（检测技术与自动化装置专业论文）基于flexray总线的线控转向系统及其路感模拟研究.pdf

摘要 摘要 汽车线控转向系统( s t e e r i n g b y w i r es y s t e m ，简称s b w ) 取消了方向盘与 转向轮之间的机械连接，完全摆脱了传统转向系的各种约束限制，可以自由的设 计汽车转向系统的力传递特性和角传递特性，是汽车转向系统设计的一次飞跃， 已受到世界上绝大多数汽车制造商和研究机构的高度重视。由于方向盘与转向轮 之间没有刚性连接，这种系统在安全可靠性方面存在考验。f l e x r a y 总线是新一 代车载总线标准，具备高速、容错、实时、灵活等特性，主要应用于线控技术领 域，解决安全可靠性问题。基于f l e x r a y 总线的s b w 系统是汽车转向系统发展 的必然趋势。 本文首先介绍了汽车转向系统发展历程，总结出线控转向系统的结构特点和 控制方法；接着对f l e x r a y 总线协议进行了深入研究，掌握了该总线协议时间触 发通信原理，并基于p o w e r p c5 5 6 7 硬件平台实现了该协议：之后结合f l e x r a y 总线通信特征以及线控转向系统控制特点，提出了基于f l e x r a y 总线的线控转向 系统，包括路感模拟总成、f l e x r a y 通信、执行转向总成三部分，并设计了f l e x r a y 通信部分，进行了通信试验；随后对路感模拟总成部分进行研究，总结出利用车 速和方向盘转角估算路感力矩的方法，提出了模拟路感力矩方法和控制原理，基 于p o w e r p c5 5 6 7 硬件平台和g c o s i i 实时操作系统设计了路感模拟控制器，完 成了各功能模块的驱动开发；最后搭建了路感模拟总成试验台，完成了给定路况 下路感模拟试验。 f l e x r a y 通信试验表明，路感模拟总成和执行转向总成之间按照通信计划传 输数据，数据的传输时间确定，通道a 和通道b 传输相同的数据，断开其中一 个通道没有影响另一个通道数据传输，线控转向系统通信具备冗余容错能力。路 感模拟总成试验表明。给定路况下路感力矩与方向盘转角的关系符合汽车驾驶习 惯，验证了路感模拟控制方法的正确性，为线控转向系统的进一步研究奠定了基 础。 关键词：线控转向；f l e x r a y 总线：容错控制；安全可靠；路感模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t s t e e r i n g b y w i r es y s t e m ( s b w ) h a sc a n c e l e dm e c h a n i c a ll i n k a g eb e t w e e nt h e s t e e r i n gw h e e la n df r o n t w h e e l ，a n dg o t t e no u to fr e s t r i c t i n go ft r a d i t i o n a ls t e e r i n g s y s t e m ，s ow e c a n d e s i g nt h es t e e r i n gc h a r a c t e r i s t i cf r e e l y i ti sal e a pf o rt h ed e s i g no f s t e e r i n gs y s t e m ，a sm o s tc a rm a k e r sa n d r e s e a r c hi n s t i t u t i o n sp a i dh i g ha t t e n t i o nt oi t h o w e v e r ，t h e r ei sn or i g i d i t yl i n k a g eb e t w e e nt h es t e e r i n gw h e e la n df r o n tw h e e l ，t h e s b ws y s t e mh a sf a c e dm a n yc h a l l e n g e so nt h ea s p e c to fs a f e t ya n dr e l i a b i l i t y f l e x r a yi san e w l yg e n e r a t i o ni n t e r - v e h i c l eb u ss t a n d a r d ，c a nb ep r o v i d e dw i t hh i g h s p e e d ，f a u l t t o l e r a n t ，r e a lt i m e a n df l e x i b i l i t yc o m m u n i c a t i o n ，m a i n l yu s e di n x b y w i r et e c h n o l o g yf i e l dt o s o l v es a f e t y a n dr e l i a b i l i t yp r o b l e m s b ws y s t e m ， w h i c hb a s e do