汽车底盘控制技术发展综述_张乐超

2010年第29卷12月第12期机械科学与技术

M e c h a n i c a l S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y f o r A e r o s p a c e E n g i n e e r i n g D e c e m b e r V o l .292010

N o .12

收稿日期:2009-05-27

作者简介:张乐超(1985-),硕士,研究方向为汽车动力学仿真及控

制,z h a n g l e c h a o @s i n a .c o m ;许沧粟(联系人),副研究员,x c s 0929@163.c o m

张乐超

汽车底盘控制技术发展综述

张乐超1,陈宝峰2,许沧粟

1

(1

浙江大学动力机械与车辆工程研究所,杭州　310027;

2

浙江钱江摩托股份有限公司,台州　317500)

摘　要:全面地回顾了国内外汽车底盘控制技术的发展历程,介绍了由此产生的3类控制技术,即以A B S 为代表的单功能控制系统,具有革新意义的线控技术和目前正在迅速发展的底盘全局控制

系统(G C C )。文章结合前人的研究,着重地介绍了G C C 系统在国内外的研究与应用现状,包括G C C 系统的并行式和集合式控制结构,分层控制的概念。最后,对未来汽车控制技术的发展做了展望。

关　键　词:车辆动力学;线控技术;底盘全局/集成控制;控制结构;综述中图分类号:U 27 文献标识码:A 文章编号:1003-8728(2010)12-1612-05

AR e v i e wo f t h e D e v e l o p m e n t o f I n t e g r a t e d V e h i c l e

C h a s s i s C o n t r o l T e c h n o l o g y

Z h a n g L e c h a o 1,C h e n B a o f e n g 2,X u C a n g s u

1

(1

I n s t i t u t e o f P o w e r M a c h i n e r y a n dV e h i c u l a r E n g i n e e r i n g ,Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ,H a n g z h o u 310027;

2

Z h e j i a n g Q i a n j i a n g M o t o r c y c l e C o .,L t d .,T a i z h o u 317500)

A b s t r a c t :C h a s s i s c o n t r o l t e c h n o l o g y i s t h e c o r e o f m o d e r n v e h i c l e t e c h n o l o g y w h i c h d e t e r m i n e s t h e v e h i c l e d y n a m -i c p e r f o r m a n c e .W e r e v i e wt h e p r o c e s s o f c h a s s i s c o n t r o l t e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t a n d i n t r o d u c e t h r e e t y p e s o f c o n -t r o l t e c h n o l o g y ,t h a t i s ,s i n g l e c o n t r o l s y s t e m r e p r e s e n t e d b y A

B S ,t h e i n n o v a t i v e b y -w i r e t e c h n o l o g y ,a n dg l o b a l c h a s s i s c o n t r o l (G

C C )s y s t e mw h i c h i s i n r a p i d d e v e l o p m e n t c u r r e n t l y .C o m b i n e d w i t h p r e v i o u s s t u d i e s ,w e f o c u s

o n t h e r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f t h e G C Cs y s t e ma t h o m e a n d a b r o a d ,i n c l u d i n g t h e p a r a l l e l c o n t r o l s t r u c t u r e ,t h e c e n t r a l i z e d c o n t r o l s t r u c t u r e a n d t h e c o n c e p t o f s t r a t i f i c a t i o n o f t h e G C C s y s t e m .F i n a l l y ,w e a l s o m a k e a p r o s p e c t t o t h e t e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t o f f u t u r e v e h i c l e c o n t r o l .K e y w o r d s :v e h i c l e d y n a m i c ;b y -w i r e t e c h n o l o g y ;g l o b a l /i n t e g r a t e d c h a s s i s c o n t r o l ;c o n t r o l s t r u c t u r e ;r e v i e w 在20世纪70年代以前,影响汽车动力学性能的底盘控制技术还只是机械工程大类领域的一个普

通分支学科[1,2]

