楊 懿

（廈門金龍旅行車有限公司，福建 廈門 360000）

引言

隨著電子技術(shù)在汽車領(lǐng)域的快速發(fā)展，無人駕駛將會(huì)成為汽車設(shè)計(jì)的下一個(gè)重點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)表明，大部分致命的汽車行駛事故是由人為原因誘發(fā)[1]。通過裝載高性能傳感器和先進(jìn)控制系統(tǒng)，輔助駕駛功能有利于駕駛員及時(shí)準(zhǔn)確對(duì)外界環(huán)境做出合理的反應(yīng)，從而保證駕駛員人身及財(cái)產(chǎn)安全。而將車輛進(jìn)一步升級(jí)為無人駕駛系統(tǒng)，能使其在不適合人類工作的環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)。本文介紹的輕型越野車非常適合在人煙稀少的無公路地帶行駛。所以，將越野車與自動(dòng)駕駛功能相結(jié)合，將進(jìn)一步提升 Tomcar的使用范圍和實(shí)用意義。本文將探討這一可能。

1 Tomcar當(dāng)前情況分析

Tomcar采用模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)各大總成采用先分步安裝，再總體拼裝的模式。總體拼裝需要使用Tomcar配備的夾具。Tomcar按其設(shè)計(jì)思路分為以下系統(tǒng)，如圖1。

圖1 整車系統(tǒng)架構(gòu)

其中, 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)有自己的 ECU，其內(nèi)有對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制算法，比如根據(jù)油門開度和汽車車速進(jìn)行噴油量控制的算法，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油門、轉(zhuǎn)速、扭矩的控制。這一算法的參數(shù)主要通過發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)試得出，以C語言的形式寫入發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 中。一般出于對(duì)參數(shù)的保密，發(fā)動(dòng)機(jī)廠商不愿意提供在ECU中的C語言程序。所以發(fā)動(dòng)機(jī)部分無法在改裝中變化。電子設(shè)備系統(tǒng)主要包含車燈等低能耗的電器元件，所以目前 Tomcar的電池設(shè)備容量相對(duì)較小，改裝后應(yīng)該安裝更大功率的電池。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)目前為機(jī)械式無助力轉(zhuǎn)向，改裝后應(yīng)該增加電控轉(zhuǎn)向裝置，可根據(jù)輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛轉(zhuǎn)向角度及速度的控制。目前變速箱為手動(dòng)無助力變速箱，改裝后應(yīng)該增加線性電機(jī)，也叫推桿馬達(dá)，線性電機(jī)可根據(jù)輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛擋位的控制。線性電機(jī)是在改裝中添加的，其原本不一定屬于變速箱機(jī)構(gòu)。所以不一定會(huì)符合現(xiàn)有的總線協(xié)議。制動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛制動(dòng)液壓的電子化控制，同時(shí)兼顧原車底盤的ABS功能，對(duì)車輛制動(dòng)力的控制，防止抱死。這一部分相對(duì)成熟。圖2為其三維設(shè)計(jì)圖紙。

Tomcar中國公司于2008年對(duì)Tomcar的設(shè)計(jì)思路申請(qǐng)了相關(guān)專利，并于2009年獲得相關(guān)專利。在此之后量產(chǎn)了幾個(gè)批次的整車。其中部分整車被中國各大軍事院校采購，比如國防科技大學(xué)，南京理工大學(xué)。在對(duì)Tomcar越野性能充分肯定的同時(shí)，也有部分中國軍事院校提出了提高整車動(dòng)力性能的愿望。所以，2017 起生產(chǎn)的Tomcar將換裝更大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)。由原來的宗申發(fā)動(dòng)機(jī)換成了奇瑞發(fā)動(dòng)機(jī)或者五菱發(fā)動(dòng)機(jī)。最大扭矩提高15%左右, 最大功率提升20% 左右。另外，由軍方提出的修改成四驅(qū)建議，沒有被采用。具體原因如下，前輪載荷占比較低，占整車重量的 33.3%，上陡坡時(shí)車輛重心又會(huì)后移，前輪的負(fù)荷降低較多，以30度（59.3%）的坡度為例，爬坡時(shí)前輪的載荷約為平地前輪載荷的 60%多，僅占整車總重的 18%，附著力較小，不能產(chǎn)生足夠的動(dòng)力。另外，改裝四驅(qū)勢(shì)必增加前輪的簧載質(zhì)量。加裝四驅(qū)會(huì)在略微提高汽車動(dòng)力性能的同時(shí)，嚴(yán)重消弱 Tomcar優(yōu)越的越野性能。汽車動(dòng)力性能也可以通過換裝更大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)來加強(qiáng)。所以，改裝四驅(qū)得不償失。Tomcar被指出的其他缺點(diǎn)主要是由于車齡較大，保養(yǎng)不當(dāng)而產(chǎn)生的，這不會(huì)出現(xiàn)在新款（2017年初之后生產(chǎn)）的Tomcar上。國外已經(jīng)有不少Tomcar的原版被裝備于各國軍隊(duì)。在澳大利亞等國也廣泛的用于民用。在Tomcar存在的這20 年來，Tomcar以其卓越的性能，深受各大大洲客戶的好評(píng)?？偠灾?，在沙漠和草原等無公路地帶，Tomcar的原型車都被認(rèn)為是最好的選擇。另外，國外已經(jīng)有基于Tomcar原版的無人駕駛改裝版本。以色列軍方和美國軍方都已經(jīng)擁有了各自的無人駕駛版本。表1和表2給出了Tomcar的基本參數(shù)。

