特种车辆综合控制系统设计需求分析

路 平，李葆华，张翔飞

（1.吉利汽车中央研究院，浙江 宁波 315336；2.耀宁科技集团，浙江 宁波 315336）

1 综合控制系统背景及简介

为了满足在复杂、恶劣工况下的正常行驶要求，一些具备特种用途的硬派越野车型（以下简称特种车辆），都会配备油气悬架系统、轮胎中央充放气系统、四驱系统以及差速锁系统。

综合控制是通过对车辆动力传动、悬架、轮胎中央充放气、主动转向以及主动制动等子系统的全面协调控制，使各个子系统围绕特种车辆性能目标协同工作，实现车辆全面综合控制、提高机动能力、保障行驶安全。同时，外接遥控系统或自主控制系统后，车辆无需改装能实现车辆遥控控制或无人自主驾驶。传统车辆与具备综合控制系统的车辆驾驶方式对比，见图1。

图1 传统车辆与具备综合控制系统的车辆驾驶方式对比

综合控制系统可以针对动力工况、续航工况、越野工况、沙地工况、冰雪工况等，有针对性地进行一体化匹配调教，解决传统特种车辆动力传动模式单一，无法满足多种机动工况对动力特性的不同需求。

综合控制系统可以通过子系统的技术提升，实现车辆上差速锁的动态行车锁止与解锁功能、油气悬架的行车高度控制与阻尼实时控制功能、中央充放气系统的行车胎压充放气控制功能，用于解决特种车辆的部分机动性操控转换需停车设置且时间长、连续复合工况下机动速度低等问题。

综合控制系统可以通过模式预设已经基于机器学习的行驶工况，进行自动辨识，以工况性能需求为宗旨，快速调用各子系统进入特定运行模式，提高对复合工况机动性能需求的快速适应能力。传统特种车辆则存在机动性配置丰富，设置组合上百种，对驾驶人员的车辆性能理解和操作技巧要求高的问题。

综合控制系统可以通过与整车子系统进行总线数据和控制指令对接，设计统一的信息交换接口与协议，能够与远程遥控系统及自主无人系统进行无缝对接，实现特种车辆底盘全线控化，以适应未来使用环境下的高度信息化和智能化的需求，打造高机动性线控底盘。

2 综合控制系统对车辆及子系统的设计需求

2.1 应具备整车统一控制单元及全线控化底盘，可以实现车辆遥控控制或无人自主驾驶

为实现外接遥控控制系统或自主控制系统后，车辆无需改装能实现车辆遥控控制或无人自主驾驶，车辆综合控制系统应具备统一的整车控制单元以及全线控化底盘，为满足基本行驶需求，至少应包括线控化动力传动系统、线控化制动系统以及线控化转向系统，为了进一步提高车辆机动性能，还应包括线控化悬架系统以及线控化中央充放气系统。同时，整车控制单元应具备可靠、高效的信息接口与交换协议，与外接系统之间进行充分的信息与指令交互，并依据外接系统的控制指令，与车辆各线控子系统进行控制指令与信息状态交换，对车辆关键子系统进行统一协同控制，完成外接系统控制需求。

2.2 适应复杂多工况的动力传动与制动协同控制功能

为实现外接系统控制模式下的遥控控制或无人自主驾驶，整车控制单元必须能够针对动力传动与制动系统进行统一的协同控制，满足外接系统控制下的车速闭环控制，更重要的是要符合特种车辆应用工况特点，针对越野地面、陡坡、复杂地形等特殊工况，动力传动与制动协同控制能够克服特殊工况下的随机或突变扰动，实现复杂地形地貌下的行驶车速稳定闭环控制。

同时，针对多场景应用的需求，动力传动与制动协同控制还应具有经济模式和动力模式。在执行非紧急但路程远的任务时，可采用经济模式控制行驶车速，以提高车辆的巡航里程；在执行紧急任务时，可采用动力模式控制行驶车速，提高车辆的速度响应。

2.3 转向系统应具备主动转向控制功能

为实现外接系统控制模式下的遥控控制或无人自主驾驶，转向系统应具备主动转向控制功能，实现遥控控制驾驶模式下的车辆转向操纵，实现遥控驾驶意图。同时，在外接无人系统控制指令下，按照指令进行方向盘转角闭环控制，实现路径跟踪功能。

