基于CAN網(wǎng)絡(luò)的智能網(wǎng)聯(lián)汽車線控底盤系統(tǒng)測(cè)試研究

中圖分類號(hào)：U43.1 收稿日期：2025-02-17 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.05.015

Research on Testing of CAN Network-Based X-by-Wire Chassis System for Intelligent Connected Vehicles

Mao Libo She Xiang Zhejiang Technical Institute of Economics，Hangzhou 310o18，China

Abstract：Withtherapid developmentof intellgentconnected vehicle technology，an increasingnumberofindustry productsare equiped withahigher-levelx-by-wirechasissystem.BasedonCANbus networkcontroltechnologyandcorrspondingtestequipment，this paperbuildsatestbnchforthex-by-wirechasissystmofacertan typeofinteligentcoectedvehicle.Itteststhexby-wire steringresponseunder diferenttorques andsimultaneouslyestablishesanevaluationsystemfromaninovative dimesion， providingadirectionfortheimprovementofthetestresearchonthex-by-wirechasissystemofintellgentconnectedvehicles.

Keywords：X-by-wireChassis;CANNetwork;TestResearch

1前言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)往電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化方向持續(xù)變革，線控底盤技術(shù)成為智能網(wǎng)聯(lián)汽車的核心技術(shù)載體之一。作為銜接上層算法與下層執(zhí)行的關(guān)鍵一環(huán)，線控底盤系統(tǒng)通過電信號(hào)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等核心功能的數(shù)字化精準(zhǔn)控制。這不僅為后續(xù)高級(jí)別的自動(dòng)駕駛提供了必要的執(zhí)行基礎(chǔ)，更是為車輛的智能化運(yùn)動(dòng)控制構(gòu)建了核心的物理平臺(tái)。同時(shí)，結(jié)構(gòu)與控制的變化也意味著整車或系統(tǒng)層面的使用會(huì)出現(xiàn)新的問題。為確保研發(fā)、使用、售后層面的可靠與精確，對(duì)相關(guān)系統(tǒng)的測(cè)試研究變得日益重要。

本文搭建基于實(shí)車的線控底盤系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架，并研究創(chuàng)新維度的測(cè)試過程與結(jié)果評(píng)價(jià)體系，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車線控底盤系統(tǒng)測(cè)試研究提供了新的研究思路與完善方向。

2線控底盤系統(tǒng)測(cè)試研究現(xiàn)狀

線控底盤系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展數(shù)年，對(duì)于系統(tǒng)的測(cè)試，一些學(xué)者進(jìn)行了研究。么洪列等1基于某重型卡車參數(shù)，提出了基于硬件在環(huán)HIL的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗(yàn)方案，并搭建了自動(dòng)控制試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀ＬK海東等2通過對(duì)試驗(yàn)車型的制動(dòng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改裝并連接診斷接口，成功編譯線控底盤系統(tǒng)關(guān)鍵行駛參數(shù)，為基于實(shí)車的進(jìn)一步線控試驗(yàn)提供了實(shí)踐基礎(chǔ)。胡健健等3設(shè)計(jì)了基于B/S架構(gòu)、無人駕駛域控、VCU、5G模塊與CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊的無人電動(dòng)礦卡線控底盤的遠(yuǎn)程調(diào)試工具。李淑萍4通過改裝某型純電動(dòng)乘用車構(gòu)建了無人駕駛實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并通過ROS分布式模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了軟件系統(tǒng)與線控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信。貫懷光等5基于智能底盤試驗(yàn)平臺(tái)與CANoe軟件提出一種智能底盤輔助駕駛系統(tǒng)控制精度和穩(wěn)定性測(cè)試方法，并定義了相關(guān)測(cè)試指標(biāo)。陳克乾[6]基于對(duì)通信靈活性等四方面因素進(jìn)行考慮比較，認(rèn)為汽車關(guān)鍵部件系統(tǒng)采用CAN更適合新能源汽車的通信環(huán)境。向世林等7探討了高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)情況下的X-in-loop測(cè)試的相關(guān)方法，并提出了可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面測(cè)試的虛擬混合測(cè)試方法。

