自動(dòng)駕駛汽車下電動(dòng)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(cè)及車載控制執(zhí)行等核心技術(shù)的突破和完善,自動(dòng)駕駛汽車也越來(lái)越被公眾所關(guān)注與熟知。自動(dòng)駕駛汽車作為未來(lái)汽車的發(fā)展方向，將對(duì)道路交通帶來(lái)顛覆性的變革。它通過(guò)解放司機(jī)來(lái)提供更舒適的出行，同時(shí)增加道路安全來(lái)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(gè)性化的需求。

自動(dòng)駕駛通過(guò)車輛上各類電子電器產(chǎn)品來(lái)完全模仿人的駕駛行為控制車輛，如何保證車輛平穩(wěn)運(yùn)行、加減速和轉(zhuǎn)向、應(yīng)對(duì)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(guò)容錯(cuò)性設(shè)計(jì)要求，有效支持自動(dòng)駕駛車輛的功能安全。按照ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)要求，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)助力轉(zhuǎn)向基本概況

1.1 自動(dòng)駕駛的分級(jí)及發(fā)展趨勢(shì)

自動(dòng)駕駛按照SAE J3016標(biāo)準(zhǔn)[2]共劃分為5個(gè)等級(jí)(見(jiàn)表1)，等級(jí)0為完全駕駛員控制，等級(jí)1與等級(jí)2區(qū)別在于是否同時(shí)執(zhí)行轉(zhuǎn)向和加減速操作，等級(jí)2與等級(jí)3區(qū)別在于是否需要實(shí)時(shí)監(jiān)視，等級(jí)3與等級(jí)4區(qū)別在于出現(xiàn)緊急情況，是否需要駕駛員介入，等級(jí)4與等級(jí)5區(qū)別在于是否全工況自動(dòng)駕駛。目前應(yīng)用比較普遍的主動(dòng)巡航系統(tǒng)(Adaptive Cruise Control，ACC)、 自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)(Autonomous Emergency Brake，AEB)、車道偏離預(yù)警(Lane Departure Warning，LDW)均屬于等級(jí)1的自動(dòng)駕駛，車道偏離輔助(Lane Keeping Assistance，LKA)屬于等級(jí)2的自動(dòng)駕駛，交通擁堵輔助(Traffic Jam Assist，TJA)屬于等級(jí)3的自動(dòng)駕駛，暫時(shí)還沒(méi)有等級(jí)4、等級(jí)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(jì)劃或愿景，如表2所示，2020年是自動(dòng)駕駛汽車實(shí)用化的一個(gè)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)[3]。并且隨著奧迪 A8在2017年首次推出自動(dòng)駕駛等級(jí)3的量產(chǎn)車型[4]，各國(guó)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(chǎng)趨勢(shì)引領(lǐng)的競(jìng)爭(zhēng)將處于白熱化的階段。

表1 自動(dòng)駕駛等級(jí)

表2 自動(dòng)駕駛愿景

1.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向

電動(dòng)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(shí)提供所需要的轉(zhuǎn)向助力，另一個(gè)功能是作為執(zhí)行裝置為整車高級(jí)功能(如自動(dòng)泊車、車道偏離輔助等)提供轉(zhuǎn)向執(zhí)行操作。自動(dòng)駕駛中的等級(jí)1到等級(jí)5都需要車輛輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向操作，自動(dòng)駕駛的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)EPS的支持。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是車輛安全的重要組成部分，無(wú)論是提供轉(zhuǎn)向助力，還是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向執(zhí)行動(dòng)作時(shí)，任何程度的轉(zhuǎn)向失效都會(huì)給駕駛員帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)而引起抱怨和處罰。如何保證EPS的穩(wěn)定性和可靠性來(lái)減少轉(zhuǎn)向失效，成為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jí)(Automotive Safety Integration Level，ASIL)兩個(gè)關(guān)鍵概念，ASIL等級(jí)由嚴(yán)重度(S)、暴露率(E)、可控性(C)這3個(gè)指標(biāo)共同決定。表3分別定義3個(gè)指標(biāo)等級(jí)劃分，ASIL根據(jù)S、E、C指標(biāo)劃為如圖1所示的5個(gè)等級(jí)。

