自動駕駛硬件之線控底盤

自動駕駛的線控底盤就是我們通常意義上的手和腳，用來做控制執(zhí)行，是自動駕駛控制技術(shù)的核心硬件。

本文知識概念圖，僅供參考

關(guān)于底盤

說到汽車底盤，我們并不陌生。一般由懸置系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、排擋踏板系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車輪輪胎系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等子系統(tǒng)構(gòu)成。

關(guān)于線控

線控=Drive-by-wire 或 X-by-wire，即用線（電信號）的形式來取代機(jī)械、液壓或氣動等形式的連接，從而不需要依賴駕駛員的力或者扭矩的輸入。

線控系統(tǒng)主要有五大子系統(tǒng)：線控轉(zhuǎn)向，線控油門，線控制動，線控懸架，線控?fù)Q擋。

其中，對于自動駕駛系統(tǒng)來說，線控油門、線控轉(zhuǎn)向、線控制動這三個子系統(tǒng)尤其重要。

線控油門（TBW）

線控油門=TBW，即Throttle-by-wire，或稱作Accelerate-by-wire。

發(fā)展

機(jī)械→電子（線控）

在早期的傳統(tǒng)汽車上，油門控制是通過拉索或者拉桿連接油門腳踏板和節(jié)氣門（throttle）連動版而工作，這樣通過機(jī)械裝置來控制節(jié)氣門的方法我雖然反應(yīng)延遲小，但也有很大的局限性，沒有辦法應(yīng)對復(fù)雜道路下的各種工況，也無法很好地控制油耗和排放。

機(jī)械油門

然后產(chǎn)生了線控油門（即電子油門），通過用導(dǎo)線來代替拉索或者拉桿，由油門踏板位置產(chǎn)生的電信號給ECU來進(jìn)行發(fā)動機(jī)控制。取消了踏板和節(jié)氣門之間的機(jī)械連接，而是通過檢測油門腳踏板的位移（這個位移代表了駕駛員的駕駛意圖），把該位移信號傳遞給ECU，進(jìn)行計(jì)算處理得到最佳的節(jié)氣門開度，再驅(qū)動節(jié)氣門控制電動機(jī)。線控油門系統(tǒng)主要由油門踏板和位移傳感器、ECU（電控單元）和數(shù)據(jù)總線（負(fù)責(zé)與其他ECU間的通信）、電動機(jī)和節(jié)氣門構(gòu)成。

線控油門

原理

主控電腦如何控制油門呢？最常用的方法是在油門腳踏板和ECU之間接入一個專用的控制器，當(dāng)處于自動駕駛模式時，控制器會接受主控電腦的信號傳輸給ECU；而未啟動自動駕駛模式的，控制器僅僅作為一個繼電器將油門踏板的電信號傳輸給ECU。

線控油門實(shí)現(xiàn)自動駕駛

應(yīng)用

巡航定速則是線控油門的基礎(chǔ)應(yīng)用，凡具有定速巡航功能的車輛都配備有線控油門。從發(fā)展階段來看，目前線控油門滲透率接近100%，相對處于較成熟階段。就算是傳統(tǒng)燃油車，線控油門也基本是標(biāo)準(zhǔn)配置，而混合動力和電動汽車更是完全采用線控油門。因此在自動駕駛的應(yīng)用中，線控油門的改裝與實(shí)現(xiàn)也相對容易。

除了國外供應(yīng)商（博世、大陸、電裝、Magneti-Marelli、日立、Delphi Technologies、SKF等）外，國內(nèi)供應(yīng)商（海拉、聯(lián)電、寧波高發(fā)、奧聯(lián)電子、凱眾股份等）也有所參與。但是，電噴執(zhí)行機(jī)構(gòu)、ECU等技術(shù)均掌握在國際零部件巨頭手中，產(chǎn)業(yè)格局較穩(wěn)定，因此國內(nèi)企業(yè)的參與度還處于較低的狀態(tài)，國產(chǎn)化是未來的線控油門領(lǐng)域的努力方向。

