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一、概述

線控技術(shù)源于飛機(jī)控制系統(tǒng)，1972年NASA推出應(yīng)用，對比傳統(tǒng)的機(jī)械和液壓系統(tǒng)，線控系統(tǒng)顯著提高了飛機(jī)的性能，而1960年首次應(yīng)用在汽車上發(fā)展到現(xiàn)在正逐漸走向商業(yè)化?！緛碓矗郝犯心M器研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢】汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由方向盤總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成和主控制器(ECU)三個(gè)主要部分以及自動防故障系統(tǒng)、電源等輔助系統(tǒng)組成?！緛碓矗?60】。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及功能如圖1所示，其中：上層反饋器有路感模擬、角度控制、機(jī)械鎖止功能；下層執(zhí)行器有角度控制、冗余控制等 ?！緛碓矗郝犯心M器研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢】

二、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)研究人員對駕駛模擬器轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的反饋力矩進(jìn)行了研究。

宗長富等利用大型動態(tài)駕駛模擬器研究了不同車速和側(cè)向加速度下駕駛員偏好的方向盤反饋力矩特性，可為汽車轉(zhuǎn)向助力特性設(shè)計(jì)和線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力感模擬提供依據(jù)。

鄭宏宇等通過對車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)反饋力矩的理論分析，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感模擬方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，反饋力矩模擬能明顯提高駕駛員的駕駛路感，提升車輛的操縱穩(wěn)定性和舒適性。

羅石等根據(jù)實(shí)車傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力傳遞特性提出了一種方向盤反饋力矩建模思路，并據(jù)此建立了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)反饋力矩控制模型，通過試驗(yàn)表明控制模型能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向力感模擬需求。

齊健華對小型駕駛模擬器轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力矩反饋進(jìn)行了研究，通過建立簡化的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型，對設(shè)計(jì)的駕駛模擬器轉(zhuǎn)向系統(tǒng)反饋力矩進(jìn)行了功能驗(yàn)證，結(jié)果表明，反饋力矩系統(tǒng)可以提供理想的手感。

姚垠國對開發(fā)的 ADAS 駕駛模擬器轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感進(jìn)行了研究，通過對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和輪胎進(jìn)行建模，建立了反饋力矩模型，并在低速和高速工況進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明，在不同車速下轉(zhuǎn)向模型均能滿足路感模擬要求。

黃茫茫、張微微利用多體動力學(xué)軟件 Vortex 和 ADAMS，在 Creator 中建立了虛擬地形，對駕駛模擬器方向盤的實(shí)時(shí)力感進(jìn)行了研究，確定了轉(zhuǎn)向反饋力矩計(jì)算模型中的相關(guān)參數(shù)值。

鄭杭通過對方向盤反饋力矩產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，確定了反饋力矩模型的組成部分，進(jìn)一步確定了轉(zhuǎn)向力感影響參數(shù)，從而建立了力感反饋模型，并通過設(shè)計(jì)電機(jī)電流控制算法，在駕駛模擬器上實(shí)現(xiàn)了實(shí)車力感的模擬。

劉彥琳通過建立線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力學(xué)模型和輪胎模型等，設(shè)計(jì)了路感模擬控制器，并通過搭建的硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺對提出的路感控制策略進(jìn)行了有效性驗(yàn)證，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的控制算法對路感的模擬滿足駕駛員的偏好特性。

邱緒云等通過分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和輪胎的力學(xué)特性，搭建了兩者的動力學(xué)模型，并通過 PID 算法對建立的力矩反饋模型進(jìn)行優(yōu)化，使得設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)滿足路感模擬需求。趙林峰等[31]將方向盤的反饋力矩設(shè)計(jì)成與車速、方向盤轉(zhuǎn)角、側(cè)向加速度相關(guān)的函數(shù)并通過某車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零部件公司提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)辨識，單獨(dú)設(shè)計(jì)了摩擦、阻尼、限位和主動回正四個(gè)部分的力矩，共同構(gòu)成了方向盤反饋力矩模型。

任夏楠等為了得到不同駕駛員和行駛工況下的理想方向盤反饋力矩進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了理想方向盤反饋力矩模型。

王俊等運(yùn)用多變量模糊控制技術(shù)來研究方向盤的反饋力矩，模糊控制器的輸入是方向盤的轉(zhuǎn)角、側(cè)向加速度和車速，輸出是方向盤反饋力矩。

唐昉在研究方向盤反饋力矩時(shí)，通過綜合考慮方向盤轉(zhuǎn)角、車速、側(cè)向加速度、和路面屬性等對方向盤反饋力矩的影響，設(shè)計(jì)了模糊控制器，并將其用在駕駛模擬器上進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)吻合。

姜玉瑤建立了基于靜態(tài) BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和動態(tài) NARX 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種方向盤反饋力矩模型并進(jìn)行了對比試驗(yàn)，結(jié)果表明基于后者設(shè)計(jì)的方向盤反饋力矩模擬效果更好。

吉林大學(xué)的田承偉設(shè)計(jì)了包含阻尼算法以及回正算法的路感控制算法和基于理想傳動比的橫擺角速度反饋的主動轉(zhuǎn)向控制算法，并通過吉林大學(xué)自主研發(fā)的駕駛模擬器進(jìn)行硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)對其設(shè)計(jì)的策略進(jìn)行驗(yàn)證。

鄭宏宇博士提出了采用動力學(xué)算法利用卡爾曼濾波觀測器對轉(zhuǎn)向器齒條力進(jìn)行估計(jì)并設(shè)計(jì)了駕駛員喜好的路感，利用模糊控制對理想傳動比進(jìn)行修正，并設(shè)計(jì)了動態(tài)反饋校正控制策略。

