线控转向研究现状综述

汽车线控四轮转向系统研究现状
班级：研1202
学号：**********
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2012/12/24
目录
摘要 (3)
前言 (4)
第1章线控转向的基本结构与工作原理 (4)
1.1基本结构 (4)
1.2 工作原理 (5)
第2章国内外研究现状 (5)
2.1 国外研究现状 (5)
2.2 国内研究现状 (7)
总结 (11)
参考文献 (12)
摘要
线控转向系统是一种全新的转向方式，它克服了传统转向系统由于机械连接带来的各种限制。

本文简要介绍了线控转向的基本结构与工作原理，详细介绍了基于线控的转向汽车的发展史，并分析了国内外线控转向的研究现状。

最后对线控转向的发展进行了展望与总结。

前言
更加安全，更加舒适，更加便于驾驶的智能车辆已经成为当代汽车发展的一个主要目标。

传统的转向系统，无论是机械式、液力助力式、还是电子助力式，都没有改变驾驶员通过机械机构操纵转向器的方式。

由于其转向传动比往往固定或变化范围有限，汽车的转向响应特性随车速而变化，因此驾驶员必须针对汽车转向特性的幅值和相位变化进行一定的操作补偿，才能够操纵汽车按其意愿实现转向，这在很大程度上影响了汽车的操纵稳定性和驾驶舒适性。

而线控转向系统取消了转向盘和转向轮之间的机械连接，完全摆脱了传统转向系统的各种限制，驾驶员的转向操作仅仅是向车辆输入转向盘的转角指令，在一定的操纵稳定条件下，由控制器根据转向盘的转角、当前车辆状态等信息，依据有关控制算法确定合理的前轮转角，实现准确的转向，因而对线控转向系统(steer-by-wire 简称SBW)进行的研究逐渐兴起。

同时，四轮转向使后轮能在汽车转弯时直接参与对汽车侧偏角和侧向运动的控制，不仅可比前轮转向明显具有转弯半径小，减少转向力产生的滞后的优势，而且还能独立地控制汽车的运动轨迹与姿态。

所以，不久的将来将线控转向控制技术与四轮转向技术在车上结合势在必行。

第1章线控转向的基本结构与工作原理
1.1基本结构
汽车线控四轮转向系统由方向盘总成、4 个独立的转向电机、ECU、故障处理控制器及各种传感器组成。

方向盘总成包括方向盘、方向盘转角传感器、力矩传感器、方向盘回正力矩电机。

方向盘总成的主要功能是将驾驶员的转向意图（通过测量方向盘转角）转换成数字信号，并传递给主控制器；同时接受主控制器送来的力矩信号，产生方向盘回正力矩，以提供给驶员相应的路感信息。

转向执行总成包括前轮转角传感器、转向执行电机、转向电机控制器和前轮转向组件等组成。

转向执行总成的功能是接受主控制器的命令，通过转向电机控制器控制转向车轮转动，实现驾驶员的转向意图。

CPU 对采集的信号进行分析处理，判别汽车的运动状态，对方向盘回正力电机和转向电机发送指令，控制五个电机的工作，保证各种工况下都具有理想的车辆响应，以减少驾驶员对汽车转向特性随车速变化的补偿任务，减轻驾驶员负担。

同时控制器还可以对驾驶员的操作指令进行识别，判定在当前状态下驾驶员的转向操作是否合理。

当汽车处于非稳定状态或驾驶员发出错误指令时，线控转向系统会将驾驶员错的转向操作屏蔽，而自动进行稳定控制，使汽车尽快地恢复到稳定状态。

其结构图如图1 所示。

图1.1 线控转向结构图
1.2 工作原理
汽车线控四轮转向系统用传感器检测驾驶员的转向数据，然后通过数据总线将信号传递给车上的ECU，并从转向控制系统获得反馈命令；转向控制系统也从转向操纵机构获得驾驶员的转向指令，并从转向系统获得车轮情况，从而指挥整个转向系统的运动。

转向系统控制车轮转到需要的角度，并将车轮的转角和转动转矩反馈到系统的其余部分，比如转向操纵机构，以使驾驶员获得路感，这种路感的大小可以根据不同的情况由转向控制系统控制。

