（青島理工大學(xué)機械工程學(xué)院，山東 青 島 2 66033）

電子技術(shù)的快度發(fā)展對自動化產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響,致使許多自動化中的機械式部件連接逐漸被電子部件連接所取代，傳統(tǒng)的自動化行業(yè)正發(fā)生巨大的變化。近幾年來，在智能車輛系統(tǒng)上的研究結(jié)果將逐漸應(yīng)用于商務(wù)汽車。智能車輛系統(tǒng)最基本的技術(shù)是線控系統(tǒng)，例如，線控油門系統(tǒng)、線控制動系統(tǒng)、線控轉(zhuǎn)向線系統(tǒng)等。線控系統(tǒng)是一種新的技術(shù)，其用現(xiàn)代電子技術(shù)取代了傳統(tǒng)的機械式連接，減輕了汽車的總質(zhì)量。在這些應(yīng)用中，線控油門系統(tǒng)已經(jīng)被應(yīng)用于商務(wù)車中，線控制動系統(tǒng)在未來將會被一些自動化的公司所采用。另一方面，雖然線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍沒有得到實際的應(yīng)用，但是據(jù)我們了解，基本的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)在EPS行業(yè)開始形成。近幾年來，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一直得到研究，對該系統(tǒng)的研究主要集中在液壓助力轉(zhuǎn)向自動化在路感中的應(yīng)用方面。因此，需要力傳感器測量轉(zhuǎn)向輪的輸入轉(zhuǎn)矩，并且其給予動力。但是轉(zhuǎn)向輪的控制環(huán)與路感傳感器的控制環(huán)是非耦合的。這種類型的控制方法在傳遞轉(zhuǎn)向輪的信息時，具有較嚴(yán)重的缺陷，這是由EPS系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向輪和路輪間的機械連接導(dǎo)致的，但是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中沒有這種連接和缺陷?；谶@種原因，駕駛員會感受到一種不協(xié)調(diào)感，而這就可能會導(dǎo)致交通事故發(fā)生。

在本文中，我們對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提出了一種新的算法，該算法在兩個控制環(huán)路中具有耦合的結(jié)構(gòu)。這種算法是基于遠(yuǎn)程控制算法而實現(xiàn)的，也就是說，我們把線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)視為一種雙向控制系統(tǒng)。駕駛員的轉(zhuǎn)向反應(yīng)可以影響路輪動作，同樣，路輪的動作也可以影響轉(zhuǎn)向裝置。對于這種系統(tǒng)，我們研發(fā)了一種由直流伺服電機和電位計組成的集成操作桿。利用這種操作桿，駕駛員可以在沒有轉(zhuǎn)向盤、制動踏板和驅(qū)動踏板的情況下駕駛車輛[2]。同時，對這種算法進(jìn)行了實驗測試，實驗結(jié)果驗證了這種線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能和控制算法的優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

這種系統(tǒng)可以使駕駛員在沒有轉(zhuǎn)向輪、制動踏板和驅(qū)動踏板的情況下，利用反應(yīng)操作桿駕駛車輛。

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

在圖1中顯示了整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。應(yīng)用一種商務(wù)的R-EPS系統(tǒng)驅(qū)動路輪、APM驅(qū)動節(jié)流閥、一個直流伺服電機和輪線系統(tǒng)驅(qū)動一個簡單的機械裝置來驅(qū)動剎車踏板。該系統(tǒng)是由SBC（單片機）、數(shù)據(jù)I/O接口、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換板、動力板和介質(zhì)板組成的中央控制器控制的。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.2 集成操作桿設(shè)計

大多數(shù)的操作桿有±20°~30°的擺動位移。在車輛駕駛過程中，這個小的位移需要駕駛員謹(jǐn)慎的駕駛。因而駕駛員容易感到疲勞從而導(dǎo)致危險事故的發(fā)生[3]。為了解決這種問題，我們設(shè)計了一種新型的操作桿。這種新的操作桿以手腕旋轉(zhuǎn)推動加速和拉動制動來操作。這使得轉(zhuǎn)向位移可以擴大到±90°。這種操作桿的另一種優(yōu)勢是：其操作僅僅需要很小的工作空間。該機構(gòu)的詳細(xì)構(gòu)造，如圖3所示。這種操作桿有兩個自由度，一個用于轉(zhuǎn)向，另一個用于加速或者剎車。需要一個直流伺服電機實現(xiàn)反應(yīng)力和用于檢測發(fā)出制動或者加速命令桿的電位計。這根桿有±6°的位移，中位是靠萬向聯(lián)軸節(jié)保持的。

