楊甲豐,張鳳登,李 明

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200082)

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展以及人們對汽車的需求不斷提高，汽車行業(yè)得到了快速發(fā)展,并且隨著人工智能的發(fā)展，無人汽車也成為研究熱點，其中汽車制動是非常重要的[1]。汽車制動系統(tǒng)的安全問題仍是一個備受人們關(guān)注的重要問題，汽車的制動性能已成為衡量汽車安全性能的一個重要標(biāo)準(zhǔn)[2-3]。與氣壓制動系統(tǒng)和傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)相比，線控制動(BBW，brake-by-wire)有非常大的優(yōu)勢，它用電導(dǎo)線的形式進行信號的傳輸，不存在結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜、笨重以及液壓油不足、污染環(huán)境等問題，符合綠色環(huán)保的發(fā)展理念。同時BBW采用電信號進行數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸時間較短，控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度相比于傳統(tǒng)制動系統(tǒng)得到了明顯的提高，減少了因液壓制動系統(tǒng)油路傳輸延時而造成的意外事故。BBW的發(fā)展符合未來制動系統(tǒng)的發(fā)展方向。

隨著車載電子控制單元的增加，CAN 總線已經(jīng)不能滿足車載總線主干網(wǎng)絡(luò)的需求。相比于最大傳輸速率可達10 Mbps的FlexRay總線，CAN總線在數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)和傳輸速度上都不具有優(yōu)勢，但是FlexRay總線生產(chǎn)成本較大，通信協(xié)議復(fù)雜，并不適合推廣使用。為了滿足更高帶寬和更大吞吐量的需求，在2012年，德國BOSCH公司發(fā)布了CAN_FD通信方案，ISO組織于2015年將CAN_FD通信方案標(biāo)準(zhǔn)化，國內(nèi)外學(xué)者開始了對CAN_FD的深入研究。為了提高CAN_FD總線網(wǎng)絡(luò)的安全性，文獻[4]設(shè)計了一種車載CAN_FD控制器，用于不同通道ECU之間的通信。文獻[5]FPGA搭建了支持CAN_FD通信的實驗平臺。文獻[6]從充分利用總線帶寬的角度出發(fā)，對CAN_FD數(shù)據(jù)幀組包問題進行了合理的分析研究。CAN_FD總線技術(shù)越來越成熟，傳輸速率以及高實時性滿足汽車對通信主干網(wǎng)絡(luò)的需求。

圖1 BBW結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

隨著汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展，像制動防抱死系統(tǒng)(ABS，anti-skid brake system)、采用總線型拓撲結(jié)構(gòu)且具有可變傳輸速率的車載CAN_FD總線技術(shù)、車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP，electronic vacuum program)等輔助電子控制系統(tǒng)為了滿足廣大用戶對汽車安全性以及多功能性的需求應(yīng)運而生，輔助電子控制系統(tǒng)以及CAN_FD總線的開發(fā)和應(yīng)用提高了汽車的穩(wěn)定性和安全性[7-8]，也進一步推動了汽車制動系統(tǒng)朝著無機械連接、更加舒適、安全環(huán)保的BBW方向發(fā)展。

傳統(tǒng)的制動力分配曲線是一條直線，斜率就是汽車前后軸制動力的比值[9]，這種制動力分配方式有很多缺陷，比如不能很好的利用地面附著系數(shù)、制動距離過長等。國內(nèi)外學(xué)者針對制動力分配問題提出了很多控制策略，其中很多是基于滑移率的分配策略，但這些控制策略都是針對傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)來提出的，主要原因是那時候BBW技術(shù)還不夠成熟。合肥工業(yè)大學(xué)的劉杰為達到汽車始終在安全工況下行駛的目標(biāo)，提出了邏輯門控制策略，該控制策略可以始終保證汽車后輪的滑移率小于汽車前輪的滑移率，從而保證汽車在制動時后輪不會早于前輪而發(fā)生抱死[10]。Fennel H和吉林大學(xué)張文利分別按照固定比例以及四分段的控制策略來保證汽車的后輪滑移率始終按比例追蹤汽車前輪的滑移率，但兩者均未考慮汽車的橫向穩(wěn)定性[11-12]。Goodarzi A針對牽引車提出了滑移率最優(yōu)的制動力分配策略，此策略中各車輪滑移率的權(quán)值取值難以確定[13]。隨著BBW的出現(xiàn)，汽車可以實現(xiàn)四輪獨立制動，國內(nèi)外學(xué)者開始在BBW上進行基于滑移率的分配策略研究和制動執(zhí)行器故障時制動力分配策略研究。文獻[14]針對汽車穩(wěn)定性的問題，提出了汽車后輪滑移率始終小于前輪滑移率的保壓增壓分配策略。文獻[15]對汽車制動力的分配問題進行研究，提出了低制動強度下的橫擺力矩控制算法。文獻[16]針對單輪爆胎的問題進行了深入研究，并提出將BBW以及前輪轉(zhuǎn)向協(xié)同的容錯控制策略。文獻[17]利用FlexRay總線作為車載網(wǎng)絡(luò)搭建線控制動實物平臺，并驗證了實物平臺的可行性。文獻[18]針對汽車制動舒適性問題，提出了基于汽車制動舒適性的制動意圖分類策略。

