项目四任务4：线控转向系统性能测试-学生手册

任务4.4线控转向系统性能测试-学生手册【任务导入】对于L3级别或者更高级别的智能汽车，在设计运行领域内，汽车会部分或者全程脱离驾驶员的操控，而改由智能驾驶系统对汽车定位驱动系统、转向系统和制动系统进行控制。其中，汽车的线控转向系统是面向智能驾驶执行端核心产品之一。汽车转向系统经过机械转向系统到线控转向系统的发展，但现阶段并没有针对线控转向系统的标准的测试方法和评价方法。假设你是某家线控底盘解决方案供应商的测试工程师，需要对线控转向系统的性能进行全面的测试，你应该如何设计测试方案，如何执行测试计划并对测试结果进行分析呢?提示：此次任务我们将模拟不同驾驶场景和车辆状态，通过提示：此次任务我们将模拟不同驾驶场景和车辆状态，通过上位机控制车辆并采集线控转向系统的数据，对主要性能指标进行测试和分析。

【学习目标】素质目标培养严谨细致、全面分析问题的能力；在任务中引入性能要求及试验方法的相关标准，养成规范化、标准化工作习惯；通过性能测试的任务，培养学生规范操作意识。知识目标能讲解线控转向系统的关键性能指标[K54]；能解析说明线控转向系统的性能测试要求[K55]；能阐述说明线控转向系统的性能测试试验方法和步骤[K56]。能力目标能讲解线控转向系统的关键性能指标[A49]；能使用测试工具对线控转向系统各性能指标进行测试[A50]；能分析线控转向系统各性能测试曲线，并编写规范的测试用例[A51]。【知识准备】《自动驾驶乘用车线控底盘性能要求及试验方法第3部分：转向系统》系列团体标准中，除了从接口要求对自动驾驶乘用车线控底盘提出了要求之外，对性能要求和试验方法两方面也提出了要求。一、线控转向系统性能要求1.行程测试指标行程测试指标示意图如REF_Ref170316878\h图4-4-1所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC1方向盘行程测试指标示意图（1）请求值θt：自动驾驶控制器通过总线发送的数值，也指线控转向系统通过总线接收到的数值；（2）实际值θr：方向盘或车轮上(或转向传动装置上)安装的转角传感器(或条位置传感器)测量并通过总线反馈的转动角度(或齿条位置)（3）目标值T：请求值达到稳定后的数值；（4）实际值变化率θ’：线控转向系统转动过程中实际值的变化斜率。行程测试指标要求见REF_Ref170317742\h表4-4-1：表4-4-SEQ表4-4-\*ARABIC1行程测试指标要求序号指标名称系统无故障单系统故障（以方向盘控制为例）（以方向盘控制为例）1实际值变化率θ’_max（°/s）≥500≥2502最大实际值θr_max（°≥机械行程*90%≥机械行程*90%3对称性≤5%≤5%注1：对称性一一在相同环境和相同请求指令的情况下，左、右转向响应的差异。计算公式为：对称性=|左转测量值-右转测量值|/测试请求值。注2：针对方向盘转角接口，其它控制方式(如齿条位移控制)可根据转向系统传动比或设计参数进行推算。2.斜坡测试指标斜坡测试指标示意图如REF_Ref170316885\h图4-4-2所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC2斜坡测试指标示意图（1）最大超调值（△θ1）：线控转向系统转动过程中最大实际值与目标值的差值；（2）稳态误差（△θ2）：线控转向系统转动过程中稳定实际值与目标值的差值；（3）跟随差值（△θ3）：线控转向系统转动过程中某一时刻实际值与请求值的差值；（4）响应延迟时间（△T1）：自动驾驶控制器发出请求值的时刻与接收到实际值开始产生变化的时刻之间的时间差；（5）执行时间（△T2）：实际值开始产生变化的时刻与实际值第一次达到目标值90%时刻之间的时间差；（6）稳定控制时间（△T3）：实际值第一次达到目标值90%时刻与实际值达到稳定的时刻之间的时间差；（7）动态跟随时间（△T4）：线控转向系统转动过程中同一变化方向请求值与实际值相同时所对应时刻的时间差。斜坡测试指标要求见REF_Ref170317750\h表4-4-2：表4-4-SEQ表4-4-\*ARABIC2斜坡测试指标要求序号指标名称系统无故障（以方向盘控制为例）单系统故障（以方向盘控制为例）1最大超调值△θ1（°）[0，15]°：≤1(15，66]°：≤θt(66，θmax]°：≤5[0，15]°：≤1(15，66]°：≤θt(66，θmax]°：≤52稳态误差△θ2（°）[0，66]°：≤0.5(66，θmax]°：≤1[0，66]°：≤0.5(66，θmax]°：≤13跟随差值△θ3（°）≤100≤1004响应延迟时间△T1（ms）≤80≤805执行时间△T2（ms）≤Min（θ_t/θ’，900）≤Min（θ_t/θ’，1800）6稳定控制时间△T3（ms）≤150≤1507动态跟随时间△T4（ms）≤80≤808对称性≤5%≤5%注：针对方向盘转角接口，其它控制方式(如齿条位移控制)可根据转向系统传动比或设计参数进行推算。