綜上，當(dāng)前線控底盤系統(tǒng)測(cè)試已經(jīng)基于硬件在環(huán)、實(shí)車改裝、遠(yuǎn)程控制等多種模式開展研究，在硬件選型搭建和軟件設(shè)計(jì)調(diào)試上均有了較為深入的探索，但是對(duì)于相關(guān)測(cè)試指標(biāo)的維度定義、評(píng)價(jià)體系研究還需要進(jìn)一步完善。

3基于CAN網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試臺(tái)架框架設(shè)置

本文所使用的材料及對(duì)象有：某型純電動(dòng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車，專用自動(dòng)駕駛訓(xùn)練臺(tái)架，CAN網(wǎng)絡(luò)讀取設(shè)備與對(duì)應(yīng)軟件、電腦、汽車故障診斷儀以及相應(yīng)安全防護(hù)設(shè)備。

試驗(yàn)汽車為后置電機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)形式，為安全起見，對(duì)后輪采用限位塊固定，以防在車輛測(cè)試中造成意外。專用自動(dòng)駕駛訓(xùn)練臺(tái)架與整車CAN網(wǎng)絡(luò)控制線束相連接，同時(shí)與安裝在車身外部的車載智能化硬件相連接，包括32線激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、前置主攝像頭等。其中激光雷達(dá)因傳輸數(shù)據(jù)量大，采用網(wǎng)線連接而非傳統(tǒng)CAN線或LIN線。此外，由于上述智能化硬件為后裝，原車并不配備控制單元，因此訓(xùn)練臺(tái)架還配備有智能駕駛芯片，以及接收控制整車端CAN信號(hào)的上位主機(jī)。連接原理圖見圖1。

底盤線控部分從整車模塊CAN線衍生出來接入臺(tái)架的上位機(jī)，并同樣借助相對(duì)應(yīng)的CANTool軟件。在CANTool軟件中已經(jīng)內(nèi)置了與試驗(yàn)車型對(duì)應(yīng)的dbc數(shù)據(jù)庫(kù)文件。dbc文件全稱是DatabaseCAN文件，用于描述CAN網(wǎng)絡(luò)中所傳遞的數(shù)據(jù)。在汽車車載CAN網(wǎng)絡(luò)中傳遞的數(shù)據(jù)為二進(jìn)制，雖然目前汽車會(huì)根據(jù)所處模塊的不同來配置不同的CAN網(wǎng)絡(luò)。但在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)下依舊會(huì)傳輸大量信息。因此dbc文件主要的作用是定義CAN消息中的版本、波特率、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、報(bào)文、信號(hào)、注釋、特征等，其中報(bào)文的定義包括報(bào)文ID、報(bào)文長(zhǎng)度、報(bào)文名稱、報(bào)文發(fā)送方，信號(hào)的定義包括數(shù)值類型、數(shù)值范圍、偏移量、因子以及單位等。由此，才可以在CANTool軟件通過數(shù)據(jù)庫(kù)文件解析CAN信號(hào)。通過CANTool軟件接收、發(fā)送界面以及dbc數(shù)據(jù)庫(kù)。由此，使用請(qǐng)求信號(hào)的發(fā)送與目標(biāo)信號(hào)的狀態(tài)觀測(cè)，來協(xié)助完成相關(guān)底盤線控相關(guān)功能的測(cè)試與評(píng)價(jià)。

線控部分的實(shí)現(xiàn)是借助目標(biāo)試驗(yàn)汽車的ACC自適應(yīng)巡航控制功能（AdaptiveCruiseControl）。自適應(yīng)巡航控制是在定速巡航的基礎(chǔ)上迭代而來，定速巡航可以使得車輛在縱向前進(jìn)方向保持一定的速率，但無法進(jìn)行與前方物體的距離控制以及橫向方向的保持。因此融合了縱橫向控制的新型自適應(yīng)巡航可以實(shí)現(xiàn)的功能有：a保證與前方物體的固定距離，即巡航速度可變；b.保證在車道線內(nèi)的居中行駛，即轉(zhuǎn)向角度可調(diào)整。控制原理見圖2。

