基于扭矩识别方向盘离手的研究.pdf

2023.06 Automobile Parts042研究与开发Research&Development收稿日期:2022-09-20作者简介:吴成伟(1986),男,硕士,高级工程师,研究方向为汽车转向系统。E-mail:。DOI:10.19466/ki.1674-1986.2023.06.008基于扭矩识别方向盘离手的研究吴成伟,徐春晓,田思秀,周精浩,冯军,梁建平吉利汽车研究院(宁波)有限公司,浙江宁波 315000摘要:为了提高车辆行驶的安全系数,提出一种基于转向扭矩辅助识别方向盘离手的监测策略。对转向传动系统影响扭矩识别方向盘离手的因素进行了分析,设置了基于转向扭矩辅助的设计及控制逻辑,并通过计算分析和测试的验证。结果表明;该设置策略的逻辑及控制方法在车辆高级辅助功能激活的工况下,可以实现方向盘离手辅助提示功能,为方向盘离手辅助提示提供了开发设计方法。关键词:方向盘离手;转向扭矩;智能辅助;转向传动中图分类号:TH134Research on Steering Wheel Off-hand Based on Torque RecognitionWU Chengwei,XU Chunxiao,TIAN Sixiu,ZHOU Jinghao,FENG Jun,LIANG JianpingGeely Automobile Research Institute Co.,Ltd.,Ningbo Zhejiang 315000,ChinaAbstract:In order to improve the safety factor of vehicle driving,a monitoring strategy to identify steering wheel off-hand based on steering torque assistance was proposed.The factors that affect the torque recognition steering wheel off-hand of the steering transmission system were analyzed,the design and control logics based on steering torque assistant were set and verified through calculation,analysis and test.The result shows that under the condition that the advanced assistance function is activated,design strategy logic and control method can realize the function of steering.wheel off-hand auxiliary prompt,which provides a development and design method for the steering wheel off-hand auxiliary prompt.Keywords:steering wheel off-hand;steering torque;aided intelligent;steering linkage0 引言当前市场在销售的车辆中,各汽车制造企业主推的自动驾驶普遍在 L2 级别。根据美国工程师学会(SAE)起草的 J3016(TM)、中国国家市场监督管理局与国家标准化管理委员会发布的 汽车驾驶自动化分级 GB/T 404292021,L2 属于辅助驾驶的自动化等级,驾驶的主导者及责任者为驾驶员,在车辆智能辅助驾驶工况的过程中,驾驶员手不应离开方向盘。为了在车辆辅助驾驶的工况中降低驾驶员手离开方向盘的风险状态,车辆设置驾驶员手离开方向盘辅助提示功能有重要的意义。相关领域的学者对方向盘离手辅助提示进行了各项研究。林登冰1通过图像识别对手握方向盘状态进行监测研究,需要增加摄像及图案处理控制模块,成本较高;陈适等2通过嵌于方向盘内部的光敏传感器和温度传感器所传递的模拟信号进行分析检测,评估驾驶员是否处于离手状态,这种辅助判定需要在方向盘轮辐额外增加光敏传感器和温度传感器及其相应的逻辑控制模块,结构复杂并且成本校高;李彤等3应用扭矩监控逻辑对方向盘离手监测进行了设计,但没有对激活方向盘离手的阈值及传动进行计算和研究;马谦4对扭矩传感器的电磁干涉进行分析及优化,但未对扭矩的构成进行分析。从目前的文献看,方向盘离手的监测辅助提示研究中,多为图像识别和方向盘感应的研究以及传感器分析5-7,但未从转向传感器扭矩负载的构成及工况进行分析研究。因此,本文基于转向系统检测的扭矩来辅助识别方向盘离手工况进行研究。1 方向盘离手的介绍1.1 方向盘离手监测方向盘离手工况为车辆在行驶过程中,驾驶员双手离开方向盘状态,车辆失去驾驶员对其横向的操控。