dSPACE的轿车后轮转向精确控制.pdf

基于 O S P d S P i C E 的 轿车后轮转向精确控制 P L c F A 2 0 0 8 年 9 月 Ac c u r a t e Co n t r o l o f t h e o f Ve h i c le s Re a r W h e e l S t e e r i n g B a s e d o n DSP d SP ACE l 5l 舌 随着现代道路 交通系统和先进 汽 车技术的发展 汽车的主动安全技术 日益受到重视 作为一种 新的提高车 辆动态性能的方法 四轮转向技术 已 经得 到了越 来越多的重视与应 用 研 究表明 汽车在行驶 中转向时 由 于受侧 向力的作 用 前轮有不 足转 向 的特性 后轮有过度转 向的倾 向 后 者 会 引起 汽车 失 去转 向行驶 的 稳定 性 车速越高 问题越 明显 甚 至出现 侧滑翻车 解决措施一般是通过使后 轮 在与前轮相 同的方向转动 1 2度角 东南大学 机械工程学院张效宇陈 南 Zh a ng Xi a o yu Che n Nan 摘要 本文针对四轮转向汽车车体后轮 过度转向 创新性 的改进四轮转向轿车后转向执 行机构并对其进行控制 使得车辆后轮能实现 1到2度 角的精确跟随转动 利用M a t I a b S m uI i n k d S P A G E 等软件进行仿真 从而为提高车辆的综合稳定性能提供一个技术平台 并最 终通过D S P引入实际的前轮转角信号 搭建一个实际反馈系统 进而实现对轿车后轮转向的 精 确实时控制 关键词 四轮转向 操纵稳定性 改进与控制 仿真 反馈系统 Abs t r ac t Thi s p ap er i s ac co r d i ng t o t he i m p r ov i n g p er f or m a nc e or ga n i z a t i on o f r ea r wh ee l s t e er i n g s t u d y i n g t h e v eh i c l e whe n i t s s p ee d i s i n t h e r an g e of med i um t o h i g h Th r ou gh gui d i g t he r ea r w h e el c on t r o l r1 g i t s s t ee r i ng a ng l e r ea s on ablel y The m e a s u r e t o s olv e t his p r ob l em i s t o ma k e t he r e ar wh e els t o r o t a t e 1 t O 2 d e g r ee s in t he s ame d i r e c t i on a s t h e f r o n t whe e l s t o c o m p e n s a t e wi t h t h e u s e of Si mu l ink d SPACE DSP e t c mak i n g it r o t a t e s om e de gr ee j n t he s ame d i r ec t i on as t he f r on t wh e el s i n t i me ac c u r a t e l y t h u s t o g i v e a g oo d f lat f or t h e f o u r wh ee l s t ee r i n g t e c hn olog y S O t h a t t h e c omp r e he n s i v e s t ea dy pe r f o r man c e o f t h e v eh i c l e c a n be i mpr o v ed Key W O r dS FoU r wheeI s t ee r i n g M ani