羅寧延

智能網(wǎng)聯(lián)背景下汽車底盤線控子系統(tǒng)及其集成的綜述

羅寧延

（西華大學，四川 成都 610039）

自動控制技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代汽車上得到了廣泛應(yīng)用，汽車電子控制技術(shù)的可靠性在不斷提高，汽車線控技術(shù)在汽車關(guān)鍵系統(tǒng)的運用日益得到青睞。文章的寫作是為了深入學習智能汽車線控系統(tǒng)，并為將來基于線控底盤的智能汽車上層控制技術(shù)準備基礎(chǔ)知識。文章介紹了線控技術(shù)的應(yīng)用必要性及其定義，并展開介紹該系統(tǒng)中主要的子系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)，最后將對該領(lǐng)域內(nèi)面臨的主要關(guān)鍵問題做介紹。

線控系統(tǒng)；線控轉(zhuǎn)向；線控制動；線控油門；線控換擋

前言

隨著自動駕駛技術(shù)的興起和發(fā)展，對整車線控系統(tǒng)的要求也不斷提高，我們不僅要求功能實現(xiàn)，同時還對線控系統(tǒng)的系統(tǒng)功能安全性、使用環(huán)境可靠性等性能提出更高的訴求。

線控系統(tǒng)最早起源于飛機技術(shù)領(lǐng)域，又被稱之為電傳操縱技術(shù)[1]。主要是為了實現(xiàn)控制系統(tǒng)的信號化、自動化，通過引入控制器、傳感器模塊以及相應(yīng)電信號傳輸線路將執(zhí)行器、控制器聯(lián)系起來，實現(xiàn)對功能模塊的功能執(zhí)行和反饋以及進一步的功能監(jiān)控。

線控系統(tǒng)地引入對于原本的汽車而言主要有如下優(yōu)點：1）優(yōu)化原有機械機構(gòu)，實現(xiàn)更加靈活的功能系統(tǒng)布置；2）使用電機作為執(zhí)行器的線控系統(tǒng)整體上降低了系統(tǒng)質(zhì)量，從而降低整車質(zhì)量，有利于節(jié)能環(huán)保；3）采用線控系統(tǒng)的汽車更加易于進行二次開發(fā)，實現(xiàn)更多的定制化功能；4）由于具備電信號控制的執(zhí)行機構(gòu)，從而為自動駕駛系統(tǒng)的開發(fā)準備的基礎(chǔ)。

1 底盤線控系統(tǒng)子系統(tǒng)

目前在智能汽車中組成線控系統(tǒng)的主要是四塊子系統(tǒng)，油門（Accelerograph）、轉(zhuǎn)向（Steering）、制動（Breaking）、換擋（Shift）。下面我們對這四個部分進行分別論述。

1.1 線控油門系統(tǒng)（Accelerating-by-wire）基本結(jié)構(gòu)及其原理

線控油門技術(shù)，即電子節(jié)氣門技術(shù)。主要的結(jié)構(gòu)由加速踏板傳感器、控制器、傳遞線路以及節(jié)氣門執(zhí)行器組成。線控油門系統(tǒng)的傳感器主要包括加速踏板傳感器、節(jié)氣門開度傳感器、車速傳感器、氧傳感器等，如圖1所示。

圖1 線控油門系統(tǒng)基本模塊

由于傳感器信號容易受到其他電子設(shè)備的影響，而發(fā)送錯誤信號給控制器。針對這一問題文獻[2]提出一種支持機線控驅(qū)動的控制器單元的雙冗余相互校驗硬件電路架構(gòu)，用于避免信號錯誤，并設(shè)計開發(fā)出能夠?qū)︸{駛意圖進行判斷，實現(xiàn)故障診斷的安全監(jiān)控策略。

1.2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steering-by-wire）基本結(jié)構(gòu)及其原理

線控轉(zhuǎn)向技術(shù)用于替換轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向車輪之間的機械結(jié)構(gòu)。其主要組件由轉(zhuǎn)向盤模塊、轉(zhuǎn)向機模塊、整車傳感器模塊，其中轉(zhuǎn)向盤模塊包括：方向盤、轉(zhuǎn)向盤傳感器、路感電動機；轉(zhuǎn)向機模塊包括：轉(zhuǎn)向機、轉(zhuǎn)向機執(zhí)行器；整車傳感器模塊包括：車速傳感器、加速度傳感器、橫擺角傳感器以及控制器，如圖2所示。

