商用车新型电液转向系统模拟试验台的制作方法

本发明属于商用车转向领域，具体涉及一种用于商用车新型电液转向系统转向特性研究、转向辅助控制策略开发与验证、转向控制效果监测和评价的模拟试验台。

背景技术：

传统液压助力转向系统的液压泵由发动机驱动，辅助驾驶员达到转向轻便的效果。但是该转向系统存在如下缺点：(1)液压泵由发动机驱动，只要发动机启动，液压泵就一直不停运转，造成能量浪费，不符合节能的理念；(2)不能根据载荷、车速和转向盘转角等信息确定合理的助力值，转向操控舒适性较差。为此，研究人员在传统液压助力转向系统的基础上开发出了电控液压助力转向系统，电动液压助力转向系统具有传统液压助力转向的大部分优点，既能降低能耗，又能随车速调节助力大小。

商用车转向系统的操纵舒适性直接影响驾驶员的驾驶状态，操纵舒适性差的转向系统会加剧驾驶员的疲劳感和紧张情绪，同时行车危险性也会增加。随着电控系统在商用车上的迅速发展和应用，在传统液压助力转向系统基础上添加电控系统的想法已经开始在国外付出实践。国外知名零部件公司ZF开发出Servoactive产品，该产品在传统液压助力转向系统基础上叠加助力电机，该助力电机安装在转向管柱上，实现转向助力矢量叠加的功能，类似的产品还有TEDRIVE公司的iHSA转向系统、Volvo公司的Dynamic转向系统。

这类转向系统极大地改善了商用车转向系统的操纵舒适性，在不增加其他硬件的基础上可以很方便地集成其他转向辅助系统，如车道保持系统、侧风补偿技术、停车辅助技术等，并且还可以与商用车其他底盘电控系统集成，如电控悬架系统、电控制动系统等。在开发这种转向系统的同时，控制策略开发和试验验证环节必不可少，如果直接采用实车试验，试验成本高，试验重复性较差，人力、物力消耗大。而研究人员也会选择将开发的新型转向系统首先在试验台上加以验证而不是直接装车路试，这种做法将能够选择特定的测试工况监测控制策略潜在的问题，大大减低路试的危险性，且整个试验过程受外界环境影响较小，减少实车试验所消耗的财力、物力和人力。

国内发明专利申请公布号为CN104401388A，发明名称为：一种智能新型电液转向系统，申请日为2014年10月23日，申请号为201410566065.2，申请人为北京奥特尼克科技有限公司。该专利文件介绍了一种集成液压助力和电动助力的智能转向辅助驾驶系统，该转向系统根据车辆行驶状态可以实现液压助力和电动助力同时工作、电动助力单独工作、液压助力单独工作三种模式的切换，通过控制电动助力装置实现随速变助力控制，并能实现自动泊车和主动回正功能。该专利对智能新型电液转向系统进行了结构、工作原理和功能介绍，但对该转向系统功能的具体实现方法和功能验证方面未做详细描述。

因此，有必要搭建一种集成液压助力系统和电控系统的商用车转向系统试验台，该试验台能用于商用车新型电液转向系统转向特性的研究、转向辅助控制策略的开发与验证、商用车转向控制效果的监测和评价。

技术实现要素：

本发明的目的在于搭建一种能够用于研究商用车新型电液转向系统转向特性，开发和验证转向辅助控制策略，并且监测和评价商用车转向控制效果的模拟试验台。

为实现上述目的，本发明是按如下技术方案实现的：

一种商用车新型电液转向系统模拟试验台，包括仿真场景显示装置、实时仿真平台、液压助力系统、驾驶员操纵装置、机械转向系统、电动助力装置、转向阻力模拟装置、基础台架和座椅；仿真场景显示装置用于实时显示车辆行驶状态和控制效果；液压助力系统用于辅助驾驶员完成正常的转向操作；电动助力装置用于改善转向系统转向特性，集成其他底盘电控系统；转向阻力模拟装置用于模拟轮胎与地面间的转向阻力，模拟转向路感；驾驶员操纵装置用于模拟驾驶员在特定工况下的加速行为和制动行为；实时仿真平台通过数据采集设备接收传感器信号，运行商用车整车动力学模型和转向辅助控制策略，并输出控制信号至电磁离合器、助力电机、驱动电机和阻力模拟电机；基础台架用于连接并固定试验台各部分；座椅用于支撑驾驶员完成转向操作。

