基于纯电动客车自动驾驶线控底盘技术

赵苗苗， 陈志元， 袁葭杰

(扬州亚星客车股份有限公司， 江苏 扬州 225116)

近些年，以GB 7258—2017 《机动车运行安全技术条件》和JT/T 1094—2016《营运客车安全技术条件》为代表的标准法规，加速了客车智能化技术发展[1-3]。本文研究基于纯电动客车的线控底盘技术，包含线控转向、线控制动和底盘集成控制等。

就纯电动客车底盘而言，传动系主要由驱动桥、传动轴等组成；行驶系主要由车架和承载式车身、车桥和车轮、悬架等组成；转向系由转向操纵机构、转向传动机构和液压助力转向系统等组成；制动系主要由制动器、制动踏板、气压制动系统等组成。

1 纯电动客车的线控底盘技术

线控底盘是自动驾驶技术实现的基础，纯电动客车线控底盘技术主要包含线控转向、线控制动和线控驱动三大部分[4-5]。线控驱动技术与线控转向技术和线控制动技术相比，在纯电动客车领域较少提及，主要原因是纯电动客车驱动部分已属于电动连接，实现线控驱动更为简便。基于此，本文重点讨论线控转向技术和线控制动技术。

1.1 线控转向技术

1.1.1 结构组成

纯电动客车转向系统由方向盘、转向管柱、循环球式液压助力方向机、转向油罐、电动转向油泵、转向油泵控制器等组成。为实现线控液压转向功能，需在原有转向系统基础上，将方向机替换为线控液压方向机，同时增加线控液压方向机控制器，并通过智能ECU控制线控液压方向机及其控制器实现自动转向功能。线控液压方向机由无刷直流电机、循环球式液压助力转向装置、转矩传感器、转角传感器等部件集成，为线控液压转向系统的核心执行部件。纯电动客车线控液压转向系统组成如图1所示。

图1 纯电动客车线控转向系统组成

1.1.2 工作原理

考虑到整车安全性和系统可靠性，纯电动客车线控液压转向系统工作模式有两种，其原理见图2。

图2 线控液压转向系统工作原理

1) 人工驾驶模式。当驾驶员手动转动方向盘时，方向盘与线控液压方向机的机械连接驱动循环球式转向器工作，车辆实现液压转向。人工驾驶模式下，线控液压转向系统可根据车速和方向盘转矩信号控制无刷直流电机助力，达到低速转向轻便、高速转向稳定的良好转向特性。

2) 自动驾驶模式。自动驾驶客车感知融合/决策规划系统给出转向需求，智能控制ECU通过计算得出方向盘目标转角和目标角速度，并通过CAN总线发送给线控液压方向机控制器，控制方向机实现相应转向角度，同时通过无刷直流电机驱动方向盘实现相应转角，线控液压方向机控制器将检测到的方向盘实际转角反馈给智能控制ECU，实现方向盘转角闭环控制。

转向系统两种模式的切换主要通过方向盘扭矩判断，即当驾驶员给予方向盘一定的转向扭矩时，线控液压转向系统退出自动驾驶模式，由驾驶员接管进行人工转向操作。

1.2 线控制动技术

1.2.1 结构组成

纯电动客车制动系统由制动踏板、电动打气泵、电动气泵控制器、阀类件、储气筒、干燥器等部件组成。为实现线控制动功能，一般装配可响应外部制动请求(XBR)的防抱死系统ABS或者电子制动系统EBS。因EBS控制精度高、响应快，优选装配EBS，同时考虑到整车稳定性控制，以及EBS和ESC的部件通用性，本文将ESC(电子稳定控制)一并计入线控制动技术领域。纯电动客车线控制动系统组成如图3所示，其中ESC模块内置横摆角速度传感器(YAW)，为表示制动控制主要部件，图中气路部分连接予以省略。

