一种模拟驾驶场景伺服电机阻尼力反馈控制方法与流程

本发明涉及一种模拟驾驶场景伺服电机阻尼力反馈控制方法。

背景技术：

1、驾驶模拟器通过伺服电机输出阻尼力、回正力、路感扰动力来还原真实车辆转向手感，是模拟驾驶的核心体验来源。现有力反馈控制方案大多采用固定参数pid控制或者查表式力矩输出：预先存储不同车速下的阻尼系数表，根据模拟车速直接调取固定阻尼值输出给伺服电机。

2、但现有技术中，阻尼输出与驾驶员操作动作解耦，仅依靠车速单一变量，无法识别驾驶员转动方向盘的角速度、角加速度、手握操作意图，低速猛打方向、高速微调方向盘时阻尼手感失真，模拟真实路面转向阻尼效果差。

3、同时，由于车辆行驶工况复杂，包含直行、弯道、颠簸路面、轮胎侧滑、路面附着系数变化场景，传统查表方式只能离散工况点，工况之间依靠插值，过渡生硬，力反馈震荡，伺服电机容易出现力矩抖动、异响。且单纯闭环pid存在相位滞后，当驾驶员快速转动方向盘时，电机力矩输出滞后于手部动作，出现手感迟滞；同时pid参数固定，在大阻尼、小阻尼区间难以同时兼顾稳定性与响应速度，容易出现超调。

4、最后，没有考虑伺服电机本体摩擦、传动机构间隙带来的固有机械阻尼，机械固有阻尼叠加算法输出阻尼，造成实际输出阻尼偏大，不同模拟器硬件个体差异会导致同一套算法输出手感不一致。从而缺少结合驾驶员操作特征、车辆动力学模型、机械扰动观测的一体化阻尼反馈控制策略，模拟驾驶沉浸度不足。

技术实现思路

1、本发明克服现有查表+固定pid控制的缺陷，提供一种模拟驾驶场景伺服电机阻尼力反馈控制方法，融合驾驶员操作特征参数、虚拟车辆动力学状态、机械扰动观测补偿，通过模型预测前馈+自适应模糊pid闭环调节，动态输出伺服电机阻尼力矩，实现不同车速、路面、驾驶员操作习惯下阻尼力平滑跟随，消除力矩抖动、相位滞后，降低硬件个体差异对手感的影响，提升模拟驾驶真实感。

2、一种模拟驾驶场景伺服电机阻尼力反馈控制方法，应用于模拟驾驶器，所述模拟驾驶器包括方向盘转角传感器、角速度采集模块、伺服驱动单元、伺服电机、存储器以及控制器，所述控制器执行如下步骤：

3、s1、采集实时状态参数；所述实时状态参数包括：方向盘实际转角、方向盘转动角速度、方向盘角加速度，以及虚拟车辆动力学参数，虚拟车辆动力学参数包含模拟车速、前轮转向角、轮胎侧偏角、路面附着系数；

4、s2、构建虚拟基准阻尼力矩模型；基于模拟车速、轮胎侧偏角、路面附着系数计算基础理论阻尼力矩；基础理论阻尼力矩体现车辆本身转向系统、轮胎与路面耦合产生的固有阻尼；

5、s3、采集驾驶员操作特征参数，得到操作修正系数；所述驾驶员操作特征参数为方向盘转动角速度、角加速度；对方向盘角速度、角加速度做模糊化处理，区分慢调、匀速转动、快速猛打方向三类操作工况，输出操作修正系数；低速快速打方向时向下修正，抑制阻尼过大；高速微小角度微调时向上修正，强化阻尼感；

6、s4、机械扰动观测补偿计算；构建扩张状态观测器，观测伺服电机以及传动机构带来的综合机械扰动力矩，综合机械扰动力矩包含电机粘滞摩擦、库仑摩擦、传动间隙带来的等效阻尼力矩；将观测得到的做反向补偿，抵消硬件固有机械阻尼；

7、s5、模型预测前馈计算；以未来预设时间步长内方向盘转角预测值作为输入，代入虚拟基准阻尼力矩模型，计算前馈阻尼力矩；前馈阻尼力矩用于补偿伺服驱动系统相位滞后；

8、s6、计算目标阻尼力矩；

9、

10、s7、将目标阻尼力矩作为输入送入自适应模糊pid控制器；自适应模糊pid控制器根据力矩偏差以及偏差变化率在线实时修正pid的比例、积分、微分参数，输出伺服电机控制电压指令；伺服驱动单元接收电压指令驱动伺服电机输出对应的阻尼力反馈力矩；

