楊曄

蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué) 甘肅省蘭州市 730207

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，在傳統(tǒng)燃料汽車以及新能源汽車上，線控底盤技術(shù)正在進(jìn)行日新月異的發(fā)展和應(yīng)用，特別是在新能源汽車無人駕駛技術(shù)的開發(fā)中，線控底盤已成為其必然的選擇。線控底盤技術(shù)包括線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、線控制動系統(tǒng)、線控驅(qū)動系統(tǒng)、線控懸架系統(tǒng)，當(dāng)駕駛員向傳感器的傳達(dá)其駕駛意圖時，駕駛意圖已轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杺魉徒o了控制器，控制器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，從而實現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向、制動、驅(qū)動等功能。對于真正的智能網(wǎng)聯(lián)汽車而言，完全自動駕駛級別現(xiàn)階段還不能實現(xiàn)，因為完全自動駕駛要求車輛能夠完成所有道路環(huán)境下的操作，始終不需要駕駛?cè)说慕槿?，這就要求環(huán)境感知傳感器對于道路信息進(jìn)行詳細(xì)的采集，同時要兼顧網(wǎng)聯(lián)道路傳達(dá)的各項信息，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過計算轉(zhuǎn)變?yōu)闆Q策后，底盤將會執(zhí)行轉(zhuǎn)角、制動力、車速、檔位等精準(zhǔn)控制，單從車輛底盤方面考慮，需要十分龐大且精確的數(shù)據(jù)，這對于車輛的各個模塊、算力以及冗余度等都提出了很高的要求，目前只能從實驗研發(fā)車輛進(jìn)行測試與開發(fā)。本文即從線控底盤在無人駕駛實驗車輛的應(yīng)用角度出發(fā)，對線控底盤的結(jié)構(gòu)原理與通訊過程進(jìn)行闡述。

1 線控底盤的工作原理

線控底盤包含了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、線控制動系統(tǒng)、線控驅(qū)動系統(tǒng)、線控懸架系統(tǒng)等，各個系統(tǒng)與車輛VCU的信息傳輸與控制由CAN總線完成，當(dāng)攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)等環(huán)境傳感器采集到環(huán)境信息后，通過運(yùn)算平臺的計算，將車輛的控制信息通過CAN總線傳輸至車輛的整車控制器，整車控制器對控制信息再次分析處理，并通過CAN總線發(fā)送至線控底盤的各個模塊，從而根據(jù)實際道路環(huán)境實現(xiàn)轉(zhuǎn)向、制動、加速、換擋等動作。

2 無人駕駛汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與通訊

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)配合環(huán)境感知傳感器可以實現(xiàn)無人駕駛車輛的自動泊車、車道保持、自動避障等功能。它取消了傳統(tǒng)汽車方向盤至執(zhí)行器之間的機(jī)械連接，整個系統(tǒng)采用電信號控制車輪轉(zhuǎn)向，包含路感反饋、轉(zhuǎn)向執(zhí)行器、控制器以及相關(guān)傳感器等。當(dāng)線控轉(zhuǎn)向ECU接收到轉(zhuǎn)向命令后，結(jié)合當(dāng)前車速和檔位計算出需要的轉(zhuǎn)角，控制轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)工作，再通過角位移傳感器反饋轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度是否正確，最終實現(xiàn)車輛的自動轉(zhuǎn)向。

