1.1分散式控制架構(gòu)

傳統(tǒng)車輛底盤控制大多數(shù)采用分散式控制架構(gòu)，各子控制系統(tǒng)根據(jù)控制功能單獨(dú)配備傳感器采集車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)，子系統(tǒng)控制器根據(jù)各自的控制目標(biāo)輸出控制指令給子系統(tǒng)執(zhí)行器。分散式架構(gòu)有利于系統(tǒng)模塊化、便于控制功能擴(kuò)展與更新，當(dāng)需要引入新的底盤控制系統(tǒng)時(shí)不需要大范圍的重新設(shè)計(jì)，也不需要額外的高級(jí)控制器。因此底盤控制系統(tǒng)數(shù)量不多、集成程度要求低的情況下分散式控制架構(gòu)是良好選擇，通過(guò)車輛信息共享能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的集成效果。作為集成控制的初步嘗試，分散式架構(gòu)早期也引起汽車企業(yè)的應(yīng)用興趣。德國(guó)博世公司采用集成安全理念，將底盤多個(gè)控制子系統(tǒng)組合成車輛動(dòng)力學(xué)管理（VDM）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了車輛動(dòng)力學(xué)分層管理，避免了各子系統(tǒng)之間的沖突，通過(guò)協(xié)同作用最大限度地提高汽車安全性。

分散式架構(gòu)屬于低等級(jí)的集成架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單集成控制。但由于在極限工況下，轉(zhuǎn)向和制動(dòng)系統(tǒng)耦合度高，分散式架構(gòu)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正的縱、側(cè)向動(dòng)力學(xué)解耦，無(wú)法減少系統(tǒng)控制功能的沖突。對(duì)于懸架系統(tǒng)，由于其主要控制車輛的垂向運(yùn)動(dòng)，提高車載人員的乘坐舒適性，與其他底盤電控系統(tǒng)沒(méi)有直接沖突，因此分散式集成架構(gòu)適合懸架系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等集成控制。

1.2集中式控制架構(gòu)

集中式控制系統(tǒng)根據(jù)控制需求，采用不同類型的傳感器和觀測(cè)器收集車輛信息至集中控制器中，實(shí)現(xiàn)車輛信息共享，避免硬件設(shè)備重復(fù)安裝；控制器通過(guò)設(shè)計(jì)全局協(xié)調(diào)控制策略或全局優(yōu)化算法，直接將各子系統(tǒng)的執(zhí)行信號(hào)輸出給所有子系統(tǒng)執(zhí)行器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2  集中式控制架構(gòu)

集中式控制架構(gòu)在設(shè)計(jì)初期需要確定全局控制目標(biāo)，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)控制性能全局最優(yōu)，因此不少企業(yè)初期嘗試采用此種控制架構(gòu)實(shí)現(xiàn)底盤全局控制。但是，由于集中式控制架構(gòu)集成度較高，目前集中式控制架構(gòu)并沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，主要原因體現(xiàn)在：①各控制系統(tǒng)缺乏相對(duì)獨(dú)立性，集成開發(fā)工作需與電控系統(tǒng)供應(yīng)商協(xié)作；②高度精確的系統(tǒng)控制模型是進(jìn)行集中式控制的基礎(chǔ)，由于系統(tǒng)控制模型和控制器的階數(shù)較高，需要大量的建模、仿真、測(cè)試與標(biāo)定工作；③全局集成控制后，大量的數(shù)據(jù)計(jì)算對(duì)ECU性能提出更高要求；④后期功能擴(kuò)展困難，系統(tǒng)可擴(kuò)展性和靈活性較差；⑤集中控制器需要設(shè)計(jì)容錯(cuò)機(jī)制，可靠性仍有待提升。

1.3分層式控制架構(gòu)

考慮到控制效果、集成難度及硬件設(shè)備條件的限制，目前底盤集成控制廣泛采用介于分散式架構(gòu)和集中式架構(gòu)之間的分層式集成控制架構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。分層式控制架構(gòu)一般可分為３層：頂層為狀態(tài)輸入層、中間層為協(xié)調(diào)決策層、底層為控制執(zhí)行層。狀態(tài)輸入層獲取駕駛?cè)嘶蜃詣?dòng)駕駛命令，根據(jù)駕駛?cè)瞬僮鳙@取駕駛?cè)瞬僮饕鈭D，計(jì)算全局控制輸入并對(duì)當(dāng)前的駕駛情況進(jìn)行定義分類。協(xié)調(diào)決策層根據(jù)頂層控制器定義的工作模式選擇不同的協(xié)調(diào)控制策略，并將不同控制輸入分配到各個(gè)底盤子系統(tǒng)?？刂茍?zhí)行層包括底盤各子系統(tǒng)控制器，其功能是實(shí)現(xiàn)跟蹤中間層的控制命令，將子系統(tǒng)控制信號(hào)傳遞到執(zhí)行器硬件。

