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一文讀懂自動(dòng)駕駛汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

2019-09-16 22:52:39·  來(lái)源：AI汽車人  
　
線控轉(zhuǎn)向是自動(dòng)駕駛汽車實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤與避障避險(xiǎn)必要的關(guān)鍵技術(shù)，其性能直接影響主動(dòng)安全與駕乘體驗(yàn)。在國(guó)際汽車工程師協(xié)會(huì)（Society of Automotive Engi?neers
 線控轉(zhuǎn)向是自動(dòng)駕駛汽車實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤與避障避險(xiǎn)必要的關(guān)鍵技術(shù)，其性能直接影響主動(dòng)安全與駕乘體驗(yàn)。在國(guó)際汽車工程師協(xié)會(huì)（Society of Automotive Engi?neers，SAE）發(fā)布的5級(jí)自動(dòng)駕駛體系中：
  • 第1級(jí)為駕駛輔助，要求對(duì)轉(zhuǎn)向或加、減速中單獨(dú)一項(xiàng)進(jìn)行自動(dòng)控制；
  • 第2級(jí)為部分自動(dòng)駕駛，要求對(duì)轉(zhuǎn)向和加、減速中的2項(xiàng)進(jìn)行自動(dòng)控制；
  • 第3級(jí)及以上分別為有條件自動(dòng)駕駛、高度無(wú)人駕駛和完全自動(dòng)駕駛，要求轉(zhuǎn)向逐步與其他子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高度自主協(xié)同 。
線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為自動(dòng)駕駛汽車實(shí)現(xiàn)自主轉(zhuǎn)向提供了良好的硬件基礎(chǔ)，且線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高級(jí)自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵部件之一 ，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
  • 線控轉(zhuǎn)向技術(shù)由于可實(shí)現(xiàn)駕駛員操作和車輛運(yùn)動(dòng)的解耦
  • 可提高緊急情況下轉(zhuǎn)向操作正確性和駕駛員安全性 
  • 采用電機(jī)控制直接驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向，因此更容易與車輛其他主動(dòng)安全控制子系統(tǒng)進(jìn)行通訊和集成控制。
與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不同，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了從轉(zhuǎn)向盤到轉(zhuǎn)向執(zhí)行器之間的機(jī)械連接，完全由電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，可以擺脫傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各種限制，汽車轉(zhuǎn)向的力傳遞特性和角度傳遞特性的設(shè)計(jì)空間更大，更方便與自動(dòng)駕駛其他子系統(tǒng)（如感知、動(dòng)力、底盤等）實(shí)現(xiàn)集成，在改善汽車主動(dòng)安全性能、駕駛特性、操縱性以及駕駛員路感方面具有優(yōu)勢(shì)。
 
1.線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展概況
 
線控轉(zhuǎn)向的概念起源于20世紀(jì)50年代，美國(guó)天合（TRW）公司最早提出用控制信號(hào)代替轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，之后德國(guó)Kasselmann 和Keranen設(shè)計(jì)了早期的線控轉(zhuǎn)向模型。受制于電子控制技術(shù)，直到20世紀(jì)90年代，線控轉(zhuǎn)向技術(shù)才有較大進(jìn)展，美國(guó)、歐洲、日本在線控轉(zhuǎn)向的研發(fā)與推廣方面比較活躍，一些采用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的概念車陸續(xù)展出。
2013年，英菲尼迪的“Q50”成為第1款應(yīng)用線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的量產(chǎn)車型 。該線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由路感反饋總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)和3個(gè)電控單元組成，其中雙轉(zhuǎn)向電機(jī)的電控單元互相實(shí)現(xiàn)備份，可保證系統(tǒng)的冗余性能，轉(zhuǎn)向柱與轉(zhuǎn)向機(jī)間的離合器能夠在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)接合，保證緊急工況下依然可實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛轉(zhuǎn)向的機(jī)械操縱。
 
2017年，耐世特（Nexteer）公司開發(fā)了由“靜默轉(zhuǎn)向盤系統(tǒng)”和“隨需轉(zhuǎn)向系統(tǒng)”組成的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)可隨需轉(zhuǎn)向，在自動(dòng)駕駛時(shí)轉(zhuǎn)向盤可以保持靜止，并可收縮至組合儀表上，從而提供更大的車內(nèi)空間。
 
