林大杰

摘 要：隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車的電氣化技術(shù)的不斷發(fā)展，其底盤的電氣控制水平也在不斷地提升。作為智能網(wǎng)聯(lián)汽車的的核心技術(shù)之一，底盤線控制技術(shù)的應(yīng)用將直接關(guān)系到車輛的安全性、運(yùn)行穩(wěn)定性等，并且其也是促進(jìn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展的關(guān)鍵要素?；诖?，本論文旨在通過對智能網(wǎng)聯(lián)汽車底盤線控容錯控制方法的研究，對當(dāng)前智能網(wǎng)聯(lián)汽車底盤線控系統(tǒng)控制技術(shù)展開分析，最后再提出智能網(wǎng)聯(lián)汽車底盤線控控制方式，以期更好地提升汽車的整體性能。

關(guān)鍵詞：智能網(wǎng)聯(lián)汽車 底盤線控系統(tǒng) 控制技術(shù)

1 引言

底盤控制系統(tǒng)作為汽車行駛的核心部件，其主要作用是對車輛的行駛進(jìn)行有效地控制，并在此過程中提高汽車的操控性、穩(wěn)定性以及安全性。就當(dāng)前技術(shù)發(fā)展而言，在智能網(wǎng)聯(lián)汽車底盤控制系統(tǒng)方面也取得了一定的進(jìn)展。但智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展過程中，在線控系統(tǒng)層面也面臨著一定問題與挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在：（1）現(xiàn)有的線控技術(shù)無法適應(yīng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車對車輛自身性能要求；（2）車輛線控系統(tǒng)的控制器還不夠成熟；（3）車載計(jì)算處理單元（CAN）的通信協(xié)議不夠完善；（4）底盤控制系統(tǒng)本身存在一定問題等。由此對智能網(wǎng)聯(lián)汽車底盤線控系統(tǒng)與控制技術(shù)進(jìn)行研究將具有必要性。

2 底盤線控技術(shù)概述

智能網(wǎng)聯(lián)車輛的終極目標(biāo)是使自動駕駛成為可能。線控底盤是自動駕駛執(zhí)行端的重要部件，該技術(shù)具有復(fù)雜環(huán)境感知、智能決策、協(xié)同控制等特點(diǎn)，使汽車在行駛過程中能夠安全、節(jié)能、高效地進(jìn)行自主行駛。智能網(wǎng)聯(lián)汽車裝配有傳感器、控制器、執(zhí)行器等，期間通過利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)代通訊技術(shù)的方式，也將能夠使得車輛信息能夠?qū)崿F(xiàn)智能交換和共享。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車的技術(shù)主要分為智能化和互聯(lián)兩個方面，為了使汽車智能化、網(wǎng)絡(luò)化，將需要采用VCU（Vehicle Control Unit，VCU）對車輛的各種信息進(jìn)行集成和處理，并將其傳遞給底盤系統(tǒng)。底盤系統(tǒng)是根據(jù)指令精確地完成的，汽車在行駛時需要大量精確的底盤信號來感知車輛的狀況，以確保車輛得以實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行。傳統(tǒng)汽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)都比較復(fù)雜，由此將使其難以得到精確控制。而底盤線控制系統(tǒng)則可以通過電信號對底盤進(jìn)行實(shí)時的控制，并及時向車輛反饋信息。所以，在智能網(wǎng)聯(lián)車輛中，底盤線控制技術(shù)得到了較高頻率地應(yīng)用。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車的底盤線控制技術(shù)是通過電氣信號代替機(jī)械或液壓元件實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行器的控制。一般智能網(wǎng)聯(lián)汽車分為兩種：人工駕駛和和無人駕駛。在人工行駛時，由汽車控制器接收駕駛員的操縱信號和車輛的信息，通過整車控制器對底盤各部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。在無人駕駛狀態(tài)下，由檢測平臺接收來自環(huán)境感知傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算后，由控制器局域網(wǎng)（CAN）傳輸至VCU，由VCU對計(jì)算平臺傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，最后由CAN線傳輸至底盤線控系統(tǒng)，從而完成整個車輛的控制。底盤線控技術(shù)是從人工駕駛到無人駕駛，最后用環(huán)境感知傳感器取代人工操縱的信號，VCU可以對環(huán)境感知傳感器進(jìn)行分析，并有效實(shí)現(xiàn)對底盤線控系統(tǒng)的控制。

