特種車輛綜合控制系統設計需求分析

路 平，李葆華，張翔飛

（1.吉利汽車中央研究院，浙江 寧波 315336；2.耀寧科技集團，浙江 寧波 315336）

1 綜合控制系統背景及簡介

為了滿足在復雜、惡劣工況下的正常行駛要求，一些具備特種用途的硬派越野車型（以下簡稱特種車輛），都會配備油氣懸架系統、輪胎中央充放氣系統、四驅系統以及差速鎖系統。

綜合控制是通過對車輛動力傳動、懸架、輪胎中央充放氣、主動轉向以及主動制動等子系統的全面協調控制，使各個子系統圍繞特種車輛性能目標協同工作，實現車輛全面綜合控制、提高機動能力、保障行駛安全。同時，外接遙控系統或自主控制系統后，車輛無需改裝能實現車輛遙控控制或無人自主駕駛。傳統車輛與具備綜合控制系統的車輛駕駛方式對比，見圖1。

圖1 傳統車輛與具備綜合控制系統的車輛駕駛方式對比

綜合控制系統可以針對動力工況、續航工況、越野工況、沙地工況、冰雪工況等，有針對性地進行一體化匹配調教，解決傳統特種車輛動力傳動模式單一，無法滿足多種機動工況對動力特性的不同需求。

綜合控制系統可以通過子系統的技術提升，實現車輛上差速鎖的動態行車鎖止與解鎖功能、油氣懸架的行車高度控制與阻尼實時控制功能、中央充放氣系統的行車胎壓充放氣控制功能，用于解決特種車輛的部分機動性操控轉換需停車設置且時間長、連續復合工況下機動速度低等問題。

綜合控制系統可以通過模式預設已經基于機器學習的行駛工況，進行自動辨識，以工況性能需求為宗旨，快速調用各子系統進入特定運行模式，提高對復合工況機動性能需求的快速適應能力。傳統特種車輛則存在機動性配置豐富，設置組合上百種，對駕駛人員的車輛性能理解和操作技巧要求高的問題。

綜合控制系統可以通過與整車子系統進行總線數據和控制指令對接，設計統一的信息交換接口與協議，能夠與遠程遙控系統及自主無人系統進行無縫對接，實現特種車輛底盤全線控化，以適應未來使用環境下的高度信息化和智能化的需求，打造高機動性線控底盤。

2 綜合控制系統對車輛及子系統的設計需求

2.1 應具備整車統一控制單元及全線控化底盤，可以實現車輛遙控控制或無人自主駕駛

為實現外接遙控控制系統或自主控制系統后，車輛無需改裝能實現車輛遙控控制或無人自主駕駛，車輛綜合控制系統應具備統一的整車控制單元以及全線控化底盤，為滿足基本行駛需求，至少應包括線控化動力傳動系統、線控化制動系統以及線控化轉向系統，為了進一步提高車輛機動性能，還應包括線控化懸架系統以及線控化中央充放氣系統。同時，整車控制單元應具備可靠、高效的信息接口與交換協議，與外接系統之間進行充分的信息與指令交互，并依據外接系統的控制指令，與車輛各線控子系統進行控制指令與信息狀態交換，對車輛關鍵子系統進行統一協同控制，完成外接系統控制需求。

2.2 適應復雜多工況的動力傳動與制動協同控制功能

為實現外接系統控制模式下的遙控控制或無人自主駕駛，整車控制單元必須能夠針對動力傳動與制動系統進行統一的協同控制，滿足外接系統控制下的車速閉環控制，更重要的是要符合特種車輛應用工況特點，針對越野地面、陡坡、復雜地形等特殊工況，動力傳動與制動協同控制能夠克服特殊工況下的隨機或突變擾動，實現復雜地形地貌下的行駛車速穩定閉環控制。

同時，針對多場景應用的需求，動力傳動與制動協同控制還應具有經濟模式和動力模式。在執行非緊急但路程遠的任務時，可采用經濟模式控制行駛車速，以提高車輛的巡航里程；在執行緊急任務時，可采用動力模式控制行駛車速，提高車輛的速度響應。

2.3 轉向系統應具備主動轉向控制功能

為實現外接系統控制模式下的遙控控制或無人自主駕駛，轉向系統應具備主動轉向控制功能，實現遙控控制駕駛模式下的車輛轉向操縱，實現遙控駕駛意圖。同時，在外接無人系統控制指令下，按照指令進行方向盤轉角閉環控制，實現路徑跟蹤功能。

