線控底盤多系統(tǒng)協(xié)同與控制策略應(yīng)用研究

李蘭友　臧豫徽　楊愛喜 呂琳　張洪利

摘 要：線控底盤技術(shù)是智能駕駛領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，也是推進(jìn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車快速發(fā)展的基礎(chǔ)平臺。線控底盤系統(tǒng)主要包括線控轉(zhuǎn)向、線控制動、分布式驅(qū)動等系統(tǒng)，而如何解決多系統(tǒng)間存在的協(xié)同性不足、控制精度不高、存在沖突和干擾等問題是當(dāng)前的一個研究熱點(diǎn)。本文給出了線控底盤多系統(tǒng)協(xié)同與控制策略的最新研究方向，并對相應(yīng)的解決方案展開分析。

關(guān)鍵詞：線控底盤 多系統(tǒng)協(xié)同 控制策略 智能網(wǎng)聯(lián)汽車

Research on multi-system collaboration and control strategy application of the chassis by wire

Li Lanyou Zang Yuhui Yang Aixi Lv Lin Zhang Hongli

Abstract：Chassis by wire technology is the key technology in the field of intelligent driving， and it is also the fundamental platform to promote the rapid development of intelligent connected vehicles.The chassis system by wire mainly includes steering by wire， braking by wire， distributed drive and other systems. How to solve the problems of insufficient collaboration， low control precision， conflict and interference among multiple systems is currently a research hotspot.In this paper， the latest research direction of multi-system collaboration and control strategy of the chassis by wire is given， and the targeted solutions are analyzed.

Key words：chassis by wire，multi-system collaboration，control strategy，intelligent connected vehicle

1 引言

當(dāng)前，汽車產(chǎn)業(yè)正發(fā)生著翻天覆地的變化，在“大數(shù)據(jù)、大計(jì)算、大決策”的科技革命推動下，汽車正從傳統(tǒng)汽車到機(jī)械電子汽車以及向軟件定義汽車方向進(jìn)化[1]。智能汽車就像當(dāng)年的智能手機(jī)一樣，正在經(jīng)歷著產(chǎn)業(yè)革命的陣痛期，汽車產(chǎn)業(yè)能夠重現(xiàn)當(dāng)年諾基亞傳統(tǒng)手機(jī)一夜之間被以蘋果為代表的智能手機(jī)所打敗的變革情境嗎？這也許需要時間來證明，但是未來可以思考和展望。

2021年3月國務(wù)院辦公廳發(fā)布《國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》明確指出要加快研發(fā)智能（網(wǎng)聯(lián)）汽車基礎(chǔ)技術(shù)平臺及軟硬件系統(tǒng)、智能線控底盤和智能終端等關(guān)鍵部件。而線控底盤作為新能源汽車和智能汽車兩條賽道的交匯點(diǎn)，在新能源汽車加速滲透及智能化升級趨勢下正在提速發(fā)展。線控底盤具有響應(yīng)速度快、控制精度高、能夠?qū)崿F(xiàn)更高的能量回收和滿足高級別智能駕駛性能要求等特點(diǎn)，但是也存在多系統(tǒng)間協(xié)同性不足、控制精度不高、存在沖突和干擾等問題，這就需要加大針對線控底盤的多系統(tǒng)協(xié)同與控制策略方面的研究，進(jìn)一步提高整車綜合性能，助力智能網(wǎng)聯(lián)汽車行業(yè)發(fā)展。

2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

線控底盤是車輛底盤的新形態(tài)，通過線控技術(shù)取消座艙與底盤之間的物理連接，進(jìn)行電氣化改造，解決底盤系統(tǒng)架構(gòu)創(chuàng)新、多線控功能耦合控制、功能安全和故障診斷等支撐跨代設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)問題，研發(fā)適用于線控底盤的自動駕駛技術(shù)，新一代線控底盤將成為電氣化、通用化、模塊化、智能化的自動駕駛新平臺。

