本文由李亮，王翔宇，程碩，陳翔，黃超，平先堯，魏凌濤聯(lián)合創(chuàng)作

摘要

汽車動(dòng)力學(xué)及其線控技術(shù)是汽車底盤設(shè)計(jì)中的難題，一直是學(xué)界研究的熱點(diǎn)。汽車的智能化發(fā)展也對(duì)底盤線控執(zhí)行技術(shù)提出了更高、更迫切的性能要求。該文介紹了汽車動(dòng)力學(xué)與底盤線控技術(shù)的最新進(jìn)展：針對(duì)汽車動(dòng)力學(xué)及控制技術(shù)，介紹了動(dòng)力學(xué)建模分析、動(dòng)力學(xué)狀態(tài)觀測(cè)以及動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制策略的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀；針對(duì)底盤線控執(zhí)行技術(shù)，概述了面向智能駕駛的線控制動(dòng)、線控轉(zhuǎn)向、線控驅(qū)動(dòng)發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀；針對(duì)汽車底盤集成控制技術(shù)，提出了底盤動(dòng)力學(xué)域控制的概念， 系統(tǒng)性地說明了域控制架構(gòu)和協(xié)調(diào)控制策略。最后展望了汽車底盤線控與動(dòng)力學(xué)域控制技的術(shù)未來研究趨勢(shì)。

安全是國(guó)際汽車行業(yè)永恒的主題。隨著汽車工業(yè)快速發(fā)展，汽車保有量迅速增大，交通擁堵加劇，交通事故頻發(fā)，這些問題造成了巨大的人身傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。為此世界各國(guó)及地區(qū)均出臺(tái)各項(xiàng)交通法規(guī)、相關(guān)政策，希望能夠解決汽車交通事故帶來的重大社會(huì)問題。國(guó)際上各大著名汽車公司也致力于研發(fā)被動(dòng)安全、主動(dòng)安全等汽車技術(shù)。近年來，人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，給汽車產(chǎn)業(yè)帶來了顛覆性變革，智能網(wǎng)聯(lián)汽車成為汽車工業(yè)的研究熱點(diǎn)和未來汽車發(fā)展的方向， 這也為解決汽車交通安全難題也帶來了新的契機(jī)。

汽車底盤線控執(zhí)行及動(dòng)力學(xué)域控制技術(shù)是汽車工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，也是智能汽車安全穩(wěn)定執(zhí)行的基礎(chǔ)與核心。國(guó)內(nèi)外汽車產(chǎn)業(yè)各界針對(duì)該領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)展開了深入的研究，取得了大量成果。自20 世紀(jì) 70 年代以來， 車輛底盤各類動(dòng)力學(xué)電控系統(tǒng)逐漸發(fā)展起來，如制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（anti-lock brake system, ABS）、電子穩(wěn)定性控制（electronic stability control，ESC）、電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（electric power steering, EPS）等，由于底盤多個(gè)電控系統(tǒng)相互耦合導(dǎo)致的協(xié)調(diào)控制問題逐漸成為研究熱點(diǎn)。近年來，智能汽車的迅速發(fā)展推動(dòng)了線控轉(zhuǎn)向、線控制動(dòng)、線控驅(qū)動(dòng)底盤執(zhí)行等關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新，也對(duì)底盤動(dòng)力學(xué)域控制技術(shù)需求迫切。

本文圍繞汽車底盤線控執(zhí)行及動(dòng)力學(xué)域控制技術(shù)進(jìn)行論述，介紹汽車動(dòng)力學(xué)與控制的建模分析、穩(wěn)定性狀態(tài)觀測(cè)、控制策略分析；對(duì)智能汽車底盤線控轉(zhuǎn)向、線控制動(dòng)發(fā)展現(xiàn)狀和研究進(jìn)展進(jìn)行了論述并概述了全矢量線控底盤概念；在綜述底盤集成控制相關(guān)問題研究的基礎(chǔ)上，作者團(tuán)隊(duì)提出了面向智能汽車的底盤動(dòng)力學(xué)域控制概念及其架構(gòu)。最后，展望了汽車底盤技術(shù)未來的研究方向，這將對(duì)未來汽車底盤技術(shù)的發(fā)展，奠定提升車輛性能的基礎(chǔ)，具有重要指導(dǎo)意義。

1 汽車動(dòng)力學(xué)與控制技術(shù)

1.1 動(dòng)力學(xué)建模與分析

車輛動(dòng)力學(xué)建模與相關(guān)分析工作經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)形成了一套以整車動(dòng)力學(xué)建模為根基，關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)估算為補(bǔ)償?shù)恼噭?dòng)力學(xué)建模體系。主要包括：整車動(dòng)力學(xué)建模、輪胎力學(xué)建模、車輛質(zhì)心側(cè)偏角估算、輪胎力估算、輪胎路面附著系數(shù)估算等。

1.1.1 整車動(dòng)力學(xué)建模

車輛動(dòng)力學(xué)模型是進(jìn)行車輛各項(xiàng)動(dòng)力性能分析、主動(dòng)控制、功能實(shí)現(xiàn)以及參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)。根據(jù)研究目和關(guān)注點(diǎn)的不同，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了各種不同復(fù)雜程度的線性和非線性車輛模型。早在 1940 年，基于輪胎側(cè)偏力學(xué)的研究基礎(chǔ)，Riekert 和Schunck 建立了經(jīng)典的線性二自由度 ( 側(cè)向自由度和橫擺自由度 ) 汽車?yán)硐肽Ｐ?#xff0c;該模型成為了汽車動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)。一般根據(jù)不同的使用目標(biāo)選用具有不同自由度的車輛模型，車輛動(dòng)力學(xué)模型主要包括：1) 結(jié)合縱向、側(cè)向、橫擺的 3 自由度車輛模型；2) 結(jié)合縱向、橫擺、側(cè)傾的 3 自由度車輛模型；3) 結(jié)合縱向、側(cè)向、橫擺、側(cè)傾的 4 自由度車輛模型；4) 結(jié)合橫擺、垂向、俯仰、側(cè)傾的 4 自由度車輛模型；5) 結(jié)合縱向、側(cè)向、垂向、橫擺、側(cè)傾、俯仰的 6 自由度車輛模型；以及 6) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而興起的多體動(dòng)力學(xué)車輛模型等。

1.1.2 輪胎力學(xué)模型

輪胎作為車體和道路之間唯一的連接部件，承擔(dān)了所有外力傳遞的角色，所以輪胎動(dòng)力學(xué)特性建模對(duì)車輛整體模型的準(zhǔn)確性起到關(guān)鍵性作用。一般來說，輪胎穩(wěn)態(tài)力學(xué)模型主要分為理論模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约鞍虢?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?3 種。理論模型是基于輪胎物理結(jié)構(gòu)和變形機(jī)理而建立的具有物理意義的描述模型；經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯鶃碓从谳喬ピ囼?yàn)數(shù)據(jù)并通過數(shù)據(jù)擬合的方法得到； 半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪窃诶碚撗芯亢驮囼?yàn)分析的基礎(chǔ)上完成的建模工作，不僅理論精度高，擴(kuò)展性好，而且與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度好。目前比較經(jīng)典的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕蠻niTire 統(tǒng)一模型和 Magic Formula 模型。

追溯到 1954 年，Fiala 以彈性梁模型為基礎(chǔ)對(duì)輪胎印跡內(nèi)的變形和側(cè)向力進(jìn)行了研究，給出了側(cè)向力和回正力矩隨側(cè)偏角之間的變化關(guān)系。1965 年，Frank 以 Fiala 模型為基礎(chǔ)建立了復(fù)雜的梁模型來模擬輪胎側(cè)偏時(shí)胎體的變形。1966 年，Pacejka 將胎體變形簡(jiǎn)化為拉伸的“弦”，建立了較為精確的純側(cè)偏特性理論模型。1972 年，Pacejka 和 Fancher 等對(duì)輪胎的側(cè)偏縱滑特性做了精確的數(shù)學(xué)分析， 提出了HSRI-NBS-II 模型。1987 年 Pacejka 和 Bakker 建立了可以精確描述側(cè)向力，縱向力以及回正力矩的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?Magic Formula。

另外，還有一些基于前人輪胎模型研究而進(jìn)行擴(kuò)展的輪胎模型以及其他經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀？梢愿鶕?jù)模型復(fù)雜程度的不同和使用目的的不同選擇不同的輪胎模型來開展相關(guān)的研究工作。

1.2 動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性關(guān)鍵狀態(tài)觀測(cè)

車輛動(dòng)力學(xué)與控制中所用到的關(guān)鍵參數(shù)主要有：橫擺角速度、縱向加速度、側(cè)向加速度，縱向車速，質(zhì)心側(cè)偏角以及路面峰值附著系數(shù)等，其中又以質(zhì)心側(cè)偏角、輪胎力和路面峰值附著系數(shù)最為重要，也最難估算準(zhǔn)確。

1.2.1 質(zhì)心側(cè)偏角估算

車輛質(zhì)心側(cè)偏角是指車輛實(shí)際速度與車輛縱軸之間的夾角，數(shù)值上可以表述為側(cè)向車速與縱向車速比值的反正切值。質(zhì)心側(cè)偏角估算主要分為基于觀測(cè)器和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 2 種類型。基于觀測(cè)器的質(zhì)心側(cè)偏角估算方法主要包括：基于 Luenberger 觀測(cè)器算法 (Luenberger observer，LO）、基于滑膜觀測(cè)器算法 (sliding-mode observer，SMO) 以及基于Kalman 濾波觀 測(cè)器算法 (Kalman ?lter，KF)。LO 和 SMO 對(duì)系統(tǒng)模型都有較強(qiáng)的依賴性，模型的精確程度對(duì)估算結(jié)果都有較大的影響，但都可以用于線性和非線性系統(tǒng)。相比前 2 種觀測(cè)器，KF 觀測(cè)器雖然對(duì)模型也有很強(qiáng)的依賴性并且只能用于線性系統(tǒng)，但是其基于KF 的變形系列觀測(cè)器卻可以應(yīng)用于不同的場(chǎng)合。擴(kuò)展Kalman 濾波 (extended Kalman ?lter, EKF) 是對(duì)非線性系統(tǒng)線性化處理之后，用線性模型代替非線性進(jìn)行估算，其缺點(diǎn)是會(huì)帶來線性化累積誤差；無跡 Kalman 濾波(unscented Kalman ?lter, UKF) 是通過無味變換

