智能網聯汽車底盤線控系統與控制技術

段紅艷，王建鋒

（鄭州職業技術學院 新能源汽車學院，河南 鄭州 450100）

智能網聯汽車作為新一輪科技革命背景下的新興產業，為人們的出行帶來便利，同時可顯著改善交通安全，實現節能減排，減緩交通擁堵，提高交通效率，推動汽車、電子、通信、服務、社會管理等行業的協同發展，對促進汽車產業轉型升級具有重大戰略意義。

在汽車電動化、網聯化、智能化、共享化的變革時代，底盤集成化程度越來越高。線控底盤技術作為汽車發展“四化”的關鍵技術，可以為未來智能汽車自動駕駛優化、智能座艙研發做好技術積累。底盤線控技術是在傳統汽車的基礎上，將機械操作機構或液壓操縱部件替換為高速容錯通信總線連接，與高性能中央處理器進行信息交換與互通，達到高效率通信的電氣系統。2020年國務院辦公廳關于印發《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》的通知，明確指出要實施智能網聯技術創新工程，其中，底盤線控技術被列入智能電動汽車核心技術攻關工程，這也說明智能網聯汽車底盤線控技術在汽車發展中的核心地位。

1 底盤線控技術

智能網聯汽車的最終目的是實現替代駕駛者的操作，具備復雜環境感知、智能決策、協同控制等功能，實現車輛安全、高效、舒適、節能的自動駕駛。智能網聯汽車裝配傳感器、控制器、執行器，通過網絡技術與現代通信技術，利用這些技術，使車用無線通信技術（Vehicle to Everything, V2X）進行智能信息交換、共享，X包含車、路、行人、云端等。

智能網聯汽車主要包括智能化與網聯化兩個技術層面，要實現車輛的智能化與網聯化，需要通過整車控制器（Vehicle Control Unit, VCU）對車輛信息進行整合計算，并傳輸到底盤系統。底盤系統按照指令進行精確執行，在駕駛過程中，汽車需要大量、精確的底盤系統信號感知車輛狀態，保證車輛的安全性、穩定性和操縱性。傳統車輛機械結構及液壓結構復雜，不易實現精準的控制，而底盤線控系統可根據指令利用電信號實時地控制底盤執行機構做出相應動作，且隨時監測車輛的運動狀態，即時反饋給汽車，因此，底盤線控技術逐漸成為智能網聯汽車的標配。

智能網聯汽車的底盤線控技術是利用電信號取代機械或液壓部件向執行機構傳遞信息。智能網聯汽車一般有人工駕駛和自動駕駛兩種模式，在人工駕駛模式下，整車控制器接受駕駛人操作的信號及車輛信息，利用整車控制器將底盤各個部件之間的信息進行整合運算來控制執行機構進行相應的操作。在自動駕駛模式下，計算平臺接受環境感知傳感器發送的數據，對數據進行計算后，通過控制器局域網絡（Controller Area Network,CAN）發送給VCU，VCU對計算平臺發送的數據再次進行分析處理，通過CAN線發送給底盤線控系統，最終實現整車控制。底盤線控技術在人工駕駛模式向自動駕駛模式發展的過程中，將人為操作的信號最終由環境感知傳感器所代替，VCU通過計算平臺分析環境感知傳感器的信號來控制底盤線控系統。底盤線控系統控制如圖1所示。

2 底盤線控子系統

智能網聯汽車底盤線控系統有四個子系統，分別為線控轉向系統、線控驅動系統、線控制動系統和線控懸架系統。智能網聯汽車通過四個子系統之間的配合來控制車輛前后、左右、上下六個自由度，即縱向、橫向和垂向的運動，使車輛能夠按照智能決策準確穩定地行駛。橫向運動是與車輛行駛方向垂直的運動，主要是線控轉向系統。縱向運動是指與汽車行駛方向相同的平動運動，縱向運動控制由線控驅動系統和線控制動系統配合控制。汽車垂向運動是汽車在行駛過程中與車輪平面平行的運動，主要由線控懸架系統實現控制。

2.1 線控轉向系統

智能網聯汽車的線控轉向系統是利用電信號傳遞信息的一種電氣系統。以電動助力轉向系統為基礎，逐步優化發展。將方向盤和轉向執行機構之間的機械連接替換為控制單元控制伺服電機，從而來驅動轉向機構。線控轉向系統在車輛實現自動避障、自動泊車、車道保持等功能中，智能地控制車輛橫向運動。