3.正弦测试指标正弦测试指标示意图如REF_Ref170316892\h图4-4-3所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC3正弦测试指标示意图（1）幅值(Asin)：请求值在每个周期能够达到的最大值；（2）周期(Tsin)：请求值在相邻两个波峰或波谷时刻的时间差；（3）相位延迟时间(Td)：请求值和实际值在相邻的两波峰或波谷之间的时间差，即两个正弦波的相位差。正弦测试指标要求见REF_Ref170317757\h表4-4-3：表4-4-SEQ表4-4-\*ARABIC3正弦测试指标要求序号指标名称系统无故障（以方向盘控制为例）单系统故障（以方向盘控制为例）1相位延迟时间Td(ms)≤80≤802峰-峰差值（°）≤10≤10二、线控转向系统关键性能指标1.方向盘最大角速度方向盘角速度是描述车辆在转弯时方向盘转动的速度的参数，通常用度/秒（°/s）或弧度/秒（rad/s）来表示。在车辆动力学模型中，转向角速度是一个关键的输入参数，影响着车辆的操控性和稳定性。通过车辆动力学模型的模拟和计算，可以预测车辆在不同转向角速度下的响应和行为。2.方向盘转角滞后时间方向盘转角滞后时间也理解为转向响应时间，是指从驾驶员转动方向盘到汽车实际开始转向所经过的时间。理想的转向响应时间应该短小，以提高驾驶的反应能力和操控的精准度。方向盘转角滞后时间与斜坡测试指标中的响应延迟时间（△T1）对应。3.系统稳定时间系统的稳定性：是指系统在扰动作用下偏离平衡状态，产生初始偏差，当扰动消失后，系统能够由初始偏差恢复到平衡状态的性能。在阶跃响应性能指标定义，稳定时间定义为系统的响应收敛于输入信号一定范围内所需要的时间。系统稳定时间为稳定控制时间（△T3）。系统稳定时间受线控转向部件机械结构影响，不同机械结构不一样，系统稳定时间不同。4.控制精度控制精度是指反馈控制系统中最终的控制参数值与额定值的符合程度。控制精度与稳态误差（△θ2）对应。5.最大扭矩测试按照GB17675-2021，乘用车方向盘转动力应该小于200N。在实际汽车在开发过程中，不同车企会根据经验进行不同的扭矩设置。三、试验准备1.场地条件试验应在封闭试验场地进行，试验场地应为干燥、平坦且清洁的，用水泥混凝土或沥青铺装的路面场地应有良好的附着系数。试验路面的纵向坡度应不超过0.10%，横向坡度应不超过0.50%。场地应有确定的安全空间，保证试验安全。2.环境条件试验环境应满足如下要求：（1）环境温度0℃～40℃。（2）风速不大于3m/s。（3）天气干燥，没有降水和降雪。3.车辆条件试验开始前，车辆应按照如下要求进行准备:（1）轮胎气压充气至汽车制造商规定的数值；同轴左右轮胎的型号、胎面花纹、花纹深度、轮胎气压应保持一致；轮胎胎面花纹深度不低于初始花纹深度的50%；（2）车辆按制造厂的技术要求进行检查及必要的调整，转向系统预热至正常工作温度状况，冷却液温度应达到正常工作温度;（3）在试验前，将试验车辆加载到最大设计总质量，增加的载荷均匀分配到乘客舱及行李舱内;（4）测量并记录检测环境的温度、相对温度和大气压力。4.试验设备试验设备应满足如下要求:（1）速度采集精度不低于0.1km/h；（2）加速度采集精度不低于0.1m/s；（3）角度采集精度不低于0.1°;（4）角度变化率采集精度不低于0.1/s;（5）设备需具有ADC与SBWS之间通信所采用的软硬件接口，可以采集记录表中信号；（6）测试设备要满足动态数据的采样及储存，采样和存储的频率至少为100Hz;（7）如有需要，测试设备可具备数字量和模拟量信息的记录，并与总线数据同步记录。【任务实施】一、测试用例根据线控转向EPS说明书、《低速线控底盘通用技术要求》标准文本及其编制说明以及厂家常用标准，线控转向系统性能测试的测试用例见REF_Ref170317767\h表4-4-4。表4-4-SEQ表4-4-\*ARABIC4线控转向系统性能测试的测试用例线控转向系统性能测试用例测试目的对线控转向系统的性能指标进行测试，并分析测试结果，评价线控驱动系统的性能。测试条件测试场地道路要求车辆准备天气条件干燥平坦而清洁的沥青路面纵向坡度应不超过0.10%，横向坡度应不超过0.50%转向系统预热至正常工作温度状况天气晴朗，温度范围0℃～40℃。风速要小于3m/s测试步骤123实施准备测试实施测试与分析方向盘最大角速度测试与分析方向盘转角滞后时间测试与分析系统稳定时间测试与分析控制精度测试与分析最大扭矩测试与分析期望结果方向盘最大角速度方向盘转角滞后时间系统稳定时间控制精度最大扭矩≤200rad/s≤300ms≤1000ms±1°12.8N*M至-12.8N*M二、实施准备1.工具设备清单表4-4-SEQ表4-4-\*ARABIC5工具设备清单分类名称数量图例实训设备线控底盘1套测试电脑1套CAN分析仪1套千斤顶1台防护用品工作服1套安全帽1个工作手套1双辅助材料无纺布1张2.