智能驾驶背景下乘用车+商用车+人机共享转向系统发展趋势报告2024.pdf

智能驾驶背景下转向系统发展趋势1、乘用车智能转向系统2、商用车智能转向系统 3、人机共享转向控制4、智能避撞系统5、小结附、EPS相关技术汇报提纲 21、乘用车智能转向系统 1.1 电动助力转向系统1.1.1 EPS结构示意图1.1.2 EPS工作原理ECU转矩电流电动机转矩传感器转向轴齿轮齿条转向器减速机构车速31、乘用车智能转向系统 1.3 EPS发展趋势面向汽车智能化的电动助力转向系统解决方案：1-D T(u)电机力矩 EPS转向系sy统stem电机力矩 实E际P 系统助力表 systemEPS转向系统轨迹规划/路径 跟踪问题目标转向角转角伺服控制器控制器路感问题驾驶员操纵 力矩PID(s)1-D T(u)控制器神经肌肉 系统自动驾驶 模式电动助力 模式驾驶员目标 转角实际转向角目标转向角助力表PID(s)41、乘用车智能转向系统1.2 前轮主动转向系统 AFS结构示意图1.2.1 AFS结构及工作原理转向柱行星架电机 输出轴方向盘输入轴行星齿轮A行星齿轮B转向齿条51、乘用车智能转向系统 1.2 前轮主动转向系统1.2.1 AFS结构及工作原理 AFS作用及工作原理可变传动 比i执行电机实际车辆方向盘驾驶员参考车辆 模型+*+控制器y+modifyyreff*hTh6转向驱动电机2左转向拉杆及转向轮齿轮齿条2齿轮齿条1右转向拉杆 及转向轮转向驱动电机1方向盘1.2.2 AFS关键技术 转角叠加电机与方向盘的力解耦：转角 叠加电机对转向手感的干扰抑制 随速变传动比技术：保证低速转向轻便 和高速转向稳定1、乘用车智能转向系统 基于主动转向的车辆稳定性控制技术：车辆运动跟随驾驶员意图的同时保证动 力学稳定性1.2.3 前轮独立主动转向系统 结构复杂 轮胎磨损 失效保护行星齿轮机构1行星齿轮机构271、乘用车智能转向系统 1.3 线控转向系统1.3.1 SBW结构及工作原理8 线控转向系统的理想路感设计高精度 路感模拟 路面不平导致的的路感波动抑制 线控转向系统的前轮转角伺服控制 线控转向系统的冗余设计：传感器冗余/控制器冗余/执行器冗余1、乘用车智能转向系统 驾驶员 控制器 转向交互 线控转向系统的个性化路感风格 设计 基于线控转向系统的人机共驾解 决方案1.3.2 线控转向系统的关键技术 1.3.3 线控转向系统的发展趋势驾驶辅助 系统目标驾驶员目标车-路系统91.4 后轮主动转向系统1.4.1 后轮转向系统的工作原理 后轮主动转向系统的结构示意图左转向横拉杆 右转向横拉杆1、乘用车智能转向系统 副车架 后轮主动转向系统的三种工作模式转向驱动电机 转向丝杠逆相位转向零相位转向同相位转向右转向节左转向节低速高速中速101.4.2 后轮主动转向系统的关键技术 前轮/后轮转向角度比设计 低速行驶的转弯灵活性和高速行 驶的方向稳定性控制策略 基于主动后轮转向的车辆动力学 稳定性控制1.4.3 后轮独立主动转向系统 两后轮协调转向，可提高车辆行 驶稳定性 两后轮反向张开或内收，可产生 一定的制动作用1、乘用车智能转向系统 推杆转向节连接球头滚珠丝杠机构齿轮减速器车架连接 球头驱动电机后桥半轴电动伸缩臂i111.5 差速转向/差动转向 低速大转角转弯可能有困难；轮胎磨损困难严重；高速修正汽车行驶方向，改善稳 定性有作用。1、乘用车智能转向系统 Mz/o oT/v12在市内街区由于与非自动驾驶汽车并存，发 生交通事故可能性较高。