chrono车辆仿真_07_转向系统详解

转向系统详解

一、转向系统的角色：控制行驶方向

1.1 转向器的作用

复制代码

驾驶员打方向盘
      │
      ▼
   转向器 (ChSteering)
      │
      ├── 将方向盘转角转换为转向连杆位移
      ├── 通过转向横拉杆推动转向节（进而推转车轮）
      └── 产生阿克曼转向几何（内外轮转角不同）

转向器与悬架的配合：

复制代码

     转向器（方向盘→转向连杆）
          │
          │ m_link（转向连杆刚体）
          │
     ┌────┴────┐
     │         │
  左转向横拉杆  右转向横拉杆
     │         │
     ▼         ▼
  左悬架转向节  右悬架转向节
  (tierod连接)  (tierod连接)
     │         │
     ▼         ▼
  左轮偏转角度  右轮偏转角度

二、ChSteering 基类

2.1 类定义

cpp 复制代码

class CH_VEHICLE_API ChSteering : public ChPart {
  public:
    virtual ~ChSteering();

    /// 获取转向子系统相对于车架参考系的变换
    const ChFrame<>& GetRelTransform() const { return m_rel_xform; }

    /// 获取转向连杆刚体（悬架横拉杆的连接点）
    std::shared_ptr<ChBody> GetSteeringLink() const { return m_link; }

    /// 初始化：安装到车架的指定位置和方向
    virtual void Initialize(std::shared_ptr<ChChassis> chassis,
                            const ChVector3d& location,
                            const ChQuaternion<>& rotation);

    /// 同步：根据驾驶员转向输入 [-1, +1] 更新状态
    ///   steering = -1 → 向右打满
    ///   steering =  0 → 直行
    ///   steering = +1 → 向左打满
    virtual void Synchronize(double time,
                             const DriverInputs& driver_inputs) = 0;

    /// 约束违反日志
    virtual void LogConstraintViolations() {}

  protected:
    ChSteering(const std::string& name);

    ChFrame<> m_rel_xform;            ///< 相对于车架的位置和方向
    std::shared_ptr<ChBody> m_link;   ///< 转向连杆刚体
};

2.2 继承体系

复制代码

                    ChPart
                      │
                  ChSteering (抽象基类)
                  /        |         \
          ChPitmanArm  ChRackPinion  ChRotaryArm
          (循环球式)    (齿轮齿条式)  (旋转臂式)
               │
          ChPitmanArmShafts
          (带弹性转向柱)

2.3 四种转向类型对比

类型	机械结构	适用车型	转向连杆类型
RackPinion	齿轮齿条	轿车、SUV（HMMWV）	棱柱副滑动的齿条
PitmanArm	循环球+转向垂臂	卡车、越野车	垂臂+连杆的刚体
PitmanArmShafts	带弹性转向柱的循环球	高保真卡车	垂臂+连杆+ChShaft弹性柱
RotaryArm	旋转臂	军用/特种车辆	单个旋转臂

三、ChRackPinion --- 齿轮齿条转向

3.1 设计原理

齿轮齿条是乘用车中最常见的转向机构。Chrono 的实现做了简化------不显式建模 pinion 齿轮，而是直接通过 pinion 半径将方向盘转角转换为齿条位移。

复制代码

方向盘转角 θ
      │
      │ displacement = θ × pinion_radius
      ▼
齿条（棱柱副沿 Y 轴滑动）
      │
      ├── 左端 → 左横拉杆 → 左转向节
      └── 右端 → 右横拉杆 → 右转向节

3.2 内部结构

! $\[Pasted image 20260528160125.png\|410$ ]

3.3 关键源码解析

Initialize：

cpp 复制代码

void ChRackPinion::Initialize(std::shared_ptr<ChChassis> chassis,
                               const ChVector3d& location,
                               const ChQuaternion<>& rotation) {
    ChSteering::Initialize(chassis, location, rotation);

    m_parent = chassis;
    m_rel_xform = ChFrame<>(location, rotation);

    auto chassisBody = chassis->GetBody();
    auto sys = chassisBody->GetSystem();