又因为转向系统完全在转向控制系统的控制下运动，所以几乎可以在任意位置实现任意转向传动比，ECU 综合这些和其他信号做出判断后，再分别控制四个车轮的转向角度。

汽车在低速转弯时，前后车轮逆相位转向，可减小车辆的转弯半径；在高速转弯时，前后轮主要作同相位转向，能减少车辆质心侧偏角，降低车辆横摆率的稳态超调量等，进一步提高车辆操纵稳定性。

紧急情况下，为避免驾驶员的错误判断，这个系统还会忽略驾驶员的转向输入，平稳地将汽车保持在最安全的状态。

第2章国内外研究现状
2.1 国外研究现状
二十世纪五十年代，TRW 等转向系统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；六十年代末，德国Kas-selmann 等也设计了与此类似的主动转向系统，这些便是线控转向系统。

但由于当时电子技术和计算机计算能力的制约，线控转向系统一直无法在实车上实现，对它也没有进行深入的研究。

奔驰公司于1990 年开始了前轮线控转向系统的深入研究，并将其开发的线控转向系统安装于F400Carving 的概念车上。

德国凯撒斯劳滕(Kaiser-slautern)大学和奔驰公司联合开发的样机，在实验室的测试结果表明：样机能够同时容许一个执行器（包括控制器）故障和一个传感器故障。

在2000 年9 月的法兰克福卡车展览会上，奔驰与ZF 展示了他们的线控转向系统。

随后欧美各大汽车厂家、研究机构包括戴姆勒－克莱斯勒、宝马、采埃孚、德尔福、TRW，都对汽车线控转向系统做了深入研究。

目前许多汽车公司开发了线控转向系统，一些国际著名汽车公司已在其概念车上安装了该系统。

ZF 公司在1998 年开发出电动助力
转向系统（EPS）之后也积极进行了线控转向系统的开发研究。

在2001 年的第71 届日内瓦国际汽车展览会上，意大利的Bertone汽车设计及开发公司展示了新型概念车“FILO”，“FILO”采用了“drive-by-wire”系统，所有的驾驶动作都通过信号传递，它使用操纵杆进行转向操作，并采用了最新的42V 供电系统。

日本的捷泰克（原光洋精工技术研究所koyo）、国立大学、本田汽车公司也对线控转向系统进行了研究。

Koyo 开发了一套线控转向系统，系统采用一个主控制器、一个路感电机、一个转向执行电机的方案，但为了保证系统的安全，采用机械系统作为故障应急部件，仍然保留了转向盘与转向轮之间的机械部分，即通过离合器连接，当线控转向失效时通过离合器结合恢复到机械转向状态。

根据他们的研究、实验表明：利用线控转向进行主动控制的汽车，在摩擦系数很小的坚实雪地上进行蛇行、移线、侧向风等实验，汽车基本能够按照预定的轨迹行驶，且比传统转向系统在路线跟踪性能上有较大的提高。

