基于LabVIEW与Trucksim联合仿真的地面转向阻力跟踪策略

姚俊明, 朱永强*, 马瑞兰, 季学武, 陶书鑫, 宋瑞琦, 刘玉龙

(1.青岛理工大学机械与汽车工程学院, 青岛 266520；2.清华大学汽车节能与安全国家重点实验室，北京 100084)

在车辆的行驶过程中，及时准确地将地面转向阻力即路感反馈给驾驶员会对驾驶员方向的预判和转向的控制有极大的帮助。如果不能及时反馈地面转向阻力矩，或者跟踪精度不够的话，则地面反馈给驾驶员的手力矩特性会处于变化状态,驾驶员无法清楚地感知所驾驶车辆转向系统的操纵特性，易造成驾驶员疲劳和产生驾驶时的紧张情绪，从而导致不必要的交通事故[1]。中外许多学者对跟踪车辆地面转向阻力矩有着系统全面的研究，常用的有半经验公式以及数学模型[2-6]。文献[7]中使用力矩直接反馈控制策略，但这种算法对方向盘转向阻力矩的变化感知不及时，转向时施加的操作力矩完全取决于目标力矩的设定值，这个目标值要根据负载、路面不同等情况进行调整否则容易丧失路感。文献[8]中，根据经验公式和理论分析设计了随车速变化的可变助力曲线。但该方法的缺点是不能实时的观测阻力矩变化情况。文献[9]中在线性二次型最优自适应控制算法(linear quadratic regulator, LQR)基础之上设计了一种转向阻力识别算法,既保证了系统良好操纵性性,又能反馈合适的路感。

在MATLAB/Simulink中搭建正交编码传感器的解析模块，通过dSPACE在线解析方向盘转角然后通过CAN(controller area network)线发送给LabVIEW的CAN接收模块、LabVIEW通过移位寄存器被调用将前轮转角发给Trucksim车辆模型进行仿真实验，LabVIEW将Trucksim产生的前轮地面转向阻力矩通过拉压力传感器进行收集，并且控制PXI(PCI extensions for instrumentation)产生模拟电压输入信号(analog input,AI)经过伺服电机的换算生成模拟的地面转向阻力并将两者进行对比。

1 车辆模型的建立

为了求出汽车在正常行驶时产生转向时所需的回正力矩[10]，需对整车进行分析，考虑到轮胎的模型非常复杂，在不同的驾驶情况下、品牌不同的轮胎受到的载荷也不完全相同，例如：当车辆静止不动原地转向时，轮胎此时受到的阻力最大，在车辆正常行驶时，轮胎由于自身的弹性和路面的影响，阻力将发生变化，车辆在高速行驶时前轮转角仅仅发生小角度变化，轮胎作纯滚动运动[11]。为了验证商用车地面转向阻力的跟踪情况，选取两轴商用车建立二自由度车辆模型，如图1所示，以方向盘转角作为解析模块的输入值，经过 Simulink与dSPACE 的解析成为前轮转角作为输入变量输送给LabVIEW。以前轮地面转向阻力矩作为输出变量。

图1 二自由度车辆模型

为便于分析作出以下假设。

(1)汽车在中高车速转向时，转向阻力矩主要是转向前轮绕主销的回正力矩。

(2)车辆侧向加速度始终在0.4g(g为重力加速度)以内，保证轮胎侧偏特性属于线性范围，忽略左、右车轮轮胎由于垂直载荷的变化而引起的轮胎侧偏特性的影响。

(3)车辆的前进速度u视为不变，为一个常量(40 km/h)。

(4)驱动力不大，不考虑地面切向力对轮胎侧偏特性的影响，忽略空气阻力的影响。

由文献[12]可以得出二自由度车辆动力学模型为

(1)

式(1)中：m为整车质量；ay为质心处的侧向加速度；Iz为汽车绕z轴的转动惯量；ωr为质心处的横摆角速度；lf、lr分别为汽车质心到前后轴的距离，kf；kr分别为汽车前轮和后轮的侧偏刚度；αf、αr分别为汽车等效前轮和后轮的侧偏角。

由汽车运动学关系可得

(2)

(3)

汽车稳定性因素为

(4)