3 線控系統(tǒng)地引入對汽車而言的優(yōu)勢

1）優(yōu)化原有機(jī)械機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更加靈活的功能系統(tǒng)布置。汽車線控系統(tǒng)在優(yōu)化原有機(jī)械機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，能夠通過智能算法對電子控制單元進(jìn)行智能匹配，保證了機(jī)械裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)和控制模式的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一。同時，在智能化汽車設(shè)計(jì)中，通過采用電控液壓懸架、電子制動力分配系統(tǒng)（EBD）以及自適應(yīng)巡航等先進(jìn)的功能配置來實(shí)現(xiàn)更加靈活的功能系統(tǒng)布置。例如：線控系統(tǒng)中，車輛在轉(zhuǎn)向時需要有液壓助力裝置的輔助支撐，當(dāng)車輛發(fā)生轉(zhuǎn)向不足時，電子制動力分配系統(tǒng)（EBD）能夠自動降低驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速以減少制動力矩，實(shí)現(xiàn)更加靈活和準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)向控制。同時，該機(jī)構(gòu)還可以對剎車系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和控制，實(shí)現(xiàn)更高程度地剎車輔助和自適應(yīng)巡航功能以及其他高級功能。在此基礎(chǔ)上，線控技術(shù)還可以通過智能算法對車輛的電子制動力分配（EBD）功能以及自適應(yīng)巡航控制等功能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置。

2）使用電機(jī)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。通常，車輛線控系統(tǒng)的控制方式包括有轉(zhuǎn)向和制動控制等，其中，車輛轉(zhuǎn)向控制中主要是通過對電機(jī)速度指令進(jìn)行轉(zhuǎn)換與執(zhí)行來實(shí)現(xiàn)的。以當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例，在該系統(tǒng)中，主要由驅(qū)動電機(jī)和液壓助力助力泵組成。因此，在傳統(tǒng)電子控制單元不能直接與汽車線控設(shè)備連接的情況下，傳統(tǒng)電機(jī)和液壓助力裝置通過一種特殊機(jī)構(gòu)連接在一起。此外，在進(jìn)行轉(zhuǎn)向和制動操作時，由于其結(jié)構(gòu)形式比較簡單，所以能夠最大限度地保證電機(jī)工作時不會對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響。

3）采用線控系統(tǒng)的汽車更加易于進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)更多的定制化功能。目前，在汽車產(chǎn)品中，由于電子控制單元相對較少，導(dǎo)致其應(yīng)用的空間有限。如果對車輛線控技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，那么就能夠有效地將線控技術(shù)應(yīng)用于不同車型中。例如：在某款SUV車型中，如果采用電控液壓懸架系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的混合設(shè)計(jì)，那么所具有的最大制動能力就無法達(dá)到最小制動能力要求；如果采用電控液壓懸架和轉(zhuǎn)向組合進(jìn)行搭配的話，那么所具有的最大制動能力就會達(dá)到較小制動能力要求。在此基礎(chǔ)上，汽車線控裝置對電子控制單元進(jìn)行了優(yōu)化匹配，因此所具備的最小制動能力將得到極大地提高。同時由于電控液壓懸架、電子制動防抱死系統(tǒng)（EBD）以及自適應(yīng)巡航等高級功能設(shè)計(jì)的需要，也會使得汽車線控技術(shù)得到了進(jìn)一步地優(yōu)化和完善。

4）由于具備電信號控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而為自動駕駛系統(tǒng)的開發(fā)準(zhǔn)備的基礎(chǔ)。汽車線控系統(tǒng)的引入不僅可以對車輛進(jìn)行更多高級功能的設(shè)計(jì)，而且還能夠?qū)囕v本身的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，使自動駕駛系統(tǒng)在一定程度上得到進(jìn)一步發(fā)展。例如：在自動駕駛領(lǐng)域的研究中，通過采用汽車線控技術(shù)來實(shí)現(xiàn)無人駕駛功能，能夠使車輛內(nèi)部結(jié)構(gòu)及機(jī)械機(jī)構(gòu)得到優(yōu)化和完善，同時還可以在很大程度上減少人為操作，從而在某種程度上提升安全性。

4 底盤線控子系統(tǒng)