图3 纯电动客车线控制动系统组成

1.2.2 工作原理

线控制动工作主要基于EBS/ESC系统，故其工作原理以EBS/ESC工作原理为主。纯电动客车线控制动系统工作原理如图4所示。为兼顾人工驾驶和自动驾驶，设置了相应的两种驾驶模式，其间的切换主要通过制动踏板开度判断，即当驾驶员踩制动踏板时，线控制动系统退出自动驾驶模式，由驾驶员接管进行人工制动。

图4 线控制动系统工作原理

1) 人工驾驶模式。当驾驶员脚踩制动踏板时，制动踏板开度输入至EBS控制器，EBS控制制动系统实现整车制动。

2) 自动驾驶模式。自动驾驶客车感知融合/决策规划系统给出制动需求，智能控制ECU通过计划得出整车目标减速度，并通过CAN总线发送给EBS控制器，EBS控制整车达到目标减速度，并将速度值返回至智能控制ECU，以用于闭环控制。

以上两种模式下，ESC模块和方向盘转角传感器均将实时横摆角速度和方向盘转角输入EBS控制器，以实现车身稳定控制。

2 自动驾驶线控底盘集成控制

线控底盘集成控制主要包含横向控制、纵向控制和垂直方向控制[6-8]。考虑到一般纯电动客车不具备电子悬挂系统，故底盘集成控制以横向和纵向协同控制为主。横向控制为对方向盘转角的调整和轮胎侧滑力的控制，纵向控制为对车辆的驱动力与制动力的控制。

2.1 自动驾驶分层控制框架

本文设计的自动驾驶分层控制框架如图5所示，其中线控底盘集成控制层以规划决策层的轨迹规划控制为输入[9]。基于MPC(模型预测控制)算法，输出线控底盘执行层控制指令，并结合状态估计，持续进行线控底盘优化控制。

图5 自动驾驶分层控制框架

2.2 线控底盘集成控制算法

20世纪70年代,工业过程控制领域诞生了一种新算法,即模型预测控制(MPC),简称为预测控制。目前MPC算法已被广泛应用于车辆控制领域。预测模型、滚动优化和反馈校正三部分组成该算法，保证有限时域情况下的控制最优性[10]。

预测模型构建方面，考虑到实现的简便性，目前多采用运动学自行车模型。作为阿克曼模型的有效简化版，以汽车质心为基准的自行车模型见图6。

图6 以整车质心为基准的自行车模型

其中XOY为UTM(Universal Transverse Mercator，统一横轴墨卡托投影系统)坐标系，以正东方向为X轴正方向(UTM Easting)、正北方向为Y轴正方向(UTM Northing)。A为整车瞬时转向中心，[x,y]为整车质心坐标，β为滑移角(汽车行进方向与车轮所指方向之间的夹角)，φ为航向角(汽车行进方向与X轴之间的夹角)，δf为前轮转角，δr为后轮转角(一般设定为0)。通过[x,y,φ,v]几个变量可以表征整车的运动状态，若t时刻整车状态为[xt,yt,φt,vt]，则t+1时刻整车状态为

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]

基于以上数学模型可知，将[δf,a]作为控制输入，可实现对整车横向和纵向的集成控制，其中δf为转向角度，a为加速度。

滚动优化方面，模型预测控制的期望输出与损失函数(Loss Function)设计具有极大关系，可以采用如下所示的损失函数，包含位置z的偏差、航向角φ的偏差、车速v的偏差等。

其中i取值1～10，是未来10个采样时刻。

滚动优化也包含约束条件设置，例如方向盘转角范围、整车车速范围、加减速度范围等约束。

反馈校正方面，在通过最优控制获得输出后，整车执行控制指令，并反馈车辆状态，通过MPC进行持续控制。

3 结束语

自动驾驶技术在客车行业具有良好的应用前景，而线控底盘技术作为自动驾驶技术核心，将对整车性能产生直接影响。故本文对纯电动客车的线控底盘技术，从线控转向、线控制动结构组成和工作原理，以及线控底盘集成控制等方面进行了相关研究。