新能源汽車智能駕駛線控底盤技術應用研究

劉建銘　劉建勇　張發忠

摘 要：新能源汽車智能駕駛線控系統包含了線控轉向、線控制動、線控換擋、線控油門幾部分構成。線控底盤技術屬于新能源汽車智能駕駛涉及到的關鍵技術，也是推進智能駕駛不斷更新發展的有效支撐，是現階段新能源汽車研發制造的熱點問題。本文結合筆者實際研究，探討了新能源汽車智能駕駛線控系統結構及其線控底盤技術的基本原理，對全矢量控制線控底盤技術展開分析。

關鍵詞：新能源 智能駕駛 線控底盤 技術應用

1 引言

線控底盤技術屬于新能源汽車智能駕駛更新發展的關鍵技術，是未來汽車智能駕駛的必然選擇。線控底盤技術的應用改變了過去那種復雜的機械連接設備和液壓、氣壓等零部件，在很大程度上促進了能量利用效率提升，在很大程度上提高了新能源汽車可支持的續航。按照國務院2020年正式提出的《新能源汽車產業發展規劃（2020-2035）》中的要求，更高級別的智能駕駛汽車在未來必然能夠得以推廣普及，當前新能源汽車行業的共識便是“無線控，不自動駕駛”，這也很好地說明了線控底盤技術在新能源汽車智能駕駛領域占據的重要位置。

2 新能源汽車線控底盤技術原理

現階段新能源汽車智能駕駛線控底盤系統包含了線控油門、線控轉向、線控制動以及線控換擋四個基本模塊，下文針對這四個子模塊的結構與基本原理展開詳細分析。

2.1 線控油門系統結構及原理

線控油門系統即電子節氣門技術，其基本結構包含了加速踏板傳感器、控制器、傳遞線路和節氣門執行器構成。其中涉及到的傳感器除開加速踏板傳感器之外，還包含了節氣門開度傳感器、車速傳感器以及氧傳感器，詳細見下圖1。

新能源汽車智能駕駛線控油門系統的基本實現流程也能夠通過上圖1來分析，控制器模塊能夠直接獲取到駕駛人對油門踏板發出的力度，收集整合其他傳感器提供的數據信息，進而了解駕駛員的操作意向，再依靠既定程序與參數直接命令執行器執行相關動作，最終實現控制加速[1]。因為傳感器信號可能會因為其他各種電子設備而受到影響，導致給出的信號存在偏差，對于該現象可以選擇能夠實現線控的控制模塊的電路結構，從而有效防止信號錯誤，同時制定可以準確判定駕駛人意圖并進行故障有效診斷的安全監控方案。

2.2 線控轉向系統結構及原理

這一系統直接改變了過去汽車轉向盤和車輪間的機械系統，通常來說包含了轉向盤模塊、轉向機模塊以及整車傳感器模塊。轉向盤模塊詳細劃分為方向盤、轉向盤傳感器以及路感電路及;轉向機模塊主要有轉向機與執行器;整車傳感器模塊細分為車速傳感器、加速度傳感器、橫擺角傳感器和控制器，具體見下圖2。轉向控制系統的主要功能在于利用轉矩、轉速傳感器把駕駛人做出的轉向動作轉化成電信號傳輸到控制器，通過控制器再將信號傳遞到執行器，隨后控制轉向輪動作，進而實現轉向流程。方向盤以及轉向輪借助控制信號實現有效連接，傳動比能夠利用軟件合理調整，能夠與線控底盤系統的其他模塊之間進行協調統一控制。

需要注意的一個問題是，控制器能夠獲取其他傳感器提供的信號，對路面狀況予以識別，同時把信號傳遞到方向盤模塊。同時線控轉向系統的電子控制模塊擁有相應的糾錯能力，可以根據實際行車狀態來對駕駛人發出的操作指令予以準確識別，進而最終決定執行與否。比如說在汽車處于高速行駛狀態時，駕駛人突然發出較大幅度的轉向指令往往不會被系統所執行，通常情況下會最終判定成誤操作，不會將轉向信號傳輸給執行器，以避免安全事故的發生。對擁有線控轉向系統的新能源汽車來說，與傳統汽車比起來表現出如下優勢：一是因為電子控制器處在中間位置，發出轉向指令后靈敏度相對更高，可靠性更強;二是因為轉向器和轉向盤之間不再有直接機械連接，當汽車行駛在路面不平的道路時能夠為駕駛人和乘客帶來更加舒適的操作和乘車體驗;三是選擇電機為執行機構，轉變了傳統油液動力傳遞介質，真正做到綠色環保[2]。