智能網聯汽車處于人工駕駛模式時，當駕駛人轉動方向盤，方向盤上的轉矩傳感器和轉角傳感器會測量到的轉向盤轉矩和轉向盤轉角，轉矩和轉角信號會轉變成電信號輸入到電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU），ECU通過計算輸出正確的指令，控制轉向執行電機，使其發生正確的旋轉方向、轉矩大小和旋轉速度的動作，控制機械轉向裝置，再由機械轉向裝置控制轉向輪，汽車車輪最終達到駕駛人期待的轉向軌跡。同時，汽車行駛的轉速、轉角等信息，通過位移傳感器轉換成電信號反饋給ECU，進而驅動路感電機，反饋給駕駛人一定的轉向盤力矩，來模擬路感。當處于自動駕駛模式時，駕駛人轉動轉向盤的人工駕駛操作，將變為計算機平臺向VCU發送轉向意圖的自動駕駛操作，計算平臺根據接收的環境感知傳感器的信號，預置的行駛軌跡等，判斷汽車的行駛方向，通過CAN總線發送給VCU，VCU經計算再通過CAN總線發送給線控轉向系統ECU，進而控制汽車進行轉向。

線控轉向系統的控制系統要解決車輛的各種情況，轉向電機需要的力計算復雜，這就對轉向執行電機的算法及整車控制器有更高的要求。因為線控轉向系統對車輛的可靠性與安全性至關重要，所以在線控轉向系統中多采用容錯控制技術，常用的容錯控制技術有硬件冗余方法和解析冗余方法。硬件冗余方法通過設置兩套獨立的機械裝置，對重要部件、極易發生故障部件提供備份，從而提高系統的容錯性能。類似于在電控助力轉向中加裝一個離合器，當車輛正常行駛時，離合器為分離狀態，車輛依靠電子信號來傳輸信息。當電子信號出現異常，離合器結合，使車輛的轉向信號由機械部件來進行傳遞。

解析冗余方法也稱控制冗余法，通過算法冗余，使車輛在發生故障時，容錯情況下能夠實現基本轉向功能，但該方法需要科學設計控制器的軟件來提高整個系統的冗余度，這也是目前智能網聯汽車線控轉向系統發展中的重要問題。各大公司基于不同的設計需求采取了相應的容錯控制方法，例如，基于數學模型、信號處理、環境感知等方面采取控制措施。

2.2 線控驅動系統

智能網聯汽車的線控驅動可以調節車輛縱向運動中車輛向前的運動，實現對車輛期望車速的精準控制。線控驅動系統將原來由機械傳遞，如駕駛人踩加速踏板動作，變成由電信號精確傳遞駕駛人動作。若是自動駕駛模式，將由計算平臺替代踩加速踏板、操縱變速桿等，由電信號來控制驅動電機。線控驅動系統的實現需要線控油門系統和線控換擋系統配合實現。

線控油門系統主要通過傳感器采集傳送加速踏板深淺與快慢的信號，從而實現踏板功能的電子控制，這個信號會被控制單元接受、解讀，再發出控制指令，控制行駛速度。線控油門系統根據動力來源不同分為燃油汽車線控油門系統和純電動汽車線控油門系統，下面以純電動汽車線控油門系統為例，分析其工作原理。在智能網聯汽車線控油門系統中，驅動系統能量由動力電池提供，“油門”控制的是驅動電機的轉矩和轉速，它和計算平臺、VCU、電機控制器（Micro Controller Unit, MCU）等一同實現車輛的加減速，計算平臺通過周圍環境信息融合計算出最佳行駛信息并發送給VCU，由VCU向MCU發送踏板踩下度等信息，MCU控制驅動電機的轉矩和轉速，從而實現車輛加速，相當于油門的控制。

線控換擋系統省去換擋桿到變速器的傳統機械式結構，整個系統更輕、更小、更智能，在現代車輛上應用廣泛。實現電控換擋后，其智能化的操作能判斷駕駛人的換擋錯誤操作，避免對變速器造成損傷，從而更好地保護變速器。當選用人工駕駛時，駕駛人操作操縱桿，操縱桿上的傳感器會根據換擋動作將其轉換為電信號，電信號傳送給電控單元，電控單元根據預先設定程序，對信號進行計算處理，后將指令發送給換擋電機，換擋電機決定P、R、N、D四個擋位之間的轉換。當車輛選用自動駕駛模式時，駕駛人操縱換擋選擇模塊的人工駕駛操作，將變為汽車自動判斷所需擋位，并進行自動換擋的自動駕駛操作，車輛通過環境感知傳感器收集到的信號，通過ECU進行計算，最終實現前進擋、倒車擋、空擋、駐車擋的轉換。