4.1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

智能網(wǎng)聯(lián)車輛的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種通過電子信號進(jìn)行信息傳輸?shù)碾娮涌刂葡到y(tǒng)。基于EPS的開發(fā)，逐步完善。把方向盤與轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械聯(lián)接改為控制裝置對伺服電機(jī)進(jìn)行控制，以此來帶動轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在汽車自動避障、自動泊車、車道保持等方面，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠?qū)ζ嚨膫?cè)向移動進(jìn)行智能控制。目前線控轉(zhuǎn)向和線控制動也是線控子系統(tǒng)的核心，產(chǎn)業(yè)發(fā)展也比較有成長性。特別在智能駕駛催化下，線控轉(zhuǎn)向技術(shù)成為未來的發(fā)展重心。2022年1月起，中國轉(zhuǎn)向標(biāo)準(zhǔn)GB 17675-2021已正式實(shí)施，新政解除過去政策對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方向盤和車輪物理解耦的限制，為線控轉(zhuǎn)向落地掃除了政策障礙。

在人工行駛模式下，駕駛員旋轉(zhuǎn)方向盤，方向盤扭矩和角度傳感器將檢測到的轉(zhuǎn)向盤扭矩和轉(zhuǎn)向盤角度，從而將扭矩和角度信號轉(zhuǎn)換為電信號，輸入到一個電子控制單元（ECU），ECU通過計(jì)算和輸出適當(dāng)?shù)拿顏韺D(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)方向、扭矩大小和轉(zhuǎn)速的操作，然后對機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，從而使車輛的車輪最終到達(dá)駕駛員所期望的方向。同時，通過位移傳感器將車輛的速度、角度等信息轉(zhuǎn)化為電子信號，再由ECU進(jìn)行路感控制，再將轉(zhuǎn)向盤的扭矩反饋給駕駛員，從而達(dá)到仿真的效果。在無人駕駛狀態(tài)下，駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤的手動操縱，會變成電腦平臺將操縱意向傳送至VCU，計(jì)算平臺會依據(jù)所收到的環(huán)境感知傳感器的訊號、設(shè)定的行車路線等，來判定車輛的行駛方向，并由CAN總線傳送至VCU，由VCU進(jìn)行運(yùn)算，再由CAN總線傳送至線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ECU，從而實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向。

由于其控制系統(tǒng)要針對不同的車輛工況，所需的力計(jì)算較為復(fù)雜，因此一般需要采用容錯控制技術(shù)，其中最常見的是硬件冗余法和分析冗余法。硬件冗余法是通過在設(shè)備中配置兩組單獨(dú)的機(jī)械設(shè)備，對易發(fā)生故障的重要部件進(jìn)行備份，以改善系統(tǒng)的容錯能力。在汽車正常運(yùn)行時，離合器處于脫開的狀態(tài)，車輛通過電子信號進(jìn)行信息傳遞。在電子訊號不正常時，離合器聯(lián)接，通過機(jī)械元件來傳達(dá)汽車的方向訊號。

解析冗余法又稱為控制冗余法，其可以在故障狀態(tài)下，利用算法的冗余，在容錯性條件下實(shí)現(xiàn)基本的轉(zhuǎn)向目標(biāo)。

4.2 線控驅(qū)動系統(tǒng)

線控驅(qū)動系統(tǒng)目前技術(shù)壁壘較低，市場應(yīng)用較成熟。通過線控驅(qū)動，可以在車輛垂直方向上調(diào)整車輛的前進(jìn)方向，從而精確地控制車輛的預(yù)期速度。線控驅(qū)動系統(tǒng)可以把原本的機(jī)械傳輸，比如駕駛員踩油門，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有盘柕臏?zhǔn)確傳輸。如果是自動駕駛，將會有計(jì)算平臺代替油門踏板，用電子信號來控制發(fā)動機(jī)。

線控油門控制系統(tǒng)是利用傳感器對油門的深度和速度進(jìn)行檢測，以達(dá)到對踏板的電子控制，再由控制單元接收并解讀，最后再根據(jù)控制命令對車速進(jìn)行控制。線控驅(qū)動系統(tǒng)按功率源的不同可分為兩類，分別是：燃油車的線控驅(qū)動系統(tǒng)和純電動汽車的線控驅(qū)動系統(tǒng)。在智能網(wǎng)聯(lián)汽車線控油門系統(tǒng)中，驅(qū)動系統(tǒng)的能量是由電池提供，“油門”則是控制電機(jī)的扭矩和速度，與計(jì)算平臺、VCU、MCU共同完成車輛的加減速，而計(jì)算平臺利用周邊的信息進(jìn)行融合，計(jì)算出最優(yōu)的行車路線，并將其發(fā)送到 VCU，VCU將踏板踩下程度等信息傳遞到MCU，MCU對電機(jī)的扭矩和速度進(jìn)行控制，從而達(dá)到加速的目的。