線控轉(zhuǎn)向（SBW）

線控油門=SBW，即Steering By Wire，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)掌控著自動駕駛路徑與方向的精確控制。

發(fā)展

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完成了機(jī)械式→液壓助力→電控液壓助力→電動助力的一系列進(jìn)化。

?機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（MS）

機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)=Manual Steering，是最早的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。所謂機(jī)械式，即以駕駛員的力為基礎(chǔ)，借助方向盤、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)等全機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。通過轉(zhuǎn)動方向盤，轉(zhuǎn)向器中的減速器放大力矩，再由拉桿控制轉(zhuǎn)向節(jié)完成車輛轉(zhuǎn)向。

優(yōu)點(diǎn)：MS系統(tǒng)性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單。缺點(diǎn)：由于地面對輪胎的反作用力直接傳動到方向盤，導(dǎo)致在泊車和低速行駛時方向盤負(fù)擔(dān)過于沉重。

機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

?液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）

液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)=Hydraulic Power Steering，主要由油泵、油管、油罐、壓力流體控制閥、傳動皮帶等組成。HPS系統(tǒng)動力源是發(fā)動機(jī)，駕駛員僅需輕微用力就能轉(zhuǎn)動方向盤，利用發(fā)動機(jī)的動力帶動油泵，轉(zhuǎn)向控制閥控制油液流動的方向和油壓大小，給機(jī)械轉(zhuǎn)向提供轉(zhuǎn)向助力。

優(yōu)點(diǎn)：HPS系統(tǒng)在中低車速時有較好的助力性和操縱穩(wěn)定性。缺點(diǎn)：在高速行駛時，由于方向盤給駕駛員力量反饋太小，導(dǎo)致駕駛員的路感較差，固定的助力效果會使轉(zhuǎn)向盤過于靈敏。其次，為了保持壓力，不論是否需要轉(zhuǎn)向助力，發(fā)動機(jī)始終帶動油泵旋轉(zhuǎn)，造成了發(fā)動機(jī)能量的浪費(fèi)。

液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

?電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ EHPS）

電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)=Electro Hydraulic Power Steering，與HPS系統(tǒng)相比，EHPS增加了電控單元，包括動力轉(zhuǎn)向ECU、電磁閥和車速傳感器等。通過車速傳感器對車速的實(shí)時監(jiān)控，電控單元獲取數(shù)據(jù)后通過控制轉(zhuǎn)向控制閥的開啟程度改變油液壓力，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力力度的大小調(diào)節(jié)。

優(yōu)點(diǎn)：EHPS系統(tǒng)可以根據(jù)車速而改變提供轉(zhuǎn)向助力的大小，使得高速行駛時，車身更穩(wěn)，手感更好。缺點(diǎn)：其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價較高，具有液壓系統(tǒng)所帶來的通病，是介于液壓助力和電動助力之間的過渡階段。

電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

?電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ EPS）

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)=Electric Power Steering，主要由ECU、轉(zhuǎn)向扭矩傳感器、助力電動機(jī)和減速機(jī)構(gòu)等組成。其原理是，駕駛員在轉(zhuǎn)動方向盤時，轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向以及轉(zhuǎn)矩的大小，將電壓信號輸送到ECU，ECU根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到的信息進(jìn)行計(jì)算并向電動機(jī)控制器發(fā)出指令，使電動機(jī)輸出相應(yīng)大小和方向的轉(zhuǎn)向助力轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn)生助力。EPS系統(tǒng)根據(jù)助力電機(jī)的安裝位置不同，又可分為轉(zhuǎn)向軸助力式、齒輪助力式、齒條助力式三種形式。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間小，零部件結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，維護(hù)費(fèi)用低；以電動機(jī)為動力，電動機(jī)只在需要時才啟動，耗用電能較少，提高了汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性；可實(shí)時地在不同的車速下為汽車轉(zhuǎn)向提供不同的助力，保證汽車在低速行駛時輕便靈活，高速行駛時穩(wěn)定可靠；助力大小可以通過軟件調(diào)整，能夠兼顧低速時的轉(zhuǎn)向輕便性和高速時的操縱穩(wěn)定性，回正性能好。