当前方向盘离手的辅助提示功能,通常采用的方法有在方向盘轮辐上安装电容式传感器测量、在驾驶员前方安装Automobile Parts 2023.06043Research on Steering Wheel Off-hand Based on Torque Recognition基于扭矩识别方向盘离手的研究光学系统测量驾驶员状态、通过转向系统扭矩状态辅助判定等。本文以驾驶员作用在方向盘上的力矩状态为研究对象,通过智能辅助驾驶功能及转向系统扭矩信号采集,设置方向盘离手辅助提示的阈值,当采集信号满足阈值时,方向盘离手提示信号以声音及图标形式发出,告示驾驶员车辆处于方向盘离手状态,建议驾驶员快速恢复对车辆的转向控制。1.2 扭矩传感器监测分析本文以 B 级轿车常用的双齿轮助力转向(double pinion electric power steering,DP-EPS)系统为研究对象,转向扭矩传感器是车辆转向系统中的一个部件。转向系统示意如图 1 所示。图 1 转向系统示意DP-EPS 系统中转向扭矩传感器介于转向传动机构与转向器之间,根据牛顿第三定律,可得出:Fpi=FCo(1)式中:Fpi为转向器输入轴扭矩;FCo为转向传动机构输出轴的扭矩。驾驶员在转向工况的转向力加载如式(2)所示,车道保持辅助转向工况加载如式(3)所示,驾驶员未施加转向力并在车道保持辅助功能激活转向力受力如式(4)所示。Fd-FCR=FCo(2)式中:Fd为驾驶员对方向盘加载后的输出扭矩;FCR为转向传动机构的阻力。Fw-(FEPS-FDPR)=Fpi(3)式中:FEPS为 DP-EPS 输出扭矩;FDPR为转向器阻力;Fw为车轮对转向拉杆的作用力。FCR=FCo(4)在驾驶员方向盘离手的工况下,F d 输入扭矩值为零,其阻力也为零,扭矩传感阻力扭矩,如式(5)所示。FTS=Fpi+ma(5)式中:FTS为扭矩传感器的扭矩;m 为转向传动结构及转向输入轴的质量;a 为扭矩传感加速度。扭矩传感器安装位置为转向器输入轴处,于是转向输入轴为扭矩传感器测试的值,将式(1)、(4)代入式(5)可得:FTS=FCR+ma(6)加速度可以通过车辆实时采集数据得到。传动结构及转向输入轴的质量为已知值,于是转向传动机构的阻力为标定的主要参数。1.3 基于转向扭矩分析判定策略车辆在激活智能辅助驾驶功能的工况下,实时采集转向系统扭矩,通过对采集扭矩的状态进行分析判定,经转向系统滤波处理及计算后,将状态实时发给智能驾驶系统,智能驾驶收到信息后周期性地逐渐累加,当采集的数据达到标定的阈值时,智能驾驶模块发出辅助提示信息,通过车内音响声音警报及仪表显示辅助提示驾驶员手握方向盘,如图 2 所示。图 2 方向盘离手信息可信度2 方向盘离手扭矩分析2.1 转向扭矩传感器以某车型使用的扭矩传感器为例,其安装结构如图 3 所示。在转向器的输入轴上安装传感器转子,扭杆上端与转向器输入轴通过销钉紧固成刚性连接,下端通过轴承连接,回转方向自由度不受限制,在转向器小齿轮及转向壳体上安装传感器集成控制模块。扭矩传感器通过检查扭杆的扭转变形,测试扭杆旋转方向的变形值。2023.06 Automobile Parts044研究与开发Research&Development图 3 传感器安装结构本文案例使用的传感器为霍尔式非接触式扭矩传感器。该转换器应用扭杆的物理转向弹性特性及传感器定子与转子的相对转动角度,将转向扭矩物理量转换成电信号,并通过集成信号处理器。转向扭矩转换示意如图4 所示,传感器总成示意如图 5 所示。图 4 转向扭矩转换示意图 5 传感器总成示意扭杆测试信号为:FTS=K (7)式中:K 为扭杆刚度;为扭杆变形的转角。2.2 转向传动机构扭矩分析转向传动结构如图 6 所示。图 6 转向传动结构驾驶员方向盘离手的工况下,驾驶员对方向盘的输入扭矩值为零,对方向盘的阻力也为零,并且无紧急转向状态,加速小,加速度对扭矩的影响较小。此工况DP-EPS 中的扭矩传感器测试的值,主要为转向传动机构空载摩擦扭矩。转向传动机构空载摩擦扭矩计算公式为:FCo=K1 FCS+K2 Fif(8)式中:K1为转向传动机构输入与输出的波动系数;FCS为上管柱的空载摩擦;Fif为连接轴的空载扭矩。转向传动结构本文以双十字万向节为例,K1的值6为K1=qo(9)式中:q为上管柱转速;o为输出轴转速。上管柱产生的摩擦扭矩计算公式为:FC=FCS+FjIf(10)式中:FCS为转向管柱本体的空载摩擦扭矩;Fjlf为上十字万向节滚针轴承阻力在上管柱本体上的分力。根据十字万向轴节叉结构,十字节叉滚动轴承对转向传动轴扭矩分解如式(11)及(13)(15)所示。上十字万向节滚针轴承阻力在上管柱本体上的分力为:FjIf=FJ1 sin 1(11)式中:FJ1为上十字万向节滚针轴承滚动阻力;1为上十字万向节十字轴截面与管柱本体的角度。Fif=Fifu+Fifd+Fifg(12)式中:Fifu为中连接轴上十字万向节产生的阻力;Fifd为中连接轴下十字万向节产生的阻力。