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一文读懂自动驾驶汽车线控转向系统

2019-09-16 22:52:39·  来源：AI汽车人  
　
线控转向是自动驾驶汽车实现路径跟踪与避障避险必要的关键技术，其性能直接影响主动安全与驾乘体验。在国际汽车工程师协会（Society of Automotive Engi⁃neers
 线控转向是自动驾驶汽车实现路径跟踪与避障避险必要的关键技术，其性能直接影响主动安全与驾乘体验。在国际汽车工程师协会（Society of Automotive Engi⁃neers，SAE）发布的5级自动驾驶体系中：
  • 第1级为驾驶辅助，要求对转向或加、减速中单独一项进行自动控制；
  • 第2级为部分自动驾驶，要求对转向和加、减速中的2项进行自动控制；
  • 第3级及以上分别为有条件自动驾驶、高度无人驾驶和完全自动驾驶，要求转向逐步与其他子系统实现高度自主协同 。
线控转向系统为自动驾驶汽车实现自主转向提供了良好的硬件基础，且线控转向系统被认为是实现高级自动驾驶的关键部件之一 ，具有以下优点：
  • 线控转向技术由于可实现驾驶员操作和车辆运动的解耦
  • 可提高紧急情况下转向操作正确性和驾驶员安全性 
  • 采用电机控制直接驱动实现车辆转向，因此更容易与车辆其他主动安全控制子系统进行通讯和集成控制。
与传统的转向系统不同，线控转向系统取消了从转向盘到转向执行器之间的机械连接，完全由电控系统实现转向，可以摆脱传统转向系统的各种限制，汽车转向的力传递特性和角度传递特性的设计空间更大，更方便与自动驾驶其他子系统（如感知、动力、底盘等）实现集成，在改善汽车主动安全性能、驾驶特性、操纵性以及驾驶员路感方面具有优势。
 
1.线控转向系统发展概况
 
线控转向的概念起源于20世纪50年代，美国天合（TRW）公司最早提出用控制信号代替转向盘和转向轮之间的机械连接，之后德国Kasselmann 和Keranen设计了早期的线控转向模型。受制于电子控制技术，直到20世纪90年代，线控转向技术才有较大进展，美国、欧洲、日本在线控转向的研发与推广方面比较活跃，一些采用线控转向系统的概念车陆续展出。
2013年，英菲尼迪的“Q50”成为第1款应用线控转向技术的量产车型 。该线控转向系统由路感反馈总成、转向执行机构和3个电控单元组成，其中双转向电机的电控单元互相实现备份，可保证系统的冗余性能，转向柱与转向机间的离合器能够在线控转向系统出现故障时自动接合，保证紧急工况下依然可实现对车辆转向的机械操纵。
 
2017年，耐世特（Nexteer）公司开发了由“静默转向盘系统”和“随需转向系统”组成的线控转向系统，该系统可随需转向，在自动驾驶时转向盘可以保持静止，并可收缩至组合仪表上，从而提供更大的车内空间。
 
2.线控转向系统的组成与布置方式
 
2.1 线控转向系统组成
线控转向系统最显著的特征为去掉了传统转向系统中从转向盘到转向执行器间的机械连接，由路感反馈总成、转向执行总成、控制器以及相关传感器组成。
 
路感反馈总成主要包括转向盘、路感电机、减速器和扭矩转角传感器，功能是驱动路感电机实现控制器给出的反馈力矩指令，对驾驶员施加合适的路感 。
 
转向执行总成主要由转向电机、转向器和转向拉杆等部件组成，转向电机一般为永磁同步直流电机，转向器多为齿轮齿条结构或者循环球式结构。该部分工作原理为驱动转向电机快速、准确地执行控制器给出的转向角指令，实现车辆的转向功能。
 
线控转向控制器的功能包括路感反馈控制策略和线控转向执行控制策略。路感反馈控制策略根据驾驶意图、车辆状况与路况，过滤不必要的振动，实时输出路感反馈力矩指令。线控转向执行控制策略依据车辆运动控制准则，提供良好的操纵稳定性，实时输出车轮转向角指令。考虑到可靠性，保证车辆在任何工况下均不失去转向能力，线控转向执行控制的冗余防错功能至关重要。
 