（unscented transfor mation，UT），再根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)先驗(yàn)概率密度分布的均值和協(xié)方差按照一定的采樣策略獲得 Sigma 點(diǎn)集，然后對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行非線性傳遞， 將系統(tǒng)近似線性化處理，與EKF 相比不會(huì)引入線性化誤差，無跡 Kalman 濾波一般會(huì)具有更好的效果；容積 Kalman 濾波 (cubature Kalman ?lter, CKF) 基于三階球面徑向容積準(zhǔn)則，并使用一組容積點(diǎn)來逼近具有附加Gauss 噪聲的非線性系統(tǒng)的狀態(tài)均值和協(xié)方差，是解決非線性系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的強(qiáng)有力工具。

針對(duì)所有輪胎力飽和時(shí)，車輛側(cè)滑角的可觀測(cè)性將大大惡化甚至喪失的問題，Ding 等基于局部線性化和 Routh-Hurwitz 準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)了擴(kuò)展 LO 觀測(cè)器，對(duì)車輛質(zhì)心側(cè)偏角進(jìn)行有效的觀測(cè)。Chen 等采用降階滑膜觀測(cè)器并將非線性阻尼集成到 SMO 中，對(duì)車輛質(zhì)心側(cè)偏角進(jìn)行觀測(cè)，在保證精度的情況下減小了計(jì)算量。作者團(tuán)隊(duì)提出了一種結(jié)合側(cè)偏角速率反饋和阻尼項(xiàng)的變結(jié)構(gòu)擴(kuò)展 Kalman 濾波器，對(duì)質(zhì)心側(cè)偏角進(jìn)行觀測(cè)，其主要思想是補(bǔ)償由路面摩擦估計(jì)誤差引起的模型誤差，而阻尼項(xiàng)的主要思想是抑制誤差積累。作者團(tuán)隊(duì)還采用自適應(yīng)無跡 Kalman 濾波器對(duì)質(zhì)心側(cè)偏角進(jìn)行觀測(cè)，通過試驗(yàn)和仿真方法驗(yàn)證了該方法可以彌補(bǔ)由于傳感器噪聲和外界干擾帶來的誤差。針對(duì)車輛的非線性動(dòng)力學(xué)、參數(shù)不確定性以及傳感器噪聲等給其觀測(cè)帶來困難的問題，作者團(tuán)隊(duì)提出了一種自適應(yīng)容積 Kalman 濾波方法對(duì)車輛質(zhì)心側(cè)偏角進(jìn)行估算并取得了較好的觀測(cè)效果。Du 等選取方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度、側(cè)向加速度和四輪轉(zhuǎn)速為輸入，車輛質(zhì)心側(cè)偏角為輸出，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)質(zhì)心側(cè)偏角建立預(yù)測(cè)模型，并與 veDYNA 對(duì)側(cè)滑角的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了該預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性。

1.2.2 輪胎力觀測(cè)

早期車輛輪胎力的數(shù)據(jù)常由實(shí)驗(yàn)結(jié)果推算得到。近年來，各國(guó)研究人員通過先進(jìn)的特定傳感器設(shè)備對(duì)輪胎力進(jìn)行直接測(cè)量。M. Doumiati 等通過輪胎六分力傳感器對(duì)各向輪胎力進(jìn)行直接測(cè)量，其測(cè)試結(jié)果精確， 但設(shè)備成本昂貴，難以普及應(yīng)用。吉林大學(xué)陳虹教授和麻穎俊等構(gòu)建了基于滑模觀測(cè)器的輪胎力聯(lián)級(jí)估計(jì)方法，該方法的估計(jì)結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性；作者團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種輪胎力的自適應(yīng)統(tǒng)一觀測(cè)法并將其應(yīng)用到橫向穩(wěn)定性控制當(dāng)中。

1.2.3 路面峰值附著系數(shù)估算

路面峰值附著系數(shù)的估算對(duì)車輛行駛工況識(shí)別和動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制至關(guān)重要。路面峰值系數(shù)估算主要有基于試驗(yàn)法 (experiment-based) 和基于模型法(model-based)2 種方法。基于試驗(yàn)的方法主要有：1) 基于光學(xué)傳感器，根據(jù)測(cè)量不同路面反射的具有不同波長(zhǎng)的紅外線進(jìn)行路面識(shí)別，其基本工作原理如圖 1 所示；2) 基于聲學(xué)儀器，利用安裝在汽車底盤上的聲學(xué)儀器檢測(cè)路面和輪胎之間的噪聲，通過對(duì)噪聲進(jìn)行頻譜分析識(shí)別路面的類型；3) 基于胎面?zhèn)鞲衅?#xff0c;通過胎面?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測(cè)輪胎 - 路面之間的形變，結(jié)合具體算法估計(jì)路面附著系數(shù)。

圖 1? 利用光學(xué)傳感器進(jìn)行路面辨識(shí)的基本原理

關(guān)于基于模型的路面峰值系數(shù)估算方法主要有：

1) 基于 Slip-Slope 關(guān)系的路面附著系數(shù)估計(jì)方法, GUSTAFSSON 提出了基于 Slip-Slope 的路面附著系數(shù)估計(jì)方法，該方法利用車輪在低滑移區(qū) ( 滑移率 5% 以內(nèi)) 附著系數(shù)和滑動(dòng)率之間的近似線性關(guān)系，根據(jù)不同路面附著系數(shù)和滑動(dòng)率之間的斜率大小不同來辨識(shí)路面附著系數(shù)。2) 基于輪胎力學(xué)模型的估算方法，袁朝春等利用Burckhardt 輪胎模型提出了一種基于類比特性的路面辨識(shí)算法。3) 基于非線性公式擬合的估計(jì)方法，LEE 等設(shè)計(jì)了一種有效的輪胎半徑觀測(cè)器和輪胎法向力觀測(cè)器，用以計(jì)算車輪轉(zhuǎn)速和車速測(cè)量值的滑移率，再進(jìn)行輪胎縱向力估計(jì)，最后根據(jù)非線性公式擬合并結(jié)合遞歸最小二乘法計(jì)算小滑移率區(qū)的斜率以估計(jì)路面附著系數(shù)。4) 基于路面狀態(tài)特征因子的估計(jì)方法，由于不同路面的附著系數(shù) μ 與滑輕率 s 的曲線（μ-s 曲線）具有相似的非線性變化關(guān)系，不同道路的 μ-s 曲線不同，每條曲線與 s 軸圍成的面積也會(huì)不同，王博等利用路面狀態(tài)特征因子，給出了7 種典型路面的特征因子閾值及其區(qū)間用以對(duì)路面峰值附著系數(shù)的辨識(shí)。5) 多信息融合估計(jì)方法，作者團(tuán)隊(duì)針對(duì)路面峰值附著系數(shù)估算問題進(jìn)行了深入研究，提出了一系列多信息融合估算方法，并通過實(shí)車試驗(yàn)證明了其有效性。

1.2.4 車輛其他狀態(tài)參數(shù)估算

吉林大學(xué)初亮教授等設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng) Kalman 濾波方法，該方法能夠在線更新測(cè)量噪聲的均值與方差，使得車速估計(jì)的結(jié)果具有良好的準(zhǔn)確性和魯棒性。清華大學(xué)賈鋼基于車輪離地時(shí)的懸架模型，構(gòu)建了無跡 Kalman 濾波算法對(duì)車身側(cè)傾角和側(cè)傾角速度進(jìn)行估計(jì)。作者團(tuán)隊(duì)對(duì)車輛關(guān)鍵參數(shù)提出了一整套完善的估算體系，包括縱橫向車速、輪胎力、質(zhì)心側(cè)偏角、道路坡度、輪胎滑移率等。

上述方法均為汽車智能安全控制中的車輛狀態(tài)估計(jì)提供了一種準(zhǔn)確且成本較低的實(shí)時(shí)觀測(cè)方法。多自由度動(dòng)力學(xué)模型解算需要將車輛狀態(tài)參數(shù)劃分為外部參數(shù)和內(nèi)部參數(shù)，構(gòu)建解算值 - 傳感器信息值雙向觀測(cè)補(bǔ)償框架，其中外部參數(shù)為控制指令油門開度、制動(dòng)踏板輸入、方向盤轉(zhuǎn)角以及觀測(cè)到的輪胎垂向力、側(cè)向力、縱向力、路面附著系數(shù)等。通過外部參數(shù)，解算出車輛的內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)，包括整車橫、縱、垂向加速度、俯仰角加速度、側(cè)傾角加速度、橫擺角加速度以及四輪的旋轉(zhuǎn)、垂向運(yùn)動(dòng)、懸架跳動(dòng)等。解算出的車輛內(nèi)部參數(shù)與駕駛員外部輸入一方面可校驗(yàn)車載傳感器信號(hào)， 避免因傳感器失效而導(dǎo)致的車輛狀態(tài)誤判所造成的事故，另一方面可補(bǔ)償兩者間的測(cè)量與估計(jì)誤差。通過模型解算，實(shí)時(shí)量化動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性的控制邊界，為智能駕駛提供類駕駛員視角，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能汽車底盤動(dòng)力學(xué)域集成控制。

1.3 動(dòng)力學(xué)控制策略分析

汽車底盤動(dòng)力學(xué)控制是保持車輛操縱穩(wěn)定、提高車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)和乘適性的關(guān)鍵。汽車動(dòng)力學(xué)控制技術(shù)自縱向控制 ABS、牽引力控制系統(tǒng) (traction control system，TCS) 發(fā)展至橫向控制主動(dòng)式舵角控制器（active yaw control，AYC），并隨著主動(dòng)轉(zhuǎn)向和再生制動(dòng)的技術(shù)的發(fā)展有更加多樣的控制形式。