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

?線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW）

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)=Steering By Wire，是在EPS上發(fā)展起來的，SBW相對于EPS具有冗余功能，并能獲得比EPS更快的響應(yīng)速度。對于L3及以上的自動駕駛汽車來說，部分會脫離駕駛員的操控，因此自動駕駛駕駛控制系統(tǒng)對于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等要求控制精確、可靠性高，只有線控轉(zhuǎn)向可以滿足要求，因此成為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢。

原理

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是指，在方向盤和轉(zhuǎn)向齒條之間是通過線控（電子信號）連接和控制的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，即在它們之間沒有直接的液力或機(jī)械等物理連接。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要分為三個部分：①轉(zhuǎn)向盤系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)向角傳感器、轉(zhuǎn)矩反饋電動機(jī)和機(jī)械傳動裝置；②電子控制系統(tǒng)，包括車速傳感器，也可以增加橫擺角速度傳感器、加速度傳感器和電子控制單元以提高車輛的操縱穩(wěn)定性；③轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，包括角位移傳感器、轉(zhuǎn)向電動機(jī)、齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和其他機(jī)械轉(zhuǎn)向裝置等。

首先，方向盤將駕駛者的轉(zhuǎn)向意圖通過傳感器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，隨后傳遞給轉(zhuǎn)向齒條執(zhí)行機(jī)構(gòu)。同時，根據(jù)不同的車速及駕駛工況提供模擬的方向盤力矩反饋，從而實(shí)現(xiàn)方向盤的回正以及駕駛手感等功能。轉(zhuǎn)向齒條執(zhí)行機(jī)構(gòu)則從方向盤執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受信號，并根據(jù)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖將方向盤角度信號轉(zhuǎn)換成輪胎的擺動。給助力電機(jī)發(fā)送電信號指令，從而實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行控制。

EPS（電動助力轉(zhuǎn)向）與SBW（線控轉(zhuǎn)向）的區(qū)別又是什么呢？

SBW取消了方向盤與車輪之間的機(jī)械連接，用傳感器獲得方向盤的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，然后通過ECU處理計(jì)算并輸出驅(qū)動力數(shù)據(jù)，用電機(jī)推動轉(zhuǎn)向機(jī)轉(zhuǎn)動車輪。而EPS則根據(jù)駕駛員的轉(zhuǎn)角來增加轉(zhuǎn)向力。

優(yōu)點(diǎn)：

省略了轉(zhuǎn)向系功能模塊間的機(jī)械連接，降低了噪聲和震動；

節(jié)省了空間，以用來布置傳感器、計(jì)算單元或其他娛樂系統(tǒng)高等；

消除了撞車事故中轉(zhuǎn)向柱后移引起傷害駕駛員的安全隱患；

方向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向力矩可以獨(dú)立設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)適應(yīng)不同類型的“手感”。

缺點(diǎn)：

在信息安全方面，存在被黑客攻擊的風(fēng)險。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

應(yīng)用

從目前整個市場來看，線控轉(zhuǎn)向尚處于發(fā)展早期階段，目前滲透率極低，僅有少量車型配備，例如英菲尼迪Q50和Q60等裝備了線控轉(zhuǎn)向。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對于技術(shù)、資本、安全等要求較高，預(yù)計(jì)短期內(nèi)線控轉(zhuǎn)向產(chǎn)品還將為博世、采埃孚等巨頭所把控。隨著L3及以上智能駕駛的逐步滲透，線控制動有望爆發(fā)。據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測，線控制動在2020-2025年的市場空間年均復(fù)合增速可達(dá)166%。

