楊 懿

（廈門金龍旅行車有限公司，福建 廈門 360000）

引言

隨著電子技術(shù)在汽車領(lǐng)域的快速發(fā)展，無人駕駛將會成為汽車設(shè)計的下一個重點。統(tǒng)計表明，大部分致命的汽車行駛事故是由人為原因誘發(fā)[1]。通過裝載高性能傳感器和先進控制系統(tǒng)，輔助駕駛功能有利于駕駛員及時準(zhǔn)確對外界環(huán)境做出合理的反應(yīng)，從而保證駕駛員人身及財產(chǎn)安全。而將車輛進一步升級為無人駕駛系統(tǒng)，能使其在不適合人類工作的環(huán)境下進行作業(yè)。本文介紹的輕型越野車非常適合在人煙稀少的無公路地帶行駛。所以，將越野車與自動駕駛功能相結(jié)合，將進一步提升 Tomcar的使用范圍和實用意義。本文將探討這一可能。

1 Tomcar當(dāng)前情況分析

Tomcar采用模塊化設(shè)計，對各大總成采用先分步安裝，再總體拼裝的模式?？傮w拼裝需要使用Tomcar配備的夾具。Tomcar按其設(shè)計思路分為以下系統(tǒng)，如圖1。

圖1 整車系統(tǒng)架構(gòu)

其中, 發(fā)動機系統(tǒng)有自己的 ECU，其內(nèi)有對應(yīng)的發(fā)動機控制算法，比如根據(jù)油門開度和汽車車速進行噴油量控制的算法，進而可實現(xiàn)對發(fā)動機油門、轉(zhuǎn)速、扭矩的控制。這一算法的參數(shù)主要通過發(fā)動機調(diào)試得出，以C語言的形式寫入發(fā)動機ECU 中。一般出于對參數(shù)的保密，發(fā)動機廠商不愿意提供在ECU中的C語言程序。所以發(fā)動機部分無法在改裝中變化。電子設(shè)備系統(tǒng)主要包含車燈等低能耗的電器元件，所以目前 Tomcar的電池設(shè)備容量相對較小，改裝后應(yīng)該安裝更大功率的電池。轉(zhuǎn)向機構(gòu)目前為機械式無助力轉(zhuǎn)向，改裝后應(yīng)該增加電控轉(zhuǎn)向裝置，可根據(jù)輸入信號實現(xiàn)對車輛轉(zhuǎn)向角度及速度的控制。目前變速箱為手動無助力變速箱，改裝后應(yīng)該增加線性電機，也叫推桿馬達，線性電機可根據(jù)輸入信號實現(xiàn)對車輛擋位的控制。線性電機是在改裝中添加的，其原本不一定屬于變速箱機構(gòu)。所以不一定會符合現(xiàn)有的總線協(xié)議。制動系統(tǒng)可實現(xiàn)對車輛制動液壓的電子化控制，同時兼顧原車底盤的ABS功能，對車輛制動力的控制，防止抱死。這一部分相對成熟。圖2為其三維設(shè)計圖紙。

Tomcar中國公司于2008年對Tomcar的設(shè)計思路申請了相關(guān)專利，并于2009年獲得相關(guān)專利。在此之后量產(chǎn)了幾個批次的整車。其中部分整車被中國各大軍事院校采購，比如國防科技大學(xué)，南京理工大學(xué)。在對Tomcar越野性能充分肯定的同時，也有部分中國軍事院校提出了提高整車動力性能的愿望。所以，2017 起生產(chǎn)的Tomcar將換裝更大功率的發(fā)動機。由原來的宗申發(fā)動機換成了奇瑞發(fā)動機或者五菱發(fā)動機。最大扭矩提高15%左右, 最大功率提升20% 左右。另外，由軍方提出的修改成四驅(qū)建議，沒有被采用。具體原因如下，前輪載荷占比較低，占整車重量的 33.3%，上陡坡時車輛重心又會后移，前輪的負荷降低較多，以30度（59.3%）的坡度為例，爬坡時前輪的載荷約為平地前輪載荷的 60%多，僅占整車總重的 18%，附著力較小，不能產(chǎn)生足夠的動力。另外，改裝四驅(qū)勢必增加前輪的簧載質(zhì)量。加裝四驅(qū)會在略微提高汽車動力性能的同時，嚴重消弱 Tomcar優(yōu)越的越野性能。汽車動力性能也可以通過換裝更大功率的發(fā)動機來加強。所以，改裝四驅(qū)得不償失。Tomcar被指出的其他缺點主要是由于車齡較大，保養(yǎng)不當(dāng)而產(chǎn)生的，這不會出現(xiàn)在新款（2017年初之后生產(chǎn)）的Tomcar上。國外已經(jīng)有不少Tomcar的原版被裝備于各國軍隊。在澳大利亞等國也廣泛的用于民用。在Tomcar存在的這20 年來，Tomcar以其卓越的性能，深受各大大洲客戶的好評?？偠灾?，在沙漠和草原等無公路地帶，Tomcar的原型車都被認為是最好的選擇。另外，國外已經(jīng)有基于Tomcar原版的無人駕駛改裝版本。以色列軍方和美國軍方都已經(jīng)擁有了各自的無人駕駛版本。表1和表2給出了Tomcar的基本參數(shù)。