自博世公司 1984 年首次進(jìn)行車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)(electronic stability program, ESP) 功能測(cè)試，汽車動(dòng)力學(xué)控制技術(shù)與車輛電控技術(shù)均得到了蓬勃發(fā)展。在汽車動(dòng)力學(xué)理論領(lǐng)域，博世公司A.T. Van Zanten 等率先提出將制動(dòng)控制用于車輛操縱穩(wěn)定性，拉開了ESC 研究的序幕；斯坦福大學(xué)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室提出漂移工況下的車輛動(dòng)力學(xué)控制理論，并在自動(dòng)駕駛車輛上實(shí)現(xiàn)了漂移控制；作者團(tuán)隊(duì)基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出車輛動(dòng)力學(xué)擴(kuò)穩(wěn)理論與方法。在車輛電控領(lǐng)域，國(guó)外博世、大陸、TRW 等企業(yè)較早開發(fā)出 ESC 產(chǎn)品并占有了絕大部分國(guó)際市場(chǎng)；中國(guó)的元豐、萬安、科密等企業(yè)早年間開發(fā)出了ABS \ TCS 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了中國(guó)國(guó)內(nèi)的大規(guī)模應(yīng)用，近年來英創(chuàng)匯智、元豐等企業(yè)進(jìn)一步開發(fā)出ESC 產(chǎn)品并實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用。

1.3.1 制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（ABS）

制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（ABS）通過調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力防止車輪抱死，進(jìn)而使車輪滑移率保持在較小范圍內(nèi)以提供較大的縱向力和側(cè)向力。邏輯門限控制策略在 ABS 中被廣泛采用，其思想是根據(jù)當(dāng)前車輪加速度對(duì)車輪的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)車輪急減速時(shí)減小車輪制動(dòng)壓力， 當(dāng)輪速恢復(fù)時(shí)增加車輛制動(dòng)壓力。基于邏輯門限的 ABS 策略對(duì)車輛模型及參數(shù)識(shí)別依賴小，邏輯簡(jiǎn)單但標(biāo)定繁瑣。結(jié)合邏輯門限控制和模糊規(guī)則，基于模糊控制的ABS 的策略被進(jìn)一步提出。比例- 積分 - 微分（proportion-integration-differentiation，PID）控制策略根據(jù)車輪滑移率進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，相較于邏輯門限和規(guī)則式策略，PID 策略有效減少了標(biāo)定過程。

滑模控制、模型預(yù)測(cè)控制、混雜控制等策略在ABS 中均有大量的研究。此類方法以車輪滑移率為首要控制目標(biāo)，重度依賴車輛縱向速度；此外，為了實(shí)現(xiàn)滑移率的精確控制，還需要制動(dòng)執(zhí)行器提供精準(zhǔn)的制動(dòng)響應(yīng)，此類方法多用于具備有線控制動(dòng)系統(tǒng)的車輛中， 且需要有附加傳感器對(duì)車輛車速進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，在實(shí)際產(chǎn)品中未見廣泛應(yīng)用。

1.3.2 牽引力控制系統(tǒng)（TCS）

牽引力控制系統(tǒng)（TCS）是 ABS 的理論在驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的擴(kuò)展 , 其利用發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩調(diào)節(jié)和驅(qū)動(dòng)輪制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)，通過二者的協(xié)調(diào)控制，抑制打滑車輪，使其滑轉(zhuǎn)率維持在理想滑轉(zhuǎn)率范圍內(nèi)，保證汽車具有較高驅(qū)動(dòng)能力的同時(shí)，維持一定的橫向穩(wěn)定性。TCS 的主要控制邏輯為根據(jù)當(dāng)前路面條件協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車輪滑移率的調(diào)節(jié)。路面附著識(shí)別、輪胎力估算、縱向車速觀測(cè)均是 TCS 控制中的關(guān)鍵。在控制器策略方面，F. Borrelli 等將模型預(yù)測(cè)控制運(yùn)用于發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩調(diào)節(jié)和車輛制動(dòng)力矩控制，作者團(tuán)隊(duì)將模糊控制于特殊路面的 TCS 控制取得了較好的魯棒性，此外如自適應(yīng)滑模控制等方法均被廣泛應(yīng)用于牽引力控制過程中。

1.3.3 主動(dòng)式舵角控制器（AYC）

基于ABS 和 TCS 等縱向動(dòng)力學(xué)控制技術(shù)，進(jìn)一步考慮制動(dòng)或驅(qū)動(dòng)對(duì)縱向力和側(cè)向力的影響，AYC 發(fā)展而來。AYC 通過主動(dòng)控制車輪滑移率和縱向力，受車輪與路面作用的附著橢圓影響，車輪測(cè)量力也得到間接調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制整車橫擺方向的附加力偶矩以調(diào)節(jié)車輛橫向與橫擺運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

博世公司的 ESP 采用分層策略將 AYC 與 ABS、TCS 結(jié)合，AYC 策略根據(jù)當(dāng)前駕駛員操作計(jì)算名義橫擺角速度與側(cè)偏角進(jìn)而計(jì)算得到附加橫擺力偶矩。基于 PID 和魯棒控制策略，ABS 或 TCS 的調(diào)節(jié)車輪制動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)縱向力的直接控制，并利用通過車輪滑移率間接調(diào)節(jié)車輪側(cè)向力，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)或驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)附加橫擺力偶矩的響應(yīng)。博世的ESP 中使用的分層控制、PID 和魯棒控制策略使其對(duì)不同的車型具有較好的適應(yīng)能力且對(duì)環(huán)境表現(xiàn)出了較強(qiáng)的魯棒性。

模型預(yù)測(cè)控制、最優(yōu)控制、滑模控制、H 無窮控制器在 AYC 中均有廣泛采用，且在特定工況下表現(xiàn)出了較優(yōu)的控制效果。但 AYC 觸發(fā)過程中車輛通常表現(xiàn)出了較強(qiáng)的非線性，上述控制策略的進(jìn)一步推廣需考慮該非線性問題。局部線性化的方法被廣泛運(yùn)用于處理 AYC 的非線性問題，但該方法僅在線性化點(diǎn)附近具有較好的近似效果，無法覆蓋 AYC 工作的所有區(qū)間。實(shí)時(shí)估計(jì)車輛參數(shù)也有效地處理了AYC 控制中的非線性問題，但對(duì)估計(jì)精度和收斂速度有較高的要求。SHI K 等采用模糊規(guī)則合成車輛在穩(wěn)定和失穩(wěn)條件下的模型，但車輛處于穩(wěn)定和非穩(wěn)定之間時(shí)對(duì)車輛非線性擬合的效果較差。作者團(tuán)隊(duì)將非線性 MPC 用于 AYC 的控制取得了較好的效果， 但具有較大的運(yùn)算負(fù)擔(dān)。基于 Takagi–Sugeno (T-S) 模糊模型的滑模控制等策略在處理 AYC 控制中的強(qiáng)非線性和大運(yùn)算量間取得了較好的平衡，近年來在AYC 控制中得到了一定的應(yīng)用。

1.3.4 制動(dòng)能量回收與動(dòng)力學(xué)控制協(xié)調(diào)

隨著電控執(zhí)行器的進(jìn)一步引入，車輛縱向橫向動(dòng)力學(xué)控制得到了進(jìn)一步發(fā)展。再生制動(dòng)技術(shù)使用電機(jī)提供部分制動(dòng)力同時(shí)回收車輛動(dòng)能，有效降低了新能源汽車的能耗，但再生制動(dòng)的引入將影響車輛的制動(dòng)過程，影響傳統(tǒng) ABS 等策略的正常工作。在工程實(shí)際中，再生制動(dòng)在 ABS 等策略介入時(shí)退出，此類方法犧牲制動(dòng)能量回收以保證 ABS 等可按原有策略進(jìn)行控制，但再生制動(dòng)的退出減少了車輛回收動(dòng)能，且未對(duì)再生制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)進(jìn)行協(xié)調(diào)，故再生制動(dòng)退出的瞬間將可能有短暫制動(dòng)力不足。CHEN Z 等基于規(guī)則式策略將制動(dòng)力矩分配至機(jī)械制動(dòng)、電機(jī)與緩速器。QIU C 等根據(jù)相平面法計(jì)算理想制動(dòng)力矩，并根據(jù)串聯(lián)策略將制動(dòng)力矩分配至固定的機(jī)械制動(dòng)和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的電制動(dòng)。作者團(tuán)隊(duì)基于滑模控制策略設(shè)計(jì)了ABS 觸發(fā)過程中的電制動(dòng)切換策略，實(shí)現(xiàn)滑移率準(zhǔn)確控制的同時(shí)使電制動(dòng)緩慢退出。

電機(jī)制動(dòng)具有扭矩響應(yīng)準(zhǔn)確、速度快的特點(diǎn)，利用電制動(dòng)補(bǔ)充機(jī)械制動(dòng)的扭矩誤差，可使 ABS 等策略響應(yīng)更加精準(zhǔn)。WANG B 等基于最優(yōu)控制設(shè)計(jì)魯棒滑移率控制器，并利用機(jī)械制動(dòng)與電制動(dòng)結(jié)合實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)制動(dòng)力控制。Lv C 等進(jìn)一步考慮傳動(dòng)系統(tǒng)的剛性和阻尼， 基于擴(kuò)展卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)了機(jī)械與電制動(dòng)的同時(shí)作用。

2 底盤線控執(zhí)行技術(shù)

