基于純電動(dòng)客車自動(dòng)駕駛線控底盤技術(shù)

趙苗苗， 陳志元， 袁葭杰

(揚(yáng)州亞星客車股份有限公司， 江蘇 揚(yáng)州 225116)

近些年，以GB 7258—2017 《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》和JT/T 1094—2016《營(yíng)運(yùn)客車安全技術(shù)條件》為代表的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，加速了客車智能化技術(shù)發(fā)展[1-3]。本文研究基于純電動(dòng)客車的線控底盤技術(shù)，包含線控轉(zhuǎn)向、線控制動(dòng)和底盤集成控制等。

就純電動(dòng)客車底盤而言，傳動(dòng)系主要由驅(qū)動(dòng)橋、傳動(dòng)軸等組成；行駛系主要由車架和承載式車身、車橋和車輪、懸架等組成；轉(zhuǎn)向系由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等組成；制動(dòng)系主要由制動(dòng)器、制動(dòng)踏板、氣壓制動(dòng)系統(tǒng)等組成。

1 純電動(dòng)客車的線控底盤技術(shù)

線控底盤是自動(dòng)駕駛技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，純電動(dòng)客車線控底盤技術(shù)主要包含線控轉(zhuǎn)向、線控制動(dòng)和線控驅(qū)動(dòng)三大部分[4-5]。線控驅(qū)動(dòng)技術(shù)與線控轉(zhuǎn)向技術(shù)和線控制動(dòng)技術(shù)相比，在純電動(dòng)客車領(lǐng)域較少提及，主要原因是純電動(dòng)客車驅(qū)動(dòng)部分已屬于電動(dòng)連接，實(shí)現(xiàn)線控驅(qū)動(dòng)更為簡(jiǎn)便?；诖?，本文重點(diǎn)討論線控轉(zhuǎn)向技術(shù)和線控制動(dòng)技術(shù)。

1.1 線控轉(zhuǎn)向技術(shù)

1.1.1 結(jié)構(gòu)組成

純電動(dòng)客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、循環(huán)球式液壓助力方向機(jī)、轉(zhuǎn)向油罐、電動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵、轉(zhuǎn)向油泵控制器等組成。為實(shí)現(xiàn)線控液壓轉(zhuǎn)向功能，需在原有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將方向機(jī)替換為線控液壓方向機(jī)，同時(shí)增加線控液壓方向機(jī)控制器，并通過(guò)智能ECU控制線控液壓方向機(jī)及其控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能。線控液壓方向機(jī)由無(wú)刷直流電機(jī)、循環(huán)球式液壓助力轉(zhuǎn)向裝置、轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器等部件集成，為線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心執(zhí)行部件。純電動(dòng)客車線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 純電動(dòng)客車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成

1.1.2 工作原理

考慮到整車安全性和系統(tǒng)可靠性，純電動(dòng)客車線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作模式有兩種，其原理見(jiàn)圖2。

圖2 線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理

1) 人工駕駛模式。當(dāng)駕駛員手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，方向盤與線控液壓方向機(jī)的機(jī)械連接驅(qū)動(dòng)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器工作，車輛實(shí)現(xiàn)液壓轉(zhuǎn)向。人工駕駛模式下，線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可根據(jù)車速和方向盤轉(zhuǎn)矩信號(hào)控制無(wú)刷直流電機(jī)助力，達(dá)到低速轉(zhuǎn)向輕便、高速轉(zhuǎn)向穩(wěn)定的良好轉(zhuǎn)向特性。