表3 ASIL構(gòu)成指標(biāo)等級(jí)

圖1 ASIL等級(jí)定義

EPS的安全等級(jí)按上述原則可以確認(rèn)為最高安全等級(jí)ASIL-D，其中EPS失效對(duì)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(kāi)發(fā)滿足ISO 26262功能安全的系統(tǒng)來(lái)提升自動(dòng)駕駛安全性，成為當(dāng)前EPS開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)。

2 EPS的功能安全設(shè)計(jì)

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(duì) 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(jiàn)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(dòng)、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(cuò)等級(jí)

按照ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)要求得出EPS的ASIL等級(jí)，并確定EPS的安全目標(biāo)來(lái)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(duì)轉(zhuǎn)向助力丟失，目前主要采用故障容錯(cuò)機(jī)制來(lái)減少助力完全丟失故障可能性，保證部分或完全助力來(lái)提升EPS容錯(cuò)性以實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向功能。

結(jié)合EPS的功能定義和自動(dòng)駕駛的工作需求，對(duì)EPS容錯(cuò)等級(jí)、 ASIL等級(jí)、自動(dòng)駕駛等級(jí)、目前常見(jiàn)功能、EPS功能設(shè)計(jì)等做如表4所示的關(guān)聯(lián)定義。

表4 EPS容錯(cuò)等級(jí)

2.3 EPS容錯(cuò)設(shè)計(jì)及故障模式定義

EPS通過(guò)容錯(cuò)設(shè)計(jì)來(lái)滿足ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)要求，以支持自動(dòng)駕駛。大量功能件的冗余設(shè)計(jì)必將帶來(lái)EPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和成本的大量投入，針對(duì)EPS容錯(cuò)設(shè)計(jì)，按照自動(dòng)駕駛的總體趨勢(shì)和ISO 26262合規(guī)性要求，針對(duì)不同容錯(cuò)等級(jí)的技術(shù)方案提出如表5所示的設(shè)計(jì)規(guī)劃。目前市場(chǎng)上的EPS處于從容錯(cuò)等級(jí)1向容錯(cuò)等級(jí)2或者容錯(cuò)等級(jí)3過(guò)渡階段，JTEKT在其管柱式電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中已量產(chǎn)達(dá)到容錯(cuò)等級(jí)2的產(chǎn)品[6]。

表5 容錯(cuò)等級(jí)設(shè)計(jì)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(cuò)等級(jí)3對(duì)扭矩傳感器、電機(jī)位置傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)等進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)的功能框圖如圖3所示。容錯(cuò)等級(jí)3的產(chǎn)品應(yīng)對(duì)失效時(shí)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(jiàn)表6)。

圖3 容錯(cuò)等級(jí)3功能框圖

功能系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)故障應(yīng)對(duì)供電系統(tǒng)/突然丟失助力扭矩傳感器冗余容錯(cuò)性設(shè)計(jì),無(wú)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(dòng)冗余容錯(cuò)性設(shè)計(jì),提供部分助力電機(jī)冗余容錯(cuò)性設(shè)計(jì),提供部分助力電機(jī)位置傳感器冗余容錯(cuò)性設(shè)計(jì),無(wú)影響

因供電系統(tǒng)、主芯片無(wú)冗余設(shè)計(jì)，發(fā)生故障時(shí)EPS會(huì)直接失去助力，CAN總線信號(hào)丟失或故障時(shí)，可通過(guò)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(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并與電機(jī)驅(qū)動(dòng)相對(duì)應(yīng)，出現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)或電機(jī)故障時(shí)，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(jì)，對(duì)助力無(wú)影響。

3 結(jié)論

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

(2)通過(guò)對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的容錯(cuò)等級(jí)定義，提出不同容錯(cuò)等級(jí)的功能設(shè)計(jì)規(guī)劃及故障應(yīng)對(duì)措施；

(3)后續(xù)會(huì)結(jié)合自動(dòng)駕駛發(fā)展趨勢(shì)，研究具體的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)方案和應(yīng)用。