技术方案中所述的仿真场景显示装置由上位机显示屏幕和下位机显示屏幕组成，上位机显示屏幕用于实现人机交互，负责显示编程人员开发、调试和编译商用车整车动力学模型与转向辅助控制策略的操作，并对商用车整车动力学模型和转向辅助控制策略的运行情况进行实时监测，下位机显示屏幕负责监测下位机的运行情况。

技术方案中所述的实时仿真平台包括上位机、下位机，以及连接线束，其中上位机用于建立商用车整车动力学模型，开发动态转向控制策略和转向辅助控制策略，调试和编译商用车整车动力学与控制策略，下载编译文件至下位机，下位机包括嵌入式控制器、外围板卡和底座，外围板卡安装在机箱对应的插槽中。

技术方案中所述的实时仿真平台通过分析制动踏板开度信号、加速踏板开度信号和转向盘转角信号，辨识驾驶员操作意图，获取驾驶员驾驶特性，辅助改善转向系统的转向特性，从而验证转向辅助控制策略的合理性。

技术方案中所述的液压助力系统，包括储油罐、液压泵、驱动电机、单向阀、压力流量控制阀、溢流阀和相应液压管路，驱动电机内置的驱动器接收实时仿真平台发出的驱动电机控制信号，进而控制液压泵的转速。

技术方案中所述的驾驶员操纵装置包括制动踏板模拟器、制动踏板开度信号传感器、加速踏板模拟器和加速踏板开度信号传感器，制动踏板模拟器用于控制商用车整车动力学模型的减速运动，制动踏板开度信号传感器用于采集驾驶员的制动信号，加速踏板模拟器用于控制商用车整车动力学模型的加速运动，加速踏板开度信号传感器用于采集驾驶员的加速信号。

技术方案中所述的机械转向系统包括转向盘、转向管柱、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、转向传动轴和整体循环球式转向器，转向盘转角传感器采集转向盘转角信号，将其传递给实时仿真平台，为实现转向阻力矩的精确控制提供计算依据；转向盘转矩传感器布置在电动助力装置的上部，用于测量驾驶员作用在转向轴上的转矩大小，并将其传递给实时仿真平台，为转向系统助力控制策略的开发提供参考值。

技术方案中所述的电动助力装置包括助力电机、电磁离合器和蜗杆涡轮减速机构，电磁离合器位于助力电机与蜗杆之间，根据助力电机的工作情况实现接合和断开，蜗杆涡轮减速机构起减速增扭的作用，助力电机内置的驱动器接收实时仿真平台发出的助力电机控制信号，调节助力电机的输出扭矩，该扭矩通过蜗杆涡轮减速机构传递到转向管柱上，辅助驾驶员实现车道保持、侧向风补偿、过滤路面颠簸等转向辅助功能。

技术方案中所述的转向阻力模拟装置包括转向阻力模拟电机、转向阻力模拟减速器、连接传感器和减速器的联轴器、转向阻力模拟扭矩传感器、连接转向器和传感器的联轴器，连接传感器和减速器的联轴器通过平键连接阻力模拟减速器的输出轴和阻力模拟转矩传感器的输入轴，连接转向器和传感器的联轴器通过花键连接转向阻力模拟扭矩传感器和整体循环球式转向器的转向摇臂轴。

技术方案中所述的基础台架包括座椅支撑台架、机械转向系统固定台架和转向阻力模拟装置支撑台架，座椅支撑台架包括座椅支撑钢板和座椅支撑角钢架；机械转向系统固定台架包括转向管柱固定架、电动助力装置固定架、整体循环球式转向器固定架、显示屏幕支撑架；转向阻力模拟装置支撑台架包括电机固定架、减速器固定架、减速器支撑架、转向阻力模拟转矩传感器支撑架和底座，在底座支撑钢板上加工有槽孔，便于轴向位置调节，在底座支撑钢板的四个角处分别安装四个吊耳，方便转向阻力模拟装置的整体移动，基础台架各部分采用螺栓连接，灵活可调，方便拆卸。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本试验台在传统液压助力转向系统的基础上添加了电动助力装置，实现了商用车新型电液转向系统的开发和匹配，在此试验台上可以优化商用车转向特性，开发和验证商用车转向辅助控制策略，以及监测和评价商用车转向控制效果，为商用车新型转向系统的功能开发提供了硬件平台。

2.本试验台引入了转向阻力模拟装置。该装置将采集的转向阻力模拟扭矩传感器的信号反馈给实时仿真平台，实现了转向阻力模拟的闭环控制，这使得本试验台能够精确模拟商用车在不同载荷、不同等级路面、不同车速下轮胎和路面间的转向阻力，为驾驶员进行转向试验提供了清晰的路感。