    // 将转向参考系转换到绝对坐标系
    ChFrame<> steering_to_abs(location, rotation);
    steering_to_abs.ConcatenatePreTransformation(chassisBody->GetFrameRefToAbs());

    // 创建齿条刚体（位置在 steering link COM 处）
    ChVector3d link_pos = steering_to_abs.TransformPointLocalToParent(
        ChVector3d(0, GetSteeringLinkCOM(), 0));
    ChQuaternion<> link_rot = steering_to_abs.GetRot().GetNormalized();

    m_link = chrono_types::make_shared<ChBody>();
    m_link->SetName(m_name + "_link");
    m_link->SetPos(link_pos);
    m_link->SetRot(link_rot);
    m_link->SetMass(GetSteeringLinkMass());
    m_link->SetInertiaXX(GetSteeringLinkInertia());
    sys->AddBody(m_link);

    // 棱柱副：齿条只能沿 Y 轴平移（相对于车架）
    m_prismatic = chrono_types::make_shared<ChLinkLockPrismatic>();
    m_prismatic->SetName(m_name + "_prismatic");
    m_prismatic->Initialize(chassisBody, m_link,
        ChFrame<>(link_pos, link_rot * QuatFromAngleX(CH_PI_2)));
    sys->AddLink(m_prismatic);

    // 线性作动器：驱动齿条沿 Y 轴移动
    // offset 必须大于最大齿条位移，避免奇点
    double offset = 2;
    ChVector3d pt1 = link_pos;
    ChVector3d pt2 = link_pos - offset * link_rot.GetAxisY();

    m_actuator = chrono_types::make_shared<ChLinkLockLinActuator>();
    m_actuator->SetName(m_name + "_actuator");
    m_actuator->Initialize(chassisBody, m_link, false,
        ChFrame<>(pt1, link_rot), ChFrame<>(pt2, link_rot));
    m_actuator->SetDistanceOffset(offset);
    sys->AddLink(m_actuator);
}

Synchronize：

cpp 复制代码

void ChRackPinion::Synchronize(double time, const DriverInputs& driver_inputs) {
    // 方向盘转角 → pinion 转角 → 齿条位移
    double angle = driver_inputs.m_steering * GetMaxAngle();
    double displ = angle * GetPinionRadius();  // s = r × θ

    // 设置线性作动器的目标位移
    if (auto fun = std::dynamic_pointer_cast<ChFunctionConst>(
            m_actuator->GetActuatorFunction()))
        fun->SetConstant(displ);
}

物理关系：

复制代码

方向盘转角 θ (由 driver_inputs.m_steering 换算)
  │  θ = steering × GetMaxAngle()
  ▼
Pinion 线位移 s = θ × r_pinion
  │
  ▼
齿条位移 = s (沿 Y 轴)
  │
  ▼
横拉杆 → 转向节 → 车轮偏转

3.4 JSON 配置示例

json 复制代码

{
  "Name": "HMMWV Rack-Pinion Steering",
  "Type": "Steering",
  "Template": "RackPinion",
  "Steering Link": {
    "Mass": 9.072,
    "COM": 0,
    "Inertia": [1, 1, 1],
    "Radius": 0.03,
    "Length": 0.896
  },
  "Pinion": {
    "Radius": 0.1,
    "Maximum Angle (deg)": 50
  }
}

JSON 字段	含义
`Steering Link.Mass`	齿条质量 (kg)
`Steering Link.COM`	齿条质心 Y 向偏移 (m)
`Steering Link.Inertia`	齿条转动惯量 (kg·m²)
`Steering Link.Radius`	可视化半径 (m)
`Steering Link.Length`	齿条长度 (m)
`Pinion.Radius`	pinion 齿轮半径 (m)
`Pinion.Maximum Angle`	最大方向盘转角 (°)