因此，在該類型的自適應(yīng)巡航控制中，可以實(shí)現(xiàn)線控底盤的相關(guān)功能，包括控制系統(tǒng)對(duì)于電驅(qū)的控制、對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的控制以及對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制。以轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例，在車輛高壓上電的情況下，智能駕駛控制器或整車VCU根據(jù)為保持居中所需要的車身偏移量來計(jì)算方向盤所需轉(zhuǎn)角，并通過自身或上位機(jī)的信號(hào)控制輸入電動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)的電流來實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員端以及路面端的控制，即對(duì)方向盤進(jìn)行轉(zhuǎn)角控制以及對(duì)轉(zhuǎn)向器進(jìn)行角度控制，最終實(shí)現(xiàn)車輛橫向偏移的效果。實(shí)車操作如圖3所示。

4線控底盤系統(tǒng)測(cè)試流程與性能評(píng)價(jià)

在完成測(cè)試系統(tǒng)的搭建后，選取測(cè)試的目標(biāo)、進(jìn)行測(cè)試流程并建立測(cè)試結(jié)果的評(píng)價(jià)體系。本研究選取線控轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)作為研究目標(biāo)，通過上述搭建系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，擬測(cè)試的目標(biāo)參數(shù)為方向盤偏轉(zhuǎn)角，同時(shí)將方向盤偏轉(zhuǎn)的精確性、穩(wěn)定性以及不同轉(zhuǎn)向扭矩限制下的上述性能作為評(píng)價(jià)體系。測(cè)試方法如表1所示。

在測(cè)試中，確立觀測(cè)對(duì)象與控制對(duì)象。觀測(cè)對(duì)象為試驗(yàn)汽車CAN信號(hào)中的方向盤轉(zhuǎn)角，即整車CAN第1通道下的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀。該數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為64位，包括多個(gè)信號(hào)：方向盤轉(zhuǎn)角、方向盤轉(zhuǎn)速、駕駛員介入狀態(tài)等。選取其中的方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)EpsSystemSteeringAn-gle。控制對(duì)象為試驗(yàn)汽車CAN信號(hào)中的ACC系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀。該數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為32位，也包括多個(gè)信號(hào)：最大轉(zhuǎn)向扭矩限制、最小轉(zhuǎn)向扭矩限制、方向盤轉(zhuǎn)角請(qǐng)求與轉(zhuǎn)向控制激活等。選取上述信號(hào)作為控制，名稱為MotorTorqueMaxLimitRequest、MotorTorqueMinLimitRequest、AngleRequest、AngleRequestActive。最后，以車載CAN網(wǎng)絡(luò)上位機(jī)控制常使用的 10ms 為發(fā)送周期進(jìn)行控制。

在CANTool軟件窗口中觀察方向盤轉(zhuǎn)角控制請(qǐng)求與方向盤實(shí)際轉(zhuǎn)角反饋，并進(jìn)行導(dǎo)出與計(jì)算，可以評(píng)估線控轉(zhuǎn)向多維度下的相關(guān)性能。

由于車輛本身處于環(huán)氧地坪地面，考慮到安全因素，將扭矩初始控制在 ±10N?m ，評(píng)價(jià)該數(shù)值限制下線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的方向盤全過程反饋。通過數(shù)據(jù)呈現(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，本次測(cè)試于0s開始，在5s進(jìn)行左轉(zhuǎn) 30^° 角階躍指令發(fā)送并保持持續(xù)的周期發(fā)送狀態(tài)，在間隔10s后的第15s進(jìn)行回正指令；在第25s進(jìn)行右轉(zhuǎn) 30^° 角階躍指令發(fā)送并保持周期發(fā)送，在第 35s 再一次發(fā)送回正指令，最后于第40s結(jié)束控制，完成測(cè)試。此處根據(jù)車輛xyz方向的正負(fù)規(guī)則，定義左側(cè)正右側(cè)負(fù)，因此左轉(zhuǎn)30度為 +30^° ，右轉(zhuǎn)反之。試驗(yàn)汽車在 30^° 角的轉(zhuǎn)向指令下，發(fā)生短暫的震蕩后被控制系統(tǒng)迅速抑制，并最終恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。此處定義與目標(biāo)轉(zhuǎn)角偏差量 1% 為最終穩(wěn)定狀態(tài)，此處即 0.3^° ，圖表呈現(xiàn)與數(shù)據(jù)計(jì)算如圖4、表2所示。