2 系統(tǒng)控制

我們認(rèn)為EPS系統(tǒng)是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)。這是因為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和EPS系統(tǒng)在組成和控制原理上具有很多相似之處，它們之間最本質(zhì)的區(qū)別在于，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完全取消了機械連接[4]，鑒于此，我們認(rèn)為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，即EPS系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向輪和路輪之間仍是依靠機械連接，因此，這兩個部件之間的位置誤差始終為零。

在本文中，我們認(rèn)為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是沒有時間延遲的單自由度的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。其控制環(huán)路如圖4所示，就遠(yuǎn)程控制而言，我們把操作桿作為主控制器，EPS動力作為一個伺服控制。這種系統(tǒng)的計算公式如下：

其中，

xm和xs表示位置；

Bm和Bs是粘性系數(shù)；

τm和τs是鉸鏈驅(qū)動力；

下標(biāo)"m"表示主要的參數(shù)值，下標(biāo)"s"表示次要的參數(shù)值；

fh是作用于主要參數(shù)上的力；

fe是次要的施加于抵消工況環(huán)境的力。

圖2 操作桿示意圖

圖3 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)環(huán)路控制示意圖

選擇該系統(tǒng)的簡單控制器為

FTf和FtT是分別指反應(yīng)力和牽引力，它們是由PD控制器提供，則

式中，Kmp和Kmd是比例系數(shù)和主參數(shù)衍生的，Ksp和Ksd是從動值。計算式如下：

式中，Ks是總轉(zhuǎn)向比的比例因子。此轉(zhuǎn)向比與車速比成反比。這種雙向控制器可以由伺服服務(wù)器傳給主服務(wù)器。

在這種情況下，主服務(wù)器是轉(zhuǎn)向裝置。為了安全轉(zhuǎn)向,需要施加一些額外的力給主控制器以提供驅(qū)動力矩，計算式如下所示：

式中，

VV為車輛的速度；

KV(VV)為車輛行駛速度和主控制器運行速度阻尼比；

KSA(VV)為自調(diào)心增益；

KD為額外的阻尼比，對于制動驅(qū)動機構(gòu)控制，一般選擇PD控制器。

3 實驗和結(jié)論

實驗是在公路上用真實的汽車進(jìn)行模擬的。在兩種場合進(jìn)行了測試，一種是在駕駛過程中測試，另一種是在停車過程中測試。測試結(jié)果證明：在沒有反應(yīng)操作桿的情況下，駕駛員在轉(zhuǎn)向時要補償自適應(yīng)性造成的影響，在應(yīng)用反應(yīng)操作桿轉(zhuǎn)向的情況下，駕駛員的轉(zhuǎn)向行為與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向時非常相似的，這種影響不復(fù)存在。從而，研發(fā)的反應(yīng)操縱桿的性能和控制算法得到證實。

4 結(jié)束語

本論文，我們介紹了一種新型的反應(yīng)操作桿，并引進(jìn)了安全駕駛的一種新算法。我們應(yīng)用EPS系統(tǒng)、APM系統(tǒng)和簡化的剎車踏板的反應(yīng)機構(gòu)，建立了一個簡化的DBW系統(tǒng)進(jìn)行試驗。通過真實的汽車進(jìn)行場地測試，我們證實了研發(fā)的反應(yīng)操縱桿和控制算法的性能。截止到目前為止，我們?nèi)栽谔骄扛鼉?yōu)的算法來評估汽車的駕駛性能。

[1]趙 燕.C型電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力學(xué)分析與研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2006.

[2]王柏峰.基于徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2007.

[3]吳基安.汽車電子技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，1999.

[4]何 軍.基于DSP的汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計[D].北京：北京交通大學(xué)，2007.