Fifu=FJ2 sin2(13)Fifd=FJ3 sin3(14)Fifg=FJ4 sin4(15)根据以上分析可知,转向传动结构对转向传动系统扭矩传感的影响主要为上管柱的空载扭矩、双十字万向Automobile Parts 2023.06045节布置的角度、十字万向轴的轴承滚阻值,通过设计布置分析及部件的特性,可以计算及分析转向传动结构的空载扭矩状态。3 阻力变量模拟分析以某车型的布置结构为分析案例,通过 CATIA 软件建立 DMU 运 动 模 型,经 模 型 分 析 参 数,并 结 合 式(11)、(13)(15)得出十字万向节节叉轴承摆动扭矩。节叉轴承滚阻系数与转角的变化曲线如图 7 所示。由图可得出十字万向轴的轴承滚阻力在转向扭转轴上相应的分力系数。图 7 节叉轴承滚阻系数与转角的变化曲线通过 DMU 运动模块,经模型分析并导出相关参数,结合式(9)相应传动轴对应的扭矩波动如图 8 所示。由图可以分析出转向传动机构输入与输出的波动系数。图 8 波动系数与驱动轴角度的变化曲线4 测试分析4.1 转向传动机构空载扭矩测试以某车型的布置结构为例,转向传动机构空载扭矩测试台架如图 9 所示,测试结果如图 10 所示。图 9 转向传动机构空载扭矩测试台架图 10 转向管柱总成及转向传动机构空载扭矩的测试结果由转向管柱总成及转向传动机构空载扭矩测试结果可以看到,试验分析的走向与模拟分析的走势吻合。4.2 整车测试以某车型为例,转向扭矩传感器组件如图 11 所示。整车转向扭矩采集装置如图 12 所示。图 11 转向扭矩传感器组件Research on Steering Wheel Off-hand Based on Torque Recognition基于扭矩识别方向盘离手的研究2023.06 Automobile Parts046研究与开发Research&Development图 12 整车转向扭矩采集装置 车辆处于方向盘离手的工况下,整车信号采集如图13 所示。基于转向扭矩采集分析,并给予判定处理,可以实现方向盘离手辅助提示功能。图 13 整车信号采集5 结束语通过对转向系统传动结构理论分析,空载转向扭矩传动受理分解仿真分析,搭载整车测试及功能验证。基于转向扭矩信号采集分析处理,可以实现方向盘离手辅助提示的功能。从机构设计到受力分析,为功能实现提供一套有效的设计方法。参考文献:1 林登冰.基于图像识别原理的手握方向盘监测系统J.机电技术,2021,44(3):81-83.LIN D B.Monitoring system of hand-held steering wheel based on image recognition principleJ.Mechanical&electrical technology,2021,44(3):81-83.2 陈适,麦云飞.基于 STM32 的方向盘手离检测系统设计J.农业装备与车辆工程,2020,58(12):98-101.CHEN S,MAI Y F.Hand-off detection(HOD)system based on STM32J.Agricultural equipment&vehicle engineering,2020,58(12):98-101.3 李彤,刘巍,梁建平.一种方向盘脱手检测装置及检测方法:CN111055846BP.2021-09-07.4 马谦.方向盘脱手检测功能失效分析优化J.汽车电器,2020(7):71-72.MA Q.Analysis and improvement of HOD function detection failureJ.Auto electric parts,2020(7):71-72.5 BHM A K,KALB L,NAKAHARA Y,et al.Automatic emergency steering interventions with hands on and off the steering wheelC/Proceedings of Automatisiertes Fahren 2021.Wiesbaden:Springer Vieweg,2021:111-125.6 吴成伟,赖富刚,孙福禄,等.基于扭矩变化提高汽车转向中心感研究J.汽车实用技术,2020(10):67-70.WU C W,LAI F G,SUN F L,et al.Analysis on on-center handling of vehicle based on torque fluctuationJ.Automobile applied tech-nology,2020(10):67-70.7 Operational definitions of driving performance measures and statis-tics:SAE J2944-2015S.2015.