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底盘智能化的关键技术探讨
2020-10-10 19:48:14· 来源：汽车创新港
底盘是汽车动力、制动、转向以及车身等执行部件和机械构件的承载部分，底盘电子化的水平，也是汽车先进水平和智能化的标志，尤其对ADAS及智能驾驶技术的发展息息
底盘是汽车动力、制动、转向以及车身等执行部件和机械构件的承载部分，底盘电子化的水平，也是汽车先进水平和智能化的标志，尤其对ADAS及智能驾驶技术的发展息息相关，因此，在此跟大家探讨一下底盘电子以及底盘智能化方面的一些想法。
梁涛年博士，2011年博士毕业于西安电子科技大学机电工程学院，2015年博士后毕业于哈尔滨工业大学电气工程专业。从2004年开始在西安正昌电子从事ABS系统的研发和软件设计等工作，2014年在陕汽集团作为汽车电子及底盘稳定控制专家从事ADAS系统的研发，2016年在浙江亚太从事智能驾驶方面的研发工作。
我今天主要有三个方面的问题和大家分享，第一个是汽车电子底盘控制技术，第二个是底盘线控技术，第三个是智能化底盘及关键技术。
底盘电子控制系统，主要涵盖一下几个方面，第一个是驱动控制，第二个是制动控制、第三个转向控制、第四个是悬架控制以及综合综合控制。我们说的驱动控制主要包括传统的燃油发动机，中央桥电机、轮毂电机和轮边电机等驱动驱动方式以及相互组合的驱动方式。它们主要实现车辆的驱动控制和巡航控制功能。
制动控制主要有底盘方面的ABS、ASR、EBD、EPB以及电子稳定系统（ESC/ESP），还有集成制动系统像目前的博世的iBooster，亚太的IBS等。
今天我就主要为大家介绍一下，底盘电子方面的制动控制，其它部分暂时不做介绍。
首先介绍一下底盘电子控制技术里面的驱动控制。为什么要介绍驱动控制呢？因为在未来的电动车和混合动力车里面，我觉得轮毂电机应该是一个未来的技术发展方向。
因为轮毂电机它将动力、传动和制动系统都整合到轮毂内，省去和简化的机械传动部分，如离合器、变速器等这些结构。因为它比传统的内燃机或者传统的电动汽车的零部件都要小，它可以做到很好的平台化设计。轮毂电机对未来的智能驾驶及电动汽车有很大的开发潜力。
同时，它里面的中央控制器CPU只有200多克。远比我们现在的传统的中央驱动电机还有传统的内燃机都要小。同时它可以实现牵引力控制和差速控制，可以未来取代ESP/ESC系统。轮毂电机它对未来的智能驾驶有很大的开发潜力。
接下来介绍一下制动控制里面的现在比较流行的一个电子稳定系统ESC，其实说起来ESC它是集成了像我们一般车里面的ABS，它是在ABS的基础上增加了一个驱动防滑控制系统（ASR）、电子制动力辅助系统（EBA）、制动力分配系统（EBD）以及航向调整系统（DYC），将这几个系统在软件和算法上的整合就形成我们现在的ESC这样的功能。
ESC主要是对车辆转弯的时候进行一个方向的调整，使车辆能跟随驾驶员的意图进行转向，同时在不同工况下，各个功能可以相应的工作。如果前轮发生侧滑，我们就对它相应的对角线的后轮进行适当制动，使车辆跟随航迹行驶，使它的航向调整过来。如果是在后轮发生侧滑，对应同侧的前轮进行制动，进行一个航向的纠正能力。
那么ESC在未来的智能驾驶里面，或者在ADAS里面它起的主要功能主要是通过总线对ESC控制器发出一个减速度指令。ESC接收并相应响应这个减速度指令，驱动液压泵进行增压处理。
