淺析無人駕駛汽車線控底盤結構原理與通訊

楊曄

蘭州石化職業技術大學 甘肅省蘭州市 730207

隨著汽車電子技術的發展，在傳統燃料汽車以及新能源汽車上，線控底盤技術正在進行日新月異的發展和應用，特別是在新能源汽車無人駕駛技術的開發中，線控底盤已成為其必然的選擇。線控底盤技術包括線控轉向系統、線控制動系統、線控驅動系統、線控懸架系統，當駕駛員向傳感器的傳達其駕駛意圖時，駕駛意圖已轉變為電信號傳送給了控制器，控制器控制執行機構工作，從而實現車輛的轉向、制動、驅動等功能。對于真正的智能網聯汽車而言，完全自動駕駛級別現階段還不能實現，因為完全自動駕駛要求車輛能夠完成所有道路環境下的操作，始終不需要駕駛人的介入，這就要求環境感知傳感器對于道路信息進行詳細的采集，同時要兼顧網聯道路傳達的各項信息，當采集的數據經過計算轉變為決策后，底盤將會執行轉角、制動力、車速、檔位等精準控制，單從車輛底盤方面考慮，需要十分龐大且精確的數據，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車輛進行測試與開發。本文即從線控底盤在無人駕駛實驗車輛的應用角度出發，對線控底盤的結構原理與通訊過程進行闡述。

1 線控底盤的工作原理

線控底盤包含了線控轉向系統、線控制動系統、線控驅動系統、線控懸架系統等，各個系統與車輛VCU的信息傳輸與控制由CAN總線完成，當攝像頭、毫米波雷達、激光雷達、超聲波雷達等環境傳感器采集到環境信息后，通過運算平臺的計算，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總線發送至線控底盤的各個模塊，從而根據實際道路環境實現轉向、制動、加速、換擋等動作。

2 無人駕駛汽車線控轉向系統的基本結構與通訊

線控轉向系統配合環境感知傳感器可以實現無人駕駛車輛的自動泊車、車道保持、自動避障等功能。它取消了傳統汽車方向盤至執行器之間的機械連接，整個系統采用電信號控制車輪轉向，包含路感反饋、轉向執行器、控制器以及相關傳感器等。當線控轉向ECU接收到轉向命令后，結合當前車速和檔位計算出需要的轉角，控制轉向執行電機工作，再通過角位移傳感器反饋轉向執行電機的轉動角度是否正確，最終實現車輛的自動轉向。

無人駕駛車輛的線控轉向系統通訊采用的CAN總線進行傳輸，CAN報文采用數據幀的標準幀格式，報文長度通常為8字節。對于一些復雜程度高的無人駕駛車輛，線控轉向系統對整車VCU的CAN報文中Byte0部分，用來反饋線控轉向ECU當前的狀態，包含ECU的工作模式是否開啟、ECU的驅動部分是否燒毀、ECU是否檢測到故障、ECU是否溫度過高。Byte1～Byte2部分，用來反饋當前轉向盤旋轉的角度信息，例如轉向盤旋轉角度范圍為-720°～＋720°，逆時針旋轉為正，順時針選擇為負，其中0°為對應中點位置。Byte3～Byte4部分，用來反饋當前轉向電機電流，例如有效范圍為-60～＋60A，偏移量為0，精度為0.001A，逆時針旋轉為正，順時針選擇為負。Byte5部分，用來反饋當前線控轉向ECU溫度，ECU溫度范圍為0～120℃，偏移量為0，精度為1℃。Byte5和Byte7為預留字節，默認為0x00。對于一些僅為了簡單實現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，Byte1～Byte2部分為油門踏板狀態信息，Byte3～Byte4部分則為方向盤轉角信息，Byte5為方向盤轉速信息，Byte6為方向盤扭矩信息，Byte7為預留字節。

3 無人駕駛汽車線控制動系統的基本結構與通訊

無人駕駛汽車線控制動系統的功能與傳統汽車制動系統的功能一樣，也是保證能夠按照路況等條件進行強制減速直至停車，只是在結構上有所改變，即制動踏板和制動執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械連接。當車輛遇到危險時，傳統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／側向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器等信號進行計算，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環境感知傳感器的檢測，將危險信息傳遞給運算平臺，運算平臺分析后，向VCU發送請求執行制動信號，VCU將信號處理后發送給線控制動系統，線控制動系統根據命令實現車輛的自動制動。

無人駕駛車輛的線控制動系統通訊也采用CAN總線進行傳輸，其中制動系統與整車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容。當車輛遇到危險時，整車VCU要將運算后的制動壓力請求發送給制動系統，并告知制動系統進入工作狀態。當制動行為出現時，制動系統會將制動踏板是否工作、制動踏板的開合程度、制動信號燈的狀態等信息告知給整車VCU。一些車輛中VCU向制動系統發送的通訊報文中，Byte0為制動壓力的請求，可以分為125個行程點，如0x50，轉換為十進制后為80，及制動壓力行程為80個行程點。而制動系統向VCU發送的通訊報文中，Byte0為制動踏板的行程，有效值為0～100，如0x35，轉換為十進制后為53，及制動踏行程為53%。制動燈的信息則存在與其他的字節當中，一般0x0為關閉，0x1為開啟。