線控制動（BBW）

線控制動＝Brake By Wire，在線控底盤技術(shù)中是難度最高的，但也是最關(guān)鍵的技術(shù)。線控制動系統(tǒng)掌控著自動駕駛的底盤安全性和穩(wěn)定控制，只有擁有足夠好的制動性能（包括響應(yīng)速度快、平順性好等），才能為我們的安全提供良好保障。

發(fā)展

與油門、轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展過程相似，制動技術(shù)經(jīng)歷了從機(jī)械制動到壓力制動再到電子制動的發(fā)展過程。

?機(jī)械制動系統(tǒng)

機(jī)械制動系統(tǒng)的制動能量完全由駕駛員來提供，駕駛員操縱一組簡單的機(jī)械裝置向制動器施加作用力，從而達(dá)到制動的效果。

缺點(diǎn)：制動力不足。由于這個階段的汽車還處于初級階段，它們結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小、低速，因此對制動力要求不高。而現(xiàn)在在普通汽車上已經(jīng)完全找不到機(jī)械制動系統(tǒng)的身影了，而在一些低速的農(nóng)用車、拖拉機(jī)上還在使用機(jī)械制動系統(tǒng)。

?壓力制動系統(tǒng)

后來隨著汽車質(zhì)量越來越大，車速越來越快，開始出現(xiàn)壓力助力裝置。首先產(chǎn)生的是氣壓制動，即真空助力裝置。利用壓縮空氣作動力源，將發(fā)動機(jī)帶動空壓機(jī)所產(chǎn)生的壓縮空氣的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械推力，使車輪轉(zhuǎn)動。

缺點(diǎn)：氣壓制動反應(yīng)慢，制動力大卻難控制。由于氣壓制動系統(tǒng)靠壓縮空氣助力，必須有空壓機(jī)、貯氣筒、制動閥等裝置體積大，只有空間允許的車輛才能采用，多用于中、重型汽車。

隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，液壓制動系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。液壓制動，是將駕駛員施壓于制動踏板的力經(jīng)過推桿傳到主缸活塞從而壓縮制動液，制動液經(jīng)過油管加大制動輪缸的壓力，輪缸活塞在壓力作用下驅(qū)使制動蹄片壓向制動鼓，在摩擦片的作用下使制動鼓減小轉(zhuǎn)速或者停止轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生制動力。

缺點(diǎn)：制動操縱費(fèi)力，且制動力沒有氣壓制動得大；過度受熱后，部分制動液汽化，在管路中形成氣泡，嚴(yán)重影響液壓傳輸，使制動系效能降低，甚至完全失效。優(yōu)點(diǎn)：作用滯后時間較短；輪缸尺寸小，可以安裝在制動器內(nèi)部，直接作為制動蹄的張開機(jī)構(gòu)或制動塊的壓緊機(jī)構(gòu)，而不需要制動臂等傳動件，使之結(jié)構(gòu)簡單,質(zhì)量??；機(jī)械效率較高，且液壓系統(tǒng)有自潤滑作用。

?液壓式線控制動（非純線控）

由于防抱死制動系統(tǒng)（ABS）、車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESP）等逐步產(chǎn)生，線控制動系統(tǒng)慢慢在傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)上發(fā)展起立。液壓式線控制動EHB=Electro-Hydraulic Brake，以傳統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng)為基礎(chǔ)，用電子器件代了一部分機(jī)械部件的功能，使用制動液作為動力傳遞媒介，控制單元及執(zhí)行機(jī)構(gòu)布置的比較集中，有液壓備份系統(tǒng)，也可以稱之為集中式、濕式制動系統(tǒng)。

正常工作時，制動踏板與制動器之間的液壓連接斷開，備用閥處于關(guān)閉狀態(tài)。電子踏板配有踏板感覺模擬器和電子傳感器，ECU可以通過傳感器信號判斷駕駛員的制動意圖，并通過點(diǎn)擊驅(qū)動液壓泵進(jìn)行制動。電子系統(tǒng)發(fā)生故障時，備用閥打開，EHB系統(tǒng)變成傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)。