作為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行系統(tǒng)，線控系統(tǒng)的功能是要代替駕駛員的手和腳來進(jìn)行車輛的轉(zhuǎn)向、制動(dòng)和加速。因此，線控底盤關(guān)鍵技術(shù)也主要有線控轉(zhuǎn)向（steer-by-wire，SBW）、線控制動(dòng)（brake-by-wire，BBW）和線控驅(qū)動(dòng)（drive-by-wire，DBW）3 大技術(shù)，已然成為車企的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。其中，線控驅(qū)動(dòng)已較為成熟，線控制動(dòng)處于量產(chǎn)應(yīng)用及完善階段，而線控轉(zhuǎn)向尚不成熟。此外，傳統(tǒng)的線控底盤將三者分開進(jìn)行考慮，不能充分考慮各個(gè)系統(tǒng)的耦合。因此，本研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種驅(qū)動(dòng) - 制動(dòng) - 轉(zhuǎn)向 - 懸架一體化的多功能電動(dòng)輪系統(tǒng)，以充分考慮系統(tǒng)之間的耦合性，提高系統(tǒng)控制的自由度，對(duì)車輛實(shí)現(xiàn)全矢量控制（full vector control，FVC）。基于此，本節(jié)前 3 小節(jié)分別對(duì) SBW、BBW 和 DBW 統(tǒng)的發(fā)展及研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，而第 4 小節(jié)對(duì)全矢量線控底盤技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展概述

2.1.1 線控制動(dòng)技術(shù)

商用車和乘用車的制動(dòng)系統(tǒng)有著完全不同的發(fā)展路徑。商用車載重大、工作條件惡劣，其制動(dòng)系統(tǒng)以氣壓制動(dòng)系統(tǒng)為主。現(xiàn)有的氣壓線控制動(dòng)系統(tǒng)多為基于傳統(tǒng)的氣壓制動(dòng)系統(tǒng)演化出的具有線控功能的形式，通常又稱電子制動(dòng)系統(tǒng)(electronic braking system, EBS)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致經(jīng)歷了 3 次主要迭代。在 EBS 初代產(chǎn)品中，通過在原有制動(dòng)系統(tǒng)中繼動(dòng)閥前端增加輸出壓力與控制電流呈對(duì)應(yīng)關(guān)系的比例閥實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)控，此類構(gòu)型實(shí)現(xiàn)了線控的基本要求但系統(tǒng)部件數(shù)量多、氣路復(fù)雜；第2 代EBS 將比例閥與繼動(dòng)閥組合成比例橋模塊，其工作原理與初代 EBS 保持一致，但簡(jiǎn)化了系統(tǒng)部件和氣路連接；第 3 代 EBS 中使用開關(guān)閥替代了 2 代橋模塊中的比例閥，利用進(jìn)氣閥和排氣閥的交替開關(guān)實(shí)現(xiàn)氣壓的線性調(diào)控，此類構(gòu)型有效提高了閥組的工作壽命，并減小了系統(tǒng)成本，是當(dāng)前發(fā)展的主流。

乘用車的線控系統(tǒng)自威廉 · 邁巴赫于1900 年發(fā)明鼓式制動(dòng)器起，至今已有 120 年的歷史，期間誕生了多種形式的制動(dòng)系統(tǒng)，如圖 2 所示。但就總體而言，其發(fā)展大致可以劃分為以下5 個(gè)階段：采用人力的純機(jī)械制動(dòng)和液壓制動(dòng)系統(tǒng)；兼用人力和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力作為制動(dòng)力源的伺服制動(dòng)系統(tǒng)；發(fā)動(dòng)機(jī)提供所有制動(dòng)力源的動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)；以 ABS、TCS、ESC 等為代表的成熟的電液制動(dòng)系統(tǒng)；以電子駐車制動(dòng)系統(tǒng) (electric parking brake, EPB)、電控液壓制動(dòng) (electric hydraulic brake, EHB)、電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng) (electric mechanical brake, EMB) 等為代表的 BBW 系統(tǒng)。

圖 2? 車輛制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展歷史

當(dāng)前，ABS、TCS、ESC 等電子制動(dòng)系統(tǒng)已然發(fā)展成熟，極大提升了整車的安全性。然而，隨著汽車電子化、智能化的發(fā)展，以及對(duì)節(jié)能環(huán)保的要求，車輛對(duì)于 BBW 系統(tǒng)有著越來越高的需求。這一方面可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，方便與其他系統(tǒng)集成；另一方面，可以減少油液污染，方便制動(dòng)能量回收。諸多 BBW 系統(tǒng)中，最理想的制動(dòng)莫過于 EMB 系統(tǒng)，該系統(tǒng)直接通過電機(jī)向制動(dòng)盤施加制動(dòng)力對(duì)車輛進(jìn)行制動(dòng)，因此無需液壓油或壓縮空氣。這不僅可省去諸多管路和傳感器，且信號(hào)傳遞更加迅速。然而，由于成本和可靠性的問題，該系統(tǒng)仍處于試研階段，尚未應(yīng)用于量產(chǎn)車。比如，2014 年大眾在巴黎車展上展出的 Passat GTE 混合動(dòng)力車型。EHB 系統(tǒng)準(zhǔn)確來說是一種半解耦的 BBW 系統(tǒng)，其保留了液壓制動(dòng)管路，但是踏板與主缸分離，改為用電機(jī)來推動(dòng)主缸，實(shí)現(xiàn)駕駛員與制動(dòng)系統(tǒng)解耦。這可以認(rèn)為是傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)和純電制動(dòng)系統(tǒng)之間的過渡產(chǎn)品， 是當(dāng)前研發(fā)的熱點(diǎn)之一，目前也已經(jīng)得到應(yīng)用。比如2001 年奔馳的 SL 級(jí)轎車，最近幾年豐田的混合動(dòng)力車型Prius，博世的 iBooster，天津英創(chuàng)匯智的 TBooster， 上海拿森的 NBooster 等。近年來，集成式 BBW 系統(tǒng)也是市場(chǎng)較為關(guān)注的一種 BBW 系統(tǒng)，比如中國(guó)大陸的MK C1，天津英創(chuàng)匯智的 OneBox 等。這種 BBW 系統(tǒng)將真空助力器、電子真空泵、以及傳統(tǒng)的 ESC 等功能集成在了一起，使得整體體積和重量大大減小。當(dāng)前適用于自動(dòng)駕駛的主流方案是 EBooster + ESC 的方案，如圖3 所示。而集成式的 BBW 系統(tǒng)是發(fā)展的一大趨勢(shì)， 應(yīng)該給予較多的關(guān)注。

圖 3 基于 EBooster 和 ESC 的線控制動(dòng)系統(tǒng)

2.1.2 線控制動(dòng)技術(shù)研究綜述

作為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行系統(tǒng)之一，BBW 系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn) 3 個(gè)功能：1）助力功能：電子控制單元(electronic control unit, ECU) 采集或估計(jì)踏板位移信號(hào)，向執(zhí)行電機(jī)發(fā)送指令，通過電機(jī)推動(dòng)主缸進(jìn)行制動(dòng)， 再由ESC 進(jìn)行制動(dòng)力分配；2）主動(dòng)制動(dòng)：上層策略根據(jù)當(dāng)前車輛狀態(tài)和駕駛員操作，向 BBW 系統(tǒng)發(fā)出制動(dòng)請(qǐng)求，BBW 系統(tǒng)則需要準(zhǔn)確、快速地響應(yīng)這個(gè)請(qǐng)求；3）能量回收：由于 E-Booster 實(shí)現(xiàn)了踏板力與輪缸壓力的解耦，適用于更大加速度的制動(dòng)能量回收，而BBW 系統(tǒng)需要在制動(dòng)工況下盡可能多地回收能量，以增加舒適性并實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。當(dāng)前學(xué)術(shù)方向的研究也主要集中于這 3 個(gè)方面。

由于 BBW 系統(tǒng)取消了踏板和主缸之間的機(jī)械連接，踏板力需要用通過模擬器或算法模擬的方式提供給駕駛員，踏板力模擬的好壞決定了 BBW 系統(tǒng)品質(zhì)的優(yōu)劣。關(guān)于這方面的研究不多，且研究多集中于實(shí)驗(yàn)方法，一般是通過對(duì)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析歸納，得到踏板力與踏板行程和車輛狀態(tài)之間的關(guān)系， 通過彈簧或作動(dòng)器對(duì)踏板力進(jìn)行模擬。比如，采用 LMS Imagine. Lab AMESim (advanced modeling environment for performing simulation of engineering systems，多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)) 進(jìn)行建模對(duì)腳感進(jìn)行模擬，考慮到橡膠反應(yīng)盤剛度、橡膠閥開度、制動(dòng)主缸活塞、制動(dòng)鉗、制動(dòng)管變形和摩擦襯墊變形等因素對(duì)腳感的影響。對(duì)模擬器本身進(jìn)行了研究，針對(duì)安裝阻尼套帶來制動(dòng)系統(tǒng)剛度過小的問題，對(duì)不同形狀和不同材料的墊片進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，然后從卡鉗對(duì)對(duì)腳感進(jìn)行測(cè)量，采用 6σ?原則對(duì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

主動(dòng)制動(dòng)旨在提高車輛的穩(wěn)定性和安全性，高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(advanced driver assistance system, ADAS)、自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng) ( autonomous emergency braking, AEB) 及自動(dòng)駕駛等都使用到了這一功能，因此，主動(dòng)制動(dòng)策略近年來得到了廣泛而深入的研究。這些研究總體上可以分為基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法和基于動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算的方法。早些年，韓龍等對(duì)高速開關(guān)閥的特性進(jìn)行了深入研究，在此基礎(chǔ)上分析了各元件參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，并提出相應(yīng)的控制策略。后續(xù)的相應(yīng)研究越來越多，而且越來越多的控制方法被提出來。比如， 作者團(tuán)隊(duì)采用模型預(yù)測(cè)控制，將主動(dòng)制動(dòng)應(yīng)用于車輛側(cè)向穩(wěn)定性控制和防側(cè)翻的控制中，得到一個(gè)三維動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制器。S. Formentin 等采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法對(duì)主動(dòng)制動(dòng)過程進(jìn)行研究，通過與多種控制策略進(jìn)行對(duì)比，證實(shí)了該方法的有效性。而 K. D. Kusano 等則分析了前向預(yù)警、主動(dòng)制動(dòng)等技術(shù)對(duì)車輛安全性的影響，結(jié)果表明，主動(dòng)制動(dòng)可以將事故的嚴(yán)重性降低 14% ~ 34%，人員傷亡可以降低 29% ~ 50%，證明了主動(dòng)制動(dòng)技術(shù)的優(yōu)越性。

