清華大學(xué)蘇州汽車研究院智能底盤所副所長 高峰

清華大學(xué)蘇州汽車研究院是清華大學(xué)與地方企業(yè)的應(yīng)用技術(shù)產(chǎn)業(yè)化紐帶，專注于產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用集成技術(shù)的研究。在智能底盤領(lǐng)域?qū)Ｗ⒂诰€控執(zhí)行機(jī)構(gòu)與底盤域的研究，其目的是打造獨(dú)立移動(dòng)底盤進(jìn)行工作。

三個(gè)關(guān)鍵詞

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)及協(xié)調(diào)控制，有三個(gè)關(guān)鍵詞。

線控轉(zhuǎn)向，線控轉(zhuǎn)向基本上脫離了機(jī)械式的轉(zhuǎn)向，它的信號(hào)來源可能是底盤域控制器，也可能來源于自動(dòng)駕駛，也可能來源于駕駛員方向盤的直接操作，只不過它是機(jī)械去耦的總成對(duì)象。

冗余設(shè)計(jì)，是線控轉(zhuǎn)向的標(biāo)準(zhǔn)配置，在脫離了駕駛員和脫離了機(jī)械直接干預(yù)的情況下，冗余系統(tǒng)進(jìn)行備份或者提供一定功能或進(jìn)行智能特征的性能優(yōu)化。

協(xié)調(diào)控制，以后的轉(zhuǎn)向只不過是橫向控制的一部分，整車底盤包含垂向控制，縱向加/縱向減的控制，以及橫向控制。因此，在此層面的協(xié)調(diào)控制，是為了讓每個(gè)線控的機(jī)構(gòu)更加有效，更加的智能，體現(xiàn)底盤大系統(tǒng)的效果，同時(shí)也作為運(yùn)轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行協(xié)調(diào)計(jì)算。

智能底盤集成了底盤域和線控執(zhí)行系統(tǒng)，它的發(fā)展有兩個(gè)趨勢(shì)，一是線控執(zhí)行系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化，二是底盤運(yùn)算控制平臺(tái)化。對(duì)于這兩大塊而言，它是具備了完整的模塊化的結(jié)構(gòu)方案，這樣有比較清晰的EEA架構(gòu)場(chǎng)景，作為四大線控而言可以進(jìn)行模塊化的方案提供。第二，在這個(gè)過程當(dāng)中有一個(gè)底盤域控制，這使獨(dú)立移動(dòng)底盤成為可能，可以根據(jù)客戶的要求進(jìn)行智能生態(tài)座艙直接的上裝。第三，底盤域控制是大的運(yùn)算平臺(tái)，它是為軟件集成運(yùn)算提供了一種可能，它具備了成熟的軟件架構(gòu)，也同時(shí)具備了大的軟件資源。因此它是一個(gè)模塊化方案，智能生態(tài)的承載平臺(tái)，同時(shí)也是一個(gè)大軟件運(yùn)算平臺(tái)。

線控轉(zhuǎn)向

底盤域控制器有這些功能，在底盤里面它是底盤運(yùn)算中心，在整車智能駕駛里面它是承上啟下的作用，它來源于DAS控制指令，同時(shí)根據(jù)DAS指令進(jìn)行執(zhí)行，比如說安全狀態(tài)的識(shí)別，比如說姿態(tài)的控制，橫縱的協(xié)調(diào)加上底盤能量管理，線控執(zhí)行系統(tǒng)的四大線控（轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、懸架、驅(qū)動(dòng)），它涉及到一些核心協(xié)調(diào)控制技術(shù)，比如說橫縱協(xié)調(diào)，前后輪協(xié)調(diào)，轉(zhuǎn)向和制動(dòng)的協(xié)調(diào)、橫縱垂3CS的協(xié)調(diào)。底盤域控制器要滿足功能安全ASILD，SOTIF設(shè)計(jì)的預(yù)期功能安全，特別是線控執(zhí)行機(jī)構(gòu)都在底盤里面，不可避免有些機(jī)構(gòu)本身固有的延時(shí)或者滯后，所以要考慮預(yù)期功能安全，它的滯后給我們的自動(dòng)駕駛帶來的風(fēng)險(xiǎn)。域控制器的軟件還要遵循AUTOSAR安全架構(gòu)，多總線冗余，控制權(quán)轉(zhuǎn)移機(jī)制。

其應(yīng)用場(chǎng)景，比如獨(dú)立移動(dòng)底盤，大于等于L3自動(dòng)駕駛功能，集中運(yùn)算平臺(tái)，座艙快速上裝接口，通訊安全+FOTA，適應(yīng)多類型傳感器等。

 圖片1；圖片來源：清華大學(xué)蘇州汽車研究院

如圖1，是基于AUTOSAR智能底盤域的軟件組件的關(guān)聯(lián)架構(gòu)，從DAS駕駛輔助功能到安全等級(jí)預(yù)測(cè)，把轉(zhuǎn)向指令加入到模型里面，并進(jìn)行安全等級(jí)的預(yù)測(cè)，再進(jìn)行縱向橫向相關(guān)的協(xié)調(diào)控制和獨(dú)立控制。