PU J at e s t ab l i t y Am eI i o r a t i On and c o n t r ol Sim u l a t ion f ee d ba c k s y s t e m 中图分类号 T P 2 9 1 文献标识码 B 文毒编号1 6 0 6 5 1 2 3 2 0 0 8 0 9 0 1 0 9 0 6 进行补偿 2 自1 9 0 7 年 日本有一项有关四轮转 向技术的 专利申请 以来 国外对 四 轮 转 向技 术 的研 究 已有相 当 一段 历 史 目前 我国对其 研究也 己起步并 取得一 定的 成果 但不 管基于什 么技 术 四轮转 向的最终 问题 都聚焦于如 何正确的 引导后轮使其按 预先设定的 方案合理的转过相应 的角度 因此 对后轮转 向的精确控 制成 为 目前很多 从事此项研究工作者所面 临的一个 关 键 问题 本文即是 针对此 问题所展 开的研 究 研 究的内容 主要 是在 现有 的四轮 转 向技术基础上 对 后轮 转向机构 予 以改进与控制 通过搭建虚拟 的仿 真 平 台并最终 引入实际信号 实现对轿 车后 轮 转 向的 精确 控 制 使 其转 动 1 2 度角进行补偿 从而保证 车辆高 速 行驶 时候的稳定性 2 四轮转 向系统后转 向执 行 机 构 本研 究中 所选 用的四轮转向轿 车后转 向执行机构是基于传统 的齿 轮 齿 条 式前 轮转 向执 行机 构 改装 而 成 资金项 目 F O r d 一中国研 究与发展基金资助项 目 N O 5 01 2 2 1 2 2 d gt 1 图 1 读取编 码器值的仿真程序 I s n m d 中 产 生 虚 拟 的 前 轮 转 角 信 号 I i 一 j I 旱 i l 图 2反馈系统框 图 转换后诶职的编码值 后 轮 右 转 t 巨 垂 三 二 卜 团 后 轮 左 转 t 匮卜佃 图 3 的 利用 直线 式 步进 电机 的 推动 控 制 通过设计相应的滑移机构 变直 线运动 为旋转运动 从而有效的实现 后 轮的转 向 由于 车辆 在 高速 行驶 时 所需的相 应的后轮转 角很小 因 此分析相关参数后 本试验选 用海顿 公司生产 9 8 7 o o o 系 lJ S i z e 3 4固定轴 式直线步进 电动机 研究表明其能很 好 的满足试验要 求 3 聪轮 转 向控 在 珥 谚 0 设 计 鸟 分 析 本节基于上述机构 通过对Ma t la b S i mu l i n k d S P A CE 等软件的合理应 用 实现对轿 车后轮转 向的精确跟随 控制 3 1后轮转角信号的采集 整个反馈 系统 的搭 建需要测量后 1 1 0 PLC F A 轮的转 角 本研 究在对 后轮转 角信号 进行采集时 所 用的编码器 为8 位绝 对式光电编码 器 通 过计算每秒光电 编码 器输 出脉 中的个数就能反映当前 电动机的转速 此外 为判断旋转方 向 码盘还可提供相位相差9 0 的正 弦信号 图1 所示为在S i mu l i n k 中编 写的读取编码器码值的程序 通过D S P A C E c o n t r 0 I D e s k 采集到 后轮转角信号值后 再由直线式步进 电 机旋转的角度与其轴 向伸缩距离的换算 关系 可求得轿车的后轮转角 3 2 反馈系统的搭建 整 个转角反馈系统 的虚 拟仿真框 图如图2 所示 图2中 前轮 转角信 号虚 拟实际 的前轮转角 后轮转 角为放大后的转 角 本研究设定方向盘转动 圈时 后 轮 实际转动 1 但在反馈 比较时 为提高其精度 故将仿真程序 中的后 轮转角度数经数学换算放大后再 引入 到反馈 系统 中 这 里需要说 明的是 由于在装光 电编码器时 其对应的零位 采集回来 信号为O 的位置 与车后轮转角为零的 位 置点并不绝对 统 所以仿 真程 序 首先需对后 轮转 角进 行回正控 制 本 文 设定 当采 集 回 来的 信 号值 为6 O 4 6 8 7 5 时 后轮的转角为O 即光电 编码器的格雷码转化为十进制数为4 