2.4 悬架系统应具备车高、阻尼及刚度控制功能

为满足特种车辆在越野、公路、复杂地形工况下的机动能力多样化需求，悬架系统应具备车高、阻尼及刚度控制功能。①在公路行驶工况下，随着行驶车速提高，车身高度应当逐步降低以提高操纵稳定性，在进行紧急转向或紧急制动时，阻尼应当实时调节以改善车辆的瞬态响应，更进一步提高操纵稳定性；②在越野行驶工况下，车身高度控制应保证合理的离地间隙，并预留适当的悬架压缩和伸张行程，以缓和不平路面冲击，同时，阻尼实施调节以快速衰减车身振动，改善行驶平顺性，提高越野机动速度；③在复杂地形工况下，车身高度控制应当进一步增大离地间隙，改善车辆的通过性参数，提高复杂地形通过能力，同时，在机动运输工况，车身高度控制应当尽可能低，以满足运载工具对车高的限制；④同时，当车辆上装对车辆平台有姿态精度需求时，悬架系统能够实现车身姿态主动调平，并实现刚度闭锁，以保证在受到相应冲击载荷时，减少车身姿态动态变化。

2.5 应具备轮胎压力可调的中央充放气系统

为满足特种车辆在多种地形地面上行驶的机动能力需求，中央充放气系统应能够在外接系统或整车单元控制下，主动调整轮胎压力。在泥塘、水田、沙漠、沙滩等松软地面以及冰雪湿滑等低附着硬地面，中央充放气能够降低轮胎压力，增大轮胎接地面积，提高附着能力，提高车辆在松软、湿滑等复杂地面上的机动能力。

2.6 应具有安全合理的外接系统控制模式

接入外接系统后，特种车辆存在3种驾驶模式，可以在驾驶员驾驶模式、遥控驾驶模式和无人驾驶模式之间转换。为了避免驾驶模式转换突兀，给整车安全性带来严重威胁，有必要针对各种驾驶模式的信息监管、优先级及控制权限进行合理设定，才能实现外接系统与车辆综合控制系统的有机融合。

2.7 应具有安全高效的外接系统接口与信息交换协议

特种车辆综合控制系统的接口与信息交换涉及整车控制单元与远程遥控系统、整车控制单元与自主无人驾驶系统以及整车控制单元与底盘关键子系统控制单元之间的数据信息和控制指令交互，总线通信网络具有多层级、多单元的特点，应该针对综合控制系统与外接系统的控制模式，合理设计系统接口与信息交换协议的层级拓扑结构，实现接口与信息交换协议的标准化、模块化设计，有助于综合控制系统与外接系统信息交互的无缝连接以及车辆平台各子系统之间的状态信息共享和综合协调控制。

2.8 应具有一定的行车安全控制技术

相比于人员驾驶，外接系统的远程遥控驾驶或自主无人驾驶所能获取的车辆状态信息以及驾驶环境信息是有限的。远程遥控驾驶和自主驾驶往往只关注车辆行车路线的控制，而缺乏像驾驶员一样的对车辆运行安全性的本能综合感知。尤其是车辆重心位置高，在高速行驶过程中或者复杂越野地面上，外接系统的不当转向或加速操作，都有可能导致车辆超出安全行驶极限，造成侧滑、甩尾甚至翻车等危险情况发生。因此，整车控制单元有必要针对车辆的行驶安全性进行综合评估，实时掌握车辆平台的行车安全裕度，为行车安全控制提供重要参考。图2为综合控制系统对车辆及子系统的设计需求。

图2 综合控制系统对车辆及子系统的设计需求

3 特种车辆综合控制系统总体架构设计

在遥控或自主无人驾驶模式下，综合控制系统整车控制单元通过信息交换接口与协议与远程遥控系统及自主无人驾驶系统进行相互通信，传递车辆状态信息并接受行驶控制指令，进而协调控制动力传动、转向及制动系统，实现车辆的精确驾驶，并通过中央充放气及悬架系统的协调控制提升车辆的机动性和安全性。

在驾驶员驾驶模式下，可以对人机操作界面或操纵机构，将操作信号经由整车控制单元传递给底盘各关键子系统，实现对车辆的直接操纵与驾驶。

在任何驾驶模式下，行车安全评估与控制策略实时监测车辆总体状态并结合车辆驾驶指令，预测车辆行车安全状态，对即将有可能发生的翻车、侧滑等危险工况，协调控制各子系统进行主动干预，降低危险工况发生概率。

按照以上综合控制系统总体功能需求，综合控制系统总体框架如图3所示。

图3 综合控制系统总体框架

4 小结

综上所述，综合控制系统可以为特种车辆提供具有复合工况自适应能力的机动性控制策略、提供全驾控模式下的安全性主动监测与控制、提供具有通用性的高机动线控底盘，接入外挂系统无需改装即可自主行驶。