2) 自動(dòng)駕駛模式。自動(dòng)駕駛客車感知融合/決策規(guī)劃系統(tǒng)給出轉(zhuǎn)向需求，智能控制ECU通過(guò)計(jì)算得出方向盤目標(biāo)轉(zhuǎn)角和目標(biāo)角速度，并通過(guò)CAN總線發(fā)送給線控液壓方向機(jī)控制器，控制方向機(jī)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)轉(zhuǎn)向角度，同時(shí)通過(guò)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方向盤實(shí)現(xiàn)相應(yīng)轉(zhuǎn)角，線控液壓方向機(jī)控制器將檢測(cè)到的方向盤實(shí)際轉(zhuǎn)角反饋給智能控制ECU，實(shí)現(xiàn)方向盤轉(zhuǎn)角閉環(huán)控制。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩種模式的切換主要通過(guò)方向盤扭矩判斷，即當(dāng)駕駛員給予方向盤一定的轉(zhuǎn)向扭矩時(shí)，線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)退出自動(dòng)駕駛模式，由駕駛員接管進(jìn)行人工轉(zhuǎn)向操作。

1.2 線控制動(dòng)技術(shù)

1.2.1 結(jié)構(gòu)組成

純電動(dòng)客車制動(dòng)系統(tǒng)由制動(dòng)踏板、電動(dòng)打氣泵、電動(dòng)氣泵控制器、閥類件、儲(chǔ)氣筒、干燥器等部件組成。為實(shí)現(xiàn)線控制動(dòng)功能，一般裝配可響應(yīng)外部制動(dòng)請(qǐng)求(XBR)的防抱死系統(tǒng)ABS或者電子制動(dòng)系統(tǒng)EBS。因EBS控制精度高、響應(yīng)快，優(yōu)選裝配EBS，同時(shí)考慮到整車穩(wěn)定性控制，以及EBS和ESC的部件通用性，本文將ESC(電子穩(wěn)定控制)一并計(jì)入線控制動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域。純電動(dòng)客車線控制動(dòng)系統(tǒng)組成如圖3所示，其中ESC模塊內(nèi)置橫擺角速度傳感器(YAW)，為表示制動(dòng)控制主要部件，圖中氣路部分連接予以省略。

圖3 純電動(dòng)客車線控制動(dòng)系統(tǒng)組成

1.2.2 工作原理

線控制動(dòng)工作主要基于EBS/ESC系統(tǒng)，故其工作原理以EBS/ESC工作原理為主。純電動(dòng)客車線控制動(dòng)系統(tǒng)工作原理如圖4所示。為兼顧人工駕駛和自動(dòng)駕駛，設(shè)置了相應(yīng)的兩種駕駛模式，其間的切換主要通過(guò)制動(dòng)踏板開度判斷，即當(dāng)駕駛員踩制動(dòng)踏板時(shí)，線控制動(dòng)系統(tǒng)退出自動(dòng)駕駛模式，由駕駛員接管進(jìn)行人工制動(dòng)。

圖4 線控制動(dòng)系統(tǒng)工作原理

1) 人工駕駛模式。當(dāng)駕駛員腳踩制動(dòng)踏板時(shí)，制動(dòng)踏板開度輸入至EBS控制器，EBS控制制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整車制動(dòng)。

2) 自動(dòng)駕駛模式。自動(dòng)駕駛客車感知融合/決策規(guī)劃系統(tǒng)給出制動(dòng)需求，智能控制ECU通過(guò)計(jì)劃得出整車目標(biāo)減速度，并通過(guò)CAN總線發(fā)送給EBS控制器，EBS控制整車達(dá)到目標(biāo)減速度，并將速度值返回至智能控制ECU，以用于閉環(huán)控制。

以上兩種模式下，ESC模塊和方向盤轉(zhuǎn)角傳感器均將實(shí)時(shí)橫擺角速度和方向盤轉(zhuǎn)角輸入EBS控制器，以實(shí)現(xiàn)車身穩(wěn)定控制。

2 自動(dòng)駕駛線控底盤集成控制

線控底盤集成控制主要包含橫向控制、縱向控制和垂直方向控制[6-8]。考慮到一般純電動(dòng)客車不具備電子懸掛系統(tǒng)，故底盤集成控制以橫向和縱向協(xié)同控制為主。橫向控制為對(duì)方向盤轉(zhuǎn)角的調(diào)整和輪胎側(cè)滑力的控制，縱向控制為對(duì)車輛的驅(qū)動(dòng)力與制動(dòng)力的控制。