如何解决事故（尤 其是人身事故）的责任认定问题，从法律法 规层面来看还非常困难在非公共区域内能够按照自主制定的规则应 对，测试和运营相对较容易在开放性道路上，则需要建立诸如“专用车 道”等公共规则2、商用车智能转向系统 2.1 商用车自动驾驶需求更加迫切、进程或更快较好的自动驾驶应用基础带来诸多好处提高道路安全性；优化交通流量；降低燃油消耗；自动驾驶的需求解决驾驶员不足。从长时间驾驶中解放出 来，以及应对“收发订单”等追加业务操作在感知到危险情况下瞬间调整行进方向以确 保安全性系统成本由用户承担 能够促成削减运输过程中的人工成本，节省下来的这部分就可以填补到高额的系统成本面临的课题作为“不会发生碰撞事故的汽车”提供更加 安全的驾驶环境帮助弱势群体（高龄者、残障人士）的出行法律法规系统成本乘用车商用车13上 新一代的年轻驾驶员对驾驶舒适性要求较高 将近一半的驾驶员存在腰、肩、颈部的职业病，转向系统 的操纵轻便性有望提高舒适 高速行驶时操纵稳定性较好，路感清晰 为避免疲劳驾驶和集中注意力，转向系统的操纵负担应尽 量小智能 为应对商用车智能驾驶趋势，需要转向系统具备完成车道偏离辅助、列队行驶等功能的能力2、商用车智能转向系统 2.2 智能化商用车对新型转向系统的新要求安全142、商用车智能转向系统 电液转向响应滞后、角度控制难；不能直接用于自动回正、泊车和 智能转向的转角、转矩控制2.3 传统EPS和ECHPS在商用车智能转向控制应用上存在瓶颈受EPS电机功率及空间限 制，目前只能用于中小型 乘用车智能转向控制电磁阀及/控制器转向转向 传感器传感器控制器控制器减速器减速器15电机电机增强高速转向手感的同时保证低速转向轻便性在液压助力系统失效时，助力电机完成系统必要的助力转向功能车辆完成转向动作之后，助力电机协助驾驶员完成转向轮回正在特殊驾驶场景下，系统在驾驶员的监控下，执行车辆侧向路径引导操作，比如自动转向功能助力电机保证车辆在遇到侧向风时处于直行状态，减轻驾驶员精神负担和物理操作负荷2、商用车智能转向系统 技术背景实现功能随速助力应急转向主动回正部分自动驾驶侧风补偿在原有循环球式液压助力转向器基础上叠加一套传感器-助力电机-控制单元总成2.4 主流解决方案ZF ReAX-Column MountedZF ReAX-Gear Mounted162.5 探索形方案采用采用48V48V系统的电机、减速齿系统的电机、减速齿 轮等取代现有系统。省去油泵或储轮等取代现有系统。省去油泵或储 液箱，与传统液压转向系统相比，液箱，与传统液压转向系统相比，实现了实现了10%10%轻量化，轻量化，同时由于同时由于不再不再 需要补油，可维护性同时提高。需要补油，可维护性同时提高。与乘用车与乘用车EPSEPS最大的差异就是最大的差异就是 电机。电机。ZFZF该款新产品上搭载的电该款新产品上搭载的电机机 最大扭矩为最大扭矩为7070NmNm。可产生的轴向力。可产生的轴向力 最大为最大为5555kNkN，可支持大型卡车。，可支持大型卡车。ZF ReAX EPS(in development)2、商用车智能转向系统 172、商用车智能转向系统 2.6 课题组在商用车智能转向方面进行的研究集成式商用车电液耦合转向系统集成式商用车电液耦合转向系统 控制器及性能测试平台开发控制器及性能测试平台开发+24VBatt +5VD GNDIGN 3 phasepowerMotor controllerCANHCANLFault signalsPWM_P+5VD PWM SMotor assemblyHALLBCRTA