基于ESC的某無(wú)人駕駛小型客車(chē)線控制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

尤永瀚，張 麗，馬萬(wàn)成，張晶鑫

(北汽福田汽車(chē)股份有限公司，北京 102200)

隨著汽車(chē)電子技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，線控制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。線控制動(dòng)系統(tǒng)由于集成度高、易于布置，在能夠滿足ESC功能的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn) ACC、AEB等功能，從而滿足智能駕駛功能開(kāi)發(fā)的需要[1-5]。

汽車(chē)ESC通過(guò)控制輪胎縱向力和橫向力的大小和方向，保證汽車(chē)在制動(dòng)、驅(qū)動(dòng)、急轉(zhuǎn)向甚至其他極限工況下穩(wěn)定行駛，增強(qiáng)汽車(chē)的安全性。汽車(chē)ESC通過(guò)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)車(chē)輪輪缸壓力的精確控制，為汽車(chē)線控制動(dòng)提供了一定基礎(chǔ)[6-8]。

本文介紹的基于ESC的線控制動(dòng)系統(tǒng)是目前實(shí)現(xiàn)汽車(chē)制動(dòng)智能控制最經(jīng)濟(jì)成熟的方法之一，已在公司生產(chǎn)的為2022年冬奧會(huì)服務(wù)的4 m段無(wú)人駕駛小型客車(chē)中推廣應(yīng)用。

1 線控制動(dòng)系統(tǒng)選型及架構(gòu)

1.1 線控制動(dòng)系統(tǒng)選型

該無(wú)人駕駛小型客車(chē)需在特定運(yùn)行區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)L4級(jí)無(wú)人駕駛功能，如可自主規(guī)劃路徑和選擇?？奎c(diǎn)等，要求其線控制動(dòng)響應(yīng)延時(shí)≤0.5 s。

由于該車(chē)ESC是基于傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)，具有成本低、延時(shí)短、失效冗余完備、四輪制動(dòng)實(shí)時(shí)獨(dú)立控制等優(yōu)點(diǎn)，可用于精確執(zhí)行自動(dòng)駕駛控制器發(fā)出的制動(dòng)指令，實(shí)現(xiàn)整車(chē)減速度或制動(dòng)壓力的主動(dòng)控制[7-9]。因此，該無(wú)人駕駛小型客車(chē)采用基于ESC的線控制動(dòng)系統(tǒng)。

1.2 線控制動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)

該車(chē)基于ESC的線控制動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，包括儲(chǔ)油杯1、電子液壓控制單元(HCU)2、壓力傳感器3、壓力采集板卡4、組合傳感器5、制動(dòng)卡鉗6、制動(dòng)盤(pán)7、制動(dòng)硬管8、制動(dòng)軟管9、耐油膠管10、線束11、CAN信號(hào)12等。其中電子液壓控制單元(HCU)2中包含了電機(jī)、控制器、電磁閥。其主要功能如下：

圖1 無(wú)人駕駛小型客車(chē)線控制動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)

1) 響應(yīng)車(chē)輛頂層控制器(即整車(chē)VCU)發(fā)送的目標(biāo)減速度要求：減速度范圍0～6.0 m/s2，減速度響應(yīng)時(shí)間≤0.5 s，減速度建壓時(shí)間≤0.6 s。其中響應(yīng)時(shí)間是指整車(chē)VCU發(fā)出制動(dòng)請(qǐng)求至車(chē)輛速度開(kāi)始斷崖式減小的時(shí)間；建壓時(shí)間是指整車(chē)VCU發(fā)出制動(dòng)請(qǐng)求至車(chē)輛達(dá)到目標(biāo)減速度的時(shí)間。

2) 在正常水泥路面或?yàn)r青路面，要求線控制動(dòng)精度為max(0.2 m/s2,10%)，即在0.2 m/s2和(10%×目標(biāo)減速度)兩個(gè)值中取最大值。

1.3 線控制動(dòng)系統(tǒng)的控制算法架構(gòu)

1.3.1 制動(dòng)壓力模型

基于ESC線控制動(dòng)系統(tǒng)的控制算法的基礎(chǔ)是制動(dòng)壓力模型。

1) 制動(dòng)壓力模型設(shè)計(jì)。該制動(dòng)壓力模型設(shè)計(jì)如下：首先基于HCU特性搭建其HCU中的電機(jī)及各種控制器的硬件模型，然后將根據(jù)該無(wú)人駕駛小型客車(chē)的整車(chē)參數(shù)計(jì)算出的不同目標(biāo)減速度與所需制動(dòng)壓力的關(guān)系曲線導(dǎo)入到上述制動(dòng)壓力硬件模型中，最后通過(guò)該模型中的電機(jī)、控制器的開(kāi)度配合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不同目標(biāo)減速度所需的制動(dòng)壓力。

