無(wú)人駕駛載貨汽車(chē)線控底盤(pán)關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：針對(duì)無(wú)人駕駛載貨汽車(chē)領(lǐng)域商用發(fā)展緩慢的問(wèn)題，從線控底盤(pán)方面進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)的分析和研究，重點(diǎn)展開(kāi)線控節(jié)氣門(mén)、線控轉(zhuǎn)向、線控制動(dòng)三個(gè)關(guān)鍵模塊在人工駕駛和無(wú)人駕駛兩種模式下的運(yùn)行機(jī)制分析，對(duì)無(wú)人駕駛線控底盤(pán)技術(shù)的發(fā)展具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：線控節(jié)氣門(mén)；線控轉(zhuǎn)向；線控制動(dòng)

近年來(lái)，AI人工智能的快速發(fā)展引發(fā)了全球范圍內(nèi)的無(wú)人駕駛熱潮。無(wú)人駕駛這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，一方面各種類(lèi)型的企業(yè)不斷涌現(xiàn)，另一方面各級(jí)政府也推出了支持無(wú)人駕駛的相關(guān)政策[1]。

目前國(guó)內(nèi)外無(wú)人駕駛乘用車(chē)的研發(fā)和商用有了一定的規(guī)模和基礎(chǔ)，但是在無(wú)人駕駛載貨汽車(chē)方面發(fā)展較為緩慢，且主要是在商用車(chē)底盤(pán)上進(jìn)行線控改造，改造技術(shù)尚不成熟且改造費(fèi)用較高。針對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)、物流、碼頭、大型基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目及礦業(yè)環(huán)境，在封閉式或半封閉交通環(huán)境下的無(wú)人駕駛以及排隊(duì)通行需求呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的局面，對(duì)載貨汽車(chē)底盤(pán)節(jié)氣門(mén)、轉(zhuǎn)向及制動(dòng)線控關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究和集成，并提出解決方案。

無(wú)人駕駛載貨汽車(chē)線控底盤(pán)整體方案設(shè)計(jì)

目前，L3車(chē)規(guī)級(jí)無(wú)人駕駛載貨汽車(chē)在全球范圍內(nèi)被廣泛探討。為實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛，需配備先進(jìn)的車(chē)載傳感器、控制系統(tǒng)和執(zhí)行裝置等，同時(shí)還需融合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)等[1]，使載貨汽車(chē)能夠在封閉式或半封閉交通環(huán)境下無(wú)人駕駛來(lái)進(jìn)行物料轉(zhuǎn)運(yùn)。載貨汽車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)包含四大模塊：定位與感知層、決策和規(guī)劃層、控制層及執(zhí)行層。執(zhí)行層是指底層的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如節(jié)氣門(mén)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、變速和車(chē)橋做相應(yīng)的操作動(dòng)作，也是無(wú)人駕駛車(chē)輛線控底盤(pán)的層面。

車(chē)輛的線控系統(tǒng)是無(wú)人駕駛技術(shù)最終執(zhí)行端，圖1所示為載貨汽車(chē)線控底盤(pán)關(guān)鍵模塊結(jié)構(gòu)方案，主要包括線控節(jié)氣門(mén)（驅(qū)動(dòng)）、線控轉(zhuǎn)向及線控制動(dòng)三大模塊。根據(jù)整車(chē)運(yùn)行需求，智能駕駛VCU向驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向及制動(dòng)發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。線控系統(tǒng)也是影響車(chē)輛安全的重大要素。

無(wú)人駕駛載貨汽車(chē)線控底盤(pán)關(guān)鍵技術(shù)

1.線控節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)（ABW）

節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)是無(wú)人駕駛車(chē)輛最基本的控制系統(tǒng)之一，在車(chē)載雷達(dá)和各種傳感器的數(shù)據(jù)采集支持下，車(chē)輛能夠在電子控制單元（ECU）的控制下做出速度調(diào)整的決策。

圖2所示為燃油發(fā)動(dòng)機(jī)線控節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)工作原理圖，線控節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)由整車(chē)智能駕駛VCU、CAN、電子節(jié)氣門(mén)踏板、發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、傳遞線路及噴油泵等組成。傳感器主要包括轉(zhuǎn)速傳感器和車(chē)速傳感器等。