传统的ESC在ADAS或者智能驾驶里面它要对ESC的软件程序进行相应的修改。增加一段从总线接收减速度指令的程序，并将减速度值快速转化为制动系统的液压制动力，这样车辆就可以根据感知的到前方的障碍物和路况进行紧急制动和适当的制动功能，实现AEB功能和ACC状态下车辆减速的调节。
下一个我们介绍一下底盘控制系统里面的电子驻车系统（EPB），为什么要介绍EPB呢？因为EPB在未来驾驶当中，主要是对车辆在坡到，或者过红绿灯的时候，进行长时间驻车。我们也知道ECS的驻车时间不能超过一分钟，超过一分钟ESC的电子阀会被烧毁的。而EPB它的驻车时间相对比较长，可以取代ESC在红绿灯或者坡道驻车。
EPB的工作原理主要是司机在驻车的时候，通过EPB按钮，我们的EPB控制器接到信号之后，驱动电机，电机再通过减速机构推动螺旋杆，螺旋杆再推动钳体进行夹紧，夹紧刹车盘使车进行驻车。
紧接着，我们讨论一下目前在混合动力和纯电动汽车里比较流行的iBooster或者是亚太的IBS这样的集成制动系统。因为iBooster与IBS在原理上相似。它主要是将原系统的真空助力部件、真空供给部件进行了集成，把这两个集成之后，就形成了我们的iBooster，这是iBooster的第一代。第二代我们可以在iBooster增加一个ESC或者EPB功能，可以在iBooster里面实现。
iBooster主要是通过踩下脚踏板，脚踏板踩下去的时候，里面有一个脚踏板位移传感器，通过位移传感器，把这个位移量测算之后，给iBooster里面的ECU，ECU把位移量转化成相应的电机驱动力，电机带动齿轮机构，进行主泵的供压，之后把压供给到汽车的液压系统进行制动，这是它的工作原理。
iBooster具有一个再制动能量回收，还具有主动的制动，它也是未来混合动力汽车、纯电动汽车以及无人驾驶里面的一个核心部件。
目前博世的iBooster只能配合博世的ESC工作，且具有主动制动功能。但是IBS目前还没有集成ESC功能，但是它的优势是可以跟任何一个厂家的ABS和ESC系统进行互联。
博世的iBooster主要是不能跟别的厂家的ABS的ESC进行兼容，这样的话就容易形成一个打包销售。而IBS可以跟任何厂家的ESC或者ABS系统进行互联工作，所以这是IBS的一个优势。未来的发展趋势是iBooster还是IBS很可能会进一步集成底盘电子的方面的功能，是制动系统进一步集成化和模块化。
由于时间关系，前面底盘电子化这一块讲的比较粗略，下面如果有问题我们可以进行单独沟通。现在我们讲一下我们的底盘线控技术，目前来说我们市面上所有的底盘线控技术的话，只是初步的底盘线控技术。通过这张PPT我们可以看到，底盘线控系统主要有有线控制动系统、线控转向系统、线控悬架系统、线控油门和线控离合。
目前来说线控油门是做的比较好的。至于线控制动、线控转向、线控离合做得不够好。至于线控悬架的话，目前在乘用车里面有主动式悬架。另外像重卡里面的ECAS这样的一些系统，也处于一个线控悬架范围。
线控制动目前分为两种类型，一种是以电液为基础的系统叫EHB，另外一种为电子机械制动系统叫EMB。目前来说EHB系统，像iBooster和IBS目前可以算是初步的EHB系统。因为它是将电子与液压系统相结合所形成的多用途、多形式的一种制动系统。目前主要有亚太的IBS还有宁波拓普做的IBS以及iBooster都可以作为目前的EHB系统。