本文的研究目標(biāo)是基于CAN_FD總線的線控制動系統(tǒng)設(shè)計，對BBW進行了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計以及制動力分配策略的研究。

1 BBW結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了使BBW更加安全，本文設(shè)計了中央控制節(jié)點冗余的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該BBW設(shè)計共分為制動踏板模塊、CCU模塊、ECU模塊和CAN_FD總線，非冗余系統(tǒng)設(shè)計框圖與冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖如圖1所示。

在冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計中，共設(shè)計了六個節(jié)點，其中兩個中央控制節(jié)點(CCU1，CCU2)，四個車輪控制節(jié)點(左前輪控制節(jié)點LFECU，右前輪控制節(jié)點RFECU，左后輪控制節(jié)點LRECU，右后輪控制節(jié)點RRECU)。每個節(jié)點都有自己的功能，相互作用。如兩個中央控制節(jié)點構(gòu)成了對制動信息采集的冗余，確保采集數(shù)據(jù)的安全性，準(zhǔn)確性。兩個中央控制節(jié)點能夠獲取制動踏板的制動意圖，并通過CAN_FD總線獲取到四個車輪的速度，將踏板制動意圖和車輪速度作為輸入，通過CCU計算出此時四個車輪應(yīng)該獲得的制動力大小，通過CAN_FD總線傳輸給四個車輪控制節(jié)點進行制動。四個車輪控制節(jié)點主要負責(zé)車輪速度的采集以及制動力信息的獲取。

冗余結(jié)構(gòu)的設(shè)計不僅是在保證制動意圖采集的安全性，更重要的是針對單輪制動執(zhí)行器失效時，雙中央控制節(jié)點的調(diào)用策略。具體實現(xiàn)過程如下，當(dāng)汽車正常行駛時，CCU1和CCU2接收來自車輪控制節(jié)點的輪速數(shù)據(jù)和來自制動踏板的制動數(shù)據(jù)，將這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)作為輸入來計算出合理的制動力分配力，并傳遞給車輪控制節(jié)點進行制動，此時CCU1負責(zé)控制ECU1和ECU2，CCU2負責(zé)控制ECU3和ECU4；假設(shè)當(dāng)右前輪制動執(zhí)行器失效時，我們能夠很快采集的相關(guān)數(shù)據(jù)并判斷出右前輪失效，此時CCU2接管CCU1的控制，四個車輪控制節(jié)點都接收來自CCU2節(jié)點發(fā)出的制動力消息。

2 BBW制動力分配策略研究

2.1 汽車制動穩(wěn)定性分析

汽車在道路上直線行駛時，對汽車進行制動，車輪所受的地面制動力會受到地面附著系數(shù)、側(cè)向風(fēng)力以及路面狀況的影響，其中對它影響最大的就是地面附著系數(shù)。在制動時，汽車不僅會受到一個縱向力而且還會受到一個橫向力，縱向力的作用可以使汽車進行減速停車，但汽車所受到的橫向力有可能使得汽車發(fā)生一個小角度的側(cè)向偏移，這將使得汽車制動所產(chǎn)生的實際制動力曲線偏離理想制動力曲線。并且由于橫向力的存在，可能造成汽車的前后車輪發(fā)生不可預(yù)測的抱死，即前輪先于后輪抱死或者后輪先于前輪抱死兩種工況中的一種發(fā)生[19]。下面對這兩種工況進行分析。

第一種工況：前輪先抱死工況。汽車在道路上直線行駛時，汽車前輪先于后輪發(fā)生抱死的工況如圖2所示。

圖2 前輪先抱死工況

汽車正常制動時，如果前輪發(fā)生抱死，此時地面將不會對汽車前輪產(chǎn)生反作用力(前輪的橫向附著系數(shù)是零)。從圖2可以看出，汽車車頭由于受到了側(cè)向力的作用，會發(fā)生一個小角度的側(cè)向偏移。由于慣性，汽車行駛方向不會發(fā)生改變，此時汽車前輪將會受到與汽車行駛方向相反力的作用，該力會使汽車產(chǎn)生一個繞質(zhì)心的橫擺力矩，同時汽車后輪會受到一個垂直于車輪平面的側(cè)向力，在該側(cè)向力的作用下將會產(chǎn)生一個與干擾力矩相反方向的作用力，從而使得汽車可以恢復(fù)到正常的行駛方向，這種工況屬于穩(wěn)定狀態(tài)下的工況。