具體的功能實現(xiàn)是通過轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器將駕駛員的轉(zhuǎn)向指令轉(zhuǎn)換為電信號輸入控制器，控制器輸出控制信號給執(zhí)行器，執(zhí)行器控制轉(zhuǎn)向輪動作，完成轉(zhuǎn)向操作。方向盤與轉(zhuǎn)向輪之間通過控制信號連接；傳動比可通過軟件自由設(shè)定；便于和其他系統(tǒng)集成、統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制[3]。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由數(shù)字傳感器、電子控制單元、實時軟件、電子動力轉(zhuǎn)向裝置等組成[4]。

圖2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本組成模塊

值得注意的是，控制器還會收集其他傳感器的信號，識別路面狀況，并將相應(yīng)的信號反饋給方向盤模塊，實現(xiàn)路感反饋。此外，線控油門類似，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電子控制單元也具有類似于糾錯的功能，能夠?qū)︸{駛員操作指令結(jié)合行車狀態(tài)進行分析識別，判斷是否應(yīng)該執(zhí)行操作動作。例如，在高速行駛工況下，駕駛員大角度轉(zhuǎn)向動作將會被識別為誤操作，不會被傳遞到轉(zhuǎn)向執(zhí)行器。

對于具備線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛相比與傳統(tǒng)車輛，除了已經(jīng)提到的優(yōu)點，還具有如下優(yōu)點：

（1）由于使用電子控制器作為中間層，轉(zhuǎn)向動作控制更加靈敏，操作穩(wěn)定性更好；

（2）由于取消轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向盤的直接連接，在路面平順性欠佳的路面行駛時，操作舒適性顯著提高；

當你把克什米爾藍寶石用顯微鏡放大30-50倍，你會看到雪片狀的內(nèi)含物和乳白色的條帶，也正是因為它們，克什米爾藍寶石才會有獨特的“天鵝絨”效應(yīng)。

（3）由于采用電機作為執(zhí)行機構(gòu)，從而替代了原本油液動力傳遞介質(zhì)，從而實現(xiàn)環(huán)保、節(jié)能。

圖3 具有四輪輪轂驅(qū)動的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)底盤結(jié)構(gòu)

關(guān)于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由于輪轂電機技術(shù)的改善，如2018年，舍弗勒公司發(fā)布The Schaefller Mover系統(tǒng)，該技術(shù)已經(jīng)接近成熟，滿足整車需求，轉(zhuǎn)向軸心位于輪輞內(nèi)部，車輪轉(zhuǎn)向包絡(luò)與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向方案基本一致。該方案匹配的輪轂電機可以實現(xiàn) 24kW，500N?m的輪端性能[5]。因此越來越多的研究者開始考慮將轉(zhuǎn)向機構(gòu)集成僅輪轂電機模塊，從而實現(xiàn)更加靈活的轉(zhuǎn)向功能。其基本部件包括輪轂電機車輪、轉(zhuǎn)向盤模塊、控制器、整車傳感器模塊。其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

該技術(shù)的應(yīng)用將在很大程度上讓出底盤空間，使沉重的電池布置在地板下，車輛重心降低，行駛穩(wěn)定性提升；而由于集成輪轂電機的全新輪邊轉(zhuǎn)向取消了轉(zhuǎn)向器，使得多種特殊的轉(zhuǎn)向模式成為可能，包括快速換道、側(cè)方停車、小半徑轉(zhuǎn)彎和原地掉頭。

1.3 線控制動系統(tǒng)（Braking-by-wire）基本結(jié)構(gòu)及其原理

制動系統(tǒng)是保證汽車安全行駛最重要的一項主動安全系統(tǒng)，是通過制動器與車輪的摩擦使行駛中的汽車按照駕駛員的意愿進行強制減速甚至停車，使汽車下坡行駛時保持速度穩(wěn)定，以及在各種道路條件下停駛的汽車保持穩(wěn)定不動的專門裝置[6]。

對于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本組成，如圖4所示，主要由制動踏板、制動踏板行程傳感器、控制器（ECU）、制動執(zhí)行器、車速傳感器以及相應(yīng)的信號傳輸線路組成。其中制動踏板傳感器將駕駛員對制動踏板的操作轉(zhuǎn)換為電信號傳輸給控制器，控制器則將包括制動踏板傳感器信號、車速傳感器信號在內(nèi)的各類信號進行運算，判斷是不是正常的操作信號，避免駕駛員誤操作，如果經(jīng)預(yù)設(shè)程序判斷為正常輸入，則進一步傳輸?shù)綀?zhí)行器進行制動。

