CN112331018B - 一种方向盘模拟系统及其建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种方向盘模拟系统及其建模方法。该方向盘模拟系统包括主控制器，伺服电机，传动机构，减速器，扭杆，方向盘，以及电流PID控制器。该方向盘模拟系统的建模方法通过设计DOE试验并进行实车试验，获得高斯回归建模所需DOE数据，再使用DOE数据进行高斯过程回归建模，得到方向盘高斯回归模型、动力系统高斯回归模型，再以方向盘高斯回归模型、动力系统高斯回归模型为基础搭建方向盘模拟系统仿真模型。相较于现有技术，本发明的方向盘模拟系统及根据该建模方法搭建的带PID控制器的方向盘模拟系统仿真模型具有高准确度、高可信度的优点，大幅降低了汽车驾驶辅助系统的开发成本，为方向盘模拟系统开发和优化奠定基础。
Description
技术领域
本发明涉及汽车技术领域，具体涉及一种方向盘模拟系统及其建模方法。
背景技术
随着汽车技术的发展，自动驾驶和辅助驾驶已经逐渐成为汽车产业的重要发展趋势。高级驾驶辅助系统正在被越来越多的主流车型采用。但是在进行辅助驾驶系统开发的过程中一般需要开发者进行大量的路面实验，从而证明其控制系统的准确性、鲁棒性和安全性。如果这些路面实验全部在实际路面中进行，会大幅提高辅助驾驶系统的开发成本，因此，在虚拟环境下进行辅助驾驶系统开发、测试对降低辅助驾驶系统开发成本具有重要意义。专利CN201811029833.5公开了一种虚拟驾驶方法和系统，但是并没有涉及方向盘系统的建模方法。方向盘系统是车辆的重要组成部分，为了提高辅助驾驶仿真的可信度，开发者应当采用可信度较高的方向盘系统。专利CN201921391411.2公开了一种方向盘装置以及包括该方向盘装置的模拟车，但其并未提供高准确度模拟方向盘回力的方法；专利CN201921662820.1提供了一种方向盘、车辆以及游戏机，涉及到一种可拆卸的方向盘结构，并不涉及用于辅助驾驶开发的高可信度方向盘模拟系统的建模方法。因此，目前，方向盘虚拟系统普遍存在可信度不足、成本高、难以建立准确仿真模型等问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明主要的目的在于提供一种成本低、可信度较高、便于建立高准确仿真模型的方向盘模拟系统及其建模方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种方向盘模拟系统，包括主控制器，伺服电机，传动机构，减速器，扭杆，方向盘，以及电流PID控制器；
所述伺服电机在电源的驱动下输出扭矩并通过所述传动机构及减速器传递给所述扭杆，从而对所述方向盘产生实际方向盘回力；
所述主控制器，用于接收所述方向盘的转角信号并根据方向盘旋转角度计算得到理论方向盘回力，通过主电流控制信号控制所述电源向所述伺服电机输出主电流；
所述电流PID控制器，用于根据所述方向盘的实际方向盘回力与理论方向盘回力的差值输出调节电流信号控制所述电源向所述伺服电机输出调节电流，所述伺服电机由所述电源输出的主电流和调节电流共同作用下得到的电机输入电流驱动。
优选地，在一具体实施例中，所述传动机构为皮带轮传动机构。
一种方向盘模拟系统的建模方法，该建模方法包括以下步骤：
设计DOE试验并进行实车试验，采集车辆信息，对所述车辆信息进行测试以获得测试数据作为高斯回归建模所需DOE数据，所述测试数据包括车辆横摆角、方向盘转角、车身重量、路面坡度和方向盘回力；
使用DOE数据进行高斯过程回归建模，得到方向盘高斯回归模型、动力系统高斯回归模型，再以方向盘高斯回归模型、动力系统高斯回归模型为基础搭建方向盘模拟系统仿真模型。
进一步地，该建模方法中的方向盘高斯回归模型的建模步骤具体包括：