。随着社会经济的发展和生活水平的提高,汽车的使用者们对汽车的安全性,舒适性和操稳性的要求也越来越高,汽车底盘控制技术开始逐渐被汽车工程师们所重视,并成为了汽车工程领域专门研究的一项内容。自80年代以来,电子技术

广泛地应用于汽车产品,出现了汽车电子化趋势[1]

。同时,随着四轮转向系统(4W S )的问世及发

展,A B S 、E S P 以及半主动、主动悬架等汽车底盘控制系统相继出现,这些控制技术大大地改善了汽车的动力学性能

[1～3]

。笔者通过对现有的国内外相关

文献进行对照和总结,简单地回顾了汽车底盘技术发展的几个阶段,并着重介绍了目前快速发展的汽车底盘集成控制系统,最后也对未来汽车底盘控制技术的发展做了展望。1　汽车底盘控制发展历程

综观汽车底盘技术的发展,如图1所示,分为3

第12期

　张乐超等:汽车底盘控制技术发展综述

个阶段[2]

,随之产生成了三代汽车底盘控制技术。

1.1　第一代底盘控制技术

第一代的底盘控制系统是汽车底盘控制技术发展的最初阶段,由于它兴起较早,某些技术也已发展得比较成熟。其代表是4W S 、A B S 、E S P 、T C S 等电子控制系统在汽车上的运用。这类系统主要由传感器、电子控制单元(E C U )、执行机构3部分组成。其中E C U 又由硬件和软件两部分组成,硬件部分包括输入、输出电路,运算电路,控制电路等;软件部分则

具有运算控制和系统检测两大功能[4]

。

图1　底盘控制系统的发展历史

以A B S 系统的工作过程为例来简要说明这类

系统的原理。A B S 系统是在车辆原有的制动系统基础上附加的一套控制设备。车辆制动时,轮胎滑移率s 在20%左右时车辆能获得最大的纵向制动力,轮速传感器将轮速信息经由输入电路输入E C U ,E C U 接收传感器的输入信号,然后按设定的控制策略和运算逻辑进行处理和计算,从而制定并发出相应的控制指令,对制动压力调节装置进行控制,使轮胎滑移率s 始终保持在20%左右,从而车辆能获得最佳的制动效果。当E C U 监测到系统工作不正常时,会自动终止A B S 系统工作,同时点亮A B S 警示灯。此时传统的制动系统仍旧照常工作,不受任何影响。这些改善车辆动力学的系统成功地运用于了汽车,并进行了商业化生产,实用效果很显著。1.2　

第二代底盘控制技术

图2　线控系统的架构图

发达国家已经开始研发全电子控制的汽车底盘控制系统和网络化管理的整车样车,即第二代的线控驱动技术(d r i v e -b y -w i r e t e c h n o l o g y ),这将引发汽车底盘控制系统的一场技术革命

[4,5]

,其系统构架

如图2所示。

由此而开发的汽车线控转向系统(S B W S ),它取消了传统的转向盘与转向轮之间的机械连接,完全摆脱了传统转向系统的各种限制,不但可以自由设计汽车转向的力传递特性,而且可以设计汽车转向的角传递特性,给汽车转向特性的设计带来更大的空间。日本大学和本田汽车公司在该项技术方面做了一些研究工作,设计出了理想的转向系统传动

比,使汽车的稳态增益不随车速变化[6,7]

。在国内,吉林大学在线控转向技术方面也做了大量的研究,宗长富教授等人通过对方向盘力矩的建模,模拟生成了可以为驾驶员提供路感的方向盘转向回正力矩,并设计了前轮转向控制算法,使车辆具有了不变的转向特性

[8]

。

汽车线控制动系统(B B W S ),它除了传统的一些制动器机械结构外,还装有电控单元E C U 、电源、传感器等元件。通过驾驶员给制动踏板施加操作发出制动信号,E C U 捕获该信号并综合其他的车辆行驶工况,向制动器发出最优指令,从而保证车辆最佳的减速度和行驶稳定性。