圖4 線控制動系統(tǒng)基本組成模塊

應(yīng)用線控制動系統(tǒng)的優(yōu)點如下：（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，省去大量管路系統(tǒng)及部件；（2）制動響應(yīng)時間短，提高了制動性能；（3）系統(tǒng)制造、裝配、測試簡單快捷，采用模塊化結(jié)構(gòu)，維護簡單；（4）采用電線連接，系統(tǒng)耐久性能良好；（5）易于改進，略加變化即可增設(shè)各種電控制功能。

關(guān)于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的相應(yīng)精確性，目前有文獻[7]研究了空心電機直驅(qū)主缸方案：電機直驅(qū)供壓單元、高壓蓄能器供壓單元、電磁閥、制動輪缸、制動踏板，該研究實現(xiàn)了“快速建壓，精確控壓”的性能需求。

另外對于EV，獨立對四個車輪的線控制動系統(tǒng)的控制策略，也是目前的研究熱點，該方向的研究將有利于實現(xiàn)更高的行駛穩(wěn)定性以及控制由于地面摩擦性質(zhì)導致的突發(fā)事故。

1.4 線控換擋系統(tǒng)（Shifting-by-wire）基本結(jié)構(gòu)及其原理

近年來，為了使搭載自動變速器（Automatic Transmis -sion，AT）的車型能實現(xiàn)全自動泊車功能，需要將傳統(tǒng)的通過搬動換擋桿帶動拉索拉動變速器換擋軸來實現(xiàn)P、R、N、D 的換擋方式，改為用電驅(qū)動直接驅(qū)動換擋軸的方式來實現(xiàn)換擋，該電驅(qū)動機構(gòu)被稱為線控換擋執(zhí)行機構(gòu)[8-9]。該技術(shù)的應(yīng)用同時也是高級輔助駕駛技術(shù)應(yīng)用于自動擋汽車的關(guān)鍵技術(shù)支撐，包括自動變速行駛、自動P擋請求、實現(xiàn)手動/運動換擋模式、駕駛員安全帶保護、車門打開安全保護、實現(xiàn)整車防盜功能、多重硬線喚醒、駕駛習慣學習等等功能。

線控換擋系統(tǒng)的基本模塊包括：控制器、電子檔位選擇模塊、發(fā)動機與變速器模塊、換擋執(zhí)行器模塊以及整車信號模塊。電子換擋選擇模塊將檔位信號發(fā)送給控制器，控制器再結(jié)合整車信號判斷是否處于可以操作的狀態(tài)，確認沒有隱患則向換擋執(zhí)行器發(fā)送相應(yīng)的換擋信號，執(zhí)行器則進行換擋操作，同時將換擋切換信息顯示到儀表盤，從而完成原機械換擋操作以及動作反饋；如果存在隱患則將隱患信息發(fā)送到儀表盤，提醒駕駛員采取相應(yīng)的措施。

關(guān)于采取線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的優(yōu)勢，主要有：1）電子換擋選擇器相比原有的換擋器質(zhì)量更輕，體積更小，同時也易于維護；2）采取線控換擋技術(shù)能夠減少換擋安全性，提高功能可靠性。

2 底盤線控系統(tǒng)

前面我們已經(jīng)闡述了線控系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)，我們需要注意到，目前智能汽車線控系統(tǒng)往往是前面提及的幾大子系統(tǒng)的有機整合。由于子系統(tǒng)到整個系統(tǒng)并不是單純的裝配到統(tǒng)一，而是相互融合地形成一套具有高度一致性、高度統(tǒng)一性的復(fù)雜系統(tǒng)。因而這里我們有必要在從整個線控系統(tǒng)層面討論該系統(tǒng)的集成現(xiàn)狀和前沿技術(shù)。

2.1 底盤線控子系統(tǒng)集成

我們已經(jīng)知道了線控子系統(tǒng)的基本構(gòu)成，現(xiàn)在我們把子系統(tǒng)集成為相應(yīng)的模塊，并集成為一個比較完成的車輛線控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的簡要結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 底盤線控系統(tǒng)集成于CAN總線

在集成的線控系統(tǒng)中，所有的相關(guān)傳感器信號被集成到傳感器模塊中，并接入總線；控制器同樣被接入總線中用于接收傳感器模塊和各個線控系統(tǒng)傳來的信號，并發(fā)布對各個線控子系統(tǒng)的控制信號，同時也向人機界面發(fā)布反饋信息，用于與車內(nèi)人員的交互。

2.2 線控系統(tǒng)的前沿研究

對于應(yīng)用于整個線控系統(tǒng)的前沿技術(shù)，我們這里僅僅對比較重大的前沿研究進行闡述。

2.2.1車用42 V電源系統(tǒng)的開發(fā)