在对开路面上进行制动实验，基本能够保证汽车的直线行驶，制动距离也大大缩短。

同时由于汽车响应特性的提高，降低了驾驶员的负担。

Koyo 也因此在第51 届自动车技术会议上获得技术进步奖。

YU WUN CHAI，YOSHIHIRO ABE 等人将驾驶员的年龄考虑在内，进一步完善了基于SBW 系统的参数方程。

2010年斯坦福大学的Paul Yih和J. Christian Gerdes进行了线控转向车辆状态估计与控制的研究。

他们首次提出了运用转向扭矩的信息估计车辆滑转角。

这种方法特别适用于线控转向车辆，因为线控转向车辆的转向力矩通过转向电机的应用非常容易确定。

在偏航率和转向角测量出来之后，用一个装有转向系统的线性车辆模型和一个观察器就可以预测车辆的侧滑率。

根据预测的侧滑率，用一个反馈控制通过有效的转向干预来做出正确的转向操作。

不论是观察器还是其在车辆转向操作中的应用都可以证明车辆有线控转向的能力[1]。

2003年，南澳大利亚大学的B.C. Besselink进行了计算机控制的两轮转向系统的研究。

他们提出计算机控制的两独立轮的转向系统可以提高车辆抵御外界侧滑力的能力，比如车辆穿越陡坡的时候。

用一台计算机和一套专门开发的软件算法来控制两个非驱动轮的转向角[2]。

控制算法保证两驱动轮的转向角和两个转向轮的转向角相同。

车辆运动不仅包括常规的转向而且包括驱动轴的扭转。

系统提供了一个与主转向系统没有冲突的附加的转向系统，在遇到外力的时候可以帮助主转向系统。

装有此种转向设备的车辆的车轮可以比常规车轮大，这样的话就不会有太多车辆设计上的限制，分配到车轮上的力也可以减少。

可以最大限度地提高车辆的牵引力，最小限度地减少转向时的各种损失。

他们介绍的这种算法只适用于低成本处理器的车辆，比如农用车辆，像拖拉机、收割机和越野车辆。

2011年Abhijit Baviskar, David Braganza and Pradeep Setlur进行了基于触觉可调整的线控车辆控制器的研究。

他们指出线控转向系统可以让驾驶员实现“路感”。

调整转向系的动力性能可以增强驾驶员的驾驶能力，还可以增强车辆的安全性。

运用非线性跟踪控制器确保转向控制组件在驱动接口上实现驾驶员的转向意图。

另外，控制器还可以对轮胎与地面的接口的力进行比例可调的反馈。

两种控制技术可以保证转向误差接近于零。

第一个控制策略是为了补偿参数的不确定性，第二个控制策略是根据观察者的使用消除力矩的误差[3]。

大量的试验结果证明控制器的作用是很明显的。

2004年Joachim Langenwalter 和Tom Ekkinen进行了嵌入式线控转向系统开发的研究。

他们指出基于模型的设计可以生成大批量的汽车嵌入式系统。

而这个系统需要软件工程框架的支持[4]。

他们所作的研究就是描述了设计自动嵌入式系统框架的发展进程、方法和设计工具。

在这里，线控转向系统是一个研究实例。

2002年，伊斯坦布尔技术大学的Bilin Aksun GiivenG 和Levent Giivenq进行了基于模型调节器的线控转向的鲁棒性的研究。

他们指出汽车的非对称干扰（比如分路式制动、侧风的力量或者单方面的轮胎压力损失）都会导致汽车偏航行驶，这时候就需要驱动程序使汽车
偏航趋于稳定或者利用自动驾驶辅助系统。

在辅助转向系统中运用二自由度模型控制器保持偏航的稳定[5]。

为了满足多约束的需要，他们介绍了一种鲁棒性的控制器。

但是至今，在国外将SBW 与四轮转向结合起来研究的并不多，目前只能找到SVEN KLEINE 和JO-HANNES L V AN NIEKERK 建立了三自由度的四轮线控转向系统模型，该模型忽略了侧滑，可以很好地控制横摆角速度，并保持不足转向的特性，有效地减少了驾驶员的工作负担。

2.2 国内研究现状
国内研究线控转向系统起步较晚，尚未发现2004 年之前的文献资料。

2004 年 2 月，吉林大学宗长富、麦莉、郭学立等人介绍了汽车前轮电子转向技术发展概况，首次在国内提出“前轮电子转向系统”的概念[6]，其实。

前轮电子转向系统。

就是SBW。

2010 年1 月，同样是吉林大学的田承伟，宗长富，王祥，姜国彬，何磊共同研究了线控转向汽车传感器的容错控制[7]。

他们提出了一种基于故障特征向量的残差门限故障诊断方法，该方法可以对相应的传感器故障做出准确诊断，并且能够有效降低误诊断率。

通过模拟仿真与实车试验，他们认为基于AFKF 的线控转向汽车传感器故障补偿方法能够利用其他传感器信号对故障传感器信号进行准确补偿，实现容错控制，并认为基于AFKF 的容错控制方法，具有良好的鲁棒性和实时性，能对工作环境相对复杂的线控转向系统传感器进行有效的容错控制。

汽车线控四轮转向控制策略、汽车线控转向系统路感模拟方法，做了一系列的仿真模拟，并对传感器容错控制建立了硬件在环试验台，对路感模拟做了实车试验。

随后，田承伟、宗长富、何磊、于志新、王祥等人研究了汽车线控四轮转向控制策略[8]。

他们基于转向传动比随汽车速度和方向盘转角而变化，提出了前轮控制、侧滑率反馈控制和侧滑率及加速度反馈控制三种前轮线控转向的稳定性控制策略，并进行了驾驶模拟器试验评价。

