發(fā)布時(shí)間：2020-03-22 02:28

【摘要】：轉(zhuǎn)向盤力矩反饋系統(tǒng)的研究由來已久,但隨著汽車技術(shù)的發(fā)展,特別是汽車智能化技術(shù)和線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展,對(duì)轉(zhuǎn)向盤力矩反饋系統(tǒng)又提出了很多新的要求。轉(zhuǎn)向盤力矩反饋系統(tǒng)作為連接駕駛員和車輛的重要一環(huán),所起到的作用也越來越重要。例如,在基于轉(zhuǎn)向盤反饋力矩的人機(jī)協(xié)同控制問題的研究中,如何設(shè)計(jì)出符合駕駛員理想操縱性能的轉(zhuǎn)向盤反饋力矩或疊加力矩是基于轉(zhuǎn)向盤反饋力矩的人機(jī)協(xié)同控制的關(guān)鍵問題;在線控轉(zhuǎn)向技術(shù)研究中,由于取消了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接,為轉(zhuǎn)向盤反饋力矩的設(shè)計(jì)和控制提供了更大的自由度,同時(shí),由于沒有了直接的路感來源,對(duì)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向盤反饋力矩的模擬研究也顯得尤為重要;此外,由于受交通法規(guī)限制,目前汽車智能化技術(shù)路試難度仍然比較高,這就使得駕駛模擬器在技術(shù)開發(fā)階段起到了至關(guān)重要的作用,而轉(zhuǎn)向盤力矩反饋系統(tǒng)作為駕駛員模擬器的重要一環(huán),對(duì)駕駛模擬器的品質(zhì)起到了重要作用。本文依托國(guó)家自然基金重點(diǎn)聯(lián)合基金項(xiàng)目“智能電動(dòng)汽車一體化建模與集成控制方法”、十三五國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“智能電動(dòng)汽車人機(jī)共駕交互理論”、校企合作項(xiàng)目“先進(jìn)駕駛員安全輔助系統(tǒng)駕駛員在環(huán)評(píng)估系統(tǒng)”,通過對(duì)轉(zhuǎn)向盤力矩反饋系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析和總結(jié),分別從轉(zhuǎn)向盤反饋力矩對(duì)駕駛員操縱性能的影響,實(shí)車轉(zhuǎn)向盤反饋力矩模擬,理想轉(zhuǎn)向盤反饋力矩設(shè)計(jì)和控制,轉(zhuǎn)向盤力矩反饋系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)四個(gè)方面對(duì)轉(zhuǎn)向盤力矩反饋系統(tǒng)的關(guān)鍵問題進(jìn)行研究。首先,在轉(zhuǎn)向盤反饋力矩對(duì)駕駛員操縱性能的影響研究中,本文重點(diǎn)研究了不同轉(zhuǎn)向盤反饋力矩下駕駛員手臂的補(bǔ)償機(jī)理和駕駛員對(duì)人-車-環(huán)境閉環(huán)系統(tǒng)的理想操縱性能。在研究過程中,引入了駕駛員手臂模型,并設(shè)計(jì)了手臂機(jī)械特性的辨識(shí)算法。通過研究轉(zhuǎn)向盤反饋力矩特性參數(shù)的改變對(duì)駕駛員手臂機(jī)械特性參數(shù)的影響,詳細(xì)探究了駕駛員手臂機(jī)械特性參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向盤反饋力矩的補(bǔ)償機(jī)理;其次,本文從人-車-環(huán)境閉環(huán)系統(tǒng)的整體角度考慮,提出了以駕駛員在理想操縱狀態(tài)下的人-車-環(huán)境閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)來表達(dá)駕駛員理想操縱性能的量化處理方法,并通過研究轉(zhuǎn)向盤反饋力矩和車速對(duì)該系統(tǒng)傳遞函數(shù)的影響,以及不同駕駛員在其操縱性能最佳狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)傳遞函數(shù)之間的差異性,證明了該系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以代表駕駛員自身的理想操縱性能,能夠反映駕駛員個(gè)體之間的差異性。從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)駕駛員本身的理想操縱性能的量化處理,為理想轉(zhuǎn)向盤反饋力矩的設(shè)計(jì)與控制研究提供了參考模型。其次,對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在實(shí)車轉(zhuǎn)向盤反饋力矩模擬中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究,提出了一種簡(jiǎn)單有效,方便實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)向盤反饋力矩模擬模型。首先,通過實(shí)車試驗(yàn),獲得了大量的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練數(shù)據(jù)和模型驗(yàn)證數(shù)據(jù),并構(gòu)建了多組網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集;然后,在此基礎(chǔ)上,建立了靜態(tài)誤差反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)向盤反饋力矩模型。并以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ),深入研究了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)性能之間的關(guān)系,例如輸入變量對(duì)模型輸出逼真度的影響,隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)和層數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練效率和網(wǎng)絡(luò)逼真度的影響,網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的構(gòu)成對(duì)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)性能的影響等,初步形成了用于轉(zhuǎn)向盤反饋力矩模擬的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的基本架構(gòu)。