nf l e x r a yb u si sa ni n e v i t a b l et r e n di nt h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l e s t e e r i n gs y s t e m i n t h i st h e s i s ，w ei n t r o d u c e dd e v e l o p m e n tc o u r s eo fa u t o m o b i l es t e e r i n gs y s t e m ， s u m m a r i z e ds t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o lm e t h o do fs b ws y s t e m t h e n ，w e h a v em a d et h o r o u g hr e s e a r c ht of l e x r a yp r o t o c o l ，g r a s p e dt h et i m e t r i g g e r e d c o m m u n i c a t i o np r i n c i p l e ，a n dr e a l i z e di t ，o nt h eb a s i so fp o w e r p c5 5 6 7 a f t e rt h i s ， w eh a v ec o m b i n e dc h a r a c t e r i s t i c so ff l e x r a yc o m m u n i c a t i o na n ds b ws y s t e m c o n t r o l ，p u tf o r w a r das b ws y s t e mt h a tb a s e do nf l e x r a y ，w h i c hi n c l u d e dr o a d - f e e l s i m u l a t i o na s s e m b l y ，f l e x r a yc o m m u n i c a t i o na n de x e c u t et u m i n ga s s e m b l y w e h a v ed e s i g n e df l e x r a yc o m m u n i c a t i o nf o rs b w s y s t e m ，a n df i n i s h e dc o m m u n i c a t i o n e x p e r i m e n t s u b s e q u e n t l y ，w eh a v ef o c u s e do nr o a d - f e e ls i m u l a t i o n ，s u m m a r i z e da m e t h o du s i n gv e h i c l es p e e da n ds t e e r i n gw h e e la n g l et oe s t i m a t er o a d f e e lt o r q u e ，p u t f o r w a r dr o a d - f e e lt o r q u es i m u l a t i o nm e t h o da n dc o n t r o lp r i n c i p l e ，t h e n ，d e s i g n e d r o a d - f e e lc o n t r o l l e ru s ep o w e r p c5 5 6 7h a r d w a r ep l a t f o r ma n di t c o s i ir e a l t i m e o p e r a t i o ns y s t e ms o f t w a r ep l a t f o r m ，a n df i n i s h e dd r i v e r sf o re v e rf u n c t i o n a lm o d u l e f i n a l l y ，w eh a v ep u tu pr o a d - f e e l s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a lb e n c h ，a n df i n i s h e d r o a d f e e ls i m u l a t i o nt e s tu n d e rc e r t a i nr o a dc o n d i t i o n t h ee x p e r i m e n to ff l e x r a yc o m m u n i c a t i o ns h o w e dt h a td a t at r a n s m i s s i o n b e t w e e nr o a d f e e ls i m u l a t i o na s s e m b l ya n de x e c u t et u r n i n g a s s e m b l