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🔥 内容介绍
一、引言
四轮驱动汽车凭借其出色的动力性能和操控稳定性，在各类路况下都有广泛应用。线控转向系统（SBW）作为现代汽车的关键技术，取代了传统的机械连接，通过电子信号控制转向，提升了驾驶的舒适性和精确性。然而，系统可能会出现失效情况，危及行车安全。因此，研究线控转向系统失效下的轨迹跟踪与横摆稳定性，以及相应的失效容错控制策略，并通过仿真进行验证至关重要。这不仅有助于保障车辆在故障状态下的安全行驶，还能为汽车控制系统的设计和优化提供理论支持。
二、四轮驱动汽车线控转向系统
（一）线控转向系统原理
- 基本架构：线控转向系统主要由方向盘模块、转向执行模块、传感器模块和电子控制单元（ECU）组成。方向盘模块采集驾驶员的转向意图，通过传感器将方向盘转角、转矩等信号传递给 ECU。ECU 根据车辆的行驶状态（如车速、横摆角速度等）和驾驶员意图，计算出期望的车轮转角，并向转向执行模块发送控制信号，驱动电机控制车轮转向。
- 优势：相比传统转向系统，线控转向系统消除了机械连接带来的摩擦、间隙等问题，能够实现更精确的转向控制。它还可以根据不同的行驶工况，如高速行驶、低速泊车等，自动调整转向助力特性，提升驾驶体验。此外，线控转向系统便于集成先进的驾驶辅助功能，如车道保持、自动泊车等。
（二）失效模式
- 传感器故障：传感器是线控转向系统获取信息的关键部件，一旦传感器出现故障，如方向盘转角传感器信号错误，ECU 接收到的驾驶员意图信息就会失真，导致转向控制失误。
- 执行机构故障：转向执行模块中的电机或传动部件可能出现故障，如电机绕组短路、传动齿轮磨损等，使车轮无法按照 ECU 的指令进行转向操作。
- 通信故障：线控转向系统各模块之间通过通信网络进行数据传输，通信线路损坏或信号干扰可能导致数据丢失或错误，影响系统的正常运行。
三、轨迹跟踪与横摆稳定性的重要性
（一）轨迹跟踪
- 定义与意义：轨迹跟踪是指汽车按照预设的路径行驶的能力。在实际驾驶中，驾驶员期望车辆能够准确地沿着目标轨迹行驶，如在高速公路上保持车道、在弯道中按照理想路线转向等。精确的轨迹跟踪不仅能提高驾驶的安全性，还能提升交通效率，减少交通事故的发生。
- 影响因素：车辆的动力学特性、路面条件、转向系统的性能等都会影响轨迹跟踪的精度。例如，车辆在高速行驶时，由于离心力的作用，容易偏离目标轨迹；路面的湿滑、不平坦等也会干扰车辆的行驶路径。
（二）横摆稳定性
- 原理与作用：横摆稳定性是指汽车在行驶过程中抵抗绕垂直轴转动（横摆）的能力。当车辆受到侧向力（如在弯道行驶、遭遇侧风等情况）时，会产生横摆运动。如果横摆运动得不到有效控制，车辆可能会失控，发生侧滑、甩尾等危险情况。保持横摆稳定性对于确保车辆的行驶安全至关重要。
- 相关因素：车辆的质心位置、轮胎特性、悬挂系统以及转向系统的响应等因素都会影响横摆稳定性。例如，质心过高或轮胎抓地力不足，会使车辆在横摆时更容易失去稳定性。
四、失效容错控制策略
（一）故障诊断
- 基于模型的方法：通过建立车辆动力学模型，结合传感器测量数据，预测系统的正常输出。将实际测量值与模型预测值进行比较，当偏差超过一定阈值时，判断系统发生故障。例如，利用车辆的二自由度模型，根据车速、方向盘转角等输入，预测横摆角速度和侧向加速度，与实际测量值对比来检测转向系统故障。
- 数据驱动的方法：利用大量的历史数据，通过机器学习算法（如神经网络、支持向量机等）建立故障诊断模型。这些模型可以学习正常状态和故障状态下系统的特征，从而准确地识别故障类型和位置。例如，收集车辆在各种工况下的传感器数据和故障记录，训练神经网络进行故障诊断。
（二）容错控制策略
- 冗余设计：在系统设计阶段，采用冗余部件提高系统的可靠性。例如，安装多个方向盘转角传感器，当一个传感器出现故障时，其他传感器可以继续提供准确的信号。同样，转向执行模块也可以采用双电机设计，一个电机故障时，另一个电机仍能维持部分转向功能。
- 重构控制：当检测到故障后，根据故障类型和车辆当前状态，重新调整控制策略。例如，当转向执行机构部分失效时，通过调整四轮驱动系统的驱动力分配，利用差动转向原理，补偿转向不足或过度的情况，维持车辆的轨迹跟踪和横摆稳定性。
⛳️ 运行结果 
🔗 参考文献
[1]张雷,王子浩,孙逢春,等.四轮轮毂电机驱动智能电动汽车转向失效容错控制研究[J].机械工程学报, 2021, 57(20):12.DOI:10.3901/JME.2021.20.141.
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