制動系統(tǒng)支持高階駕駛自動化功能系統(tǒng)設(shè)計的幾點討論

王志忠

摘 要：高階駕駛自動化功能，對底盤制動系統(tǒng)提出了較高的系統(tǒng)要求;常規(guī)的ABS/ESP很難滿足高階駕駛自動化的冗余安全需求。文章在分析底盤制動系統(tǒng)各電子控制單元的原理及局限性基礎(chǔ)上，對比設(shè)計多種方案的優(yōu)劣性，深入討論了不同等級駕駛自動化系統(tǒng)對底盤制動系統(tǒng)的需求，并進行了總結(jié)，為不同類型的高階駕駛自動化的底盤制動選型提供了參考。關(guān)鍵詞：汽車工程;駕駛自動化;底盤制動中圖分類號：U463.5 ?文獻標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）11-29-04

Abstract：?The highly autonomous driving （HAD）?function puts forward higher system requirements for the chassis braking system; conventional ABS/ESC is difficult to meet the redundant safety requirements of HAD System. Based on the analysis of the principle and the limitation of each electronic control unit of the chassis brake system， this research paper compares the advantages and disadvantages of Every schemes， at last recommend some reference scheme for the selection of chassis brake of different types of HAD System.Keywords：?Automotive engineering; HAD; Chassis brakeCLC NO.： U463.5??Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）11-29-04

1?前言

駕駛自動化根據(jù)SAEJ 3016規(guī)定，將駕駛自動化劃分為了5級[1]不同等級的駕駛自動化功能對整個系統(tǒng)的冗余安全需求程度不同，然而高級別駕駛自動化系統(tǒng)更多的研究集中于自動駕駛系統(tǒng)的感知，規(guī)劃，決策，控制層[2-5]，這些領(lǐng)域都是自動駕駛的大腦，然而執(zhí)行機構(gòu)的穩(wěn)定，可靠性以及成本直接影響到了自動駕駛系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用。國外研究文獻[6，7]在分析制動系統(tǒng)失效的路徑基礎(chǔ)上，設(shè)計實現(xiàn)制動系統(tǒng)的冗余備份的方案。

文章在深入解讀SAEJ3016基礎(chǔ)上，結(jié)合駕駛自動化系統(tǒng)的職責(zé)需求，分析了不同等級駕駛自動化系統(tǒng)對底盤制動系統(tǒng)的要求，并深入討論了不同類型底盤冗余系統(tǒng)的優(yōu)劣性;

文章研究內(nèi)容如下：

（1）分析不同底盤制動系統(tǒng)的工作原理以及優(yōu)劣性;

（2）根據(jù)駕駛自動化等級分類，系統(tǒng)化分析不同等級駕駛自動化系統(tǒng)對制動系統(tǒng)的初步系統(tǒng)需求;

（3）進一步的結(jié)合使用場景以及駕駛自動化等級總結(jié)出制動系統(tǒng)設(shè)計與選型的原則;

（4）結(jié)合制動系統(tǒng)原理為不同等級駕駛自動化系統(tǒng)的底盤制動系統(tǒng)設(shè)計提出了基礎(chǔ)設(shè)計準(zhǔn)則。

2?制動系統(tǒng)原理

車輛制動系統(tǒng)分為行車制動以及駐車制動系統(tǒng)，常見的行車制動控制單元為ABS/ESP（不同企業(yè)命名有所不同，大陸稱之為ESC，BOSCH稱之為ESP，日系車企稱之為VSC或是VDC）。

隨著電動化以及智能化技術(shù)的發(fā)展，為滿足電動化以及駕駛自動化的需求，車載真空助力器逐漸被電子助力式制動系統(tǒng)代替，以BOSCH為代表的底盤制動廠商推出了第二代電子式助力制動系統(tǒng)I-Booster，國內(nèi)廠商納森以及聯(lián)創(chuàng)相繼推出了對應(yīng)的產(chǎn)品[8，9]。

控制器的高度集成依然成為一種趨勢，以大陸為代表廠商推出了MKC1以及以BOSCH為代表的IPB，都將電子助力式制動系統(tǒng)與ESP相結(jié)合實現(xiàn)單體ECU的控制。