3.本试验台引入了仿真场景显示装置和驾驶员操纵装置，通过分析驾驶员在设定工况下对转向盘、制动踏板和加速踏板的操作，能够辨识驾驶员的操作意图，获取驾驶员的驾驶特性，对优化商用车转向系统的转向特性提供了参考依据。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1是本发明所述的商用车新型电液转向系统模拟试验台连接示意图。

图2是本发明所述的商用车新型电液转向系统模拟试验台硬件布置图。

图3是本发明所述的商用车新型电液转向系统模拟试验台阻力模装置布置图。

图4是本发明所述的商用车新型电液转向系统模拟试验台基础台架布置图。

图5是本发明所述的商用车新型电液转向系统模拟试验台的动态转向控制策略流程图。

图6是本发明所述的商用车新型电液转向系统模拟试验台的电机电流分配流程图。

图中：Ⅰ-仿真场景显示装置；Ⅱ-实时仿真平台；Ⅲ-液压助力系统；Ⅳ-驾驶员操纵装置；Ⅴ-机械转向系统；Ⅵ-电动助力装置；Ⅶ-转向阻力模拟装置；Ⅷ-基础台架；Ⅸ-座椅；1-上位机显示屏幕；2-下位机显示屏幕；3-上位机；4-下位机；5-储油罐；6-驱动电机；7-液压泵；8-单向阀；9-溢流阀；10-制动踏板；11-制动踏板开度信号传感器；12-加速踏板；13-加速踏板开度信号传感器；14-转向盘；15-转向管柱；16-转向盘转角传感器；17-转向盘转矩传感器；18-转向传动轴；19-整体循环球式转向器；20-助力电机；21-电磁离合器；22-蜗杆涡轮减速机构；23-连接转向器和传感器的联轴器；24-转向阻力模拟扭矩传感器；25-连接传感器和减速器的联轴器；26-转向阻力模拟减速器；27-转向阻力模拟电机；28-吊耳；29-转向阻力模拟转矩传感器支撑架；30-减速器固定架；31-电机固定架；32-减速器支撑架；33-底座；34-整体循环球式转向器固定架；35-显示屏幕支撑架；36-转向管柱固定架；37-电动助力装置固定架；38-座椅支撑钢板；39-座椅支撑角钢架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的描述。

参阅图1和图2，本发明所述的商用车新型电液转向系统模拟试验台由仿真场景显示装置Ⅰ、实时仿真平台Ⅱ、液压助力系统Ⅲ、驾驶员操纵装置Ⅳ、机械转向系统Ⅴ、电动助力装置Ⅵ、转向阻力模拟装置Ⅶ、基础台架Ⅷ和座椅Ⅸ组成。

仿真场景显示装置Ⅰ包括上位机显示屏幕1和下位机显示屏幕2，这两个显示屏幕分别与上位机3、下位机4连接。其中，上位机显示屏幕1用于实现人机交互，负责显示编程人员开发、调试和编译商用车整车动力学模型与控制策略的操作，并对商用车整车动力学模型和控制策略的运行情况进行实时监测，下位机显示屏幕2负载监测下位机4的运行情况。

实时仿真平台Ⅱ包括上位机3、下位机4，以及连接线束。其中，上位机3安装有TruckSim整车动力学软件和与下位机硬件系统兼容的LabVIEW实时仿真系统软件，采用TruckSim软件搭建商用车整车动力学模型，采用LabVIEW实时仿真系统软件开发动态转向控制策略和转向辅助控制策略，调试和编译商用车整车动力学与控制策略，下载上述文件至下位机4，并根据仿真结果实时调节控制策略的参数。下位机4包括嵌入式控制器、外围板卡和底座，外围板卡安装在机箱对应的板卡插槽中。上位机3和下位机4通过网线连接，遵循TCP/IP协议。外围板卡采集来自转向盘转角传感器16、转向盘转矩传感器17、阻力模拟转矩传感器24、制动踏板开度传感器11、加速踏板开度传感器13的信号，经过滤波、相位补偿处理，将这些信号送至嵌入式控制器进行分析、处理，参与商用车整车动力学模型和控制策略的实时仿真运算，将决策出的控制电流信号通过通讯接口分别发送至驱动电机6、助力电机20、电磁离合器21、阻力模拟电机27和上位机3。