2.線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成與布置方式
 
2.1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成
線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最顯著的特征為去掉了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中從轉(zhuǎn)向盤到轉(zhuǎn)向執(zhí)行器間的機(jī)械連接，由路感反饋總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成、控制器以及相關(guān)傳感器組成。
 
路感反饋總成主要包括轉(zhuǎn)向盤、路感電機(jī)、減速器和扭矩轉(zhuǎn)角傳感器，功能是驅(qū)動(dòng)路感電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制器給出的反饋力矩指令，對(duì)駕駛員施加合適的路感 。
 
轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成主要由轉(zhuǎn)向電機(jī)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向拉桿等部件組成，轉(zhuǎn)向電機(jī)一般為永磁同步直流電機(jī)，轉(zhuǎn)向器多為齒輪齒條結(jié)構(gòu)或者循環(huán)球式結(jié)構(gòu)。該部分工作原理為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)快速、準(zhǔn)確地執(zhí)行控制器給出的轉(zhuǎn)向角指令，實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向功能。
 
線控轉(zhuǎn)向控制器的功能包括路感反饋控制策略和線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行控制策略。路感反饋控制策略根據(jù)駕駛意圖、車輛狀況與路況，過濾不必要的振動(dòng)，實(shí)時(shí)輸出路感反饋力矩指令。線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行控制策略依據(jù)車輛運(yùn)動(dòng)控制準(zhǔn)則，提供良好的操縱穩(wěn)定性，實(shí)時(shí)輸出車輪轉(zhuǎn)向角指令?？紤]到可靠性，保證車輛在任何工況下均不失去轉(zhuǎn)向能力，線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行控制的冗余防錯(cuò)功能至關(guān)重要。
 
2.2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的典型布置方式
根據(jù)轉(zhuǎn)向電機(jī)的數(shù)量、布置位置與控制方式不同，目前線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的典型布置方式可分為5類
  • 單電機(jī)前輪轉(zhuǎn)向
  • 雙電機(jī)前輪轉(zhuǎn)向
  • 雙電機(jī)獨(dú)立前輪轉(zhuǎn)向
  • 后輪線控轉(zhuǎn)向
  • 四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向
每種布置方式的代表樣機(jī)與優(yōu)缺點(diǎn)下圖所示。
3.路感反饋控制策略
 
路感反饋力矩估計(jì)一般有3種方法。
 
第1種為傳感器測(cè)量方法，由于齒條處力矩包含有輪胎力和回正力矩等信息，故測(cè)量數(shù)據(jù)需經(jīng)濾波才能作為反饋力矩；
第2種為參數(shù)擬合方法，將反饋力矩設(shè)計(jì)成與其相關(guān)因素的函數(shù)形式；
第3種是基于動(dòng)力學(xué)模型的方法，依據(jù)車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)、駕駛員轉(zhuǎn)向盤輸入等狀態(tài)，利用車輛動(dòng)力學(xué)模型估算輪胎回正力矩和需要補(bǔ)償?shù)姆答伭兀M(jìn)而計(jì)算期望的反饋力矩指令。
第3種基于動(dòng)力學(xué)模型的方法對(duì)車輛狀態(tài)、駕駛風(fēng)格具有自適應(yīng)能力，是目前研究的主流，典型的基于動(dòng)力學(xué)模型的路感反饋控制思路如下圖所示。
按照模塊的功能，可以將路感反饋控制策略分為2個(gè)層次，上層控制策略計(jì)算期望的路感反饋力矩，下層控制策略準(zhǔn)確、快速執(zhí)行該反饋力矩。主要控制方法與特點(diǎn)總結(jié)如下。
線控轉(zhuǎn)向路感反饋控制面臨的挑戰(zhàn)：
  1.  復(fù)雜路況下路感力矩與人因工程的協(xié)調(diào)。
  2. 路感反饋的評(píng)價(jià)很大程度上依賴于駕駛員主觀評(píng)價(jià)，由于路面信息復(fù)雜多變、駕駛員對(duì)相同路面反饋要求不一，因此復(fù)雜路況下符合不同駕駛風(fēng)格的路感反饋控制是一個(gè)難題。
  3. 位移、力矩聯(lián)合伺服控制的精度。
  4. 路感反饋力矩的大小直接影響駕駛員對(duì)路感反饋的評(píng)價(jià)，一般路感電機(jī)的控制以力矩控制為主、轉(zhuǎn)角控制為輔，而在準(zhǔn)確的位置輸出期望的反饋力矩，當(dāng)外部干擾變化劇烈、部件老化時(shí)確?？刂破焚|(zhì)也是一個(gè)難題。
  5.  隨著自動(dòng)駕駛的發(fā)展，在未來(lái)第5級(jí)全自動(dòng)駕駛車上，車輛可完全交由控制器操縱，法規(guī)可能允許駕駛員不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)向操控，路感反饋的功能和性能要求可能需要重新定義。
4.線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行控制策略
 
