自動駕駛汽車下電動助力轉(zhuǎn)向發(fā)展研究

胡偉，林成杰，吳虎強(qiáng)

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

隨著現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能、傳感檢測及車載控制執(zhí)行等核心技術(shù)的突破和完善,自動駕駛汽車也越來越被公眾所關(guān)注與熟知。自動駕駛汽車作為未來汽車的發(fā)展方向，將對道路交通帶來顛覆性的變革。它通過解放司機(jī)來提供更舒適的出行，同時增加道路安全來幫助降低道路事故死亡率，更能提供差異化的服務(wù)滿足客戶個性化的需求。

自動駕駛通過車輛上各類電子電器產(chǎn)品來完全模仿人的駕駛行為控制車輛，如何保證車輛平穩(wěn)運行、加減速和轉(zhuǎn)向、應(yīng)對緊急狀態(tài)并保持自身功能不失效成為重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)[1]的制定旨在提高汽車電子電器產(chǎn)品的功能安全,通過容錯性設(shè)計要求，有效支持自動駕駛車輛的功能安全。按照ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)要求，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如何實現(xiàn)自動駕駛的轉(zhuǎn)向執(zhí)行功能并不失效，成為目前轉(zhuǎn)向行業(yè)面臨的重要課題。

1 電動助力轉(zhuǎn)向基本概況

1.1 自動駕駛的分級及發(fā)展趨勢

自動駕駛按照SAE J3016標(biāo)準(zhǔn)[2]共劃分為5個等級(見表1)，等級0為完全駕駛員控制，等級1與等級2區(qū)別在于是否同時執(zhí)行轉(zhuǎn)向和加減速操作，等級2與等級3區(qū)別在于是否需要實時監(jiān)視，等級3與等級4區(qū)別在于出現(xiàn)緊急情況，是否需要駕駛員介入，等級4與等級5區(qū)別在于是否全工況自動駕駛。目前應(yīng)用比較普遍的主動巡航系統(tǒng)(Adaptive Cruise Control，ACC)、 自動緊急制動系統(tǒng)(Autonomous Emergency Brake，AEB)、車道偏離預(yù)警(Lane Departure Warning，LDW)均屬于等級1的自動駕駛，車道偏離輔助(Lane Keeping Assistance，LKA)屬于等級2的自動駕駛，交通擁堵輔助(Traffic Jam Assist，TJA)屬于等級3的自動駕駛，暫時還沒有等級4、等級5的配置應(yīng)用。

根據(jù)主要汽車制造企業(yè)及互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的計劃或愿景，如表2所示，2020年是自動駕駛汽車實用化的一個關(guān)鍵時間節(jié)點[3]。并且隨著奧迪 A8在2017年首次推出自動駕駛等級3的量產(chǎn)車型[4]，各國的主要車企及產(chǎn)業(yè)在相關(guān)技術(shù)研發(fā)、法規(guī)制定以及市場趨勢引領(lǐng)的競爭將處于白熱化的階段。

表1 自動駕駛等級

表2 自動駕駛愿景

1.2 電動助力轉(zhuǎn)向

電動助力轉(zhuǎn)向(Electric Power Steering，EPS)在車輛上功能之一為駕駛員轉(zhuǎn)向方向盤時提供所需要的轉(zhuǎn)向助力，另一個功能是作為執(zhí)行裝置為整車高級功能(如自動泊車、車道偏離輔助等)提供轉(zhuǎn)向執(zhí)行操作。自動駕駛中的等級1到等級5都需要車輛輔助系統(tǒng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向操作，自動駕駛的實現(xiàn)離不開EPS的支持。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是車輛安全的重要組成部分，無論是提供轉(zhuǎn)向助力，還是實現(xiàn)轉(zhuǎn)向執(zhí)行動作時，任何程度的轉(zhuǎn)向失效都會給駕駛員帶來安全風(fēng)險而引起抱怨和處罰。如何保證EPS的穩(wěn)定性和可靠性來減少轉(zhuǎn)向失效，成為實現(xiàn)自動駕駛的關(guān)鍵要素。

1.3 功能安全標(biāo)準(zhǔn)

ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用于汽車行業(yè)中特定的電子電氣設(shè)備和可編程電子器件，標(biāo)準(zhǔn)的制定旨在提高道路車輛電子電器系統(tǒng)的功能安全。ISO 26262定義了汽車安全生命周期和汽車安全完整性等級(Automotive Safety Integration Level，ASIL)兩個關(guān)鍵概念，ASIL等級由嚴(yán)重度(S)、暴露率(E)、可控性(C)這3個指標(biāo)共同決定。表3分別定義3個指標(biāo)等級劃分，ASIL根據(jù)S、E、C指標(biāo)劃為如圖1所示的5個等級。