HALLCCRTB QEPACRTC QEPBOthers+24VBatGND IGNCANHCANLAnalogy signal CommunicationPWM_T2 HALLAPower lineDigital signalGND PWM T1From vehicle18120120t_2、商用车智能转向系统 电机助力 曲线MAP图车速2.6 课题组在商用车智能转向方面进行的研究地面转向阻力矩驾驶员在环场景下助力电机助力曲线三维驾驶员在环场景下助力电机助力曲线三维MAPMAP图设计图设计车辆动力学模型驾驶员手力矩192、商用车智能转向系统 外层横向循迹控制 器开环特性测试、分析嵌套式商用车转向控制架构2.6 课题组在商用车智能转向方面进行的研究驾驶员不在环，即无人驾驾驶员不在环，即无人驾驶场景下驶场景下 商用车横向自动循迹控商用车横向自动循迹控制策略设计制策略设计实际方向盘转角理论建模车辆状态道路-环境信息K()多目标自适应调度控制策略内层目标转角跟随 控制器b1s+b2 c1s+c2b3s+b4 c3s +c4s+c5车辆侧向动力学 仿真模型电动辅助转向 子系统转角跟随控制策略设计+d3 2s+d4 2s+22+d1 1 1s+2+d2 1s+12C(s)=F(s)=q1q2nWeighted LPV systemWu车-路控制模型目标前轮转角202 F(s)仿真分析Wwus2 s2s2 s2Wryzma1G()wWnzW自动化自动化 等级等级名称名称定义定义驾驶员执行全部的或部分的动态驾驾驶员执行全部的或部分的动态驾驶任务（驶任务（DDT）0无自动化驾驶员是整个智能化系统唯一的决策者和执行者1驾驶辅助ADS在特定环境条件下执行DDT中的纵向或横向运纵向或横向运动控制子任务动控制子任务2部分自动化ADS在特定环境条件下完成汽车的纵向和横向运动控制子任务纵向和横向运动控制子任务自动驾驶系统（自动驾驶系统（ADS）执行全部的动态）执行全部的动态驾驶任务（驾驶任务（DDT）3有条件自动化ADS在特定环境条件下完成完成DDT的全部任务，的全部任务，根据系统要求，驾驶者提供合 适的应答4高度自动化ADS在特定环境条件下完成DDT的全部任务，根据系统要求，驾驶者不一定驾驶者不一定 需要对系统所有的请求作出应需要对系统所有的请求作出应答答5完全自动化ADS在所有人类驾驶者可以应付的环境所有人类驾驶者可以应付的环境条件下条件下完成DDT的全部任务，驾驶者 不一定需要对系统所有的请求作出应答3.人机共享转向控制 3.1 自动驾驶技术分级213.人机共享转向控制 3.2 驾驶员驾驶带来的问题社会困境过依赖情景意识降低完全自动驾驶带来的问题疲劳驾驶驾驶员分心223.人机共享转向控制 3.3 共享型转向控制驾驶员和智能系统同时在 环，分享车辆转向控制权，人机一体化协同完成车辆 转向驾驶任务视觉感知 神经调节 肌肉发力感知层 决策层 执行层传感系统执行机构控制单元23执行层决策层感知层玩家1人机同为控制实体，双方受控对象交联耦合，状态转移相互制约，具有 双环并行的控制结构。基于动态非合作博弈理论的人机共享交互式转向建模3.人机共享转向控制 驾驶员智能系统驾驶员目标 力矩/转角交互智能系统目标 1车路系统共享转向过程动态博弈过程信息交互参与者2系统动态转角/力矩 叠加博弈均衡 策略玩家2参与者124共享型转向控制主要有角度叠加型和力矩叠加型两类。这里主要进行了角度叠加型共享转向控制的研究。