y i ss t r i c t a c c o r d i n gt o c o m m u n i c a t i o np l a n ，a n dt h ed a t at r a n s m i s s i o n t i m ei sd e t e r m i n a t e c h a n n e laa n dc h a n n e lbt r a n s m i tt h es a m ed a t a ，w h i l ed i s c o n n e c t i n go n eo ft h e m ， t h e r ei sn oa f f e c tt oa n o t h e rc h a n n e l t h es b ws y s t e mc o m m u n i c a t i o nh a s r e d u n d a n c yf a u l t t o l e r a n ta b i l i t y t h ee x p e r i m e n to fr o a d - f e e ls i m u l a t i o na s s e m b l y 北京工业大学工学硕士学位论文 s h o w e dt h a tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er o a d - f e e lt o r q u ea n ds t e e r i n gw h e e lu n d e r c e r t a i nr o a dc o n d i t i o nm e tt h ea u t o m o b i l i s mh a b i t , v a l i d a t e dt h ec o r r e c t n e s so fc o n t r o l m e t h o do fs i m u l a t i o nr o a d f e e l ，s oa st ol a yaf o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho f t h ea u t o m o b i l es t e e r i n g - b y - w i r es y s t e m k e yw o r d s ：s t e e r i n g - b y w i r e ；f l e x _ r a yb u s ；f a u l t t o l e r a n tc o n t r o l ；s a f e t y a n d r e l i a b i l i t y ；r o a d f e e ls i m u l a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：监一二日期：圭竺籼 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 皋色 导师签名： 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 汽车转向系统的发展 自从1 9 世纪末期，卡尔本茨发明世界上第一辆汽车开始，汽车已经伴随 了我们1 0 0 多年，在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。总结汽车转向系统 的发展历程，主要经历了以下几个阶段：机械转向系统、传统液压助力转向系统 ( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，简称h p s 系统) 、电动液压助力转向系统 ( e l e c t r o n i ch y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，简称e h p s 系统) 、电动助力转向 系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，简称e p s 系统) 。在提倡节能、环保的 2 l 世纪，一种新型转向系统已成为国内外研究热点，这就是线控转向系统 ( s t e e r i n g b y w i r e ，简称s b w 系统) 。 机械转向系统由转向盘、转向器和转向传动机构等组成，前轮转向的力仅由 驾驶员提供。在转向系统的设计中，存在转向“轻”与转向“灵”之间的矛盾， 即在低速行驶或急转弯时能以较小的手力进行转向操纵，在高速行驶时能以稍大 的手力进行转向操纵，使操纵性和稳定性到达较好的平衡点。为了解决这一对矛 盾，机械转向系统采用变传动比的转向器，这种设计存在两个问题【l j ：( 1 ) 转 向传动比不能随车速变化，变传动比的机械转向系统加工复杂并且机械效率比定 传动比低；( 2 ) 转向灵敏只在转向中心区有效，在转向盘大转角的时候，转向 会变得迟钝。此外，对于质量稍大的汽车，机械转向系统转向沉重。 为了减轻驾驶员的体力负担，在机械转向系统的基础上，增加了液压系统， 从而诞生了液压助力系统( h p s ) 。该系统借助于汽车发动机的动力驱动油泵， 以液压力增大驾驶员操纵前轮转向的力，这种系统一定程度缓和了转向“轻与 转向“灵”之间的矛盾。