定義首次達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)角用時(shí)為上升時(shí)間 Δt₁ ，到達(dá)第一次超調(diào)幅值用時(shí)為超調(diào)時(shí)間 Δt₂ ，波動(dòng)停止用時(shí)為抑制時(shí)間 Δt₃ ，到達(dá)穩(wěn)定值（即與穩(wěn)定值誤差在 ±1% 用時(shí)為延遲時(shí)間 Δt₄ ，最終到達(dá)目標(biāo)角度數(shù)值用時(shí)為最終時(shí)間 Δt_5° 由表2可以發(fā)現(xiàn)，在初始設(shè)定的正負(fù) 10N?m 轉(zhuǎn)向扭矩限制下，當(dāng)給予左右轉(zhuǎn) 30^° 的階躍輸入，試驗(yàn)汽車的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)短暫的兩次轉(zhuǎn)向角超調(diào)，第一次擺振出現(xiàn)在 20ms 時(shí)刻，擺振幅值波動(dòng)率平均為37.5% ，隨后進(jìn)行 10ms 的回彈，平均回彈角度絕對(duì)值為13.2^° ，范圍處于較輕與打手嚴(yán)重之間，打手程度可以接受[8]。在回彈后系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行第二次角度調(diào)整，此次依舊出現(xiàn)擺振波峰但幅值已被抑制。平均波動(dòng)角度絕對(duì)值為 3.6^° ，對(duì)應(yīng)波動(dòng)率為 11.9% ，明顯小于第一次。說明線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中已經(jīng)對(duì)擺振采取了及時(shí)的扭矩控制來進(jìn)行抑制。最終在 40ms 時(shí)刻開始進(jìn)入不再波動(dòng)的平穩(wěn)區(qū)間，并在 130～144ms 之間進(jìn)入波動(dòng)誤差 ±1% 的穩(wěn)定區(qū)間。由此，在底盤線控測(cè)試系統(tǒng)的第一次試驗(yàn)下，目標(biāo)試驗(yàn)車型在階躍輸入后，出現(xiàn)了短暫輕微的打手，隨后迅速穩(wěn)定。

接下來對(duì)不同扭矩限制下的相同角度階躍輸入進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果建立多指標(biāo)體系的評(píng)價(jià)。考慮到車輛輪胎所處環(huán)境，確定線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)扭矩限制值的范圍為 5～20N?m ，并且以 5N?m 為間隔，分為四組進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)，分別為 ±5 N?m 、 ±10 N?m 、±15N?m?±20N?m. 。圖表呈現(xiàn)與數(shù)據(jù)對(duì)比如圖5～圖8以及表3、表4所示。

通過上述轉(zhuǎn)向角反饋圖觀察得到，在 5～20N?m 區(qū)間的不同扭矩限制下，通過報(bào)文發(fā)送測(cè)試，進(jìn)行角階躍輸入指令，試驗(yàn)汽車的方向盤均在 20ms 左右達(dá)到第一次超調(diào)幅值，隨后進(jìn)行 10ms 快速回彈 12^°～15^° 后開始第二次超調(diào)幅值，此時(shí)由于試驗(yàn)汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)扭矩控制作用，二次超調(diào)幅值遠(yuǎn)小于第一次幅值，并在該次幅值之后就不再出現(xiàn)超調(diào)，開始穩(wěn)定趨向于最終目標(biāo)數(shù)值，約在 150ms 開始進(jìn)入穩(wěn)定值區(qū)間，即此時(shí)方向盤角度數(shù)值與目標(biāo)角度數(shù)值誤差在 ±1% ;并在約 260～340ms 時(shí)刻達(dá)到最終目標(biāo)角度值。

