制动和转向自适应控制下的智能驾驶系统

自动驾驶的有效运行不光体现在自身的精确策略控制（包括对车辆的控制主要体现在控制速度和路径曲线上），更体现在和执行对手件的交互控制中。在特殊情况下，例如在紧急避撞情况下，还必须及时控制车辆的方向。从狭义上讲，车辆操纵的原理即是指车辆动力学，例如转弯过程中维持车辆稳定性。全局底盘控制技术的进步已被用来进一步提高车辆的安全性和操纵质量。通过增加偏航增益以减小上层系统的转向输入，可以轻松地实现路径曲率的改变。此策略仅适用于中等速度，因为当方向盘角度输入过高又在高速行驶时，可利用的轮胎-道路摩擦会迅速饱和，此时偏航率的正常行驶范围会随着车速而显着减小。因此，高速策略必须是降低稳态偏航增益。

在涉及安全性的摩擦极限时，主动底盘可为驾驶员提供最佳的支撑，因为操纵控制器可以确定车辆如何保持稳定。合并并协调所有可用的执行器以实现此目标，以免发生事故。在超出摩擦极限的区域中，控制系统的主要任务是防止汽车严重打滑，以使汽车保持在正轨上。

在正常驾驶期间，系统通常期望车辆具有较小相位滞后的线性偏航响应。大多数驾驶员都没有因轮胎力饱和而导致线性度降低的经验。如果后桥发生饱和，侧滑角将迅速增加，因此会对在驾驶过程中对驾驶员造成危险。控制系统的主要任务应该是保持车辆的侧滑角较小。当侧滑角的大小超过一定数值时，普通驾驶员会感到不舒服。最先进的电子稳定性控制（ESC）系统间接限制了侧滑角。ESC使用受限的加速度并参考偏航率来解决轮胎饱和问题。另外，计算并限制了侧滑角的变化率。

全局底盘控制系统在正常驾驶中，尤其是在紧急情况下，具有明显的优势。主动系统的配置和协调交互是增强车辆性能的关键成功因素。像ISO 26262这样的国际标准可确保最高级别的整个控制系统的质量和安全性。

01  概述

具有电子稳定性控制（ESC）的现代制动系统的价值在于其使汽车的行为更具可预测性，在广泛的条件下保持稳定以及易于在临界情况下进行控制的能力。稳定性是指汽车以预期的方式对操纵做出反应，即面对不变的输入时保持不变，并且仅当输入略有变化时才略有变化，则处理是稳定的。稳定性涵盖了正常的驾驶范围，在该范围内，驾驶员可以通过底盘设置感受到舒适感和享受感。另一方面，如果驾驶员的少量输入导致操纵方面的重大改变（例如，在较小的转向校正导致打滑的情况下），那么操纵将变得不稳定。




如上图所示，智能汽车将处于临界状态，汽车和驾驶员将处于闭环状态。驾驶员可以转向，加速或制动，但他们的命令将越来越多地不能直接转化为行动。相反，活动系统将“过滤”其命令以确保最佳和最安全的处理。

主动转向系统分为以下几类：

·  叠加扭矩系统可独立于驾驶员输入而影响转向。该系统可以在紧急情况下为驾驶员提供方向盘的转向提示。

·  叠加转向角的系统可以修改驾驶员为前轮选择的转向角，也可以修改由前轮决定的后轮角度。

·  同时叠加扭矩和转向角的系统结合了以上两个系统的优点。此处的执行器可以局部集中在单个壳体中，从而节省空间，也可以将它们分别放置在转向机构的各个位置。

·  线控转向系统为全新的人机界面铺平了道路，例如侧杆转向代替传统方向盘。主动转向系统不仅为稳定级别的联网功能提供了巨大潜力，而且为与保持车道相关的驾驶员辅助功能提供了巨大潜力。下图显示了一些目前批量可用或不久将可用的功能。


制动和转向稳定附加功能的要求

如下图所示的系统环境定义了通过转向干预来调节操纵的功能单元，它还定义了与其他汽车系统配合使用的接口要求。



主机厂有责任决定使用哪种硬件以及将哪些软件分配给哪个控制设备。一种常见的变体是在ESC控制设备中内置横向运动控制功能的扩展电力调节器，并采用转向系统作为执行器来稳定功能。