4 無人駕駛汽車線控驅動系統的基本結構與通訊

線控驅動系統根據駕駛人動作和汽車各種行駛信息，分析駕駛人意圖，精確控制動力裝置（發動機或電機）輸出功率和車輪驅動力以提高汽車動力性、經濟性和操縱穩定性。在無人駕駛車輛上，線控驅動系統往往結合環境感知傳感器的檢測結果，通過電信號來控制驅動電機的轉向和轉速，從而實現車輛的自動起步、自動加速、自動換擋等行為。它主要由油門踏板系統、換擋桿系統、驅動電機、驅動電機控制器等組成。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，實現行駛速度的控制；換擋系統也為線控形式，可以根據自動行駛需求，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行單元，實現換擋動作。

無人駕駛車輛中，線控驅動系統的通訊也采用CAN總線進行傳輸，其中運算平臺與VCU之間的通訊報文主要涉經過計算后的目標車速、當前車速、檔位信息、電機狀態、電機轉速、電機溫度等。當乘客的乘坐意圖、交通規則等信息通過網絡或感知傳感器傳達到無人駕駛車輛的運算平臺時，運算平臺可根據道路環境給出最佳的目標車速，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。線控驅動系統中運算平臺向VCU發送的報文信息主要包含車輛的目標速度和檔位信號，也可添加一些輔助信號，如示寬燈、遠近光燈、倒車燈、喇叭等。其中根據車輛所能達到的最高車速，目標車速有效值為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，如數據為0x320，轉換為十進制為800，800×0.1=80，代表目標車速為80km/h。對于車輛的檔位信號，通常設置在報文的Byte0字節當中，可以設置Byte0中當bit6～bit7=0x00時，為P檔，當bit6～bit7=0x01時，為R檔，當bit6～bit7=0x02時，為N檔，當bit6～bit7=0x03時，為前進檔D。

VCU向運算平臺發送的報文協議有多個，這些協議可以分別傳達車速、驅動電機的信息、行程里程的信息、動力電池的SOC值。其中驅動電機信息主要包含電機的狀態和電機的轉矩，由于車輛可以前進和后退，所以電機的轉矩分為正轉和反轉，假設有效值范圍為0～30000，數值偏移量-15000，表示-1500～1500N·m，其中正值為前進時的轉矩，負值為倒車時的轉矩，最小單元為0.1N·m。

MCU向VCU發送的報文協議也有多個，包含有電機的狀態、電機的溫度、驅動電機控制器溫度、電機故障碼、電機的轉速、電機的轉矩、電機的旋轉方向、電機控制器的輸入電壓、電機控制器直流母線電流等信息。對于電機狀態的數據，如用Byte0代表電機狀態，可用0x1代表電機正在消耗電能、0x2代表電機正在發出電能、0x3代表電機已關閉、0x4代表電機準備啟動、0xFE代表電機故障。電機控制器溫度的數據，有效值范圍0～250，數值偏移量-40，則溫度值為-40°～210°，如0x30，轉為十進制后為48，偏移-40后為8，表示當前驅動電機控制器溫度為8°，驅動電機的溫度也可以按此報文數據進行傳輸。電機故障碼包含無故障、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制數表示，如0xD：電機溫度傳感器故障。電機轉速的報文數據同前面介紹的電機轉矩報文數據格式一樣，可根據實際電機的真實最大轉速，利用偏移量表示正轉速度與反轉速度，最小單元為1r/min。

5 無人駕駛汽車線控懸架系統的基本結構與通訊

無人駕駛汽車上的線控懸架系統實際為電控懸架系統的延伸，根據車輛在道路上行駛時，如果環境感知傳感器對于前方的路段進行了判斷，結合加速度傳感器、車速傳感器、車身位移傳感器、轉向角度、制動命令等信息，將結果發送給VCU，VCU對信號進行處理后，輸出控制信號到執行器，進而調整減振器阻尼系數、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的軟硬和車身高度。液壓式懸架系統根據車輛行駛速度、車身振動、車輪跳動以及傾斜狀態等信號，調節四個執行液壓缸中液壓油的量，以實現對減振器軟硬程度及車身高度的調整。電磁式懸架系統是通過改變電流來改變電磁場的強度，進而達到控制阻尼系數的目的。

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。在進行車身高度調節的時候，可以通過CAN通訊設定并實現多個調節目標，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，當懸架在以上目標內正常運行時，必須要有合理的高度變化值，這個范圍內的值不應該引起ECU通過CAN通訊來調節空氣彈簧的高度。

6 結語

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，運算平臺逐漸替代了駕駛員向汽車發送的駕駛意圖。對于這樣的無人駕駛汽車，其運行過程的核心是控制，控制系統的準確性、靈活性、舒適性及經濟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的最終執行者，快速準確的執行效果會在今后的時代發展變化中與車輛的安全、人員的安全，以及電子信息技術的發展緊密聯系在一起。