进行DOE试验设计：将车辆横摆角、方向盘转角、车身重量、路面坡度作为影响方向盘回力的主要因素，随机产生N个4维点，组成方向盘DOE矩阵，每个点的4个维度分别对应横摆角、方向盘转角、车身重量和路面坡度；
进行实车标定：以方向盘DOE矩阵为基础，进行实车标定，得到一个N*5的标定数据矩阵，即方向盘标定矩阵，该方向盘标定矩阵的5个维度分别代表横摆角、方向盘转角、车身重量、路面坡度和方向盘回力；
以方向盘标定矩阵为训练数据，进行高斯过程回归建模，得到方向盘高斯回归模型。根据方向盘高斯回归模型，对于任意取值在方向盘高斯回归模型训练数据范围之内的横摆角、方向盘转角、车身重量、路面坡度，均可计算得到对应的理论方向盘回力。
优选地，N为500。
进一步地，该建模方法中的动力系统高斯回归模型的建模步骤具体包括：
进行DOE试验设计：将动力系统的电机输入电流作为影响方向盘模拟回力的主要因素，随机产生M个1维点，组成动力系统DOE矩阵；
进行方向盘模拟标定实验：以动力系统DOE矩阵为基础，进行实车标定实验，得到一个M*2的标定数据矩阵，即动力系统标定矩阵，该动力系统标定矩阵的2个维度分别代表动力系统的电机输入电流和方向盘模拟回力；
以动力系统标定矩阵为训练数据，进行高斯过程回归建模，得到动力系统高斯回归模型。根据动力系统高斯回归模型，对于任意取值在动力系统高斯回归模型训练数据范围之内的动力系统输入电流，均可计算得到对应的理论方向盘回力。
优选地，M为300。
进一步地，使用训练数据进行高斯过程回归建模的计算公式为：
式(1)～(3)中，μ为模型输出值，即理论方向盘回力；x*为模型输入变量值；K为相关性矩阵，此矩阵为对角阵，其中每一个元素表示两组训练数据之间的相关性值，每一个元素的角标表示两组训练数据的编号，如K12表示训练数据x1和x2两组数据之间的相关性值；I为单位对角矩阵，且维度与K相同；σ和l均为超参，通过梯度下降法求得。
由于采用上述技术方案，本发明达到以下技术效果：本发明方向盘模拟系统采用电流PID控制器以实际方向盘回力与理论方向盘回力的差值作为输入，以电机调节电流为输出，从而使实际方向盘回力更接近目标值，能够提供高准确度的模拟方向盘回力，从而提高方向盘模拟系统仿真的可信度；本发明方向盘模拟系统通过DOE试验设计和实车实验，利用DOE数据进行高斯过程回归建模，得到方向盘高斯回归模型、动力系统高斯回归模型，进而搭建高准确度和高可信度的方向盘模拟系统仿真模型，可大大降低汽车驾驶辅助系统的开发成本。
附图说明
图1是本发明一种方向盘模拟系统的结构示意图。
图2是根据本发明建模方法搭建的带有PID控制器的方向盘模拟系统仿真模型的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明，下面将结合实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所做的等效变化与修饰前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
首先请参考图1。根据本发明提供的一种方向盘模拟系统，包括主控制器，伺服电机，皮带轮传动机构，减速器，扭杆，方向盘，以及电流PID控制器。所述伺服电机在电源的驱动下输出扭矩并通过皮带轮传动机构传递给减速器，减速器将扭矩传递给扭杆，从而对方向盘产生实际方向盘回力。主控制器用于接收方向盘的转角信号，并根据方向盘旋转角度计算得到理论方向盘回力，通过主电流控制信号控制电源向伺服电机输出主电流。电流PID控制器用于根据方向盘的实际方向盘回力与理论方向盘回力的差值，输出调节电流信号控制所述电源向所述伺服电机输出调节电流。伺服电机由电源输出的主电流和调节电流共同作用下得到的电机输入电流驱动。
