自動駕駛的有效運行不光體現在自身的精確策略控制（包括對車輛的控制主要體現在控制速度和路徑曲線上），更體現在和執(zhí)行對手件的交互控制中。在特殊情況下，例如在緊急避撞情況下，還必須及時控制車輛的方向。從狹義上講，車輛操縱的原理即是指車輛動力學，例如轉彎過程中維持車輛穩(wěn)定性。全局底盤控制技術的進步已被用來進一步提高車輛的安全性和操縱質量。通過增加偏航增益以減小上層系統的轉向輸入，可以輕松地實現路徑曲率的改變。此策略僅適用于中等速度，因為當方向盤角度輸入過高又在高速行駛時，可利用的輪胎-道路摩擦會迅速飽和，此時偏航率的正常行駛范圍會隨著車速而顯著減小。因此，高速策略必須是降低穩(wěn)態(tài)偏航增益。

在涉及安全性的摩擦極限時，主動底盤可為駕駛員提供最佳的支撐，因為操縱控制器可以確定車輛如何保持穩(wěn)定。合并并協調所有可用的執(zhí)行器以實現此目標，以免發(fā)生事故。在超出摩擦極限的區(qū)域中，控制系統的主要任務是防止汽車嚴重打滑，以使汽車保持在正軌上。

在正常駕駛期間，系統通常期望車輛具有較小相位滯后的線性偏航響應。大多數駕駛員都沒有因輪胎力飽和而導致線性度降低的經驗。如果后橋發(fā)生飽和，側滑角將迅速增加，因此會對在駕駛過程中對駕駛員造成危險?？刂葡到y的主要任務應該是保持車輛的側滑角較小。當側滑角的大小超過一定數值時，普通駕駛員會感到不舒服。最先進的電子穩(wěn)定性控制（ESC）系統間接限制了側滑角。ESC使用受限的加速度并參考偏航率來解決輪胎飽和問題。另外，計算并限制了側滑角的變化率。

全局底盤控制系統在正常駕駛中，尤其是在緊急情況下，具有明顯的優(yōu)勢。主動系統的配置和協調交互是增強車輛性能的關鍵成功因素。像ISO 26262這樣的國際標準可確保最高級別的整個控制系統的質量和安全性。

01  概述

具有電子穩(wěn)定性控制（ESC）的現代制動系統的價值在于其使汽車的行為更具可預測性，在廣泛的條件下保持穩(wěn)定以及易于在臨界情況下進行控制的能力。穩(wěn)定性是指汽車以預期的方式對操縱做出反應，即面對不變的輸入時保持不變，并且僅當輸入略有變化時才略有變化，則處理是穩(wěn)定的。穩(wěn)定性涵蓋了正常的駕駛范圍，在該范圍內，駕駛員可以通過底盤設置感受到舒適感和享受感。另一方面，如果駕駛員的少量輸入導致操縱方面的重大改變（例如，在較小的轉向校正導致打滑的情況下），那么操縱將變得不穩(wěn)定。




如上圖所示，智能汽車將處于臨界狀態(tài)，汽車和駕駛員將處于閉環(huán)狀態(tài)。駕駛員可以轉向，加速或制動，但他們的命令將越來越多地不能直接轉化為行動。相反，活動系統將“過濾”其命令以確保最佳和最安全的處理。

主動轉向系統分為以下幾類：

·  疊加扭矩系統可獨立于駕駛員輸入而影響轉向。該系統可以在緊急情況下為駕駛員提供方向盤的轉向提示。

·  疊加轉向角的系統可以修改駕駛員為前輪選擇的轉向角，也可以修改由前輪決定的后輪角度。

·  同時疊加扭矩和轉向角的系統結合了以上兩個系統的優(yōu)點。此處的執(zhí)行器可以局部集中在單個殼體中，從而節(jié)省空間，也可以將它們分別放置在轉向機構的各個位置。

·  線控轉向系統為全新的人機界面鋪平了道路，例如側桿轉向代替?zhèn)鹘y方向盤。主動轉向系統不僅為穩(wěn)定級別的聯網功能提供了巨大潛力，而且為與保持車道相關的駕駛員輔助功能提供了巨大潛力。下圖顯示了一些目前批量可用或不久將可用的功能。


制動和轉向穩(wěn)定附加功能的要求

如下圖所示的系統環(huán)境定義了通過轉向干預來調節(jié)操縱的功能單元，它還定義了與其他汽車系統配合使用的接口要求。



主機廠有責任決定使用哪種硬件以及將哪些軟件分配給哪個控制設備。一種常見的變體是在ESC控制設備中內置橫向運動控制功能的擴展電力調節(jié)器，并采用轉向系統作為執(zhí)行器來穩(wěn)定功能。