2.2 线控转向系统的典型布置方式
根据转向电机的数量、布置位置与控制方式不同，目前线控转向系统的典型布置方式可分为5类
  • 单电机前轮转向
  • 双电机前轮转向
  • 双电机独立前轮转向
  • 后轮线控转向
  • 四轮独立转向
每种布置方式的代表样机与优缺点下图所示。
3.路感反馈控制策略
 
路感反馈力矩估计一般有3种方法。
 
第1种为传感器测量方法，由于齿条处力矩包含有轮胎力和回正力矩等信息，故测量数据需经滤波才能作为反馈力矩；
第2种为参数拟合方法，将反馈力矩设计成与其相关因素的函数形式；
第3种是基于动力学模型的方法，依据车辆动态响应、驾驶员转向盘输入等状态，利用车辆动力学模型估算轮胎回正力矩和需要补偿的反馈力矩，进而计算期望的反馈力矩指令。
第3种基于动力学模型的方法对车辆状态、驾驶风格具有自适应能力，是目前研究的主流，典型的基于动力学模型的路感反馈控制思路如下图所示。
按照模块的功能，可以将路感反馈控制策略分为2个层次，上层控制策略计算期望的路感反馈力矩，下层控制策略准确、快速执行该反馈力矩。主要控制方法与特点总结如下。
线控转向路感反馈控制面临的挑战：
  1.  复杂路况下路感力矩与人因工程的协调。
  2. 路感反馈的评价很大程度上依赖于驾驶员主观评价，由于路面信息复杂多变、驾驶员对相同路面反馈要求不一，因此复杂路况下符合不同驾驶风格的路感反馈控制是一个难题。
  3. 位移、力矩联合伺服控制的精度。
  4. 路感反馈力矩的大小直接影响驾驶员对路感反馈的评价，一般路感电机的控制以力矩控制为主、转角控制为辅，而在准确的位置输出期望的反馈力矩，当外部干扰变化剧烈、部件老化时确保控制品质也是一个难题。
  5.  随着自动驾驶的发展，在未来第5级全自动驾驶车上，车辆可完全交由控制器操纵，法规可能允许驾驶员不需要进行转向操控，路感反馈的功能和性能要求可能需要重新定义。
4.线控转向执行控制策略
 
线控转向执行控制根据当前路况、车辆行驶状态及性能要求，提出控制目标（如目标路径、期望的车辆运动响应、驾乘舒适性等）和约束条件，并对难以直接测量的状态或参数进行状态观测和参数辨识，综合控制目标和约束条件等信息计算出期望的车轮转角指令，由转向电机执行。典型的控制框图如下图所示。
根据模块的功能，可以将线控转向控制执行分为2个层次：上层控制策略进行车辆运动状态控制，主要有变传动比控制和车辆稳定性控制2种方法，以计算期望的车轮转角；下层控制策略准确、快速地实现该车轮转角。主要控制方法与特点总结如表。
考虑到转向系统是汽车安全的关键部件，冗余与容错设计在前述的布置方式中已作为一个不可忽视的因素，它们也是线控转向执行控制的重要主题。
5.1 车辆运动状态控制
以实现预期车辆运动状态为目标，线控转向控制策略主要有2种思路：变传动比控制和车辆稳定性控制。
  • 变传动比控制：变传动比控制的目标为高速时转向的稳定性和低速时转向的灵活性。一般而言，传动比在低速时取值较小，高速时取值较大。由于线控转向系统去除了传动轴机械结构的限制，因此传动比的设计空间更大。
  • 车辆稳定性控制：以车辆动力学为基础的车辆稳定性控制已有丰富的研究成果，在线控转向执行控制中，由于车辆行驶工况复杂、车辆参数时变、状态动态变化以及驾驶员风格各异，对车辆稳定性控制的自适应性和鲁棒性提出了较高甚至极限需求。
 