車輛駐車制動也是HAD系統(tǒng)需要考慮的關(guān)鍵因素，駐車制動從機械手剎，逐步過渡到電子手剎EPB（Electric Parking Braking），電子手剎系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動的駐車以及驅(qū)動駛離時的自動釋放，并且電子手剎系統(tǒng)可以通過卡鉗電機的動態(tài)制動實現(xiàn)部分行車制動功能。

2.1 ABS/ESP制動原理

ABS/ESP系統(tǒng)原理簡圖如圖1所示，ABS/ESP控制單元通過連接于主缸的輸油管實現(xiàn)制動液壓油的補給與回饋;ABS/ESP利用自身液壓部分的閥體以及馬達，通過控制器實時獲取的車輛橫擺角信息以及車速輪速信息，實現(xiàn)主動的建壓與壓力卸載，最終通過4路輸出油管將液壓驅(qū)動力傳遞與4個卡鉗實現(xiàn)車輛的制動與穩(wěn)定控制。

ABS/ESP通過主動建壓的方式產(chǎn)生的制動減速度可以達到0.8～0.9g。

2.2?電子助力式制動系統(tǒng)原理

電子助力式制動系統(tǒng)利用電機驅(qū)動的方式，主動建壓，將主缸油壺的液壓油主動推入輪缸，實現(xiàn)制動，其原理簡圖如圖2所示。

電子助力式制動系統(tǒng)，作為真空助力器的一種替代，它本身沒有閥體且無需接收輪速傳感器采集的輪速信息，它只能實現(xiàn)單一的助力功能，無法實現(xiàn)防抱死以及車輛穩(wěn)態(tài)控制功能;在不考慮車輛穩(wěn)定性的前提下，電子助力式制動系統(tǒng)產(chǎn)生的制動減速度可達到1g。

2.3?集成式制動系統(tǒng)原理

集成式制動系統(tǒng)將ABS/ESP以及電子助力式制動系統(tǒng)相結(jié)合形成OneBox的方案，它既可以實現(xiàn)助力器的功能，同時也可以實現(xiàn)防抱死以及車輛穩(wěn)態(tài)控制的功能。

2.4?EPB制動原理

EPB即電子手剎，它根據(jù)獲取的輪速信息，車輛的加速度信息，駕駛者的駛離請求信息，駕駛者的駐車制動請求信息等等，可以實現(xiàn)車輛的穩(wěn)定駐車。

EPB本身帶有動態(tài)制動功能，在ESP液壓制動失效的情況下，EPB中的動態(tài)制動功能可以通過EPB電子控制單元控制左右輪的卡鉗電機逐步夾緊與釋放模擬動態(tài)ABS功能，最終實現(xiàn)車輛剎停且不會出現(xiàn)車輛抱死的情形。

由于卡鉗電機的電氣屬性，EPB動態(tài)制動所產(chǎn)生的制動減速度小于0.2g。

3 行車制動系統(tǒng)優(yōu)劣性分析

章節(jié)二中重點介紹了各行車制動系統(tǒng)的工作原理，文章從成本，制動效能，傳感器依賴性，車輛穩(wěn)態(tài)控制能力，適用場景角度重點剖析各種制動系統(tǒng)的優(yōu)劣性。

ABS/ESP作為目前較為普及的一種產(chǎn)品價格便宜，且可以是達到較大的制動減速度同時可以實現(xiàn)車輛的穩(wěn)態(tài)控制。

現(xiàn)階段電子助力式制動系統(tǒng)無法實現(xiàn)車輛的防抱死以及車輛穩(wěn)態(tài)控制功能，電子助力式制動系統(tǒng)其助力電機可產(chǎn)生較大的驅(qū)動力，以實現(xiàn)1g的制動減速度，由于電子助力式制動系統(tǒng)僅提供助力功能，為此無需輪速以及IMU的信息。

集成式助力控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了ESP與電子助力制動系統(tǒng)的結(jié)合，可以實現(xiàn)較大的制動減速度，同時可以實現(xiàn)車輛的穩(wěn)態(tài)控制，但是成本最高，且采用One BOX的方案無法實現(xiàn)基本的備份操作。