在此架構(gòu)的基礎(chǔ)上,為了進(jìn)一步模擬轉(zhuǎn)向盤反饋力矩的動(dòng)態(tài)特性,建立了基于動(dòng)態(tài)非線性自回歸(NARX)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)向盤反饋力矩模型,并研究了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)階數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)逼真度的影響。最后對(duì)兩種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)性能進(jìn)行了對(duì)比,使用實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所提出的NARX神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的有效性,為后續(xù)的理想轉(zhuǎn)向盤反饋力矩的研究提供了基礎(chǔ)力感。第三,為了提高轉(zhuǎn)向盤反饋力矩對(duì)駕駛員操縱行為的引導(dǎo)作用,在轉(zhuǎn)向盤反饋力矩對(duì)駕駛員操縱性能影響研究的基礎(chǔ)上,提出了一種新型的理想轉(zhuǎn)向盤反饋力矩設(shè)計(jì)方法和力矩控制器。該控制器以駕駛員對(duì)人-車-環(huán)境閉環(huán)系統(tǒng)的理想系統(tǒng)傳遞函數(shù)作為參考模型,通過對(duì)轉(zhuǎn)向盤疊加力矩的控制,使整個(gè)人-車閉環(huán)系統(tǒng)的實(shí)際操縱性能逼近于參考模型,最終降低了駕駛員操縱負(fù)擔(dān),提高了整個(gè)系統(tǒng)的操縱性能。該控制器將控制系統(tǒng)分為內(nèi)外兩個(gè)控制環(huán),在外控制環(huán)中,提出了基于遞歸最小二乘的辨識(shí)算法。該算法不需要對(duì)駕駛員進(jìn)行詳細(xì)建模,并能根據(jù)參考模型在線辨識(shí)得到理想轉(zhuǎn)向盤反饋力矩模型;在內(nèi)控制環(huán)中,提出了基于滑模魯棒項(xiàng)的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法,通過控制轉(zhuǎn)向盤疊加力矩,使車輛的操縱性能逼近理想轉(zhuǎn)向盤反饋力矩模型。其中,車輛模型通過徑向基函數(shù)(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線辨識(shí)得到,不需要對(duì)車輛進(jìn)行詳細(xì)建模,滑模魯棒項(xiàng)可以有效抵抗系統(tǒng)的不確定性和系統(tǒng)干擾,增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。綜上,該控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)駕駛員理想操縱性能的考慮和在車輛平臺(tái)上控制實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)部分的完全解耦,并且不需要詳細(xì)的駕駛員信息和車輛信息,因此,能夠方便的適用于不同駕駛員和不同車輛,具有較強(qiáng)的可移植性。此外,本文對(duì)控制系統(tǒng)還進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。最后,分別通過仿真和模擬器試驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的控制器的有效性。其中,臺(tái)架試驗(yàn)所使用的基礎(chǔ)力感由基于NARX神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的實(shí)車轉(zhuǎn)向盤反饋力矩模型提供。第四,針對(duì)轉(zhuǎn)向盤力矩反饋系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì),在考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性影響因素的基礎(chǔ)上,使用能量法對(duì)轉(zhuǎn)向盤力矩反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,推導(dǎo)得到了系統(tǒng)的穩(wěn)定性準(zhǔn)則,并在此準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上,研究了系統(tǒng)時(shí)間延遲,系統(tǒng)機(jī)械部分的阻尼和剛度,系統(tǒng)需要模擬的轉(zhuǎn)向盤反饋力矩的剛度特性,駕駛員輸入等因素對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。最后,分別通過仿真和臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提出的系統(tǒng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則和對(duì)影響因素的分析結(jié)論。該穩(wěn)定性準(zhǔn)則可以作為系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則用于轉(zhuǎn)向盤力矩反饋系統(tǒng)平臺(tái)搭建中去。用戶可以使用此準(zhǔn)則結(jié)合對(duì)系統(tǒng)模擬力矩的需求計(jì)算得到系統(tǒng)時(shí)間延遲和機(jī)械部分特性參數(shù)的選擇范圍,從而指導(dǎo)設(shè)備選型和機(jī)械部分的設(shè)計(jì)和制造;也可以根據(jù)已有系統(tǒng)的時(shí)間延遲和機(jī)械部分特性參數(shù)計(jì)算得到系統(tǒng)能夠穩(wěn)定模擬的力矩范圍,對(duì)已有系統(tǒng)的力矩模擬能力有一個(gè)大致的預(yù)判。此外,本文為以上各項(xiàng)研究?jī)?nèi)容分別提供了試驗(yàn)和驗(yàn)證平臺(tái),搭建了實(shí)車試驗(yàn)平臺(tái)和以轉(zhuǎn)向盤力矩反饋系統(tǒng)為核心的小型駕駛模擬器。在實(shí)車試驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了實(shí)車試驗(yàn),利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集。在駕駛模擬器的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了考慮駕駛員手臂特性的轉(zhuǎn)向盤反饋力矩對(duì)駕駛員操縱性能影響試驗(yàn),并驗(yàn)證了本文所提出的轉(zhuǎn)向盤反饋力矩控制器的有效性和轉(zhuǎn)向盤力矩反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則的準(zhǔn)確性,以及系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響因素的相關(guān)結(jié)論。
【圖文】：