表1 Tomcar設(shè)計參數(shù)

表2 Tomcar選用發(fā)動機參數(shù)

2 改裝可能性分析

一般汽車上使用的CANbus，大多采用的是線性總線，如圖 3。這種的核心件是唯一的導(dǎo)線，所有的節(jié)點都通過短的連接線和導(dǎo)線相連。這種結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)上擴展其他參與信息交換者非常容易。各個參與者都可以自由的發(fā)送信息，并分配在總線上。即每個參與者之間都有自由通訊的可能。但這種總線的前提是，它們必須遵守相同的通訊協(xié)議。但由于全地形車的總成數(shù)量有限，有些總成的ECU 并不遵守汽車界普遍使用的通訊協(xié)議。而且，ECU 內(nèi)的程序確是大多數(shù)供應(yīng)商不愿意提供的。另外，如果后期有為了實現(xiàn)無人駕駛的設(shè)備被安裝在Tomcar上，如果這些設(shè)備也不遵守汽車界普遍使用的通訊協(xié)議，則Tomcar上的各個總成的ECU 也無法與這些設(shè)備通訊。所以，這一方案不是改裝Tomcar的最佳方案。

圖3 線型總線拓撲結(jié)構(gòu)[2]

圖4 星型總線拓撲結(jié)構(gòu)[1]

圖5 星型總線拓撲結(jié)構(gòu)思路在Tomcar 上的實現(xiàn)思路

對Tomcar的改裝, 有另外的一套方案，即星型-總線拓撲結(jié)構(gòu)，如圖 4。這套方案將汽車分為兩個層面，一個為整車層面，一個為裝備層面。每個層面都有自己的網(wǎng)絡(luò)集中設(shè)備（Host,所以改裝后的Tomcar有兩個網(wǎng)絡(luò)集中設(shè)備。這一方案在車聯(lián)網(wǎng)的時代被越來越多的采用[3],主要原因是處理器性能和信息傳遞速度的大幅上升克服了網(wǎng)絡(luò)集中設(shè)備的信號阻塞。具體思路如圖5 所示，Main ECU 2將翻譯來自設(shè)備層面的信號，然后將控制信號傳達到各個整車總成 ECU 中去。Main ECU 2也同時接收各個整車總成ECU的ECU，將它傳達到設(shè)備層面的Main ECU 1，Main ECU 1再將決定，將信號給設(shè)備層面的哪個ECU。Main ECU之間的通訊可以使用CAN總線或者 Flexray。這樣的優(yōu)點主要有，其一不需要更改發(fā)動機ECU和轉(zhuǎn)向機構(gòu)的ECU，其二可以為未來擴充其他裝備提供可能。因此，對于Tomcar的改裝,本文建議采用星型-總線拓撲結(jié)構(gòu)。

3 硬件與調(diào)試

改裝分為大致七個階段。其大致CAD 設(shè)計階段，采購零件階段，CAE仿真階段，硬件在環(huán)仿真(Hardware-inthe-loop simulation, HiL)，整車試制階段，整車調(diào)試階段，無人駕駛設(shè)備調(diào)試階段。其中每個階段都有相互交叉的時間段。比如由于市場上找不到完全理想的零件，就有可能重新修改CAD圖紙。整車調(diào)試階段如果發(fā)現(xiàn)問題，則有可能需要重新CAE計算。TOMCAR 圖紙使用Siemens公司旗下的Solid Edge完成。擁有當(dāng)今最主流的CAE軟件，比如美國ANSYS 和法國Dassault的接口。既可以方便的使用FLUENT 和CFX 進行后期的流體仿真分析，也可以使用mechanical和ABAQUS做后期的有限元分析。使用這樣的圖紙，完全可以方便的基于這套圖紙對現(xiàn)有硬件進行繼續(xù)改進。整車層面的中心 ECU在第一階段，可以直接使用 dSPACE, 以方便對整車進行Hardware in the loop的調(diào)試。dSPACE可以直接轉(zhuǎn)化Matlab模型和Simulink模型為ECU所需要的C語言。使工程開發(fā)更加迅速。當(dāng)結(jié)果令人滿意之后，可以直接將 C 語言拷入Tomcar整車層面的中心ECU。這樣的優(yōu)點主要有兩點，一為減輕開發(fā)階段的難度，可借鑒國外技術(shù)，其二為量產(chǎn)階段可以完全國產(chǎn)化。以下為對Tomcar改裝計劃的時間表，如表3。

