石 晶，許廣吉

（遼寧工業(yè)大學(xué)研究生學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

1 引言

駕駛模擬器相比較于傳統(tǒng)車輛在進(jìn)行道路測試時(shí)，不需要消耗大量的人力、物力以及受天氣、地形等環(huán)境影響，并且在極限工況下不會(huì)發(fā)生交通事故等一系列缺點(diǎn)。因此，用駕駛模擬器來代替實(shí)際車輛進(jìn)行相關(guān)測試。路感是指車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和輪胎的受力情況通過機(jī)械連接憑借方向盤反作用力傳遞為駕駛員［1］。

目前，國內(nèi)外研究人員對方向盤力矩反饋的研究主要有兩種：（1）將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各個(gè)部分進(jìn)行分析并搭建模型；（2）將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)看做是一個(gè)整體，搭建的模型需要考慮轉(zhuǎn)向輪回正力矩和整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等效到轉(zhuǎn)向軸上的剛度、阻尼、摩擦及慣量等因素。文獻(xiàn)［2］將線控轉(zhuǎn)向（SBW）系統(tǒng)方向盤回正力矩模型建立成前輪轉(zhuǎn)角和車速的函數(shù)，模型中考慮了車輪回正力矩、系統(tǒng)慣量及阻尼。文獻(xiàn)［3］建立了包含車輪回正力矩、系統(tǒng)剛度、慣量及阻尼的方向盤回正力矩，并且以車輛運(yùn)動(dòng)參數(shù)為狀態(tài)變量，以方向盤力矩為輸出量的車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程。這里采用第二種方法實(shí)現(xiàn)對方向盤力矩的反饋，研究人員主要是通過選出對路感影響比較大的參數(shù)，并且按照實(shí)車路感對參數(shù)進(jìn)行加權(quán)擬合，而這里所選擇的參數(shù)是在CarSim 中選取的，其參數(shù)具有一定的準(zhǔn)確性。

ADAS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中駕駛模擬器的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與實(shí)際車輛在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有所不同，只有方向盤、轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)角傳感器。為了使駕駛模擬器在仿真過程中更真實(shí)地模擬車輛的運(yùn)動(dòng)情形，以滿足各種條件下的車輛道路試驗(yàn)［4］。因此，在本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的駕駛模擬器中安裝路感電機(jī)，故能夠更好地與實(shí)車相似。

2 ADAS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要是由駕駛模擬器、主控PC、實(shí)時(shí)系統(tǒng)和快速原型控制器組成［5］。駕駛模擬器轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用7線SX-4300轉(zhuǎn)角傳感器，并且主要用來檢測方向盤的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，然后將測得到的信號(hào)傳輸給實(shí)時(shí)系統(tǒng)，經(jīng)過處理用CAN通信傳遞給路感電機(jī)輸出的阻力矩［6］。

圖1 ADAS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 ADAS Experimental Platform

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要是通過局域網(wǎng)、CAN進(jìn)行通信，以汽車動(dòng)力學(xué)仿真軟件（CarSim）為核心進(jìn)行仿真驗(yàn)證，通過實(shí)時(shí)系統(tǒng)采集駕駛模擬器的轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、加速和檔位系統(tǒng)的信號(hào)，再通過CAN通信傳遞給快速原型控制器，經(jīng)過其控制策略和算法，計(jì)算出所需要的信號(hào)，計(jì)算出的是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)信號(hào)將其通過CAN通信駕駛模擬器的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，若是其余信號(hào)則通過局域網(wǎng)反饋給CarSim即可。路感電機(jī)實(shí)物圖，如圖2所示。駕駛模擬器轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖2 路感電機(jī)實(shí)物圖Fig.2 Road Sense Motor Physical Map

圖3 駕駛模擬器轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Driving Simulator Steering System Structure

3 方向盤回正力矩計(jì)算

方向盤回正力矩主要是由車輪回正力矩、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度、阻尼、慣量和摩擦力等力矩之和。通常將總的回正力矩與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比的商為路感［7-9］。

3.1 車輪回正力矩

車輛在行駛時(shí)，由于車速的不同，車輪產(chǎn)生的回正力矩也是不同的，所以分為兩種情況（1）高、中、低車速（速度大于10km/h）、（2）極低車速或原地轉(zhuǎn)向（速度小于等于10km/h）。

當(dāng)車輛在低、中、高車速下行駛時(shí)，車輪回正力矩包括前輪垂直載荷和前輪側(cè)向力分別產(chǎn)生的回正力矩［10］，車輪回正力矩主要受主銷內(nèi)傾角和外傾角影響。

其中前輪垂直載荷產(chǎn)生的回正力矩表達(dá)式為：

式中：MZ—前輪垂向載荷產(chǎn)生的回正力矩；Fzl和Fzr—左、右車輪的垂直載荷；e—主銷內(nèi)移量；ω—主銷內(nèi)傾角；ε—主銷后傾角；θ—前輪轉(zhuǎn)角。

前輪側(cè)向力產(chǎn)生的回正力矩表達(dá)式為：

式中：ML—前輪側(cè)向力產(chǎn)生的回正力矩；Fyl和Fyr—左、右輪的側(cè)向力；R—車輪的滾動(dòng)半徑；Tp—?dú)馓ネ暇唷?/p>