11、s8、循环执行s1-s7，周期更新伺服电机阻尼力矩输出，实现闭环力反馈控制。

12、进一步的，步骤s2中，所述虚拟基准阻尼力矩的计算方式如下：

13、

14、式中：a、b为实车标定转向基础阻尼系数；为模拟车辆实时车速；为轮胎侧偏角；为方向盘-传动系统等效惯量阻尼系数；为方向盘与伺服电机输出轴等效转动惯量；为方向盘角加速度；为轮胎迟滞阻尼系数；为轮胎侧偏角变化率；为路面附着系数；为传动刚度衰减指数；为传动机构齿轮副实测间隙等效转角偏差。

15、进一步的，步骤s4中扩张状态观测器输入为伺服电机实际输出力矩与目标力矩差值，观测总扰动包含摩擦扰动、传动间隙扰动，输出综合机械扰动力矩，在目标力矩计算中减去扰动观测值，实现摩擦前馈补偿。

16、进一步的，步骤s5中，采用二阶差分预测算法，根据当前以及前两个采样时刻方向盘转角，预测下一控制周期方向盘转角预测值，将转角预测值代入虚拟基准阻尼力矩模型得到前馈阻尼力矩。

17、利用方向盘历史转角数据做二阶差分预测，能够预判驾驶员方向盘的转动趋势，提前生成对应前馈阻尼力矩；弥补伺服驱动、电机执行环节固有的相位滞后，解决驾驶员快速打方向时力矩输出滞后人手动作的手感迟滞缺陷，提升高速转向、急打方向盘工况下力反馈的跟随实时性。

18、进一步的，步骤s7中，自适应模糊pid控制器以目标阻尼力矩与电机实际输出力矩的偏差e、偏差变化率ec作为模糊输入，通过模糊规则在线调整kp、ki、kd；偏差大时增大比例参数提升响应速度；偏差变化剧烈时增大微分参数抑制震荡；稳态工况增大积分参数消除力矩静差。

19、区别于传统固定参数 pid，本控制器根据力矩误差动态自适应整定 pid 三组参数：大偏差阶段优先保障力矩快速逼近目标值；力矩剧烈波动阶段抑制系统震荡、避免电机力矩抖动异响；稳态工况消除力矩静差，兼顾系统动态响应速度与稳态控制精度，使得大小阻尼工况下均可以获得稳定、顺滑的力反馈效果。

20、进一步的，控制器采样周期为0.5-2ms。0.5-2ms的采样周期区间可以兼顾嵌入式控制器算力负荷与力反馈控制实时性。

21、有益效果：

22、本发明不采用传统固定查表阻尼输出模式，而是结合车辆动力学、驾驶员操作行为识别以及机械扰动观测，得到经过多重修正后的目标阻尼力矩，能够根据驾驶员打方向快慢、车速高低、路面附着状态动态适配阻尼输出大小，解决单一车速查表带来手感失真的问题。

23、同时引入模型预测前馈环节，提前预判方向盘转动趋势输出前馈阻尼力矩，配合自适应模糊pid闭环调节，有效抑制伺服电机力矩相位滞后，减少力矩抖动、高频异响，在快速打方向、微小角度微调、轮胎侧滑等复杂工况下均可以实现阻尼力矩平滑输出。

1.一种模拟驾驶场景伺服电机阻尼力反馈控制方法，应用于模拟驾驶器，所述模拟驾驶器包括方向盘转角传感器、角速度采集模块、伺服驱动单元、伺服电机、存储器以及控制器，其特征在于，所述控制器执行如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种模拟驾驶场景伺服电机阻尼力反馈控制方法，其特征在于，步骤s2中，所述虚拟基准阻尼力矩的计算方式如下：

3.根据权利要求1所述的一种模拟驾驶场景伺服电机阻尼力反馈控制方法，其特征在于，步骤s4中扩张状态观测器输入为伺服电机实际输出力矩与目标力矩差值，观测总扰动包含摩擦扰动、传动间隙扰动，输出综合机械扰动力矩，在目标力矩计算中减去扰动观测值，实现摩擦前馈补偿。

4.根据权利要求1所述的一种模拟驾驶场景伺服电机阻尼力反馈控制方法，其特征在于，步骤s5中，采用二阶差分预测算法，根据当前以及前两个采样时刻方向盘转角，预测下一控制周期方向盘转角预测值，将转角预测值代入虚拟基准阻尼力矩模型得到前馈阻尼力矩。

5.根据权利要求4所述的一种模拟驾驶场景伺服电机阻尼力反馈控制方法，其特征在于，步骤s7中，自适应模糊pid控制器以目标阻尼力矩与电机实际输出力矩的偏差e、偏差变化率ec作为模糊输入，通过模糊规则在线调整kp、ki、kd；偏差大时增大比例参数提升响应速度；偏差变化剧烈时增大微分参数抑制震荡；稳态工况增大积分参数消除力矩静差。

6.根据权利要求1所述的模拟驾驶场景伺服电机阻尼力反馈控制方法，其特征在于，控制器采样周期为0.5-2ms。