表3 研發(fā)時間分析

如前文所提及，對Tomcar的線控化改裝必然要添加合適的電機設(shè)備，這就要求調(diào)整Tomcar的硬件設(shè)施。這其中由于購買設(shè)備和雇傭相關(guān)人才的費用估算大致如下，見表 4。眾所周知，時間，成本和質(zhì)量三個因素互相影響和制約。當(dāng)資金充足的時候，研發(fā)時間會減小，產(chǎn)品質(zhì)量會上升。表3和表4所計算出來的數(shù)據(jù)是根據(jù)最低成本算出來的結(jié)果。換句話說，當(dāng)經(jīng)費上升，是可以加快研發(fā)速度的。但是研發(fā)成本卻很難低于表格中所給出的價格。

表4 成本分析

4 無人駕駛設(shè)備擴充可能產(chǎn)生的問題

如前文所述，現(xiàn)有Tomcar的電池主要是為車燈等低能耗設(shè)備準(zhǔn)備的。無人駕駛設(shè)備可能包括攝像頭設(shè)備，雷達設(shè)備等相對于車燈需要更多能耗的電氣設(shè)備。所以，為 Tomcar改裝時需要更大容量的電池以及為了裝備更大電池所有的預(yù)留空間。另外，在低速階段，發(fā)動機轉(zhuǎn)速略高于怠速工況，這時發(fā)動機功率較低，供能有限，存在不足使雷達等設(shè)備正常工作的可能。對此，一套合適的能源管理系統(tǒng)是有必要的，如圖6。這一系統(tǒng)是虛擬的，其也有整車層面的中心ECU 進行控制。其思路為，發(fā)動機在高速階段故意使用低速擋行駛，使發(fā)動機在行駛中產(chǎn)生過剩能量，從而為電池進行充電。以確保電池電能狀態(tài)盡可能的處于一個比較高的狀態(tài)。如果改裝后的Tomcar將主要是以低速前進，可以考慮進一步的提高從發(fā)動機到車輪的傳動比，從而使發(fā)動機在同一車速下有更高的轉(zhuǎn)速，進而提高發(fā)動機功率。另外，電氣設(shè)備在汽車巡邏時可能由于電負載的突然變化而被關(guān)閉[4]。為此，在為Tomcar開發(fā)的能源管理系統(tǒng)需要為不同的電器設(shè)備分配優(yōu)先級，相對重要的電器設(shè)備會得到更高的優(yōu)先級。這樣，即使在電力不足的條件下，高優(yōu)先級重要的電器的電力供應(yīng)將被優(yōu)先供應(yīng)。優(yōu)先級較低的電器設(shè)備將會先被關(guān)閉。

圖6 能源管理系統(tǒng)

5 總結(jié)

本文在系統(tǒng)層面上介紹了Tomcar的各個組成系統(tǒng)。在考慮到現(xiàn)實零件購買的條件下，從工業(yè)界的角度，對其未來進行線控化改裝提供了具體的可行思路并合理的估算了其產(chǎn)生的費用。研發(fā)時間大約為 13 個月，研發(fā)經(jīng)費大致需要 581萬元人名幣。這一總需經(jīng)費有可能分攤到其他研發(fā)經(jīng)費中去。另外本文也對改裝添加攝像頭和雷達等無人駕駛的電氣設(shè)備之后可能產(chǎn)生的潛在問題進行了分析并給出了對應(yīng)的能源控制系統(tǒng)對這問題進行了合理的解。Tomcar 在按照本文思路進行改裝后，不但不會對現(xiàn)在的整車越野性能產(chǎn)生不良的影響，而且可以提高整車動力性能大致15%至20%。

[1] 陳國華,曾輝.廣東省特大道路交通事故統(tǒng)計分析及預(yù)防對策[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2010(10)：106—112.

[2] R. Bosch, Bosch Automotive Electrics and Automotive Electronics：Bus systems, pp. 92-151.Wiesbaden： Springer Fachmedien Wiesbad-en, 2014.

[3] Hagiescu, U. D. Bordoloi, S. Chakraborty, P. Sampath, P. V. V. Ganes-an, and S. Ramesh,“Performance analysis of flexray-based ecu networks,” in Design Automation Conference,2007. DAC’07. 44th ACM/IEEE, pp. 284-289, IEEE, 2007.

[4] R. Jane, G. G. Parker, W. Weaver, R. Matthews, D. Rizzo, and M.Cook,“Optimal powermanagement of vehicle sourced military out-posts,” SAE International Journal of Commercial Vehicles, vol. 10,pp. 132-143, mar 2017.