从2 0 世纪4 0 年代起使用至今，其运行稳定可靠，发展 相当成熟，但仍然存在以下缺陷：( 1 ) 该系统方向盘与转向车轮之间通过机械 系统连接，转向传动比固定，导致汽车的转向特性无法控制，传动比无法随车速 等参数的变化进行补偿；( 2 ) 油耗增大，在无需液压助力时，仍需要发动机提 供一部分动力来驱动油泵，保证液压油罐的油压，以备随时提供液压助力；( 3 ) 复杂的油路增大了液压系统的体积，占用了发动机舱空间，且存在漏油问题。 鉴于传统液压助力系统存在的问题，于是出现了电动液压助力转向系统 ( e h p s ) 【2 】。这种系统采用电机驱动液压助力泵，取代了传统液压助力系统由 北京工业大学工学坝十学位论文 发动机驱动液压助力泵的方式，解决了传统液压助力转向系统油耗增大的问题。 由于采用电机驱动助力泵，可以通过控制电机改变助力特性，从而驾驶员的转向 手力可以根据汽车行驶路况的变化而变化，改善了转向“轻与转向“灵 之间 的矛盾。电动液压助力系统降低了油耗，改善了助力特性，但仍然没有摆脱液压 油泄漏和体积庞大问题，这便推动了电动助力转向系统的出现。 电动助力转向系统( e p s ) 也是采用辅助动力转向的思想，与液压助力转向 系统不同的是辅助动力源由电机提供。该系统在机械转向系统的基础上增加了助 力电机、传感器和电子控制单元( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，简称e c u ) ，根据助 力电机安装的位置不同，电动助力转向系统分为转向柱助力式、齿轮助力式和齿 条助力式，与液压助力转向系统相比，有以下优势【3 】1 4 j ：( 1 ) 由于电动助力转向 系统的转向助力由电机直接提供，从控制的角度看可以更有效的提供助力特性， 进一步改善了转向系的力传递特性；( 2 ) 减少了液压系统，不仅解决了漏油带 来的环保问题，而且节省了汽车设计空间；( 3 ) 对不同路况、不同车型、不同 驾驶员所需的不同助力特性可以通过软件修改，安装也方便。从1 9 8 5 年日本丰 田克雷西达首次采用电动助力转向系统至今，电动助力转向技术已逐步应用于中 小型汽车。纵观e p s 系统二十多年的研究历程，由于受到系统结构的限制，其 性能并没有得到大幅度提升，仍然存在一些问题需要解决。随着电子技术、计算 机技术、自动化控制技术的飞速发展，汽车转向系也需要一次技术突破才能满足 用户对汽车易操纵性以及汽车智能化发展的总体需求。近年来，一些主要汽车研 发机构正在试图改变传统转向系统的结构，提出了线控转向技术( s b w ) ，以 迎合这种客观需求。 线控转向系统( s b w ) 取消了方向盘与转向执行机构之间的机械连接，两 者之间通过电信号相连，从根本上改变了传统转向系的结构。这种系统是汽车转 向系历史上的一次技术飞跃，主要有以下优点：( 1 ) 转向操纵力完全由电机提 供，节省了驾驶员的体力；( 2 ) 方向盘与转向执行机构之间没有刚性连接，路 面冲击力不会传递到驾驶员手上，不仅可以改变转向系统的力传递特性，还可以 改变转向系统的角传递特性，通过计算机控制使转向系统在转向“轻”与转向“灵” 之间达到更佳的平衡点：( 3 ) 方向盘与转向执行机构之间通过电信号连接，实 现了汽车转向系统的数字化，有利于汽车整体控制和车辆智能化设计：( 4 ) 将 转向系统一分为二的线控转向技术，安装更灵活，占用空间更小，有利于汽车底 盘一体化设计。 1 1 2 线控转向与f l e x r a y 总线 汽车线控转向是线控技术( x - b y w i r e ) 的一种，是未来汽车的发展方向， i 镕t 该技术来源于飞机制造，基本思想就是用电子控制系统代替机械控制系统。线控 转向技术将使传统的机械转向系统变成通过高速率容错通信总线与高性能控制 器相连的电气控制系统有利于汽车底盘综台控制系统的整合，将极大地提高车 辆的安全性、操纵稳定性和燃油经济性，是当前重点研究的汽车新技术。 总线技术是线控转向系统的关键技术之一p 】，为了适应线控转向技术对车载 总线的需求，2 0 0 0 年9 月，b m w 、d a i m l e rc h r y s l e r 联合f r e e s c a l e 、p h i l l i p 成立 了f l e x r a y 联盟，于2 0 0 5 年发布了针对汽车线控技术应用的f l e x p , a y 总线协议 规范及电气物理层规范，用于提高转向安全性、可靠性和操纵灵活性，该协议基 于时间触发和事件触发原理，采用双通道通信，具有速率高、支持容错、通信确 定、灵活和安全可靠的特点，己得到几乎所有的汽车制造商、零配件生产商和汽 车研究机构的广泛认可，部分f l e x r a y 联盟成员已经着手于f l e x r a y 总线在线控 转向系统中的应用工作。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外线控转向研究现状 汽车线控转向技术的提出最早可追溯到上世纪5 0 年代，美国天台( t r w ) 等转向系开发商就做了大胆的假设将转向盘与转向车轮之间用控制信号代替原 有的机械连接，限于当时的电子技术水平，直到6 0 年代末德国的k a s s e l m a n n 等设计才设计出与此类似的主动转向系统，这便是早期的线控转向系统。 