（1）人工駕駛模式 電子節(jié)氣門(mén)通過(guò)駕駛?cè)丝刂乒?jié)氣門(mén)踏板的位置發(fā)送模擬電壓信號(hào)給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，ECU接收電子節(jié)氣門(mén)信號(hào)后，向噴油泵發(fā)送噴油量命令，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器將轉(zhuǎn)速反饋給ECU，ECU通過(guò)CAN通信將轉(zhuǎn)速信息發(fā)送至儀表，駕駛?cè)烁鶕?jù)儀表轉(zhuǎn)速顯示確認(rèn)節(jié)氣門(mén)需求狀態(tài)。

（2）無(wú)人駕駛模式 智能駕駛VCU根據(jù)整車(chē)運(yùn)行需求，通過(guò)CAN通信向發(fā)動(dòng)機(jī)ECU發(fā)送轉(zhuǎn)矩需求，ECU接收轉(zhuǎn)矩需求后向噴油泵發(fā)送噴油量指令，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU通過(guò)CAN通信將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩信息發(fā)送給VCU控制器，VCU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU反饋轉(zhuǎn)矩信息確認(rèn)是否滿足轉(zhuǎn)矩需求。

當(dāng)駕駛?cè)瞬忍す?jié)氣門(mén)踏板時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU接收到電子節(jié)氣門(mén)踏板位置信號(hào)[2]，節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)自動(dòng)從無(wú)人駕駛切換到人工駕駛模式。

圖3所示為電動(dòng)機(jī)線控節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)工作原理圖。智能駕駛VCU通過(guò)接收節(jié)氣門(mén)踏板發(fā)送的模擬電壓信號(hào)，綜合其他傳感器的數(shù)據(jù)，分析駕駛?cè)说牟僮饕鈭D，進(jìn)一步通過(guò)內(nèi)置程序向電動(dòng)機(jī)TCU發(fā)送轉(zhuǎn)矩需求信號(hào)，電動(dòng)機(jī)控制器控制電動(dòng)機(jī)電流，達(dá)到所需轉(zhuǎn)矩。線控驅(qū)動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)TCU在接收到相關(guān)請(qǐng)求后，向電動(dòng)機(jī)控制器發(fā)送指令，通過(guò)調(diào)整電動(dòng)機(jī)電流，實(shí)現(xiàn)控制車(chē)速的目的。

2.線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW）

線控底盤(pán)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在全液壓轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將PVED液壓電控模塊、轉(zhuǎn)向控制器與轉(zhuǎn)向器集成為電液轉(zhuǎn)向器，同時(shí)增加轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器和前橋轉(zhuǎn)角傳感器，通過(guò)閉環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向，如圖4所示。

將轉(zhuǎn)向控制器與PVED液壓電控模塊集成到電液轉(zhuǎn)向器中，因此整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與原有車(chē)輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安裝差異不大，只需要增加相應(yīng)的控制線路，其原理如圖5所示。

（1）人工駕駛模式 在駕駛?cè)瞬倏v轉(zhuǎn)向盤(pán)的情況下，轉(zhuǎn)向盤(pán)通過(guò)轉(zhuǎn)向管柱與擺線液壓轉(zhuǎn)向器機(jī)械連接，直接通過(guò)轉(zhuǎn)向器控制轉(zhuǎn)向助力缸，完成轉(zhuǎn)向動(dòng)作。

（2）無(wú)人駕駛模式 智能控制VCU根據(jù)感知系統(tǒng)判定，向轉(zhuǎn)向控制器發(fā)送命令，轉(zhuǎn)向控制器將轉(zhuǎn)向命令發(fā)送給PVED液壓電控模塊，電控模塊控制液壓油輸入到前橋轉(zhuǎn)向助力缸進(jìn)行轉(zhuǎn)向，同時(shí)前橋轉(zhuǎn)角傳感器將轉(zhuǎn)角反饋給轉(zhuǎn)向控制器，控制器根據(jù)反饋確認(rèn)是否完成轉(zhuǎn)向指令。此時(shí)前橋的轉(zhuǎn)角傳感器將實(shí)際轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)通過(guò)CAN通信反饋給智能駕駛控制VCU，進(jìn)行修正調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛轉(zhuǎn)向功能。

無(wú)人駕駛過(guò)程中，若人工接管方向盤(pán)，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器將轉(zhuǎn)向管柱轉(zhuǎn)角發(fā)送給轉(zhuǎn)向控制器，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自動(dòng)切換為人工駕駛模式。