3 时所对应的 电机转过 的角度4 3 3 6 0 2 5 6 6 0 4 6 8 7 5 考虑到电机的惯性 及其内部的精 度 设定 了一 个很小的 波动范围 认为当所采集回来的信号 值在5 7 6 3 时 后轮转角均为零 实际值 为离散值 属于5 7 6 3 之间的数值理论 上有5 7 6 5 6 2 5 5 9 0 6 2 5 6 0 4 6 8 7 5 6 1 8 7 5 这点波动范 围在转化 为后轮的实 际转角时 其影响很小 近乎为零 故其影响可忽略不计 又由于后轮转 角实际范围 E J 仅需 1 2 度 所以 光电编码器在旋转 一圈的范 围内已经 满足要求 其码值选取范 围如下 试验测得 后轮右转 的绝对位置 角 Y 一 3 0 1 1 8 1 2 5X 1 5 后轮左转的绝对位置角 Y 一 3 0 2 3 9 0 6 2 5 X 7 5 8 8 2 4 其 中X为转换后所读取的编码值 基于 上述 数学关系 在S i mu l i n k 中编 写 后轮 回正 仿 真程 序 如 图4所 刁 回正 准确 后 即开始进行整个反 馈控 制平 台的仿真设计与分析 图5 所 示是为在Si mu l j n k 中以虚 拟的正弦波模 拟方向盘前轮转 角信号 所搭建的反馈控制系统 观察后轮转 角的跟随效果图如 图 6所示 其 中 Ra d l 为前轮转 角 R a d 2 为后轮转 角 从图6 可 看出 前 后轮 转角信号 大小几 乎完全 吻合 表明后轮转 角得 到了很好的跟随 仿真试验取得很理想 的效果 此外 考虑到方 向盘 有时急转的 特性 即输人为阶越信号 我们改变 了信号源 将正弦信 号变成一个阶越 信号 得到如下结果如 图7 所示 图7 相关说明 1 所给定的阶越信号的最终值为 P L c F A 2 0 0 8 年 9 N l 图 4 S i muli n k中的后轮回正仿真程 序 反馈拄制系统 正弦信号输入 图 5 虚拟信 号搭建的整 个反馈控制 系统程 序 鞠疆曩 R n U L 乏 2 0 0 0 1 0 2 0 O 2 4 6 8 0 1 2 t s 乏 2 0 1 O 0 1 0 2 0 0 2 4 6 8 1 0 1 2 t s 图 6 前 后 轮转 角信号 图 7后轮转角跟 随效 果 n h l t t 靠 n h f I hr g 舡 Q dl 罐r l l 渣瞎 r 一 涵 幽u 一嗣 O 裔 髫翻 唰 阐 矗 I 一 u l ld c 唧 t te l 嚣 0 E r o w t g 一 0 k I l 量 m女 I l i 图 8前轮转角信号 2 0 2 设定的误差为0 5 3 图中 r a d 1 一为采集回来的前 轮实际转角 r a d 2 一 为采集 回来的后 轮实际转 角 r a d 3 一 为前后轮转角的 差值 r a d 4 一 为发给 电机 的方 向控制 信号 O 表静止 从图中可以清晰的看出 后轮实际 转角与虚拟信号给出的前后轮转角相差 很小 后轮转 向得到 了很好的跟随 4 基于 0 S P的前驱信号引入 后的转 向反馈 系统搭 建 本文在 引入前轮转 角的实际信号 时仍 采 用绝 对 式光 电编码 器 通 过 D S P完成对 编码器信号的采集 并通 过其产生P W M信号 利用CCS编写 相应的转角编码 转换程 序 完成对前 轮转角信号的采集 4 1 C CS所采集的前轮转角信号 根据 己搭建好 的硬件 电路 通过 在C CS中编写相 应的解码程序 完成 对前轮 方 向盘 转 角信 号的采 集 图8 为在C CS中读进来的前轮 方向盘转角 信号 图 根据图8 所示意的情况 作者采集 了多组数据 数据表明方向盘的转角与 所采到的电压值近似成线 1生关 系 现选 取三组有代表性的数据如下图 度 数 A D 采 样 值 一16 5 0 2 41 5 331 5 04028 382 5 0 07 25 由 此 得 到 相 应 得 数 学 关 系 Y 2 1 6 0 X一 5 3 8 其 中 Y为方向盘转角度数 