式(4)中：l=lf+lr，为汽车轴距；r为转向半径。一旦车型选定，则K也就为常数。

由式(2)～式(4)，得出前轮偏角为

当前的主要研究是在将地基视为弹性地基的基础上开展的，研究地基与基础板的弯曲接触作用。JIA等[1]采用Hankel逆变换分析了Winkler地基上的水泥混凝土路面的位移和应力。Yas等[2]基于三维弹性理论研究了弹性地基上的矩形纤维增强板的振动特性。王春玲等[3]、何芳社等[4]分别采用傅里叶变换和Fourier-Bessel级数研究了层状弹性地基及横观各向同性弹性地基与板的相互作用问题。Akavci[5]分析了弹性地基上简支功能梯度夹层板的自由振动和失稳特性。

(5)

式(5)中：

当汽车载荷确定时，A、B都是与前轮转角δf和车速无关的常数。

通过式(5)，可得

(6)

式(6)中：Ff为作用在前轴上的轮胎侧偏力，可知由侧偏力产生的回正力矩Tz为

(7)

式(7)中：t为轮胎拖距，t=0.08 m=80 mm。

将式(5)和式(6)代入式(7)中，可得出等效回正力矩为

(8)

汽车在较高车速转向时，转向阻力矩主要为转向前轮绕主销的回正力矩，即前轮转向阻力矩为

(9)

2 正交编码传感器的信号解析

以方向盘作为解析输入，但是希望用前轮转角进行仿真，而前轮转角通过对正交编码器的解析获得，为了对正交编码传感器测得的值进行解析，在上位机MATLAB/Simulink中搭建解析模块，将搭建好的解析模块通过一根网线以编译的形式下载到dSPACE的配套软件 controldesk中，controldesk可以在解析的过程中实时观测解析的信号，具体的解析模块如图2所示。

图2 正交编码传感器解析模块

读取编码器的数据一般有三种方式：①专用硬件模块；②I/O口中断处理；③普通I/O口读取并处理。从前往后，需要的计算资源依次增大，但通用性也依次增加，本文主要是通过专用硬件模块对正交编码传感器的脉冲电路进行解析，用来捕获正交编码信号。dSPACE与正交编码传感器相连，并且向正交编码传感器供电，在正交编码器工作时，正交编码传感器向dSPACE发送两个占空比输出信号：A相和B相，A相是位置信号，B相是速度信号，有些编码器会有Z相的校准功能(用于消除累计误差)。正交编码传感器用于检测并发送旋转运动系统的位置和速度信号。dSPACE 对占空比信号A相和B相进行捕获，捕获A相和B相的上升沿个数，一般情况下A相和B相的输出信号总是有π/2的相位差，这样的话会有源源不断的信号输出，并且根据正转反转时A相和B相的到达顺序不同，这样就可以判断出来摇臂轴的正反转。其中位置信号负责记录发送脉冲的数目，根据传感器的手册可知一个脉冲代表着多少物理值，本次设定值是每发送一个脉冲信号代表着传感器转动 0.025 mm，解析的第一步就是将发出的脉冲个数转化成位移信号，第二步是将传感器位移信号转化成弧度信号，即

x=rθ

(10)

式(10)中：x为位移；r为摇臂轴半径；θ为摇臂轴转动的弧度。

由式(10)可以推出摇臂轴转动的弧度，第三步是将弧度信号再转化为角度信号，此时的角度就是前轮转角。

解析后的前轮转角被CAN发送模块通过CAN线发送给LabVIEW的接收模块。

3 LabVIEW与Trucksim联合仿真

在MATLAB/Simulink 中完成信号解析后需要发送给 LabVIEW 进行Trucksim与LabVIEW的联合仿真，dSPACE与LabVIEW之间是用CAN线进行通讯，在进行仿真之前需要对CAN的配置作一些设定，以保证两端的正常通讯，LabVIEW的CAN接收模块如图3所示。

图3 LabVIEW的 CAN 接收模块

考虑到车轮转角是有正负之分的，所以 CAN 协议里面采用有符号整形数，在精度方面精度设置为0.01，但是CAN发送器只能传输整形数，为了将采集的角度转化为整形数，在发送端和接收端都添加一个增益模块，考虑到商用车的车轮转角在100 度左右，为了满足精度的要求，在CAN协议里面设置为16位量程，其最大存储量能达到655 36位，除此之外将两端的ID号进行对应。

