应用于汽车操纵稳定性试验的转向机器人控制器设计

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摘 要 针对汽车操纵稳定性试验，设计转向机器人代替驾驶员操纵方向盘。在完成转向机器人机械部分设计的基础上，进行控制器设计，并进行转角跟踪测试试验。试验结果表明：转向机器人能够实现对方向盘的控制，完成转角的精确输入。

关键词 汽车操纵稳定性试验 转向机器人 控制器 转角跟踪

引 言

汽车操纵稳定性试验中[1]，驾驶员要对方向盘进行控制、输入转角。依靠人为控制方向盘转角输入，不具有精确性、可重复性，人为失误会对试验结果造成影响，进而影响对汽车稳定性的客观评价[2]。转向机器人用于替代驾驶员控制方向盘转角的输入，可以保证输入转角的精确性、可记录性、可重复性，排除驾驶员主观因素对试验结果的影响，完全客观地评价车辆操纵稳定性。

本文基于汽车操纵稳定性试验中方向转角输入的要求，在已完成设计转向机器人机械部分的基础上，展开转向机器人控制器设计、控制器软件部分设计和转向机器人转角跟踪试验。试验结果表明，所设计的转向机器人可以代替驾驶员完成对方向盘转角的输入。

1 转向机器人设计原理和技术要求

在汽车操纵稳定性试验中，要实现转向机器人代替驾驶员精确操纵方向盘的功能，转向机器人结构需包括动力部分、传感器测量部分、实现到方向盘的动力传递部分（机械模块）。转向机器人主要由电机（内含减速机构的直流无刷电机）[3]、电机与方向盘的连接装置、驱动控制器以及方向盘转角、转矩等测量单元组成（见图1）。

转向机器人应用于汽车操纵稳定性试验中代替驾驶员操纵方向盘，控制方向盘转角输入。转向机器人要达到2个基本技术指标：输出足够大的转矩和实现转角跟踪。转向机器人控制器实现对目标输出转角的跟踪，在试验中按试验要求精确控制转角输入。

2 转向机器人控制器设计

转向机器人设计主要包括转向机器人机械模块设计和控制器模块设计[4]。转向机器人通过所编写控制程序控制，即可代替驾驶员对方向盘进行控制[5]。本文在已经设计完成的转向机器人机械部分基础上，对转向机器人控制器设计进行研究。转向机器人机械部分包括：电机、电机与方向盘连接装置、方向盘转角、转矩等测量单元等（见图2）。

转向机器人控制器包括以下几个主要部分：电机驱动控制电路[6]、CPU电路部分和信号输入调理部分。传感器信号输入到信号调理电路，经过调理的信号输入到CPU进行分析处理，CPU发出电机驱动信号输入到电机驱动电路，最终驱动电机工作（见图3）。

2.1 CPU电路部分

控制器中，CPU选择飞思卡尔HCS12系列的MC9S12XS128，该CPU具有很好的数据处理功能[7]。MC9S12XS128电路中，供电电压是5V，驱动晶振是32MHz（见图4）。

2.2 信号输入调理部分

信号调理部分主要为信号滤波电路和跟随电路。传感器信号会受到很多因素干扰，故在信号输入到CPU之前要对其进行滤波处理，以去除干扰，保证信号准确性。控制器中的信号输入调理部分滤波采取RC串联低通滤波电路（见图5）。信号调理电路中设计跟随电路，进行阻抗匹配，使得输入阻抗很小，保证在多路开关切换过程中噪声强度大大降低（见图6）。跟随电路采用芯片LM310，工作电压5V。

2.3 电机驱动控制部分

为满足汽车操纵稳定性试验对转矩的要求，转向机器人选择48V直流无刷电机。驱动控制电路基于MC33033无刷直流电机控制芯片和MOSFET驱动芯片IR2103S设计[8]，每个IR2103S可以驱动一对MOSFET。驱动电路中，MC33033根据电机转子位置传感器输入的信号产生控制逻辑信号，控制3个IR2103S芯片，IR2103S控制无刷直流电机三相电压的输入，进而控制电机转动。可通过调节MC33033的PWM口输入的PWM占空比调节电机转速[9]。控制器驱动电路中MC33033和IR2103S的连接电路（见图7，8）。MC33033具有过流保护功能，它的12引脚电压超过一定值（100mV）时，MC33033会停止工作。在电机驱动电路中，MC33033的12引脚通过一个小阻值电阻连接到电机驱动电路回路中，当电流过大时驱动控制电路就会停止驱动电机[10]，以实现过流保护的功能。

2.4 控制算法选择

选择模糊PID控制算法，以实现转向机器人对目标转角的良好跟踪性能。将传统的PID控制与模糊控制相结合，利用模糊推理原则，对PID参数Kp、KI、KD进行在线调整，满足不断变化的误差对控制参数的要求（见图9）。应用模糊PID控制算法[11]，在Code warrior中进行编程，控制器可以使转向机器人实现对目标转角快速而准确的跟踪。

3 转向机器人试验测试

转向机器人（机械部分和控制器）要具有良好的转角跟踪性能和足够的力矩[12] （见图10）。在设计中通过对电机功率和内部减速机构的选择，可以满足转向机器人的力矩要求[13]。汽车操纵稳定性试验中，驾驶员对转向盘施加力矩一般不会超过20Nm。本文中设计的转向机器人选择的电机（内含减速机构）额定功率350W、输出额定扭矩20Nm，能够满足要求。

为满足目标转角的跟踪性能要求，除对硬件设计的精确要求外，还要考虑到控制算法的选择和软件编程[14]。在Code warrior中进行编程，采用模糊PID控制策略，对转向机器人进行简单的转角跟踪试验（见图11）。图11中虚线是目标转角，实线是转向机器人输出的转角，从图中可看出，实际输出转角和目标转角之间误差很小，转向机器人转角跟踪性能良好[15]。

4 结论

本文在已完成设计转向机器人机械部分的基础上，完成转向机器人控制器的硬件和软件设计，通过测试结果可看出，转向机器人具有良好的转角跟踪性能。在汽车操纵稳定性实验中，实现转向机器人代替驾驶员操纵方向盘的功能，达到排除人为操纵方向盘带来的误差、实现客观评价汽车操纵稳定性的目标。

参考文献

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