一種應用于乘用車的冗余制動控制系統

【歡迎引用】 肖宇， 隋清海， 官浩， 等. 一種應用于乘用車的冗余制動控制系統[J]. 汽車文摘，2024（XX）： X-XX.

【Cite this paper】 XIAO Y， SUI Q H， GUAN H， et al. A Redundant Braking Control System Applied to Passenger Vehicles[J]. Automotive Digest （Chinese）， 2024（XX）： X-XX.

【摘要】提出了一種由集成式電控制動系統（IBC）和冗余制動單元（RBU）構成的冗余制動系統（IBC+RBU）。首先，分析了IBC+RBU的工作原理及工作模式。然后，基于硬件抽象層（HAL）模塊實現RBU的壓力控制。其次，制定了IBC+RBU接管L3級自動駕駛的控制策略，并基于RBU對防抱死制動系統（ABS）進行控制。最后，搭建硬件在環試驗臺進行硬件在環試驗驗證。研究結果表明：當前系統已經具備冗余制動控制的基本能力，可保證冗余接管的可靠性以及冗余制動控制的穩定性，可以滿足L3級自動駕駛的功能與性能需求。

關鍵詞：集成式制動；冗余控制；壓力控制；臺架試驗

中圖分類號：U461.3 " 文獻標志碼：A "DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20240250

A Redundant Braking Control System Applied to Passenger Vehicles

Xiao Yu， Sui Qinghai， Guan Hao， Hao Zhanwu， Li Songzhan

（Global Ramp;D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013）

【Abstract】 A redundant braking system composed of an Integrated Electronic Control Brake System （IBC） and a Redundant Brake Unit （RBU） has been proposed. Firstly， the working principle and modes of the IBC+RBU system are analyzed. Then， the pressure control of the RBU is implemented based on the Hardware Abstraction Layer （HAL） module. Next， a control strategy for the IBC+RBU to take over Level 3 autonomous driving is developed， and the Anti-Lock Braking System （ABS） is controlled based on the RBU. Finally， a Hardware-In-the-Loop （HIL） test bench is set up for HIL testing and verification. The research results indicate that the current system has the basic capability of redundant brake control which can ensure the reliability of redundant takeover and the stability of redundant brake control， and can meet the fundamental functional and performance requirements of Level 3 autonomous driving.

Key words： Integrated braking， Redundant control， Pressure control， Bench test

0 引言

隨汽車電動化、智能化發展，傳統的制動控制系統已經逐漸無法滿足電動智能汽車對制動系統的要求。集成式制動控制（Integrated Braking Control， IBC）系統是一種高集成電液制動系統，具有響應快、液力控制精確等優點，能夠滿足電動智能汽車對制動系統的要求。國內外諸多學者圍繞IBC壓力控制原理及控制方法展開了研究，Han[1]提出了一種基于液壓估計器的自適應液壓控制器，用于無傳感器IBC液壓控制系統。朱冰[2]提出了基于電機特性及傳感器特性的制動壓力控制方法，其控制較為精確。王偉達[3]根據制動主缸壓力及壓力變化率采用模糊推理對駕駛員制動意圖進行識別，將制動意圖分為常規減速和緊急制動，分別設計了助力電流控制和主動壓力控制兩種策略。由于IBC功能失效風險更高，在IBC失效時僅依靠其機械備份模式無法對自動駕駛模式下的制動系統進行準確控制，從而對駕乘人員的生命安全造成重大威脅[4]。因此，在保留IBC功能的基礎上，集成冗余制動單元（Redundant Brake Unit，RBU），并對冗余電控制動系統設計容錯機制、進行容錯控制，對滿足智能汽車冗余安全要求以及提高制動系統可靠性具有重要意義[5]。國內外的眾多企業和研究機構對冗余制動單元進行了研究，取得了一些成果。熊璐等[6]基于電子液壓制動系統的線控和解耦特性，提出了一種在常規防抱死制動系統（Anti-lock Braking System， ABS）失效時，通過主動調節主缸液壓力設計了一種能實現制動防抱死功能的冗余控制算法。大陸集團提出了主制動單元MK C1和冗余制動單元MK100 HBE配合的方案架構。正常模式下，由MK C1完成制動，在MK C1失效時，由MK100 HBE對前輪進行制動[7]。

本文提出了一種IBC+RBU冗余制動控制系統。首先，分析了IBC+RBU的工作原理及工作模式；然后，基于硬件抽象層（Hardware Abstraction Layer，HAL）模塊實現對RBU的壓力控制；其次，制定了RBU接管策略并基于RBU對ABS進行控制；最后，搭建硬件在環試驗臺，進行硬件在環試驗驗證，旨在滿足L3及以上等級自動駕駛系統對制動系統安全性的要求。