他们结合后轮主动转向研究了分别采用前馈控制方式和反馈控制方式的线控四轮转向系统的转向控制策略，并将其与前轮线控转向和传统四轮转向系统进行了比较。

仿真和模拟器试验验证了线控四轮转向系统能有效提高汽车的操纵稳定性。

接着，郑宏宇，宗长富，王祥通过对汽车转向系统路感的理论分析[9]，建立了线控转向系统动力学模型。

他们采用卡尔曼滤波技术对汽车转向系统齿条受力进行估计，并引入电动助力转向系统的助力特性，设计复制电动助力转向系统路感的线控转向系统路感模拟方法。

试验结果表明，路感模拟方法可以使驾驶员获得有效的路感信息，提高了汽车的操纵性和舒适性。

2004 年同济大学在工博会上展出的“春晖三号”电动车运用了线控转向技术，其转向器与转向盘之间无机械连接。

同济大学卓桂荣，陈辛波，余卓平，万钢在2005 年对线控四轮转向系统进行了研究，他们首次在国内提出了在汽车上实现。

全方位线控转向。

这一新理念。

他们提出了一种用于外转子式轮毂电机的双横臂悬架导向机构和转向机构，可实现四轮驱动电动汽车绕任一点进行旋转，以及沿任一方向进行平移。

他们研究了当电机失灵时的故障排除技术，即可通过电磁离合器的开关组合，驱动一台转向电机可使四个车轮全部复位，且仍可保持转向能力。

用Euler 角描述了悬架导向机构的姿态，推导出与车轮定位参数相关的悬架导向机构姿态角公式，对各控制点坐标进行参数化，在ADAMS软件下建立了参数化模型，并对悬架导向机构进行了优化设计。

武汉理工大学的刘永在2006 年的硕士学位论文中研究了线控转向系统[10]，他对电子转向系统的基本结构、工作原理和性能特点进行了研究，提出线控转向系统的主要控制对象是转向执行电机和路感模拟器，在直流电动机和电磁施力器中，电流大小决定了输出力矩的大小（正比关系），控制直流电动机的电流可以实现转向随动以及转向回正，控制电磁施力
器的电流可以提供汽车行驶过程中所需的。

路感。

，确定转向系统的控制策略，首先就是确定目标电流的计算算法，着重研究了汽车电子转向系统针对电机电流的模糊PID 和PID 控制算法，并做了仿真分析。

同样来自武汉理工大学的杨胜兵在博士学位论文中研究了线性转向系统的控制策略[11]。

他阐述了线控转向系统的结构原理、建立了线控转向系统转向动力学模型；设计了研究线控转向系统控制策略的硬件在环实验系统，包括利用ADAMS 虚拟建模技术建立的用于研究线控转向系统控制策略的离线车辆模型，在线控转向系统变结构模糊变传动比控制和路感函数多变量模糊控制两个方面进行了创新性研究。

2010年，天津工程师范学院的张伯俊，刘升进行了线控变传动比四轮转向的操纵稳定性的研究[12]。

他们根据车辆横向运动动力学模型，采用全反馈控制策略，并考虑到人的差异，提出了影响控制策略的组合系数，可以通过人为地选择组合系数，来调整转向传动比和转向增益。

仿真结果表明，可使质心侧偏角降低到零而侧向加速度增益和横摆角速度增益保持不变，并能减少系统波动幅值和进入稳态所经历的时间，从而保证车辆的反应快速灵活。

在保持上述特性不变的情况下，可人性化地选择转向传动比和转向增益，进一步提高了车辆的操纵稳定性、行驶安全性和司机的驾驶舒适性。

2012年长安大学汽车学院的公伟强、王小杰、高树健进行了线控四轮转向系统理想角
传动比的研究[13]。

他们采用二自由度汽车模型，研究了线控四轮转向系统理想角传动比的
设计，通过Matlab/simulink仿真分析理想角传动比下车辆操纵稳定性的时域响应。

理想角
传动比下的汽车低速时具有良好灵敏度，高速时具有较高的安全性，在一定程度上改善了车辆高速时的操纵稳定性，但还需要建立人- 车- 路闭环系统，进一步完善理想角传动比的优化设计及其评价指标。