2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

線控底盤的研究領(lǐng)域可分為分布式驅(qū)動、線控轉(zhuǎn)向、線控制動等幾個方面[2]。在分布式驅(qū)動領(lǐng)域，國外起步較早，具有代表性的是德國舍弗勒公司，采用輪轂電機(jī)方式進(jìn)行驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在線控轉(zhuǎn)向方面，戴姆勒-克萊斯勒、寶馬、本田汽車、福特汽車等國外知名汽車廠都已在其概念車上安裝了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在線控制動方面，電子液壓制動系統(tǒng)為主要研究方向，國外產(chǎn)品占據(jù)著領(lǐng)先地位，如博世公司的iBooster、IPB，采埃孚的IBC、大陸公司的MK C1/C2，特別是博世公司，無論是twobox和onebox產(chǎn)品都占據(jù)著主導(dǎo)地位。在線控底盤一體化集成設(shè)計(jì)方面，最早由通用汽車提出，并在2002年發(fā)布了AUTOnomy概念車，這開啟了一體化底盤的發(fā)展序幕。后來特斯拉也采用了一體化底盤的設(shè)計(jì)，但是沒有實(shí)現(xiàn)上下車體的分離開發(fā)。2021年11月上市的新勢力造車企業(yè)Rivian，基于滑板底盤技術(shù)，開發(fā)并兩量產(chǎn)了三款車型，分別是電動皮卡R1T、電動SUV R1S和電動貨車EDV。

我國分布式驅(qū)動技術(shù)起步較晚，在2010年，首批比亞迪K9系列純電動大巴下線，采用了輪邊電機(jī)驅(qū)動方式。浙江亞太機(jī)電與斯洛文尼亞Elaphe Propulsion公司合資成立了生產(chǎn)輪轂電機(jī)的公司。湖北泰特機(jī)電收購了荷蘭e-Traction公司，成功研制出了我國首輛輪轂電機(jī)直接驅(qū)動的純電動客車。在線控轉(zhuǎn)向方面，2004年同濟(jì)大學(xué)“春暉三號”電動車采用了線控轉(zhuǎn)向技術(shù)。目前國內(nèi)許多大學(xué)包括吉林大學(xué)、清華大學(xué)、長安大學(xué)、北京理工大學(xué)等針對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力學(xué)建模與性能分析、控制策略、容錯、試驗(yàn)等展開了研究。在電子液壓制動方面，國內(nèi)發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，有后來者居上的趨勢。在twobox方面，有亞太股份、拿森、同馭、格魯博、海之博等企業(yè)拿到了大量的主機(jī)項(xiàng)目，onebox方面，亞太股份、蕪湖伯特利、弗迪科技、長城精工等各類企業(yè)均已有onebox產(chǎn)品，部分企業(yè)已經(jīng)開始量產(chǎn)。國內(nèi)線控底盤一體化集成設(shè)計(jì)發(fā)展較慢，主要有PIX Moving及悠跑科技。PIX是全球第一家做自動駕駛滑板底盤的中國企業(yè)，從2017年開始專注于滑板底盤研發(fā)，以滑板式底盤開發(fā)為核心，整個底盤采用全線控技術(shù)，使得行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)高度集成。目前，自主品牌頭部企業(yè)如吉利、長城、比亞迪等也在開展一體式線控底盤平臺的研究。

2.2 發(fā)展趨勢

隨著智能駕駛級別的逐步進(jìn)階，線控轉(zhuǎn)向（SBW）滲透率有望實(shí)現(xiàn)快速提升。當(dāng)前電子助力轉(zhuǎn)向（EPS）已經(jīng)隨法規(guī)約束基本完成滲透，未來一定時期內(nèi)主要是幾種技術(shù)路徑的份額變遷，R-EPS和DP-EPS的份額有望持續(xù)增大，有冗余的電子助力轉(zhuǎn)向滲透率將逐步提升。

線控制動系統(tǒng)已處于大規(guī)模滲透前夜，國產(chǎn)供應(yīng)商或迎來替代機(jī)會。EHB方案或是未來幾年發(fā)展的主流：其中Two-box是目前的主流方案，具有冗余的技術(shù)優(yōu)勢；One-box方案集成度更高，具有成本、能量回收（提升續(xù)航）的優(yōu)勢。隨著智能駕駛向高級別發(fā)展，EHB Two-box解耦方案、EHB One-box+電子冗余方案、有冗余的EMB方案或是未來線控制動發(fā)展的主流方向[3]。