近年來輪轂電機技術不斷更新，2018年舍弗勒成功研發出Mover系統，該系統能夠基本達到整車需求，轉向軸心處在輪輞之內，車輪轉向包絡與過去的轉向系統大致相同。這一系統配置的輪轂電機能夠達到24kW，500N·m的輪端性能。所以當前更多專業研發人員逐漸把轉向系統集成僅輪轂電機模塊，為車輛帶來更為可靠的轉向性。其他零部件主要是輪轂電機車輪、轉向盤模塊、控制器以及整車傳感器。這一技術的運用能夠有效留下更多空間面積，讓電池配置于底板下，車輛重心下移，車輛運行穩定性得以提高。同時因為集成輪轂電機的輪邊轉向并沒有之前的轉向器，為車輛賦予了其他多元化的轉向模式，比如說側方停車、調頭等。

2.3 線控制動系統結構及原理

制動系統是確保新能源汽車智能駕駛過程中非常關鍵的安全保障，它是借助于制動器和車輪之間的摩擦來讓汽車能夠根據駕駛人的意愿來實現減速或者停車的目標，讓汽車在行駛過程中維持穩定，同時于不同駕駛環境下停止的車輛穩定性得以提升。針對線控轉向系統來說，其基本結構見下圖3，包含了制動踏板、行程傳感器、控制器、執行器、車速傳感器和其他信號傳輸線路。而制動踏板傳感器可以把駕駛人實際操作轉變成電信號傳遞給控制器，控制器對傳輸來的相關指令實施綜合計算，判定是否屬于正常操作動作，防止駕駛人誤操作，若判定為正常動作則將信號再次傳遞給執行器，最終實現制動[3]。

線控制動系統在新能源汽車智能駕駛中應用的優勢主要有以下幾點：一是結構簡單，精簡了諸多管路系統和零部件;二是響應快速，車輛制動性能得以有效增強;三是系統裝配測試便捷，選擇模塊化結構有助于后期更好維護保養;四是通過電線連接擁有更強的耐久性;五是便于更新改進，可以配備多種電控功能。針對線控制動系統的精確度，對混合動力汽車來說，分別對汽車車輪予以控制，這是近年來業內研究的熱點，這一方向的研究可以確保車輛在制動過程中保持更好的穩定性，同時有效控制因為地面摩擦性質造成的突發事故。

2.4 線控換擋系統結構及原理

為確保具備自動變速器的汽車可以進行全自動泊車，應當把過去借助于操縱檔桿后驅動拉索變速器實現有效換擋的模式，轉變為依靠電驅動便捷快速進行換擋軸的辦法更加高效準確地換擋，這一電驅動系統即是線控換擋系統。線控換擋的運用屬于輔助駕駛運用在智能駕駛中的重要組成部分，其中主要包含了自動變速、自動P檔、駕駛員安全帶保護、開門安全保護、駕駛習慣自動學習、整體防盜等功能[4]。一般來說線控換擋系統的構成涉及到控制器、電子檔位選擇、發動機和變速器模塊、換擋執行器和整車信號模塊。線控換擋系統將換擋指令傳遞給控制器，隨后控制器通過分析車輛運行狀態來自行判斷是否能夠操作，確保安全后向執行器傳遞換擋信號，隨后實現換擋操作，另外第一時間把換擋信息通過儀表盤呈現給駕駛人，進而順利完成換擋流程。若控制器判定車輛狀態存在安全隱患，也能夠把相關信息顯示到儀表盤上，駕駛人能夠第一時間采取對應措施進行處理。線控換擋技術應用的主要優勢在于：一是電子換擋系統相對于過去的機械換擋結構來說質量更輕，占據空間面積更少，便于后期維護;二是線控換擋能夠有效保障換擋過程中的穩定性和安全性。

