智能網聯汽車底盤線控系統與控制技術

林大杰

摘 要：隨著智能網聯汽車的電氣化技術的不斷發展，其底盤的電氣控制水平也在不斷地提升。作為智能網聯汽車的的核心技術之一，底盤線控制技術的應用將直接關系到車輛的安全性、運行穩定性等，并且其也是促進智能網聯汽車發展的關鍵要素。基于此，本論文旨在通過對智能網聯汽車底盤線控容錯控制方法的研究，對當前智能網聯汽車底盤線控系統控制技術展開分析，最后再提出智能網聯汽車底盤線控控制方式，以期更好地提升汽車的整體性能。

關鍵詞：智能網聯汽車 底盤線控系統 控制技術

1 引言

底盤控制系統作為汽車行駛的核心部件，其主要作用是對車輛的行駛進行有效地控制，并在此過程中提高汽車的操控性、穩定性以及安全性。就當前技術發展而言，在智能網聯汽車底盤控制系統方面也取得了一定的進展。但智能網聯汽車發展過程中，在線控系統層面也面臨著一定問題與挑戰，主要表現在：（1）現有的線控技術無法適應智能網聯汽車對車輛自身性能要求；（2）車輛線控系統的控制器還不夠成熟；（3）車載計算處理單元（CAN）的通信協議不夠完善；（4）底盤控制系統本身存在一定問題等。由此對智能網聯汽車底盤線控系統與控制技術進行研究將具有必要性。

2 底盤線控技術概述

智能網聯車輛的終極目標是使自動駕駛成為可能。線控底盤是自動駕駛執行端的重要部件，該技術具有復雜環境感知、智能決策、協同控制等特點，使汽車在行駛過程中能夠安全、節能、高效地進行自主行駛。智能網聯汽車裝配有傳感器、控制器、執行器等，期間通過利用互聯網技術和現代通訊技術的方式，也將能夠使得車輛信息能夠實現智能交換和共享。

智能網聯汽車的技術主要分為智能化和互聯兩個方面，為了使汽車智能化、網絡化，將需要采用VCU（Vehicle Control Unit，VCU）對車輛的各種信息進行集成和處理，并將其傳遞給底盤系統。底盤系統是根據指令精確地完成的，汽車在行駛時需要大量精確的底盤信號來感知車輛的狀況，以確保車輛得以實現安全穩定運行。傳統汽車的機械結構和液壓系統都比較復雜，由此將使其難以得到精確控制。而底盤線控制系統則可以通過電信號對底盤進行實時的控制，并及時向車輛反饋信息。所以，在智能網聯車輛中，底盤線控制技術得到了較高頻率地應用。

智能網聯汽車的底盤線控制技術是通過電氣信號代替機械或液壓元件實現對執行器的控制。一般智能網聯汽車分為兩種：人工駕駛和和無人駕駛。在人工行駛時，由汽車控制器接收駕駛員的操縱信號和車輛的信息，通過整車控制器對底盤各部分的數據進行集成計算，從而實現對執行機構的控制。在無人駕駛狀態下，由檢測平臺接收來自環境感知傳感器的數據，經計算機運算后，由控制器局域網（CAN）傳輸至VCU，由VCU對計算平臺傳輸的數據進行分析、處理，最后由CAN線傳輸至底盤線控系統，從而完成整個車輛的控制。底盤線控技術是從人工駕駛到無人駕駛，最后用環境感知傳感器取代人工操縱的信號，VCU可以對環境感知傳感器進行分析，并有效實現對底盤線控系統的控制。

3 線控系統地引入對汽車而言的優勢

1）優化原有機械機構，實現更加靈活的功能系統布置。汽車線控系統在優化原有機械機構的基礎上，能夠通過智能算法對電子控制單元進行智能匹配，保證了機械裝置內部結構和控制模式的協調與統一。同時，在智能化汽車設計中，通過采用電控液壓懸架、電子制動力分配系統（EBD）以及自適應巡航等先進的功能配置來實現更加靈活的功能系統布置。例如：線控系統中，車輛在轉向時需要有液壓助力裝置的輔助支撐，當車輛發生轉向不足時，電子制動力分配系統（EBD）能夠自動降低驅動輪的轉速以減少制動力矩，實現更加靈活和準確地轉向控制。同時，該機構還可以對剎車系統進行調整和控制，實現更高程度地剎車輔助和自適應巡航功能以及其他高級功能。在此基礎上，線控技術還可以通過智能算法對車輛的電子制動力分配（EBD）功能以及自適應巡航控制等功能進行優化設置。

