智能网联汽车底盘线控系统与控制技术

林大杰

摘 要：随着智能网联汽车的电气化技术的不断发展，其底盘的电气控制水平也在不断地提升。作为智能网联汽车的的核心技术之一，底盘线控制技术的应用将直接关系到车辆的安全性、运行稳定性等，并且其也是促进智能网联汽车发展的关键要素。基于此，本论文旨在通过对智能网联汽车底盘线控容错控制方法的研究，对当前智能网联汽车底盘线控系统控制技术展开分析，最后再提出智能网联汽车底盘线控控制方式，以期更好地提升汽车的整体性能。

关键词：智能网联汽车 底盘线控系统 控制技术

1 引言

底盘控制系统作为汽车行驶的核心部件，其主要作用是对车辆的行驶进行有效地控制，并在此过程中提高汽车的操控性、稳定性以及安全性。就当前技术发展而言，在智能网联汽车底盘控制系统方面也取得了一定的进展。但智能网联汽车发展过程中，在线控系统层面也面临着一定问题与挑战，主要表现在：（1）现有的线控技术无法适应智能网联汽车对车辆自身性能要求；（2）车辆线控系统的控制器还不够成熟；（3）车载计算处理单元（CAN）的通信协议不够完善；（4）底盘控制系统本身存在一定问题等。由此对智能网联汽车底盘线控系统与控制技术进行研究将具有必要性。

2 底盘线控技术概述

智能网联车辆的终极目标是使自动驾驶成为可能。线控底盘是自动驾驶执行端的重要部件，该技术具有复杂环境感知、智能决策、协同控制等特点，使汽车在行驶过程中能够安全、节能、高效地进行自主行驶。智能网联汽车装配有传感器、控制器、执行器等，期间通过利用互联网技术和现代通讯技术的方式，也将能够使得车辆信息能够实现智能交换和共享。

智能网联汽车的技术主要分为智能化和互联两个方面，为了使汽车智能化、网络化，将需要采用VCU（Vehicle Control Unit，VCU）對车辆的各种信息进行集成和处理，并将其传递给底盘系统。底盘系统是根据指令精确地完成的，汽车在行驶时需要大量精确的底盘信号来感知车辆的状况，以确保车辆得以实现安全稳定运行。传统汽车的机械结构和液压系统都比较复杂，由此将使其难以得到精确控制。而底盘线控制系统则可以通过电信号对底盘进行实时的控制，并及时向车辆反馈信息。所以，在智能网联车辆中，底盘线控制技术得到了较高频率地应用。

智能网联汽车的底盘线控制技术是通过电气信号代替机械或液压元件实现对执行器的控制。一般智能网联汽车分为两种：人工驾驶和和无人驾驶。在人工行驶时，由汽车控制器接收驾驶员的操纵信号和车辆的信息，通过整车控制器对底盘各部分的数据进行集成计算，从而实现对执行机构的控制。在无人驾驶状态下，由检测平台接收来自环境感知传感器的数据，经计算机运算后，由控制器局域网（CAN）传输至VCU，由VCU对计算平台传输的数据进行分析、处理，最后由CAN线传输至底盘线控系统，从而完成整个车辆的控制。底盘线控技术是从人工驾驶到无人驾驶，最后用环境感知传感器取代人工操纵的信号，VCU可以对环境感知传感器进行分析，并有效实现对底盘线控系统的控制。

3 线控系统地引入对汽车而言的优势

1）优化原有机械机构，实现更加灵活的功能系统布置。汽车线控系统在优化原有机械机构的基础上，能够通过智能算法对电子控制单元进行智能匹配，保证了机械装置内部结构和控制模式的协调与统一。同时，在智能化汽车设计中，通过采用电控液压悬架、电子制动力分配系统（EBD）以及自适应巡航等先进的功能配置来实现更加灵活的功能系统布置。例如：线控系统中，车辆在转向时需要有液压助力装置的辅助支撑，当车辆发生转向不足时，电子制动力分配系统（EBD）能够自动降低驱动轮的转速以减少制动力矩，实现更加灵活和准确地转向控制。同时，该机构还可以对刹车系统进行调整和控制，实现更高程度地刹车辅助和自适应巡航功能以及其他高级功能。在此基础上，线控技术还可以通过智能算法对车辆的电子制动力分配（EBD）功能以及自适应巡航控制等功能进行优化设置。