無人駕駛車輛的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通訊采用的CAN總線進(jìn)行傳輸，CAN報文采用數(shù)據(jù)幀的標(biāo)準(zhǔn)幀格式，報文長度通常為8字節(jié)。對于一些復(fù)雜程度高的無人駕駛車輛，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對整車VCU的CAN報文中Byte0部分，用來反饋線控轉(zhuǎn)向ECU當(dāng)前的狀態(tài)，包含ECU的工作模式是否開啟、ECU的驅(qū)動部分是否燒毀、ECU是否檢測到故障、ECU是否溫度過高。Byte1～Byte2部分，用來反饋當(dāng)前轉(zhuǎn)向盤旋轉(zhuǎn)的角度信息，例如轉(zhuǎn)向盤旋轉(zhuǎn)角度范圍為-720°～＋720°，逆時針旋轉(zhuǎn)為正，順時針選擇為負(fù)，其中0°為對應(yīng)中點位置。Byte3～Byte4部分，用來反饋當(dāng)前轉(zhuǎn)向電機(jī)電流，例如有效范圍為-60～＋60A，偏移量為0，精度為0.001A，逆時針旋轉(zhuǎn)為正，順時針選擇為負(fù)。Byte5部分，用來反饋當(dāng)前線控轉(zhuǎn)向ECU溫度，ECU溫度范圍為0～120℃，偏移量為0，精度為1℃。Byte5和Byte7為預(yù)留字節(jié)，默認(rèn)為0x00。對于一些僅為了簡單實現(xiàn)某項功能的無人駕駛車輛，其CAN報文中Byte0部分通常為檔位模式狀態(tài)，Byte1～Byte2部分為油門踏板狀態(tài)信息，Byte3～Byte4部分則為方向盤轉(zhuǎn)角信息，Byte5為方向盤轉(zhuǎn)速信息，Byte6為方向盤扭矩信息，Byte7為預(yù)留字節(jié)。

3 無人駕駛汽車線控制動系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與通訊

無人駕駛汽車線控制動系統(tǒng)的功能與傳統(tǒng)汽車制動系統(tǒng)的功能一樣，也是保證能夠按照路況等條件進(jìn)行強(qiáng)制減速直至停車，只是在結(jié)構(gòu)上有所改變，即制動踏板和制動執(zhí)行器之間是通過電子信號連接的，在它們之間沒有直接的液壓力或機(jī)械連接。當(dāng)車輛遇到危險時，傳統(tǒng)車輛的制動踏板位置傳感器通過檢測駕駛者的制動力大小將其傳遞給制動控制器，控制器綜合縱／側(cè)向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器等信號進(jìn)行計算，控制制動器快速而精確地提供所需的制動壓力。而無人駕駛車輛則根據(jù)環(huán)境感知傳感器的檢測，將危險信息傳遞給運(yùn)算平臺，運(yùn)算平臺分析后，向VCU發(fā)送請求執(zhí)行制動信號，VCU將信號處理后發(fā)送給線控制動系統(tǒng)，線控制動系統(tǒng)根據(jù)命令實現(xiàn)車輛的自動制動。

無人駕駛車輛的線控制動系統(tǒng)通訊也采用CAN總線進(jìn)行傳輸，其中制動系統(tǒng)與整車VCU之間的通訊報文主要涉及制動壓力行程的請求、制動燈的信號、儀表警告燈的顯示、制動踏板的動作等內(nèi)容。當(dāng)車輛遇到危險時，整車VCU要將運(yùn)算后的制動壓力請求發(fā)送給制動系統(tǒng)，并告知制動系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。當(dāng)制動行為出現(xiàn)時，制動系統(tǒng)會將制動踏板是否工作、制動踏板的開合程度、制動信號燈的狀態(tài)等信息告知給整車VCU。一些車輛中VCU向制動系統(tǒng)發(fā)送的通訊報文中，Byte0為制動壓力的請求，可以分為125個行程點，如0x50，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制后為80，及制動壓力行程為80個行程點。而制動系統(tǒng)向VCU發(fā)送的通訊報文中，Byte0為制動踏板的行程，有效值為0～100，如0x35，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制后為53，及制動踏行程為53%。制動燈的信息則存在與其他的字節(jié)當(dāng)中，一般0x0為關(guān)閉，0x1為開啟。