下面具体介绍其仿真结果。

利用Matlab/simulink动态仿真特性，以转向盘转角阶跃30°作为输入，研究二自由度车辆模型的时域响应。

模型表示为前轮线控转向系统，仿真结果如下：
图2.1 车速与传动比关系图2.2 车速与转向灵敏度的关系
图2.3 横摆角速度阶跃响应图2.4 侧向加速度阶跃响应
由图3、图4 知，汽车在低速时采用固定角传动比，转向灵敏度随车速变化而变化，避免了低速时灵敏度过高带来的汽车难以。

驾驭。

的现象。

高速时采用可变角传动比，转向灵敏度不随车速的变化而变化，汽车具有良好的操纵稳定性。

图 5 显示，汽车在高速时，经过一定响应时间达到稳态后具有相同的横摆角速度，减少了因驾驶员驾驶习惯不同对操纵稳定性的影响。

图6 看出，仅用理想角传动比难以使汽车高速时具有相同的侧向加速度，需要研究力传动比或者力、角综合反馈控制策略以进一步改善车辆操纵稳定性。

2011年，广西工学院的万芩进行了ADAMS 和MATLAB 在线控转向集成控制中的联合仿真的研究[14]。

他们在回顾了国内外汽车线控转向系统的发展和现状基础上，首先对线控转向系统关键技术之一的FlexRay 车载网络进行了分析，介绍了FlexRay 车载网络的运行机制和目前在汽车中的应用；提出以FlexRay 网络为主网络的车载网络系统结构，进一步对网络构架中的网关进行了分析。

依据汽车的运动特性，利用智能控制技术解决线控转向的关键部分——前转角的控制和反馈力矩的设计。

从稳态横摆角速度和前轮转向与方向盘跟随关系出发设计双闭环串级模糊控制系统，使汽车在不同速度不同方向盘角速度下按照转向盘指示转向并实现稳态转向，提高系统的稳定操纵性，通过行驶角反馈提高了汽车的跟踪性能。

又依据传统汽车回正力矩的特性，设计了在不同速度下汽车回正力矩不同的表达式。

为进一步验证控制系统的正确性，利用MATLAB 和ADAMS 软件构建虚拟样机进行了联合仿真。

通过在MATLAB 里搭建前轮控制系统和方向盘回正力矩；利用ADAMS 软件建立具有线控转向系统的汽车模型；对ADAMS 和MA TLAB 的软件接口的设置，形成虚拟样机。

依据汽车的性能指标对虚拟样机系统进行汽车的各种状态的仿真，验证前轮转角控制系统设计的正确性。

最后分析了汽车侧倾角对汽车稳定性的影响，根据三自由度模型设计了基于侧倾角影响的前轮转向模糊集成控制系统。

通过引入可调因子，依据侧倾角误差值对前轮转角模糊规则实现在线调整，缓解由于侧倾角过大导致汽车翻车。

通过仿真验证了侧倾角补偿反馈具有一定的改善汽车稳定性的作用。

2012年同样是广西工学院的李珊，谭光兴，林川，杨叙，简文国进行了基于模糊PID 线控转向系统前轮转角控制研究[15]。

他们通过对乘用车线控转向系统结构、原理进行分析，建立了基于Simulink 与CarSim 的汽车线控转向系统联合仿真模型，将模糊理论应用到前轮转角控制策略中，并在整车动力学模型的基础上，设计模糊PID 控制器，用于前轮转角控制.仿真结果表明：汽车低速行驶时，较小方向盘转角能实现较大的前轮转角变化，其传动比较小，驾驶员转向轻便；而高速行驶时，需要较大的方向盘转角实现前轮转角变化，传动比较大，可有效防止汽车高速抖动，提高汽车操纵的稳定性。

2012年燕山大学的王兴昌进行了基于视觉的四轮驱动电动汽车转向控制方法研究[16]。

他们以四轮转向车辆为研究对象，提出车辆前后轮转角分配的新方法，即抛弃一般四轮转向车辆进入稳态后保持质心侧偏角始终是零的控制策略，代之以质心侧偏角最小为目标，并将机器视觉技术融入转向控制中的方法来实现对车轮转角的确定。