以下是自动驾驶系统对制动和转向干预的综合要求清单：

– 在诸如改变负载，紧急停车，弯道部分制动或回旋等情况下改善行车道保持和方向稳定性。

– 在紧急情况或急速换道等极端转向操作中具有更高的稳定性，以减少打滑的危险。

– 减少转向操作，并在制动和加速时，尤其是在非均匀路面上，更好地利用闭合力的潜力。这将改善制动距离，并在保持恒定甚至更好的稳定性的情况下提高牵引力。具有主动转向系统的电子稳定性控制（ESC）开辟了一种全新的方式来稳定车辆。制动和转向的组合可以快速方便地抵消不希望的偏航反应。

该稳定功能主要在以下情况下发挥作用：

– 确保制动可以在一定摩擦条件下μ进行
– 自适应的拆分摩擦因子μ上对应的加速度
– 避免转向过度
– 避免转向不足
– 避免翻滚风险
– 维持自车牵引稳定性

02 制动和转向控制的概念和原理

下图显示了单个车轮如何引起偏航运动。水平作用力是打滑的函数，可以从车轮的滑动速度vG和绝对速度vR得出。水平力的合力FR和滑动速度vG位于同一应用线的相对两端。

当从汽车重心到车轮中心的位置矢量rcg的矢量乘积和合成轮胎力的矢量FR达到最大值时，每个车轮产生的横摆力矩将达到最大值。力FR的大小通过车轮的转向角δ增大，同时，力和位置矢量可近似为通过制动或驾驶的正交方式。但是，在某些情况下，车轮产生的最小横摆力矩是必要的，转动方向盘同样会产生这种效果。但是，向量乘积，即FR和rcg所覆盖的面积应尽可能小。下图描绘了在汽车制动和转向系统稳定结合使用的典型应用，即分层级联控制的概念（道路上的轮胎力控制模型与车辆速度、横摆率与车轮横摆运动的关系）。


在如上情况中，制动发生在路面上，其牵引力不相等（split-μ），在很短的时间内就会积累大量的偏航力矩。没有调节系统，驾驶员将难以处理这种情况。如今的ESC等稳定性控制系统通过略微延迟前桥上制动力的积累，来减弱偏航力矩的不稳定影响。此外，该程序通过使用最低的摩擦系数来确定两个车轮上的制动力，从而防止在后轴上产生偏航力矩，这被称为“低速选择”策略。然而，由此描述的策略将导致最大稳定性和最小制动距离之间的利益冲突。通过协调制动和转向，可以大大减少这种利益冲突。将前轮指向较低的摩擦系数方向会减少作用在轿厢上的偏航力矩。因此，不必延迟制动力在前轴上的积累，也不必遵循后轮低速行驶策略。这大大减小了制动距离，同时提供了良好的直线稳定性。


如上图表示的曲线显示了转向过度。过度转向会导致稳定性降低，因为车辆会在弯道外径方向上偏航，这样就有打滑的危险。在这种情况下，电调会在弯道外侧对前轮制动，以产生稳定的偏航或减弱不稳定的偏航，同时转向系统也可以大大增加稳定的偏航。这是通过向后转向，即减小前轴的转向角而发生的。将导致重心的位置矢量和合力之间的夹角更大，从而稳定了左前轮的偏航趋势。

上图中描绘了产生电枢偏航力矩的可能性，电调带制动器，前桥上有角度重叠的AFS（主动前转向）和后桥上有角度重叠的ARK（主动后桥运动学）。对于AFS，这会导致高度的偏航力矩向外偏转，而对于ARK，会导致更高的偏航力矩向内偏转。在极限摩擦极限情况下，ESC具有最大的潜力来稳定过度转向的汽车，转向系统允许自动驾驶系统在临界情况下非常有效地减小横向力。

1、系统转向角干预功能模块

下图描绘了横摆率控制中的转向角干预的典型功能模块。



车轮的转向角δ是驾驶员期望的转向角δFW、偏航控制器的重叠角δFB、偏航扭矩补偿δFF的乘积。该系统利用驾驶员输入，包括方向盘转角δH和驾驶员施加于制动器的压力pF。汽车测量其偏航角速度和横向加速度ay，并将此信息传递给控制器。由轮速指示器确定的汽车速度的使用情况显示，参考横摆率考虑了汽车的静态和动态特性，并且必须受到与物理有关的措施的限制，该措施由最大摩擦系数确定。偏航控制跟进偏航率，以支持驾驶员并限制侧滑角和/或侧滑率，以提高汽车的稳定性。偏航扭矩补偿是一种干扰前馈，用于补偿干扰变量z对制动或加速过程中操纵产生的负面影响。并从制动压力或从每个车轮的制动力估计结果来补偿偏航扭矩所必需的估计值Mz。如果在每个车轮上都测量了制动压力p，则该功能相应的性能指标将大大被提高。