以下是自動駕駛系統對制動和轉向干預的綜合要求清單：

– 在諸如改變負載，緊急停車，彎道部分制動或回旋等情況下改善行車道保持和方向穩(wěn)定性。

– 在緊急情況或急速換道等極端轉向操作中具有更高的穩(wěn)定性，以減少打滑的危險。

– 減少轉向操作，并在制動和加速時，尤其是在非均勻路面上，更好地利用閉合力的潛力。這將改善制動距離，并在保持恒定甚至更好的穩(wěn)定性的情況下提高牽引力。具有主動轉向系統的電子穩(wěn)定性控制（ESC）開辟了一種全新的方式來穩(wěn)定車輛。制動和轉向的組合可以快速方便地抵消不希望的偏航反應。

該穩(wěn)定功能主要在以下情況下發(fā)揮作用：

– 確保制動可以在一定摩擦條件下μ進行
– 自適應的拆分摩擦因子μ上對應的加速度
– 避免轉向過度
– 避免轉向不足
– 避免翻滾風險
– 維持自車牽引穩(wěn)定性

02 制動和轉向控制的概念和原理

下圖顯示了單個車輪如何引起偏航運動。水平作用力是打滑的函數，可以從車輪的滑動速度vG和絕對速度vR得出。水平力的合力FR和滑動速度vG位于同一應用線的相對兩端。

當從汽車重心到車輪中心的位置矢量rcg的矢量乘積和合成輪胎力的矢量FR達到最大值時，每個車輪產生的橫擺力矩將達到最大值。力FR的大小通過車輪的轉向角δ增大，同時，力和位置矢量可近似為通過制動或駕駛的正交方式。但是，在某些情況下，車輪產生的最小橫擺力矩是必要的，轉動方向盤同樣會產生這種效果。但是，向量乘積，即FR和rcg所覆蓋的面積應盡可能小。下圖描繪了在汽車制動和轉向系統穩(wěn)定結合使用的典型應用，即分層級聯控制的概念（道路上的輪胎力控制模型與車輛速度、橫擺率與車輪橫擺運動的關系）。


在如上情況中，制動發(fā)生在路面上，其牽引力不相等（split-μ），在很短的時間內就會積累大量的偏航力矩。沒有調節(jié)系統，駕駛員將難以處理這種情況。如今的ESC等穩(wěn)定性控制系統通過略微延遲前橋上制動力的積累，來減弱偏航力矩的不穩(wěn)定影響。此外，該程序通過使用最低的摩擦系數來確定兩個車輪上的制動力，從而防止在后軸上產生偏航力矩，這被稱為“低速選擇”策略。然而，由此描述的策略將導致最大穩(wěn)定性和最小制動距離之間的利益沖突。通過協調制動和轉向，可以大大減少這種利益沖突。將前輪指向較低的摩擦系數方向會減少作用在轎廂上的偏航力矩。因此，不必延遲制動力在前軸上的積累，也不必遵循后輪低速行駛策略。這大大減小了制動距離，同時提供了良好的直線穩(wěn)定性。


如上圖表示的曲線顯示了轉向過度。過度轉向會導致穩(wěn)定性降低，因為車輛會在彎道外徑方向上偏航，這樣就有打滑的危險。在這種情況下，電調會在彎道外側對前輪制動，以產生穩(wěn)定的偏航或減弱不穩(wěn)定的偏航，同時轉向系統也可以大大增加穩(wěn)定的偏航。這是通過向后轉向，即減小前軸的轉向角而發(fā)生的。將導致重心的位置矢量和合力之間的夾角更大，從而穩(wěn)定了左前輪的偏航趨勢。

上圖中描繪了產生電樞偏航力矩的可能性，電調帶制動器，前橋上有角度重疊的AFS（主動前轉向）和后橋上有角度重疊的ARK（主動后橋運動學）。對于AFS，這會導致高度的偏航力矩向外偏轉，而對于ARK，會導致更高的偏航力矩向內偏轉。在極限摩擦極限情況下，ESC具有最大的潛力來穩(wěn)定過度轉向的汽車，轉向系統允許自動駕駛系統在臨界情況下非常有效地減小橫向力。

1、系統轉向角干預功能模塊

下圖描繪了橫擺率控制中的轉向角干預的典型功能模塊。



車輪的轉向角δ是駕駛員期望的轉向角δFW、偏航控制器的重疊角δFB、偏航扭矩補償δFF的乘積。該系統利用駕駛員輸入，包括方向盤轉角δH和駕駛員施加于制動器的壓力pF。汽車測量其偏航角速度和橫向加速度ay，并將此信息傳遞給控制器。由輪速指示器確定的汽車速度的使用情況顯示，參考橫擺率考慮了汽車的靜態(tài)和動態(tài)特性，并且必須受到與物理有關的措施的限制，該措施由最大摩擦系數確定。偏航控制跟進偏航率，以支持駕駛員并限制側滑角和/或側滑率，以提高汽車的穩(wěn)定性。偏航扭矩補償是一種干擾前饋，用于補償干擾變量z對制動或加速過程中操縱產生的負面影響。并從制動壓力或從每個車輪的制動力估計結果來補償偏航扭矩所必需的估計值Mz。如果在每個車輪上都測量了制動壓力p，則該功能相應的性能指標將大大被提高。

