危害。BBW系统使得传统车辆结构得到简化，制动相应的时间明显缩小，同时制动系统相互之间不产生影响，降低了相互之间的反映时间，具有简单易操作的特征。

2 汽车线制动系统模式分析

2.1 故障分析

故障模式及其危害性是需要关注的问题直接影响汽车使用的安全性，对故障进行研究可以进一步提升故障产生原因，对其产生的影响进行分析，及时找到应对方法，进一步减少故障的发生，找到应对方法。在进行故障模式分析的过程中可以根据严重程度将故障进行分类，并根据故障产生原因在设计中进行改进，减少或者消除故障缺陷。

通过表中对故障危害等级的划分，可以按照故障发生的不同概率对设计和制造进行控制，尽量防止故障的出现。同时，需要根据原件和产品产生危害程度的不同，提出相应的质量要求，增加保护和检测报警装置，进一步保证技术的安全性。

2.2 制动失灵分析

制动失灵模式主要是指在进行制动的过程中制动系统出现没有反映或者是制动迟缓的情况，造成制动无法完成，减速失败。一般来讲出现在这种现象的原因包括制动系统内部接线失灵、踏板传感器接触不良、ECU硬件出现故障等。根据发生事故的严重程度可以进行具体划分，如表2所示：

制动失灵对汽车影响较大，因此需要结合施工故障发生的概率和情况对系统进行维修，发现不符合技术的原件进行及时的更换，避免出现严重事故。

3 汽车制动系统安全控制技术创新

3.1 车用电源系统

42V供电系统是进行系统开发的基础，BBW制动系统也需要电源，传统12V电源本身电压较小，使得驱动力存在不足，因此需要提升制动器的动力。而42V电源可以很好地解决动力不足的问题，防止紧急制动中出现电量储备不足的情况，并且将绝缘等进行良好的处理，防止因为腐蚀造成的线路接触不良，进一步提升控制动系统使用安全性。

3.2 实时容错控制系统

该系统可以有效解决BBW系统中因为地面接触碰撞造成的线路问题，防止出现线路电子信号传输失败的情况。同时，对于BBW系统中的可靠性分析和故障树分析意义重大，进一步提升数据分析的准确性，防止出现危险事故。因此实时容错系统的使用可以进一步降低BBW系统的成本和空间问题，简化设计。

3.3 高速车载协议控制系统

在汽车使用中需要关注安全性，保证数据传输的安全，需要结合高速可靠的车载网络协议。构建整体的实时控制系统，保证程序的严格管理和数据的定时刷新，维持数据的及时性。在进行车载网络协议的构建中需要进行严格的要求，满足数据传输安全性的需要同时关注数据传输的效率。

4 结束语

综上所述，汽车线控制动系统安全控制技术应用需要结合电子技术，提升系统的智能性，重视制动效果，减少布线，提升制动系统可控性，现阶段的生产来讲，利用新型设备可以进一步提升生产技术，满足人们对汽车使用安全性的要求，提升去汽车的安全性能，从而保证汽车线控制动系统的可靠性。

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