2.4 懸架系統應具備車高、阻尼及剛度控制功能

為滿足特種車輛在越野、公路、復雜地形工況下的機動能力多樣化需求，懸架系統應具備車高、阻尼及剛度控制功能。①在公路行駛工況下，隨著行駛車速提高，車身高度應當逐步降低以提高操縱穩定性，在進行緊急轉向或緊急制動時，阻尼應當實時調節以改善車輛的瞬態響應，更進一步提高操縱穩定性；②在越野行駛工況下，車身高度控制應保證合理的離地間隙，并預留適當的懸架壓縮和伸張行程，以緩和不平路面沖擊，同時，阻尼實施調節以快速衰減車身振動，改善行駛平順性，提高越野機動速度；③在復雜地形工況下，車身高度控制應當進一步增大離地間隙，改善車輛的通過性參數，提高復雜地形通過能力，同時，在機動運輸工況，車身高度控制應當盡可能低，以滿足運載工具對車高的限制；④同時，當車輛上裝對車輛平臺有姿態精度需求時，懸架系統能夠實現車身姿態主動調平，并實現剛度閉鎖，以保證在受到相應沖擊載荷時，減少車身姿態動態變化。

2.5 應具備輪胎壓力可調的中央充放氣系統

為滿足特種車輛在多種地形地面上行駛的機動能力需求，中央充放氣系統應能夠在外接系統或整車單元控制下，主動調整輪胎壓力。在泥塘、水田、沙漠、沙灘等松軟地面以及冰雪濕滑等低附著硬地面，中央充放氣能夠降低輪胎壓力，增大輪胎接地面積，提高附著能力，提高車輛在松軟、濕滑等復雜地面上的機動能力。

2.6 應具有安全合理的外接系統控制模式

接入外接系統后，特種車輛存在3種駕駛模式，可以在駕駛員駕駛模式、遙控駕駛模式和無人駕駛模式之間轉換。為了避免駕駛模式轉換突兀，給整車安全性帶來嚴重威脅，有必要針對各種駕駛模式的信息監管、優先級及控制權限進行合理設定，才能實現外接系統與車輛綜合控制系統的有機融合。

2.7 應具有安全高效的外接系統接口與信息交換協議

特種車輛綜合控制系統的接口與信息交換涉及整車控制單元與遠程遙控系統、整車控制單元與自主無人駕駛系統以及整車控制單元與底盤關鍵子系統控制單元之間的數據信息和控制指令交互，總線通信網絡具有多層級、多單元的特點，應該針對綜合控制系統與外接系統的控制模式，合理設計系統接口與信息交換協議的層級拓撲結構，實現接口與信息交換協議的標準化、模塊化設計，有助于綜合控制系統與外接系統信息交互的無縫連接以及車輛平臺各子系統之間的狀態信息共享和綜合協調控制。

2.8 應具有一定的行車安全控制技術

相比于人員駕駛，外接系統的遠程遙控駕駛或自主無人駕駛所能獲取的車輛狀態信息以及駕駛環境信息是有限的。遠程遙控駕駛和自主駕駛往往只關注車輛行車路線的控制，而缺乏像駕駛員一樣的對車輛運行安全性的本能綜合感知。尤其是車輛重心位置高，在高速行駛過程中或者復雜越野地面上，外接系統的不當轉向或加速操作，都有可能導致車輛超出安全行駛極限，造成側滑、甩尾甚至翻車等危險情況發生。因此，整車控制單元有必要針對車輛的行駛安全性進行綜合評估，實時掌握車輛平臺的行車安全裕度，為行車安全控制提供重要參考。圖2為綜合控制系統對車輛及子系統的設計需求。

圖2 綜合控制系統對車輛及子系統的設計需求

3 特種車輛綜合控制系統總體架構設計

在遙控或自主無人駕駛模式下，綜合控制系統整車控制單元通過信息交換接口與協議與遠程遙控系統及自主無人駕駛系統進行相互通信，傳遞車輛狀態信息并接受行駛控制指令，進而協調控制動力傳動、轉向及制動系統，實現車輛的精確駕駛，并通過中央充放氣及懸架系統的協調控制提升車輛的機動性和安全性。

在駕駛員駕駛模式下，可以對人機操作界面或操縱機構，將操作信號經由整車控制單元傳遞給底盤各關鍵子系統，實現對車輛的直接操縱與駕駛。

在任何駕駛模式下，行車安全評估與控制策略實時監測車輛總體狀態并結合車輛駕駛指令，預測車輛行車安全狀態，對即將有可能發生的翻車、側滑等危險工況，協調控制各子系統進行主動干預，降低危險工況發生概率。

按照以上綜合控制系統總體功能需求，綜合控制系統總體框架如圖3所示。

圖3 綜合控制系統總體框架

4 小結

綜上所述，綜合控制系統可以為特種車輛提供具有復合工況自適應能力的機動性控制策略、提供全駕控模式下的安全性主動監測與控制、提供具有通用性的高機動線控底盤，接入外掛系統無需改裝即可自主行駛。