随着计算机技术以及自动化控制技术的快速发展，1 9 9 0 年德国奔驰公司 开始了新一轮线控转向技术的研究并将开发的线控转向系统应用于概念车 f 4 0 0 c a r v i n g 如图1 1 所示”】。 圈 图l - 1f 4 0 0 c a r m g 概念车图l o z f 开发的线控转向系统 f 1 - 1f 4 0 0 c a r v m gc o n c e p t v e h i c l e f i gl f 2s b ws y s t e 【no f z f 1 9 9 8 年z f 公司也进行了线控转向系统的研发工作，目前已经有整套的线 | 匕n i m 镕z 控转向系统t 市，如图1 2 所示 】。d a i m l c r - c h r y s l e r 开发的电子驱动概念车 r 1 2 9 ，取消了转向盘、加速踏板和制动踏板，完全采用操纵杆控制，实现 了x b y w i r e 技术这种用操纵杆操纵的s b w 系统被列为2 0 0 0 年汽车十大新技 术之i s 。 2 0 0 1 年，意大利的b e r s t o n e 汽车设计及开发公司在第7 1 届日内瓦国际汽车 展览会上展示了新型概念车f i l o ，如图i 3 所示。其整体驱动均采用了线控 思想，转向、制动、换挡、离合、油门都是由线控系统控制的。 罔i - 3b e r s t o n e 线控驱动概念4图1 - 4h y - w i r c 概念车 f i g1 - 3 x b wc o n c e p t v e h i c l e o f b e r s t o n ef i gi - 4 h y - w i t ec o n c e p tv e h i c l e 2 0 0 2 年，通用公司在巴黎车展e 展示了h y w i r e 概念车如图1 - 4 所示。 这是世界e 第一辆可驾驶的燃料电池线控概念车。它取消了仪表盘、方向盘和制 动踏板，传统的这些操纵都由x d r i v e 设备代替。 2 0 0 3 年日本本m 公司在纽约国际车展上推出了l e x u s h p x 概念车。该车 采用丁s b w 系统仪表盘集成了各剃啦制功能，实现r j 气车的自动控制。 在欧洲，以d a i m e r c h r s l e r 、v o l v o 、f i a tf o r d e u r o p e 等汽车制造商、b o s c h 等汽车配件商和v i e n n a 、c h a l m e r s 等大学跌台发起的。x b y w i r e 项目组进行 了线控转向的实现以及安全可靠性方面的研究，如图1 - 5 所示h j 。 圈1 - 5 x b y w i r e 项目组线控转向原型 f i g1 - 5 x - b v - w i r e p r o t o t y p e 宝马公司的概念车b m w - z 2 2 上应用了。s t e e r i n g - b y - w i r e7 和 b r a k e b y - w i r e 技术，使转向盘的转动范围减小到1 6 0 ，使紧急转向时驾驶 镕1 $ 绪论 员的忙碌程度得到极大降低，减轻了驾驶员的负担。 除了以上这些知名汽车生产商外，高校也是线控技术研究的主力军。图1 6 是斯坦福大学研发的线控转向试验车l 。 图1 - 6 斯坦福大学线控转向试验车 f i gi - 6s b we x p e r i m e n tv e h i c l eo f s t a n f o r d u n i v e f s i t y 1 2 2 国内线控转向研究现状 国内对线控转向的研究起步较晚，而且只限于同济大学、武汉理工大学、清 华、吉林大学、北京工业大学、哈尔滨工业大学等几所高校的研究，其中，尤以 同济大学和吉林大学为主，目前还未见有国内企业参与这方面的研究。 2 0 0 5 年同济大学自主研发的春晖三号概念车，该车配备了动力蓄能 电池与小功率燃料电池，构成电一电混台动力系统，其转向和驱动均采用了线控 技术，如图1 7 所示吲。 图1 7 同济大学。春晖三号图1 - 8 吉林大学s b w 试验台 f i gi - 7 x b ws y s t e mo f t o n g j i u n i v e r s i t yf i g1 - 8s b we x p e r i m e n t b e n c h o f j i l m u m 目 吉林大学汽车学院的开发团队在线控转向方面投入了大量人力和财力，己经 取得一定成果并开发了线控转向试验台架，进行了路感模拟方i 吾i i 的研究，试验 n 京jn 学i 学m 十学位女 台结构图如图1 - 8 所不。 1 2 3f l e x r a y 总线在s b w 中的应用现状 随着2 0 0 5 年f l e x r a y 总线协议的公布，f l e x r a y 联盟的众多成员正在进行 f l e x r a y 总线的实际应用研究和相关芯片开发。其中瑞萨半导体率先展示出 f l e x r a y 通信控制器芯片，并开发了利用f l e x r a y 总线通信的线控转向系统演示 模型，如图l 9 所示【i ”。