线控底盘多系统协同与控制策略应用研究

李兰友　臧豫徽　杨爱喜 吕琳　张洪利

摘 要：线控底盘技术是智能驾驶领域的关键技术，也是推进智能网联汽车快速发展的基础平台。线控底盘系统主要包括线控转向、线控制动、分布式驱动等系统，而如何解决多系统间存在的协同性不足、控制精度不高、存在冲突和干扰等问题是当前的一个研究热点。本文给出了线控底盘多系统协同与控制策略的最新研究方向，并对相应的解决方案展开分析。

关键词：线控底盘 多系统协同 控制策略 智能网联汽车

Research on multi-system collaboration and control strategy application of the chassis by wire

Li Lanyou Zang Yuhui Yang Aixi Lv Lin Zhang Hongli

Abstract：Chassis by wire technology is the key technology in the field of intelligent driving， and it is also the fundamental platform to promote the rapid development of intelligent connected vehicles.The chassis system by wire mainly includes steering by wire， braking by wire， distributed drive and other systems. How to solve the problems of insufficient collaboration， low control precision， conflict and interference among multiple systems is currently a research hotspot.In this paper， the latest research direction of multi-system collaboration and control strategy of the chassis by wire is given， and the targeted solutions are analyzed.

Key words：chassis by wire，multi-system collaboration，control strategy，intelligent connected vehicle

1 引言

当前，汽车产业正发生着翻天覆地的变化，在“大数据、大计算、大决策”的科技革命推动下，汽车正从传统汽车到机械电子汽车以及向软件定义汽车方向进化[1]。智能汽车就像当年的智能手机一样，正在经历着产业革命的阵痛期，汽车产业能够重现当年诺基亚传统手机一夜之间被以苹果为代表的智能手机所打败的变革情境吗？这也许需要时间来证明，但是未来可以思考和展望。

2021年3月国务院办公厅发布《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确指出要加快研发智能（网联）汽车基础技术平台及软硬件系统、智能线控底盘和智能终端等关键部件。而线控底盘作为新能源汽车和智能汽车两条赛道的交汇点，在新能源汽车加速渗透及智能化升级趋势下正在提速发展。线控底盘具有响应速度快、控制精度高、能够实现更高的能量回收和满足高级别智能驾驶性能要求等特点，但是也存在多系统间协同性不足、控制精度不高、存在冲突和干扰等问题，这就需要加大针对线控底盘的多系统协同与控制策略方面的研究，进一步提高整车综合性能，助力智能网联汽车行业发展。

2 研究现状及发展趋势

线控底盘是车辆底盘的新形态，通过线控技术取消座舱与底盘之间的物理连接，进行电气化改造，解决底盘系统架构创新、多线控功能耦合控制、功能安全和故障诊断等支撑跨代设计的重要基础问题，研发适用于线控底盘的自动驾驶技术，新一代线控底盘将成为电气化、通用化、模块化、智能化的自動驾驶新平台。

2.1 国内外研究现状

线控底盘的研究领域可分为分布式驱动、线控转向、线控制动等几个方面[2]。在分布式驱动领域，国外起步较早，具有代表性的是德国舍弗勒公司，采用轮毂电机方式进行驱动系统设计。在线控转向方面，戴姆勒-克莱斯勒、宝马、本田汽车、福特汽车等国外知名汽车厂都已在其概念车上安装了线控转向系统。在线控制动方面，电子液压制动系统为主要研究方向，国外产品占据着领先地位，如博世公司的iBooster、IPB，采埃孚的IBC、大陆公司的MK C1/C2，特别是博世公司，无论是twobox和onebox产品都占据着主导地位。在线控底盘一体化集成设计方面，最早由通用汽车提出，并在2002年发布了AUTOnomy概念车，这开启了一体化底盘的发展序幕。后来特斯拉也采用了一体化底盘的设计，但是没有实现上下车体的分离开发。2021年11月上市的新势力造车企业Rivian，基于滑板底盘技术，开发并两量产了三款车型，分别是电动皮卡R1T、电动SUV R1S和电动货车EDV。