4 無人駕駛汽車線控驅(qū)動系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與通訊

線控驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)駕駛?cè)藙幼骱推嚫鞣N行駛信息，分析駕駛?cè)艘鈭D，精確控制動力裝置（發(fā)動機(jī)或電機(jī)）輸出功率和車輪驅(qū)動力以提高汽車動力性、經(jīng)濟(jì)性和操縱穩(wěn)定性。在無人駕駛車輛上，線控驅(qū)動系統(tǒng)往往結(jié)合環(huán)境感知傳感器的檢測結(jié)果，通過電信號來控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)車輛的自動起步、自動加速、自動換擋等行為。它主要由油門踏板系統(tǒng)、換擋桿系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)控制器等組成。油門踏板為線控油門，可以通過傳感器采集傳送油門踏板的位置與速度，并將此信號傳遞給控制單元VCU，實現(xiàn)行駛速度的控制；換擋系統(tǒng)也為線控形式，可以根據(jù)自動行駛需求，將需要變換的檔位信號傳遞給換擋控制單元，信號處理后傳遞給執(zhí)行單元，實現(xiàn)換擋動作。

無人駕駛車輛中，線控驅(qū)動系統(tǒng)的通訊也采用CAN總線進(jìn)行傳輸，其中運(yùn)算平臺與VCU之間的通訊報文主要涉經(jīng)過計算后的目標(biāo)車速、當(dāng)前車速、檔位信息、電機(jī)狀態(tài)、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)溫度等。當(dāng)乘客的乘坐意圖、交通規(guī)則等信息通過網(wǎng)絡(luò)或感知傳感器傳達(dá)到無人駕駛車輛的運(yùn)算平臺時，運(yùn)算平臺可根據(jù)道路環(huán)境給出最佳的目標(biāo)車速，此信息被傳遞到整車VCU，VCU處理后通過電信號控制車輛的起步、換擋和行駛。線控驅(qū)動系統(tǒng)中運(yùn)算平臺向VCU發(fā)送的報文信息主要包含車輛的目標(biāo)速度和檔位信號，也可添加一些輔助信號，如示寬燈、遠(yuǎn)近光燈、倒車燈、喇叭等。其中根據(jù)車輛所能達(dá)到的最高車速，目標(biāo)車速有效值為0～最高車速的10倍，若最高車速為120km/h，則有效值為0～1200，最小單位為0.1km/h，如數(shù)據(jù)為0x320，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制為800，800×0.1=80，代表目標(biāo)車速為80km/h。對于車輛的檔位信號，通常設(shè)置在報文的Byte0字節(jié)當(dāng)中，可以設(shè)置Byte0中當(dāng)bit6～bit7=0x00時，為P檔，當(dāng)bit6～bit7=0x01時，為R檔，當(dāng)bit6～bit7=0x02時，為N檔，當(dāng)bit6～bit7=0x03時，為前進(jìn)檔D。

VCU向運(yùn)算平臺發(fā)送的報文協(xié)議有多個，這些協(xié)議可以分別傳達(dá)車速、驅(qū)動電機(jī)的信息、行程里程的信息、動力電池的SOC值。其中驅(qū)動電機(jī)信息主要包含電機(jī)的狀態(tài)和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，由于車輛可以前進(jìn)和后退，所以電機(jī)的轉(zhuǎn)矩分為正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，假設(shè)有效值范圍為0～30000，數(shù)值偏移量-15000，表示-1500～1500N·m，其中正值為前進(jìn)時的轉(zhuǎn)矩，負(fù)值為倒車時的轉(zhuǎn)矩，最小單元為0.1N·m。