检查设备（1）穿戴好工作手套和安全帽，将工具设备等摆放在工位上。（2）检查线控底盘外观是否正常，内部零件是否齐全，线束连接是否正常。（3）用千斤顶举升线控底盘后轮，使后轮离地。（选择在实训室场地测试时需要做此操作）（4）检查测试电脑外观是否正常。（5）连接CAN分析仪外观是否正常无破损。3.连接设备（1）将车辆外接CAN0接口连接到CAN分析仪CAN1通道，如REF_Ref170316943\h图4-4-4所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC4连接CAN分析仪（2）通过拨码开关，将CAN1的终端电阻R1拨到ON的位置，如REF_Ref170316948\h图4-4-5所示，接入终端电阻。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC5接入终端电阻（3）使用USB连接线将CAN分析仪连接到电脑。4.启动设备（1）按下车辆的电源开关，启动车辆，如REF_Ref170316954\h图4-4-6示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC6启动车辆（2）长按遥控器的电源键（左右各一个，同时长按3秒），如REF_Ref170316961\h图4-4-7所示，启动遥控器。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC7启动遥控器（3）将遥控器最右侧SWD拨杆开关往下拨动，进入遥控驾驶模式，如REF_Ref170316966\h图4-4-8所示。(注意：需将遥控器的拨杆SWB拨到中间位置，关闭转向灯)图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC8进入遥控驾驶模式（4）按下测试电脑的电源开关，启动测试电脑。三、线控转向系统性能测试实施测试实施时，若测试场地条件不允许的情况下，可以选择在实训室场地进行测试（需举升车辆后轮）。1.启动连接上位机（1）双击测试电脑桌面上的转向测试上位机图标，如REF_Ref170316973\h图4-4-9所示，打开上位机。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC9转向测试上位机（2）单击“打开设备”，再单击“启动CAN”，单击“开始”，进入线控转向测试主界面，如REF_Ref170316982\h图4-4-10所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC10上位机初始界面2.进入自动驾驶模式（1）单击“观测模式”，切换为控制模式，如REF_Ref170316988\h图4-4-11所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC11切换为控制模式（2）按下遥控器后面的“遥控/自动模式切换开关”，如REF_Ref170317000\h图4-4-12所示。进入自动驾驶模式，如REF_Ref170317027\h图4-4-13所示，此时车辆双闪灯闪亮。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC12遥控器“遥控/自动模式切换开关”图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC13自动驾驶模式3.存储文件（1）在数据记录界面单击“存储文件”，如REF_Ref170317037\h图4-4-14所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC14数据记录界面（2）在弹出的“存储文件”对话框，输入对应文件名，并单击“保存”，如REF_Ref170317043\h图4-4-15所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC15“存储文件”对话框4.设置控制参数例：每次转向5°，直到转向至右转30°，进行控制参数设置。（注：不同性能指标测试需要进行不同的参数设置）在“车辆使能”界面，单击“转向未使能”，切换到“转向已使能”状态，如REF_Ref170317052\h图4-4-16所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC16进行车辆使能设置5.开始记录数据（1）在数据记录界面单击“开始记录”，在“转向控制”操作界面，设置步长为5，模式为“单步模式”，单击“红色向右箭头”，设置方向盘转向期望角度为右转30度，如REF_Ref170317075\h图4-4-17所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC17进行转向操作（2）在上位机查看转向反馈角度为30，如REF_Ref170317087\h图4-4-18所示，车轮成功向右转动。