5.2 转向执行控制
转向执行器接受上层控制的指令，通过对电机或者液压系统进行跟踪控制确保车轮转角控制的精确性。
由于线控转向系统存在相耦合车轮转向角控制和驾驶员手感力矩控制，为了协调这2类控制，利用了双向控制的思想，即双向控制路感力矩和车轮转角。线控转向双向控制主要有力反馈-位置差型双向控制和力差-位置反馈型双向控制以及两种综合形式的双向控制，可以实现很好的控制精度。
 
5.3 线控转向执行容错控制
在线控转向系统中，由于电子元件失效或者控制系统环境发生变化（例如存在较大侧向力 ）时均可能导致线控转向系统失效，一旦发生，后果非常严重。为了提高线控转向系统的安全性，需要充分考虑转向执行系统的容错能力。包括被动容错，主动容错等。
 
线控转向系统被动容错方案主要是指采取额外装置，在系统失效时备份装置可以保证不失去转向能力，典型的有机械转向轴备份和作动器备份。英菲尼迪Q50采用安装了离合器装置的转向轴备份，在线控系统失效时离合器接合可实现转向功能，属于典型的被动容错方案。
 
由于被动容错控制需要额外的机械机构或者作动器部件，且额外部件仅在失效时工作，因此结构较为复杂，多为现阶段线控转向系统法规出现前的过渡方案，因此越来越多的线控转向系统采用主动容错方案。
除利用状态观测器实现冗余控制外，多电子元器件的主动容错控制方法也越来越多，如，设计线控转向系统双电机冗余控制，利用自适应衰减卡尔曼滤波设计故障诊断系统，分别对转矩和转角闭环控制进行故障检测，双电机分别采用转角闭环控制和扭矩闭环控制。
 
5.4线控转向系统面临挑战
在自动驾驶条件下，特别是在复杂路况和行驶环境中，需要规划出安全路径，并且准确、快速实现路径跟踪，而现有的控制算法在环境适应性方面尚不足，因此，线控转向系统面临着一系列挑战：
 
a. 目前已有的较成熟的转向执行控制策略大多仅实现转向助力功能，不能满足自动驾驶环境下线控转向执行控制的要求。特别对于复杂的路况和交通环境下，需要研发自适应和鲁棒性强的线控转向执行算法。
b. 随着自动驾驶进程的进一步发展，线控转向系统需要与其他（感知、底盘、动力等）自动驾驶控制子系统进行高度融合与协同，复杂度和可靠性是挑战。
 
c. 在自动驾驶由第2级发展到第4级的过程中，线控转向系统需正确判别紧急状态、准确识别驾驶员意图，实现提前预判紧急工况、规划道路动态安全边界、辅助驾驶员进行自动紧急转向等驾驶行为，因此，需要解决驾驶员干预与自动驾驶控制策略间的融合与协同问题。
 
5.总结与展望
线控转向是自动驾驶的关键组成部分，随着自动驾驶汽车的智能化程度逐渐提高，线控转向控制策略在环境适应性、驾驶智能化以及可靠性方面遇到新的挑战。为了满足自动驾驶从当前驾驶辅助阶段逐渐发展至完全自动驾驶阶段对转向系统的要求，线控转向控制策略亟待在几方面进行研究：
a. 复杂路况、复杂交通环境条件下线控转向系统的自适应性和鲁棒性，驾驶风格各异的人因工程协同性；
b. 极端工况下的失效模式和冗余容错控制策略；
c. 线控转向系统样机的实车装载与实车性能验证，为市场推广与应用奠定基础；
d. 考虑复杂工况，满足良好的操纵稳定性与车辆驾乘人员舒适性感受的线控转向系统的操稳分析和评价指标；
e. 随着汽车电动化进程的发展，整车电器元件和功率进一步增加，整车电源电压易出现波动，影响线控转向作动器的伺服控制精度，因此需开展更高电压的车载电源（如48 V车载电源）供电下的线控转向系统的设计与控制研发。
 
本文参考：汽车技术-汽车线控转向系统研究进展综述(陈俐,李雄等著)整理所得
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