演示显示该系统转向轻便、灵敏，两个f l e x r a y 总线 通道起到了冗余作用，当一个通信通道出现断开情况下，另一个通道可以保证转 向的正确操纵。 蹦l 一9 瑞萨基于f l e x r a y 的s b w 模型 f 唔10 9s b w m o d e lb a s e do nf l e x r a ) o f r e n e s 强 b m w 公司已经将f l e x r a y 总线技术应用于x 5 系和x 6 系的悬架控制 系统中，获取了宝贵的应用经验，目前正在开展f l e x r a y 总线布线控技术中的应 用工作。 1 3 课题的提出 纵观以上这些线控转向系统，大多数采取了图i 1 0 所示的控制结构，由方 向盘总成、执行转向总成和控制器组成【1 4 1 7 1 。 方向盘总成包括方向盘、转角传感器、扭矩传感器、减速机构和路感模拟电 机、路感电机驱动等。该部分的主要功能是将驾驶员的转向意图转换成数字信号 井传递给控制器- 用于控制汽车转向操纵，同时将汽车的行驶路况转换成方向盘 的路感力矩信息，给驾驶员提供“路感”。 l i 镕* 执行转向总成包括转向电机、转j 目器、车速传感器、转向电机驱动等。该部 分的主要功能是接收控制器的转角信息井驱动转向电机输出相应转角完成转向 操纵，同时检测汽车行驶路况信息，比如车速等。 控制器是整个系统的核心，同刚连接方向盘总成和执行转向总成，通过检测 相关信息并处理，最终控制“路感”模拟电机和转向执行电机。 1 方 向 盘 总 成 5 幅 图中：i 方向盘。2 转角传感器，3 转矩传感器， 4 减速机构，5 车轮6 传感器 图j - l o 线控转向系统控制结构图 f i gi - 1 0 c o n u o l 虮c 0 1 r e o f s b ws y s t e m 这种结构的线控转向系统虽然在功能上可阻实现线控转向操纵，但存在以下 缺陷：( 1 ) 该系统的安全可靠性无法得l 保证：( 2 ) 整个系统仅用一个控制器 同时控制方向盘总成和执行转向总成限制了信号线和控制线的长度从而限制 丫线拄转向系统安装的灵活性：( 3 ) 控制过于集中，当某部分出现故障时，影 响整个系统工作与汽车总体设计趋势相悖。该结构的线控转向系统研究了十多 年，但一直不能上市出售的主要原因在于：欧洲和国内的相关法律明文规定方向 盘和执行转向系统之间必须有机械连接，进而确保汽车操纵安全【l ”。而这种结 构的线控转向系统在在安全可靠性方面存在致命缺陷，需要进行改进，目前，各 大汽车制造商和相关科研单位正在进行尝试主要方案有： ( 1 ) 保留方向盘总成希l 执行转向总成之间的机械连接，在线控转向与机械 转向之间留有切换开关，当线控转向失灵时，自动切换到机械连接状态保证汽 车操纵安全【t g ： 北京t 业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 利用硬件冗余，将安全相关部件备份，特别是信号连接线和控制线 【2 0 】【2 i 】： ( 3 ) 利用车载总线技术，采取安全容错型总线连接方向盘总成和执行转向 总成【1 3 】【2 2 1 。 方案( 1 ) 虽然可以保证系统安全可靠的工作，但机械连接限制了汽车设计 的灵活性和舒适性，仍然属于机械转向时代：方案( 2 ) 采用硬件冗余容错，一 定程度上提高了系统的可靠性，但从根本上仍是无济于事，因为控制器与方向盘 总成、执行转向总成之问信号的传输才是最大的潜在威胁，而且开发成本较高： 方案( 3 ) 采用安全型总线代替普通电线连接，不仅可以保证系统操纵安全可靠， 还增强了抗干扰能力，使得转向系统及整车设计灵活，符合汽车总体设计方向。 针对s b w 的诸多优点，结合本学科的优势，有必要在前人的基础上开展基 于f l e x r a y 总线技术的线控转向系统及其路感模拟的研究，跟进汽车电子新技 术，为课题组在f l e x r a y 总线、线控转向方向的深入研究提供技术储备。 1 4 课题来源、意义及内容 1 4 1 课题来源 本课题属于北京工业大学电动汽车项目，项目来源于北京市教委科技创新平 台重点资助项目( 编号：0 5 0 0 2 0 11 2 0 0 7 0 1 ) 。北京工业大学电动汽车项目的研究 目标为：以线控技术( 线控转向、线控制动) 为突破点，结合虚拟现实和道路感 知技术，建立混合动力汽车辅助驾驶系统。目前，f l e x r a y 总线协议发展迅速， 得到了世界上9 0 以上的汽车制造商和半导体生产商的认可，线控技术已成为该 总线的主要应用方向。开发出基于f l e x r a y 总线的线控转向系统可以集智能控 制、信号采集、数据处理和通信技术于一体。作为与安全相关的线控转向技术， 引入f l e x r a y 总线协议后，不仅可以保证线控转向系统的安全可靠性，而且紧跟 汽车电子发展趋势，填补国内空白。 1 4 2 课题意义 研究基于f l e x r a y 总线的线控转向系统及其路感模拟具有以下现实意义： ( 1 ) 提高车辆主动安全性，有利于汽车的设计与制造 在发生撞车事故时，传统机械转向柱是造成驾驶员死亡的重要因素之一。线 控转向系统去除了转向柱等机械连接，完全避免了撞车事故中转向柱对驾驶员的 伤害。