实验验证环节主要是基于dSPACE实时仿真平台，dSPACE作为目前主流的快速原型和硬件在环开发平台已经在汽车产品开发领域得到越来越广泛的应用。为了使实验结果更加真实可信，车辆模型用包含轮胎侧偏非线性的Carsim整车 Vehicle state模型，并运行于PXI主机上。转向系统则用我组开发的线控转向试验台进行角度叠加的共享转向控制方面的研究。3.人机共享转向控制 3.4 基于前轮主动转向的共享型转向控制研究共享转向控制硬件在环（HIL）验证基于dSPACE实时仿真平台Steeringcontrol signalSteeringcontrol signalAngle sensor signalAngle sensor signalInteractive steering controllerRoadinformationNonlinear evaluation modelRack and pinion assemblywheel assemblyRoad trajectoryPinion angleSteering25驾驶员和智能系统目标路径设定驾驶工况为高速公路上的双移 线，驾驶员由于疲劳驾驶或分心等因素 未能识别该进行转向操作，期望路径为 直线；智能系统根据环境感知及决策系 统规划处目标路径并控制方向盘进行轨 迹跟踪，期望路径为双移线。这里仅给 出开环纳什和闭环纳什均衡策略下的仿 真及实验结果。所谓开环和闭环主要指 的是博弈的参与在在博弈过程中所能得 到的信息上的不同。3.人机共享转向控制 3.5 仿真及实验结果开环纳什博弈策略结果闭环纳什博弈策略结果26车辆行驶环境传感、感知、信息融合及定位系统决策系统车载传感器风险评估运动控制系统纵向运动控制横向运动控制自动驾驶汽车4、智能避撞系统 4.1 避障系统总体方案高精度定位信息预处理信息融合车辆运动状态感知交通标识检测行驶区域检测交通参与物感知车道信息检测轨迹规划行为预测行为决策27智能避撞系统 自动驾驶汽车U U Udm v,pIEHB执行器IEHB执行器的vxIEHB执行器踏板行程模拟器SU电动主缸液压调节单元4.2 运动控制系统4.2.1 紧急制动控制系统方案轮胎滑移率控制层基于鲁棒补偿的RBF神经网络控制控制层控制策略didiPWMTb _ ijP U P U P U P U28IEHB 控制器oiMRLFRRRFL4、智能避撞系统 自动驾驶汽车自动驾驶汽车4.2.2 直接横摆力矩控制系统方案制动力矩分配层制动力矩分配层转向特性识别&制动车轮选择&制动力矩调控IEHBIEHB执行器执行器执行层执行层IEHB执行机构控制横摆力矩控制层横摆力矩控制层基于ARBFNN-SMC的横摆力矩控制器 vxPe _ ijY,ij,PM参考模型层参考模型层理想值识别与估计层识别与估计层观测器驾驶员控制指令驾驶员控制指令Y,Yd,dYd,YPe _ ijijay,Y,ijFbrake _ ijYdd29,PMPb _ ijPWMvxvxvxM4、智能避撞系统 4.2.3 IEHB系统仿真模型建立304、智能避撞系统 自适应神经网络逼近器自适应神经网络逼近器鲁棒转向控制器鲁棒转向控制器反演控制反演控制机制机制变结构控制变结构控制4.2.4 转向控制系统方案车辆运动学模型车辆运动学模型 车辆动力学模型车辆动力学模型 参考路径模型参考路径模型 vx,vx vy,y Cr,s,K ep,RBFRBF神经网络神经网络自适应机制自适应机制CarSim 车路车路-系统系统vx,vy vx.vy y,y,Cr,ep,vxK,e ,de (.)