MCU向VCU發(fā)送的報文協(xié)議也有多個，包含有電機(jī)的狀態(tài)、電機(jī)的溫度、驅(qū)動電機(jī)控制器溫度、電機(jī)故障碼、電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向、電機(jī)控制器的輸入電壓、電機(jī)控制器直流母線電流等信息。對于電機(jī)狀態(tài)的數(shù)據(jù)，如用Byte0代表電機(jī)狀態(tài)，可用0x1代表電機(jī)正在消耗電能、0x2代表電機(jī)正在發(fā)出電能、0x3代表電機(jī)已關(guān)閉、0x4代表電機(jī)準(zhǔn)備啟動、0xFE代表電機(jī)故障。電機(jī)控制器溫度的數(shù)據(jù)，有效值范圍0～250，數(shù)值偏移量-40，則溫度值為-40°～210°，如0x30，轉(zhuǎn)為十進(jìn)制后為48，偏移-40后為8，表示當(dāng)前驅(qū)動電機(jī)控制器溫度為8°，驅(qū)動電機(jī)的溫度也可以按此報文數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。電機(jī)故障碼包含無故障、過流、過壓、欠壓、過載、過熱、傳感器故障、通訊故障等信息，這些信息均可用十六進(jìn)制數(shù)表示，如0xD：電機(jī)溫度傳感器故障。電機(jī)轉(zhuǎn)速的報文數(shù)據(jù)同前面介紹的電機(jī)轉(zhuǎn)矩報文數(shù)據(jù)格式一樣，可根據(jù)實際電機(jī)的真實最大轉(zhuǎn)速，利用偏移量表示正轉(zhuǎn)速度與反轉(zhuǎn)速度，最小單元為1r/min。

5 無人駕駛汽車線控懸架系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與通訊

無人駕駛汽車上的線控懸架系統(tǒng)實際為電控懸架系統(tǒng)的延伸，根據(jù)車輛在道路上行駛時，如果環(huán)境感知傳感器對于前方的路段進(jìn)行了判斷，結(jié)合加速度傳感器、車速傳感器、車身位移傳感器、轉(zhuǎn)向角度、制動命令等信息，將結(jié)果發(fā)送給VCU，VCU對信號進(jìn)行處理后，輸出控制信號到執(zhí)行器，進(jìn)而調(diào)整減振器阻尼系數(shù)、控制彈性元件剛度和車身高度。線控懸架按工作原理可以分為空氣式、液壓式、電磁式等。其中，空氣式懸架系統(tǒng)的彈性元件為空氣，它是通過改變各空氣彈簧中壓縮空氣的壓力和體積來改變汽車減振系統(tǒng)的軟硬和車身高度。液壓式懸架系統(tǒng)根據(jù)車輛行駛速度、車身振動、車輪跳動以及傾斜狀態(tài)等信號，調(diào)節(jié)四個執(zhí)行液壓缸中液壓油的量，以實現(xiàn)對減振器軟硬程度及車身高度的調(diào)整。電磁式懸架系統(tǒng)是通過改變電流來改變電磁場的強(qiáng)度，進(jìn)而達(dá)到控制阻尼系數(shù)的目的。

以空氣線控懸架為例，其ECU可分別與氣囊電磁閥、ABS、車速傳感器、高度傳感器、壓力傳感器采用CAN總線通訊。在進(jìn)行車身高度調(diào)節(jié)的時候，可以通過CAN通訊設(shè)定并實現(xiàn)多個調(diào)節(jié)目標(biāo)，如正常車速行駛時的高度、特殊工況行駛時的高度、滿載行駛時的高度、駐車時的高度、還有最大高度和最低高度等，此外還要考慮到，當(dāng)懸架在以上目標(biāo)內(nèi)正常運(yùn)行時，必須要有合理的高度變化值，這個范圍內(nèi)的值不應(yīng)該引起ECU通過CAN通訊來調(diào)節(jié)空氣彈簧的高度。

6 結(jié)語

無人駕駛時代來臨的步伐正在逐步加快，多傳感器的融合使得駕駛員解放了身體的感知器官，也解放了雙手雙腳，運(yùn)算平臺逐漸替代了駕駛員向汽車發(fā)送的駕駛意圖。對于這樣的無人駕駛汽車，其運(yùn)行過程的核心是控制，控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、靈活性、舒適性及經(jīng)濟(jì)性均對乘客的乘坐感受帶來了直接的影響。線控底盤作為無人車控制系統(tǒng)的最終執(zhí)行者，快速準(zhǔn)確的執(zhí)行效果會在今后的時代發(fā)展變化中與車輛的安全、人員的安全，以及電子信息技術(shù)的發(fā)展緊密聯(lián)系在一起。