汽车转向控制 / 线控转向介绍——控制技术——智能驾驶专栏

汽车转向控制是通过驾驶员操作转向机构，将转向力矩传递至转向执行机构，最终实现车轮偏转和车辆行驶方向调整的核心系统，保证了车辆转向的精准性、稳定性和轻便性。

1 转向控制系统的核心组成

汽车转向控制系统，属于电动助力转向（EPS）系统的一种进阶架构，融合了传感器、电控单元和执行机构，实现精准的转向控制

1.1 信号采集层

方向盘端传感器：压力传感器：检测驾驶员施加在方向盘上的转向力矩；

角速度传感器：捕捉方向盘转动的速度；

角位移传感器：测量方向盘转动的角度。这些信号共同反映驾驶员的转向意图。

摄像头：属于环境感知设备，可识别道路标线、障碍物等，为智能驾驶（如车道保持辅助）下的转向控制提供环境信息。

1.2 信号处理与决策层

处理模块：接收方向盘传感器信号和摄像头的环境信号，进行初步的数据融合与处理，再将信息传递给整车控制器和控制器。

整车控制器：是车辆的核心控制单元之一，可协调转向系统与制动系统等其他整车系统的工作，实现多系统协同控制（如转向与制动配合的稳定性控制）。

控制器（EPS ECU）：根据处理模块的指令，结合车辆状态（如车速，图中未画出车速传感器但属于常规配置），计算出电机所需的助力扭矩和动作指令。

1.3 执行层

驱动器：接收控制器的指令，将电信号转化为可驱动电机的功率信号。

电机：根据驱动器的指令输出助力扭矩，通过减速机构放大扭矩后，驱动齿轮齿条式转向器。

齿轮齿条式转向器：将电机的旋转运动转化为齿条的直线运动，通过横拉杆带动转向节，最终使左右车轮偏转，实现车辆转向。

2 线控转向系统结构及工作原理

智能汽车线控转向系统结构如图所示。其中SBW系统由五个主要模块 组成，用于控制车辆转向的方向盘模块、用于对路感进行实时反馈的路感模拟 电机模块、用于接收来自控制器电流的转向执行电机模块、以及用于实现车轮 横摆运动的齿轮齿条模块和转向轮模块。

线控转向系统的工作原理和传统转向系统有所不同。汽车转向时，控制器可计算出转向执行电机电流大小，并将电流信号传递给转向执行电机，使转向电机输出合适的扭矩。进而齿轮齿条机构运动，带动前轮扭转，实现车辆的转 向。同时，根据路面情况不同，路感电机模拟出符合行驶状态的力矩，帮助驾驶员感知路面状态信息。

2.1 驾驶员控制模式下的工作原理：

首先转向输入,当驾驶员转动转向盘时,转向盘总成 中的转角传感器和力矩传感器会输出相应信号,同时与整 车相关的如车速、横摆角速度、侧向加速度等信号也同步 通过数据总线传输给SBW系统控制器。

其次转向输出,根据设计好的前轮转角控制算法, SBW控制器得到前轮转角控制信号,其信号最终传递到 转向电机,由转向电机驱动转向器,从而控制转向车轮输 出目标转角。

最后转向反馈,SBW控制器可通过获取转向电机的 助力电流大小,根据设计好的路感反馈算法,确定需要的 转向回正力矩,并将其传递给转向盘总成中的路感电机, 路感电机产生相应的回正力矩,从而使驾驶员获得一定的 路感反馈。

2.2方向盘模型

方向盘模块包含方向盘、转角传感器、转矩传感器、路感电机及传感器。 驾驶员转动方向盘，转角转矩传感器会接受到方向盘转角以及转矩信息，传递 给中央控制器。

根据受力状态，建立对应的动力学模型，如下：

线控转向系统没有了转向柱的存在，车辆在转向过程中地面的情况不能及 时反馈给驾驶员。因此路感电机的作用是根据路面的实际情况，将路感实时的 反应给驾驶员，从而使驾驶员能够感知道路情况并做出最佳的转向选择。根据 对应的动力学模型，建立路感电机以及减速器的动力学模型：