+fsar314、智能避撞系统 4.3 决策系统4.3.1 避撞轨迹规划与风险评估模型评估每一个种群的适应度评估每一个种群的适应度适应度=创建初始随机种群创建初始随机种群种群大小 Np=100&染色体长度 Lc=20&终止代数 Gt=500y=ATX选择最优个体选择最优个体赌轮选择法Pi =适应度i 适应度i通过遗传交叉通过遗传交叉创造下一代创造下一代交叉概率 Pc=0.8执行变异执行变异变异概率 Pm=0.160yTU(U 1)(2U 1)34 4)|2J|G开始开始停止停止所采用的遗传算法方案示意图获得最优解获得最优解Ox(|1+30yT|l （xT )2T2O(x0,y0)代数代数 GtWlX(xT,yT )U (U 1)32DLWf是否XYY4、智能避撞系统 (|xT =nxfl驾驶行为决策驾驶行为决策|lyT =myfly AT X4.3.1 避撞轨迹规划与风险评估模型（续）分析行驶车速 vx、车间距 xfl 和路面附着 对安全距离模型的影响运动控制系统运动控制系统2 g (x|（1fl23 h )2)|=0.3p2 y x fl2fl2=1传感系统传感系统环境信息环境信息33p1yflYESYESvx2+kT1=c=4、智能避撞系统 深度强化学习深度强化学习基于规则的基于规则的 驾驶行为决策驾驶行为决策训练数据集训练数据集(s,a)模仿学习模仿学习4.3.2 避撞行为决策方案自动驾驶汽车自动驾驶汽车产生大量产生大量 初始数据初始数据在线学习模式在线学习模式离线学习模式离线学习模式收集优质数据收集优质数据344、智能避撞系统 （a）（b）基于线控执行器的硬件在环系统试验平台4.3.3 智能避撞系统的HIL试验方案线控转向执行机构线控转向执行机构&驱动板驱动板液压调节单元液压调节单元&驱动板驱动板左前轮的制动轮缸左前轮的制动轮缸 电动主缸电动主缸PXI实时系统实时系统&配电柜配电柜MicroAutoBox&驱动板驱动板左后轮的制动轮缸左后轮的制动轮缸 右后轮的制动轮缸右后轮的制动轮缸 右前轮的制动轮缸右前轮的制动轮缸 转向阻力矩模拟器转向阻力矩模拟器 显示器显示器354、智能避撞系统 线控转向系统线控转向系统执行机构执行机构集成式线控液压制动系统集成式线控液压制动系统 执行机构执行机构4.3.3 智能避撞系统的HIL试验方案（续）转向阻力矩模拟器转向阻力矩模拟器智能避撞系统的硬件在环试验原理图驾驶决策系统驾驶决策系统风险评估风险评估&轨迹规划轨迹规划&行为决策行为决策运动控制系统运动控制系统制动控制系统制动控制系统&转向控制系统转向控制系统PXI MicroAutoBoxCarSim车车-路系统路系统364、智能避撞系统 未来的智能避撞系统会更加拟人化，或从仿生学中获得更多 的借鉴；更多地考虑“人-车-路”协同、交互、博弈问题。在底层控制系统中更多的采用线控执行器；更多的车辆运动控制系统参与车辆的避撞任务中；4.4 智能避撞系统发展趋势37 无人驾驶（特别是城市道路无人驾驶）技术有待进一步发展，辅助驾 驶仍是智能驾驶领域的研究重点之一；作为辅助驾驶汽车的转向系统，应具有力矩控制和转角控制两种模式；力矩控制模式注重有人驾驶的转向路感问题，转角控制模式注重辅助 驾驶或无人驾驶的路径跟踪问题；驾驶人和智能驾驶系统之间的任务分工或角色切换问题，涉及汽车行 驶安全和驶驾舒适性，需要关注，避免二者冲突；智能驾驶汽车在避让过程中，既有横向运动又有纵向运动，转向系统 和制动系统需要协调工作，转向和制动行业会出现兼并重组。5、小结 38谢谢大家！39