表1 Tomcar設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 Tomcar選用發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

2 改裝可能性分析

一般汽車上使用的CANbus，大多采用的是線性總線，如圖 3。這種的核心件是唯一的導(dǎo)線，所有的節(jié)點(diǎn)都通過短的連接線和導(dǎo)線相連。這種結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)上擴(kuò)展其他參與信息交換者非常容易。各個(gè)參與者都可以自由的發(fā)送信息，并分配在總線上。即每個(gè)參與者之間都有自由通訊的可能。但這種總線的前提是，它們必須遵守相同的通訊協(xié)議。但由于全地形車的總成數(shù)量有限，有些總成的ECU 并不遵守汽車界普遍使用的通訊協(xié)議。而且，ECU 內(nèi)的程序確是大多數(shù)供應(yīng)商不愿意提供的。另外，如果后期有為了實(shí)現(xiàn)無人駕駛的設(shè)備被安裝在Tomcar上，如果這些設(shè)備也不遵守汽車界普遍使用的通訊協(xié)議，則Tomcar上的各個(gè)總成的ECU 也無法與這些設(shè)備通訊。所以，這一方案不是改裝Tomcar的最佳方案。

圖3 線型總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2]

圖4 星型總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]

圖5 星型總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)思路在Tomcar 上的實(shí)現(xiàn)思路

對(duì)Tomcar的改裝, 有另外的一套方案，即星型-總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖 4。這套方案將汽車分為兩個(gè)層面，一個(gè)為整車層面，一個(gè)為裝備層面。每個(gè)層面都有自己的網(wǎng)絡(luò)集中設(shè)備（Host,所以改裝后的Tomcar有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)集中設(shè)備。這一方案在車聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代被越來越多的采用[3],主要原因是處理器性能和信息傳遞速度的大幅上升克服了網(wǎng)絡(luò)集中設(shè)備的信號(hào)阻塞。具體思路如圖5 所示，Main ECU 2將翻譯來自設(shè)備層面的信號(hào)，然后將控制信號(hào)傳達(dá)到各個(gè)整車總成 ECU 中去。Main ECU 2也同時(shí)接收各個(gè)整車總成ECU的ECU，將它傳達(dá)到設(shè)備層面的Main ECU 1，Main ECU 1再將決定，將信號(hào)給設(shè)備層面的哪個(gè)ECU。Main ECU之間的通訊可以使用CAN總線或者 Flexray。這樣的優(yōu)點(diǎn)主要有，其一不需要更改發(fā)動(dòng)機(jī)ECU和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的ECU，其二可以為未來擴(kuò)充其他裝備提供可能。因此，對(duì)于Tomcar的改裝,本文建議采用星型-總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3 硬件與調(diào)試

改裝分為大致七個(gè)階段。其大致CAD 設(shè)計(jì)階段，采購零件階段，CAE仿真階段，硬件在環(huán)仿真(Hardware-inthe-loop simulation, HiL)，整車試制階段，整車調(diào)試階段，無人駕駛設(shè)備調(diào)試階段。其中每個(gè)階段都有相互交叉的時(shí)間段。比如由于市場上找不到完全理想的零件，就有可能重新修改CAD圖紙。整車調(diào)試階段如果發(fā)現(xiàn)問題，則有可能需要重新CAE計(jì)算。TOMCAR 圖紙使用Siemens公司旗下的Solid Edge完成。擁有當(dāng)今最主流的CAE軟件，比如美國ANSYS 和法國Dassault的接口。既可以方便的使用FLUENT 和CFX 進(jìn)行后期的流體仿真分析，也可以使用mechanical和ABAQUS做后期的有限元分析。使用這樣的圖紙，完全可以方便的基于這套圖紙對(duì)現(xiàn)有硬件進(jìn)行繼續(xù)改進(jìn)。整車層面的中心 ECU在第一階段，可以直接使用 dSPACE, 以方便對(duì)整車進(jìn)行Hardware in the loop的調(diào)試。dSPACE可以直接轉(zhuǎn)化Matlab模型和Simulink模型為ECU所需要的C語言。使工程開發(fā)更加迅速。當(dāng)結(jié)果令人滿意之后，可以直接將 C 語言拷入Tomcar整車層面的中心ECU。這樣的優(yōu)點(diǎn)主要有兩點(diǎn)，一為減輕開發(fā)階段的難度，可借鑒國外技術(shù)，其二為量產(chǎn)階段可以完全國產(chǎn)化。以下為對(duì)Tomcar改裝計(jì)劃的時(shí)間表，如表3。