如图4所示，发送过来的车轮转角在 LabVIEW内部被调用作为输入变量通过移位寄存器发送给LabVIEW内部所搭建的Trucksim模型，Trucksim通过自带的求解器进行运算，具体的运算过程就是阻力矩的推导过程，Tricksim模型为两轴商用车，选择路面信息和工况设置，为了验证跟踪的效果，最后将输出变量以索引数组的方式分别将方向盘转角和总的阻力矩之和调用出来。

图4 LabVIEW 与 Trucksim 仿真模块

如图5所示，Trucksim计算出的左右阻力矩之和被调用，然后经过比例换算关系之后会通过PXI的模拟口产生模拟信号，这个模拟信号会生成相应的模拟AI电压，AI电压通过PXI的物理通道控制伺服电机产生模拟阻力矩被PXI模拟采集口采集生成路感反馈给驾驶员。对比调试模块主要就是将Trucksim实际生成的阻力矩和LabVIEW模拟的阻力矩做对比。

图5 阻力矩对比调试模块

4 仿真实验

随着虚拟仿真技术的应用和市场的快速发展，汽车零部件厂商和整车制造商为了加快开发新产品速度以适应市场发展的需求，汽车系统测试试验台成为如今汽车研究必不可少的工具[13]。如图6所示则是本次实验所用到的实验台，为了验证提出的地面转向阻力跟踪策略的跟踪性能，利用所搭建的电液耦合转向系统实验台做仿真实验，电液耦合转向系统试验台由硬件设备和软件两部分组成，其中硬件主要有电动液压泵、电液耦合转向机、机械系统和阻力模拟系统、实时仿真平台，软件主要有MATLAB/Simulink、Trucksim-RT、LabVIEW。通讯部分使用dSPACE，PXI/CAN通讯。

本次实验的设计思路如图7所示，首先是用Simulink模型对方向盘转角进行解析，上位机通过编译的形式将解析模型下载到dSPACE，dSPACE的配套软件 controldesk可以实时观测解析后的车轮转角，通过CAN的发送器将解析的前轮转角发送给LabVIEW的CAN接收端，然后前轮转角在LabVIEW内部被调用通过移位寄存器用来实现LabVIEW与Trucksim的联合仿真，最后将通过PXI控制伺服电机产生的模拟阻力被拉压力传感器采集与Trucksim实际生成的阻力矩作对比。

图7 实验思路

实验过后分别采集方向盘转角、正交编码传感器解析后的车轮转角即TruckSim输入的前轮转角、TruckSim输出的总阻力矩和TruckSim实际产生的阻力矩和模拟的阻力矩。实验结果如图8所示。

图8 实验结果

从图8中可以看出，采用Simulink模型通过 dSPACE对方向盘转角的解析值和实时显示的前轮转角变化范围是一致，两者之间相差一个实验台架传动比，具体表现为呈线性关系，高精度的设置保证了解析后的摇臂轴转角与LabVIEW中调用的前轮转角变化范围一致，输出的总的阻力矩范围符合商用车转向实际情况，模拟的地面转向阻力矩与Trucksim计算出的实际转向阻力矩具有一致性，两者的变化范围和幅值呈同步变化，其误差在允许范围内。

5 结论

为了解决商用车驾驶过程中转向力矩跟踪精度不高，反馈给驾驶员的路感出现偏差与滞后问题，通过选取两轴商用车二自由度车辆模型对Trucksim内置阻力矩的计算进行推导，采用高精度的正交编码传感器对方向盘转角进行解析，将解析后的前轮转角通过CAN发送器发送到LabVIEW的CAN接收模块，借助转向系统实验台实现LabVIEW与Trucksim的联合仿真。实验结果表明，LabVIEW通过控制PXI驱动伺服电机产生的模拟地面转向阻力矩能够很准确的跟踪上Trucksim输出的前轮地面转向阻力矩，证明所提出的跟踪地面转向阻力策略是可行的可信的，能够及时反馈给驾驶员适当的路感，为商用车转向系统助力的设计提供依据，和实验参考。