四、ChPitmanArm --- 循环球式转向（基础版）

4.1 设计原理

Pitman Arm（转向垂臂）是卡车/越野车中常见的转向机构。方向盘转动通过转向器（循环球）带动 Pitman 臂摆动，再通过转向连杆推动车轮。

复制代码

方向盘 → 转向器 → Pitman 臂（绕 Z 轴旋转）
                      │
                 万向节 (Universal Joint)
                      │
                 转向连杆 (Steering Link)
                 │         │
            横拉杆左     横拉杆右
               │           │
            左转向节      右转向节

4.2 内部结构

! $\[Pasted image 20260528160521.png$ ]

4.3 关键源码解析

Initialize（创建 3 个刚体 + 3 个约束）：

cpp 复制代码

// ① 转向连杆 (Steering Link)
m_link  → ChBody（连接到横拉杆）
// ② Pitman 臂 (Pitman Arm)
m_arm   → ChBody（旋转推动连杆）
// ③ 约束
m_revolute → ChLinkMotorRotationAngle (Pitman臂↔车架，由电机驱动)
m_universal → ChLinkUniversal (Pitman臂↔转向连杆)
m_revsph   → ChLinkRevoluteSpherical (转向连杆↔车架，带惰性连杆)

Synchronize：

cpp 复制代码

void ChPitmanArm::Synchronize(double time, const DriverInputs& driver_inputs) {
    // 设置旋转电机的目标角度
    auto fun = std::static_pointer_cast<ChFunctionSetpoint>(
        m_revolute->GetAngleFunction());
    fun->SetSetpoint(getMaxAngle() * driver_inputs.m_steering, time);
}

方向盘转角直接作为 Pitman 臂绕 Z 轴旋转的角度输入。

4.4 硬点（Hardpoint）设计

ChPitmanArm 使用 8 个硬点定义完整的转向机构几何：

复制代码

硬点编号       名称                    说明
─────────────────────────────────────────────────
STEERINGLINK   转向连杆 COM            转向连杆质心位置
PITMANARM      Pitman 臂 COM          垂臂质心位置
REV            旋转副位置              Pitman 臂与车架连接点
UNIV           万向节位置              Pitman 臂与转向连杆连接点
REVSPH_R       回转副位置              惰性连杆的车架端
REVSPH_S       球铰位置                惰性连杆的转向连杆端
TIEROD_PA      横拉杆 Pitman 侧        左侧横拉杆连接点
TIEROD_IA      横拉杆惰性臂侧          右侧横拉杆连接点

4.5 JSON 配置示例

json 复制代码

{
  "Name": "HMMWV Pitman Arm Steering",
  "Type": "Steering",
  "Template": "PitmanArm",
  "Steering Link": {
    "Mass": 3.681,
    "COM": [0.129, 0, 0],
    "Moments of Inertia": [0.252, 0.00233, 0.254],
    "Products of Inertia": [0, 0, 0],
    "Radius": 0.03
  },
  "Pitman Arm": {
    "Mass": 1.605,
    "COM": [0.064, 0.249, 0],
    "Moments of Inertia": [0.00638, 0.00756, 0.00150],
    "Radius": 0.02
  },
  "Revolute Joint": {
    "Location": [0, 0.249, 0],
    "Direction": [0, 0, 1],
    "Maximum Angle (deg)": 30
  },
  "Universal Joint": {
    "Location": [0.129, 0.249, 0],
    "Direction Arm": [0, 0, 1],
    "Direction Link": [1, 0, 0]
  },
  "Revolute-Spherical Joint": {
    "Location Chassis": [0, -0.325, 0],
    "Location Link": [0.129, -0.325, 0],
    "Direction": [0, 0, 1]
  },
  "Tierod Locations": {
    "Pitman Side": [0.195, 0.448, 0.035],
    "Idler Side": [0.195, -0.448, 0.035]
  }
}

