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原文传递基于转向负载观测的线控转向系统路感模拟研究

论文题名：	基于转向负载观测的线控转向系统路感模拟研究
关键词：	线控转向系统;转向负载观测;路感模拟;转向齿条力;硬件在环试验
摘要：	随着汽车电动化与智能化的不断发展，对底盘系统在执行精度、响应速度和安全性等方面提出了新的需求。线控底盘由于其结构特点与性能优势，能够很好满足上述需求，被视为是汽车电动化与智能化的重要载体，已经成为底盘系统的发展趋势之一，具有广阔的发展前景。　　线控转向作为线控底盘控制汽车横向运动的核心部件，采用模块化设计，可以实现转向控制的转向角和力的解耦，相比于传统机械转向系统具备多方面优势，是转向系统未来的发展趋势之一。由于线控转向系统取消了方向盘与转向执行机构之间的机械连接，路面反馈，即路感无法传递给驾驶员。因此，在有人驾驶情况下，需要模拟生成路感。　　针对上述内容，本文依托国家重点研发计划“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）和吉林省教育厅科学技术项目“智能交通环境下的线控汽车自动换道决策与控制策略研究”（项目编号：JJKH20231148KJ），在总结分析国内外相关研究现状的基础上，综合考虑到转向负载是路感传递的主要来源，研究了基于转向负载观测的线控转向系统路感模拟算法，主要工作内容如下：　　（1）建立了线控转向系统与整车动力学模型并对模型进行了验证。首先，利用MATLAB/Simulink建立了线控转向系统的转向路感总成与转向执行总成动力学模型。其次，利用CarSim建立了不包含转向系统的整车动力学模型，通过联合仿真的方式将Simulink线控转向系统模型嵌入到CarSim整车动力学模型中，建立了线控转向整车动力学模型。最后，设计了多个典型工况的验证方案对模型进行验证，仿真结果表明所建立的模型能够满足研究要求。　　（2）在研究线控转向系统的转向负载观测原理基础上，对比分析了不同转向齿条力观测器的观测效果与观测算力。首先，对转向负载进行了分析，选择齿条力表征转向负载，在分析已有齿条力观测器基础上，设计了降阶线性扩张状态观测器与二阶非线性滑模观测器。其次，设计了一种改进跟踪微分算法获取齿条速度信息，以便满足降阶线性扩张状态观测器的使用条件；应用粒子群算法对二阶非线性滑模观测器参数进行了优化，以便提高其观测精度。最后，以观测精度表示观测效果，以观测器的计算耗时表示观测算力，分别进行了水平路面与不平路面上的齿条力观测试验，对比分析了线性扩张状态观测器、降阶线性扩张状态观测器、二阶非线性滑模观测器与卡尔曼滤波器4种齿条力观测器的观测效果与观测算力。仿真结果表明，同一齿条力观测器在水平路面比在不平路面的观测效果好，而由于观测器结构基本固定，由计算耗时反映的观测算力受路面条件影响较小，同时也表明降阶线性扩张状态观测器在上述4种观测器中具有较好的观测效果与合适的观测算力。　　（3）研究了基于观测齿条力的路感模拟算法。首先，设计了车速自适应低通滤波器用于滤除观测齿条力中的高频干扰。其次，参考电动助力转向系统中的曲线型助力特性，在保证路感强度变化趋势合理的前提下基于观测齿条力设计了路感主力矩，考虑了转向系统惯量、阻尼及摩擦设计了路感补偿力矩。再次，针对回正工况提出了回正控制策略，即通过方向盘转角、驾驶员力矩及其变化率进行回正判断，基于反步控制法设计了回正控制算法，并且分析了其稳定性，最终设计的路感为主力矩、补偿力矩与主动回正力矩三者的叠加。最后，对所设计的线控转向路感模拟算法进行了仿真验证。仿真结果表明，基于观测齿条力与基于实际齿条力生成的路感效果差距较小；设计的路感模拟算法能够达到预期设计要求，并且回正控制策略能准确判断回正和具有较好的回正效果。　　（4）构建了线控转向硬件在环试验台架和对所设计的齿条力观测器与路感模拟算法进行了验证。首先，基于CarSimRT提供了实时仿真环境与车辆模型，采用NIPXI工控机作为硬件控制器，通过SensoWheel方向盘输入转向控制命令和罗技G29油门制动踏板输入纵向速度控制命令。然后，采用NIVeristand进行软硬件信号交互配置，构建了线控转向硬件在环试验台架，通过中心区转向试验、自由驾驶试验与回正试验完成了硬件在环验证工作。试验结果表明，设计的降阶线性扩张状态观测器能够有效观测齿条力；基于观测齿条力与基于实际齿条力设计的路感效果差距较小；设计的路感模拟算法能够提供符合预期设计要求的路感且回正控制算法有较好的回正效果。
作者：	杨蕊绽
专业：	车辆工程
导师：	李杰
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023