本发明中，主控制器通过主电流控制信号控制电源输出的主电流、电流PID控制器通过调节电流信号控制电源输出的调节电流，两者共同作用后得到驱动伺服电机的电机输入电流；电流PID控制器以实际方向盘回力与理论方向盘回力的差值作为输入，以电机调节电流为输出，从而使实际方向盘回力更接近目标值。需要说明的是，本发明方向盘模拟系统的目标值是根据用户需求设置的，在搭建了方向盘模拟系统仿真模型后指的是高斯回归模型输出的目标扭矩。
接着请参考图2，图2是根据本发明建模方法搭建的带有PID控制器的方向盘模拟系统仿真模型的示意图。本实施例中，应用上述方向盘模拟系统搭建方向盘模拟系统仿真模型的建模方法，具体步骤包括：设计DOE试验并进行实车试验，采集车辆信息，对所述车辆信息进行测试以获得测试数据作为高斯回归建模所需DOE数据，所述测试数据包括车辆横摆角、方向盘转角、车身重量、路面坡度和方向盘回力；使用DOE数据进行高斯过程回归建模，得到方向盘高斯回归模型、动力系统高斯回归模型，再以方向盘高斯回归模型、动力系统高斯回归模型为基础搭建方向盘模拟系统仿真模型。本实施例中，动力系统为伺服电机，因此动力系统高斯回归模型即电机高斯回归模型。
其中，该建模方法中的方向盘高斯回归模型的建模步骤具体包括：
进行DOE试验设计：将车辆横摆角、方向盘转角、车身重量、路面坡度作为影响方向盘回力的主要因素，随机产生500个4维点，组成方向盘DOE矩阵，每个点的4个维度分别对应横摆角、方向盘转角、车身重量和路面坡度；
进行实车标定：以方向盘DOE矩阵为基础，进行实车标定，得到一个500*5的标定数据矩阵，即方向盘标定矩阵，该方向盘标定矩阵的5个维度分别代表横摆角、方向盘转角、车身重量、路面坡度和方向盘回力，且均处在相应变量的取值范围之内，这500个4维点共同组成方向盘DOE矩阵；
以方向盘标定矩阵为训练数据，进行高斯过程回归建模，得到方向盘高斯回归模型。根据方向盘高斯回归模型，对于任意取值在方向盘高斯回归模型训练数据范围之内的横摆角、方向盘转角、车身重量、路面坡度，均可计算得到对应的理论方向盘回力。
其中，该建模方法中的动力系统高斯回归模型的建模步骤具体包括：
进行DOE试验设计：将动力系统的电机输入电流作为影响方向盘模拟回力的主要因素，随机产生300个1维点，每个点的值都在动力系统正常工作电流取值范围之内，这300个点共同组成动力系统DOE矩阵；
进行方向盘模拟标定实验：以动力系统DOE矩阵为基础，进行实车标定实验，得到一个300*2的标定数据矩阵，即动力系统标定矩阵，该动力系统标定矩阵的2个维度分别代表动力系统的电机输入电流和方向盘模拟回力；
以动力系统标定矩阵为训练数据，进行高斯过程回归建模，得到动力系统高斯回归模型。根据动力系统高斯回归模型，对于任意取值在动力系统高斯回归模型训练数据范围之内的动力系统输入电流，均可计算得到对应的理论方向盘回力。
在以上建模步骤中，使用训练数据进行高斯过程回归建模的计算公式为：
式(1)～(3)中，μ为模型输出值，即理论方向盘回力；x*为模型输入变量值；K为相关性矩阵，此矩阵为对角阵，其中每一个元素表示两组训练数据之间的相关性值，每一个元素的角标表示两组训练数据的编号，如K12表示训练数据x1和x2两组数据之间的相关性值；I为单位对角矩阵，且维度与K相同；σ和l均为超参，可通过梯度下降法求得。
采用本发明方向盘模拟系统搭建的带电流PID控制器的方向盘模拟系统仿真模型，通过电流PID控制器以实际方向盘回力与理论方向盘回力的差值作为输入，以电机调节电流为输出，使实际方向盘回力更接近目标值，能够提供高准确度的模拟方向盘回力，提高方向盘模拟系统仿真的可信度，大幅降低了汽车驾驶辅助系统的开发成本，从而为方向盘模拟系统开发和优化奠定基础。