五、ChPitmanArmShafts --- 带弹性转向柱的循环球式转向

5.1 设计原理

在 ChPitmanArm 的基础上增加了弹性转向柱的建模。方向盘与 Pitman 臂之间的转向柱不再是刚性连接，而是通过一组 ChShaft + 弹簧/齿轮模拟真实转向柱的扭转弹性。

5.2 转向柱内部结构

复制代码

ChShaft 传动链（全部沿 REV_AXIS 方向）：

方向盘侧                        Pitman 臂侧
   │                               │
   ▼                               ▼
m_shaft_C ──▶ m_shaft_C1 ──▶ m_shaft_A1 ──▶ m_shaft_A ──▶ Pitman 臂
(固定到车架)    (电机)       (弹簧或齿轮)   (减速齿轮)    (ChShaftBodyRotation)
                                    │
                    ┌───────────────┼───────────────┐
                    │ 刚性模式       │ 弹性模式       │
                    │ ChShaftsGear  │ ChShafts-     │
                    │ (传动比=1)     │ TorsionSpring │
                    └───────────────┴───────────────┘

5.3 各 ChShaft 的职责

元素	类型	作用
`m_shaft_C`	ChShaft (fixed)	固定端，代表方向盘侧壳体
`m_shaft_C1`	ChShaft	由电机驱动，代表方向盘转角输入
`m_shaft_A1`	ChShaft	与 m_shaft_C1 通过弹簧/刚性连接
`m_shaft_A`	ChShaft	通过减速齿轮连接到 m_shaft_A1
`m_shaft_motor`	ChShaftsMotorPosition	在 m_shaft_C 和 m_shaft_C1 之间施加转角
`m_shaft_gear`	ChShaftsGear	减速齿轮比（getGearRatio > 1）
`m_shaft_arm`	ChShaftBodyRotation	将 m_shaft_A 连接到 Pitman 臂刚体
`m_rigid_connection`	ChShaftsGear	刚性连接（刚性转向柱模式）
`m_spring_connection`	ChShaftsTorsionSpring	弹性连接（弹性转向柱模式）

5.4 关键源码解析

Initialize（4 个 ChShaft + 5 个 ChShaftsCouple）：

cpp 复制代码

// 创建 4 个传动轴（全部绕 REV_AXIS 方向）
m_shaft_C  = make_shared<ChShaft>();  // 固定端
m_shaft_C->SetInertia(inertia);
m_shaft_C->SetFixed(true);  // 固定到车架
sys->AddShaft(m_shaft_C);

m_shaft_C1 = make_shared<ChShaft>();  // 电机输出端
m_shaft_C1->SetInertia(inertia);
sys->AddShaft(m_shaft_C1);

m_shaft_A1 = make_shared<ChShaft>();  // 齿轮输入端
m_shaft_A1->SetInertia(inertia);
sys->AddShaft(m_shaft_A1);

m_shaft_A = make_shared<ChShaft>();   // 齿轮输出端→Pitman臂
m_shaft_A->SetInertia(inertia);
sys->AddShaft(m_shaft_A);

// 电机：在 m_shaft_C 和 m_shaft_C1 之间施加转角
m_shaft_motor = make_shared<ChShaftsMotorPosition>();
m_shaft_motor->Initialize(m_shaft_C, m_shaft_C1);
// 电机的目标转角在 Synchronize 中设置

// 减速齿轮：m_shaft_A → m_shaft_A1 (减速)
m_shaft_gear = make_shared<ChShaftsGear>();
m_shaft_gear->SetTransmissionRatio(getGearRatio());  // > 1
m_shaft_gear->Initialize(m_shaft_A, m_shaft_A1);
sys->Add(m_shaft_gear);

// 连接 m_shaft_A 到 Pitman 臂刚体
m_shaft_arm = make_shared<ChShaftBodyRotation>();
m_shaft_arm->Initialize(m_shaft_A, m_arm, dirs[REV_AXIS]);
sys->Add(m_shaft_arm);