我国分布式驱动技术起步较晚，在2010年，首批比亚迪K9系列纯电动大巴下线，采用了轮边电机驱动方式。浙江亚太机电与斯洛文尼亚Elaphe Propulsion公司合资成立了生产轮毂电机的公司。湖北泰特机电收购了荷兰e-Traction公司，成功研制出了我国首辆轮毂电机直接驱动的纯电动客车。在线控转向方面，2004年同济大学“春晖三号”电动车采用了线控转向技术。目前国内许多大学包括吉林大学、清华大学、长安大学、北京理工大学等针对线控转向系统的动力学建模与性能分析、控制策略、容错、试验等展开了研究。在电子液压制动方面，国内发展势头强劲，有后来者居上的趋势。在twobox方面，有亚太股份、拿森、同驭、格鲁博、海之博等企业拿到了大量的主机项目，onebox方面，亚太股份、芜湖伯特利、弗迪科技、长城精工等各类企业均已有onebox产品，部分企业已经开始量产。国内线控底盘一体化集成设计发展较慢，主要有PIX Moving及悠跑科技。PIX是全球第一家做自动驾驶滑板底盘的中国企业，从2017年开始专注于滑板底盘研发，以滑板式底盘开发为核心，整个底盘采用全线控技术，使得行驶系统、转向系统、传动系统、制动系统高度集成。目前，自主品牌头部企业如吉利、长城、比亚迪等也在开展一体式线控底盘平台的研究。

2.2 发展趋势

随着智能驾驶级别的逐步进阶，线控转向（SBW）渗透率有望实现快速提升。当前电子助力转向（EPS）已经随法规约束基本完成渗透，未来一定时期内主要是几种技术路径的份额变迁，R-EPS和DP-EPS的份额有望持续增大，有冗余的电子助力转向渗透率将逐步提升。

线控制动系统已处于大规模渗透前夜，国产供应商或迎来替代机会。EHB方案或是未来几年发展的主流：其中Two-box是目前的主流方案，具有冗余的技术优势；One-box方案集成度更高，具有成本、能量回收（提升续航）的优势。随着智能驾驶向高级别发展，EHB Two-box解耦方案、EHB One-box+电子冗余方案、有冗余的EMB方案或是未来线控制动发展的主流方向[3]。

线控底盘系统的高阶升级及大规模应用或率先在运营场景完成，逐步渗透到非运营场景。智能驾驶技术率先在干线物流、港口、矿山、智能驾驶出租等商业领域普及已逐渐成为共识，作为高级别智能驾驶必备的线控底盘技术在特定商用场景的落地有望加速。

3 关键技术

线控底盘技术作为智能网联汽车的关键核心技术，决定了汽车行驶的安全性、经济性和舒适性等基本性能[4]。为了解决多系统之间的冲突和干扰，提高整车的综合性能，主要通过车辆多性能目标及多系统协同控制设计、车辆载荷参数和状态参数估计系统设计、面向SOA架构的线控转向系统开发等三方面展开研究。

3.1 车辆多性能目标及多系统协同控制设计

研究搭建ASS和EPS集成的协同最优控制设计、构建EPS/ASS/ABS系统的多学科优化设计、以车身稳定和节能为目标的扭矩矢量控制设计模型。

（1）搭建ASS和EPS集成的协同最优控制：构建ASS和EPS的集成设计模型，完成EPS控制器和ASS控制器的设计，研究利用优化算法对搭建ASS/EPS的集成系统的机械参数和控制参数进行优化设计，并通过优化后的参数与优化前的参数代入计算模型进行对比分析。

（2）构建EPS/ASS/ABS系统的多学科优化设计：以EPS、ASS和ABS作为研究对象，建立EPS、ASS和ABS各个系统的优化设计模型并作为子系统优化模型，建立EPS/ASS/ABS系统级优化模型，采用智能优化算法对EPS/ASS/ABS系统进行协同控制优化设计研究。构建协同控制策略，协调底盘各子系统的耦合，降低系统间的冲突，提高操纵稳定性和制动效能。

（3）以车身稳定和节能为目标的扭矩矢量控制设计：建立二自由度车辆动力学模型和具有较高精度的非线性轮胎模型，设计基于非线性模型预测控制（NMPC）的上层扭矩矢量控制器，对车身稳定和节能为目标的二自由度参考模型进行跟踪，设计基于规则的下层扭矩分配策略。

3.2 车辆载荷参数和状态参数估计系统设计

研究模型车试验平台与真实车辆的参数匹配策略、准确实时获取路面附着信息参数策略、汽车质量与道路坡度串行估计系统设计等内容[5]。

（1）模型车试验平台与真实车辆的参数匹配策略：完成模型车试验平台的载具、中央处理控制模块以及车载终端电源转换模块的设计，研究基于相似理论探究模型车试验平台与真实车辆的动力学相似问题，构建模型车轮胎侧偏刚度参数辨识模型。