線控底盤系統(tǒng)的高階升級及大規(guī)模應(yīng)用或率先在運(yùn)營場景完成，逐步滲透到非運(yùn)營場景。智能駕駛技術(shù)率先在干線物流、港口、礦山、智能駕駛出租等商業(yè)領(lǐng)域普及已逐漸成為共識，作為高級別智能駕駛必備的線控底盤技術(shù)在特定商用場景的落地有望加速。

3 關(guān)鍵技術(shù)

線控底盤技術(shù)作為智能網(wǎng)聯(lián)汽車的關(guān)鍵核心技術(shù)，決定了汽車行駛的安全性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性等基本性能[4]。為了解決多系統(tǒng)之間的沖突和干擾，提高整車的綜合性能，主要通過車輛多性能目標(biāo)及多系統(tǒng)協(xié)同控制設(shè)計(jì)、車輛載荷參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、面向SOA架構(gòu)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)等三方面展開研究。

3.1 車輛多性能目標(biāo)及多系統(tǒng)協(xié)同控制設(shè)計(jì)

研究搭建ASS和EPS集成的協(xié)同最優(yōu)控制設(shè)計(jì)、構(gòu)建EPS/ASS/ABS系統(tǒng)的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)、以車身穩(wěn)定和節(jié)能為目標(biāo)的扭矩矢量控制設(shè)計(jì)模型。

（1）搭建ASS和EPS集成的協(xié)同最優(yōu)控制：構(gòu)建ASS和EPS的集成設(shè)計(jì)模型，完成EPS控制器和ASS控制器的設(shè)計(jì)，研究利用優(yōu)化算法對搭建ASS/EPS的集成系統(tǒng)的機(jī)械參數(shù)和控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過優(yōu)化后的參數(shù)與優(yōu)化前的參數(shù)代入計(jì)算模型進(jìn)行對比分析。

（2）構(gòu)建EPS/ASS/ABS系統(tǒng)的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)：以EPS、ASS和ABS作為研究對象，建立EPS、ASS和ABS各個系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型并作為子系統(tǒng)優(yōu)化模型，建立EPS/ASS/ABS系統(tǒng)級優(yōu)化模型，采用智能優(yōu)化算法對EPS/ASS/ABS系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同控制優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。構(gòu)建協(xié)同控制策略，協(xié)調(diào)底盤各子系統(tǒng)的耦合，降低系統(tǒng)間的沖突，提高操縱穩(wěn)定性和制動效能。

（3）以車身穩(wěn)定和節(jié)能為目標(biāo)的扭矩矢量控制設(shè)計(jì)：建立二自由度車輛動力學(xué)模型和具有較高精度的非線性輪胎模型，設(shè)計(jì)基于非線性模型預(yù)測控制（NMPC）的上層扭矩矢量控制器，對車身穩(wěn)定和節(jié)能為目標(biāo)的二自由度參考模型進(jìn)行跟蹤，設(shè)計(jì)基于規(guī)則的下層扭矩分配策略。

3.2 車輛載荷參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

研究模型車試驗(yàn)平臺與真實(shí)車輛的參數(shù)匹配策略、準(zhǔn)確實(shí)時獲取路面附著信息參數(shù)策略、汽車質(zhì)量與道路坡度串行估計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等內(nèi)容[5]。

（1）模型車試驗(yàn)平臺與真實(shí)車輛的參數(shù)匹配策略：完成模型車試驗(yàn)平臺的載具、中央處理控制模塊以及車載終端電源轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)，研究基于相似理論探究模型車試驗(yàn)平臺與真實(shí)車輛的動力學(xué)相似問題，構(gòu)建模型車輪胎側(cè)偏剛度參數(shù)辨識模型。

（2）準(zhǔn)確實(shí)時獲取路面附著信息參數(shù)策略：完成車輛穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向下的輪胎側(cè)偏剛度估計(jì)和路面狀態(tài)辨識，構(gòu)建二自由度車輛模型獲取前、后軸的側(cè)向力及側(cè)偏角，以及各個輪胎的垂向力，研究基于遞推最小二乘法的歸一化輪胎側(cè)偏剛度估計(jì)方法，并進(jìn)行不同路面狀態(tài)下的估計(jì)結(jié)果分析。