EPB可以實現(xiàn)基本的防抱死功能，由于其僅依靠卡鉗電機實現(xiàn)對左右輪的動態(tài)控制，其產(chǎn)生的制動減速度較小，且無法實現(xiàn)車輛穩(wěn)態(tài)控制，但成本最低。

根據(jù)上述分析，各行車制動系統(tǒng)的對比如表1所示。

4?不同等級駕駛自動化對制動系統(tǒng)設(shè)計要求

4.1?L0～L2駕駛自動化

根據(jù)SAEJ3016定義的職責(zé)需求，L0～L2等級，底盤制動系統(tǒng)無需冗余設(shè)計。

4.2?L3級駕駛自動化

L3級自動駕駛系統(tǒng)需要在有限的接管時間內(nèi)實現(xiàn)車輛的穩(wěn)態(tài)控制，由于L3級自動駕駛系統(tǒng)其ODD定義不同導(dǎo)致對底盤制動系統(tǒng)要求有所相同。

行業(yè)內(nèi)規(guī)定的L3系統(tǒng)默認接管時間一般為10s，底盤制動系統(tǒng)的備份系統(tǒng)至少需工作10s以完成由系統(tǒng)到人類駕駛者接管期間的車輛穩(wěn)定控制。

對于L3級應(yīng)用場景而言，為方便討論，簡要分為高速，中速，低速三種場景，同時進一步的拆分是否存在濕滑路面以影響車輛穩(wěn)定性。

若ODD定義為高速場景（假定30kph以上）且存在濕滑路面，車輛失穩(wěn)將產(chǎn)生嚴重的事故為保證車輛穩(wěn)定性，備份系統(tǒng)需完成車輛穩(wěn)態(tài)控制功能。

若ODD定義為高速場景且不存在濕滑路面，備份系統(tǒng)需完成緊急制動功能以實現(xiàn)單車道安全停車，考慮到車輪抱死帶來側(cè)滑以及甩尾風(fēng)險，備份制動系統(tǒng)需保證具備防抱死能力。

對于中速場景（假定30kph～10kph）而言，例如AVP召喚與還車道路，其速度為中速，車輛失穩(wěn)的可能性較低，但是為保證制動效能，備份系統(tǒng)需具備緊急快速制動能力。

對于低速場景（假定10kph一下）而言，車輛發(fā)生失穩(wěn)的可能性較低，且產(chǎn)生碰撞帶來的損傷較低，為此備份系統(tǒng)具備一定的制動能力即可。

根據(jù)上述分析，對于高速且存在濕滑路面的情形下，底盤制動系統(tǒng)可選則ESP+集成助力控制系統(tǒng)的組合，集成助力控制器系統(tǒng)作為主執(zhí)行單元完成常規(guī)的控制功能，在主控制單元失效的情況下，由備份式的ESP完成車輛的穩(wěn)態(tài)控制。

如第二章節(jié)分析，ESP單元需額外增加獨立的4個輪速傳感器以及IMU以完成車輛穩(wěn)態(tài)控制功能;電氣示意圖如圖3所示。

根據(jù)上述分析，對于高速且無濕滑路面的情形，底盤制動系統(tǒng)可選擇ESP+電子助力式制動系統(tǒng)的組合，ESP系統(tǒng)作為主控制單元，當(dāng)主控制單元失效的情況下由備份式的電子助力式制動系統(tǒng)完成車輛的安全停車。

如第二章節(jié)分析，由于電子助力式制動系統(tǒng)本身不接收輪速傳感器信息，為實現(xiàn)防抱死功能，電子助力式制動系統(tǒng)至少須在后輪增加2個輪速傳感器以實現(xiàn)防抱死功能。

電氣示意圖如圖4所示：

根據(jù)上述分析，對于中速駕駛自動化系統(tǒng)，底盤制動系統(tǒng)可選則ESP+電子助力式制動系統(tǒng)的組合，ESP系統(tǒng)作為主控制單元，當(dāng)主控制單元失效的情況下由備份式的電子助力系統(tǒng)完成車輛的安全停車。