缺點(diǎn)：液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；容易發(fā)生液體泄漏，存在安全隱患；成本和維護(hù)費(fèi)用較高。

優(yōu)點(diǎn)：由于具有備用制動系統(tǒng)，安全性較高，是現(xiàn)階段的首選方案。

原理

已經(jīng)普遍應(yīng)用的液壓制動現(xiàn)在已經(jīng)是非常成熟的技術(shù)，隨著人們對制動性能要求的提高，防抱死制動系統(tǒng)、驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)、電子穩(wěn)定性控制程序、主動避撞技術(shù)等功能逐漸融人到制動系統(tǒng)當(dāng)中，并隨著電動汽車的發(fā)展，制動系統(tǒng)的控制裝置逐漸會電子化，電子化可以更加準(zhǔn)確、更高效率地實(shí)現(xiàn)制動。機(jī)械連接逐漸減少，制動踏板和制動器之間動力傳遞分離開來，取而代之的是電線連接，電線傳遞能量，數(shù)據(jù)線傳遞信號，所以這種制動叫做線控制動。

?線控制動EMB

EMB=Electro-Mechanical Brake，即機(jī)械式線控制動。EMB也被稱為分布式、干式制動系統(tǒng)。和EHB的最大區(qū)別就在于它不再需要制動液和液壓部件，制動力矩完全是通過安裝在4個輪胎上的由電機(jī)驅(qū)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生。EMB系統(tǒng)的ECU根據(jù)制動踏板傳感器信號及車速等車輛狀態(tài)信號，驅(qū)動和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)來產(chǎn)生所需要的制動力。

優(yōu)點(diǎn)：

響應(yīng)速度大大提高；

簡化了制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、便于裝配和維護(hù)；

隨著制動液的取消，降低了環(huán)境污染。

缺點(diǎn)：

對可靠性要求很高，需要備份系統(tǒng)來保證可靠性；

電機(jī)功率限制動力不足；

工作環(huán)境惡劣，剎車片附近的半導(dǎo)體部品無法承受高溫。

這些問題都阻礙了EMB系統(tǒng)在短期內(nèi)的量產(chǎn)。目前EMB還處在研究階段，但是EMB是未來的發(fā)展方向。

應(yīng)用

現(xiàn)階段，混動車基本都采用高壓蓄能器為核心的EHB，電動車基本都采用EHB。從目前整個市場來看，線控制動尚處于發(fā)展早期階段，目前滲透率較低，僅有少量車型配備，新能源汽車配置率相對較高。隨著新能源汽車、L3及以上自動駕駛的逐步滲透，線控制動有望爆發(fā)。據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測，線控制動2020-2025年市場空間年均復(fù)合增速可達(dá)23%。

主要供應(yīng)商包括博世、采埃孚、大陸等國際零部件巨頭，目前國內(nèi)發(fā)展相對較好的有伯特利、拓普集團(tuán)、萬安科技等，但產(chǎn)業(yè)尚處于發(fā)展早期階段，還有望在未來的市場競爭中獲得一席之地。

線控技術(shù)的關(guān)鍵：安全和冗余

從已經(jīng)較成熟的線控油門，到市場滲透率仍然較低的線控轉(zhuǎn)向，再到還在研究階段的線控制動，我們已經(jīng)有了大概的了解?？偟膩碚f，線控底盤技術(shù)正在不斷發(fā)展。其中，安全性對于汽車尤其是L3以上的自動駕駛，是最基礎(chǔ)也是最核心的要素。曾經(jīng)的純機(jī)械式控制雖然效率低，但可靠性高；線控技術(shù)雖然適用于自動駕駛，但同時也面臨電子軟件的故障所帶來的隱患。只有實(shí)現(xiàn)功能上的雙重甚至多重冗余，才能保證在一定的故障時仍可實(shí)現(xiàn)其基本功能。

審核編輯 ：李倩