EMB系统主要是将传统制动系统中的液压油或空气等传力介质完全由电制动取代，是未来电动车个新能源汽车制动系统的发展方向。从EMB我们可以看出，EMB在每一个制动器旁都有一个电机。电机通过齿轮驱动，推动腔内活塞运动进行制动相关功能方面的调节。另外这样的系统它还有一个中央控制器，中央控制器主要是接收这些包括方向盘转角、加速踏板位移、横向加速度、横摆角速度与车轮速度。它将这些速度进行计算，计算出ABS功能、ESC功能或者TCS功能，把所有这些功能计算出来以后，再通过总线发送给EMB执行单元。由这个执行单元进行调节，来实现车辆的必要的功能。
另外我们可以看到EMB在未来发展中，为了安全有一个容错设计能力。它目前从设计方面来看，有两个中心控制器，分别处于前桥和后桥上，它们之间可以相互通信，一旦一个控制器出问题，另外一个可以迅速介入，以防止车辆失效。
下面向大家讲一下线控转向，第一幅图大家可以看到是我们常规的转向系统，它主要有方向盘，转向杆跟下面的转向执行机构所构成。但是未来的线控转向系统，主要把传统的转向柱跟转向器都通过总线来取消了。我们可以从第二张上可以看到，它这个方向盘，通过总线跟下面的一个线控转向ECU和下面的线控转向执行机构联系起来。它这样的设计，一方面是减轻重量，使整车更容易平台化，容易复制。方向盘可以往左放，可以往右放，容易布置方向盘。另外由于转向柱取消了，车辆在出现事故的时候，可以减少对驾驶员和乘车人员的伤害。
从这个图可以看到，线控转向系统它有转向执行机构、轮胎角度传感器、环境传感器、线控转向ECU、转向盘传感器等组成。
未来的线控转向的环境传感器上，主要是对一些车胎的路面环境进行测量，看地面是湿滑的还是干燥的，以及通过这些环境传感器感知以后，可以通过反馈给转向盘，让驾驶员有一个路感接收的能力。
同时我们可以从线控技术可以看出未来的线控转向系统的重量是大大的减轻了，而且连接都是通过总线的。未来的线控转向系统这样的连接方式，必须要考虑到冗余设计，将来里面的一个电机或者是一套系统出问题的话怎么办？应该说未来的线控转向主要是要考虑冗余设计，这方面是未来考虑的重点。还有，线控系统如何模拟传统转向系统的路感，这也需要有合适的算法来保证。
现在我们来介绍一下智能化底盘及关键技术。底盘智能化我们目前主要是对它的驱动、制动和转向根据工况进行控制，未来可能会进一步扩展到根据路口和工况对悬挂系统进行控制。
目前目前开发的ACC和AEB主要是对车辆的纵向进行控制，即对车辆的驱动和制动进行控制。ACC/AEB主要是根据雷达或摄像头以及感知系统的信息，实时的调节本车与前车之间的距离、速度，并在紧急情况下，实现车辆的自主紧急制动，避免或减缓与前方障碍物或车辆的碰撞能力。
ACC、FCW和AEB在程序设计上主要是通过TTC时间相互相互连接在一起，并根据不同的TTC时间，触发不同的功能。目前这个系统的工作原理和过程已经讲过多次了，大家也比较熟悉了，我这里再不多做介绍，如有问题可以进一步在讲座后探讨。下面主要谈一下它开发和实用过程主要研究的一些关键技术：
未来ACC/AEB关键技术，我觉得主要有以下几个方面：
- 目标识别与有效目标提取。因为我们知道在雨天、大雾以及复杂路况下，目标的识别是比较麻烦的。
- 机器视觉和雷达信息融合技术，如何实现城市AEB这也是国内目前没有做到的。
- ACC/AEB跟车间距与稳定性问题，这是需要研究的，这是评价这个系统舒适性的一个指标。
- ACC/AEB在未来八种工作模式下的平稳切换技术。八个工作模式我后面会讲。
- 常间距控制算法。多个车辆在高速公路上排队行驶，或者在等间距列队行驶时候，它的控制算法怎样去实现。还是沿用目前的PID控制算法，目前算法是否具有稳定性和鲁棒性。
- 速度控制到间距控制的过渡算法的设计。