制動(dòng)能量回收是汽車節(jié)約能源的一個(gè)重要措施， 特別是隨著新能源汽車的發(fā)展，這方面的研究也越來越多。比如，王奎洋等在對(duì)傳統(tǒng)制動(dòng)能量回收裝置分析的基礎(chǔ)上，提出了一種液壓儲(chǔ)能式制動(dòng)能量再生裝置和基于邏輯判斷的能量回收策略。裴曉飛等基于其設(shè)計(jì)的工作分解結(jié)構(gòu)(work breakdown structure，WBS) 線控制動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了?3 種制動(dòng)能量回收策略進(jìn)行了比較分析，表明串聯(lián)式的策略較并聯(lián)式的策略回收效果要好。作者團(tuán)隊(duì)則提出了一種通過降檔來提高制動(dòng)能量回收效率的方法，大大提高了能量回收率。

2.2 線控轉(zhuǎn)向技術(shù)

2.2.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展概述

商用車由于負(fù)載較大， 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以液壓助力為主。 現(xiàn)有電控液壓助力轉(zhuǎn)向 (electronic hydrostatic power steering，EHPS）系統(tǒng)基于傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向（hydrostatic power steering，HPS）系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，使其具有線控轉(zhuǎn)向功能，是當(dāng)前商用車自動(dòng)駕駛應(yīng)用的主流。自1894 年乘用車安裝第1 款現(xiàn)代意義上具備方向盤的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開始，其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大致經(jīng)歷了5 個(gè)階段： 1）早期的純機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；2）福特最早提出的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；3）豐田首推的電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；4） 新一代的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；5）擺脫機(jī)械連接的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和具有主動(dòng)轉(zhuǎn)向功能的前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。可見，車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一直在向著電動(dòng)化、靈活化、簡(jiǎn)潔化的方向發(fā)展。特別是隨著近年來自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，SBW 系統(tǒng)研發(fā)水平的高低已成為一個(gè)車企的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一，得到大量關(guān)注。

事實(shí)上，線控轉(zhuǎn)向的概念 20 世紀(jì) 50 年代就被提出， 至今已有近 70 年的歷史。但是， 受限于電控技術(shù)的發(fā)展，直到 20 世紀(jì) 90 年代，各個(gè)汽車企業(yè)才逐漸推出裝配 SBW 系統(tǒng)的概念車型，SBW 技術(shù)也慢慢走入公眾視野。典型的比如 1999 年寶馬推出的 BMW Z22，2001 年奔馳推出的 F400 Carving，2002 年通用推出的 GM Hy-Wire，2003 年豐田推出的 Lexus HPX， 2005-2011 年間日產(chǎn)陸續(xù)推出的 PIVO、PIVO 2 和 PIVO 3，以及近些年來英菲尼迪的 Q50 和耐世特的 SBW 系統(tǒng)等。

其中，只有英菲尼迪 Q50 是一款量產(chǎn)車型，該車裝備的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)保留了機(jī)械備份，但采用離合器進(jìn)行連接。系統(tǒng)正常工作時(shí)，離合器斷開；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，離合器閉合，使得駕駛員能夠?qū)囕v進(jìn)行機(jī)械操縱，以此實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)。而耐世特公司在上海車展上展示的隨需轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和靜默方向盤系統(tǒng)，則完全取消了機(jī)械連接，使得系統(tǒng)更為輕便，轉(zhuǎn)向更為靈活。此外，配備靜默轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛還可以在自動(dòng)駕駛模式下自動(dòng)將轉(zhuǎn)向管住收縮至儀表板內(nèi)，從而增加可用空間， 提升駕駛艙舒適度。盡管 Q50 已經(jīng)因?yàn)楦鞣N問題召回， 但其不失為一種大膽而革命性的嘗試。在 Q50 出現(xiàn)的各種問題中，關(guān)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的問題描述如下：“當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在電瓶處于低電壓狀態(tài)下啟動(dòng)時(shí)，控制單元有可能對(duì)方向盤角度作出誤判，導(dǎo)致方向盤和車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度存在差異。即使方向盤回到中間位置，車輪也可能不會(huì)返回到直行位置，導(dǎo)致車輛不能按照駕駛員意圖起步前行或轉(zhuǎn)向，存在安全隱患”，可見，系統(tǒng)的安全性和可靠性仍然是一個(gè)比較嚴(yán)峻的問題。

此外，各國(guó)高校針對(duì) SBW 系統(tǒng)也進(jìn)行了大量研究， 比如斯坦福大學(xué)的雙電機(jī)前輪獨(dú)立線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、同濟(jì)大學(xué)的微型電動(dòng)車春暉三號(hào)、吉林大學(xué)的線控轉(zhuǎn)向試驗(yàn)車、清華大學(xué)的全線控實(shí)驗(yàn)小車等，基本以理論研究為主。探索 SBW 系統(tǒng)的不同構(gòu)型以及改善其控制方法，仍舊是一個(gè)比較重要的研究領(lǐng)域，是保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠的關(guān)鍵。

2.2.2 線控轉(zhuǎn)向技術(shù)研究綜述

當(dāng)前，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究主要集中在 4 個(gè)方面： SBW 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、路感反饋控策略研究、轉(zhuǎn)向執(zhí)行控制策略研究以及故障診斷與容錯(cuò)控制策略研究。

狹義上說，SBW 系統(tǒng)特指沒有機(jī)械連接的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這是從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行的一個(gè)區(qū)分。但著眼于功能，從廣義說，任何能夠?qū)Ⅰ{駛員輸入和前輪轉(zhuǎn)角解耦的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都可以看成是 SBW 系統(tǒng)。在此定義下， 基于當(dāng)前廣泛使用的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如圖 5 所示，其中① - ④為電機(jī)可能安裝位置，而⑤為電磁離合器。根據(jù)有無⑤，SBW 系統(tǒng)可以分為保留機(jī)械軟連接的SBW 系統(tǒng)和無機(jī)械連接的SBW 系統(tǒng)2 大類。而根據(jù)電機(jī)安裝位置和電機(jī)形式的不同，又可以分為多種形式。除此之外，近年來研究較多的還有后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，以及四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，非常適合于應(yīng)用于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，以提高車輛的靈活性和穩(wěn)定性。當(dāng)前自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中應(yīng)用較為多的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍然是傳統(tǒng)的 EPS 系統(tǒng)，以及采用雙繞組電機(jī)的 EPS 系統(tǒng)。然而，圖 4 所示的 SBW 系統(tǒng)以及圖 8 所示的四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，也是當(dāng)前研究熱點(diǎn)， 應(yīng)該給予較多關(guān)注。

圖 4 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理圖

路感是一個(gè)比較抽象的定義，其定義之一是指駕駛員通過方向盤得到的車輛行駛中的轉(zhuǎn)向阻力矩，該阻力矩主要包含回正力矩和摩擦力矩 2 部分，其中，回正力矩是使車輪恢復(fù)到直線行駛位置的主要力矩之一， 其數(shù)值的確定是車輛設(shè)計(jì)中的一個(gè)難題，通常由經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)或?qū)嶒?yàn)的方法獲得。回正力矩與車輛前輪的受力狀態(tài)存在直接關(guān)系，而前輪受力又和車輛實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及路面附著直接相關(guān)。因此，通常把總的回正力矩除以自方向盤到前輪總的力傳動(dòng)比近似得到的方向盤手力矩看成是路感。路感可以采用在齒輪齒條上安裝傳感器的方法直接測(cè)量獲得。但是，這種方法安裝不太方便，成本比較高，而且采到的數(shù)據(jù)噪聲較多，需要經(jīng)過濾波才能使用，很少采用。就當(dāng)前的研究來看，路感通常采用基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和基于模型設(shè)計(jì)這 2 種方法獲得。

基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，通常是將路感設(shè)計(jì)為方向盤轉(zhuǎn)角、車速、橫擺角速度等參數(shù)的非線性函數(shù)關(guān)系式，在不同條件下為駕駛員提供不同的路感，簡(jiǎn)單高效，但是自適應(yīng)性和精度較差。不同的研究人員，考慮到力矩產(chǎn)生的因素不同，提出的表達(dá)式也不盡相同。比如，S. Fankem 等將路感分為主反饋力矩、摩擦力矩、阻尼力矩、慣性力矩和回正力矩幾個(gè)部分，每個(gè)部分用一個(gè)非線性函數(shù)進(jìn)行表示，綜合得到反饋力矩。Jaepoong LEE 等通過實(shí)驗(yàn)的方法得到一個(gè)三維的參考路感轉(zhuǎn)矩圖，將路感表示為齒條力和車速的函數(shù)， 通過查表得到反饋力矩。而Ryouhei HAYAMA 等則將轉(zhuǎn)向阻力矩分為方向盤轉(zhuǎn)向力矩、轉(zhuǎn)向力矩以及車輛本身產(chǎn)生的力矩 3 個(gè)部分，綜合三者以獲得不同駕駛條件下的轉(zhuǎn)向力矩。基于動(dòng)力學(xué)模型的方法，是通過參考傳統(tǒng)車輛路感產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)原理建立相關(guān)的動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)車輛的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、駕駛員的方向盤輸入等計(jì)算與路感相關(guān)的輪胎力、摩擦力矩等，最終計(jì)算出路感。該方法設(shè)計(jì)的路感與傳統(tǒng)車輛比較一致，適應(yīng)性較強(qiáng)，是目前研究的主流。但是，這類方法存在著車輪定位參數(shù)難以獲得的問題，需要通過各種算法來克服。比如，鄭宏宇采用Kalman 濾波算法，通過估計(jì)齒條受力來間接估算輪胎回正力矩，降低了路感設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，適用于采用齒輪齒條作為轉(zhuǎn)向器的系統(tǒng)。Seong Han KIM 等采用整車動(dòng)力學(xué)模型和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型相結(jié)合的方法，其中，整車模型考慮了側(cè)偏角、正壓力和輪胎屬性，用來計(jì)算輪胎和地面間的回正力矩，而轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型用來計(jì)算傳遞到手上的力。而 TAO Weinan 等則提出一種基于二自由度整車模型的路感估計(jì)算法，該方法考慮了整車的非線性特性及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的摩擦和剛度，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)向助力對(duì)路感造成的影響進(jìn)行補(bǔ)償，可適用于具有較大加速度的情形。