同样的,利用该技术而开发的汽车线控油门系统(T B W S ),以油门踏板的高度变化为输入信号,E C U 对该信号和其他系统传来的数据信息进行运算处理,计算出一个控制信号,通过线路送到伺服电机,电机再驱动节气门执行机构,实现油门控制。线控油门技术供油平缓,同时能有效地提高燃油经济性并改善排放。

整套线控驱动技术大大地降低了车辆机械系统的复杂程度,并且机械部件的润滑和调整也可以得到相应地减少,同时控制单元可以随时监测车辆的即时运行工况,给车辆发出最佳控制信号,大大提升了车辆的操控性、舒适性和安全性。宝马公司在2000年的巴黎车展上参展的概念车———B M W Z 22,

就应用了S B W S 、B B W S 这两项技术[5,6]

。此外,可变传动比转向系统(V G S )、线控离合器等线控技术也已被开发出来并用于实验车

[2,5]

。

在国外,线控技术在B M W 新7系,M -B E N ZS L

和J A G U A R 新S -T y p e 等高端车型上已有了大量的应用

[5]

;在国内,线控油门系统也已经在一些中级

车上有了广泛的使用。但由于整套线控系统造价昂贵且可靠性不能保证,所以全线控的车辆目前还没

1613

机械科学与技术第29卷

有被商业化量产。1.3　第三代底盘控制技术

最近几年来,开发全方位底盘控制G C C (g l o b a l c h a s s i s c o n t r o l )系统成为了目前汽车底盘控制的发展方向,有的学者也把G C C 系统称为I C C (i n t e g r a t -e d c h a s s i s c o n t r o l )系统,即底盘集成控制系统,也就是目前发展迅速的第三代汽车控制系统。

2　底盘集成控制的发展

为了使汽车行驶时能有优良的动力学性能,往往在一辆车上要安装多种底盘控制系统。当多种动力学控制系统同时存在时,就会出现一些问题。

首先,由于一些系统间的功能存在着重叠,而另外某些系统间的控制目标又可能存在着冲突,这就产生了系统之间耦合不良的情况。如果不将这些系统协调控制,系统间的干涉就有可能会影响到车辆的整体性能,有时也会使车辆的总体动力学性能还不如单个系统单独作用时优良,极端情况下甚至会产生危险。最典型的比如A B S 和E S P 系统,他们都是通过调节制动力来提高车辆动力学性能,A B S 是控制制动力使轮胎滑移率始终保持在最佳值,而E S P 系统则是通过控制制动力大小来达到所要满足的最佳不足转向和过度转向效果。很显然,这两个系统同时工作时会产生干涉。

其次,很多系统的控制输入需要的是同一个参数,而不同系统控制的又是相同的执行机构,如果每一个系统各自拥有一套测试传感器和执行机构,会造成资源的浪费和车辆成本的提高,同时也难以在有限的车体空间内布置种类繁多的设备。此外,由于各个子系统及相应的控制元件是由不同的汽车配件厂家提供的,他们有各自的标准体系,各自的技术保密措施和对外信息封锁措施[4]

,这就使得各子系

统间的协调变得更加困难。

所以,开发一种全局底盘控制G C C 系统成为了目前汽车底盘控制系统的发展方向。G C C 不是各系统间的简单叠加,而是要将硬件和软件进行统一,将各控制目标有机的协调,使车辆的整体动力学性能达到最佳。

早在20世纪90年代,日本及欧美的各大厂商就对底盘集成控制进行了尝试和研究

[1～3]

。N i s s a n ,

T o y o t a 等汽车厂商率先在他们的车上应用了G C C

系统,但这些也只是各子系统通过C P U 间的通讯来协作完成一些功能。进入21世纪后,车辆的集成控制得到了迅猛的发展,无论是在理论研究还是实际

应用方面,都有了长足的进步。2001年,D a i m l e r -

C h r y s l e r 公司在他们生产的M e r c e d e s F 400汽车上对

主动悬架,主动倾角控制,线控转向,线控制动等系统进行了集成控制,达到了良好的控制效果。

C o n t i n e n t a l 公司开发的第二代E S P 系统扩展和改进了E S P 的功能,将车轮制动,主动转向,发动机转矩输出这3个控制系统有机地结合起来,相互补充,已达到最佳的控制效果,从而使车辆变得更安全,更舒适