表3 ASIL構(gòu)成指標(biāo)等級

圖1 ASIL等級定義

EPS的安全等級按上述原則可以確認(rèn)為最高安全等級ASIL-D，其中EPS失效對駕駛員或行人造成傷害的嚴(yán)重度為S3，車輛保持高速直線行駛概率極高的暴露率為E4，EPS失效影響車輛高速直線行駛控制的可控性為C3。開發(fā)滿足ISO 26262功能安全的系統(tǒng)來提升自動駕駛安全性，成為當(dāng)前EPS開發(fā)的趨勢。

2 EPS的功能安全設(shè)計

2.1 EPS功能框圖

EPS系統(tǒng)是復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)，其機(jī)械部分、減速器、助力電機(jī)、傳感器以及控制系統(tǒng)的軟硬件均對 EPS 及其整車轉(zhuǎn)向性能有重要的影響。結(jié)合英飛凌的芯片組[5]解決方案概述EPS功能框圖，EPS功能系統(tǒng)(見圖2)主要由供電系統(tǒng)、扭矩傳感器、CAN總線、MCU主芯片、電機(jī)驅(qū)動、電機(jī)位置傳感器、電機(jī)等構(gòu)成。

圖2 EPS功能框圖

2.2 EPS的容錯等級

按照ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)要求得出EPS的ASIL等級，并確定EPS的安全目標(biāo)來防止轉(zhuǎn)向失效，轉(zhuǎn)向失效最主要的功能故障為轉(zhuǎn)向助力丟失。針對轉(zhuǎn)向助力丟失，目前主要采用故障容錯機(jī)制來減少助力完全丟失故障可能性，保證部分或完全助力來提升EPS容錯性以實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向功能。

結(jié)合EPS的功能定義和自動駕駛的工作需求，對EPS容錯等級、 ASIL等級、自動駕駛等級、目前常見功能、EPS功能設(shè)計等做如表4所示的關(guān)聯(lián)定義。

表4 EPS容錯等級

2.3 EPS容錯設(shè)計及故障模式定義

EPS通過容錯設(shè)計來滿足ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)要求，以支持自動駕駛。大量功能件的冗余設(shè)計必將帶來EPS系統(tǒng)設(shè)計、驗證和成本的大量投入，針對EPS容錯設(shè)計，按照自動駕駛的總體趨勢和ISO 26262合規(guī)性要求，針對不同容錯等級的技術(shù)方案提出如表5所示的設(shè)計規(guī)劃。目前市場上的EPS處于從容錯等級1向容錯等級2或者容錯等級3過渡階段，JTEKT在其管柱式電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中已量產(chǎn)達(dá)到容錯等級2的產(chǎn)品[6]。

表5 容錯等級設(shè)計規(guī)劃

轉(zhuǎn)向助力丟失的故障模式一般可分為助力完全丟失、助力逐步丟失、提供部分助力、助力不受影響等，容錯等級3對扭矩傳感器、電機(jī)位置傳感器、電機(jī)驅(qū)動、電機(jī)等進(jìn)行冗余設(shè)計的功能框圖如圖3所示。容錯等級3的產(chǎn)品應(yīng)對失效時的故障模式分為突然丟失助力、提供部分助力、助力不受影響3類(見表6)。

圖3 容錯等級3功能框圖

功能系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)對故障應(yīng)對供電系統(tǒng)/突然丟失助力扭矩傳感器冗余容錯性設(shè)計,無影響CAN總線/軟件冗余,提供部分助力主芯片/突然丟失助力電機(jī)驅(qū)動冗余容錯性設(shè)計,提供部分助力電機(jī)冗余容錯性設(shè)計,提供部分助力電機(jī)位置傳感器冗余容錯性設(shè)計,無影響

因供電系統(tǒng)、主芯片無冗余設(shè)計，發(fā)生故障時EPS會直接失去助力，CAN總線信號丟失或故障時，可通過軟件冗余，系統(tǒng)提供部分助力。電機(jī)冗余目前主要采用雙繞組設(shè)計來實現(xiàn)，并與電機(jī)驅(qū)動相對應(yīng)，出現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動或電機(jī)故障時，系統(tǒng)仍可提供一半助力，扭矩傳感器和電機(jī)位置傳感器因采用冗余設(shè)計，對助力無影響。

3 結(jié)論

(1)文中提出電動助力轉(zhuǎn)向功能安全開發(fā)構(gòu)想來滿足ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)和支持自動駕駛要求；

(2)通過對電動助力轉(zhuǎn)向的容錯等級定義，提出不同容錯等級的功能設(shè)計規(guī)劃及故障應(yīng)對措施；

(3)后續(xù)會結(jié)合自動駕駛發(fā)展趨勢，研究具體的電動助力轉(zhuǎn)向設(shè)計方案和應(yīng)用。