在对国内外研究现状分析的基础上，完成车辆的建模，车轮转角分配方式的确定，控制器的设计，并进行仿真分析，取得了良好的效果。

他们主要完成的工作有：
(1)在引入车辆及轮胎坐标系的基础上，完成了四轮转向车辆数学模型的创建。

以机器视觉获得的车辆及道路信息为基础，建立了关于质心侧偏角的目标函数，在保证其值最小的情况下，实现了对车辆前后轮转角的分配。

(2)运用自动控制原理的相关知识，设计了车辆的控制器。

对于整车控制模型，以质心侧偏角最小为目标进行前馈控制器的设计，根据车辆实际响应值与理论值的差值，采用最优控制理论进行反馈控制器的设计。

(3)完成了整车及控制器仿真模型的创建，并进行了仿真分析，证实了采用车轮转角分配方法的四轮转向车辆在转向过程中的响应特性良好。

同时完成了前轮转向及比例四轮转向车辆仿真模型的创建，在机器视觉技术获得的信息相同的情况下，对车辆进行仿真分析，结果表明：采用车轮转角分配方法进行转向的车辆优于其他转向方式的车辆，且对道路的跟踪能力明显提升。

2012年西安科技大学机械工程学院的李明、柴光远进行了卡尔曼滤波器在装载机线控转向系统中的应用的研究[17]。

他们针对装载机线控系统受干扰后稳定性差的问题，用卡尔曼滤波器与普通PID 控制相结合的方法在MA TLAB 环境下对系统进行仿真试验。

结果表明，基于卡尔曼滤波器的线控转向系统的控制性能优于常规PID 控制的线控转向系统，同时具有良好的动态响应特性。

2010年兰州理工大学的冯严科进行了汽车线控四轮转向系统的研究[18]。

他们以汽车线控四轮转向系统的研究为主体，设计了线控四轮转向系统的总体结构，建立了转向系统各个组件及整车的数学模型，确定了系统中转向盘组件、转向执行机构组件、前轮转角和后轮转角的控制策略，并用simulink软件进行了仿真模拟。

取得的主要研究成果如下: （1）对线控四轮转向系统的基本结构进行了总体的设计，对路感反馈模块和转向执行机构进行了具体设计。

对系统所用的转向电机和传感器的选择进行了详细的探讨。

所研究的线控四轮转向系统能取代传统转向系统中的机械连接，实现各个转向轮的独立转向，改善汽车的转向性能，具有一定的研究价值。

（2）采用降阶建模的方法建立了线控四轮转向系统的转向盘系统、转向执行机构和车辆的数学模型。

对转向轮转向阻力矩和四转角输入车辆的二自由度基本操纵模型进行了详细的分析。

建立了线控四轮转向系统的数学模型。

（3）通过对转向系统路感的分析，系统采用反馈转向轮转向阻力矩的方式控制电磁施力器产生转向盘反馈力矩的控制策略;针对转向执行机构的特点，系统采用PID控制器控制转向执行机构;比较了目前采用的前轮转角的控制策略，采用预设传动比的方法控制前轮转角，以使转向系统的传动比既能满足车辆高速和低速时的需要，又不因其随时变化给驾驶员造成额外负担。

对于后轮转角的控制，以控制汽车质心侧偏角等于零为控制目标，求出了本系统所适用的后轮转角控制算法。

（4）应用Simulink建立了整个线控四轮转向系统的仿真模型，对转向盘输入转角特性，转向执行机构的控制，电磁施力器反馈力矩以及整个车体的响应特性进行了仿真分析。

所研究的线控四轮转向系统采用电信号的传递替代传统转向系统的机械连接，以电子处理单元结合车体的运动状态，控制四个转向轮独立主动转向，实现汽车转向系统的智能控制。

2008年中国石油大学的于蕾艳和北京理工大学的林逸、施国标进行了汽车线控转向系统的结构分析[19]。

他们分析了线控转向系统的总体结构和功能、人机界面—转向盘和操纵杆、转向机构的形式等。

可以为线控转向系统的设计提供借鉴。

下图为他们介绍的各种车型的线控转向系统。