[3,4]

。

文献[9～13]作者M e h m e t A k a r 和J e n sC .K a l k k u h l 所在的研究小组运用滑模控制理论,设计了一整套完整的底盘集成控制系统,并为了验证其性能,在不同的车型上对集成控制器进行了仿真分析,仿真示意如图3所示。

图3　车辆仿真示意图

该I C C 系统利用四轮自动转向和主动悬架单元来获得所需的横向运动和纵向运动。研究人员还将此系统在一套先进的非线性模拟器(C A S C a D E 平台)上进行实际工况的实验,结果表明,该系统在轿车、货车和大巴车等大多数车辆上都有很好的表现[9]

。

3　底盘集成控制系统的控制结构

3.1　并行式控制结构

目前,车辆底盘的集成控制进入快速发展阶段,但初期的底盘集成控制研究是在各子系统成熟发展的基础上建立起来的,它主要是将现有的子控制系统进行协调控制,来发挥它们的最佳效果,改善车辆的动力学性能,所以,很多早期的G C C 系统采用的一般是并行式控制结构。并行式控制结构的G C C 系统开发入门要求比较低,不需要很大的初期投入,只需进行少量的研发工作,就可以开发出产品进行生产。

这种方法所能达到的系统集成程度非常的有限,主要是在传感器及相关硬件方面进行集成。通过对各子系统控制器的重新设计,在一定程度上可

达到集成的效果[3]

。

它的控制结构如图4所示,各子系统的工作还是由各自的控制器控制。显然,它们之间的协调程度不

1614

第12期　张乐超等:汽车底盘控制技术发展综述

高,每个子系统在一定程度上依旧独立,只能通过网

络技术进行有限的合作,且不同控制系统来自不同的生产厂家,各厂家有着自己的开发思路与模式,造成了子系统间的“接纳”必然不能使人满意,这就使得要达到车辆的最佳动力学性能变得更加困难

。

图4　并行式控制结构

3.2　

集合式控制结构

图5　集合式控制结构

随着车辆所要满足的控制功能和执行器数量的不断增多,并行式控制结构已远远不能满足协调控制的要求,需要开发一种全新的控制结构,这种新的

控制结构要包括系统的控制构架、系统的软件构架和系统的电子/电器构架这3个重要组成。由此发展起来的集合式控制结构(图5)能很好地满足协调控制的要求。整个集合式控制系统的内部联系是相当复杂的,它是软件和硬件、信息和指令、控制和功

能算法的集合体[14]

。该控制结构配置了两类控制器(E C U ),即全局控制单元和子控制单元。全局控制单元也称主控制单元,它是整个控制系统最高一级的处理器,主要有两项功能:负责向系统下一级发送控制命令和监测整个

车辆的运行工况。输入电路将传感器测得的车辆运行参数和驾驶员的操作参数输入主控制单元,运算电路在设定的控制策略下统筹协调地进行运算,得出最佳控制方案,输出电路再将控制方案输送到下一级子控制单元,由子控制单元向各执行机构发送具体控制命令,使车辆的整体动力学性能达到最好。

集合式控制结构的开发策略是自上而下的,由于一开始它就考虑到了整体,所以该系统的集成程度也最高。同时,控制执行机构的具体命令是由子控制单元发出的,主控制单元只负责协调各系统之间的运作,所以当有新的子系统或执行器加入时,也不需对整个控制系统重新设计或做很大的改动,只需对主控制单元做升级即可,可以方便地进行系统扩展。另一方面,采用该集合式控制结构设计的集成控制系统,由于本身结构上的优势,它的容错能力也进一步增强,且集合式控制结构作为一个整体,由同一公司开发,也不会有并行式结构中各子系统无法兼容的问题。由于各E C U 间是分工协作的,不会像只使用一个主控制单元的控制模式那样,由一个全局控制器给出所有子系统的控制输入,使全局控制器产生过度的负荷,且设计复杂,开发难度大;也不会有并行控制模式中的协调、集成化程度低的问题。集合式控制结构目前已逐步取代了早期的并行式控制结构,成为了目前底盘集成控制设计者们的共识和设计框架。