常规液压助力转向系统包括液压助力系统Ⅲ和机械转向系统Ⅴ。其中，液压助力系统Ⅲ包括储油罐5、驱动电机6、液压泵7、单向阀8、溢流阀9和相应液压管路；机械转向系统Ⅴ包括转向盘14、转向管柱15、转向盘转角传感器16、转向盘转矩传感器17、转向传动轴18和整体循环球式转向器19。转向盘转角传感器16采集转向盘转角信号，将其传递给实时仿真平台Ⅱ，为实现转向阻力矩的精确控制提供计算依据；转向盘转矩传感器17布置在电动助力装置Ⅵ的上部，用于测量驾驶员作用在转向轴上的转矩大小，并将其传递给实时仿真平台Ⅱ，为转向系统助力控制策略的开发提供参考值。

驾驶员操纵装置Ⅳ包括制动踏板模拟器10、制动踏板开度信号传感器11、加速踏板模拟器12和加速踏板开度信号传感器13。其中，制动踏板模拟器10用于控制商用车整车动力学模型的减速运动，制动踏板开度信号传感器11用于采集驾驶员的制动信号，加速踏板模拟器12用于控制商用车整车动力学模型的加速运动，加速踏板开度信号传感器13用于采集驾驶员的加速信号。实时仿真平台Ⅱ通过分析制动踏板开度信号、加速踏板开度信号和转向盘转角信号，辨识驾驶员的操作意图，获取驾驶员的驾驶特性，辅助改善转向系统的转向特性，从而验证转向辅助控制策略的合理性。

电动助力装置Ⅵ包括助力电机20、电磁离合器21和蜗杆涡轮减速机构22。对于助力电机20，其内置的驱动器接收实时仿真平台Ⅱ发出的控制电流信号，助力电机20根据该控制电流信号的大小调节输出扭矩，该输出扭矩通过蜗轮蜗杆机构传递到转向管柱15上，辅助驾驶员实现车道保持、侧向风补偿、过滤路面颠簸等转向辅助功能。电磁离合器21位于助力电机20与蜗杆涡轮减速机构22之间，来自实时仿真平台Ⅱ的控制电流信号控制电磁离合器21的分离与结合，实现输出扭矩的传递与中断。对于蜗杆涡轮减速机构22，蜗杆通过齿轮啮合带动涡轮转动，蜗杆涡轮减速机构22起减速增扭的作用。

参考图3，转向阻力模拟装置Ⅶ包括转向阻力模拟电机27、转向阻力模拟减速器26、连接传感器和减速器的联轴器25、转向阻力模拟扭矩传感器24、连接转向器和传感器的联轴器23。阻力模拟电机27由配套的驱动器驱动，连接传感器和减速器的联轴器25通过平键连接转向阻力模拟减速器26的输出轴和阻力模拟转矩传感器24的输入轴，连接转向器和传感器的联轴器23通过花键连接转向阻力模拟扭矩传感器24和整体循环球式转向器19的转向摇臂轴，阻力模拟电机27的驱动器接收实时仿真平台Ⅱ发出的阻力模拟信号，带动减速器来模拟不同工况下轮胎与路面之间的转向阻力。阻力模拟转矩传感器24采集减速器减速增扭之后的扭矩值，并将其传递给实时仿真平台Ⅱ，实现转向阻力模拟的闭环控制。本实例的阻力模拟电机27采用EMB-75DRA22系列电机，额定功率为7.5Kw，减速器26采用型号为PX285的3级行星减速器，减速比为100:1，连接传感器和减速器的联轴器25采用JMⅡ型无沉孔基本型膜片联轴器，转向阻力模拟扭矩传感器24采用型号为ZH07系列的扭矩传感器，量程为5000N.m。

参考图4，基础台架Ⅷ包括座椅支撑台架、机械转向系统固定台架和转向阻力模拟装置支撑台架三大部分。其中，座椅支撑台架包括座椅支撑钢板38和座椅支撑角钢架39，用于固定实车座椅Ⅸ，辅助实验员上下试验台，座椅支撑角钢架39采用不同尺寸的角钢焊接而成，实车座椅Ⅸ底部通过六根螺栓与座椅支撑钢板38连接；机械转向系统固定台架包括转向管柱固定架36、电动助力装置固定架37、整体循环球式转向器固定架34、显示屏幕支撑架35，机械转向系统固定台架整体结构分为三层，顶层为用于放置上位机显示屏幕1和下位机显示屏幕2，中间层用于固定驾驶员操纵装置Ⅳ，底层用于固定液压助力系统Ⅲ和整体循环球式转向器19；转向阻力模拟装置支撑台架用于固定转向阻力模拟装置Ⅶ，包括电机固定架31、减速器固定架30、减速器支撑架32、转向阻力模拟转矩传感器支撑架29和底座33，在底座33支撑钢板的四个角处分别安装四个吊耳28，方便转向阻力模拟装置的整体移动，同时在底座33支撑钢板上加工有槽孔，一方面用于固定支撑架和固定架，另一方面用于调整各个支撑架和固定架的轴向位置，方便定位。基础台架各部分采用螺栓连接，灵活可调，方便拆卸。