因此，車輪產(chǎn)生的回正力矩表達(dá)式為：

當(dāng)車輛在極低車速或原地轉(zhuǎn)向時(shí)，車輪的回正力矩表達(dá)式為：

式中：Mf—極地車速或原地轉(zhuǎn)向的回正力矩；f—地面與輪胎之間滑動(dòng)摩檫系數(shù)；Fz—前輪垂直載荷；P—輪胎氣壓。

3.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度、阻尼、慣量和摩擦力阻力矩

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度產(chǎn)生的力矩表達(dá)式為：

式中：MS—轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度阻力矩；KS—轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的剛度；α—方向盤轉(zhuǎn)角。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻尼產(chǎn)生的力矩表達(dá)式為：

式中：MD—轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻尼阻力矩；KD—轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的阻尼；α—方向盤角速度。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量產(chǎn)生的力矩表達(dá)式為：

式中：MI—轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量阻力矩；KI—轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；α—方向盤角加速度。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦產(chǎn)生的力矩表達(dá)式為：

式中：MF—轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦阻力矩。

根據(jù)參考文獻(xiàn)［11］可知，由于這里采用的是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向，輪胎將產(chǎn)生的部分回正力矩反饋給駕駛員。只有從轉(zhuǎn)向軸的輸入力矩傳遞到駕駛員的手中，這里所做的就是求出轉(zhuǎn)向軸輸入力矩占輪胎回正力矩的比例［12］，即WA。

式中：MH—轉(zhuǎn)向軸輸入力矩；

i—轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比，其表達(dá)式為：

式中：v—當(dāng)前車速；v0—基準(zhǔn)車速（這里選取10km/h）；k—常數(shù)（k=2.5）；x和Mo表達(dá)式如下所示：

綜上所述，路感電機(jī)反饋方向盤的總力矩表達(dá)式為：

式中：MT—路感電機(jī)反饋方向盤的總力矩。

4 硬件在環(huán)仿真驗(yàn)證

4.1 ADAS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件在環(huán)仿真流程

在ADAS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)路感模擬驗(yàn)證中。首先，分別將Simulink模型和CarSim 進(jìn)行編譯，將編譯的文件導(dǎo)入所建立的NI-Veri?stand 中，并且設(shè)置駕駛模擬器的采集、傳輸信號(hào)接口；其次，在NI-Veristand中將導(dǎo)入的文件的輸入、輸出接口和駕駛模擬器信號(hào)進(jìn)行映射；最后，將計(jì)算出來的力矩通過CAN通信傳遞給駕駛模擬器路感電機(jī)。硬件在環(huán)［13］流程圖，如圖4所示。方向盤回正力矩Simulink模型，如圖5所示。

圖4 硬件在環(huán)仿真流程圖Fig.4 Hardware-in-the-Loop Simulation Flow Chart

圖5 方向盤回正力矩Simulink模型Fig.5 Steering Wheel Returning Moment Simulink Model

4.2 CarSim整車模型參數(shù)

實(shí)驗(yàn)仿真車速初始條件分別為10km/h、80km/h。由于車速在小于等于10km/h時(shí)，輪胎和地面充分接觸，車輪與地面之間主要為滑動(dòng)摩擦，滑動(dòng)摩擦是和車輪的垂直載荷成正比的，因此產(chǎn)生的阻力矩很大，造成低速時(shí)轉(zhuǎn)向沉重。根據(jù)文獻(xiàn)［1］可知，采用車速為80km/h進(jìn)行仿真。仿真車輛參數(shù)，如表1所示。

表1 車輛參數(shù)Tab.1 Vehicle Parameters

4.3 驗(yàn)證結(jié)果

在ADAS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行路感模擬驗(yàn)證，在不同的車速下，轉(zhuǎn)動(dòng)不同方向盤轉(zhuǎn)角（α），得到的方向盤反饋力矩也是不同，如圖6、圖7所示。仿真車輛能夠很好的按照道路行駛，能夠較好的反饋給駕駛員當(dāng)前路況。

圖6 極低車速或原地轉(zhuǎn)向方向盤轉(zhuǎn)角、反饋力矩Fig.6 Very Low or In-Situ Steering Steering Wheel Angle，F(xiàn)eedback Torque

圖7 高、中、低車速方向盤轉(zhuǎn)角、反饋力矩Fig.7 Low，Medium and High Speed Steering Wheel Angle，F(xiàn)eedback Torque

5 結(jié)論

這里提出以10km/h為基準(zhǔn)車速，分為大于10km/h和小于等于10km/h車速兩種情況計(jì)算回正力矩，第一種情況主要受車輪產(chǎn)生的回正力矩影響；第二種情況主要受滑動(dòng)摩檫影響。在ADAS 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程中，分別以10km/h 和80km/h的車速行駛，并且分別轉(zhuǎn)動(dòng)（-600～600）°和（-20～20）°。其中，在各自的車速中的方向盤反饋力矩范圍大約在（-4～4）Nm和（-10～10）Nm左右。最后，ADAS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)路感模擬硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜉^為理想的反饋給駕駛員的當(dāng)前路徑情況，并且車輛能夠按照當(dāng)前路徑或駕駛員意圖進(jìn)行行駛。