1 冗余制動系統工作原理

1.1 IBC+RBU基本結構及液壓原理

IBC+RBU制動控制系統液壓原理如圖1所示，其中RBU主要由柱塞泵、電機、4個電磁閥系統、壓力傳感器等構成，冗余控制單元結構如圖2所示。

1.2 IBC+RBU結構及工作模式

IBC+RBU冗余制動控制系統按照系統工作狀態可分為3種基本工作模式：常規模式、外部制動模式及機械液壓備份模式。

1.2.1 常規模式

當IBC檢測到伺服缸失去建壓能力或者IBC的ECU失效（即RBU與IBC通訊超時）后，RBU接管制動控制。隔離閥7掉電關閉，隔離閥4、5掉電關閉，隔離閥3、6掉電開啟。駕駛員踩下制動踏板，主缸建壓，控制吸入閥1、2通電開啟，隔離閥1、2通電關閉，根據RBU中壓力傳感器獲取駕駛員制動強度的請求，換算成輪缸所需缸壓，計算冗余制動系統最大允許接管時間內柱塞泵的流量，控制柱塞泵的直流有刷電機在一定電流時工作。控制限流閥開度鎖定固定液壓差，使輪缸壓力保持在所需壓力。

1.2.2 外部制動模式

當IBC無法正常工作的情況下，外部制動檢測到需要RBU制動時，會將制動指令請求發送到RBU，隔離閥7掉電關閉，隔離閥4、5掉電關閉，隔離閥3、6掉電開啟。控制吸入閥1、2通電開啟，隔離閥1、2通電關閉，根據外部制動強度請求，換算成輪缸所需缸壓，計算冗余制動系統最大允許接管時間內柱塞泵的流量，控制柱塞泵直流有刷電機在一定電流下工作；控制限流閥開度用以鎖定壓差，使輪缸保持所需壓力。

1.2.3 機械液壓備份模式

當車輛進入機械備份制動模式時，所有電磁閥均保持掉電狀態，隔離閥7掉電，閥口關閉；隔離閥3、6掉電，閥口打開，制動踏板和輪缸耦合。駕駛員踩下制動踏板，制動主缸制動液經由隔離閥1、2限流，通過隔離閥3、6進入輪缸實現制動。

2 RBU壓力控制方法

RBU壓力控制通過硬件抽象層（Hardware Abstraction Layer， HAL）模塊實現，HAL模塊共由4部分構成：建壓控制、電機控制、電機目標轉速和進液閥控制，控制流程如圖3所示。

建壓控制模塊計算當前制動壓力和系統目標壓力的壓力差，通過此壓力差及目標壓力值查表得到一個吸入閥的通電電流。吸入控制閥電流數據見表1。

根據輸入的電機轉速和管路的油液剛度cW，計算當前的預估壓力值Ps。

[Ps=PS_KI+S·cW·dt] （1）

式中：Ps為預估壓力值；PS_KI為上周期壓力值；S為流量速度；cW為剛度系數，即液體剛度值，是壓力與液體減少體積曲線的微分曲線。通過cW可以建立流速與預估壓力之間的關系。

電機目標轉速模塊通過輸入主缸壓力、車輪剛度值、泵容積效率、Ps計算輸出當前增壓目標所需的電機目標轉速。

電機控制模塊由目標電機轉速和當前電機運行狀態參數得出電機的PWM輸出信號使電機運行。進液閥控制模塊由Ps和目標壓力查表計算出吸入閥1、2閥占空比對吸入閥進行控制。當有壓力請求輸入時，通過HAL模塊輸出控制吸入閥1、2，隔離閥1、2開閉和電機轉速，電機旋轉帶動柱塞泵吸入油液進入管路使輪缸建立壓力。

3 L3級自動駕駛控制策略

RBU與IBC組成的制動系統在運行中會實時監控彼此狀態（通過控制器狀態CAN報文與相關CAN報文通信質量），控制流程如圖4所示。

在非L3級自動駕駛過程中，RBU檢測到IBC失效失去建壓能力時會接管基礎輔助制動功能，響應駕駛員的制動請求建壓制動。

L3級自動駕駛分為自動行車與自動泊車2種工況，自動駕駛時當IBC失效時RBU接管制動代替IBC響應上位的減速度請求主動建壓制動，自動泊車時IBC失效RBU會接管立即剎停車輛。