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC18反馈角度显示（3）转向控制完成后，单击“归零”，回正车轮。6.数据加载与回放（1）在数据记录界面中单击“结束记录”，并单击“加载文件”，如REF_Ref170317125\h图4-4-19所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC19加载文件（2）在弹出的“打开”对话框，选择前面保存的文件，并单击“打开”，如REF_Ref170317133\h图4-4-20所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC20选择对应.txt文件（3）在数据记录界面中勾选“角度曲线”，并单击“生成曲线”，如REF_Ref170317139\h图4-4-21所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC21生成角度曲线（4）上位机弹出“线控角度数据回放”对话框，将鼠标移动到曲线某个位置时，会显示曲线上某一点的数据，包括时间数据和车辆角度数据，如REF_Ref170317170\h图4-4-22所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC22转向角度曲线图7.数据生成（1）将一份记录数据的.txt文件复制到D盘根目录，分别取名为ce1.txt以及ce2.txt(注意是一份文件复制成两份改名放在D盘根目录，如REF_Ref170317162\h图4-4-23所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC23复制修改.txt文件（2）单击“生成响应时间”，图标变成绿色时，表示正在生成；当图标再次变红表示生成完成，如REF_Ref170317178\h图4-4-24所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC24生成转向响应时间测试文件（3）此时在D盘根目录下有转向响应时间测试的文件生成，打开可以看到每一步递增的响应时间，如REF_Ref170317182\h图4-4-26所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC26转向响应时间测试文件（4）单击生成稳态误差，生成稳态误差数据，此时在D盘根目录有转向稳态误差测试的文件生成，打开可以看到每次产生的误差值，如REF_Ref170317194\h图4-4-27所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC27转向稳态误差测试文件四、线控转向系统性能测试与分析线控转向系统性能测试分析包括方向盘最大角速度测试分析、方向盘转角滞后时间测试分析、系统稳定时间测试分析、控制精度测试分析、最大扭矩测试分析。1.方向盘最大角速度测试与分析（1）设置控制参数，记录数据，回放数据。①在上位机以一次性从0°转向至300°为例，记录并分析相应数据。②在上位机以一次性从0°转向至－300°为例，记录并分析相应数据。（2）测试数据曲线图①上位机以一次性从0°转向至300°转向数据曲线图如REF_Ref170317199\h图4-4-28所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC28一次性从0°转向至300°转向数据曲线图②上位机以一次性从0°转向至-300°转向数据曲线图如REF_Ref170317207\h图4-4-29所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC29一次性从0°转向至-300°转向数据曲线图（3）测试数据记录根据上位机转向数据表格见REF_Ref170317791\h表4-4-6。表4-4-SEQ表4-4-\*ARABIC6方向盘最大角速度测试数据序号转向度数（°）转向指令下发时间（ms）转向角开始响应时间（ms）转向角达到目标值时间（ms）转向总用时（s）角速度（rad/s）10~3003064316945441480202.720~-3002998309844681200204.8（4）测试数据分析结合图与表分析，从0°到300°的时间为1.480秒，从0°到-300°的时间为1.200秒，原地转向的最大角速度约为204.8rad/s。2.方向盘转角滞后时间测试与分析（1）设置控制参数，记录数据，回放数据。在上位机设置周期为4s（正弦波周期可以填写1-10，对应1s-10s对应1HZ-0.1HZ），以正弦周期4s为例，记录并分析相应数据。