2.3 線控制動系統

智能網聯汽車線控制動系統的功能與傳統汽車制動系統一樣，是為了保證車輛能夠按照路況等條件進行強制減速直至停車，但是其結構有所區別，線控制動系統取代機械或液壓部件，通過線控也就是電子信號，將輸入接口（制動踏板）和執行機構（制動執行器）相連接。

線控制動系統對信號精準性和通信協議安全性要求很高。目前車輛上常用的底盤線控制動系統有液壓式線控制動系統和機械式線控制動（Electro Mechanical Brake, EMB）系統兩種形式。

液壓式線控制動系統在傳統液壓制動系統基礎上，取消了制動踏板與制動缸之間的機械連桿與液壓管路。在制動踏板上安裝傳感器，傳感器信號轉換成電子信號傳輸給制動執行器ECU，制動執行器ECU根據電子信號來判斷制動踏板的動作，或由環境感知傳感器檢測到障礙物（無人駕駛車輛），由車載計算平臺發送信號至制動執行器ECU，制動執行器ECU接收到信號后，通過計算向液壓執行機構發送執行命令。

機械式線控制動系統是利用電子機械系統代替所有的液壓裝置，制動器中的液壓執行機構被電機驅動裝置取代，完全屬于線控制動系統。機械式線控制動系統主要由車輪制動模塊、中央電子控制單元和電子踏板模塊等組成。電子踏板模塊將作用在踏板上的力和速度轉化為電信號，中央電子控制單元接收電信號，結合接收制動踏板的信號、車輪傳感器信號、車速信號等，根據預先設定的控制算法，進行運算，得出控制信息，例如，判斷車輪是否打滑或抱死，從而控制制動器制動。

智能網聯汽車電控化程度高，線控制動系統可以與智能網聯汽車完美融合，并且線控制動系統制動響應時間更快、剎車反應更快，同時能夠提升制動能量回收效率，另外，制動時間的縮短相當于提高了安全性，也在一定程度上提高通行效率。但是，制動系統與車輛的安全性能息息相關，取消機械與液壓連接部分的線控轉向系統，必須有更嚴密的控制系統來保障車輛的安全。一般控制都采用冗余的方式，在冗余控制的基礎上，系統中每一個節點之間的串行通信必須支持容錯，以此來增加其安全可靠性。長城汽車旗下的精工菲格就推出了EMB，取消了原有的制動系統，包括車身穩定控制系統（Electronic Stability Program, ESP）、電子駐車系統（Electrical Parking Brake, EPB）、管路，使電控軟件和ECU實現集成化。

2.4 線控懸架系統

智能網聯汽車線控懸架系統主要調節車輛的垂直方向，其根據車輛的實時運動情況和外界干擾輸入，自主調節懸架系統的性能參數，進而調整車身的運動狀態，使車輛具有良好的平順性、操作性與舒適性。

線控懸架系統主要作用在于控制車身高度，汽車行駛過程中，傳感器將道路情況和汽車的速度、加速度、轉向、制動等工況的電信號傳遞給ECU，ECU對傳感器發送的電信號進行綜合處理，輸出控制信號到執行器，進而調整減振器阻尼系數、控制彈性元件剛度和車身高度。

根據車輛的運動、裝載等不同情況，車輛的控制策略計算不同的數據，例如車輛載荷、車速等，從而控制線控懸架系統。車輛的載荷不同會影響車身高度，線控懸架系統根據車輛載荷情況，來調節車身高度，使車輛的車身行駛姿態更加穩定。停車后，乘員減少，載荷也減少，車身因重力減小車身高度增加。為了減少懸架系統負荷及改善汽車外觀形象，控制系統會自動降低車身高度。當車輛高速行駛時，為了提升行車的操作穩定性，懸架主動降低車身高度。車輛在凹凸不平較差的路況行駛時，為避免與地面或懸架磕碰，懸架控制系統會主動升高車身高度。

線控懸架系統能夠根據不同的行駛環境對底盤的減振器特性進行調整，極大地改善汽車的平順性與操作穩定性，并且線控懸架系統相比其他三個線控系統控制部分更簡單，發展更成熟，在車輛上有廣泛的應用。

3 底盤線控控制技術

因為傳統汽車利用發動機作為主要的動力來源，所以傳統汽車的底盤線控技術缺少對驅動部分的控制。隨著智能網聯汽車電氣化程度的提高，通過電控單元實現的控制輸入量越來越多，車輛的控制方式要求更加精準、速度更快。