合肥工業(yè)大學(xué)的陳無畏通過觀察轉(zhuǎn)向盤力矩特性的影響因素，提出了一種方向盤力矩模型，并利用駕駛員偏好轉(zhuǎn)向盤力矩的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型中的參數(shù)進(jìn)行了辨識，采用自適應(yīng)PID控制算法對路感電機(jī)進(jìn)行控制，并通過仿真分析驗(yàn)證了所提出轉(zhuǎn)向盤力矩模型的有效性。

北京理工大學(xué)的于蕾艷等人研究了轉(zhuǎn)向剛度力矩、由側(cè)向加速度引起的轉(zhuǎn)向盤回正力矩、由輪胎回正力矩引起的轉(zhuǎn)向盤回正力矩及轉(zhuǎn)向阻尼力矩四種力矩，提出根據(jù)四種力矩組合的轉(zhuǎn)向盤力反饋控制策略，模型中的參數(shù)由駕駛員的主觀評價(jià)來確定。

劉永則將回正力矩看作輪胎拖距造成的回正力矩與由于主銷內(nèi)傾與內(nèi)移造成的回正力矩兩部分之和，該模型簡單、不存在摩擦力矩干擾，得到的轉(zhuǎn)向盤回正力矩較為真實(shí)。

清華大學(xué)季學(xué)武和上海大眾合作研發(fā)了基于線控系統(tǒng)的可定制化路感反饋技術(shù)研究取得了初步進(jìn)展。

上海交大結(jié)合車速和車輛輪胎阻力矩等信息設(shè)計(jì)利用a函數(shù)曲線，b神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，c模糊控制的最優(yōu)控制器等控制算法來設(shè)計(jì)路感反饋控制器算法，并通過二自由度模型CARSIM和臺架試驗(yàn)?zāi)M。

江蘇大學(xué)的羅石教授設(shè)計(jì)了電流與速度的模糊反饋控制算法來實(shí)現(xiàn)路感模擬與方向盤回正，并利用傳感器以及卡爾曼濾波狀態(tài)觀測器對車身姿態(tài)預(yù)測，并設(shè)計(jì)了前輪轉(zhuǎn)角跟蹤算法并進(jìn)行仿真試驗(yàn)驗(yàn)證

2.2國外研究現(xiàn)狀

豐田集團(tuán)的研究學(xué)者采用狀態(tài)觀測器和曲線擬合方法來完成齒條力預(yù)估，并在臺架對各種工況進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)

果模擬出的路感合理性較高，貼近傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向獲得的路感，證明該方法的可用性較高 。

現(xiàn)代集團(tuán)的Sungwook等學(xué)者通過對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析，完成動力學(xué)建模，并結(jié)合參數(shù)曲線擬合的方法完成了路感模擬，仿真結(jié)果表明該方法在一定的工況下可以獲得駕駛員期望的路感。在此基礎(chǔ)上，Soobo Park等學(xué)者開發(fā)出了具有兩種控制方法的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原型樣機(jī)，并進(jìn)行了臺架試驗(yàn) 。

雷諾集團(tuán)的Julien等學(xué)者基于輪胎的回正力矩和方向盤手感之間的關(guān)系建立了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)模型，并結(jié)合參

數(shù)曲線擬合方法設(shè)計(jì)了路感模擬策略，為了保證系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性，采用了閉環(huán)控制方法，最后進(jìn)行了整車試驗(yàn)，結(jié)果表明該路感模擬策略和閉環(huán)控制策略對路面的干擾具有一定的魯棒性和穩(wěn)定性。

TNO公司的Robert為實(shí)現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感模擬的低速輕便性和高速穩(wěn)定性能，采用SBW動力學(xué)建模的方法，并結(jié)合傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感試驗(yàn)數(shù)據(jù)來優(yōu)化線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感模擬，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證該方法可以還原傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感 。

日本的Shoji Asai、Hiroshi Kuroyanagi 等針對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提出了路感模擬的方法，該方法使用干擾觀測器估計(jì)施加在齒條上的力矩，能夠良好地模擬轉(zhuǎn)向路感 。

三、技術(shù)相關(guān)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是駕駛模擬器操縱系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，一方面要通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖發(fā)送至車輛動力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向；另一方面也要通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將輪胎與路面的接觸信息傳遞給駕駛員，實(shí)現(xiàn)路感的模擬和方向盤的回正。

1.力矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)

• 彈簧：成本低，效果差，較便利
• 液壓：成本高，效果好，不便利
• 氣壓：成本中，效果差，不便利
• 電機(jī)：成本中，效果好，中便利

2.路感力矩反饋估計(jì)

• 模擬傳統(tǒng)的車輛機(jī)械系統(tǒng)，通過車速、側(cè)向加速度和橫擺角速度等，建立與路感相關(guān)的動力學(xué)模型。路感真實(shí)，但模型復(fù)雜。
• 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原則，通過車輛狀態(tài)參數(shù)【車速、方向盤轉(zhuǎn)角和側(cè)向加速度等】與方向盤反饋力矩的映射關(guān)系。得到一個(gè)以車輛狀態(tài)參數(shù)為輸入、方向盤手感為輸出分段函數(shù)。路感真實(shí)度欠佳，但標(biāo)定的可操作性較強(qiáng)且靈活。
• 傳感器電流測量或者實(shí)際測量齒條力，基于線控轉(zhuǎn)向動力學(xué)模型，實(shí)驗(yàn)標(biāo)定力矩。