線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行控制根據(jù)當(dāng)前路況、車輛行駛狀態(tài)及性能要求，提出控制目標(biāo)（如目標(biāo)路徑、期望的車輛運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、駕乘舒適性等）和約束條件，并對(duì)難以直接測(cè)量的狀態(tài)或參數(shù)進(jìn)行狀態(tài)觀測(cè)和參數(shù)辨識(shí)，綜合控制目標(biāo)和約束條件等信息計(jì)算出期望的車輪轉(zhuǎn)角指令，由轉(zhuǎn)向電機(jī)執(zhí)行。典型的控制框圖如下圖所示。
根據(jù)模塊的功能，可以將線控轉(zhuǎn)向控制執(zhí)行分為2個(gè)層次：上層控制策略進(jìn)行車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制，主要有變傳動(dòng)比控制和車輛穩(wěn)定性控制2種方法，以計(jì)算期望的車輪轉(zhuǎn)角；下層控制策略準(zhǔn)確、快速地實(shí)現(xiàn)該車輪轉(zhuǎn)角。主要控制方法與特點(diǎn)總結(jié)如表。
考慮到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車安全的關(guān)鍵部件，冗余與容錯(cuò)設(shè)計(jì)在前述的布置方式中已作為一個(gè)不可忽視的因素，它們也是線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行控制的重要主題。
5.1 車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制
以實(shí)現(xiàn)預(yù)期車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為目標(biāo)，線控轉(zhuǎn)向控制策略主要有2種思路：變傳動(dòng)比控制和車輛穩(wěn)定性控制。
  • 變傳動(dòng)比控制：變傳動(dòng)比控制的目標(biāo)為高速時(shí)轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性和低速時(shí)轉(zhuǎn)向的靈活性。一般而言，傳動(dòng)比在低速時(shí)取值較小，高速時(shí)取值較大。由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)去除了傳動(dòng)軸機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，因此傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)空間更大。
  • 車輛穩(wěn)定性控制：以車輛動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的車輛穩(wěn)定性控制已有豐富的研究成果，在線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行控制中，由于車輛行駛工況復(fù)雜、車輛參數(shù)時(shí)變、狀態(tài)動(dòng)態(tài)變化以及駕駛員風(fēng)格各異，對(duì)車輛穩(wěn)定性控制的自適應(yīng)性和魯棒性提出了較高甚至極限需求。
 
5.2 轉(zhuǎn)向執(zhí)行控制
轉(zhuǎn)向執(zhí)行器接受上層控制的指令，通過對(duì)電機(jī)或者液壓系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤控制確保車輪轉(zhuǎn)角控制的精確性。
由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在相耦合車輪轉(zhuǎn)向角控制和駕駛員手感力矩控制，為了協(xié)調(diào)這2類控制，利用了雙向控制的思想，即雙向控制路感力矩和車輪轉(zhuǎn)角。線控轉(zhuǎn)向雙向控制主要有力反饋-位置差型雙向控制和力差-位置反饋型雙向控制以及兩種綜合形式的雙向控制，可以實(shí)現(xiàn)很好的控制精度。
 
5.3 線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行容錯(cuò)控制
在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，由于電子元件失效或者控制系統(tǒng)環(huán)境發(fā)生變化（例如存在較大側(cè)向力 ）時(shí)均可能導(dǎo)致線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效，一旦發(fā)生，后果非常嚴(yán)重。為了提高線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全性，需要充分考慮轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。包括被動(dòng)容錯(cuò)，主動(dòng)容錯(cuò)等。
 
線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)被動(dòng)容錯(cuò)方案主要是指采取額外裝置，在系統(tǒng)失效時(shí)備份裝置可以保證不失去轉(zhuǎn)向能力，典型的有機(jī)械轉(zhuǎn)向軸備份和作動(dòng)器備份。英菲尼迪Q50采用安裝了離合器裝置的轉(zhuǎn)向軸備份，在線控系統(tǒng)失效時(shí)離合器接合可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，屬于典型的被動(dòng)容錯(cuò)方案。
 
