基于純電動客車自動駕駛線控底盤技術

趙苗苗， 陳志元， 袁葭杰

(揚州亞星客車股份有限公司， 江蘇 揚州 225116)

近些年，以GB 7258—2017 《機動車運行安全技術條件》和JT/T 1094—2016《營運客車安全技術條件》為代表的標準法規，加速了客車智能化技術發展[1-3]。本文研究基于純電動客車的線控底盤技術，包含線控轉向、線控制動和底盤集成控制等。

就純電動客車底盤而言，傳動系主要由驅動橋、傳動軸等組成；行駛系主要由車架和承載式車身、車橋和車輪、懸架等組成；轉向系由轉向操縱機構、轉向傳動機構和液壓助力轉向系統等組成；制動系主要由制動器、制動踏板、氣壓制動系統等組成。

1 純電動客車的線控底盤技術

線控底盤是自動駕駛技術實現的基礎，純電動客車線控底盤技術主要包含線控轉向、線控制動和線控驅動三大部分[4-5]。線控驅動技術與線控轉向技術和線控制動技術相比，在純電動客車領域較少提及，主要原因是純電動客車驅動部分已屬于電動連接，實現線控驅動更為簡便。基于此，本文重點討論線控轉向技術和線控制動技術。

1.1 線控轉向技術

1.1.1 結構組成

純電動客車轉向系統由方向盤、轉向管柱、循環球式液壓助力方向機、轉向油罐、電動轉向油泵、轉向油泵控制器等組成。為實現線控液壓轉向功能，需在原有轉向系統基礎上，將方向機替換為線控液壓方向機，同時增加線控液壓方向機控制器，并通過智能ECU控制線控液壓方向機及其控制器實現自動轉向功能。線控液壓方向機由無刷直流電機、循環球式液壓助力轉向裝置、轉矩傳感器、轉角傳感器等部件集成，為線控液壓轉向系統的核心執行部件。純電動客車線控液壓轉向系統組成如圖1所示。

圖1 純電動客車線控轉向系統組成

1.1.2 工作原理

考慮到整車安全性和系統可靠性，純電動客車線控液壓轉向系統工作模式有兩種，其原理見圖2。

圖2 線控液壓轉向系統工作原理

1) 人工駕駛模式。當駕駛員手動轉動方向盤時，方向盤與線控液壓方向機的機械連接驅動循環球式轉向器工作，車輛實現液壓轉向。人工駕駛模式下，線控液壓轉向系統可根據車速和方向盤轉矩信號控制無刷直流電機助力，達到低速轉向輕便、高速轉向穩定的良好轉向特性。

2) 自動駕駛模式。自動駕駛客車感知融合/決策規劃系統給出轉向需求，智能控制ECU通過計算得出方向盤目標轉角和目標角速度，并通過CAN總線發送給線控液壓方向機控制器，控制方向機實現相應轉向角度，同時通過無刷直流電機驅動方向盤實現相應轉角，線控液壓方向機控制器將檢測到的方向盤實際轉角反饋給智能控制ECU，實現方向盤轉角閉環控制。

轉向系統兩種模式的切換主要通過方向盤扭矩判斷，即當駕駛員給予方向盤一定的轉向扭矩時，線控液壓轉向系統退出自動駕駛模式，由駕駛員接管進行人工轉向操作。

1.2 線控制動技術

1.2.1 結構組成

純電動客車制動系統由制動踏板、電動打氣泵、電動氣泵控制器、閥類件、儲氣筒、干燥器等部件組成。為實現線控制動功能，一般裝配可響應外部制動請求(XBR)的防抱死系統ABS或者電子制動系統EBS。因EBS控制精度高、響應快，優選裝配EBS，同時考慮到整車穩定性控制，以及EBS和ESC的部件通用性，本文將ESC(電子穩定控制)一并計入線控制動技術領域。純電動客車線控制動系統組成如圖3所示，其中ESC模塊內置橫擺角速度傳感器(YAW)，為表示制動控制主要部件，圖中氣路部分連接予以省略。