（3）汽車質(zhì)量與道路坡度串行估計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：研究基于縱向動力學(xué)的利用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法進(jìn)行的汽車質(zhì)量估計(jì)，構(gòu)建汽車質(zhì)量與道路坡度串行估計(jì)算法，根據(jù)汽車質(zhì)量與道路坡度變化的快慢進(jìn)行分層估計(jì)，將緩慢變化的汽車質(zhì)量作為第一層的估計(jì)輸出，將快速變化的道路坡度作為第二層的估計(jì)輸出來進(jìn)行汽車質(zhì)量與道路坡度串行估計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.3 面向SOA架構(gòu)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)

未來的汽車主要應(yīng)用是以人工智能為主的軟件技術(shù)，要研究新一代SOA架構(gòu)平臺，完成線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)、構(gòu)建模塊化的Classic AUTOSAR產(chǎn)品等內(nèi)容。

（1）新一代SOA架構(gòu)平臺設(shè)計(jì)：完成面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）的正向開發(fā)流程，實(shí)現(xiàn)松散耦合、可復(fù)用、可發(fā)現(xiàn)、可組合、無狀態(tài)等特征，能夠使得應(yīng)用層功能在不同的車型上得到復(fù)用，縮短開發(fā)與驗(yàn)證周期。構(gòu)建以O(shè)EM定義的平臺功能列表為切入點(diǎn)的SOA正向開發(fā)流程，完成從頂層的功能規(guī)劃、用戶的需求分析、功能實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，再最終落地到供應(yīng)商零部件開發(fā)的五大步驟的正向開發(fā)流程。

（2）線控轉(zhuǎn)向總體架構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)：制定可行的線控轉(zhuǎn)向機(jī)械設(shè)計(jì)方案，選用EPS現(xiàn)有的機(jī)械件縮短加工周期并設(shè)計(jì)制作路感模擬執(zhí)行器和線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行器，進(jìn)行機(jī)械總成的詳細(xì)設(shè)計(jì)，考慮方向盤限位，合理的設(shè)計(jì)路感模擬器的減速機(jī)構(gòu)，進(jìn)行路感模擬器傳感器的選型，并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角傳感器的冗余；進(jìn)行電機(jī)控制器的集成化和模塊化開發(fā)，結(jié)合轉(zhuǎn)向工況需求，擬定分層控制策略，包括有駕駛員手感，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的響應(yīng)特性等；基于已制定的控制策略進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步考慮電機(jī)的控制，如跟隨性控制、轉(zhuǎn)矩脈動抑制、故障診斷處理和全生命周期的健康監(jiān)測等，如圖1所示。

（3）構(gòu)建模塊化的Classic AUTOSAR產(chǎn)品：構(gòu)建的模塊化Classic AUTOSAR軟件產(chǎn)品能夠?qū)⒄w軟件拆分成若干個可以獨(dú)立開發(fā)的小模塊，每個獨(dú)立模塊之間的連接機(jī)制由工具鏈自動完成。每個獨(dú)立的小模塊中只需要關(guān)注里面的核心算法，其他部分同樣由工具鏈自動完成，這樣可以滿足大型軟件系統(tǒng)分布式開發(fā)的要求。

4 總結(jié)

針對線控底盤多系統(tǒng)之間的沖突和干擾問題，通過建立EPS、ASS和ABS各個系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型并作為子系統(tǒng)優(yōu)化模型，采用智能優(yōu)化算法對EPS/ASS/ABS系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同控制優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠構(gòu)建線控底盤多系統(tǒng)協(xié)同與控制策略，并有效解決多系統(tǒng)之間存在的問題。

2022年度浙江省教育廳高校國內(nèi)訪問工程師校企合作項(xiàng)目“線控底盤智能優(yōu)化算法多系統(tǒng)協(xié)同與控制策略研究”（FG2022072）；杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院高層次人才科研啟動項(xiàng)目（HZYGCC202109，HZYGCC202230）；首批浙江省職業(yè)院校技能大師工作室“楊愛喜技能大師工作室”成果；杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院“未來汽車交互設(shè)計(jì)中心”建設(shè)成果。

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