- 弯道速度控制算法设计。
- 弯道超车功能设计。
- Stop-Go算法设计。
- 弯道情况下，ACC跟AEB，与IBS/iBooster和ESC的协调匹配工作的问题，这是未来的一个难点和重点。以及如何实现在弯道情况下的解耦控制和解耦时的实时性问题等。
如果ACC/AEB进一步发展，必然是和V2X和ITS系统进行相互通信，实现对车辆速度和制动调整，因此，协同自适应巡航控制系统（CACC）就是要面临研究的问题。她是未来底盘智能化和智能网联汽车必然要解决的一个问题。
协同自适应巡航控制CACC就是在V2X和ITS系统通信指令的情况下，实时实现对车辆最佳车速和最佳制动力的调节，实现燃油和车辆用电经济性、舒适性和安全性的进一步提高。同时能实现在高速公路更容易实现列队行驶，提高车辆经济性，同时可以避免特斯拉对前面目标没识别和无法识别所造成的事故，进一步提高了智能网联汽车的安全性。
协同自适应巡航控制（CACC）里面涉及的关键技术主要有以下几个方面：
- 协同是适应巡航控制算法与协同控制算法涉及；
- 队列协同稳定性控制策略涉及；
- 控制系统构架设计；
- 控制系统软件架构设计；
- 控制系统的网络架构设计和网络安全性、有效性认证设计等。
随着这项研究的进一步深入，可能会凸显越来越多需要急需解决的问题。
智能化底盘里面对车辆横向进行控制的系统是车道保持系统（LKS），它是在车道偏离预警的基础上发展而来的，采用了车道偏离预警系统的前置摄像头。
它主要由前置摄像头来识别车道线，将识别的结果送给LKS控制器，LKS控制器接收到车道线和本车定位信息，计算本车与车道中心线之间的偏差，从而计算出车辆的转向信息，再将转向信息通过总线送给电动助力转向系统（EPS）对车辆进行纠正，是车辆行驶在车道线内。因此，它有感知系统、决策控制单元和执行单元三个模块，同时具有车道偏离预警辅助功能和车道保持功能，在和ACC/AEB相互配合工作，可以实现高速公路情况下的自动驾驶功能。
那么车道保持系统需要解决的关键技术，第一个是对道路线的识别，以及与自身车身的定位技术。第二道路模型的构建，还有道路曲率的计算，第三是本车定位与车道中心线偏差估算算法的研究，第四是道路附着系数的研究。
因为你不同道路的道路有不同的附着系数，它的转向力矩是不同的。还有最佳转向力矩，在不同路面，如对开，湿滑路面上，怎样计算出转向力矩，这是未来要关注的一个方面。另外未来LKS与高精度地图、GPS导航的匹配协调问题。还有在冰雪路面上怎样实现LKS的工作方法，这都是一些未来LKS系统实用化需要解决的关键技术。
下面讲一下车道变换辅助与决策系统，它是ADAS以及未来智能驾驶里面集成度比较高的一环。在所有的交通事故中，大概有13%的事故是由于横向变道所造成的。因此我们在当驾驶员打转向灯进行变道的时候，系统会对驾驶员进行提醒，临近车道上的危险，或者是前方车辆的危险，辅助驾驶员进行决策。同时在智能驾驶中，我们的车道变换辅助系统是很关键的，怎么样通过周围环境的感知，自动决策是否要变线，是否要变道，而且转向角要取多大。转向之后是跟随前车行驶，还是加速超车行驶，应该是未来要解决的关键。
同时变道辅助系统它不是一个单独的系统，它是在我们以前的像自适应巡航控制系统（ACC），协调自适应巡航控制系统（CACC）以AEB、LKS、EPS、盲点监测、路径规划还有360全景系统基础上发展起来的集成控制决策系统，而不是一个单独系统。