另外采用线控转向系统，可以腾出空间以安装其他零部件，可以根据不同 第1 苹绪论 国家的法规需要，灵活地安放方向盘为左置或右置。 ( 2 ) 改善线控转向系统结构，提高安全可靠性 线控转向系统与传统转向系统相比，虽然有许多优点，但其安全可靠性一直 是困扰该技术进一步应用于实际汽车的主要原因。f l e x r a y 总线协议采取事件触 发和时间触发方式，不仅具备事件触发型通信的灵活性，而且时间触发保证了网 络通信的安全可靠性，是汽车线控转向系统的最佳选择。利用f l e x r a y 总线技术， 可以解决线控转向系统安全可靠性问题。 ( 3 ) 提高汽车操纵稳定性能 线控转向系统采用软件控制，可以实现传动比的任意设置，控制器根据车辆 的行驶状态，设定最佳转向传动比，减轻驾驶员的体力负担。同时，电子控制单 元( e c u ) 可以把转向系统与其他主动安全设备如a b s 、汽车动力学控制、防 碰撞、轨道跟踪、自动导航以及自动驾驶等功能通过f l e x r a y 总线连接起来，实 现对汽车的整体控制，提高汽车整体稳定性。 ( 4 ) 路感模拟试验是线控转向技术应用的基础 在线控转向系统中，传统的“人一车一路”闭环系统被打破，驾驶员失去“路 感”，没有转向操纵判断依据，通过路感模拟研究，给驾驶员提供实时路况信息， 重新构建“人一车一路”闭环系统，保障行车安全。 1 4 3 研究内容 通过对传统转向系统结构的研究分析，结合线控转向技术的发展现状，在分 析f l e x r a y 总线协议规范的基础上，建立以f l e x r a y 总线通信的线控转向系统， 并完成路感模拟试验。具体包括以下内容： ( 1 ) 分析f l e x r a y 协议规范，实现该协议 通过分析f l e x r a y 总线协议规范，掌握该总线的通信机制、时钟同步原理、 协议操作控制、网络拓扑结构以及节点设计等基础知识，选购合适平台，利用嵌 入式c 语言，实现f l e x r a y 通信协议。 ( 2 ) 建立基于f l e x r a y 总线的线控转向系统 了解国内外汽车转向系发展历程，特别是近期发展起来的极具潜力的线控转 向系统，分析其结构、控制原理及应用背景，结合f l e x r a y 总线最新技术，建立 安全可靠的线控转向系统。 ( 3 ) 设计线控转向系统f l e x r a y 通信 根据f l e x r a y 网络拓扑结构特点，将线控转向系统中路感模拟控制器作为网 络中的一个节点，执行转向控制器作为另一个节点，设计两节点线控转向f l e x r a y 通信，完成f l e x r a y 网络设计和通信任务分配，并进行通信试验。 北京工业大学工学硕士学位论文 鼍曼曼鼍曼曼曼曼量暑皇皇鼍鼍鼍曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼i i i i 鼍! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼鼍鼍曼曼曼曼舅舅量鼍曼曼皇量曼皇鼍曼 ( 4 ) 对路感进行研究，设计路感模拟控制器 “路感”是驾驶员作出驾驶操纵决策的重要信息之一，传统的转向系统通过 转向轴传递“路感”，而对于缺少转向轴连接的线控转向系统，需要以其它的方 式给驾驶员提供“路感”。通过对“路感”进行分析，掌握“路感”模拟方法， 设计基于p o w e r p c5 5 6 7 的路感模拟控制器。 ( 5 ) 搭建路感模拟试验台，进行路感模拟试验 建立试验台搭建方案，选购合适的汽车配件，搭建“路感”模拟试验台，进 行路感模拟相关试验，验证模拟路感方法的正确性，为线控转向系统的进一步研 究奠定基础。 1 5 论文结构 本文将以如下方式展开： 第二章将首先介绍f l e x r a y 总线协议产生背景和通信特点，之后进行 f l e x r a y 总线协议分析，掌握其实现方法，在此基础上，探讨f l e x r a y 通信的实 现，并重点讨论f l e x r a y 协议在p o w e rp c 5 5 6 7 上c 语言实现。 第三章将分析线控转向系统的特点和工作原理，提出种基于f l e x _ r a y 总线 的线控转向系统，并设计线控转向系统f l e x r a y 通信网络，进行通信试验。 第四章将分析汽车路感来源及路感力矩模拟方法，建立路感模拟控制策略， 设计路感模拟控制器。 第五章将选购汽车配件，建立路感模拟试验平台，进行路感模拟试验，验证 第四章讨论的路感模拟方法。 第2 章f l e x r a y 总线协议的研究与实现 第2 章f l e x r a y 总线协议的研究与实现 线控转向系统已经成为各个汽车生产商的研究热点，如何保证线控转向系统 的安全可靠性一直困扰着该系统的实际应用，f l e x r a y 总线采取时间触发和事件 触发的方式通信，已得到绝大多数汽车制造商的认可，有望成为下一代车载总线 的主流，并且可用于解决线控转向系统中的安全可靠性问题，为此，课题将 f l e x r a y 总线协议作为线控转向系统的通信协议标准。本章将首先介绍f l e x r a y 总线协议产生背景和通信特点；之后分析帧结构、通信机制、启动策略、网络拓 扑以及物理层规范；最后建立软硬件平台，给出f l e x r a y 协议的嵌入式c 代码实 现方法。 