// 连接 m_shaft_A1 和 m_shaft_C1：刚性或弹性
if (m_rigid) {
    m_rigid_connection = make_shared<ChShaftsGear>();
    m_rigid_connection->SetTransmissionRatio(1.0);
    m_rigid_connection->Initialize(m_shaft_A1, m_shaft_C1);
    sys->Add(m_rigid_connection);
} else {
    m_spring_connection = make_shared<ChShaftsTorsionSpring>();
    m_spring_connection->SetTorsionalStiffness(getSteeringCompliance());
    m_spring_connection->Initialize(m_shaft_C1, m_shaft_A1);
    sys->Add(m_spring_connection);
}

Synchronize：

cpp 复制代码

void ChPitmanArmShafts::Synchronize(double time, const DriverInputs& driver_inputs) {
    auto fun = std::static_pointer_cast<ChFunctionSetpoint>(
        m_shaft_motor->GetPositionFunction());
    fun->SetSetpoint(getMaxAngle() * driver_inputs.m_steering, time);
}

5.5 弹性转向柱的效果

复制代码

刚性模式 (m_rigid = true)：
  方向盘转角 = Pitman 臂转角（立即传递，无延迟）

弹性模式 (m_rigid = false)：
  方向盘转角 → 扭转弹簧 → Pitman 臂转角
  效果：方向盘先转动，弹簧扭转蓄力，Pitman 臂逐渐跟随
  模拟真实车辆的"转向柱扭转弹性"和"路感"

5.6 转向刚性/弹性对比

特性	刚性列 (RigidColumn)	弹性列 (CompliantColumn)
连接方式	ChShaftsGear (ratio=1)	ChShaftsTorsionSpring
传递	转角直接传递	力矩通过弹簧传递
响应	无延迟	有延迟（弹性变形）
适用	实时仿真	高保真/路感研究

六、ChRotaryArm --- 旋转臂转向

6.1 设计原理

最简单的转向形式------一个旋转臂直接推动横拉杆。常用于军用车辆和特种车辆。

复制代码

方向盘 → 旋转臂（绕 Z 轴旋转）
              │
          横拉杆
              │
          转向节 → 车轮偏转

6.2 内部结构

只有一个刚体（既是旋转臂又是转向连杆），通过旋转电机副连接到车架：

cpp 复制代码

// 唯一的刚体：m_link = 旋转臂
m_link = make_shared<ChBody>();
m_link->SetPos(0.5 * (points[ARM_L] + points[ARM_C]));

// 唯一的约束：旋转电机副
m_revolute = make_shared<ChLinkMotorRotationAngle>();
m_revolute->Initialize(chassisBody, m_link, ...);

6.3 硬点设计

只有 2 个硬点：

硬点	说明
`ARM_C`	旋转臂与车架的连接点（旋转副位置）
`ARM_L`	旋转臂与横拉杆的连接点

6.4 Synchronize

cpp 复制代码

void ChRotaryArm::Synchronize(double time, const DriverInputs& driver_inputs) {
    auto fun = std::static_pointer_cast<ChFunctionSetpoint>(
        m_revolute->GetAngleFunction());
    fun->SetSetpoint(getMaxAngle() * driver_inputs.m_steering, time);
}

与 ChPitmanArm 完全相同------设置旋转电机的目标角度。

七、转向器与悬架的连接

7.1 GetSteeringLink()

转向器与悬架的接口是通过 ChSteering::GetSteeringLink() 暴露的转向连杆刚体。

悬架的横拉杆（tierod）在初始化时获取转向连杆的句柄：

复制代码

ChRackPinion::Initialize()
  └── m_link = 齿条刚体 (ChBody)

ChWheeledVehicle::Initialize()
  └── 对每个车轴：
        m_axles[i]->m_suspension->Initialize(..., m_steering->GetSteeringLink(), ...)