3.線控制動(dòng)系統(tǒng)（BBW）

制動(dòng)系統(tǒng)由氣泵、制動(dòng)總泵、單雙通道EBS、ABS、EPB模塊、輪速傳感器及EBS-EPB-ESC控制器等裝置組成。為實(shí)現(xiàn)線控制動(dòng)系統(tǒng)的功能，將傳統(tǒng)氣制動(dòng)繼動(dòng)閥升級(jí)為電控單雙通道模塊，駐車(chē)?yán)^動(dòng)閥升級(jí)為EPB模塊，并增加了ABS和制動(dòng)系統(tǒng)控制器，可以實(shí)現(xiàn)與整車(chē)通信。

結(jié)合對(duì)汽車(chē)總體穩(wěn)定性控制的考量，同時(shí)考慮到緊急制動(dòng)系統(tǒng)（EBS）和車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）的融合性，把ESC納入到線控制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)范疇之內(nèi)。圖6所示為線控制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理圖。

（1）人工駕駛模式 當(dāng)駕駛?cè)四_踩制動(dòng)踏板時(shí)，制動(dòng)踏板開(kāi)度輸入至EBS-EPB-ESC控制器，該控制器接收到制動(dòng)踏板開(kāi)度信號(hào)后自動(dòng)退出無(wú)人駕駛模式，踏板控制制動(dòng)總泵向單雙通道輸入控制氣。單雙通道接收控制氣源后，向制動(dòng)氣室輸出制動(dòng)氣源，配合ABS系統(tǒng)，整車(chē)完成行車(chē)制動(dòng)。駐車(chē)制動(dòng)，需要人工打開(kāi)駐車(chē)制動(dòng)EPB開(kāi)關(guān)。

（2）無(wú)人駕駛模式 車(chē)輛感知與決策集成系統(tǒng)產(chǎn)生制動(dòng)指令，智能駕駛控制單元VCU計(jì)算出車(chē)輛所需的目標(biāo)速度，并將此信息經(jīng)由CAN總線傳遞至EBS-EPB-ESC控制器[3]，隨后該控制器按照智能駕駛VCU發(fā)出的制動(dòng)指令，向單、雙通道發(fā)送行車(chē)制動(dòng)命令，在ABS系統(tǒng)配合下，整車(chē)完成無(wú)人駕駛行車(chē)制動(dòng)。當(dāng)車(chē)輛感知與決策集成系統(tǒng)提出停車(chē)制動(dòng)需求時(shí)，智能控制VCU直接向EPB模塊閥發(fā)送駐車(chē)命令，實(shí)現(xiàn)整車(chē)駐車(chē)制動(dòng)。

結(jié)語(yǔ)

縱觀國(guó)際趨勢(shì)，載貨汽車(chē)逐漸邁向更大型、智能化和無(wú)人化的進(jìn)程。因商用車(chē)駕駛員少、薪資成本上升、勞動(dòng)力匱乏以及駕駛安全等緊迫問(wèn)題，迫切需要開(kāi)發(fā)并普及自動(dòng)駕駛技術(shù)。這將釋放駕駛?cè)说膭趧?dòng)力，降低事故和職業(yè)病帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，減少駕駛員因駕駛問(wèn)題帶來(lái)的工作時(shí)間的延誤，提高車(chē)輛利用率和運(yùn)輸效率。

線控底盤(pán)是無(wú)人駕駛載貨汽車(chē)關(guān)鍵的部分，從線控底盤(pán)模塊結(jié)構(gòu)方案及線控節(jié)氣門(mén)（驅(qū)動(dòng)）、線控轉(zhuǎn)向及線控制動(dòng)三大模塊方面展開(kāi)系統(tǒng)工作流程和關(guān)鍵技術(shù)研究。無(wú)人駕駛載貨汽車(chē)線控底盤(pán)關(guān)鍵技術(shù)的研究，是解決我國(guó)無(wú)人駕駛載貨汽車(chē)推進(jìn)緩慢的重要舉措，同時(shí)也可提升企業(yè)的創(chuàng)新能力，提升市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)

[1] 袁政，米承繼，劉洲，等.自動(dòng)駕駛礦卡底盤(pán)線控改裝設(shè)計(jì)研究[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2021，46（12）：14-18.

[2] 徐金榜，趙泓昊，熊文羽，等.基于IMC原理的電子節(jié)氣門(mén)控制策略[J].控制與決策，2018，33（12）：2277-2282.

[3] 趙苗苗，陳志元，袁葭杰.基于純電動(dòng)客車(chē)自動(dòng)駕駛線控底盤(pán)技術(shù)[J].客車(chē)技術(shù)與研究，2020，42（6）：15-18.