表3 研發(fā)時(shí)間分析

如前文所提及，對(duì)Tomcar的線控化改裝必然要添加合適的電機(jī)設(shè)備，這就要求調(diào)整Tomcar的硬件設(shè)施。這其中由于購買設(shè)備和雇傭相關(guān)人才的費(fèi)用估算大致如下，見表 4。眾所周知，時(shí)間，成本和質(zhì)量三個(gè)因素互相影響和制約。當(dāng)資金充足的時(shí)候，研發(fā)時(shí)間會(huì)減小，產(chǎn)品質(zhì)量會(huì)上升。表3和表4所計(jì)算出來的數(shù)據(jù)是根據(jù)最低成本算出來的結(jié)果。換句話說，當(dāng)經(jīng)費(fèi)上升，是可以加快研發(fā)速度的。但是研發(fā)成本卻很難低于表格中所給出的價(jià)格。

表4 成本分析

4 無人駕駛設(shè)備擴(kuò)充可能產(chǎn)生的問題

如前文所述，現(xiàn)有Tomcar的電池主要是為車燈等低能耗設(shè)備準(zhǔn)備的。無人駕駛設(shè)備可能包括攝像頭設(shè)備，雷達(dá)設(shè)備等相對(duì)于車燈需要更多能耗的電氣設(shè)備。所以，為 Tomcar改裝時(shí)需要更大容量的電池以及為了裝備更大電池所有的預(yù)留空間。另外，在低速階段，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速略高于怠速工況，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率較低，供能有限，存在不足使雷達(dá)等設(shè)備正常工作的可能。對(duì)此，一套合適的能源管理系統(tǒng)是有必要的，如圖6。這一系統(tǒng)是虛擬的，其也有整車層面的中心ECU 進(jìn)行控制。其思路為，發(fā)動(dòng)機(jī)在高速階段故意使用低速擋行駛，使發(fā)動(dòng)機(jī)在行駛中產(chǎn)生過剩能量，從而為電池進(jìn)行充電。以確保電池電能狀態(tài)盡可能的處于一個(gè)比較高的狀態(tài)。如果改裝后的Tomcar將主要是以低速前進(jìn)，可以考慮進(jìn)一步的提高從發(fā)動(dòng)機(jī)到車輪的傳動(dòng)比，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)在同一車速下有更高的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率。另外，電氣設(shè)備在汽車巡邏時(shí)可能由于電負(fù)載的突然變化而被關(guān)閉[4]。為此，在為Tomcar開發(fā)的能源管理系統(tǒng)需要為不同的電器設(shè)備分配優(yōu)先級(jí)，相對(duì)重要的電器設(shè)備會(huì)得到更高的優(yōu)先級(jí)。這樣，即使在電力不足的條件下，高優(yōu)先級(jí)重要的電器的電力供應(yīng)將被優(yōu)先供應(yīng)。優(yōu)先級(jí)較低的電器設(shè)備將會(huì)先被關(guān)閉。

圖6 能源管理系統(tǒng)

5 總結(jié)

本文在系統(tǒng)層面上介紹了Tomcar的各個(gè)組成系統(tǒng)。在考慮到現(xiàn)實(shí)零件購買的條件下，從工業(yè)界的角度，對(duì)其未來進(jìn)行線控化改裝提供了具體的可行思路并合理的估算了其產(chǎn)生的費(fèi)用。研發(fā)時(shí)間大約為 13 個(gè)月，研發(fā)經(jīng)費(fèi)大致需要 581萬元人名幣。這一總需經(jīng)費(fèi)有可能分?jǐn)偟狡渌邪l(fā)經(jīng)費(fèi)中去。另外本文也對(duì)改裝添加攝像頭和雷達(dá)等無人駕駛的電氣設(shè)備之后可能產(chǎn)生的潛在問題進(jìn)行了分析并給出了對(duì)應(yīng)的能源控制系統(tǒng)對(duì)這問題進(jìn)行了合理的解。Tomcar 在按照本文思路進(jìn)行改裝后，不但不會(huì)對(duì)現(xiàn)在的整車越野性能產(chǎn)生不良的影響，而且可以提高整車動(dòng)力性能大致15%至20%。

[1] 陳國華,曾輝.廣東省特大道路交通事故統(tǒng)計(jì)分析及預(yù)防對(duì)策[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2010(10)：106—112.

[2] R. Bosch, Bosch Automotive Electrics and Automotive Electronics：Bus systems, pp. 92-151.Wiesbaden： Springer Fachmedien Wiesbad-en, 2014.

[3] Hagiescu, U. D. Bordoloi, S. Chakraborty, P. Sampath, P. V. V. Ganes-an, and S. Ramesh,“Performance analysis of flexray-based ecu networks,” in Design Automation Conference,2007. DAC’07. 44th ACM/IEEE, pp. 284-289, IEEE, 2007.

[4] R. Jane, G. G. Parker, W. Weaver, R. Matthews, D. Rizzo, and M.Cook,“Optimal powermanagement of vehicle sourced military out-posts,” SAE International Journal of Commercial Vehicles, vol. 10,pp. 132-143, mar 2017.