3.1 功能模塊定義

自動駕駛和自動泊車系統的綜合管理和反饋機制包括請求解析、狀態監控、接管狀態切換、狀態反饋以及執行器激活狀態判斷等功能，具體功能如下：

（1）自動行車外部請求解析：根據主備CAN通信質量和報文內容解析上位的自動駕駛請求。

（2）自動行車IBC狀態解析：根據主備CAN通信質量和報文內容解析主控制器IBC的自動駕駛狀態。

（3）自動行車接管狀態機：根據外部請求與IBC的狀態切換RBU接管狀態。

（4）自動行車RBU狀態外部反饋：將RBU自動駕駛的接管狀態匯總簡化反饋RBU的激活狀態通過CAN反饋至外部。

（5）自動泊車外部請求解析：根據主備CAN通信質量和報文內容解析上位的自動泊車請求。

（6）自動泊車IBC狀態解析：根據主備CAN通信質量和報文內容解析主控制器IBC的自動泊車狀態。

（7）自動泊車接管狀態機：根據外部請求與IBC的狀態切換RBU接管狀態。

（8）自動泊車RBU狀態外部反饋：將RBU自動泊車的接管狀態匯總簡化反饋RBU的激活狀態通過CAN反饋至外部。

（9）執行器激活狀態判斷：匯總自動泊車與自動駕駛的接管狀態和IBC基礎制動失效狀況，判斷RBU是否接管制動，將制動激活信號發送至執行模塊。

3.2 功能交互策略

L3自動行車外部請求解析需要首先校驗網絡通信質量，本文所述系統采用“雙CAN雙判”控制策略，當IBC及RBU采集到任意一個CAN總線通訊故障則控制系統無法響應L3自動行車功能需求。

系統進入L3自動行車功能后，自動行車IBC狀態解析模塊需要不間斷地解析IBC狀態，當監控IBC出現故障時，RBU需立即接管L3自動行車控制。

自動行車接管狀態機根據以上校驗通過后的IBC狀態和自動行車請求進行狀態轉換，IBC和RBU必須確認另一個控制器進入準備或待命狀態時才進入待命狀態，此過程中IBC與RBU狀態機需要相互校驗狀態，不能形成狀態互鎖。只有當IBC及RBU同時進入待命狀態制動系統才能響應上層的L3自動行車請求。冗余控制系統響應L3自動行車共分為3種功能轉換狀態：

3.2.1 L3執行

前置條件：IBC與RBU的執行器狀態正常且完成自檢后功能正常。

功能執行：RBU準備完成進入待命狀態后，IBC跳轉進入“執行”狀態，RBU保持待命；如IBC無故障則正常執行自動駕駛功能，執行完成后執行“L3退出”；如IBC中途故障，RBU執行“L3接管”。

3.2.2 L3接管

前置條件：IBC故障前已成功激活并執行L3級自動駕駛功能。

狀態跳轉：當IBC故障時（IBC狀態跳轉至不可用狀態或與IBC通信的CAN信號均丟失持續10個通信刷新周期），RBU由待命狀態進入激活狀態，接管制動，直至該自動駕駛循環退出。

3.2.3 L3退出

前置條件：智能駕駛主機發送功能退出請求。

狀態跳轉：分2種情況，IBC正常退出和RBU接管退出。IBC正常退出時，IBC與RBU均響應上位退出請求并跳轉至“退出待命”狀態，IBC與RBU均確認對方在退出待命或退出狀態時才能退出，設置該中間狀態以確認雙方同時退出。RBU接管退出時，RBU接管執行后，將不再考慮IBC當前的狀態，直接響應外部信號退出。

L3自動泊車的接管控制策略同自動行車的接管控制策略，自動行車與自動泊車功能不能同時激活，自動行車與自動泊車功能進入RBU接管后，須向外部發出信號用以提示。

4 RBU ABS控制方法

ABS控制流程如圖5所示，首先，通過車輛信號判斷路面狀態與整車狀態，然后與計算得到的等效壓力、等效壓力梯度進行比較，進行壓力梯度控制，進而輸出ABS控制所需要的壓力。

4.1 車輛信號處理

RBU通過輪速、輪加速度、輪濾波加速度，計算參考車速、參考加速度、車輛滑移率。

參考車速：通過參考車速上限（vNeg）和參考車速下限（vPos）計算參考車速和參考加速度。vNeg一般情況等于第二大輪速，vPos一般等于第二小輪速，但在對開或低附路面時，使用第一大輪速和第二大輪速作為參考車速的上下限。參考速度變化速率決定了參考車速估計的梯度限制，對參考車速進行合理性檢驗。