2）使用电机作为执行器的线控系统整体上降低了系统质量，从而降低整车质量，有利于节能环保。通常，车辆线控系统的控制方式包括有转向和制动控制等，其中，车辆转向控制中主要是通过对电机速度指令进行转换与执行来实现的。以当前应用最为广泛的电控液压助力转向系统为例，在该系统中，主要由驱动电机和液压助力助力泵组成。因此，在传统电子控制单元不能直接与汽车线控设备连接的情况下，传统电机和液压助力装置通过一种特殊机构连接在一起。此外，在进行转向和制动操作时，由于其结构形式比较简单，所以能够最大限度地保证电机工作时不会对周围环境产生影响。

3）采用线控系统的汽车更加易于进行二次开发，实现更多的定制化功能。目前，在汽车产品中，由于电子控制单元相对较少，导致其应用的空间有限。如果对车辆线控技术进行优化设计，那么就能够有效地将线控技术应用于不同车型中。例如：在某款SUV车型中，如果采用电控液压悬架系统与转向系统的混合设计，那么所具有的最大制动能力就无法达到最小制动能力要求；如果采用电控液压悬架和转向组合进行搭配的话，那么所具有的最大制动能力就会达到较小制动能力要求。在此基础上，汽车线控装置对电子控制单元进行了优化匹配，因此所具备的最小制动能力将得到极大地提高。同时由于电控液压悬架、电子制动防抱死系统（EBD）以及自适应巡航等高级功能设计的需要，也会使得汽车线控技术得到了进一步地优化和完善。

4）由于具备电信号控制的执行机构，从而为自动驾驶系统的开发准备的基础。汽车线控系统的引入不仅可以对车辆进行更多高级功能的设计，而且还能够对车辆本身的运行状态进行监测，使自动驾驶系统在一定程度上得到进一步发展。例如：在自动驾驶领域的研究中，通过采用汽车线控技术来实现无人驾驶功能，能够使车辆内部结构及机械机构得到优化和完善，同时还可以在很大程度上减少人为操作，从而在某种程度上提升安全性。

4 底盘线控子系统

4.1 线控转向系统

智能网联车辆的线控转向系统是一种通过电子信号进行信息传输的电子控制系统。基于EPS的开发，逐步完善。把方向盘与转向执行机构的机械联接改为控制装置对伺服电机进行控制，以此来带动转向执行机构。在汽车自动避障、自动泊车、车道保持等方面，线控转向系统能够对汽车的侧向移动进行智能控制。目前线控转向和线控制动也是线控子系统的核心，产业发展也比较有成长性。特别在智能驾驶催化下，线控转向技术成为未来的发展重心。2022年1月起，中国转向标准GB 17675-2021已正式实施，新政解除过去政策对转向系统方向盘和车轮物理解耦的限制，为线控转向落地扫除了政策障碍。

在人工行驶模式下，驾驶员旋转方向盘，方向盘扭矩和角度传感器将检测到的转向盘扭矩和转向盘角度，从而将扭矩和角度信号转换为电信号，输入到一个电子控制单元（ECU），ECU通过计算和输出适当的命令来对转向执行电机进行适当的旋转方向、扭矩大小和转速的操作，然后对机械转向机构进行控制，从而使车辆的车轮最终到达驾驶员所期望的方向。同时，通过位移传感器将车辆的速度、角度等信息转化为电子信号，再由ECU进行路感控制，再将转向盘的扭矩反馈给驾驶员，从而达到仿真的效果。在无人驾驶状态下，驾驶员转动方向盘的手动操纵，会变成电脑平台将操纵意向传送至VCU，计算平台会依据所收到的环境感知传感器的讯号、设定的行车路线等，来判定车辆的行驶方向，并由CAN总线传送至VCU，由VCU进行运算，再由CAN总线传送至线控转向系统ECU，从而实现车辆的转向。