中速情形下，車輪抱死帶來的安全風(fēng)險可控，電子助力式制動系統(tǒng)無需增加額外的硬件，其電氣示意圖如圖5所示。

根據(jù)上述分析，對于低速駕駛自動化系統(tǒng)，由于此時車速較低，可以充分利用EPB的卡鉗電機實現(xiàn)車輛的動態(tài)制動，并不需要較大的制動減速度，為此，底盤制動系統(tǒng)可選擇ESP+電子助力式制動系統(tǒng)的組合或是ESP+EPB的組合，其中ESP控制單元作為主控單元，在主控單元失效的情況下，備份控制單元電子助力式制動系統(tǒng)或是EPB進行接管控制，但是對于EPB而言為實現(xiàn)動態(tài)控制，需接收后輪輪速傳感器信息，以實現(xiàn)防抱死功能，電氣原理如圖6所示。

4.3?L4，L5級駕駛自動化系統(tǒng)

L4，L5級駕駛自動化系統(tǒng)需要完成整個ODD范圍內(nèi)對車輛的控制，為此底盤制動系統(tǒng)中的行車制動與駐車制動均需雙冗余備份，相比L3級系統(tǒng)，增加了駐車雙冗余需求;同時為保證行車安全性，如車輛規(guī)劃行駛速度為中高速為保證安全性，行車制動可采用ESP+集成式助力控制系統(tǒng)的方案，同

低速場景下，為保證安全可采用ESP（with IMU& EPB）+獨立EPB（With IMU）控制的方式，其中獨立EPB即作為行車制動的備份方案，同時也作為駐車制動的備選方案，此種方案成本最低，電氣原理如圖8所示。

低速場景下，為保證安全同樣可采用ESP（with IMU& EPB）+電子助力式制動系統(tǒng)（With IMU&EPB）的方式，其中ESP（With IMU& EPB）為行車制動與駐車制動的主控制單元，電子助力式制動系統(tǒng)（WithIMU&EPB）作為備份控制單元，電子助力式制動系統(tǒng)實現(xiàn)行車制動，集成的EPB軟件，實現(xiàn)駐車制動，電氣原理如圖9所示。

對于低速場景的L4，L5采用ESP（With IMU&EPB）+獨立EPB控制器的組合相比ESP（With IMU&EPB）+電子助力式制動系統(tǒng)（With IMU&EPB）組合其成本更加可控且可以滿足使適用需求，但是如第三章分析所產(chǎn)生的減速度不足，需根據(jù)實際適用場景進行取舍。

5?結(jié)論

不同等級的駕駛自動化功能對底盤制動系統(tǒng)提出了不同的要求，文章結(jié)合SAEJ3016在分析駕駛自動化分級基礎(chǔ)上，對底盤制動系統(tǒng)進行了詳細的分析，詳細討論了多種針對不同等級駕駛自動化等級的底盤制動系統(tǒng)組合關(guān)系，得出如下結(jié)論：

（1）L0～L2級駕駛自動化功能，底盤制動系統(tǒng)無需冗余設(shè)計需求。

（2）L3級駕駛自動化系統(tǒng)，底盤制動系統(tǒng)設(shè)計時需綜合考慮ODD以及運行速度區(qū)間等因素，結(jié)合實際場景考慮系統(tǒng)風(fēng)險，選擇對應(yīng)的制動系統(tǒng)組合方案。

（3）L3級駕駛自動化系統(tǒng)僅需考慮行車制動冗余，駐車制動無需考慮。

（4）L4，L5級駕駛自動化系統(tǒng)，底盤制動系統(tǒng)選型以及設(shè)計時需綜合考慮ODD以及運行速度區(qū)間，結(jié)合實際場景選擇對應(yīng)的底盤制動方案。

（5）L4，L5級駕駛自動化系統(tǒng)，需要考慮行車與駐車雙冗余方案。

（6）文章分析了多種制動系統(tǒng)組合方案的優(yōu)劣性，為駕駛自動化系統(tǒng)設(shè)計提供了參考依據(jù)。

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