2）使用電機作為執行器的線控系統整體上降低了系統質量，從而降低整車質量，有利于節能環保。通常，車輛線控系統的控制方式包括有轉向和制動控制等，其中，車輛轉向控制中主要是通過對電機速度指令進行轉換與執行來實現的。以當前應用最為廣泛的電控液壓助力轉向系統為例，在該系統中，主要由驅動電機和液壓助力助力泵組成。因此，在傳統電子控制單元不能直接與汽車線控設備連接的情況下，傳統電機和液壓助力裝置通過一種特殊機構連接在一起。此外，在進行轉向和制動操作時，由于其結構形式比較簡單，所以能夠最大限度地保證電機工作時不會對周圍環境產生影響。

3）采用線控系統的汽車更加易于進行二次開發，實現更多的定制化功能。目前，在汽車產品中，由于電子控制單元相對較少，導致其應用的空間有限。如果對車輛線控技術進行優化設計，那么就能夠有效地將線控技術應用于不同車型中。例如：在某款SUV車型中，如果采用電控液壓懸架系統與轉向系統的混合設計，那么所具有的最大制動能力就無法達到最小制動能力要求；如果采用電控液壓懸架和轉向組合進行搭配的話，那么所具有的最大制動能力就會達到較小制動能力要求。在此基礎上，汽車線控裝置對電子控制單元進行了優化匹配，因此所具備的最小制動能力將得到極大地提高。同時由于電控液壓懸架、電子制動防抱死系統（EBD）以及自適應巡航等高級功能設計的需要，也會使得汽車線控技術得到了進一步地優化和完善。

4）由于具備電信號控制的執行機構，從而為自動駕駛系統的開發準備的基礎。汽車線控系統的引入不僅可以對車輛進行更多高級功能的設計，而且還能夠對車輛本身的運行狀態進行監測，使自動駕駛系統在一定程度上得到進一步發展。例如：在自動駕駛領域的研究中，通過采用汽車線控技術來實現無人駕駛功能，能夠使車輛內部結構及機械機構得到優化和完善，同時還可以在很大程度上減少人為操作，從而在某種程度上提升安全性。

4 底盤線控子系統

4.1 線控轉向系統

智能網聯車輛的線控轉向系統是一種通過電子信號進行信息傳輸的電子控制系統?；贓PS的開發，逐步完善。把方向盤與轉向執行機構的機械聯接改為控制裝置對伺服電機進行控制，以此來帶動轉向執行機構。在汽車自動避障、自動泊車、車道保持等方面，線控轉向系統能夠對汽車的側向移動進行智能控制。目前線控轉向和線控制動也是線控子系統的核心，產業發展也比較有成長性。特別在智能駕駛催化下，線控轉向技術成為未來的發展重心。2022年1月起，中國轉向標準GB 17675-2021已正式實施，新政解除過去政策對轉向系統方向盤和車輪物理解耦的限制，為線控轉向落地掃除了政策障礙。

在人工行駛模式下，駕駛員旋轉方向盤，方向盤扭矩和角度傳感器將檢測到的轉向盤扭矩和轉向盤角度，從而將扭矩和角度信號轉換為電信號，輸入到一個電子控制單元（ECU），ECU通過計算和輸出適當的命令來對轉向執行電機進行適當的旋轉方向、扭矩大小和轉速的操作，然后對機械轉向機構進行控制，從而使車輛的車輪最終到達駕駛員所期望的方向。同時，通過位移傳感器將車輛的速度、角度等信息轉化為電子信號，再由ECU進行路感控制，再將轉向盤的扭矩反饋給駕駛員，從而達到仿真的效果。在無人駕駛狀態下，駕駛員轉動方向盤的手動操縱，會變成電腦平臺將操縱意向傳送至VCU，計算平臺會依據所收到的環境感知傳感器的訊號、設定的行車路線等，來判定車輛的行駛方向，并由CAN總線傳送至VCU，由VCU進行運算，再由CAN總線傳送至線控轉向系統ECU，從而實現車輛的轉向。