第二種工況：后輪先抱死工況。如圖3是汽車行駛在同等道路狀況下，后輪先抱死的工況。

圖3 后輪先抱死工況

汽車正常制動時，在一定車速下由于側(cè)向力的左右，汽車將會發(fā)生側(cè)滑(后輪橫向附著系數(shù)將是零)。從圖3可以看出，汽車車頭由于受到側(cè)向力的作用，后輪發(fā)生抱死將會受到一個與汽車行駛方向相反的作用力，產(chǎn)生一個可以忽略不記得橫擺力矩。汽車前輪將會使汽車產(chǎn)生一個與干擾力矩相同方向的作用力，該力會加劇汽車車頭的偏轉(zhuǎn)，這種工況屬于危險狀態(tài)下的工況[20]，汽車在此工況下進行制動極有可能發(fā)生危險。

綜上對這兩種工況的分析，可以得出在進行汽車制動時，由于受到橫向力的作用而使汽車發(fā)生一個側(cè)向偏移，如果后輪先于前輪抱死汽車將處于一個危險的工況中，在生活中應(yīng)該避免這種工況的發(fā)生；前輪先抱死雖然屬于一種穩(wěn)定工況，但在實際中也應(yīng)該避免。在汽車制動中最理想的制動狀態(tài)就是前后輪都不發(fā)生抱死，此時汽車可以穩(wěn)定舒適的制動停車；而最理想的制動距離就是前后輪同時發(fā)生抱死，此時汽車的制動距離最短。

2.2 三輪協(xié)同制動力分配策略

在單輪制動執(zhí)行器故障工況下，本文所研究的重點是如何將汽車制動力重新分配到其余三個正常車輪上，使其盡可能接近駕駛員制動意圖所需的理想減速度，并減少由于單輪制動執(zhí)行器故障所引起的側(cè)向偏移。

本文以右前輪制動執(zhí)行器發(fā)生故障為例，汽車直道行駛時，右前輪故障導(dǎo)致其沒有產(chǎn)生車輪制動所需的制動力FxdesRF，如圖4所示(圖中ΔFxlost表示右前輪制動執(zhí)行器故障而失去的制動力，F(xiàn)xlim表示制動力附著極限,Fxres表示汽車制動力儲備，其中Fxres=Fxlim-Fdes)。如果不采取糾正措施，汽車的總制動力將會低于駕駛員所期望的制動力，并且車輛將受到偏航力矩Mz=FxLFtw/2，其中tw是輪距，F(xiàn)xLF是左前輪地面制動力。偏航力矩將會使汽車發(fā)生側(cè)向偏移，即向左偏移，此時將需要通過駕駛員進行轉(zhuǎn)向校正以保持汽車正常行駛方向。對于本文所設(shè)計的BBW車輛，在檢測到制動執(zhí)行器故障后，中央控制單元將會自動采取校正措施，所謂的校正就是制動力的重新分配策略，這將比駕駛員進行手動轉(zhuǎn)向校正快很多。

本文針對汽車右前輪制動執(zhí)行器故障問題，提出了汽車行駛速度與制動強度相結(jié)合的三輪協(xié)同制動力分配策略。該分配策略是根據(jù)汽車行駛速度的大小，先減小側(cè)向制動力不平衡，然后允許制動力不平衡(和偏航力矩)緩慢增加，以便駕駛員有時間通過手動控制方向盤反向轉(zhuǎn)向進行偏移校正。這種分配策略可以使車輛保持可控，而不會顯著影響停車距離。三輪協(xié)同制動力分配策略，將制動強度具體分為以下三種情況。

圖4 右前輪制動執(zhí)行器故障時汽車受力分析圖

第一種情況：輕度制動。

如圖5所示描述了汽車輕度制動。在這種情況下，右前輪制動力損失ΔFxlost小于右后輪制動力儲備Fxres。因此，右前輪損失的全部制動力可以施加到車輛同一側(cè)的車輪上，而不會使車輪達到附著力極限。在這種情況下，總制動力保持不變，而不會產(chǎn)生不期望的橫擺力矩。