由于被動(dòng)容錯(cuò)控制需要額外的機(jī)械機(jī)構(gòu)或者作動(dòng)器部件，且額外部件僅在失效時(shí)工作，因此結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，多為現(xiàn)階段線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)法規(guī)出現(xiàn)前的過渡方案，因此越來(lái)越多的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用主動(dòng)容錯(cuò)方案。
除利用狀態(tài)觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)冗余控制外，多電子元器件的主動(dòng)容錯(cuò)控制方法也越來(lái)越多，如，設(shè)計(jì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雙電機(jī)冗余控制，利用自適應(yīng)衰減卡爾曼濾波設(shè)計(jì)故障診斷系統(tǒng)，分別對(duì)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角閉環(huán)控制進(jìn)行故障檢測(cè)，雙電機(jī)分別采用轉(zhuǎn)角閉環(huán)控制和扭矩閉環(huán)控制。
 
5.4線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)面臨挑戰(zhàn)
在自動(dòng)駕駛條件下，特別是在復(fù)雜路況和行駛環(huán)境中，需要規(guī)劃出安全路徑，并且準(zhǔn)確、快速實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤，而現(xiàn)有的控制算法在環(huán)境適應(yīng)性方面尚不足，因此，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)面臨著一系列挑戰(zhàn)：
 
a. 目前已有的較成熟的轉(zhuǎn)向執(zhí)行控制策略大多僅實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力功能，不能滿足自動(dòng)駕駛環(huán)境下線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行控制的要求。特別對(duì)于復(fù)雜的路況和交通環(huán)境下，需要研發(fā)自適應(yīng)和魯棒性強(qiáng)的線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行算法。
b. 隨著自動(dòng)駕駛進(jìn)程的進(jìn)一步發(fā)展，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要與其他（感知、底盤、動(dòng)力等）自動(dòng)駕駛控制子系統(tǒng)進(jìn)行高度融合與協(xié)同，復(fù)雜度和可靠性是挑戰(zhàn)。
 
c. 在自動(dòng)駕駛由第2級(jí)發(fā)展到第4級(jí)的過程中，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需正確判別緊急狀態(tài)、準(zhǔn)確識(shí)別駕駛員意圖，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)判緊急工況、規(guī)劃道路動(dòng)態(tài)安全邊界、輔助駕駛員進(jìn)行自動(dòng)緊急轉(zhuǎn)向等駕駛行為，因此，需要解決駕駛員干預(yù)與自動(dòng)駕駛控制策略間的融合與協(xié)同問題。
 
5.總結(jié)與展望
線控轉(zhuǎn)向是自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵組成部分，隨著自動(dòng)駕駛汽車的智能化程度逐漸提高，線控轉(zhuǎn)向控制策略在環(huán)境適應(yīng)性、駕駛智能化以及可靠性方面遇到新的挑戰(zhàn)。為了滿足自動(dòng)駕駛從當(dāng)前駕駛輔助階段逐漸發(fā)展至完全自動(dòng)駕駛階段對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求，線控轉(zhuǎn)向控制策略亟待在幾方面進(jìn)行研究：
a. 復(fù)雜路況、復(fù)雜交通環(huán)境條件下線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自適應(yīng)性和魯棒性，駕駛風(fēng)格各異的人因工程協(xié)同性；
b. 極端工況下的失效模式和冗余容錯(cuò)控制策略；
c. 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)樣機(jī)的實(shí)車裝載與實(shí)車性能驗(yàn)證，為市場(chǎng)推廣與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)；
d. 考慮復(fù)雜工況，滿足良好的操縱穩(wěn)定性與車輛駕乘人員舒適性感受的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操穩(wěn)分析和評(píng)價(jià)指標(biāo)；
e. 隨著汽車電動(dòng)化進(jìn)程的發(fā)展，整車電器元件和功率進(jìn)一步增加，整車電源電壓易出現(xiàn)波動(dòng)，影響線控轉(zhuǎn)向作動(dòng)器的伺服控制精度，因此需開展更高電壓的車載電源（如48 V車載電源）供電下的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制研發(fā)。
 
本文參考：汽車技術(shù)-汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究進(jìn)展綜述(陳俐,李雄等著)整理所得
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