由于其控制系統要針對不同的車輛工況，所需的力計算較為復雜，因此一般需要采用容錯控制技術，其中最常見的是硬件冗余法和分析冗余法。硬件冗余法是通過在設備中配置兩組單獨的機械設備，對易發生故障的重要部件進行備份，以改善系統的容錯能力。在汽車正常運行時，離合器處于脫開的狀態，車輛通過電子信號進行信息傳遞。在電子訊號不正常時，離合器聯接，通過機械元件來傳達汽車的方向訊號。

解析冗余法又稱為控制冗余法，其可以在故障狀態下，利用算法的冗余，在容錯性條件下實現基本的轉向目標。

4.2 線控驅動系統

線控驅動系統目前技術壁壘較低，市場應用較成熟。通過線控驅動，可以在車輛垂直方向上調整車輛的前進方向，從而精確地控制車輛的預期速度。線控驅動系統可以把原本的機械傳輸，比如駕駛員踩油門，轉變為電子信號的準確傳輸。如果是自動駕駛，將會有計算平臺代替油門踏板，用電子信號來控制發動機。

線控油門控制系統是利用傳感器對油門的深度和速度進行檢測，以達到對踏板的電子控制，再由控制單元接收并解讀，最后再根據控制命令對車速進行控制。線控驅動系統按功率源的不同可分為兩類，分別是：燃油車的線控驅動系統和純電動汽車的線控驅動系統。在智能網聯汽車線控油門系統中，驅動系統的能量是由電池提供，“油門”則是控制電機的扭矩和速度，與計算平臺、VCU、MCU共同完成車輛的加減速，而計算平臺利用周邊的信息進行融合，計算出最優的行車路線，并將其發送到 VCU，VCU將踏板踩下程度等信息傳遞到MCU，MCU對電機的扭矩和速度進行控制，從而達到加速的目的。

4.3 線控制動系統

與傳統的汽車剎車系統相同，其作用是根據道路狀況實現自動剎車，但在結構上卻不相同，線控制動系統代替了機械或液壓部件，切實將輸入接口（剎車踏板）和執行裝置（剎車執行器）連接起來。

線控制動系統需要高精度的信號以及通信協議的安全。目前線控制動系統有兩種形式：一是線控機械結構，另一種是線控電子機構。機械結構的線控制動系統，其通過連接線控制動部件的運動，利用摩擦制動器進行制動，包括有制動踏板行程、壓力傳感器和車輪傳感器等。在傳統汽車中，機械制動器由車架、制動襯套、制動蹄和制動拉桿組成。電子結構的線控制動系統，通過電子元件的開關與轉換實現運動部件之間的連接與控制，例如有制動液壓閥、電磁閥以及液壓缸等。與傳統機械式線控制動系統相比，電子結構的線控制動系統可以簡化機械部件構造，減少制造成本及裝配難度。

按智能網聯車輛未來自動駕駛的趨勢，電子線控制動系統將需要更加深入的發展，同時在碰撞事故或者電子失靈情況下，制動系統是否還能正常運轉也是值得關注的技術問題。

4.4 線控懸架系統

懸架是汽車底盤系統的重要組成部分，其能夠通過調節和控制懸架系統的阻尼系數、彈簧剛度以及懸架動行程，以提高汽車的行駛平順性及操縱穩定性。線控懸架系統技術應用較早，但由于價格高昂，目前主要應用于高端車型。傳統汽車上所使用的懸架系統是被動式的，它通過彈性元件來改變車身高度，而車輛在行駛時受到路面和其他外部干擾因素的影響，會使車身產生相應的振動和運動，從而降低了車輛的舒適性以及操控穩定性。傳統懸架系統對于提升汽車安全性、舒適性以及操作性而言，并不能滿足智能網聯汽車對主動安全、平順性等方面提出的更高要求。而線控懸架系統主要由傳感器、執行器和ECU（電子控制單元）等組成，它能夠根據傳感器的信息進行判斷，然后通過控制執行器來改變車輛的阻尼系數，進而改變車體高度，由此更好地提升駕駛人員的駕駛體驗。