圖3 純電動客車線控制動系統組成

1.2.2 工作原理

線控制動工作主要基于EBS/ESC系統，故其工作原理以EBS/ESC工作原理為主。純電動客車線控制動系統工作原理如圖4所示。為兼顧人工駕駛和自動駕駛，設置了相應的兩種駕駛模式，其間的切換主要通過制動踏板開度判斷，即當駕駛員踩制動踏板時，線控制動系統退出自動駕駛模式，由駕駛員接管進行人工制動。

圖4 線控制動系統工作原理

1) 人工駕駛模式。當駕駛員腳踩制動踏板時，制動踏板開度輸入至EBS控制器，EBS控制制動系統實現整車制動。

2) 自動駕駛模式。自動駕駛客車感知融合/決策規劃系統給出制動需求，智能控制ECU通過計劃得出整車目標減速度，并通過CAN總線發送給EBS控制器，EBS控制整車達到目標減速度，并將速度值返回至智能控制ECU，以用于閉環控制。

以上兩種模式下，ESC模塊和方向盤轉角傳感器均將實時橫擺角速度和方向盤轉角輸入EBS控制器，以實現車身穩定控制。

2 自動駕駛線控底盤集成控制

線控底盤集成控制主要包含橫向控制、縱向控制和垂直方向控制[6-8]。考慮到一般純電動客車不具備電子懸掛系統，故底盤集成控制以橫向和縱向協同控制為主。橫向控制為對方向盤轉角的調整和輪胎側滑力的控制，縱向控制為對車輛的驅動力與制動力的控制。

2.1 自動駕駛分層控制框架

本文設計的自動駕駛分層控制框架如圖5所示，其中線控底盤集成控制層以規劃決策層的軌跡規劃控制為輸入[9]。基于MPC(模型預測控制)算法，輸出線控底盤執行層控制指令，并結合狀態估計，持續進行線控底盤優化控制。

圖5 自動駕駛分層控制框架

2.2 線控底盤集成控制算法

20世紀70年代,工業過程控制領域誕生了一種新算法,即模型預測控制(MPC),簡稱為預測控制。目前MPC算法已被廣泛應用于車輛控制領域。預測模型、滾動優化和反饋校正三部分組成該算法，保證有限時域情況下的控制最優性[10]。

預測模型構建方面，考慮到實現的簡便性，目前多采用運動學自行車模型。作為阿克曼模型的有效簡化版，以汽車質心為基準的自行車模型見圖6。

圖6 以整車質心為基準的自行車模型

其中XOY為UTM(Universal Transverse Mercator，統一橫軸墨卡托投影系統)坐標系，以正東方向為X軸正方向(UTM Easting)、正北方向為Y軸正方向(UTM Northing)。A為整車瞬時轉向中心，[x,y]為整車質心坐標，β為滑移角(汽車行進方向與車輪所指方向之間的夾角)，φ為航向角(汽車行進方向與X軸之間的夾角)，δf為前輪轉角，δr為后輪轉角(一般設定為0)。通過[x,y,φ,v]幾個變量可以表征整車的運動狀態，若t時刻整車狀態為[xt,yt,φt,vt]，則t+1時刻整車狀態為

xt+1=xt+vt·cos(φt+β)·dt

yt+1=yt+vt·sin(φt+β)·dt

φt+1=φt+vt·sin(β)·dt/lr

vt+1=vt+at·dt

其中β=tan-1[lr·tan (δf)/lf+lr]

基于以上數學模型可知，將[δf,a]作為控制輸入，可實現對整車橫向和縱向的集成控制，其中δf為轉向角度，a為加速度。

滾動優化方面，模型預測控制的期望輸出與損失函數(Loss Function)設計具有極大關系，可以采用如下所示的損失函數，包含位置z的偏差、航向角φ的偏差、車速v的偏差等。

其中i取值1～10，是未來10個采樣時刻。

滾動優化也包含約束條件設置，例如方向盤轉角范圍、整車車速范圍、加減速度范圍等約束。

反饋校正方面，在通過最優控制獲得輸出后，整車執行控制指令，并反饋車輛狀態，通過MPC進行持續控制。

3 結束語

自動駕駛技術在客車行業具有良好的應用前景，而線控底盤技術作為自動駕駛技術核心，將對整車性能產生直接影響。故本文對純電動客車的線控底盤技術，從線控轉向、線控制動結構組成和工作原理，以及線控底盤集成控制等方面進行了相關研究。