線控底盤多系統協同與控制策略應用研究

李蘭友　臧豫徽　楊愛喜 呂琳　張洪利

摘 要：線控底盤技術是智能駕駛領域的關鍵技術，也是推進智能網聯汽車快速發展的基礎平臺。線控底盤系統主要包括線控轉向、線控制動、分布式驅動等系統，而如何解決多系統間存在的協同性不足、控制精度不高、存在沖突和干擾等問題是當前的一個研究熱點。本文給出了線控底盤多系統協同與控制策略的最新研究方向，并對相應的解決方案展開分析。

關鍵詞：線控底盤 多系統協同 控制策略 智能網聯汽車

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

當前，汽車產業正發生著翻天覆地的變化，在“大數據、大計算、大決策”的科技革命推動下，汽車正從傳統汽車到機械電子汽車以及向軟件定義汽車方向進化[1]。智能汽車就像當年的智能手機一樣，正在經歷著產業革命的陣痛期，汽車產業能夠重現當年諾基亞傳統手機一夜之間被以蘋果為代表的智能手機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月國務院辦公廳發布《國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》明確指出要加快研發智能（網聯）汽車基礎技術平臺及軟硬件系統、智能線控底盤和智能終端等關鍵部件。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，在新能源汽車加速滲透及智能化升級趨勢下正在提速發展。線控底盤具有響應速度快、控制精度高、能夠實現更高的能量回收和滿足高級別智能駕駛性能要求等特點，但是也存在多系統間協同性不足、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協同與控制策略方面的研究，進一步提高整車綜合性能，助力智能網聯汽車行業發展。

2 研究現狀及發展趨勢

線控底盤是車輛底盤的新形態，通過線控技術取消座艙與底盤之間的物理連接，進行電氣化改造，解決底盤系統架構創新、多線控功能耦合控制、功能安全和故障診斷等支撐跨代設計的重要基礎問題，研發適用于線控底盤的自動駕駛技術，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 國內外研究現狀

線控底盤的研究領域可分為分布式驅動、線控轉向、線控制動等幾個方面[2]。在分布式驅動領域，國外起步較早，具有代表性的是德國舍弗勒公司，采用輪轂電機方式進行驅動系統設計。在線控轉向方面，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向系統。在線控制動方面，電子液壓制動系統為主要研究方向，國外產品占據著領先地位，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產品都占據著主導地位。在線控底盤一體化集成設計方面，最早由通用汽車提出，并在2002年發布了AUTOnomy概念車，這開啟了一體化底盤的發展序幕。后來特斯拉也采用了一體化底盤的設計，但是沒有實現上下車體的分離開發。2021年11月上市的新勢力造車企業Rivian，基于滑板底盤技術，開發并兩量產了三款車型，分別是電動皮卡R1T、電動SUV R1S和電動貨車EDV。

我國分布式驅動技術起步較晚，在2010年，首批比亞迪K9系列純電動大巴下線，采用了輪邊電機驅動方式。浙江亞太機電與斯洛文尼亞Elaphe Propulsion公司合資成立了生產輪轂電機的公司。湖北泰特機電收購了荷蘭e-Traction公司，成功研制出了我國首輛輪轂電機直接驅動的純電動客車。在線控轉向方面，2004年同濟大學“春暉三號”電動車采用了線控轉向技術。目前國內許多大學包括吉林大學、清華大學、長安大學、北京理工大學等針對線控轉向系統的動力學建模與性能分析、控制策略、容錯、試驗等展開了研究。在電子液壓制動方面，國內發展勢頭強勁，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、海之博等企業拿到了大量的主機項目，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均已有onebox產品，部分企業已經開始量產。國內線控底盤一體化集成設計發展較慢，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，從2017年開始專注于滑板底盤研發，以滑板式底盤開發為核心，整個底盤采用全線控技術，使得行駛系統、轉向系統、傳動系統、制動系統高度集成。目前，自主品牌頭部企業如吉利、長城、比亞迪等也在開展一體式線控底盤平臺的研究。

2.2 發展趨勢

隨著智能駕駛級別的逐步進階，線控轉向（SBW）滲透率有望實現快速提升。當前電子助力轉向（EPS）已經隨法規約束基本完成滲透，未來一定時期內主要是幾種技術路徑的份額變遷，R-EPS和DP-EPS的份額有望持續增大，有冗余的電子助力轉向滲透率將逐步提升。

線控制動系統已處于大規模滲透前夜，國產供應商或迎來替代機會。EHB方案或是未來幾年發展的主流：其中Two-box是目前的主流方案，具有冗余的技術優勢；One-box方案集成度更高，具有成本、能量回收（提升續航）的優勢。隨著智能駕駛向高級別發展，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展的主流方向[3]。

線控底盤系統的高階升級及大規模應用或率先在運營場景完成，逐步滲透到非運營場景。智能駕駛技術率先在干線物流、港口、礦山、智能駕駛出租等商業領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在特定商用場景的落地有望加速。

3 關鍵技術

線控底盤技術作為智能網聯汽車的關鍵核心技術，決定了汽車行駛的安全性、經濟性和舒適性等基本性能[4]。為了解決多系統之間的沖突和干擾，提高整車的綜合性能，主要通過車輛多性能目標及多系統協同控制設計、車輛載荷參數和狀態參數估計系統設計、面向SOA架構的線控轉向系統開發等三方面展開研究。

3.1 車輛多性能目標及多系統協同控制設計

研究搭建ASS和EPS集成的協同最優控制設計、構建EPS/ASS/ABS系統的多學科優化設計、以車身穩定和節能為目標的扭矩矢量控制設計模型。

（1）搭建ASS和EPS集成的協同最優控制：構建ASS和EPS的集成設計模型，完成EPS控制器和ASS控制器的設計，研究利用優化算法對搭建ASS/EPS的集成系統的機械參數和控制參數進行優化設計，并通過優化后的參數與優化前的參數代入計算模型進行對比分析。