試驗(yàn)中選取左轉(zhuǎn) 30^° 角階躍和右轉(zhuǎn) 30^° 回正階躍這兩個(gè)情況進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試參數(shù)評(píng)價(jià)，觀察得到在試驗(yàn)所處 0km/h 速度環(huán)境下，對(duì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方向盤側(cè)進(jìn)行的轉(zhuǎn)矩限制數(shù)值不同會(huì)影響到方向盤反饋。以圖5和表3的左轉(zhuǎn) 30^° 角階躍為例，更高的最大轉(zhuǎn)向扭矩會(huì)帶來更快響應(yīng)度、更大波動(dòng)性，在 20N?m 的最大扭矩限制下，波動(dòng)率超過 40% 。從抑制能力的維度評(píng)估，更大的轉(zhuǎn)向扭矩限制，會(huì)帶來更快的波動(dòng)抑制，試驗(yàn)汽車更早進(jìn)入到趨穩(wěn)狀態(tài)。從穩(wěn)態(tài)表現(xiàn)的維度評(píng)估，不同扭矩限制下達(dá)到穩(wěn)定值的用時(shí)差別在 20ms 以內(nèi)，但大扭矩限制會(huì)導(dǎo)致更久的最終數(shù)值到達(dá)用時(shí)。繼續(xù)觀察圖8和表4中右轉(zhuǎn) 30^° 后回正階躍場(chǎng)景，對(duì)試驗(yàn)汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所評(píng)估出的結(jié)論一致：響應(yīng)度與波動(dòng)性維度，扭矩限制越大響應(yīng)越快、波動(dòng)越明顯、超調(diào)量越大。抑制能力維度，小扭矩限制相比大扭矩限制具有更慢的波動(dòng)抑制。穩(wěn)態(tài)表現(xiàn)維度，小扭矩限制下可以更早進(jìn)入穩(wěn)定值范圍以及更早到達(dá)最終目標(biāo)數(shù)值。

綜上，試驗(yàn)汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)整體上對(duì)于角階躍輸入有較快的響應(yīng)以及較好的波動(dòng)抑制作用與穩(wěn)態(tài)表現(xiàn)，在不同的最大扭矩限制下，其響應(yīng)度、波動(dòng)性、抑制能力與限制值存在正比關(guān)系，但在穩(wěn)態(tài)表現(xiàn)能力上，則呈現(xiàn)出反比關(guān)系。后續(xù)將繼續(xù)開展更多維度下的線控轉(zhuǎn)向以及整個(gè)線控底盤測(cè)試研究。

5結(jié)語

a.總結(jié)梳理智能網(wǎng)聯(lián)汽車線控底盤系統(tǒng)測(cè)試發(fā)展現(xiàn)狀，當(dāng)前對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研究、優(yōu)化有多方面的探索與進(jìn)展，但在測(cè)試評(píng)價(jià)維度、評(píng)價(jià)創(chuàng)新性等方面還需要做進(jìn)一步研究。

b.搭建基于CAN網(wǎng)絡(luò)的線控底盤系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架，并結(jié)合試驗(yàn)實(shí)車和上位機(jī)設(shè)備，選擇線控轉(zhuǎn)向作為測(cè)試研究方向，進(jìn)行了多種場(chǎng)景與限制條件下的線控底盤系統(tǒng)轉(zhuǎn)向相關(guān)功能測(cè)試。

c.針對(duì)測(cè)試結(jié)果，開展創(chuàng)新維度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系下的測(cè)試結(jié)果分析，包括響應(yīng)度、波動(dòng)性、抑制能力與穩(wěn)態(tài)表現(xiàn)。基于上述維度下的分析結(jié)果，對(duì)試驗(yàn)車型的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)性能進(jìn)行了多維度、有針對(duì)性地評(píng)價(jià)。研究結(jié)論可為下一步深入線控底盤其他子系統(tǒng)的測(cè)試與評(píng)價(jià)研究提供參考。

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