安全性汽車線控制動系統(tǒng)及其控制方法研究

陳興隆，張鳳登

（上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

0 引言

汽車已經(jīng)成了人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚拇焦ぞ撸谙硎芷噹淼氖孢m、快捷、便利的同時，人們對汽車行駛的安全性［1］要求也日益提高。車輛制動系統(tǒng)一直在車輛安全方面扮演著至關重要的角色，隨著汽車工業(yè)技術飛速發(fā)展以及汽車行駛速度的不斷提高，車輛制動系統(tǒng)的重要性越來越明顯。

傳統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng)［2］發(fā)展至今，已是非常成熟的技術，由于人們對制動性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的液壓或者空氣制動系統(tǒng)在加入了大量的電子控制系統(tǒng)如 ABS［3］(剎車防抱死系統(tǒng))、ESP［4］(車身電子穩(wěn)定系統(tǒng))等后，其結(jié)構(gòu)和管路布置越發(fā)復雜，液壓(空氣)回路泄漏的隱患也加大，同時裝配和維修的難度也隨之提高。因此，汽車行業(yè)加大了對結(jié)構(gòu)相對簡單的線控制動系統(tǒng) BBW［5］(Brake-by-wire)的研究力度，其主要原因是BBW系統(tǒng)有著傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)越性，該制動系統(tǒng)用電線取代了傳統(tǒng)制動系統(tǒng)中的制動管路，省去了傳統(tǒng)制動系統(tǒng)中的很多閥，簡化了制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低了裝配及維護的難度，同時BBW還具有制動響應速度快、制動性能高等特點，另外，要完全實現(xiàn)ABS(防抱死剎車系統(tǒng))及ASR(防側(cè)滑系統(tǒng))等功能，只需在電子控制系統(tǒng)中設計相應程序，操縱電控元件來控制制動力的大小及制動力的分配即可。FlexRay［6］總線因其具有高帶寬、通信線路冗余、通訊靈活等優(yōu)點，成為未來主要的安全型車載總線。國外著名的汽車公司奔馳、寶馬、奧迪都對FlexRay總線在汽車上的應用做了嘗試。盡管國外很早就開始研究線控制動系統(tǒng)和FlexRay通信，但是時至今日，也未能在汽車上實現(xiàn)合二為一。

1 線控制動系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的總體設計原理如圖1所示。

圖1 線控制動系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)位于汽車制動踏板和4個車輪的液壓制動缸之間，其中包括制動踏板傳感器、故障抑制單元(FCU)和由此形成的容錯單元、兩通道FlexRay總線、驅(qū)動馬達和機械操縱桿。踏板傳感器直接與踏板相連接，該傳感器的輸出同時進入踏板傳感器信號檢測單元的3個復制確定性FCU，由于這三個FCU是確定性的，正確的FCU將產(chǎn)生相同的踏板位置報文。為減少產(chǎn)生空間接近故障的可能性，F(xiàn)TU1中的三個FCU可以是物理上分離的，通過FlexRay總線的A、B兩個通道，將報文傳送到4個車輪上的容錯單元。每個車輪上的容錯單元也都包括3個FCU，但這些復制確定性FCU與檢測單元FTU1中的FCU有所不同，它們都包含一個表決器，在收到報文后，它們首先比較三個FCU的三個獨立計算結(jié)果，然后選擇大多數(shù)FCU的計算結(jié)果，即三個FCU中的兩個所得的計算結(jié)果，能在一步之內(nèi)檢測發(fā)現(xiàn)錯誤報文，并屏蔽該錯誤。

踏板傳感器檢測到踏板的位置信號，位置信號進入踏板傳感器信號檢測單元的3個復制確定性FCU，由于這三個FCU是確定性的，正確的FCU將產(chǎn)生相同的踏板位置報文并發(fā)送到FlexRay總線上，F(xiàn)lexRay總線的兩個通道A、B被配置成相互獨立的復制確定性通道，通信系統(tǒng)事先知道每個FCU的合法時間行為，如果一個FCU違背了自身的時間規(guī)范，那么通信系統(tǒng)將放棄從這個FCU收到的所有報文，以防止過載情況發(fā)生。在沒有故障的情況下，每個發(fā)送報文的FCU通過兩個獨立的通信系統(tǒng)各發(fā)送1個報文，因此，每個接收報文的FCU將收到來自FCU1、FCU2和FCU3的6個報文。通過總線相互連接的故障抑制單元，能夠容忍任意一個通信系統(tǒng)的某個失效。每個車輪的三模冗余(TMR)液壓制動執(zhí)行器包括三個馬達，每個馬達分別與容錯單元的三個FCU輸出之一相連接，任意兩個馬達的力量之和超過第三個馬達，即三個FCU輸出中的多數(shù)輸出決定了操縱桿作用點的位置，去除了不一致的輸出，TMR可被看作是機械表決器。每個車輪上的容錯單元都有一個分布式算法，但一個容錯單元所包括的3個FCU使用相同的算法，這些算法根據(jù)制動踏板的位置計算車輪上的制動力分配。

