許斌 張昌博

摘要：汽車線控轉(zhuǎn)向控制技術(shù)去除了汽車中轉(zhuǎn)向車輪、方向盤之間的機(jī)械連接，這一技術(shù)的推行有效提升了汽車整體性能，確保車輛操控的穩(wěn)定性和安全性，有效減輕駕駛員的駕駛負(fù)擔(dān)，是目前汽車領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。文章針對(duì)汽車線控轉(zhuǎn)向控制技術(shù)的組成、性能進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，探討汽車線控轉(zhuǎn)向控制關(guān)鍵技術(shù)以及具體的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：汽車線控轉(zhuǎn)向控制技術(shù);應(yīng)用;研究

引言

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠維持車輛在轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)的穩(wěn)定性，常見的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動(dòng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，線控轉(zhuǎn)向控制技術(shù)成為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的必然方向。我國(guó)在這一技術(shù)的研究上起步相對(duì)較晚，但是在各個(gè)高校、科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)的努力下，也取得了革命性進(jìn)展。

1線控轉(zhuǎn)向的控制組成

線控轉(zhuǎn)向的控制設(shè)計(jì)大體包括傳感器技術(shù)，總線技術(shù)，容錯(cuò)控制技術(shù)三部分。由于線控轉(zhuǎn)向和傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向的區(qū)別在于轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間不再具有機(jī)械連接，故對(duì)于駕駛員而言，駕駛中的路感便會(huì)產(chǎn)生差異。而線控轉(zhuǎn)向的優(yōu)勢(shì)在于可以改變轉(zhuǎn)向特性，當(dāng)汽車低速行駛時(shí)減小轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比，提高轉(zhuǎn)向靈敏性;高速行駛時(shí)增大轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比，使轉(zhuǎn)向更加平穩(wěn)，提高操縱性。故在控制的設(shè)計(jì)中，主要需要考慮的是路感的模擬控制和主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制，而電控部分并不能做到萬(wàn)無(wú)一失，所以需要在設(shè)計(jì)中考慮到故障容錯(cuò)控制。

2汽車線控轉(zhuǎn)向控制技術(shù)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)

2.1傳感器技術(shù)

傳感器的信息采集和處理，會(huì)對(duì)控制器控制效果產(chǎn)生影響，也關(guān)乎整個(gè)系統(tǒng)的性能，代表性的如側(cè)向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器、車速傳感器等[2]。

2.2總線技術(shù)

國(guó)際上很多知名的汽車公司都在汽車總線技術(shù)的運(yùn)用和研究方面進(jìn)行了大力投入，伴隨著汽車總線技術(shù)的發(fā)展，汽車總線相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也變得越來(lái)越多，今后將會(huì)應(yīng)用同時(shí)兼具高速和實(shí)時(shí)傳輸特點(diǎn)的總線標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議。例如，時(shí)間觸發(fā)協(xié)議、Byteflight以及FlexRay等。關(guān)于時(shí)間觸發(fā)協(xié)議，其是一個(gè)比較完整的通信協(xié)議，在分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中進(jìn)行運(yùn)用，可以對(duì)眾多容錯(cuò)策略進(jìn)行支持，同時(shí)兼具節(jié)點(diǎn)的重新整合以及恢復(fù)的功能;關(guān)于Byteflight，其是由寶馬公司開發(fā)的在汽車線控系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通信 協(xié)議。該網(wǎng)絡(luò)通信具有多方面特征，不但可以使部分高優(yōu)先級(jí)消息需要時(shí)間觸發(fā)的特點(diǎn)得到滿足，確保延遲方面的實(shí)際需要;同時(shí)可以使部分消息需要中斷進(jìn)行處理以及事件觸發(fā)的需要得到良好滿足。也有部分汽車生產(chǎn)商采用的是FlexRay，該網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)十分適宜在新一代汽車中進(jìn)行運(yùn)用，同時(shí)具備確定消息傳送時(shí)間以及容錯(cuò)兩個(gè)方面的重要作用，可以使汽車控制系統(tǒng)快速通信方面的實(shí)際需求得到良好滿足。戴姆勒-克萊斯勒、飛利浦、寶馬以及摩托羅拉公司共同研發(fā)創(chuàng)建了這一標(biāo)準(zhǔn)，博世、大眾汽車、通用汽車三家公司都加入了聯(lián)合開發(fā)協(xié)會(huì)，目前已有七個(gè)核心組織成員，一同努力研發(fā)汽車分布式控制系統(tǒng)內(nèi)高速總線系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前，關(guān)于FlexRay標(biāo)準(zhǔn)，飛利浦公司已經(jīng)研發(fā)完成其物理層標(biāo)準(zhǔn)，而相關(guān)通信協(xié)議正處于開發(fā)狀態(tài)之中。這一標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布不但有力保障了信息傳輸?shù)母叨纫恢乱约翱煽砍潭?，同時(shí)也使信息研發(fā)與具體的應(yīng)用過(guò)程更加簡(jiǎn)便，大幅縮減了成本投入。將總線技術(shù)作為基礎(chǔ)的汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改變了以往的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，讓這一電氣系統(tǒng)采用了高速容錯(cuò)通信總線相連接的方式，確保了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、信息化以及自動(dòng)化的良好實(shí)現(xiàn)[3]。