悬架通过横拉杆约束（通常是 ChLinkDistance 或 ChLinkRevoluteSpherical）

将转向连杆的运动传递到转向节（spindle），最终实现车轮偏转。

7.2 转向角对车轮的实际影响

复制代码

方向盘输入 → 转向连杆位移 → 横拉杆推动 → 转向节旋转 → 车轮偏转

这个传递路径在悬架侧完成，转向器侧只负责产生转向连杆的位移/旋转。

八、四种转向模型对比

维度	RackPinion	PitmanArm	PitmanArmShafts	RotaryArm
机构类型	齿轮齿条	循环球+垂臂	循环球+弹性柱	旋转臂
连杆运动	棱柱副平移	万向节空间运动	万向节空间运动	旋转副旋转
转向柱模型	无	无	ChShaft 弹性柱	无
刚体数量	1（齿条）	2（垂臂+连杆）	2 + 4 ChShaft	1（旋转臂）
约束数量	2（棱柱副+作动器）	3（电机+万向+回转球铰）	3 + 5 ChShaftCouple	1（电机副）
自由度	1（Y 平移）	1（垂臂旋转）	1（垂臂旋转，弹性延迟）	1（旋转）
质量惯性	齿条质量	垂臂+连杆质量	垂臂+连杆+4轴	臂质量
JSON 复杂度	简单（7 参数）	复杂（25+ 参数）	复杂 + 弹性参数	简单（5 参数）
适用场景	乘用车实时仿真	卡车/越野车	高保真卡车	特种车辆

九、API 总结

9.1 ChSteering 基类 API

API	说明
`GetRelTransform()`	转向器相对车架的变换矩阵
`GetSteeringLink()`	获取转向连杆刚体（悬架连接点）
`Initialize(chassis, location, rotation)`	在车架指定位置安装转向器
`Synchronize(time, driver_inputs)`	根据驾驶员转向输入更新状态
`LogConstraintViolations()`	输出约束违反情况

9.2 ChRackPinion 特有 API

API	说明
`GetSteeringLinkMass()`	齿条质量
`GetSteeringLinkInertia()`	齿条转动惯量
`GetSteeringLinkCOM()`	齿条质心 Y 偏置
`GetPinionRadius()`	Pinion 齿轮半径
`GetMaxAngle()`	最大方向盘转角

9.3 ChPitmanArm 特有 API

API	说明
`getLocation(PointId)`	返回指定硬点的位置
`getDirection(DirectionId)`	返回指定方向向量
`getSteeringLinkMass()` / `getPitmanArmMass()`	质量
`getMaxAngle()`	最大旋转角度

9.4 ChPitmanArmShafts 特有 API

API	说明
`getGearRatio()`	转向柱减速比 (>1)
`getSteeringCompliance()`	转向柱扭转刚度 (N·m/rad)
`getSteeringColumnInertia()`	转向柱转动惯量
`GetShaftInformation(...)`	调试用------输出所有 ChShaft 的状态

9.5 ChRotaryArm 特有 API

API	说明
`getPitmanArmMass()`	旋转臂质量
`getPitmanArmInertia*()`	旋转臂转动惯量
`getMaxAngle()`	最大旋转角度

十、设计哲学总结

复制代码

Chrono 转向系统的四条核心原则：

1. "硬点驱动几何"
     所有转向机构的几何由硬点 (Hardpoint) 定义，
     派生类通过纯虚函数 getLocation()/getDirection() 提供几何数据。

2. "电机驱动转向"
     所有转向类型都使用 ChLinkMotorRotationAngle 或
     ChLinkLockLinActuator 作为驱动源，将驾驶员输入
     直接转换为约束运动，不涉及液压助力或 EPS 建模。

3. "转向器只负责转向连杆"
     转向器只生成转向连杆（m_link）的位移/旋转，
     横拉杆到车轮的传递路径在悬架侧完成。

4. "弹性可选"
     PitmanArmShafts 提供了可选的弹性转向柱建模，
     通过在方向盘和 Pitman 臂之间插入扭转弹簧实现，
     适用于需要研究转向路感的场景。