圖5 右前輪制動執(zhí)行器失效時輕度制動制動力的再分配

第二種情況：中度制動。

如圖6所示描述了汽車中度制動。在這種情況下，右前輪制動力損失ΔFxlost大于制動力儲備Fxres，但只有一個相對較小的數(shù)額。部分右前輪制動力損失施加在汽車同一側(cè)的車輪上(直至該車輪的制動力達到附著力極限)，其余部分按與正常制動時相同比例施加在其余兩個車輪上。在這種情況下，總制動力(和車輛減速度)保持不變，但由于兩側(cè)制動力的差異，會產(chǎn)生較小的橫擺力矩。由于偏航力矩很小，因此不會導(dǎo)致車輛快速偏離所需路徑。

圖6 右前輪制動執(zhí)行器失效時中度制動制動力的再分配

第三種情況：重度制動。

如圖7所示描述了汽車重度制動。

圖8 BBW車輛算法流程圖

在這種情況下，右前輪制動力損失ΔFxlost遠遠大于制動力儲備Fxres。這種情況下，右前輪制動力損失的一部分施加到同一側(cè)的車輪上(直至該車輪的制動力達到附著極限)。另一側(cè)的制動力先減小，然后緩慢增大，直至達到所需的總制動力或制動力飽和，以先達到的條件為準(zhǔn)。在這種情況下，總制動力(和車輛減速)首先減小，然后增大，如圖7所示。初始橫擺力矩保持較小(在或低于駕駛員可以處理的水平)，然后緩慢增加。給駕駛員留出反應(yīng)時間。

圖7 右前輪制動執(zhí)行器失效時重度制動制動力的再分配

根據(jù)汽車行駛速度的大小，將汽車行駛速度分為三個階段，即高速階段、過渡階段、低速階段。根據(jù)每個階段來進行制動強度的選擇，在高速階段，由于汽車行駛速度很快，采用重度制動以及中度制動是很危險的，容易造成汽車甩尾事故的發(fā)生，所以在這個階段只能采用輕度制動策略，重度制動策略及中度策略自動失效；在過渡階段，此時采用重度制動是很危險的，但可以采用中度制動策略或者輕度制動策略完成汽車制動；在低速階段，由于汽車行駛速度不高，三種制動策略都適用。

下面針對該三輪協(xié)同制動力分配策略提出如圖8所示的控制算法。

3 BBW的軟硬件設(shè)計

3.1 硬件整體方案設(shè)計

本文的BBW共設(shè)計了6個控制節(jié)點，圖9為系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖，包括CCU1、CCU2、RF-ECU、RRECU、LF-ECU、LR-ECU 共6個控制節(jié)點以及輪速采集傳感器、駕駛員制動意圖采集傳感器(壓力傳感器)、車輪制動執(zhí)行器和CAN_FD總線。其中，CCU1和CCU2是中央控制節(jié)點，主要負責(zé)駕駛員制動意圖信號的采集和制動力分配策略的實現(xiàn)以及實現(xiàn)CAN_FD網(wǎng)絡(luò)通信；四個車輪控制節(jié)點主要負責(zé)車輪輪速信息的采集和產(chǎn)生用于控制車輪制動執(zhí)行器進行車輪制動的PWM波以及實現(xiàn)CAN_FD網(wǎng)絡(luò)通信；各個控制節(jié)點通過CAN_FD總線進行連接，使整個通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成線性無源總線型拓撲結(jié)構(gòu)。圖中CAN_FD總線兩端的120 Ω電阻是必不可少的，它的作用是抑制CAN_FD總線上信號傳輸造成的反射，并減小信號的衰弱。

圖9 BBW整體硬件設(shè)計框圖

3.2 BBW控制節(jié)點硬件設(shè)計

BBW的6個控制節(jié)點采用相同的硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)，主要包括電源電路、JTAG電路、MCU電路、制動意圖采集電路、制動執(zhí)行器驅(qū)動電路、CAN_FD驅(qū)動電路與復(fù)位電路等。本文采用ST公司的STM32H750VB芯片作為主控制芯片其中，MCU采用意法半導(dǎo)體(ST)公司生產(chǎn)的STM32H750VB芯片，如圖10所示是BBW控制節(jié)點的硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖。

圖10 BBW控制節(jié)點的硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖

其他模塊設(shè)計如下所示。

1)電源處理電路設(shè)計:

由于BBW中的制動執(zhí)行器采用的是12 V供電的磁粉制動器，MCU的供電電壓是3.3 V，CAN_FD模塊的供電電壓是5 V，故該BBW所用到的電壓為+12 V、+5 V、+3.3 V，綜合考慮以上因素決定采用12 V直流電瓶進行供電。

2)控制器最小系統(tǒng)設(shè)計:

BBW的6個控制節(jié)點均采用ST公司的STM32H750VB芯片作為主控芯片，該芯片可以滿足低成本、低功耗、高性能的應(yīng)用要求，如實現(xiàn)汽車線控制動、線控轉(zhuǎn)向等功能，且該芯片集成了CAN控制器、CAN_FD控制器。CAN_FD控制器相關(guān)接口外圍電路設(shè)計簡單，便于CAN_FD總線的實現(xiàn)。

3)CAN_FD驅(qū)動模塊設(shè)計:

由于STM32H750系列單片機該集成了CAN_FD控制器，所以只需要選擇支持CAN_FD的收發(fā)器即可。

4)制動意圖采集模塊設(shè)計:

本設(shè)計采用壓力傳感器來模擬駕駛員的制動意圖，壓力傳感器選用的是電阻式壓力傳感器，可以將力學(xué)信號轉(zhuǎn)為電信號傳輸給A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換芯片選用HX711，它是海芯科技進行研發(fā)的一款專用用電子秤的24位A/D轉(zhuǎn)換芯片。

5)輪速采集模塊設(shè)計:

本設(shè)計選用的是型號為CS3144的霍爾式輪速傳感器，它應(yīng)用霍爾效應(yīng)原理，采用磁敏電路設(shè)計，可以在超過+150 ℃的溫度范圍內(nèi)連續(xù)工作，在電壓出現(xiàn)波動時也可以正常工作。

6)制動執(zhí)行器驅(qū)動模塊設(shè)計:

本設(shè)計選用改裝的實驗卡丁車作實驗平臺，該實驗卡丁車的車輪制動執(zhí)行器采用磁粉制動器，可以用PWM波進行控制，供電電壓為12 V，而單片機GPIO口的輸出電壓最高為3.3 V，采用小電壓控制大電壓的方式。

3.3 BBW軟件設(shè)計

BBW軟件設(shè)計架構(gòu)圖如圖11所示。

圖11 線控制動系統(tǒng)軟件框架

從圖中可以看出每個控制節(jié)點的數(shù)據(jù)流向，CCU1、CCU2是整個系統(tǒng)的中央控制節(jié)點，它們從壓力傳感器采集壓力數(shù)據(jù)并且通過傳輸總線來接收四個車輪控制節(jié)點的輪速信息，根據(jù)這兩個條件進行合理的制動力分配；車輪控制節(jié)點用于采集輪速信息，并通過傳輸總線接收來自CCU1、CCU2的制動力分配數(shù)據(jù)，將此作為輸入，輸出PWM波給制動執(zhí)行器的驅(qū)動模塊，以此來完成安全有效的停車制動。在圖11中，兩個CCU起到了統(tǒng)一調(diào)度、分配的作用，其他四個車輪控制節(jié)點主要是起到制動執(zhí)行以及輪速信息反饋的作用。

4 實驗結(jié)果與分析

通過人為設(shè)置右前輪故障，先設(shè)置成BBW非冗余結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。在故障模式下，進行汽車制動，系統(tǒng)將進行故障狀態(tài)下的制動力分配策略，在固定車速的情況下，施加不同的制動強度，測量施加制動意圖到停車的制動距離以及車輛的位置偏移；然后將系統(tǒng)設(shè)置成BBW冗余結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，同等條件下測量施加制動意圖到停車的制動距離以及車輛的位置偏移，結(jié)果如圖12所示。

圖12 實驗結(jié)果

對圖12(a)、(c)、(e)進行分析可以得出在不同制動強度工況下，BBW非冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計在制動距離上略優(yōu)于BBW冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計，隨著制動強度的增大，實驗卡丁車的制動距離減小。BBW冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計相比于BBW非冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計最大增加了4.56%的制動距離，且兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計在本文的三輪協(xié)同制動力分配策略作用下均滿足GB7258-2012對緊急制動時的制動距離要求。

從對圖12(b)、(d)、(f)進行分析可以得出在不同制動強度工況下，BBW冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計在側(cè)向偏移距離上優(yōu)于BBW非冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計，隨著制動強度的增大，實驗卡丁車的側(cè)向偏移距離在增大，在三種制動強度下BBW冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計相比于BBW非冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計分別縮短了2.13%、6.29%、15.85%的側(cè)向偏移距離。

5 結(jié)束語

在保證汽車安全制動停車的情況下，汽車側(cè)向偏移距離越短越安全，BBW冗余結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的性能優(yōu)于BBW非冗余結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。本文提出的三輪協(xié)同制動力分配策略滿足國GB7258-2012對制動距離的要求，可以保證汽車制動時的安全性和穩(wěn)定性。