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原文传递基于人机共驾的智能汽车线控转向系统路感控制研究

论文题名：	基于人机共驾的智能汽车线控转向系统路感控制研究
关键词：	线控转向系统;路感控制;回正力矩;人机共驾;模型预测控制
摘要：	现阶段无人驾驶技术难以快速突破，由高级辅助驾驶系统协助驾驶员操控车辆的人机共驾系统将存在很长时间。人机共驾系统中的人机双方均能够独立操控车辆，这导致人机在协同转向控制时由于相互制约而无法充分发挥共驾的优势，这对于车辆转向系统结构和功能提出新需求。线控转向系统作为新一代的转向控制系统，采用模块化设计，摆脱了转向系统机械连接限制，可以实现灵活的控制算法设计，便于和自动驾驶功能的集成。然而，线控转向系统因取消了转向盘到车轮之间的部分机械连接，导致路面信息无法通过转向机械部件直接反馈给驾驶员，因此需要设计合理的路感控制策略。同时，人机共驾系统中人机之间如果缺少力感交互，驾驶员将无法感知到辅助驾驶系统的操作，这可能会导致驾驶员不适应人机共驾系统并对其产生不信任感。　　针对上述问题，依托国家重点研发计划项目“多系统高效集成轮毂电机行动模块与整车转矩矢量分配技术”（项目编号：2021YFB2500703），本文在对比分析国内外相关研究现状的基础上，设计了适用于人机共驾系统的线控转向系统路感控制策略。首先，基于电动助力转向系统的路感机理，设计线控转向系统路感并保证习惯于驾驶传统汽车的驾驶员容易接受；其次，基于模糊规则搭建人机共驾横向换道控制框架，设计基于人机共驾系统驾驶权重分配下的人机交互转向力矩；最后，使用线控转向系统硬件在环试验台对所设计的路感算法有效性进行验证。主要研究工作具体如下：　　（1）首先，为了有效设计线控转向系统路感控制策略，对线控转向系统进行动力学建模；其次，利用CarSim软件搭建和设置车辆模型，从而组成整车和线控转向系统动力学模型仿真平台；最后，对所搭建的模型精度进行验证，以便于后续对路感控制策略分析和研究。　　（2）基于电动助力转向系统的工作原理设计了线控转向系统路感控制策略，采用滑模变结构控制方法对路感电机进行准确控制。首先，从传统转向系统路感的产生机理出发，建立了电动助力转向系统回正力矩模型；其次，针对轮胎侧偏特性产生的回正力矩需要通过轮胎模型计算的问题，根据CarSim软件的轮胎数据建立了魔术公式轮胎模型。基于魔术轮胎模型与二自由度车辆模型建立非线性二自由度车辆模型，估计各车轮侧向力和轮胎侧偏角，计算得到车轮的总回正力矩；再次，基于电动助力转向系统的助力特性反推出期望转向盘力矩，并通过对转向系统进行补偿后得出线控转向路感反馈力矩；最后，将路感力矩折算为路感电机的期望电流，采用滑模变结构控制对路感电机电流进行跟踪控制。　　（3）基于模糊规则设计了人机共驾横向控制策略，并在线控转向系统路感力矩中添加人机交互力矩以增强人机共驾系统的人机力感交互水平。首先，针对人机共驾系统的驾驶权分配问题，将驾驶员意图和轨迹偏离程度采用模糊规则方法设计出驾驶权分配策略；其次，采用五次多项式确定换道轨迹，基于模型预测控制器搭建自动换道系统；再次，基于驾驶权重分配的人机共驾系统框架设计线控转向系统的人机交互力矩；最后，通过模型仿真的方式验证了交互力矩相比普通路感增加了人机之间的交互水平。　　（4）搭建线控转向系统驾驶模拟器并对研究的线控转向路感控制策略进行硬件在环验证。在CarSim软件及其实时模块中设置车辆模型与仿真场景，由NIVeristand软件采集数据，以NIPXI工控机作为硬件控制器与转向系统硬件实现CAN总线通讯，从而搭建了线控转向系统驾驶模拟器。利用该驾驶模拟器选取典型工况完成对本文所研究的线控转向系统路感控制策略进行硬件在环验证工作。
作者：	蒋权
专业：	车辆工程
导师：	郑宏宇
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022