路感电机采用的是直流电机进行控制，根据克希霍夫定律，电机的电势平 衡方程如下所示：

电磁转矩方程为：

可建立仿真模型如下：

2.3转向执行机构模型

如图所示，转向执行机构是线控转向系统中的核心模块，它控制着前轮 的转向。转向执行机构由转向执行电机、前轮转角模块组件、前轮转角传感器、 齿轮齿条机构等部分组成

方向盘模块将数据输出给中央控制器，控制器将数据转换成电信号的形式 传递给转向执行电机，转向执行电机运转驱动齿轮齿条机构，进而带动车轮进行转向操作。

根据动力学平衡方程，可得转向执行电机部分的微分方程：

齿轮齿条通过转向电机的带动进而工作，将电机的旋转运动转换为齿条的 横向运动，进而带动车轮进行转向。根据动力学平衡方程，可得齿轮齿条机构 部分的微分方程：

前转向轮是通过齿轮齿条的横向运动来推动转向的。根据动力学平衡方程 可知前转向轮机构的微分方程：

可建立仿真模型如下：

2.4 SBW系统容错控制结构及软硬件容错

硬件容错是通过对重要部件及易发生故障的部件进行 备份,提高系统容错性能,如对电机、传感器、ECU、电源、通 信网络等易发生故障的硬件部分进行备份设计,备份的装置 可以实现与原装置一样的功能,备份的装置可以与原装置同 时工作,也可以一个工作而另一个处于待命状态。

软件容错是依靠控制器的容错算法来提高整个系统的冗余度,从而改 善系统的容错性能,对故障后剩余正常工作的转向系统装置 进行控制,当部分装置故障时,通过实时数据采样,定位故障 类型与位置,进而整合剩余正常工作的装置,互相协同工作, 达到正常工作状态。

3 控制策略

3.1 双闭环模糊PID齿条位移跟踪控制策略

底层控制策略要准确、快速地实现驾驶员的转向意图。本文中的系统的输出变量为齿条位移S，影响齿条位移的主要变量是电机转矩Tm，所以采用双 闭环控制策略进行齿条位移跟踪控制。内环对齿条 速度进行控制，从而控制电机转矩，外环对齿条位 移进行跟踪，以提高控制精度和稳定性，总体控制框图如图所示。

模糊PID控制的核心是模糊逻辑，它通过模糊 规则来映射输入变量到输出的关系，从而实现PID参 数的实时调整。

选择PB(正大)、PM(正中)、PS(正小)、 ZO(零)、NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)作为语言 变量来构建模糊规则。在PID控制器中，Kp决定了 控制器对当前误差的响应强度，增大Kp会使系统响 应更快，但如果Kp过大，可能导致系统产生较大的 超调和振荡；Ki的目的是消除系统的稳态误差，确 保系统最终能达到目标值，增加Ki会加快消除稳态 误差的速度，但如果Ki过大，可能导致系统不稳定 和振荡。Kd的目的是预测误差的变化趋势，从而对 控制器输出进行修正，减小误差变化的速度。综上 所述，PID参数的模糊规则可归纳为下表

HIL台架仿真：

3.2 串级三闭环控制策略

串级三闭环控制系统的设计特点和优势是：

1. 将系统主要干扰输入包含到内环回路中，具有超前控制作用，可以有效抑制干扰；

2. 外环控制器设计通常以良好的动态性能和鲁棒性作为目标进行‘细调’，内环控 制器通常以系统的稳定性作为设计目标同时尽量改善快速性；

3. 串级三闭环控制系统相较于单闭环PID控制系统工作频率更高，振荡周期更小， 调节时间更短，快速性更强。

仿真模型搭建：

3.3 模糊自适应PID控制策略研

模糊控制以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础，如图所示， 使用模糊集合论把专家知识和操作人员经验编写成模糊规则表，把输入信号模糊化并 依据规则表完成模糊推理，将推理结果解模糊化作为模糊控制器的输出，具有适用性 强和鲁棒性高的优点