（2）测试数据曲线图在上位机设置周期为4s，以正弦周期4s为例数据曲线图如REF_Ref170317223\h图4-4-30所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC30以正弦周期4s为例数据曲线图（3）测试数据记录上位机以正弦周期4s为例转向数据表格见REF_Ref170317801\h表4-4-7。表4-4-SEQ表4-4-\*ARABIC7方向盘转角滞后时间测试数据序号周期（s）转向指令到达0°时间（ms）实际转向角达到0°时间（ms）方向盘转角滞后时间（ms）149000290317315249200292292290349400294302300（4）测试数据分析结合生成的转向响应时间测试表格以及正弦波数据曲线图，得出方向盘转角滞后时间为300ms。3.系统稳定时间测试与分析（1）设置控制参数，记录数据，回放数据。①在上位机以一次性从0°转向至180°为例，记录并分析相应数据。②在上位机以一次性从0°转向至－180°为例，记录并分析相应数据。（2）测试数据曲线图①上位机以一次性从0°转向至180°转向数据曲线图如REF_Ref170317231\h图4-4-31所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC31一次性从0°转向至180°转向数据曲线图②上位机以一次性从0°转向至-180°转向数据曲线图如REF_Ref170317395\h图4-4-32所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC32一次性从0°转向至-180°转向数据曲线图（3）测试数据记录上位机以一次从0°转向至180°转向数据表格见REF_Ref170317810\h表4-4-8。表4-4-SEQ表4-4-\*ARABIC8系统稳定时间测试数据序号转向度数（°）到达目标角度时间（ms）稳定目标角度时间（ms）系统稳定时间（ms）10~180122211292670520~-18035574297740（4）测试数据分析结合图与表，系统第一次达到180°后，产生超调量，等稳定之后的调整时间为705ms。结合图与表，系统第一次达到-180°后，产生超调量，等稳定之后的调整时间为740ms。4.控制精度测试与分析（1）设置控制参数①在上位机以一次性从0°转向至300°为例，记录并分析相应数据。②在上位机以一次性从0°转向至－300°为例，记录并分析相应数据。（2）测试数据曲线图①上位机以一次性从0°转向至300°转向数据曲线图如REF_Ref170317400\h图4-4-33所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC33一次性从0°转向至300°转向数据曲线图②在上位机以一次性从0°转向至－300°转向数据曲线图如REF_Ref170317406\h图4-4-34所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC34一次性从0°转向至－300°转向数据曲线图（3）测试数据记录上位机以一次从0°转向至300°转向数据表格见REF_Ref170317820\h表4-4-9。表4-4-SEQ表4-4-\*ARABIC9控制精度测试数据序号转向度数（°）目标角度（°）实际角度（°）控制精度（°）10~300300301120~-300-300-301-1（4）测试数据分析结合图与表分析，控制精度为±1度。5.最大扭矩测试与分析（1）设置控制参数，记录数据，回放数据。①在助力模式下，用力转动方向盘（没有方向盘，使用遥控器替代），记录并分析相应数据。（2）测试数据曲线图在助力模式下，用力转动方向盘的测试曲线如REF_Ref170317418\h图4-4-35所示。图4-4-SEQ图4-4-\*ARABIC35最大扭矩测试曲线图（3）测试数据记录最大扭矩测试数据表格见REF_Ref170317838\h表4-4-10。表4-4-SEQ表4-4-\*ARABIC10最大扭矩测试数据序号助力类型方向盘实际扭矩（N*M，精度为0.1）1在助力模式下，用力转动方向盘77*0.1=7.7N*M2在助力模式下，用力转动方向盘75*0.1=7.5N*M（4）测试数据分析结合图与表进行分析，方向盘最大扭矩为7.7N*M6.编写测试报告线控转向系统性能测试报告，见REF_Ref170318329\h表4-4-11。表4-4-SEQ表4-4-\*ARABIC11线控转向系统性能测试报告线控转向系统性能测试报告测试人员张三测试时间2024年6月4日测试目的对线控转向系统的性能指标进行测试，并分析测试结果，评价线控转向系统的性能。测试条件测试场地道路要求车辆准备天气条件干燥平坦而清洁的沥青路面纵向坡度应不超过0.10%，横向坡度应不超过0.50%转向系统预热至正常工作温度状况天气晴朗，温度范围0℃～40℃。风速要小于3m/s测试过程测试内容方向盘最大角速度测试与分析测