（2）准确实时获取路面附着信息参数策略：完成车辆稳态转向下的轮胎侧偏刚度估计和路面状态辨识，构建二自由度车辆模型获取前、后轴的侧向力及侧偏角，以及各个轮胎的垂向力，研究基于递推最小二乘法的归一化轮胎侧偏刚度估计方法，并进行不同路面状态下的估计结果分析。

（3）汽车质量与道路坡度串行估计系统设计：研究基于纵向动力学的利用扩展卡尔曼滤波算法进行的汽车质量估计，构建汽车质量与道路坡度串行估计算法，根据汽车质量与道路坡度变化的快慢进行分层估计，将缓慢变化的汽车质量作为第一层的估计输出，将快速变化的道路坡度作为第二层的估计输出来进行汽车质量与道路坡度串行估计系统设计。

3.3 面向SOA架构的线控转向系统开发

未来的汽车主要应用是以人工智能为主的软件技术，要研究新一代SOA架构平台，完成线控转向系统开发、构建模块化的Classic AUTOSAR产品等内容。

（1）新一代SOA架构平台设计：完成面向服务架构（SOA）的正向开发流程，实现松散耦合、可复用、可发现、可组合、无状态等特征，能够使得应用层功能在不同的车型上得到复用，缩短开发与验证周期。构建以OEM定义的平台功能列表为切入点的SOA正向开发流程，完成从顶层的功能规划、用户的需求分析、功能實现方案设计、系统设计，再最终落地到供应商零部件开发的五大步骤的正向开发流程。

（2）线控转向总体架构设计开发：制定可行的线控转向机械设计方案，选用EPS现有的机械件缩短加工周期并设计制作路感模拟执行器和线控转向执行器，进行机械总成的详细设计，考虑方向盘限位，合理的设计路感模拟器的减速机构，进行路感模拟器传感器的选型，并实现转角传感器的冗余；进行电机控制器的集成化和模块化开发，结合转向工况需求，拟定分层控制策略，包括有驾驶员手感，转向系统的响应特性等；基于已制定的控制策略进行软件实现，进一步考虑电机的控制，如跟随性控制、转矩脉动抑制、故障诊断处理和全生命周期的健康监测等，如图1所示。

（3）构建模块化的Classic AUTOSAR产品：构建的模块化Classic AUTOSAR软件产品能够将整体软件拆分成若干个可以独立开发的小模块，每个独立模块之间的连接机制由工具链自动完成。每个独立的小模块中只需要关注里面的核心算法，其他部分同样由工具链自动完成，这样可以满足大型软件系统分布式开发的要求。

4 总结

针对线控底盘多系统之间的冲突和干扰问题，通过建立EPS、ASS和ABS各个系统的优化设计模型并作为子系统优化模型，采用智能优化算法对EPS/ASS/ABS系统进行协同控制优化设计，能够构建线控底盘多系统协同与控制策略，并有效解决多系统之间存在的问题。

2022年度浙江省教育厅高校国内访问工程师校企合作项目“线控底盘智能优化算法多系统协同与控制策略研究”（FG2022072）；杭州职业技术学院高层次人才科研启动项目（HZYGCC202109，HZYGCC202230）；首批浙江省职业院校技能大师工作室“杨爱喜技能大师工作室”成果；杭州职业技术学院“未来汽车交互设计中心”建设成果。

参考文献：

[1]孟天闯，李佳幸，黄晋，等.软件定义汽车技术体系的研究[J].汽车工程，2021，43（04）：459-468.

[2]刘建铭，刘建勇，张发忠.新能源汽车智能驾驶线控底盘技术应用研究[J].时代汽车，2022（03）：101-103.

[3]陈萌，杜万席.汽车线控底盘技术发展趋势分析与研究[J].汽车与配件，2022，No.1342（24）：54-59.

[4]杨晔.浅析无人驾驶汽车线控底盘结构原理与通讯[J].时代汽车，2022（23）：157-159.

[5]赵万忠，张寒，邹松春，徐坤豪，刘畅.线控转向系统控制技术综述[J].汽车安全与节能学报，2021，12（01）：18-34.