模糊自适应PID控制策略结构示意如图所示

仿真模型搭建：

3.4 基于模型预测的车辆横向控制

3.4.1 模型预测控制原理

模型预测控制是一种求解开环最优控制问题的算法，其原理如图3.1所示。 在任何采样时刻获得被控对象的当前状态，与参考状态进行误差计算，结合性能 指标和系统约束得到最优解，最优解就是下一采样时刻的输出值；通过滚动优化 方式，在每一个采样时刻都进行相同的操作，并且输出值会根据不同采样时刻获 取的状态和信息的不同而进行优化。

根据模型预测控制的原理，可以将模型预测控制的整体过程拆散成三个组成部分：预测模型、滚动优化、反馈校正。

3.4.2 车辆转向控制器设计

自动驾驶车辆通过车载传感器获得车辆自身状态、道路信息和周围环境等 信息。摄像头能够拍摄车道线并进行灰度化、鸟瞰视角转换等手段，计算出道路 曲率等信息.通常基于模型预测的横向控制以横向速度、横摆角速度为状态量，前轮转角为控制量，而这种控制方式只考虑了车辆的横摆特性而忽略的侧倾 特性，更是无法适应复杂道路；在弯道行驶时，道路的曲率对车辆的稳定性有很的影响，在建立状态空间时，也需要考虑道路曲率的影响。

因此，本章提出 一种基于模型预测控制的车辆横向控制策略，根据车载传感器获得的状态信息， 以横向速度、侧向距离偏差、横摆角偏差和横摆角速度为状态量，前轮转角为控 制量，横摆角速度为附加量；通过求解最优前轮转角使车辆保持在车道内行驶。 考虑道路曲率和侧倾特性的车辆横向控制器原理如图所示。

4 线控转向系统故障形式

在智能车辆系统中，传感器与执行器是保障车辆安全、稳定运行的核心部件。 本文主要针对传感器和执行器进行故障分析，传感器包括转角传感器、扭矩传感器， 执行器主要为转向电机，同时也将路感电机考虑在内，具体内容见下表。准确把握失效模式能实现快速、精准的故障诊断。

在SBW系统中传感器与执行器出现问题时，所暴露出的故障表现形式所对应 的汽车安全性等级如下表所示。表中展示了在SBW系统中，传感器与执行器的 各类故障表现，并根据严重度、暴露度及可控性来评估ASIL等级

总的来说系统功能失效主要表现为以下几种情况： （1）系统功能完全丧失，启动后没有任何响应，无法正常工作； （2）系统功能出现偏差，启动后提供的功能与预期不一致，可能超出、低于 或与预期相反； （3）系统出现非预期功能，启动后表现出与设计目标不同的功能； （4）系统卡死，启动后进入某种状态不变。线控转向系统的主要失效因素包括：

1. 软件失效：可能由编程错误、算法缺陷或数据处理不当引起，导致控制逻辑混 乱、响应延迟甚至系统崩溃。

2. 硬件失效：涉及传感器失灵、执行器故障等物理设备故障，影响系统正常工作 或性能。

3. 通讯失效：信号丢失、干扰等问题导致控制器无法接收传感器信号或执行器无 法接收控制指令。

4. 电源失效：电压不稳、断电等问题影响系统正常供电，可能导致系统无法正常 工作或性能下降。

根据故障发生时所造成的后果对其划分SBW故障危害等级：

基于SBW 系统可靠性以及失效模式及影响分析，对故障优先等级进行划分。 无论执行器是否出现故障，当传感器出现故障时会给出错误的参数信息，导致ECU 发出错误的转向执行控制信号。所以应首先判断传感器是否故障为第一优先级，然 后再判断执行器故障与否。诊断流程如下：

5 总结

汽车转向控制正朝着智能化、电子化方向快速发展。

技术上，线控转向技术逐步普及，它取消机械连接，以电信号控制，响应更快、设计更灵活，如蔚来 ET9 的线控转向系统可智能调整转向比。电动助力转向系统也在升级，从 C-EPS 向 DP-EPS 和 R-EPS 发展。

智能化方面，转向控制与智能驾驶深度融合，能实现更精准的转向力矩控制，还会应用更多智能控制技术，如自适应转向系统。市场上，随着新能源汽车和智能驾驶技术发展，市场规模持续增长，国产替代也在加速。