圖3  分層式控制架構(gòu)

分層式控制架構(gòu)兼顧了分散式和集中式架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，基于分層式控制架構(gòu)設(shè)計(jì)的分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車底盤集成控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，各級(jí)間相互獨(dú)立功能解耦，便于系統(tǒng)的開發(fā)和功能拓展，對(duì)系統(tǒng)局部故障也具有良好的魯棒性和一定程度的容錯(cuò)能力。分層式架構(gòu)還允許企業(yè)與供應(yīng)商獨(dú)立開發(fā)相應(yīng)的控制器，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化接口實(shí)現(xiàn)控制功能疊加。近年來(lái)，分層式控制架構(gòu)得到不少企業(yè)的青睞。

從上述３類控制架構(gòu)的特點(diǎn)可以看出，隨著電控化、智能化水平的不斷提升及飛速發(fā)展，基于分層式控制架構(gòu)的集成控制器在傳統(tǒng)集中式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車中得到廣泛應(yīng)用。而分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車集成控制器中必然包含更多的子控制器，集成的難度和復(fù)雜度不斷增加，并且系統(tǒng)擴(kuò)展與更新頻率將更高，各子控制器在控制區(qū)域、執(zhí)行器方面也必然出現(xiàn)重疊甚至矛盾，分散式、集中式控制架構(gòu)下的集成控制器性能將受到極大限制。因此，分層式控制架構(gòu)更利于分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車底盤集成控制的進(jìn)一步發(fā)展，將會(huì)成為未來(lái)底盤集成控制技術(shù)研究的主流。

2.分布式驅(qū)動(dòng)汽車底盤集成控制策略

２.１縱-橫向動(dòng)力學(xué)集成控制

車輛的縱向、側(cè)向、橫擺運(yùn)動(dòng)間互相影響，縱－橫向動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)出明顯的耦合關(guān)系?？v－橫向集成控制系統(tǒng)通過(guò)改變輪胎的縱向力、側(cè)向力可以直接影響車輛的縱向、橫向及橫擺運(yùn)動(dòng)。分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車縱向動(dòng)力學(xué)控制能夠?qū)γ總€(gè)車輪單獨(dú)施加縱向驅(qū)動(dòng)力矩或制動(dòng)力矩，其工作區(qū)域基本不受輪胎縱向力飽和的限制。因此通過(guò)縱－橫向動(dòng)力學(xué)集成控制，可以在減小控制功能冗余與動(dòng)力學(xué)沖突的情況下進(jìn)一步提高車輛的操縱穩(wěn)定性?？v－橫向動(dòng)力學(xué)集成控制中，車輛縱向動(dòng)力學(xué)性能的控制一般可選擇差動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)、電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（ABS）、牽引力控制系統(tǒng)（TCS），橫向動(dòng)力學(xué)控制可選擇主動(dòng)前輪／后輪／四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（AFS／ARS／AWS）、直接橫擺力矩控制系統(tǒng)（DYC）。

目前針對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)汽車縱－橫向動(dòng)力學(xué)集成控制往往采用與集中式驅(qū)動(dòng)相同的思路，其重點(diǎn)在于通過(guò)設(shè)計(jì)不同工況的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)、考慮子系統(tǒng)有效工作區(qū)域及輪胎力等因素，采取分層式集成控制架構(gòu)，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂撇呗?。常見的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與DYC集成控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。上層控制器根據(jù)獲取的車輛狀態(tài)信息及駕駛?cè)艘鈭D，基于車輛二自由度參考模型計(jì)算期望橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角，將車輛實(shí)際橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角作為狀態(tài)量反饋決策附加橫擺力矩。根據(jù)不同的協(xié)調(diào)控制策略，輸出子控制系統(tǒng)的控制分配權(quán)重。底層控制系統(tǒng)根據(jù)各自的控制目標(biāo)跟蹤控制參考值。

圖4  轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)系統(tǒng)集成控制