3 全矢量控制線控底盤技術

一般的油車屬于較為常見的欠驅動系統，僅僅包含了油門踏板、制動踏板以及方向盤這幾個重要系統結構，僅僅可以保證縱橫兩個方向的控制，動力學控制存在較大難度，穩定性不佳。電控技術應用之后，借助于電控模塊能夠提供的控制輸入量不斷增加，新能源車輛也開始慢慢轉變為全驅動或者過驅動系統。各個車輪受路面的力包含了縱向、橫向以及垂直這三個獨立的力，所以整車控制系統也應當涉及到十二個作用力（四個車輪×來自三個方向的力）。在這一情況下我們能夠設想，若車輛可以對全部車輪的三個方向作用力進行獨立控制，即全矢量控制汽車。依托于目前有的輪轂電機驅動技術以及電液線控技術，可以得到大轉角的獨立轉向結構和依靠磁流變阻尼器以及空氣彈簧提供支持的主動懸架結構，進而得到一體化電動輪結構，其結構原理見下圖4。

全矢量控制屬于非常常見的過驅動系統，車輛的各個車輪都擁有驅動、制動、轉向以及懸架這幾個獨立的操控結構，和普通的車輪控制系統比起來，包含了16個能夠控制的輸入模塊，基本上屬于汽車的最大獨立控制單元，能夠提供12個作用力的有效控制。全矢量汽車配備可控輸入之后，不但能夠進一步提升了車輪的控制性能，降低不同性能指標可能存在的相互影響，同時相關功能的執行器能夠產生有效的補充效應，確保當某環節出現故障狀態后能夠保持穩定性與可靠性[5]。全矢量控制汽車的關鍵技術集合在底盤上，所以必須要優化調整一般新能源汽車的線控底盤架構，獨立設計優化調整后的全矢量線控底盤與功能實現方式。四個車輪能夠獨立實施驅動、制動、轉向以及懸架調節，同時也擁有相互獨立的電控系統。全矢量線控底盤控制器屬于其中的核心系統模塊，主要對整車動力學控制以及四個車輪的有效協調。

基于運動學與動力學的角度來看，全矢量控制線控底盤系統表現出諸多方面的優勢，我們還應當從如下三個方面出發進行研究：首先，全矢量線控底盤架構與功能實現。對全矢量線控底盤架構進一步優化和完善，得到全新的架構和功能實現模式。分析研究系統的拓撲結構和功能性，研究不同零部件的相容性以及控制單元之間的相互關系。其次，進行電動輪動力學分析和整車動力學耦合。全矢量線控底盤系統的動力學控制前提是具備能夠實現驅動、制動、轉向以及懸架的多功能電動輪，所以應當深入研究電動輪在不同執行器作用下的動力學過程，同時分析電動輪和整車的動力學耦合機制[6]。最后，域控制技術以及失效冗余機制。全矢量控制線控底盤所涉及到的執行器較多，系統結構集成度更高，不單單要深入研究分層協調控制方案，同時還需要充分考慮部分部件失效的狀況，構建失效冗余機制，確保整車控制系統的安全穩定。

4 結語

新能源汽車智能駕駛線控底盤技術的應用可以說是高精度的電子控制技術，是未來智能駕駛不斷發展的重要技術組成。和過去的傳統控制比起來，線控底盤技術運用的突出優勢表現在：一是對過去傳統的機械結構進行優化，讓新能源汽車具備更為靈活的系統結構布局;二是依靠電機當作執行器有效降低整車質量，促進行駛里程數提升;三是線控底盤技術應用之后可以更加便利地實施二次開發，提供更加多元化的定制功能;四是能夠為智能駕駛系統的研發與更新帶來充分保障。在現代科學技術不斷發展的新形勢下，為促進新能源汽車自身性能的不斷增加，汽車控制技術必然會朝著更為精準的線控系統、全矢量線控底盤等方向邁進。

項目名稱：新能源商用車智能駕駛關鍵技術及產業化應用;（項目編號：2019TSLH0701）。

參考文獻：

[1]馬兵兵，彭月明，李文強.智能網絡汽車發展中的無線技術研究[J].內燃機與配件，2019（24）：210-211.

[2]陳琦.瞄準智能駕駛，舍弗勒的新一輪戰略布局[J].汽車與配件，2019（23）：46-47.

[3]程婕，陳建峰.一種基于5G的車路協同自動駕駛技術架構[J].信息通信，2019（12）：39-41.

[4]劉彥博，黃宏成，時良仁，許敬.基于SLAM模式的自動駕駛感知教學[J].當代教育實踐與教學研究，2019（21）：66-67.

[5]董蘭軍.人工智能在智能駕駛工程技術開發中的應用國際態勢分析[J].高科技與產業化，2019（10）：56-63.

[6]王奕博.自動駕駛及其關鍵技術的研究[J].通訊世界，2019，26（10）：279-280.