一旦獲得期望的轉(zhuǎn)向阻力矩，剩下的工作就是控制路感反饋電機(jī)達(dá)到期望的力矩。最常用的算法是PID 算法。此外，研究人員還提出了各種高級(jí)算法用來處理各種干擾和不確定性因素，如自適應(yīng)控制算法、自抗擾控制算法、三步非線性控制方法等。盡管如此， 如何進(jìn)行位移、力矩聯(lián)合伺服控制，提高路感控制的精度，仍舊是一個(gè)亟需解決的難題。

SBW 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向執(zhí)行控制策略可以分為上層策略和下層策略 2 部分。其中，上層策略根據(jù)當(dāng)前車輛的狀態(tài)和駕駛員的輸入，在盡量滿足控制目標(biāo)和約束條件的情況下，計(jì)算出期望的前輪轉(zhuǎn)角；而下層策略則是由轉(zhuǎn)向控制器控制轉(zhuǎn)向電機(jī)執(zhí)行該指令，快速、準(zhǔn)確地達(dá)到該目標(biāo)轉(zhuǎn)角。由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的靈活性，衍生出很多控制算法。總體而言，算法可以總結(jié)為基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法和基于動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算的方法這 2 大類。

基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法主要是根據(jù)車輛在不同工況下對(duì)操縱穩(wěn)定性要求的不同來進(jìn)行設(shè)計(jì)。在低速工況下，汽車應(yīng)具有不沉重而適度的轉(zhuǎn)向盤力與不過于大的方向盤轉(zhuǎn)角，還應(yīng)具有良好的回正性能；高速、低側(cè)向加速度工況下，汽車應(yīng)具有良好的橫擺角速度頻率特性、直線行駛能力、回正性能和較大的轉(zhuǎn)向靈敏度，且轉(zhuǎn)向盤力不宜過小而應(yīng)維持在一定數(shù)值，以給駕駛者穩(wěn)定的路感。因此，轉(zhuǎn)向控制的基本原則是：低速時(shí)減小傳動(dòng)比，提高靈活性；高速時(shí)增大傳動(dòng)比，增加穩(wěn)定性。比如，Se-Wook OH 等將車輛轉(zhuǎn)角描述為隨車速變化的函數(shù)關(guān)系式，通過在不同工況下設(shè)置不同的參數(shù)值，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向特性達(dá)到設(shè)計(jì)者的期望值，低速時(shí)增加操作性，高速時(shí)增加穩(wěn)定性。而施國(guó)標(biāo)等則從轉(zhuǎn)向特性出發(fā)，分別基于橫擺角速度增益不變和側(cè)向加速度增益不變的原則對(duì)傳動(dòng)比控制規(guī)律進(jìn)行了研究，并將二者按一定比例系數(shù)結(jié)合提出第 3 種控制規(guī)律，達(dá)到變傳動(dòng)比控制的效果。后續(xù)很多工作對(duì)策略進(jìn)行了修正。基于動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算的方法旨在提高車輛的穩(wěn)定性。因此，也有研究人員將這種方法歸結(jié)為車輛穩(wěn)定性控制方法，其基本思路是根據(jù)當(dāng)前車輛狀態(tài)、外界環(huán)境和駕駛員輸入提出控制目標(biāo)，然后根據(jù)控制目標(biāo)計(jì)算參考前輪轉(zhuǎn)角，控制前輪轉(zhuǎn)角改變輪胎側(cè)向力，對(duì)橫擺力矩進(jìn)行補(bǔ)償。由于車輛實(shí)際運(yùn)行工況復(fù)雜、狀態(tài)多變且駕駛員風(fēng)格各異，對(duì)車輛穩(wěn)定性控制的自適應(yīng)性和魯棒性提出了較高的要求，相關(guān)方面的研究也成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。幾乎所有常見的控制算法都可以在穩(wěn)定性控制中找到應(yīng)用，如 PID 算法、最優(yōu)控制、魯棒控制、滑模控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模型預(yù)測(cè)控制等。

在上層策略提出目標(biāo)轉(zhuǎn)角的基礎(chǔ)之上，需要由轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)角指令快速進(jìn)行響應(yīng)。轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)和路感反饋電機(jī)一起，可以歸結(jié)為電機(jī)控制的問題，有許多相關(guān)方面的研究。但是，工程上最常用的還是 PID 算法，其他的高級(jí)算法要得到應(yīng)用，還需要進(jìn)一步進(jìn)行簡(jiǎn)化。

2.3 線控驅(qū)動(dòng)技術(shù)

線控驅(qū)動(dòng)作為最成熟的線控技術(shù)之一，可通過直接扭矩通訊、偽油門安裝、節(jié)氣門調(diào)節(jié)等方法實(shí)現(xiàn)。針對(duì)開放發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)扭矩通信接口協(xié)議的車輛，線控驅(qū)動(dòng)控制器直接通過控制器局域網(wǎng)絡(luò) (controller area network, CAN) 向發(fā)動(dòng)機(jī)或者電機(jī)發(fā)送目標(biāo)扭矩請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)整車加速度控制。此種方案無需進(jìn)行機(jī)械改裝， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。

針對(duì)不開放扭矩通信接口協(xié)議的車輛，安裝節(jié)氣門調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)或者偽油門也可實(shí)現(xiàn)線控驅(qū)動(dòng)功能。控制器根據(jù)車輛狀態(tài)、加速踏板開度及其變化速率，利用內(nèi)部算法程序預(yù)判駕駛員需求功率或轉(zhuǎn)矩，然后通過電信號(hào)控制執(zhí)行電機(jī)的動(dòng)作，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度，進(jìn)而改變發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩和功率 。除此之外，天津英創(chuàng)匯智采取簡(jiǎn)單實(shí)用的基于偽油門線控驅(qū)動(dòng)技術(shù)路徑。如圖 5 所示，控制器接收加速度請(qǐng)求指令，將其轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)油門開度的電壓值輸出，進(jìn)而代替原車油門踏板開度傳感器的電壓信號(hào)。在線控驅(qū)動(dòng)模式下，原車油門踏板輸出的電壓值將不能實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩請(qǐng)求。

圖 5 一種典型線控驅(qū)動(dòng)控制原理圖

線控驅(qū)動(dòng)的概念出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 70 年代，隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外多款車型均配備了線控油門系統(tǒng)。豐田 Lexus 的 LS430 車型采用了全電子的線控油門系統(tǒng)，通過傳感器冗余設(shè)計(jì)提升了行車安全性。本田開發(fā)的 i-VTEC 發(fā)動(dòng)機(jī)配有線控技術(shù)的節(jié)氣門，大大提高了燃油經(jīng)濟(jì)性和輸出功率。德爾福開發(fā)的第 2 代電子節(jié)氣門系統(tǒng)具有多項(xiàng)獨(dú)特的駕駛性能，在綜合控制和性能監(jiān)測(cè)上堪稱楷模。中國(guó)自主研發(fā)的線控油門系統(tǒng)也在實(shí)車上得到應(yīng)用，如一汽紅旗 HQ3 和奇瑞旗云 CVT 汽車，使得線控驅(qū)動(dòng)技術(shù)已然成為應(yīng)用最為成熟的線控技術(shù)之一。傳統(tǒng)燃油車上的線控驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要集中在電子節(jié)氣門控制及容錯(cuò)控制，各國(guó)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛研究。在控制上，清華大學(xué)、吉林大學(xué)都開發(fā)出了發(fā)動(dòng)機(jī)電控節(jié)氣門控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩控制；控制策略上采用線性或非線性控制，提升系統(tǒng)在參數(shù)擾動(dòng)下的魯棒性，降低系統(tǒng)超調(diào)量和瞬態(tài)誤差。在系統(tǒng)安全上，通過冗余設(shè)計(jì)及故障診斷提升系統(tǒng)可靠性。與傳統(tǒng)燃油汽車和集中式驅(qū)動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)矩平均分配策略相比，分布式驅(qū)動(dòng)汽車可矢量分配各車軸或車輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，有利用于協(xié)調(diào)整車各項(xiàng)性能。在保證車輛橫擺力矩要求滿足的前提下，采取前后節(jié)能分配、左右安全調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)矩分配方法，減少對(duì)能量的消耗。

2.4 全矢量控制線控底盤技術(shù)

傳統(tǒng)汽車是典型的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：只有油門踏板、制動(dòng)踏板和方向盤 3 個(gè)關(guān)鍵的操縱裝置，只能實(shí)現(xiàn)車輛總體的縱向和橫向 2 個(gè)相對(duì)獨(dú)立的可控輸入，其動(dòng)力學(xué)控制難度大、易失穩(wěn)。隨著汽車電控技術(shù)的發(fā)展，通過電控單元實(shí)現(xiàn)的控制輸入量逐漸增多，汽車逐漸朝著全驅(qū)動(dòng)甚至過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。

每個(gè)車輪受到的路面作用力都可分為縱向、橫向和垂向 3 個(gè)相對(duì)獨(dú)立的力，因此一輛常規(guī)四輪車輛系統(tǒng)的最大獨(dú)立輸入集合就包含上述的 12 個(gè)作用力（4 個(gè)車輪 × 3 個(gè)方向）。在此，作者團(tuán)隊(duì)嘗試定義：如果一輛汽車能夠?qū)崿F(xiàn)所有車輪的三維度作用力均獨(dú)立可控， 那么就稱為全矢量控制（full vector control, FVC）汽車。基于實(shí)驗(yàn)室已具備的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和電液線控制動(dòng)技術(shù)，作者團(tuán)隊(duì)提出大轉(zhuǎn)角的獨(dú)立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和基于磁流變阻尼器和空氣彈簧的主動(dòng)懸架的方案，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)- 制動(dòng)- 轉(zhuǎn)向- 懸架一體化的多功能電動(dòng)輪系統(tǒng)， 其構(gòu)想如圖 6 所示。