圖片2；圖片來源：清華大學(xué)蘇州汽車研究院

如圖2，是橫向控制理論研究的主要內(nèi)容，前輪轉(zhuǎn)向主動(dòng)控制（線控轉(zhuǎn)向）EPS或冗余的EPS，它對(duì)轉(zhuǎn)向輪進(jìn)行主動(dòng)控制。前后輪轉(zhuǎn)向主動(dòng)控制，主要是后輪的主動(dòng)控制，因?yàn)楹筝嗈D(zhuǎn)向干預(yù)可以更好的減少穩(wěn)態(tài)側(cè)偏角，整車轉(zhuǎn)彎性能和制動(dòng)性能都可以得到改善。目前后輪研究有幾個(gè)傳統(tǒng)的方案，后輪轉(zhuǎn)向角根據(jù)前輪轉(zhuǎn)角或者根據(jù)前輪轉(zhuǎn)角的力矩，還有根據(jù)橫擺速度進(jìn)行后輪轉(zhuǎn)向，這三種研究方向，目前行業(yè)里面都在做相關(guān)的研究。

圖片3；圖片來源：清華大學(xué)蘇州汽車研究院

如圖3，是EPS助力和主動(dòng)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)流，對(duì)于橫向控制或者對(duì)于EPS而言，其實(shí)它有兩種功能類型。一種是輔助助力，就是駕駛員在操作的時(shí)候進(jìn)行輔助助力，減輕駕駛員的操作難度，它也叫被動(dòng)助力，這是L2以下研究的方向。第二種是主動(dòng)轉(zhuǎn)向，這就涉及到DAS功能和自動(dòng)駕駛的功能，這是EPS控制以后研究的重點(diǎn)。

圖片4；圖片來源：清華大學(xué)蘇州汽車研究院

如圖4，是橫向控制的軟件組件的設(shè)計(jì)，這在實(shí)際過程當(dāng)中，當(dāng)前研究的冗余EPS里面把這塊也包含了。首先是最下限的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)向，基礎(chǔ)轉(zhuǎn)向分三點(diǎn)：1、力矩控制，比如說具備基礎(chǔ)助力，回正/阻尼控制，不暢控制，冗余仲裁，力矩指令疊加。2、角度控制，主要是角度指令疊加和轉(zhuǎn)向輪的位置協(xié)調(diào)。3、后輪轉(zhuǎn)向，比如后輪轉(zhuǎn)向角度分配，后輪轉(zhuǎn)向控制。

基于轉(zhuǎn)向駕駛輔助功能主要是實(shí)現(xiàn)可變傳動(dòng)比控制，超前/滯后穩(wěn)定域的控制，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角度比，過度轉(zhuǎn)向必須要和ESC進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，還有根據(jù)左右輪胎摩擦系數(shù)不一樣的情況下面，轉(zhuǎn)向也要進(jìn)行主動(dòng)干預(yù)。最終DAS應(yīng)用場(chǎng)景就是車道保持，前車跟隨，駐車，當(dāng)前狀態(tài)的反饋用到轉(zhuǎn)向駕駛輔助功能。

圖片5；圖片來源：清華大學(xué)蘇州汽車研究院

如圖5，是實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景和仿真，對(duì)于轉(zhuǎn)向而言，它的兩個(gè)關(guān)系，一個(gè)是轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向角度的變化率，有一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景就是高速的時(shí)候大角度的指令輸入，在階躍情況下面，研究院要進(jìn)行穩(wěn)定域的移動(dòng)來達(dá)到相關(guān)的效果。

圖片6；圖片來源：清華大學(xué)蘇州汽車研究院

如圖6，是智能底盤對(duì)線控轉(zhuǎn)向的指標(biāo)需求，設(shè)計(jì)到轉(zhuǎn)向角的分辨率，轉(zhuǎn)向角的速度，周期、帶寬都是它的需求，保守助力，比如說常規(guī)的乘用車可能是50%基本助力，在有些特定的應(yīng)用場(chǎng)景，特別是大型車可能是75%的基礎(chǔ)助力。功能安全和預(yù)期功能安全也設(shè)計(jì)到指標(biāo)需求里面去。

冗余設(shè)計(jì)