（2）構建EPS/ASS/ABS系統的多學科優化設計：以EPS、ASS和ABS作為研究對象，建立EPS、ASS和ABS各個系統的優化設計模型并作為子系統優化模型，建立EPS/ASS/ABS系統級優化模型，采用智能優化算法對EPS/ASS/ABS系統進行協同控制優化設計研究。構建協同控制策略，協調底盤各子系統的耦合，降低系統間的沖突，提高操縱穩定性和制動效能。

（3）以車身穩定和節能為目標的扭矩矢量控制設計：建立二自由度車輛動力學模型和具有較高精度的非線性輪胎模型，設計基于非線性模型預測控制（NMPC）的上層扭矩矢量控制器，對車身穩定和節能為目標的二自由度參考模型進行跟蹤，設計基于規則的下層扭矩分配策略。

3.2 車輛載荷參數和狀態參數估計系統設計

研究模型車試驗平臺與真實車輛的參數匹配策略、準確實時獲取路面附著信息參數策略、汽車質量與道路坡度串行估計系統設計等內容[5]。

（1）模型車試驗平臺與真實車輛的參數匹配策略：完成模型車試驗平臺的載具、中央處理控制模塊以及車載終端電源轉換模塊的設計，研究基于相似理論探究模型車試驗平臺與真實車輛的動力學相似問題，構建模型車輪胎側偏剛度參數辨識模型。

（2）準確實時獲取路面附著信息參數策略：完成車輛穩態轉向下的輪胎側偏剛度估計和路面狀態辨識，構建二自由度車輛模型獲取前、后軸的側向力及側偏角，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偏剛度估計方法，并進行不同路面狀態下的估計結果分析。

（3）汽車質量與道路坡度串行估計系統設計：研究基于縱向動力學的利用擴展卡爾曼濾波算法進行的汽車質量估計，構建汽車質量與道路坡度串行估計算法，根據汽車質量與道路坡度變化的快慢進行分層估計，將緩慢變化的汽車質量作為第一層的估計輸出，將快速變化的道路坡度作為第二層的估計輸出來進行汽車質量與道路坡度串行估計系統設計。

3.3 面向SOA架構的線控轉向系統開發

未來的汽車主要應用是以人工智能為主的軟件技術，要研究新一代SOA架構平臺，完成線控轉向系統開發、構建模塊化的Classic AUTOSAR產品等內容。

（1）新一代SOA架構平臺設計：完成面向服務架構（SOA）的正向開發流程，實現松散耦合、可復用、可發現、可組合、無狀態等特征，能夠使得應用層功能在不同的車型上得到復用，縮短開發與驗證周期。構建以OEM定義的平臺功能列表為切入點的SOA正向開發流程，完成從頂層的功能規劃、用戶的需求分析、功能實現方案設計、系統設計，再最終落地到供應商零部件開發的五大步驟的正向開發流程。

（2）線控轉向總體架構設計開發：制定可行的線控轉向機械設計方案，選用EPS現有的機械件縮短加工周期并設計制作路感模擬執行器和線控轉向執行器，進行機械總成的詳細設計，考慮方向盤限位，合理的設計路感模擬器的減速機構，進行路感模擬器傳感器的選型，并實現轉角傳感器的冗余；進行電機控制器的集成化和模塊化開發，結合轉向工況需求，擬定分層控制策略，包括有駕駛員手感，轉向系統的響應特性等；基于已制定的控制策略進行軟件實現，進一步考慮電機的控制，如跟隨性控制、轉矩脈動抑制、故障診斷處理和全生命周期的健康監測等，如圖1所示。

（3）構建模塊化的Classic AUTOSAR產品：構建的模塊化Classic AUTOSAR軟件產品能夠將整體軟件拆分成若干個可以獨立開發的小模塊，每個獨立模塊之間的連接機制由工具鏈自動完成。每個獨立的小模塊中只需要關注里面的核心算法，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分布式開發的要求。

4 總結

針對線控底盤多系統之間的沖突和干擾問題，通過建立EPS、ASS和ABS各個系統的優化設計模型并作為子系統優化模型，采用智能優化算法對EPS/ASS/ABS系統進行協同控制優化設計，能夠構建線控底盤多系統協同與控制策略，并有效解決多系統之間存在的問題。

2022年度浙江省教育廳高校國內訪問工程師校企合作項目“線控底盤智能優化算法多系統協同與控制策略研究”（FG2022072）；杭州職業技術學院高層次人才科研啟動項目（HZYGCC202109，HZYGCC202230）；首批浙江省職業院校技能大師工作室“楊愛喜技能大師工作室”成果；杭州職業技術學院“未來汽車交互設計中心”建設成果。

參考文獻：

[1]孟天闖，李佳幸，黃晉，等.軟件定義汽車技術體系的研究[J].汽車工程，2021，43（04）：459-468.

[2]劉建銘，劉建勇，張發忠.新能源汽車智能駕駛線控底盤技術應用研究[J].時代汽車，2022（03）：101-103.

[3]陳萌，杜萬席.汽車線控底盤技術發展趨勢分析與研究[J].汽車與配件，2022，No.1342（24）：54-59.

[4]楊曄.淺析無人駕駛汽車線控底盤結構原理與通訊[J].時代汽車，2022（23）：157-159.

[5]趙萬忠，張寒，鄒松春，徐坤豪，劉暢.線控轉向系統控制技術綜述[J].汽車安全與節能學報，2021，12（01）：18-34.