圖 6 驅(qū)動(dòng) - 制動(dòng) - 轉(zhuǎn)向 - 懸架一體化電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)原理

全矢量控制（FVC）汽車是典型的過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：每個(gè)車輪都具有驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和懸架 4 個(gè)獨(dú)立的操控部件，對(duì)于常見的四輪車輛系統(tǒng)，共有 16 個(gè)可控輸入，涵蓋了車輛的最大獨(dú)立輸入集合，即可以實(shí)現(xiàn) 12個(gè)獨(dú)立車輪作用力的調(diào)控。FVC 汽車增加可控輸入后， 一方面可以擴(kuò)展整車動(dòng)力學(xué)可控范圍，減少汽車多個(gè)性能指標(biāo)之間的相互制約，提高多目標(biāo)優(yōu)化的理論上限； 另一方面，各功能的執(zhí)行器之間可以形成交叉冗余的互補(bǔ)機(jī)制，保證車輛在各種部件失效工況下的安全性。

FVC 汽車的主要功能集中在車輛底盤上，因此需要突破常規(guī)智能汽車線控底盤的架構(gòu)，設(shè)計(jì)新型的全矢量控制線控底盤（簡(jiǎn)稱 FVC 底盤）架構(gòu)及其功能實(shí)現(xiàn)的方式。本團(tuán)隊(duì)提出的基本架構(gòu)示意如圖 7 所示。4 個(gè)車輪可以獨(dú)立進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和懸架調(diào)節(jié)的電動(dòng)輪，且具備獨(dú)立的電子電控系統(tǒng)。FVC 底盤動(dòng)力學(xué)域控制器作為整個(gè)底盤的主控模塊，負(fù)責(zé)整車的動(dòng)力學(xué)控制和 4 個(gè)電動(dòng)輪的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)。

圖 7 汽車全矢量控制線控底盤的基本架構(gòu)

FVC 底盤與目前智能汽車采用的常規(guī)線控底盤的功能及其實(shí)現(xiàn)方式的對(duì)比總結(jié)于表 1。

3 底盤動(dòng)力學(xué)域控制技術(shù)

智能汽車技術(shù)是當(dāng)前國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)，是中國(guó)實(shí)現(xiàn)汽車強(qiáng)國(guó)和交通強(qiáng)國(guó)的關(guān)鍵領(lǐng)域。底盤控制執(zhí)行技術(shù)是智能汽車的基礎(chǔ)，需要解決底盤多執(zhí)行器協(xié)調(diào)控制、執(zhí)行等關(guān)鍵技術(shù)難題，該問題一直以來都是國(guó)際汽車行業(yè)的難題。本節(jié)針對(duì)底盤集成協(xié)調(diào)控制發(fā)展到底盤動(dòng)力學(xué)域控制技術(shù)歷程中的控制架構(gòu)、協(xié)調(diào)控制策略等關(guān)鍵問題展開綜述，然后詳細(xì)介紹作者團(tuán)隊(duì)率先提出的智能汽車底盤動(dòng)力學(xué)域控制概念。

3.1 底盤集成控制架構(gòu)研究

當(dāng)前車輛各功能控制系統(tǒng)均針對(duì)某一車輛性能指標(biāo)設(shè)計(jì)，底盤的多個(gè)電控部件在車輛行駛過程中相互影響、相互制約。因此，整車性能提升需要底盤各個(gè)執(zhí)行部件的協(xié)調(diào)作動(dòng)。自 20 世紀(jì) 80 年代開始，汽車產(chǎn)業(yè)各界開始關(guān)注車輛動(dòng)力學(xué)集成控制的問題，如德國(guó)德爾福、博世等知名底盤零部件企業(yè)研發(fā)集成安全技術(shù)。

近年來，各國(guó)學(xué)者和各大汽車零部件廠商針對(duì)底盤集成控制架構(gòu)展開廣泛地研究，可分類為底盤分散式控制架構(gòu)、集中式控制架構(gòu)以及分層監(jiān)督式控制架構(gòu)。分散式架構(gòu)基于車載通訊進(jìn)行底盤傳感器信號(hào)共享和聯(lián)合控制，其特點(diǎn)為簡(jiǎn)單可靠，不過無法適用于底盤部件多、復(fù)雜度高的情況。早期，日本 Nissan 公司推出的 ARC-X 車型、日本 Toyota 公司設(shè)計(jì)的FXV-II 車型均采用分散式架構(gòu)實(shí)現(xiàn)底盤子系統(tǒng)的集成控制。集中式架構(gòu)由特定集中控制器接收處理所有傳感器信號(hào)、統(tǒng)一優(yōu)化控制各底盤執(zhí)行器， 其特點(diǎn)為集成程度高、考慮車輛全局優(yōu)化，其可靠性、靈活性會(huì)隨底盤復(fù)雜度高而降低。基于集中式架構(gòu)， One E 等設(shè)計(jì)了四輪轉(zhuǎn)向和四輪驅(qū)動(dòng)的協(xié)調(diào)控制器；M. Salman 等以及 M. Nagai 等研究了直接橫擺力偶矩控制和后輪轉(zhuǎn)向集成控制方法。分層監(jiān)督式控制架構(gòu)通過全局優(yōu)化層進(jìn)行目標(biāo)集優(yōu)化和底盤解耦控制與分配，執(zhí)行控制層基于全局優(yōu)化層指令控制執(zhí)行器作動(dòng)。吉林大學(xué)張家旭基于分層監(jiān)督式控制架構(gòu)提出底盤集成非線性魯棒控制方法。

中國(guó)知名科研院所也在底盤集成控制架構(gòu)方面開展了深入研究，例如：上海交通大學(xué)喻凡團(tuán)隊(duì)以自上而下的策略對(duì)轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)進(jìn)行集成控制；同濟(jì)大學(xué)余卓平團(tuán)隊(duì)研究了 6 層階梯式集成架構(gòu)；合肥工業(yè)大學(xué)陳無畏團(tuán)隊(duì)提出底盤集成的分層協(xié)調(diào)控制； 江蘇大學(xué)陳龍團(tuán)隊(duì)提出基于多智能體理論的底盤集成技術(shù)。

3.2 底盤協(xié)調(diào)控制策略

各國(guó)學(xué)者針對(duì)底盤協(xié)調(diào)控制策略也開展了大量的研究工作并取得了很多成果，可大致分為基于線性控制理論分析、基于非線性控制方法和基于智能控制算法的 3 類底盤協(xié)調(diào)控制策略。利用線性二次最優(yōu)調(diào)節(jié)、增益規(guī)劃等線性控制方法，M. HARADA 等對(duì)底盤主動(dòng)懸架和四輪轉(zhuǎn)向進(jìn)行協(xié)調(diào)控制提升車輛動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性；O. Sename 等對(duì)底盤制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)進(jìn)行全局協(xié)調(diào)控制。

車輛在極限工況下呈現(xiàn)很強(qiáng)的動(dòng)力學(xué)非線性特性， 一些學(xué)者使用滑模控制、非線性魯棒控制、非線性模型預(yù)測(cè)控制等非線性控制方法進(jìn)行底盤動(dòng)力學(xué)的協(xié)調(diào)控制：澳大利亞學(xué)者 E. Mousavinejad 等設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)控制底盤轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)的具有有限時(shí)間收斂特性的終端滑模控制器；清華大學(xué)季學(xué)武等研究了非線性底盤集成魯棒控制策略；瑞典 P. Falcone、美國(guó)加州伯克利大學(xué) E. H. Tseng 等基于模型預(yù)測(cè)控制理論提出了復(fù)雜四輪車輛動(dòng)力學(xué)模型的非線性模型預(yù)測(cè)控制方法實(shí)現(xiàn)了車輛側(cè)向動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制；吉林大學(xué)郭孔輝團(tuán)隊(duì)考慮車輛簧上質(zhì)量和車輪的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)建立非線性動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)了主動(dòng)轉(zhuǎn)向和主動(dòng)制動(dòng)的非線性模型預(yù)測(cè)協(xié)調(diào)控制方法；美國(guó)密歇根大學(xué)的 PENG Huei 教授設(shè)計(jì)了基于非線性規(guī)劃方法的底盤集成控制系統(tǒng)并采用最壞狀態(tài)估計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和評(píng)價(jià)。

以模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法為代表的智能控制方法不依賴于車輛動(dòng)力學(xué)建模，近年來在底盤協(xié)調(diào)控制領(lǐng)域逐漸被廣泛應(yīng)用。基于模糊邏輯優(yōu)化出各子系統(tǒng)的權(quán)重系數(shù)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)底盤的協(xié)調(diào)控制。W. Y. Wang 等考慮模型不確定性，通過遞階 T-S 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在線逼近模型不確定性，并且基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)制動(dòng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制算法提高車輛制動(dòng)性能。合肥工業(yè)大學(xué)的陳無畏等利用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法設(shè)計(jì)車輛縱向、垂向、側(cè)向動(dòng)力學(xué)解耦機(jī)制，基于 PD 算法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、制動(dòng)和懸架協(xié)調(diào)控制。

隨著智能汽車技術(shù)發(fā)展，各種智能駕駛輔助功能應(yīng)運(yùn)而生并被廣泛研究，例如自適應(yīng)巡航跟車、自動(dòng)緊急剎車、車道保持系統(tǒng)等，該問題也引起眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。清華大學(xué)李克強(qiáng)團(tuán)隊(duì)針對(duì)該多目標(biāo)優(yōu)化問題進(jìn)行了深入研究，張德兆提出彎道自適應(yīng)巡航系統(tǒng)保證車輛彎道行駛時(shí)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性、跟車性能；清華大學(xué)李升波深入研究了多目標(biāo)綜合優(yōu)化的自適應(yīng)巡航控制方法。