2) 制動(dòng)壓力模型控制。當(dāng)HCU收到制動(dòng)信號(hào)時(shí)，所設(shè)計(jì)的制動(dòng)壓力模型進(jìn)行前饋控制，并根據(jù)輪缸壓力信號(hào)進(jìn)行反饋控制，HCU選擇合適的控制指令，產(chǎn)生目標(biāo)壓力對(duì)車(chē)輛進(jìn)行制動(dòng)，使車(chē)輛達(dá)到目標(biāo)減速度，同時(shí)保證制動(dòng)減速度的一致性、穩(wěn)定性和平順性。

1.3.2 控制算法架構(gòu)

基于ESC線控制動(dòng)系統(tǒng)的控制算法主要分為主動(dòng)制動(dòng)控制(相關(guān)狀態(tài)量計(jì)算和進(jìn)入退出條件判斷)模塊、上層控制器(目標(biāo)減速度控制器)模塊和下層控制器(主動(dòng)制動(dòng)壓力控制器)模塊，其架構(gòu)如圖2所示。其中，上層目標(biāo)減速度控制器、下層主動(dòng)制動(dòng)壓力控制器的控制邏輯如圖3所示。

圖2 控制算法架構(gòu)

圖3 基于ESC的線控制動(dòng)控制邏輯

上層的目標(biāo)減速度控制器的作用是將目標(biāo)減速度轉(zhuǎn)化為目標(biāo)壓力；下層的主動(dòng)制動(dòng)壓力控制器的作用是解算合適的電機(jī)和電磁閥指令，來(lái)實(shí)現(xiàn)上層控制器請(qǐng)求的目標(biāo)壓力。

上層的目標(biāo)減速度控制器的控制邏輯：根據(jù)車(chē)輛縱向動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算實(shí)現(xiàn)目標(biāo)減速度所需的基準(zhǔn)目標(biāo)壓力，作為控制過(guò)程中的前饋環(huán)節(jié)；根據(jù)目標(biāo)減速度和實(shí)際減速度的偏差，對(duì)目標(biāo)制動(dòng)壓力進(jìn)行修正，得到修正制動(dòng)壓力，作為控制過(guò)程中的反饋環(huán)節(jié)；最后，根據(jù)基準(zhǔn)制動(dòng)壓力和修正制動(dòng)壓力，得到綜合目標(biāo)壓力。

下層的主動(dòng)制動(dòng)壓力控制器的控制邏輯：首先，根據(jù)正向壓力模型，計(jì)算各個(gè)電磁閥的基礎(chǔ)開(kāi)度和電機(jī)的基礎(chǔ)開(kāi)度；然后，根據(jù)壓力偏差反饋，計(jì)算各個(gè)電磁閥的修正開(kāi)度和電機(jī)的修正開(kāi)度；最后，將基礎(chǔ)開(kāi)度與修正開(kāi)度疊加，得到電磁閥與電機(jī)的綜合開(kāi)度。

2 線控制動(dòng)系統(tǒng)驗(yàn)證及結(jié)果分析

將上述線控制動(dòng)系統(tǒng)零部件進(jìn)行整車(chē)裝配，針對(duì)上述理論設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，以完成整車(chē)線控制動(dòng)系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)。

針對(duì)前述無(wú)人駕駛小型客車(chē)，在平坦的高附著鋪裝路面，開(kāi)展線控制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)驗(yàn)證，環(huán)境溫度在30 ℃左右。

本次驗(yàn)證測(cè)試項(xiàng)目為減速度階梯變化。減速度階梯變化測(cè)試反映了典型的增壓-保壓-減壓過(guò)程，模擬了車(chē)輛典型的制動(dòng)減速工況。制動(dòng)時(shí)初始速度為15 km/h左右，目標(biāo)減速度為1.0～6.0 m/s2。每種目標(biāo)減速度下，分別記錄減速度響應(yīng)時(shí)間、減速度建壓時(shí)間、線控制動(dòng)精度，驗(yàn)證試驗(yàn)的技術(shù)要求和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 技術(shù)要求/試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)1.2中的主要功能以及表1中技術(shù)要求和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明，在不同目標(biāo)減速度下，該系統(tǒng)都能及時(shí)準(zhǔn)確地跟隨目標(biāo)減速度，兩項(xiàng)時(shí)間指標(biāo)也滿足技術(shù)要求，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了某4 m無(wú)人駕駛小型客車(chē)線控制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，主要介紹了基于ESC的線控制動(dòng)系統(tǒng)的架構(gòu)、主要功能、技術(shù)指標(biāo)和控制算法架構(gòu)等，并進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明：基于ESC的線控制動(dòng)系統(tǒng)完全滿足制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間≤0.5 s的要求和各減速度梯度下建壓時(shí)間的要求。