針對車輛的運動、裝載等不同工況，采用不同的車輛控制策略，對車輛負載、速度等進行不同的控制，由此實現對線控懸架系統的有效控制。由于汽車負載的不同，會對車身的高度產生一定的影響，所以線控懸架系統可以根據負載的不同調整車身的高度，從而有效確保車身的穩定性。在停車時，乘客數量和負載都會降低，由于重力的作用，車體的高度也會隨之增大。為了減輕線控懸架系統的負載，將需要自動降低車輛的高度。在汽車的高速運動中，線控懸架系統會主動地降低車身高度以提高駕駛的平穩性。當汽車在崎嶇的道路上行駛時，為了防止地面或懸架磕碰，懸架控制系統會自動提升車身高度。

懸架控制系統也可以根據各種駕駛條件調節底盤的阻尼性能，使整車的乘坐舒適性和操縱穩定性得到優化提升。

5 底盤線控控制技術

5.1 全矢量單獨車輪控制

全矢量單獨車輪控制是一種驅動系統，其由驅動電機和轉動軸組成，主要功能是對四個車輪進行驅動和制動。驅動電機可通過多路信號來實現對四個車輪的驅動控制，同時也能使各車輪以不同的轉速和轉矩運動。轉動軸主要用來滿足轉向和制動需求，而其上安裝有制動能量回收系統。對于智能網聯汽車而言，通常使用永磁同步電機來作為驅動力及動力傳輸系統，這主要是因為永磁同步電機具有結構簡單、成本低廉、體積小等優點。全矢量單獨車輪控制在使用中會受到空間限制，因此其應用較為少見。這種方法在空間受限的應用中能起到良好的效果，同時也能兼顧汽車安全性及舒適性等多方面需求。比如國內某汽車廠商在2023年發布全新品牌，其中就采用國內首次量產的四電機驅動技術，從而打破傳統汽車的概念，通過底盤的矢量控制技術，對汽車四輪實行動態精準控制。

5.2 線控底盤集成控制架構

線控系統控制技術的發展是隨著電子控制技術不斷發展而來的。現代線控技術主要有以下幾種類型：1）基于微處理器和數字信號處理的邏輯電路；2）基于計算機或數據通訊協議的控制器，其包括有汽車發動機控制系統、制動系統以及懸架控制系統等；3）基于DSP數字信號處理技術，包括有轉向系統、動力傳動系統、驅動控制和底盤控制等。

現代電子控制技術是指用微電子機械芯片代替傳統機械結構，使電子系統達到智能化程度的一種電子裝置或器件?，F代電控技術是將電子電路、傳感器設備及各種控制與驅動裝置等集成到一個底盤之上，從而實現車輛的智能化。隨著智能網聯汽車的發展，智能網聯汽車在一定程度上能夠更好地實現車輛安全化、智能化和人性化發展方向的要求。

當前，在智能網聯車輛的底盤線控系統中，各子系統間缺少相互間的信息交流，同時存在著多個子系統相互不協調、相互影響等問題。而智能網聯汽車的最終目標是實現車、路、行人、云平臺的互聯。

6 結束語

總而言之，智能網聯汽車底盤線控技術是一種對控制策略有較高要求的高精密汽車電子控制技術。期間通過四個底盤線控子系統的高度協作，將可以實現全矢量單獨車輪控制，并且也能夠使車輛運行更加安全、可靠。在未來，隨著消費升級、電動智能的持續變革，汽車底盤各個子系統將持續向線控化轉型，應用的頻率將會不斷提升，而集成化也將成為其發展的必然趨勢，由此強化對智能網聯汽車底盤線控系統技術研究將具有必要性。

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