3.3　集合式控制结构的分层思想

集合式控制结构体现了控制策略中的分层思想。简单地分,可以将控制系统分为上层协调系统和下层控制系统,下层控制系统为悬架、转向和制动等子控制系统,用以执行各子系统的控制任务,实现各自的性能指标;上层协调系统主要接受来自驾驶员的操作信息和下层控制系统的决策信息,对车辆进行整体协调分析,并及时修改下层控制的决策,从为实现整车综合性能最优的目标出发来执行协调优

化任务[15]

。

而更复杂的分层阶梯式结构则是将整个集成控制系统分为硬件层、信息层、目标层、协调层、功能层

和执行层这6层结构[14]

。他们的工作过程是,信息层首先通过硬件层的各类传感器采集到车辆的状态信息和道路信息,并通过总线将这些数据传输给目标层;目标层再将这些数据结合驾驶员的驾驶意图确定出控制目标,然后和协调层协同工作,根据控制目标和各子系统的执行能力分配每个子系统的任务;最后功能层接受指令并根据设定的控制算法通过执行层驱动液压缸、弹簧等执行器完成控制目标。

1615

机械科学与技术

第29卷

将控制系统分为上层控制和下层控制研究了悬架、转向、制动之间的集成控制,并分别设计了底盘系统中悬架、转向、制动3个子控制器及上层协调器

[17]

。底盘分层协调控制框架如图6所示,研究者对悬架采用的是最优控制方法,对转向系统采用

P I D 控制方法,对制动系统采用的是简易逻辑门限值控制方法。从整车系统和路面获得信号输入,系统实时计算着悬架作动器作用力,轮胎的纵向力和侧向力,进过协调器的协调分配,分别控制俯仰力矩M 1、横摆力矩M 2、制动力矩M 3,使整车平顺性、操纵稳定性及制动性达到较好效果。研究人员也在实车上对该系统进行了测试,结果表明,虽然在单项指标上与单独控制相比其性能有所下降,但是该系统可以实现良好的整车综合性能

。

图6　底盘分层协调控制示意图4　总结和发展展望

汽车底盘控制技术发展至今经历了3个阶段:

单控制功能的底盘控制系统、线控技术、底盘集成控制系统。单控制功能底盘控制系统由于性能单一,已不能满足汽车发展的要求;线控技术的出现大大变革了驾驶操作的实现方式,提高了控制的精度,但由于费用及可靠性的限制,全车的线控系统目前还未被广泛地应用。当今大力发展的是汽车底盘的集成控制技术,目前已广泛采用了分层阶梯式的集合控制结构,通过上层主控制单元的协调分配,来控制各子控制系统的工作,使车辆的动力学性能达到最佳。

近年来,底盘集成控制逐渐地扩展到对整车的集成控制,甚至出现了包含对人-车-路大闭环系统的集成控制

[3,16]

。以目前底盘控制的发展来看,未

来汽车的发展方向,主要在两方面:一是进一步改进车辆的动力学性能,提高车辆的安全性,降低交通事故率;二是减轻驾驶者的操作强度,将驾驶者从繁重的操作工作和高度紧张的精神状态中解放出来

[2]

。

将来的底盘集成控制研究,将会采用更精确的车辆和轮胎模型来获得更高的控制精度和达到更好的控制效果,包括更多的考虑悬架及轮胎的非线性

模型[3]

。同时针对提高控制精度,开发一种汽车专

用的控制策略及理论也将会是未来底盘集成控制研究的重要工作

[2]

。

随着底盘控制系统越来越向电子化、智能化和网络化方向发展,未来的汽车将是一种有着高度安全性和自动化的交通工具。

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