4.3 線控制動系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的汽車剎車系統(tǒng)相同，其作用是根據(jù)道路狀況實(shí)現(xiàn)自動剎車，但在結(jié)構(gòu)上卻不相同，線控制動系統(tǒng)代替了機(jī)械或液壓部件，切實(shí)將輸入接口（剎車踏板）和執(zhí)行裝置（剎車執(zhí)行器）連接起來。

線控制動系統(tǒng)需要高精度的信號以及通信協(xié)議的安全。目前線控制動系統(tǒng)有兩種形式：一是線控機(jī)械結(jié)構(gòu)，另一種是線控電子機(jī)構(gòu)。機(jī)械結(jié)構(gòu)的線控制動系統(tǒng)，其通過連接線控制動部件的運(yùn)動，利用摩擦制動器進(jìn)行制動，包括有制動踏板行程、壓力傳感器和車輪傳感器等。在傳統(tǒng)汽車中，機(jī)械制動器由車架、制動襯套、制動蹄和制動拉桿組成。電子結(jié)構(gòu)的線控制動系統(tǒng)，通過電子元件的開關(guān)與轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)運(yùn)動部件之間的連接與控制，例如有制動液壓閥、電磁閥以及液壓缸等。與傳統(tǒng)機(jī)械式線控制動系統(tǒng)相比，電子結(jié)構(gòu)的線控制動系統(tǒng)可以簡化機(jī)械部件構(gòu)造，減少制造成本及裝配難度。

按智能網(wǎng)聯(lián)車輛未來自動駕駛的趨勢，電子線控制動系統(tǒng)將需要更加深入的發(fā)展，同時在碰撞事故或者電子失靈情況下，制動系統(tǒng)是否還能正常運(yùn)轉(zhuǎn)也是值得關(guān)注的技術(shù)問題。

4.4 線控懸架系統(tǒng)

懸架是汽車底盤系統(tǒng)的重要組成部分，其能夠通過調(diào)節(jié)和控制懸架系統(tǒng)的阻尼系數(shù)、彈簧剛度以及懸架動行程，以提高汽車的行駛平順性及操縱穩(wěn)定性。線控懸架系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用較早，但由于價格高昂，目前主要應(yīng)用于高端車型。傳統(tǒng)汽車上所使用的懸架系統(tǒng)是被動式的，它通過彈性元件來改變車身高度，而車輛在行駛時受到路面和其他外部干擾因素的影響，會使車身產(chǎn)生相應(yīng)的振動和運(yùn)動，從而降低了車輛的舒適性以及操控穩(wěn)定性。傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)對于提升汽車安全性、舒適性以及操作性而言，并不能滿足智能網(wǎng)聯(lián)汽車對主動安全、平順性等方面提出的更高要求。而線控懸架系統(tǒng)主要由傳感器、執(zhí)行器和ECU（電子控制單元）等組成，它能夠根據(jù)傳感器的信息進(jìn)行判斷，然后通過控制執(zhí)行器來改變車輛的阻尼系數(shù)，進(jìn)而改變車體高度，由此更好地提升駕駛?cè)藛T的駕駛體驗(yàn)。

針對車輛的運(yùn)動、裝載等不同工況，采用不同的車輛控制策略，對車輛負(fù)載、速度等進(jìn)行不同的控制，由此實(shí)現(xiàn)對線控懸架系統(tǒng)的有效控制。由于汽車負(fù)載的不同，會對車身的高度產(chǎn)生一定的影響，所以線控懸架系統(tǒng)可以根據(jù)負(fù)載的不同調(diào)整車身的高度，從而有效確保車身的穩(wěn)定性。在停車時，乘客數(shù)量和負(fù)載都會降低，由于重力的作用，車體的高度也會隨之增大。為了減輕線控懸架系統(tǒng)的負(fù)載，將需要自動降低車輛的高度。在汽車的高速運(yùn)動中，線控懸架系統(tǒng)會主動地降低車身高度以提高駕駛的平穩(wěn)性。當(dāng)汽車在崎嶇的道路上行駛時，為了防止地面或懸架磕碰，懸架控制系統(tǒng)會自動提升車身高度。