2.1 自動(dòng)駕駛分層控制框架

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)駕駛分層控制框架如圖5所示，其中線控底盤集成控制層以規(guī)劃決策層的軌跡規(guī)劃控制為輸入[9]。基于MPC(模型預(yù)測(cè)控制)算法，輸出線控底盤執(zhí)行層控制指令，并結(jié)合狀態(tài)估計(jì)，持續(xù)進(jìn)行線控底盤優(yōu)化控制。

圖5 自動(dòng)駕駛分層控制框架

2.2 線控底盤集成控制算法

20世紀(jì)70年代,工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域誕生了一種新算法,即模型預(yù)測(cè)控制(MPC),簡(jiǎn)稱為預(yù)測(cè)控制。目前MPC算法已被廣泛應(yīng)用于車輛控制領(lǐng)域。預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正三部分組成該算法，保證有限時(shí)域情況下的控制最優(yōu)性[10]。

預(yù)測(cè)模型構(gòu)建方面，考慮到實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)便性，目前多采用運(yùn)動(dòng)學(xué)自行車模型。作為阿克曼模型的有效簡(jiǎn)化版，以汽車質(zhì)心為基準(zhǔn)的自行車模型見(jiàn)圖6。

圖6 以整車質(zhì)心為基準(zhǔn)的自行車模型

其中XOY為UTM(Universal Transverse Mercator，統(tǒng)一橫軸墨卡托投影系統(tǒng))坐標(biāo)系，以正東方向?yàn)閄軸正方向(UTM Easting)、正北方向?yàn)閅軸正方向(UTM Northing)。A為整車瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心，[x,y]為整車質(zhì)心坐標(biāo)，β為滑移角(汽車行進(jìn)方向與車輪所指方向之間的夾角)，φ為航向角(汽車行進(jìn)方向與X軸之間的夾角)，δf為前輪轉(zhuǎn)角，δr為后輪轉(zhuǎn)角(一般設(shè)定為0)。通過(guò)[x,y,φ,v]幾個(gè)變量可以表征整車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，若t時(shí)刻整車狀態(tài)為[xt,yt,φt,vt]，則t+1時(shí)刻整車狀態(tài)為

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]

基于以上數(shù)學(xué)模型可知，將[δf,a]作為控制輸入，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整車橫向和縱向的集成控制，其中δf為轉(zhuǎn)向角度，a為加速度。

滾動(dòng)優(yōu)化方面，模型預(yù)測(cè)控制的期望輸出與損失函數(shù)(Loss Function)設(shè)計(jì)具有極大關(guān)系，可以采用如下所示的損失函數(shù)，包含位置z的偏差、航向角φ的偏差、車速v的偏差等。

其中i取值1～10，是未來(lái)10個(gè)采樣時(shí)刻。

滾動(dòng)優(yōu)化也包含約束條件設(shè)置，例如方向盤轉(zhuǎn)角范圍、整車車速范圍、加減速度范圍等約束。

反饋校正方面，在通過(guò)最優(yōu)控制獲得輸出后，整車執(zhí)行控制指令，并反饋車輛狀態(tài)，通過(guò)MPC進(jìn)行持續(xù)控制。

3 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)駕駛技術(shù)在客車行業(yè)具有良好的應(yīng)用前景，而線控底盤技術(shù)作為自動(dòng)駕駛技術(shù)核心，將對(duì)整車性能產(chǎn)生直接影響。故本文對(duì)純電動(dòng)客車的線控底盤技術(shù)，從線控轉(zhuǎn)向、線控制動(dòng)結(jié)構(gòu)組成和工作原理，以及線控底盤集成控制等方面進(jìn)行了相關(guān)研究。