2.3容錯(cuò)控制技術(shù)

為了使汽車安全性以及可靠性方面的實(shí)際需求得到良好滿足，汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中務(wù)必要應(yīng)用容錯(cuò)控制技術(shù)。關(guān)于容錯(cuò)控制技術(shù)，其實(shí)際設(shè)計(jì)方法分為兩種，分別是解析冗余法與硬件冗余法。關(guān)于解析冗余法，其是針對(duì)控制器的相關(guān)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，提升系統(tǒng)整體的冗余度，確保系統(tǒng)具有更強(qiáng)的容錯(cuò)能力;關(guān)于硬件冗余法，采用的是給容易發(fā)生故障問(wèn)題的部件以及一些較為重要的部件提供備份的方式，增強(qiáng)系統(tǒng)整體容錯(cuò)方面的能力。針對(duì)汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，相比較ECU而言，執(zhí)行機(jī)構(gòu)與傳感器更加容

易出現(xiàn)故障問(wèn)題，部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)與傳感器之間需具有一定冗余，冗余是確保容錯(cuò)控制得以實(shí)現(xiàn)的重要前提，若是某個(gè)部件出現(xiàn)故障問(wèn)題，可以運(yùn)用冗余關(guān)系，使用其它部件加以取代，從而有效消除故障問(wèn)題。相比較執(zhí)行機(jī)構(gòu)與傳感器而言，ECU具有更高的可靠性。然而若是ECU發(fā)生故障問(wèn)題，將會(huì)產(chǎn)生更加嚴(yán)重的后果，由于在執(zhí)行機(jī)構(gòu)與傳感器發(fā)生故障問(wèn)題時(shí)，系統(tǒng)整體依然能夠維持工作;但若是ECU發(fā)生故障問(wèn)題，系統(tǒng)整體便無(wú)法實(shí)施任何操作。可以在汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中運(yùn)用雙微機(jī)結(jié)構(gòu)，這樣兩個(gè)微機(jī)之間可以相互檢測(cè)，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。以容錯(cuò)控制技術(shù)為基礎(chǔ)的汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在不對(duì)系統(tǒng)整體控制作用造成影響的狀況下，容錯(cuò)控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可靠程度的提升，確保了汽車行駛過(guò)程中的安全。安全程度以及可靠程度是限制汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的重要瓶頸。國(guó)內(nèi)以及歐盟相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中都不準(zhǔn)許使用全動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)正是基于這方面的考慮。然而伴隨著科學(xué)技術(shù)的逐漸發(fā)展，汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全程度以及可靠程度也在日益提升，當(dāng)前國(guó)家針對(duì)這方面的限制正在做出修訂，在汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全程度以及可靠程度可以達(dá)到普通動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)水準(zhǔn)時(shí)，相信不久之后亦會(huì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

3線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的前景展望

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越注重車輛的節(jié)能、環(huán)保、安全性和舒適性，車輛電子化和智能化已經(jīng)成為汽車未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最終將應(yīng)用在現(xiàn)代汽車上。在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，車輛的轉(zhuǎn)向不是由駕駛員操縱方向盤進(jìn)行控制，而是由主控制器控制電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向動(dòng)作。我們利用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向角傳動(dòng)比可以自由設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種讓駕駛員更容易操作的車輛轉(zhuǎn)向特性，降低駕駛員的工作負(fù)擔(dān)，提高舒適性，這具有重要的實(shí)踐研究意義。就電動(dòng)車輛來(lái)說(shuō)，在液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入線控技術(shù)，將電子與液壓結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)一種電動(dòng)車輛的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這樣既能擁有液壓轉(zhuǎn)向的優(yōu)點(diǎn)，又能在電子元件的控制下，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向操作靈活性，使車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確可靠、轉(zhuǎn)向靈活，提高車輛轉(zhuǎn)向特性，降低駕駛負(fù)擔(dān)，改善車輛操縱性。這也是電動(dòng)車輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有待研究的課題[4]。

結(jié)束語(yǔ)：應(yīng)用汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)，有效提升了汽車駕駛的穩(wěn)定性、安全性，讓行車更為舒適，是未來(lái)汽車行業(yè)發(fā)展的重要方向。在技術(shù)的進(jìn)步下，汽車電子元件成本也會(huì)慢慢下降，隨著控制算法的成熟以及42V電源技術(shù)的廣泛推行，未來(lái)汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)日益普及，逐步取代以往的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)集成化的方式來(lái)控制汽車行駛，有效提升汽車的整體性能，這是未來(lái)汽車領(lǐng)域發(fā)展的主導(dǎo)方向，對(duì)于順利推進(jìn)無(wú)人駕駛的實(shí)現(xiàn)具有深遠(yuǎn)意義，未來(lái)汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)及其它線控技術(shù)將會(huì)全方位取代以往汽車所采用的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。線控技術(shù)會(huì)利用轉(zhuǎn)向、制動(dòng)以及動(dòng)力等系統(tǒng)，以集成化的方式針對(duì)汽車實(shí)施優(yōu)化控制，大大提升汽車整體性能，相信無(wú)人駕駛的實(shí)現(xiàn)指日可待。

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[4]陳德玲，殷承良，張建武.基于參數(shù)不確定的主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向魯棒性控制[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2020（8）.