X为 AD采 样 值 4 2 整个反馈控制系统的仿真分析 在得到前轮 方向盘转角信号与所 采集 回来的 电压值的 关系 以后 下面 所做的工作即是将前轮方 向盘转 角信 号 引人到 实际搭建 的整个反馈控 制系 统平 台中来 这里用 了DSP A CE 的1 一 号A D端 口来完成对 前轮转角信号 的 采 集 并在S i mu l i n k 中编写相 应的仿 真程序来完成对整个反馈控制 系统 的 仿真分析 整个仿真系统的框 图模型 如 图9 所示 在Si mu l i n k 中编 写的基 于前轮转角信号接人 的整个反馈控制 系统的仿真程序 如 图1 0 所示 基 于实际前 轮转角信号 引入后的 仿真 系统 当向右转动方 向盘使其转 过一定 角度时 可以看到后轮也随其 同向转过一定 比例的角度 且跟随动 作灵敏 误差极小 图1 1 为其跟随效 果 图 同样 当前轮 方向盘 向左旋转一 定 角度 即前轮转角为负 时 后轮也按 比例的左转相应 的角度 图1 2表明从在 同一坐标系中的两 车轮转角信号来看 后轮转角明显得到 图 9 实际信号 接入的整 个反馈控 制系统框 图 P L c F A 2 0 0 8年9月 了很好的跟随 研究取得很好的结果 5 结 束语 本文运用D SP C CS完成了对 四轮 转向轿 车前轮方向盘转角信号的采集 并借助DS P A CE S i m n k 等软件搭建 前后轮转角反馈控制的仿真平 台 最终 将所得的实际信号引入到整个反馈控制 系统的仿真平台中 进而完成对后轮转 向的实时精确控制 使得 当轿车前轮向 左或向右转动时 后轮能随其 同向转过 一 定的角度 这为汽车高速行使的操纵 稳定 性提供了一定的保证 整个试验取 得了很好的效果 这个创 新对 四轮转 向技术 的进 一 步研究有着积极的意义并具备一定的 参考价值 在整车控制时候 可综合 考 虑 并 加 入车 速 横 摆 角速 度 等信 息 进 而确 定后轮转角度数 从而为 四轮转 向技术的不断发展提供积极的 图 1 0 前轮转 角信号接 人的反馈 控制 系统 的仿真程 序 P L C FA 11 3 一 一 一 l 图 l 1 实际信号接入后 前后轮转角信号 作用 图 1 2 前 轮左转时前 后轮转角信号 毒 囊 张效宇 1 9 8 5 一 男硕士研究生 主要研 究方向为车辆动 力学及智能控 制 参考文献 1 汪东 明 汽车 四轮转 向系统 的研 究与 发展 上海汽 车 2 0 03 1 0 2 殷 国栋 陈南 李普 基于 综合鲁棒 控制的四轮转 向车辆操纵稳定 性研究中 1 1 4 P L C FA 一 国工程科学 2 0 0 5 7 4 5 4 5 8 3 N a mi 0 I r i e J u n s u k e K u r 0 k i 4 W S t ec h n o f og y an d t h e P r OS p e cts f o r i m p r ov e t ll e n o f v e hi cI e d y n a mi CS 1 99 0 S A E 9 01 1 6 7 42 9 437 4 罗长洲等 准绝 对式 光电编码器 光子 学报 2 0 0 3 5 5 6 2 8 6 3 1 5 边明远 车四轮转 向 4 W S 技术及其 发 展前 景 中国汽 车研 究 与开 发 1 9 9 9 9 f 1 2 8一 O 6 Y 0 u S S O h a i Y H M u I t i obj ecti Ve C Otl t r 0 s yn th es s a n a P PI i c ati 0n t0 4 WS Pa s s e nge r vehi cI es M ech at r 013i CS 1 999 9 9 3 6 3 3 9 0 7 A N 0 V e1 0 P ti m aI F 0 u r W h e eI Ste e ri ng C ont r 0I M R Mos ta vi M Sha r i a t