由于其控制系统要针对不同的车辆工况，所需的力计算较为复杂，因此一般需要采用容错控制技术，其中最常见的是硬件冗余法和分析冗余法。硬件冗余法是通过在设备中配置两组单独的机械设备，对易发生故障的重要部件进行备份，以改善系统的容錯能力。在汽车正常运行时，离合器处于脱开的状态，车辆通过电子信号进行信息传递。在电子讯号不正常时，离合器联接，通过机械元件来传达汽车的方向讯号。

解析冗余法又称为控制冗余法，其可以在故障状态下，利用算法的冗余，在容错性条件下实现基本的转向目标。

4.2 线控驱动系统

线控驱动系统目前技术壁垒较低，市场应用较成熟。通过线控驱动，可以在车辆垂直方向上调整车辆的前进方向，从而精确地控制车辆的预期速度。线控驱动系统可以把原本的机械传输，比如驾驶员踩油门，转变为电子信号的准确传输。如果是自动驾驶，将会有计算平台代替油门踏板，用电子信号来控制发动机。

线控油门控制系统是利用传感器对油门的深度和速度进行检测，以达到对踏板的电子控制，再由控制单元接收并解读，最后再根据控制命令对车速进行控制。线控驱动系统按功率源的不同可分为两类，分别是：燃油车的线控驱动系统和纯电动汽车的线控驱动系统。在智能网联汽车线控油门系统中，驱动系统的能量是由电池提供，“油门”则是控制电机的扭矩和速度，与计算平台、VCU、MCU共同完成车辆的加减速，而计算平台利用周边的信息进行融合，计算出最优的行车路线，并将其发送到 VCU，VCU将踏板踩下程度等信息传递到MCU，MCU对电机的扭矩和速度进行控制，从而达到加速的目的。

4.3 线控制动系统

与传统的汽车刹车系统相同，其作用是根据道路状况实现自动刹车，但在结构上却不相同，线控制动系统代替了机械或液压部件，切实将输入接口（刹车踏板）和执行装置（刹车执行器）连接起来。

线控制动系统需要高精度的信号以及通信协议的安全。目前线控制动系统有两种形式：一是线控机械结构，另一种是线控电子机构。机械结构的线控制动系统，其通过连接线控制动部件的运动，利用摩擦制动器进行制动，包括有制动踏板行程、压力传感器和车轮传感器等。在传统汽车中，机械制动器由车架、制动衬套、制动蹄和制动拉杆组成。电子结构的线控制动系统，通过电子元件的开关与转换实现运动部件之间的连接与控制，例如有制动液压阀、电磁阀以及液压缸等。与传统机械式线控制动系统相比，电子结构的线控制动系统可以简化机械部件构造，减少制造成本及装配难度。

按智能网联车辆未来自动驾驶的趋势，电子线控制动系统将需要更加深入的发展，同时在碰撞事故或者电子失灵情况下，制动系统是否还能正常运转也是值得关注的技术问题。

4.4 线控悬架系统

悬架是汽车底盘系统的重要组成部分，其能够通过调节和控制悬架系统的阻尼系数、弹簧刚度以及悬架动行程，以提高汽车的行驶平顺性及操纵稳定性。线控悬架系统技术应用较早，但由于价格高昂，目前主要应用于高端车型。传统汽车上所使用的悬架系统是被动式的，它通过弹性元件来改变车身高度，而车辆在行驶时受到路面和其他外部干扰因素的影响，会使车身产生相应的振动和运动，从而降低了车辆的舒适性以及操控稳定性。传统悬架系统对于提升汽车安全性、舒适性以及操作性而言，并不能满足智能网联汽车对主动安全、平顺性等方面提出的更高要求。而线控悬架系统主要由传感器、执行器和ECU（电子控制单元）等组成，它能够根据传感器的信息进行判断，然后通过控制执行器来改变车辆的阻尼系数，进而改变车体高度，由此更好地提升驾驶人员的驾驶体验。