目前線控系統(tǒng)的執(zhí)行器主要是有大功率電動機或者大功率伺服電機作為主體。這樣執(zhí)行器的功率消耗原高于原有的執(zhí)行器。例如一個轉(zhuǎn)向電動機功率為550～800W，而電機盤式制動器的功率大約為1000W[10]。對于這樣的功率消耗，目前的12V汽車電源系統(tǒng)很難滿足，因而有必要對現(xiàn)有的電源系統(tǒng)進行必要的升級[11-12]。而采用42V電源系統(tǒng)則能夠較好滿足線控系統(tǒng)的用電要求，有利于適宜電動執(zhí)行器的集成使用。當然，另一方面，車輛電源電壓的升高后也將會帶來相應(yīng)的問題，例如電弧放電、電磁噪聲、絕緣和耐蝕性等一系列技術(shù)和安全問題，這些問題值得我們進一步研究。

2.2.2功能安全標準（ISO 26262）的應(yīng)用

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車系統(tǒng)電子系統(tǒng)在整個系統(tǒng)中的占比不斷加大，在使整個系統(tǒng)更加智能化的同時，也將整個車輛系統(tǒng)的復(fù)雜性提高到空前的高度。而電子系統(tǒng)是目前車輛系統(tǒng)的核心，在可靠性層面，電子系統(tǒng)的可靠性相比于機械系統(tǒng)要低，因而如何設(shè)計出具有高可靠性的電子系統(tǒng)，從而保證核心電子系統(tǒng)的功能安全是亟須我們考慮的[13]。目前，歐美廠商已經(jīng)在廣泛采用功能安全標準ISO 26262進行相關(guān)電子系統(tǒng)的硬件、軟件的開發(fā)[14]。

而對于已經(jīng)具備初步設(shè)計的系統(tǒng)，我們根據(jù)ISO 26262可以引入了相關(guān)的“冗余技術(shù)”以及“故障診斷”技術(shù)提高系統(tǒng)的安全可靠性[15-16]。特別是冗余技術(shù)，即容錯。傳感器冗余、執(zhí)行器冗余等將在很大程度上提高線控系統(tǒng)的運行可靠性[17]。

圖6 具有冗余設(shè)計的線控油門系統(tǒng)

容錯控制技術(shù)方法包括硬件冗余方法和解析冗余方法兩種[4]。硬件冗余是通過對功能進行備份，例如使用雙傳感器的線控油門系統(tǒng)，從而實現(xiàn)功能安全指標的提高，如圖6。冗余設(shè)計也是容錯控制的基礎(chǔ)，繼續(xù)沿用前面的舉例，具有雙傳感器的線控油門系統(tǒng)可以根據(jù)信號的差異，通過控制器診斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障。而解析冗余方法主要是通過對控制器的軟件設(shè)計提高整個系統(tǒng)的功能冗余，從將整個系統(tǒng)的容錯性能進行提升。

3 結(jié)語

線控技術(shù)實現(xiàn)了高精度的電子控制，是實現(xiàn)高級輔助駕駛以及自動駕駛研發(fā)至關(guān)重要的基礎(chǔ)。因而如何使該技術(shù)性能更好是我們需要考慮的，同時如何在改進技術(shù)的同時提高其技術(shù)的可靠性也是非常重要的，特別是結(jié)合相關(guān)功能安全標準、穩(wěn)定的硬軟件開發(fā)規(guī)范進行相應(yīng)的開發(fā)，從而開發(fā)出具有市場競爭力的線控系統(tǒng)，為構(gòu)建穩(wěn)定的上層軟件系統(tǒng)奠定基石。

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Overview of Wire Control Subsystem and Integration of vehicle under the Background of Intelligent Network

Luo Ningyan

( Xihua University, Sichuan Chengdu 610039 )

Automatic control technology has been widely used in modern automobiles, the reliability of automotive electronic control technology is constantly improving, and the application of automotive wire control technology in automotive key systems is increasingly favored. The writing of this article is a preparation to study the wire control system of smart car and set the solid basic foundation for the autonomous system which based on the wire control chassis in the future. This article will introduce the necessities and definitions of the wire control system, and also give the main subsystems and key advances in this field. Finally, the main key problems in this field will be introduced.

Wire Control System; Acceleration-By-Wire; Braking-By-Wire; Shifting-By-Wire; Braking-By-Wire

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.005

U463.672

A

1671-7988(2021)04-14-04

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1671-7988(2021)04-14-04

羅寧延，就讀于西華大學。