3.1 全矢量單獨車輪控制

智能網聯汽車底盤線控包括四個子系統，它們之間相互協作，控制車輛的縱向、橫向及垂直方向的運動，對應車輛前后、左右及上下六個自由度，這六個自由度最終在車輪的運動上體現，因此，一輛汽車若能實現所有車輪的六個自由度作用力獨立控制，那么這輛車就屬于全矢量單獨車輪控制。

全矢量單獨車輪控制是個驅動系統，每個單獨的車輪都有驅動、制動、轉向和懸架四個獨立的操控部件，每一個車輪都設立單獨的車輪控制單元，各個車輪由對應的車輪控制單元直接控制。再利用域控制器，使各個車輪控制單元之間交互協作，更好地實現功能性、安全性，同時為智能網聯汽車的發展給予更多的附加性能和附加值。利用全矢量單獨車輪控制形式，可以有效地縮短控制單元從接收信號到發出指令的時間，從而提高車輛的安全性。例如，根據《2021中國汽車智能底盤大會》中博世公司提出的方案試驗分析，將牽引力控制軟件模塊從原來ESP或者智能集成系統（Integrated Power Brake, IPB）放到電機控制器中。一旦探測到車輪發生抱死，其立刻就會將此信號反饋到電機控制系統，使其立即作出反應防止打滑。在此應用方案中，通信的閉環系統大概可以從100 ms降到10 ms～20 ms，使在路面濕滑路段行駛的終端用戶有更好的駕乘體驗。

3.2 線控底盤集成控制架構

傳統汽車中，液壓和機械動力其傳輸速率過慢，并且機械過多是硬鏈接，而智能網聯汽車電氣化程度高，兩者不能完全融合。底盤線控技術電氣化程度高，各個子系統之間的聯動性對汽車的整體性能影響很大。因此，為滿足車輛的需求，要求智能網聯汽車底盤線控實現集成化控制。

智能網聯汽車在行駛過程中，底盤的各個電控部件相互影響、相互制約，整車性能的提升需要底盤各個執行部件的協調作業。智能網聯汽車線控底盤集成控制架構是利用一個整車控制器來整合線控底盤中轉向、驅動、制動、懸架四個子系統的信息，最終實現整車控制。目前智能網聯汽車底盤線控系統中各個子系統缺乏與其他系統之間的信息互通，當整車控制器控制多個子系統時，彼此缺乏協調，容易產生沖突和干擾。

智能網聯汽車最終要實現車、路、行人和云平臺之間的互通，整車控制器整合車輛的所有信息對智能網聯汽車的安全性、操縱穩定性等非常重要。

3.3 底盤線控容錯控制方法

智能網聯汽車底盤線控多采用容錯控制的方式。容錯控制是智能網聯汽車底盤線控必不可少的控制策略，合理準確的容錯控制可以保證智能網聯汽車底盤線控系統的可靠性，使其滿足車輛的應用要求。智能網聯汽車底盤線控系統的容錯控制以冗余控制為主，一般采用硬件冗余或者軟件冗余實現，能夠在系統出現故障時及時對故障做出診斷，同時采用合理的控制措施修復或彌補故障是容錯控制有效與否的重要依據。

為了解決智能網聯汽車中的自動駕駛安全性，有些公司采取多冗余措施。對執行器、控制單元、傳感器、電池等都設置冗余系統。例如，博世公司在面對安全要求較高的制動系統時，設立了兩套完全獨立的制動執行器，各自有單獨執行的制動功能，除了執行器之外，對執行命令的電控單元也設置了冗余，一旦某個網絡故障，另一個網絡立刻接替傳遞信息。此外，感知系統也設置備份，以避免由于一個傳感器失效導致整個系統失效。

智能網聯汽車底盤線控系統沒有傳統車輛底盤中的機械連接部件及液壓裝置，信息傳遞完全依靠電信號，沒有獨立的后備執行系統，這對智能網聯汽車底盤系統的容錯控制提出了更高的要求。現在車輛一般采用CAN總線作為通信系統，但CAN總線有時不能完全滿足容錯的要求，為了提高通信速度與安全性，目前有些公司也利用C類時間觸發協議、FlexRay、時間觸發CAN總線等開發新的更安全的通信協議。

4 結束語

智能網聯汽車底盤線控技術是高精度汽車電子控制技術，其對控制策略要求更高，四個底盤線控子系統的高度配合最終可達到全矢量單獨車輪控制。智能網聯汽車底盤線控使車輛更加安全、可靠、便捷，智能網聯汽車底盤線控系統的控制及集成化成為各大汽車公司研究的熱點，底盤線控的集成化勢必成為發展趨勢，但是目前線控底盤的控制策略與通信協議還不能達到智能網聯汽車的要求，智能網聯汽車底盤線控系統的控制研究仍任重道遠。