2 1f l e x r a y 协议介绍 2 1 1 产生背景 随着科技的进步，越来越多的电子产品应用于汽车，如何保证这些电子控制 单元之问的数据传输已成为车载网络技术的新课题。为了满足车载网络需求， 2 0 0 0 年9 月，b m w 、d a i m l e rc h r y s l e r 联合f r e e s c a l e 、p h i l l i p 成立了f l e x r a y 联 盟，共同致力于下一代车载总线技术的发展，为新一轮汽车革命做好准备，其应 用目标是车载通信骨干网以及与安全相关的控制系统，比如线控制动、线控转向、 线控油门、动力控制系统等【2 引。截至2 0 0 5 年底，f l e x r a y 联盟包括1 2 4 个成员， 7 个核心成员，另外三个核心成员分别为b o s c h 公司、g m 和大众，到现在， 几乎所有的汽车生产商、汽车配件商以及半导体生产商都是f l e x r a y 联盟的成 员。 2 0 0 5 年1 2 月，f l e x r a y 联盟正式对外发布了f l e x r a y 总线协议规范v 2 1 版 本a 、电气物理层规范v 2 1 版本a 、总线中心监护规范v 2 1 0 9 、本地节点总 线监护规范v 2 1 0 9 、需求规范v 2 1 1 以及测试规范v 2 1 1 。2 0 0 7 年3 月，在 t z m 等公司的共同努力下完成了一致性测试，并公布了协议一致性测试报告和 物理层一致性测试报告，完善了2 0 0 5 年发布的协议规范，同时，f l e x r a y 联盟 决定在未来数年内不再修改该版本【2 2 1 。 从开放式系统互连参考模型( o s i ) 的角度看，f l e x r a y 通信协议定义了四 层结构：物理层、传输层、表示层和应用层，如表2 1 所示。物理层负责定义信 号传输方式、从时间的角度监测通信控制器的错误、总线监护；传输层是协议的 核心，不仅负责与表示层之间数据帧的发送和接收，还处理定时、时钟同步、报 北京工业大字：r 字石贞士学位论文 曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼詈鲁鼍量鼍曼曼曼曼皇曼皇鼍量曼詈曼曼曼皇苎! 曼! 孽曼! ! 曼鼍曼曼曼曼! ! ! ! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼! ! ! 曼曼i1 皇鼍鼍 文编码、通信周期、速率以及容错极限等网络参数的设定等功能；表示层负责帧 过滤和封装、通信状态切换以及通信控制器与主机c p u 的连接；应用层用于用 户编程。f l e x r a y 不仅仅是一个通信协议，而且包括特殊定义的高速发送和接收 驱动器，具备总线监护功斛2 4 】。 表2 1f l e x r a y 协议层次结构 t a b l e2 - lf l e x r a yp r o t o c o lh i b e r a r c h y 层功能描述 应用层用户编程应用 帧过滤和封装 表示层通信状态切换 通信控制器与主机c p u 的连接 表示层之间数据帧的发送和接收 定时、时钟同步、报文编码 传输层 通信周期、速率以及容错极限等网络参数 的设定 定义信号传输方式 物理层 总线监护 f l e x r a y 协议在物理层规范的总线监护功能确保了该协议在通信容错方面的 优异性能，传输层规范的时钟同步以及网络参数设定体现了该协议时间触发机 制，确保了通信的确定性，另外，特殊定义的驱动器利用双通道连接，使用冗余 结构的，满足车载安全系统的通信需求。 虽然f l e x r a y 协议公布至今不到5 年时间，但其优异性能已经受到青睐。2 0 0 6 年低，b m w 公司新上市的“x 5 ”运动型多功能轿车( s a v ) 上的悬架系统采用 f l e x r a y 总线通信，用于车辆速度、方向盘转度、纵向和横向加速度、车身和轮 子加速度和行驶高度等数据的传输，实现了f l e x r a y 总线的首次实际应用；2 0 0 8 b m w 公司推出了第二款采用f l e x r a y 通信车型“x 6 ”，以f l e x r a y 总线连接各车 轮悬挂减震器的e c u ( 电子控制单元) ，根据行驶状态来控制减震器衰减力，从 而保持车辆稳定。继宝马之后，德国奥迪也计划在2 0 0 9 年开始量产的新款“a u d i a 8 ”上导入f l e x r a y 总线技术。不久的将来，f l e x r a y 总线将实际应用于线控转 向系统。 2 1 2 通信特点 f l e x r a y 总线具有通信速率高、容错、确定、灵活的特点。 f l e x r a y 总线支持双通道独立通信，每个通信信道的速率为1 0 1 v l b i t s s e c ，当 第2 章f l e x r a y 总线协议的研冗与实现 两个通道传输不同的数据时，速率高达2 0 m b i t s s e c ，效率最高可达到7 7 7 3 1 2 5 j 。 所谓容错，就是在出现一定级别的错误时系统还会继续运行，尽可能的保障 系统的可靠性