以上所述仅为本发明较佳的实施方式，并非用以限定本发明的保护范围；同时，以上的描述对于相关技术领域中具有通常知识者应可明了并据以实施，因此其他未脱离本发明所揭露概念下所完成之等效改变或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种方向盘模拟系统的建模方法，其特征在于，所述方向盘模拟系统包括主控制器，伺服电机，传动机构，减速器，扭杆，方向盘，以及电流PID控制器；
所述伺服电机在电源的驱动下输出扭矩并通过所述传动机构及减速器传递给所述扭杆，从而对所述方向盘产生实际方向盘回力；
所述主控制器，用于接收所述方向盘的转角信号并根据方向盘旋转角度计算得到理论方向盘回力，通过主电流控制信号控制所述电源向所述伺服电机输出主电流；
所述电流PID控制器，用于根据所述方向盘的实际方向盘回力与理论方向盘回力的差值输出调节电流信号控制所述电源向所述伺服电机输出调节电流，所述伺服电机由所述电源输出的主电流和调节电流共同作用下得到的电机输入电流驱动；
所述传动机构为皮带轮传动机构；
该建模方法包括以下步骤：
设计DOE试验并进行实车试验，采集车辆信息，对所述车辆信息进行测试以获得测试数据作为高斯回归建模所需DOE数据，所述测试数据包括车辆横摆角、方向盘转角、车身重量、路面坡度和方向盘回力；
使用DOE数据进行高斯过程回归建模，得到方向盘高斯回归模型、动力系统高斯回归模型，再以方向盘高斯回归模型、动力系统高斯回归模型为基础搭建方向盘模拟系统仿真模型。
2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，该建模方法中的方向盘高斯回归模型的建模步骤具体包括：
进行DOE试验设计：将车辆横摆角、方向盘转角、车身重量、路面坡度作为影响方向盘回力的主要因素，随机产生N个4维点，组成方向盘DOE矩阵，每个点的4个维度分别对应横摆角、方向盘转角、车身重量和路面坡度；
进行实车标定：以方向盘DOE矩阵为基础，进行实车标定，得到一个N*5的标定数据矩阵，即方向盘标定矩阵，该方向盘标定矩阵的5个维度分别代表横摆角、方向盘转角、车身重量、路面坡度和方向盘回力；
以方向盘标定矩阵为训练数据，进行高斯过程回归建模，得到方向盘高斯回归模型。
3.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于，N为500。
4.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，该建模方法中的动力系统高斯回归模型的建模步骤具体包括：
进行DOE试验设计：将动力系统的电机输入电流作为影响方向盘模拟回力的主要因素，随机产生M个1维点，组成动力系统DOE矩阵；
进行方向盘模拟标定实验：以动力系统DOE矩阵为基础，进行实车标定实验，得到一个M*2的标定数据矩阵，即动力系统标定矩阵，该动力系统标定矩阵的2个维度分别代表动力系统的电机输入电流和方向盘模拟回力；
以动力系统标定矩阵为训练数据，进行高斯过程回归建模，得到动力系统高斯回归模型。
5.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，M为300。
6.根据权利要求2或4所述的建模方法，其特征在于，使用训练数据进行高斯过程回归建模的计算公式为：
式(1)~(3)中，μ为模型输出值，即理论方向盘回力；x *为模型输入变量值；K为相关性矩阵，此矩阵为对角阵，其中每一个元素表示两组训练数据之间的相关性值；I为单位对角矩阵，且维度与K相同；σ和l均为超参，通过梯度下降法求得。
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