赵万忠等人在《汽车安全与节能学报》(J Automotive Safety and Energy)2021年第12卷第1期发表的文章《线控转向系统控制技术综述》(Overview of Vehicle Steer-by-Wire System Control Technologies)是一篇系统性的综述文章,全面回顾和分析了线控转向系统控制技术的发展历程、研究现状和未来趋势。以下是关于该论文的学术报告:
文章的主要作者包括赵万忠、张寒、邹松春、徐坤豪和刘畅,作者分别隶属于“江苏省车辆分布式驱动与智能线控技术工程研究中心”和“南京航空航天大学能源与动力学院”。此论文发表于2021年,并刊登在《汽车安全与节能学报》的第12卷第1期。
线控转向系统(steer-by-wire,SBW)是智能网联汽车和现代汽车技术电动化、智能化的重要技术之一。传统汽车转向系统基于机械结构实现驾驶员操控信号的传递,尽管系统稳定性得到了持续开发,但其局限性无法满足现代汽车对灵活性、精确性和全工况覆盖的更高要求。因此,线控转向技术应运而生。
线控转向系统通过取消机械连接,利用线控信号传输和电控单元控制,使驾驶行为更加灵活、响应更加快速与精确。同时,该系统也为个性化驾驶、辅助驾驶以及无人驾驶等提供了技术基础。
本文旨在全面梳理线控转向系统的基本结构、核心控制技术(如路感控制、稳定性控制及容错控制)及其最新研究进展,并探讨未来技术的发展方向。
线控转向系统分为以下两类: - 前轮线控转向系统: 主要包括转向盘和转向执行机构两部分,其执行模式按照技术不同分为线控电动转向和线控电液复合转向。文章详细介绍了其动力学建模,其主要组件包括转向盘、转角/转矩传感器、路感模拟机构等。 - 分布式线控转向系统: 包括两种形式:前后轴独立转向系统和四轮独立转向系统。前者在前后轴分别使用单一转向执行机构,后者则为每个车轮配备独立执行机构。其核心在于转向电机模型和齿轮齿条模型的动力学设计。
路感控制是线控转向取消了机械连接后驱动员操纵感觉的重要部分,在于传递车辆行驶的路面情况和状态信息: - 两种路感规划方式: - 重构法:通过传统转向系统的转向阻力机理重构路感,将驾驶员输入和车速等调整为合适的反馈力矩。 - 拟合法:忽略传统机械特性,主要传递车速及转向阻力直接产生的路面信息,同时优化驾驶员操控体验。 - 路感跟踪控制: 路感电机需要依照规划的理想反馈力矩设计PID或滑模控制策略,解决转矩跟踪的实时性及调整回正过程中的舒适性。
相比传统系统,线控转向系统在力传递及位移传递上实现了完全解耦,可基于不同控制目标单独设计: - 稳定性控制: 通过输入转向角计算理想横摆角速度,使用多种控制方法(如滑模控制)实现横摆角速度及侧偏角跟踪,同时补偿汽车欠驱动系统的不足。 - 变传动比控制: 提出了基于车速、横摆角速度增益或者侧向加速度的传动比设计,确保低速时转向灵敏性与高速时稳定性。诸多研究使用优化算法进一步调整传动比,提升操作便捷性与车辆安全性能。 - 转向角跟踪问题: 以目标转角为基准,使用滑模控制、自适应律等方法增强系统对实时路况和干扰的补偿能力。
因其对信号传输的高度依赖,线控转向系统的容错控制至关重要: - 故障类型: 包含执行器(如卡死或部分失效)、传感器(如信号失真或失效)、控制器及通讯硬件的故障。 - 执行器容错控制: - 冗余设计:通过增加转向电机冗余提升系统可靠性,但需解决同步性问题。 - 算法补偿:如观测器结合滑模算法调控部分失效的电机,或结合过驱动系统利用差动力矩实现互补。 - 传感器容错控制: 采用Kalman滤波器或观测器,将多传感器输出融合,校正信号偏差,并通过平滑切换确保车辆稳定运行。 - 过驱动系统互补: 结合轮毂电机,应用横摆力矩补偿转向故障,在转向失效情况下仍能保证驾驶安全。
文章系统梳理了线控转向技术的理论基础、最新研究及其发展趋势,指出了改进方向: 1. 科学意义: 线控转向实现了传统机械转向系统难以完成的力传递与位移传递解耦,并基于解耦特性提升了车辆的操稳性能。 2. 工程价值: 有助于推动线控技术在智能网联汽车中的应用,为实现个性化驾驶、安全驾驶和无人驾驶的发展目标提供理论支持。 3. 应用前景: 根据《智能网联汽车技术路线图》,国内将在2025年推进智能线控底盘的产业化应用,线控转向是实现技术突破的关键。
通过此综述,作者不仅总结了技术的现状,还阐明了尚待解决的关键问题(如建模精度不足、信息时滞效应等)。未来,针对驾驶员个性需求的路感自由设计及人车交互模式改进可能是研究的重点方向。通过持续优化硬件冗余、改进控制算法和发展与其协同的其他电子设备,线控转向技术有望获得更广泛的商业化应用,为汽车工业的智能化和电动化转型带来突破性的进展。