参考图5，商用车新型电液转向系统的动态转向控制策略流程为：

控制策略利用检测到的车速信号和转向盘转矩信号，参考嵌入的转向助力曲线，采用查表的方式，决策出控制电机的电流信号，根据电机电流分配策略确定施加到驱动电机和助力电机的电流值。驱动电机通过内置的电流传感器信号监测电流信号的大小，通过PID算法实现对目标电流的闭环控制，助力电机通过内置的电流传感器信号监测电流信号的大小，通过PID算法实现对目标电流的闭环控制。其中，车速信号由实时仿真平台Ⅱ模拟仿真得到，转向盘转矩信号通过转向盘转矩传感器17经过滤波、相位补偿方法得到，采用的转向助力曲线通过驾驶员理想转向手力数据和转向盘阻力数据运算得到。

参考图6，电机电流分配策略如下：

电机电流的分配策略根据转向阻力值T的大小分为三个部分，其中，T值取绝对值，T_max为转向阻力的最大值，满足0<T₁<T_max，T₁<T₂<T_max。

当0<T<T₁时，液压助力系统Ⅲ不工作，电动助力装置Ⅵ工作，由实时仿真平台Ⅱ决策的电机电流完全作用在助力电机20上，作用在助力电机20电流的大小取决于车速和转向盘转矩大小，驱动电机6不工作。

当T₁<T<T₂时，液压助力系统Ⅲ工作，电动助力装置Ⅵ不工作，由实时仿真平台Ⅱ决策的电机电流完全作用在驱动电机6上，作用在驱动电机6电流的大小取决于车速和转向盘转矩大小，助力电机20不工作。

当T₂<T<T_max时，液压助力系统Ⅲ和电动助力装置Ⅵ同时工作，由实时仿真平台Ⅱ决策的电机电流包括驱动电机6的电流和助力电机20的电流，其中，由于液压助力系统Ⅲ恒流量工作，作用在驱动电机6的电流是恒定的，作用在助力电机20的电流值取决于车速和转向盘转矩大小。

应用方法举例：

本发明以车道保持系统的控制策略开发和验证为例来说明商用车新型电液转向系统模拟试验台的工作流程，其他驾驶员辅助系统的控制算法的开发和验证流程均与此类似。

(1)在上位机3的LabVIEW实时仿真系统软件中开发车道保持的控制算法，采用TruckSim整车动力学软件中建立商用车整车动力学模型，设置TruckSim整车动力学模型与LabVIEW实时仿真系统软件开发的车道保持控制算法的输入和输出接口。

(2)设置仿真条件，如道路场景、路面附着系数、风阻系数等，设置仿真参数，如仿真步长、仿真时间等。完成上述设置后，TruckSim整车动力学模型与LabVIEW实时仿真系统软件开发的控制算法共同组成验证车道保持控制算法的联合仿真环境。在没有摄像头的情况下可通过车辆位置信息间接得到车辆和车道的相对位置关系，本试验台采用此法获得车辆与车道间的相对位置关系。

(3)利用LabVIEW实时仿真系统软件下载上述编译文件至下位机4进行实时仿真运行。在实时仿真运行过程中，上位机显示屏幕1显示车辆和控制算法的实时运行状态，下位机显示屏幕2显示实时仿真系统的运行状态。

(4)驾驶员根据设定的工况对转向盘14、制动踏板10和加速踏板12进行操纵，实时仿真平台Ⅱ定时对转向盘转角信号、转向盘转矩信号、转向阻力模拟装置Ⅶ中的转矩信号、制动踏板10的开度信号、加速踏板12的开度信号进行采集，通过车道保持控制算法的判断和分析，在保证转向系统正常工作的情况下，对电动助力装置Ⅵ的助力电机20发出控制电流信号，控制车辆不发生车道偏离。

(5)在上位机显示屏幕1实时观察控制算法的控制效果，通过模型仿真计算的数据分析控制算法的控制精度，实现车道保持算法的合理性验证。

最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。