2 系統(tǒng)工作流程

本系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

踏板傳感器檢測到制動踏板的位置信號，位置信號進入踏板傳感器信號檢測單元的3個復制確定性FCU，由于這三個FCU是確定性的，在位置檢測單元3的三個FCU所產(chǎn)生的可用報文中，如果兩個FCU的報文有完全相同的位模式，那么選取這兩個報文中的一個作為三元組的輸出。可在一步之內(nèi)檢測發(fā)現(xiàn)錯誤報文，并屏蔽該錯誤，正確的FCU將產(chǎn)生相同的踏板位置報文并發(fā)送到FlexRay總線上，F(xiàn)lexRay總線的各發(fā)送1個報文，因此，每個接收FCU將收到來自3個發(fā)送FCU的6個報文。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

四個車輪容錯單元中的故障抑制單元(FCU)，以左前輪容錯單元 FTU2為例，F(xiàn)CU4、FCU5、FCU6各自包含一個表決器，通過FlexRay總線接收踏板傳感器信號檢測單元所產(chǎn)生的信號，在收到報文后，它們首先比較這三個FCU的三個獨立計算結(jié)果，然后選擇大多數(shù)FCU的計算結(jié)果，即三個FCU中的兩個所得的計算結(jié)果，做出精確表決進而得到正確的踏板位置信息。系統(tǒng)控制節(jié)點分布在汽車的各個車輪上。每個節(jié)點都有一個分布式算法，這些算法根據(jù)制動踏板的位置信息計算車輪上的制動力分配。單一節(jié)點隨機失效、單一通道的報文丟失或馬達失靈，都不影響系統(tǒng)的正常運行。

3 FlexRay通信原理

本系統(tǒng)踏板報文的FlexRay通信示意圖如圖3所示。

軟件上，首先采用雙通道的FlexRay通信網(wǎng)絡，其本身具有雙通道的通信結(jié)構(gòu)。在靜態(tài)時隙1中，F(xiàn)TU1分別兩個通道 A、B被配置成相互獨立的復制確定性通道，這有助于容忍任一通信系統(tǒng)內(nèi)的某個失效。所有通信系統(tǒng)與FCU一樣，都有權訪問全局時基，通信系統(tǒng)了解FCU的合法時間行為。如果一個 FCU違背了自身的時間規(guī)范，那么通信系統(tǒng)將放棄從這個FCU收到的所有報文，以防止過載情況發(fā)生。在沒有故障的情況下，每個發(fā)送FCU通過兩個獨立的通信系統(tǒng)在通道A和B上發(fā)送FCU1;靜態(tài)時隙2中，F(xiàn)TU1分別在通道A和B上發(fā)送FCU2;靜態(tài)時隙3中，F(xiàn)TU1分別在通道A和B上發(fā)送FCU3。同時，為了保證傳感器報文的實時性，必須利用FlexRay的靜態(tài)時隙進行傳輸，這也就意味著同一時間只能有一個節(jié)點能夠在該時隙進行傳輸。正常工作時，只用其中一個通道的數(shù)據(jù)進行通信，當一個通道發(fā)生通信錯誤時，在兩個通道進行的通信一致的前提下，系統(tǒng)仍然可以依靠另外一個通道工作。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)針對現(xiàn)有汽車制動系統(tǒng)安全性的不足，提出了一種安全性汽車線控制動系統(tǒng)及其控制方法，這是一種結(jié)構(gòu)相對簡單、功能齊全、安全可靠，并且能夠運用到實際生產(chǎn)中的線控制動操縱系統(tǒng)，其具有很好的實用價值。本系統(tǒng)能夠容忍任一通信系統(tǒng)、容錯單元中的任一FCU和TMR執(zhí)行器中的任一馬達的隨機失效，提高了電子化制動系統(tǒng)的容錯能力和汽車的安全運行能力，并能促進汽車電子技術的發(fā)展。

圖3 踏板報文的FlexRay通信示意圖

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