參考加速度：先選取參考輪速，一般為第二小輪速與第一小輪速的平均值。如果在對開或低附路面，則取第一大輪速。如果在對開或低附路面存在車輪滑轉時選取第二小輪速，根據該參考輪速計算出一個加速度，在不同工況下使用不同的濾波方式對加速度進行濾波，得到車輛的參考加速度。

通過參考車速與輪速，計算各輪滑移率。

[s=veh-vxxveh] （2）

式中：[s]為車輪滑移率，[veh]為車速，[vxx]為不同車輪的輪速。

4.2 路面識別

設定高、低附路面的參考加速度區間和對開路面參考加速度區間，一般使用高、低附路面加速度區間，當部分但不是全部車輪的滑移率超過容許范圍時，使用對開路面參考區間。若參考加速度持續保持在某一區間，則初步識別為該區間代表的路面。當參考加速度所處區間變化穩定保持時，則路面切換為新區間代表的路面。

4.3 整車狀態

實際制動過程中，車輪的滑移率、加速度會受到傳動系統等因素振蕩的影響。將輪滑移率、加速度作為觀測對象，取其極值并計算最大變化幅度與最小變化幅度，計算觀測對象的振蕩比例。將滑移率、輪加速度乘振蕩比例得到振蕩值。如果減去振蕩值后的滑移率和輪加速度大于不穩定門限，則認為該車輪處于不穩定狀態。依此類推，得到4個車輪的穩定狀態。對車輪穩定狀態排列組合，得到整車車輪狀態。

4.4 壓力計算及控制

在高附著或對開路面上，選取最小輪速輪作為參考輪控制；在前軸輪速較大輪和后軸輪速較大輪中，選取較小者作為低附路面的參考輪。不同路面和車輛狀態對應不同的增建壓梯度。

防抱死激活時，若參考輪穩定，則進行增壓，至輪減速度大于參考減速度、且滑移率到達保壓門限時，壓力保持不變。若參考輪不穩定，則進行減壓，由估算壓力查表可得減壓后的目標壓力，并設置最大減壓梯度。若參考輪為最小輪速輪，則設置最小目標壓力限制。循環控制，直到無制動請求或制動結束或ABS功能退出。

目標壓力計算公式：

[PTr=Pm+PG·dt] （3）

式中：[PTr]為目標壓力，[Pm]為輪缸估算壓力，[PG]為壓力梯度。

5 系統臺架試驗

基于CarSim軟件及實車應用環境搭建硬件在環（Hardware-In-the-Loop， HIL）試驗臺，硬件包括IBC、RBU、制動鉗、壓力傳感器及其連接管路，如圖6所示。

系統主要參數如表2、表3、表4所示。

5.1 RBU建壓試驗結果

RBU建壓試驗通過試驗臺架進行，臺架管路內接有壓力傳感器讀取實際壓力，通過Vector CANape進行給定目標壓力并采集實際制動卡鉗壓力值進行試驗。試驗結果為RBU電機1.44 s建壓10 MPa，符合實際車輛使用需求，見圖7。

5.2 RBU保壓試驗結果

保壓試驗通過試驗臺架進行，給定目標壓力值為10 MPa，當建壓完成后觀察輪缸實際壓力值波動幅度。試驗結果為建壓10.06 MPa后保壓時間內壓力波動約為0.15 MPa，符合實際車輛使用需求，見圖8。

5.3 RBU防抱死試驗結果

防抱死試驗通過試驗臺架進行，給定車速為30 km/h，通過CarSim設定地面附著系數為0.2。制動后觀測輪速實際值，全程無制動抱死，符合實際車輛使用需求，見圖9。

6 結束語

本文提出了一種具有冗余制動控制功能的制動控制系統（IBC+RBU），重點闡述了系統工作策略，并基于CarSim軟件及實車應用環境搭建HIL試驗臺進行了控制策略的驗證。臺架試驗結果證明，本文提出的RBU壓力控制方法及ABS功能控制策略可以滿足IBC故障情況下駕駛員的制動需求。本文提出的冗余系統控制策略現已在某課題中進行研究，但暫未進行實車驗證，其可靠性有待進一步驗證。隨著汽車行業不斷發展，冗余制動控制系統將加強與其他自動駕駛系統協同工作，為用戶提供更加智能、安全的駕乘體驗，并且將進一步提高系統的響應速度和控制精度，不斷優化和完善以更好地適應不同的路況和駕駛需求。

參 考 文 獻

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（責任編輯 明慧）