轉(zhuǎn)向盤反饋力矩中發(fā)生變化的阻尼特性被補(bǔ)償?shù)袅�。從圖2.8（c）和（e）中也可以看出，駕駛員手臂剛度特性和慣量特性隨著轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩阻尼特性的變化也不大。但駕駛員手臂阻尼特性隨著轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩阻尼特性的變化十分明顯，如圖 2.8（d）所示。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的阻尼特性增加時(shí)，駕駛員手臂的阻尼特性也有明顯增加。這說明，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的阻尼特性主要通過駕駛員手臂的阻尼特性來進(jìn)行補(bǔ)償。

9 轉(zhuǎn)向盤反饋力矩摩擦變化時(shí)，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)矩和駕駛員手臂特性變此可以得到，，駕駛員在熟悉行駛環(huán)境和行駛車輛后，其本身的理想操縱隨著轉(zhuǎn)向盤反饋力矩和車速的改變而發(fā)生改變。大部分駕駛員的操縱性圍內(nèi)，但是不同個(gè)體之間還是會(huì)有細(xì)微差別。不同的轉(zhuǎn)向盤反饋力矩的同的駕駛員手臂機(jī)械特性參數(shù)補(bǔ)償。其中，轉(zhuǎn)向盤反饋力矩的剛度特性手臂的剛度特性進(jìn)行補(bǔ)償；轉(zhuǎn)向盤反饋力矩的阻尼特性主要由駕駛員手進(jìn)行補(bǔ)償；轉(zhuǎn)向盤反饋力矩的摩擦特性主要由駕駛員手臂的剛度和阻尼補(bǔ)償，同時(shí)，轉(zhuǎn)向盤反饋力矩中摩擦特性的改變也會(huì)使得駕駛員手臂的
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U463.4

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 鄭宏宇;宗長(zhǎng)富;王祥;;汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感模擬方法[J];農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào);2011年02期

2 宗長(zhǎng)富;麥莉;王德平;李雅娟;;基于駕駛模擬器的駕駛員所偏好的轉(zhuǎn)向盤力矩特性研究[J];中國(guó)機(jī)械工程;2007年08期

3 尚U

本文編號(hào)：2594326