3.3? 面向智能汽車的底盤動(dòng)力學(xué)域控制

智能化為汽車產(chǎn)業(yè)帶來顛覆性變革，汽車電子電氣架構(gòu)也面臨顛覆性變革，由分布式逐漸向域集中式甚至中央計(jì)算式進(jìn)化，以解決智能汽車底盤信息安全， 高動(dòng)態(tài)、高復(fù)雜交通環(huán)境下安全穩(wěn)定運(yùn)行等瓶頸難題。

針對(duì)上述智能汽車底盤控制問題，作者團(tuán)隊(duì)率先提出了面向智能汽車的底盤動(dòng)力學(xué)域控制概念，發(fā)明了底盤動(dòng)力學(xué)域控制架構(gòu)：首先對(duì)當(dāng)前底盤各部件傳感器進(jìn)行信號(hào)融合；通過全局動(dòng)力學(xué)狀態(tài)觀測(cè)、多自由度動(dòng)力學(xué)建模，探明車輛動(dòng)力學(xué)模型的精確解算機(jī)制； 在此基礎(chǔ)上，精確量化智能駕駛過程中車輛安全穩(wěn)定運(yùn)行邊界條件，實(shí)現(xiàn)底盤域反饋至智能決策層車輛運(yùn)行與預(yù)瞄動(dòng)力學(xué)狀態(tài)、運(yùn)行量化條件等信息，為智能汽車構(gòu)建出類經(jīng)驗(yàn)駕駛員視角；通過駕駛員意圖識(shí)別、底盤多目標(biāo)多系統(tǒng)綜合優(yōu)化，進(jìn)行各個(gè)部件的協(xié)調(diào)控制；由底盤各個(gè)作動(dòng)器執(zhí)行，如圖 8 所示。

圖 8 面向智能汽車的底盤動(dòng)力學(xué)域控制架構(gòu)

多自由度動(dòng)力學(xué)模型的精確解算與預(yù)瞄是車輛進(jìn)行前饋控制、提升車輛動(dòng)力學(xué)性能的基礎(chǔ)，也是底盤動(dòng)力學(xué)域控制技術(shù)的關(guān)鍵之一。需要綜合輪速傳感器、慣性測(cè)量單元、方向盤轉(zhuǎn)角等底盤傳感器信號(hào)，實(shí)現(xiàn) 4 個(gè)車輪各向輪胎力、動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的精確觀測(cè)，通過數(shù)據(jù)融合處理后構(gòu)建 15 自由度車輛動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行精確解算。作者團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)一種輪胎力的自適應(yīng)統(tǒng)一觀測(cè)方法、車身側(cè)偏角融合觀測(cè)方法、路面附著系數(shù)估計(jì)算法， 構(gòu)建全工況車輛動(dòng)力學(xué)狀態(tài)獲取體系，在此基礎(chǔ)上，有望解決智能汽車在高復(fù)雜、動(dòng)態(tài)不確定性交通環(huán)境下運(yùn)行時(shí)動(dòng)力學(xué)模型精確解算預(yù)瞄、穩(wěn)定邊界量化的難題，為智能駕駛提供類經(jīng)驗(yàn)駕駛員量化感知視角。

底盤動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性是智能駕駛控制指令執(zhí)行、車輛安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。針對(duì)復(fù)雜不確定性交通環(huán)境下各項(xiàng)智能駕駛功能潛在的動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)危險(xiǎn)，作者團(tuán)隊(duì)提出了基于模型預(yù)測(cè)控制的緊急剎車避障與動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制策略、自適應(yīng)巡航跟車與直接橫擺力偶矩控制集成方法；進(jìn)一步提出了基于主動(dòng)轉(zhuǎn)向和主動(dòng)制動(dòng)的 H 魯棒多系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制器，有望解決復(fù)雜不確定性交通環(huán)境下智能汽車安全穩(wěn)定運(yùn)行瓶頸難題。這樣，通過底盤動(dòng)力學(xué)域控制對(duì)底盤各執(zhí)行器的多目標(biāo)多系統(tǒng)優(yōu)化協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)底盤域與執(zhí)行器數(shù)據(jù)交互，將底盤各復(fù)雜執(zhí)行器變成標(biāo)準(zhǔn)零件，極大降低底盤核心零部件高昂開發(fā)、匹配、測(cè)試費(fèi)用。

4 底盤線控與動(dòng)力學(xué)域控制展望

4.1 面向智能汽車的汽車動(dòng)力學(xué)應(yīng)用展望

車輛動(dòng)力學(xué)已歷經(jīng)上百年的發(fā)展歷史，各個(gè)方向都得到了很大的發(fā)展。面對(duì)未來的智能新能汽車，建議在如下3 個(gè)方面在汽車動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域開展更進(jìn)一步的工作，使之得到更有效的應(yīng)用。

1）重視整車動(dòng)力學(xué)在智能車輛運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中的研究，尤其是高速交通環(huán)境下的車輛軌跡規(guī)劃問題一定要結(jié)合車輛動(dòng)力學(xué)特性甚至是非線性區(qū)特性，從而在保證安全的前提下得到更加準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)軌跡。

2）對(duì)于傳統(tǒng)車輛的重要參數(shù)估算，可以借助于智能車輛中先進(jìn)傳感器的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)適合于現(xiàn)代智能車輛的參數(shù)估算體系，充分利用從自身傳感器與智能網(wǎng)聯(lián)得到的信息來估計(jì)當(dāng)時(shí)時(shí)刻以及未來時(shí)刻的重要參數(shù)以及變化趨勢(shì)，從而為車輛的精準(zhǔn)控制提供有力的支撐。

3）隨著車輛不斷增多，道路工況變?cè)桨l(fā)復(fù)雜，不同的行駛工況往往需要不同的控制模式，單一動(dòng)力學(xué)控制方法難以使得車輛的各項(xiàng)性能都能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。應(yīng)開發(fā)多模式動(dòng)力學(xué)控制方法和切換機(jī)制，以適應(yīng)多工況動(dòng)力學(xué)特性，并在一定層面達(dá)到加權(quán)最優(yōu)狀態(tài)。

4.2 全矢量控制線控底盤發(fā)展

全矢量控制線控底盤具有諸多運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)優(yōu)點(diǎn)，可以在以下3 個(gè)方面深入研究。

1）固有安全的全矢量控制線控底盤架構(gòu)與功能實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)新型的全矢量控制線控底盤架構(gòu)及其功能實(shí)現(xiàn)的方式，研究整個(gè)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功能完整性， 各部件之間的功能相容性，控制單元之間的通訊方式、主從關(guān)系等。

2）電動(dòng)輪的動(dòng)力學(xué)分析及與整車的動(dòng)力學(xué)耦合機(jī)制。集成驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、懸架的多功能電動(dòng)輪是實(shí)現(xiàn)全矢量控制（FVC）汽車的動(dòng)力學(xué)控制的執(zhí)行基礎(chǔ)， 因此需要探究電動(dòng)輪在多個(gè)執(zhí)行器作用下的動(dòng)力學(xué)過程，以及電動(dòng)輪與整車之間的動(dòng)力學(xué)耦合機(jī)制。

3）全矢量控制線控底盤的域控制技術(shù)與失效冗余機(jī)制。FVC 底盤的底層執(zhí)行器繁多，系統(tǒng)復(fù)雜度、集成度高，既需要研究底盤域的分層協(xié)調(diào)控制技術(shù)，又考慮部件故障或失效的情況，建立 FVC 汽車的失效冗余機(jī)制，保證車輛控制系統(tǒng)的功能安全。

4.3 面向智能汽車的底盤動(dòng)力學(xué)域控制展望

智能化、大數(shù)據(jù)網(wǎng)聯(lián)化給底盤動(dòng)力學(xué)域控制帶來新的發(fā)展契機(jī)。其一，底盤傳感器類型繁多、信號(hào)模式與處理方法各異，且大量傳感器信號(hào)匯入控制器對(duì)信號(hào)實(shí)時(shí)處理提出更高要求，需要研究多源傳感器信號(hào)實(shí)時(shí)處理、校驗(yàn)與解算理論。其二，車輛及輪胎動(dòng)力學(xué)呈現(xiàn)復(fù)雜非線性特性，需要更進(jìn)一步地深入研究車輛復(fù)雜動(dòng)力學(xué)模型精確解算機(jī)制，逼近真實(shí)車輛動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，有望支撐智能汽車直接前饋預(yù)瞄控制。其三， 借助于網(wǎng)聯(lián)大數(shù)據(jù)信息，研究復(fù)雜交通場(chǎng)景下底盤動(dòng)力學(xué)域控制對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的精確感知與預(yù)瞄技術(shù)， 探索車輛運(yùn)行動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定邊界精確量化機(jī)制，為智能汽車提供量化的類駕駛員視角，消除高復(fù)雜、動(dòng)態(tài)交通環(huán)境的不確定性。

5 結(jié)論

本文對(duì)汽車底盤線控執(zhí)行與動(dòng)力學(xué)控制關(guān)鍵技術(shù)重大意義與發(fā)展歷程進(jìn)行了簡(jiǎn)單概述，從汽車動(dòng)力學(xué)與控制、底盤線控執(zhí)行技術(shù)研究與發(fā)展、底盤動(dòng)力學(xué)域控制技術(shù) 3 個(gè)方面進(jìn)行了深入全面的歸納和分析。總體來說，長(zhǎng)期以來汽車產(chǎn)業(yè)各界針對(duì)底盤線控執(zhí)行與動(dòng)力學(xué)控制相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)開展了廣泛深入的研究工作， 取得了大量研究成果。對(duì)汽車的動(dòng)力學(xué)控制技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望，指出：在智能化、網(wǎng)聯(lián)化推動(dòng)下，為了進(jìn)一步提升車輛的綜合性能，汽車的動(dòng)力學(xué)控制技術(shù)將向著更加精確的線控執(zhí)行系統(tǒng)、全矢量控制的線控底盤和底盤動(dòng)力學(xué)域控制等關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展。

END

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的汽车底盘线控与动力学域控制技术的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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