圖片7；圖片來源：清華大學(xué)蘇州汽車研究院

如圖7，是滿足L3EPS-PowrPack冗余系統(tǒng)架構(gòu)，首先是電機(jī)，基本上行業(yè)都是六相電機(jī)，當(dāng)然也有十二相電機(jī)。六相電機(jī)可以減輕單個(gè)電機(jī)電流的負(fù)擔(dān)，便于更好的設(shè)計(jì)。當(dāng)它發(fā)生某一項(xiàng)失效，另外電機(jī)三相可以正常起作用，還有兩向失效，因?yàn)榱嚯姍C(jī)繞組有兩種布局方式，一種是獨(dú)立布置（分邊布置），這樣短路的可能性不是很大。還有一種是交叉布置，這個(gè)力矩波動(dòng)比較小，所以受很多廠家的青睞。雙轉(zhuǎn)子位置傳感器，不僅可以監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)角位置，還可以監(jiān)測(cè)狀態(tài)。

圖片8；圖片來源：清華大學(xué)蘇州汽車研究院

如圖8，是線控執(zhí)行系統(tǒng)冗余架構(gòu)，雙TAS，雙MPS，中間是通過三總線聯(lián)合方式，這在行業(yè)里面，有的是用兩種。這是硬件冗余組件，其實(shí)就是通訊的冗余，電源的冗余，電機(jī)的冗余。

圖片9；圖片來源：清華大學(xué)蘇州汽車研究院

如圖9，是基于AUTOSAR軟件架構(gòu)的內(nèi)容，前面是應(yīng)用層的東西，主要和自動(dòng)駕駛相關(guān)，EPS相關(guān)，冗余系統(tǒng)相關(guān)的控制算法，通過復(fù)雜驅(qū)動(dòng)和冗余驅(qū)動(dòng)進(jìn)行架構(gòu)關(guān)聯(lián)。

圖片10；圖片來源：清華大學(xué)蘇州汽車研究院

如圖10，是冗余系統(tǒng)的協(xié)作機(jī)制，在兩個(gè)PCBA之間有一個(gè)冗余協(xié)作機(jī)制進(jìn)行雙系統(tǒng)的管理和互相的診斷。

圖片11；圖片來源：清華大學(xué)蘇州汽車研究院

如圖11，是驅(qū)動(dòng)的同步交互，其有兩種，一個(gè)上電階段，一個(gè)是正常工作階段。在這兩個(gè)階段，一個(gè)是力矩環(huán)要進(jìn)行相關(guān)的同步，就是扭矩、角度采樣上進(jìn)行同步，然后再識(shí)別它的時(shí)間，再進(jìn)行相關(guān)的獨(dú)立的工作，正常工作階段要進(jìn)行相關(guān)的同步，主要是電機(jī)控制的同步與運(yùn)行時(shí)間比較。

圖片12；圖片來源：清華大學(xué)蘇州汽車研究院

如圖12，是故障FTTI需求，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是獨(dú)立的系統(tǒng)，不像制動(dòng)，制動(dòng)涉及的因素多一點(diǎn)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就涉及到獨(dú)立的轉(zhuǎn)向輪，關(guān)鍵信號(hào)也不是太多，因此FTTI的時(shí)間更好控制一點(diǎn)。

圖片13；圖片來源：清華大學(xué)蘇州汽車研究院

如圖13，是線控轉(zhuǎn)向的功能安全目標(biāo)，線控轉(zhuǎn)向主要是從角度層面增加了一些功能安全設(shè)計(jì)。在實(shí)踐過程中也要依靠很多功能安全指標(biāo)的分解方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

協(xié)調(diào)控制

圖片14；圖片來源：清華大學(xué)蘇州汽車研究院

如圖14，是異構(gòu)設(shè)計(jì)，在關(guān)鍵部件上面用了大量異構(gòu)設(shè)計(jì)，因?yàn)楫悩?gòu)設(shè)計(jì)可以減少成本。同構(gòu)是大于等于3才進(jìn)行選票的仲裁，異構(gòu)可以是兩種不同原理不同策略的設(shè)計(jì)方式，有兩組硬件或者兩組軟件算法就可以了，根據(jù)相似度評(píng)價(jià)，安全執(zhí)行來達(dá)到效果，某種程度上可以降低成本。比如說助力，NVM，力矩，角度計(jì)算。

圖片15；圖片來源：清華大學(xué)蘇州汽車研究院

如圖15，是預(yù)期功能安全，所有的執(zhí)行系統(tǒng)都集中在線控機(jī)構(gòu)上面，固有的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)都在底盤上面，而不是算法層面的，固有的算法特征導(dǎo)致預(yù)期風(fēng)險(xiǎn)都在這邊，所以從它的響應(yīng)特性，控制精度，穩(wěn)定特性角度而言要做預(yù)期功能安全關(guān)聯(lián)因子的分析，對(duì)每一個(gè)關(guān)聯(lián)因子進(jìn)行模型或者算法的補(bǔ)償優(yōu)化。

圖片16；圖片來源：清華大學(xué)蘇州汽車研究院

如圖16，是線控轉(zhuǎn)向測(cè)試內(nèi)容，線控轉(zhuǎn)向涉及到橫向控制性能，涉及到功能安全和預(yù)期功能安全測(cè)試內(nèi)容，還涉及到ADAS測(cè)試內(nèi)容。