當在路面上表現出不均勻的牽引力（劈裂μ）時，就需要首先考慮增加相應的安全性指標。由于輪胎能夠在具有更大牽引力的路面上傳遞更多的制動力，而不是在光滑路面上傳遞，因此汽車將希望朝著呈現更高牽引力的那部分道路的方向轉向。ESC進行了壓力增強，包括轉向角干預功能，可通過自動劑量校正功能從相反方向來抵消這種趨勢，從而使自動駕駛系統無需再通過一定手段自行穩(wěn)定汽車。同時，ESC可以精確設定每個車輪的最高制動壓力，從而使制動距離縮短，穩(wěn)定性大大提高。駕駛員在這種大壓力的情況下需要做的就是轉向他想要轉向的方向，偏航控制可通過干預彎道轉向來改善汽車的操縱性能。

在很短的時間內，它使前輪轉向的速度比方向盤的移動指示的速度快。該控制使汽車在緊急情況下能夠以更好的穩(wěn)定性和更少的轉向操作迅速做出反應。反向轉向會自動發(fā)生，并且可以很早就開始，而不會引起駕駛員的注意。隨著側滑角的增加，制動干預的強度也會相應的增加。

2、系統轉向建議（DSR）的功能模塊

如果轉向系統設計為疊加扭矩，則干預將以系統轉向建議（DSR）的形式進行。如果存在汽車偏離系統預測規(guī)劃路線的危險，方向盤將發(fā)出一定的震動，以便指示轉向方向。功能模塊與上圖中的角度重疊相同。僅需添加一個模塊即可將理想轉向角傳遞給疊加扭矩MDSR，此時，上層系統與調節(jié)系統處于閉環(huán)狀態(tài)。電動助力轉向可以作為一系列作用的示例：駕駛員施加轉向轉矩MF，車輪施加自對準轉矩MR，而動力轉向施加輔助轉矩MA。扭桿將反作用力作為手部扭矩MH進行測量，動力轉向與疊加的扭矩一起放大。這會導致轉向系統產生沖動，從而有助于駕駛員在緊急情況下快速正確地做出反應。

如下圖表示了基于分割摩擦系數u與轉向角干預用以補償橫擺角扭矩的制動過程圖像仿真結果。


如下圖表示了在自動換道過程中針對標準橫擺角運動過程中轉向角與制動干預過程的曲線圖。



在轉向過度和分割μ情況下，扭矩疊加可確保駕駛員能夠穩(wěn)定轉向。在轉向不足的情況下，汽車會通過前軸趨向外部，系統不應如此迅速地轉向超過最大側向力的方向。大多數情況下，上層系統可通過進一步發(fā)送轉向請求來自動應對這種情況。駕駛員指導建議書鼓勵駕駛員停止轉動方向盤，然后重新撥回。如果超過了轉向角極限δlim，則會造成觸發(fā)扭矩MDSR產生疊加。僅當駕駛員恢復了方向盤轉角δ時，它才會回彈。對于給定的摩擦系數，這可在前軸處提供最大的橫向抓地力。

如下圖表示了扭矩疊加過程中的系統轉向角發(fā)送過程以及在不同的速度和摩擦系數中，相應的輪胎力大小仿真結果值。



03  展望

智能汽車主機廠和供應商一致認為，控制車輛動力學的系統將越來越緊密地聯系在一起。諸如全局底盤控制（GCC）之類的概念通過集成主動底盤系統為駕駛動力，穩(wěn)定性和舒適性開辟了新的領域。目標是優(yōu)化每個系統的潛力，并將其集成到智能的整體系統中。AUTOSAR硬件和軟件將支持功能集成。控制車輛動力學的鏈接系統是一個正在進行的項目。目前正在針對以下挑戰(zhàn)進行深入研究：

– 確定可以并希望通過控制系統確定汽車特性的區(qū)域

– 為給定的智能汽車家族組裝最佳的主動系統產品組合

– 針對給定的智能汽車電子架構設計機箱控制功能，以應對復雜性


對于所有主機廠來說，全面的車輛動力學控制協調概念的目標還有很長的路要走。盡管如此，有關目標仍存在一致意見。在正常情況下，底盤控制應提供最大的舒適度和娛樂性。主機廠擁有創(chuàng)建個人汽車角色的所有自由。在處于摩擦極限的臨界情況下，每個可用的執(zhí)行器都將起作用，自適應的主動底盤控制將幫助駕駛員避免發(fā)生意外。