当在路面上表现出不均匀的牵引力（劈裂μ）时，就需要首先考虑增加相应的安全性指标。由于轮胎能够在具有更大牵引力的路面上传递更多的制动力，而不是在光滑路面上传递，因此汽车将希望朝着呈现更高牵引力的那部分道路的方向转向。ESC进行了压力增强，包括转向角干预功能，可通过自动剂量校正功能从相反方向来抵消这种趋势，从而使自动驾驶系统无需再通过一定手段自行稳定汽车。同时，ESC可以精确设定每个车轮的最高制动压力，从而使制动距离缩短，稳定性大大提高。驾驶员在这种大压力的情况下需要做的就是转向他想要转向的方向，偏航控制可通过干预弯道转向来改善汽车的操纵性能。

在很短的时间内，它使前轮转向的速度比方向盘的移动指示的速度快。该控制使汽车在紧急情况下能够以更好的稳定性和更少的转向操作迅速做出反应。反向转向会自动发生，并且可以很早就开始，而不会引起驾驶员的注意。随着侧滑角的增加，制动干预的强度也会相应的增加。

2、系统转向建议（DSR）的功能模块

如果转向系统设计为叠加扭矩，则干预将以系统转向建议（DSR）的形式进行。如果存在汽车偏离系统预测规划路线的危险，方向盘将发出一定的震动，以便指示转向方向。功能模块与上图中的角度重叠相同。仅需添加一个模块即可将理想转向角传递给叠加扭矩MDSR，此时，上层系统与调节系统处于闭环状态。电动助力转向可以作为一系列作用的示例：驾驶员施加转向转矩MF，车轮施加自对准转矩MR，而动力转向施加辅助转矩MA。扭杆将反作用力作为手部扭矩MH进行测量，动力转向与叠加的扭矩一起放大。这会导致转向系统产生冲动，从而有助于驾驶员在紧急情况下快速正确地做出反应。

如下图表示了基于分割摩擦系数u与转向角干预用以补偿横摆角扭矩的制动过程图像仿真结果。


如下图表示了在自动换道过程中针对标准横摆角运动过程中转向角与制动干预过程的曲线图。



在转向过度和分割μ情况下，扭矩叠加可确保驾驶员能够稳定转向。在转向不足的情况下，汽车会通过前轴趋向外部，系统不应如此迅速地转向超过最大侧向力的方向。大多数情况下，上层系统可通过进一步发送转向请求来自动应对这种情况。驾驶员指导建议书鼓励驾驶员停止转动方向盘，然后重新拨回。如果超过了转向角极限δlim，则会造成触发扭矩MDSR产生叠加。仅当驾驶员恢复了方向盘转角δ时，它才会回弹。对于给定的摩擦系数，这可在前轴处提供最大的横向抓地力。

如下图表示了扭矩叠加过程中的系统转向角发送过程以及在不同的速度和摩擦系数中，相应的轮胎力大小仿真结果值。



03  展望

智能汽车主机厂和供应商一致认为，控制车辆动力学的系统将越来越紧密地联系在一起。诸如全局底盘控制（GCC）之类的概念通过集成主动底盘系统为驾驶动力，稳定性和舒适性开辟了新的领域。目标是优化每个系统的潜力，并将其集成到智能的整体系统中。AUTOSAR硬件和软件将支持功能集成。控制车辆动力学的链接系统是一个正在进行的项目。目前正在针对以下挑战进行深入研究：

– 确定可以并希望通过控制系统确定汽车特性的区域

– 为给定的智能汽车家族组装最佳的主动系统产品组合

– 针对给定的智能汽车电子架构设计机箱控制功能，以应对复杂性


对于所有主机厂来说，全面的车辆动力学控制协调概念的目标还有很长的路要走。尽管如此，有关目标仍存在一致意见。在正常情况下，底盘控制应提供最大的舒适度和娱乐性。主机厂拥有创建个人汽车角色的所有自由。在处于摩擦极限的临界情况下，每个可用的执行器都将起作用，自适应的主动底盘控制将帮助驾驶员避免发生意外。