因此变道辅助与决策系统的关键技术，它目前最关键的是多传感器、多源信息数据融合技术与决策。将不同类型以及很多传感器数据送过来的数据进行处理后进行融合和决策。另外还有一个本车定位与周围车辆定位的技术，你怎样判断本车周围车辆的相对位置、相对距离和相对速度的问题。另外场景获取与分析，你处在道路的什么样的场景中是需要去分析的；其次自主变道的决策算法，在决策变道过程中是加速还是减速以及转向，转向过程当中给予多少转向角，多少的力矩进行转向都是要进行计算的，加速、减速过程中的加、减速度如何控制才能不引起交通事故和车辆的平顺性和稳定性。
最佳弯道转向计算，在弯道情况下，怎么样计算转弯的力矩和转向角。另外LCAD，就是我们的变道辅助与决策系统如何与ACC/LKA/EPS/iBooster如何进行协调匹配的问题。上述诸多问题，有待于我们在实用化过程中进一步研究。
像车道变换辅助与决策系统，它不是一个单独的系统，而是由多个系统的整合。如果将智能化底盘上的各个ADAS功能进行合理的软件架构、硬件架构和网络架构等，最终不就形成了车辆的控制大脑。因此，智能化底盘及关键技术里面要解决一个智能网联的决策控制单元，即大脑的构件问题。
我们知道现在百度在做百度大脑，其实最终的发展是要做一个智能底盘的大脑来取代一个整车的VCU来进行工作。上述PPT展示的只是我的智能驾驶大脑的网络构架方面的初步设想，如通信信号可以是WIFI/V2X/5G等接入智能车的网络系统，再将信号经过处理后送入各个控制执行机构。
这里面的关键技术是特别多的，我只是粗略的列了几条，可能这里面的专家要比我知道的更多。其中包括硬件体系架构的设计，包括硬件的选型与多控制芯片的架构；硬件电路的热设计和电磁兼容性设计；多传感器和多源信息融合算法、推理决策以及深度学习；软件构架；网络体系构架；整车电气网络构架；整车传感器布局与构架设计。这些都是大的条条框框的，另外里面还有一些详细的点。如果有机会再和大家进行详细探讨，共同探讨智能底盘的大脑如何设计的问题。
智能网联汽车的大脑讲完以后，把这些ADAS功能都整合到一个平台上，将构成了智能电驱动平台，进行平台化设计，同时根据车型和要求对其进行适当修改，可以满足不同客户和消费人群的需要。在未来轮毂电机为主要驱动模式的情况下，将是一个以轮毂电机为驱动系统的智能电驱动平台。如PPT所示，这个平台加上我们所有决策单元如ACC、AEB，感知单元，如雷达、摄像头、高精度地图等，还有iBooster、ESC、EPS等执行部件就可以搭建这样一个平台，可以实现一个平台化设计。
智能电驱动平台的关键技术也是有很多潜在的没有解决的技术。包括分布式驱动与控制技术；路面附着系数识别，不同路面上给多少的驱动力与差速制动，这是不同附着系数路面中要给出的；第三个是弯道预测与道路倾斜度下的驱动力分配技术；自适应道路差速驱动技术；全地形越野驱动技术、电驱动底盘与高精度地图匹配驱动技术。以及电驱动平台的电气架构和网络架构问题等等，这都是未来智能电驱动平台需要研究的关键技术。
因此我们可以看出智能化底盘到智能驾驶，需要研究一系列的ADAS系统，它是由许多ADAS系统、传感器和控制算法不断叠加而成的。像在ABS的基础上增加传感器和算法，如ASR、EBA、EBD、DYC等，就构成了ESC。同样在，底盘上，将上述ADAS系统不断增加机电一体化的执行机构、传感器和控制算法，可以逐步实现底盘智能化，智能化的底盘平台，最终实现智能网联汽车的无人驾驶的最终目标。
谢谢汽车创新港提供这个平台，由于时间有限，我只能粗略讲到这儿。
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