懸架控制系統(tǒng)也可以根據(jù)各種駕駛條件調(diào)節(jié)底盤的阻尼性能，使整車的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性得到優(yōu)化提升。

5 底盤線控控制技術(shù)

5.1 全矢量單獨(dú)車輪控制

全矢量單獨(dú)車輪控制是一種驅(qū)動系統(tǒng)，其由驅(qū)動電機(jī)和轉(zhuǎn)動軸組成，主要功能是對四個車輪進(jìn)行驅(qū)動和制動。驅(qū)動電機(jī)可通過多路信號來實(shí)現(xiàn)對四個車輪的驅(qū)動控制，同時也能使各車輪以不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩運(yùn)動。轉(zhuǎn)動軸主要用來滿足轉(zhuǎn)向和制動需求，而其上安裝有制動能量回收系統(tǒng)。對于智能網(wǎng)聯(lián)汽車而言，通常使用永磁同步電機(jī)來作為驅(qū)動力及動力傳輸系統(tǒng)，這主要是因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、體積小等優(yōu)點(diǎn)。全矢量單獨(dú)車輪控制在使用中會受到空間限制，因此其應(yīng)用較為少見。這種方法在空間受限的應(yīng)用中能起到良好的效果，同時也能兼顧汽車安全性及舒適性等多方面需求。比如國內(nèi)某汽車廠商在2023年發(fā)布全新品牌，其中就采用國內(nèi)首次量產(chǎn)的四電機(jī)驅(qū)動技術(shù)，從而打破傳統(tǒng)汽車的概念，通過底盤的矢量控制技術(shù)，對汽車四輪實(shí)行動態(tài)精準(zhǔn)控制。

5.2 線控底盤集成控制架構(gòu)

線控系統(tǒng)控制技術(shù)的發(fā)展是隨著電子控制技術(shù)不斷發(fā)展而來的?，F(xiàn)代線控技術(shù)主要有以下幾種類型：1）基于微處理器和數(shù)字信號處理的邏輯電路；2）基于計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)通訊協(xié)議的控制器，其包括有汽車發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)、制動系統(tǒng)以及懸架控制系統(tǒng)等；3）基于DSP數(shù)字信號處理技術(shù)，包括有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)、驅(qū)動控制和底盤控制等。

現(xiàn)代電子控制技術(shù)是指用微電子機(jī)械芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，使電子系統(tǒng)達(dá)到智能化程度的一種電子裝置或器件。現(xiàn)代電控技術(shù)是將電子電路、傳感器設(shè)備及各種控制與驅(qū)動裝置等集成到一個底盤之上，從而實(shí)現(xiàn)車輛的智能化。隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展，智能網(wǎng)聯(lián)汽車在一定程度上能夠更好地實(shí)現(xiàn)車輛安全化、智能化和人性化發(fā)展方向的要求。

當(dāng)前，在智能網(wǎng)聯(lián)車輛的底盤線控系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)間缺少相互間的信息交流，同時存在著多個子系統(tǒng)相互不協(xié)調(diào)、相互影響等問題。而智能網(wǎng)聯(lián)汽車的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)車、路、行人、云平臺的互聯(lián)。

6 結(jié)束語

總而言之，智能網(wǎng)聯(lián)汽車底盤線控技術(shù)是一種對控制策略有較高要求的高精密汽車電子控制技術(shù)。期間通過四個底盤線控子系統(tǒng)的高度協(xié)作，將可以實(shí)現(xiàn)全矢量單獨(dú)車輪控制，并且也能夠使車輛運(yùn)行更加安全、可靠。在未來，隨著消費(fèi)升級、電動智能的持續(xù)變革，汽車底盤各個子系統(tǒng)將持續(xù)向線控化轉(zhuǎn)型，應(yīng)用的頻率將會不斷提升，而集成化也將成為其發(fā)展的必然趨勢，由此強(qiáng)化對智能網(wǎng)聯(lián)汽車底盤線控系統(tǒng)技術(shù)研究將具有必要性。

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