针对车辆的运动、装载等不同工况，采用不同的车辆控制策略，对车辆负载、速度等进行不同的控制，由此实现对线控悬架系统的有效控制。由于汽车负载的不同，会对车身的高度产生一定的影响，所以线控悬架系统可以根据负载的不同调整车身的高度，从而有效确保车身的稳定性。在停车时，乘客数量和负载都会降低，由于重力的作用，车体的高度也会随之增大。为了减轻线控悬架系统的负载，将需要自动降低车辆的高度。在汽车的高速运动中，线控悬架系统会主动地降低车身高度以提高驾驶的平稳性。当汽车在崎岖的道路上行驶时，为了防止地面或悬架磕碰，悬架控制系统会自动提升车身高度。

悬架控制系统也可以根据各种驾驶条件调节底盘的阻尼性能，使整车的乘坐舒适性和操纵稳定性得到优化提升。

5 底盘线控控制技术

5.1 全矢量单独车轮控制

全矢量单独车轮控制是一种驱动系统，其由驱动电机和转动轴组成，主要功能是对四个车轮进行驱动和制动。驱动电机可通过多路信号来实现对四个车轮的驱动控制，同时也能使各车轮以不同的转速和转矩运动。转动轴主要用来满足转向和制动需求，而其上安装有制动能量回收系统。对于智能网联汽车而言，通常使用永磁同步电机来作为驱动力及动力传输系统，这主要是因为永磁同步电机具有结构简单、成本低廉、体积小等优点。全矢量单独车轮控制在使用中会受到空间限制，因此其应用较为少见。这种方法在空间受限的应用中能起到良好的效果，同时也能兼顾汽车安全性及舒适性等多方面需求。比如国内某汽车厂商在2023年发布全新品牌，其中就采用国内首次量产的四电机驱动技术，从而打破传统汽车的概念，通过底盘的矢量控制技术，对汽车四轮实行动态精准控制。

5.2 线控底盘集成控制架构

线控系统控制技术的发展是随着电子控制技术不断发展而来的。现代线控技术主要有以下几种类型：1）基于微处理器和数字信号处理的逻辑电路；2）基于计算机或数据通讯协议的控制器，其包括有汽车发动机控制系统、制动系统以及悬架控制系统等；3）基于DSP数字信号处理技术，包括有转向系统、动力传动系统、驱动控制和底盘控制等。

现代电子控制技术是指用微电子机械芯片代替传统机械结构，使电子系统达到智能化程度的一种电子装置或器件。现代电控技术是将电子电路、传感器设备及各种控制与驱动装置等集成到一个底盘之上，从而实现车辆的智能化。随着智能网联汽车的发展，智能网联汽车在一定程度上能够更好地实现车辆安全化、智能化和人性化发展方向的要求。

当前，在智能网联车辆的底盘线控系统中，各子系统间缺少相互间的信息交流，同时存在着多个子系统相互不协调、相互影响等问题。而智能网联汽车的最终目标是实现车、路、行人、云平台的互联。

6 结束语

总而言之，智能网联汽车底盘线控技术是一种对控制策略有较高要求的高精密汽车电子控制技术。期间通过四个底盘线控子系统的高度协作，将可以实现全矢量单独车轮控制，并且也能够使车辆运行更加安全、可靠。在未來，随着消费升级、电动智能的持续变革，汽车底盘各个子系统将持续向线控化转型，应用的频率将会不断提升，而集成化也将成为其发展的必然趋势，由此强化对智能网联汽车底盘线控系统技术研究将具有必要性。

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