自動(dòng)駕駛汽車控制的核心技術(shù)線控技術(shù)解析

對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車的控制有很多疑問。比如轉(zhuǎn)向，具體跟車輛的交互，是傳入轉(zhuǎn)向角度還是力度？剎車制動(dòng)是由 IPC 告訴硬件多少力度呢，還是智能到具體的制動(dòng)百分比就可以？

要實(shí)現(xiàn)這些控制指令，首先與參考車輛的底盤組組件有很大的關(guān)系，要了解與車輛底盤的各個(gè)組件交互，就要先了解這些控制組件。

線控執(zhí)行

簡單地說，線控執(zhí)行主要包括線控制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和油門。某些高級(jí)車上，懸架也是可以線控的。線控執(zhí)行中制動(dòng)是最難的部分。

1線控油門

線控油門相當(dāng)簡單，且已經(jīng)大量應(yīng)用，也就是電子油門，凡具備定速巡航的車輛都配備有電子油門。電子油門通過用線束（導(dǎo)線）來代替拉索或者拉桿，在節(jié)氣門那邊裝一只微型電動(dòng)機(jī)，用電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門開度。

電子油門控制系統(tǒng)主要由油門踏板、踏板位移傳感器、ECU（電控單元）、數(shù)據(jù)總線、伺服電動(dòng)機(jī)和節(jié)氣門執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。

位移傳感器安裝在油門踏板內(nèi)部，隨時(shí)監(jiān)測(cè)油門踏板的位置。當(dāng)監(jiān)測(cè)到油門踏板高度位置有變化，會(huì)瞬間將此信息送往 ECU，ECU 對(duì)該信息和其它系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行運(yùn)算處理，計(jì)算出一個(gè)控制信號(hào)，通過線路送到伺服電動(dòng)機(jī)繼電器，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門執(zhí)行機(jī)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線則是負(fù)責(zé)系統(tǒng) ECU 與其它 ECU 之間的通訊。

在自適應(yīng)巡航中，則由 ESP（ESC）中的 ECU 來控制電機(jī)，進(jìn)而控制進(jìn)氣門開合幅度，最終控制車速。

2線控轉(zhuǎn)向

日產(chǎn)旗下的英菲尼迪 Q50 是

首批使用線控轉(zhuǎn)向的量產(chǎn)車輛

線控轉(zhuǎn)向也已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用，這就是日產(chǎn)旗下的英菲尼迪 Q50。實(shí)際目前的電子助力轉(zhuǎn)向（EPS）非常接近線控轉(zhuǎn)向了。

EPS 與線控轉(zhuǎn)向之間的主要差異就是線控轉(zhuǎn)向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 ECU 將其折算為具體的驅(qū)動(dòng)力數(shù)據(jù)，用電機(jī)推動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)車輪。而 EPS 則根據(jù)駕駛員的轉(zhuǎn)角來增加轉(zhuǎn)向力。

線控轉(zhuǎn)向的缺點(diǎn)是需要模擬一個(gè)方向盤的力回饋，因?yàn)榉较虮P沒有和機(jī)械部分連接，駕駛者感覺不到路面?zhèn)鲗?dǎo)來的阻力，會(huì)失去路感，不過在無人車上，就無需考慮這個(gè)了。在 Q50L 上線控轉(zhuǎn)向還保留機(jī)械裝置，保證即使電子系統(tǒng)全部失效，依然可以正常轉(zhuǎn)向。

3線控制動(dòng)

線控制動(dòng)是最關(guān)鍵的也是難度最高的。要了解線控制動(dòng)，首先要了解汽車的剎車原理。輕型車通常采用液壓制動(dòng)。

傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)主要由真空助力器、主缸、儲(chǔ)液壺、輪缸、制動(dòng)鼓或制動(dòng)碟構(gòu)成。當(dāng)踩下剎車踏板時(shí)，儲(chǔ)液壺中的剎車油進(jìn)入主缸，然后進(jìn)入輪缸。

輪缸兩端的活塞推動(dòng)制動(dòng)蹄向外運(yùn)動(dòng)進(jìn)而使得摩擦片與剎車鼓發(fā)生摩擦，從而產(chǎn)生制動(dòng)力。

當(dāng)駕駛者踩下制動(dòng)踏板時(shí)，機(jī)構(gòu)會(huì)通過液壓把駕駛?cè)四_上的力量傳遞給車輪。但實(shí)際上要想讓車停下來必須要一個(gè)很大的力量，這要比人腿的力量大很多。所以制動(dòng)系統(tǒng)必須能夠放大腿部的力量，要做到這一點(diǎn)有兩個(gè)辦法：一是杠桿作用；二是利用帕斯卡定律，用液力放大。制動(dòng)系統(tǒng)把力量傳遞給車輪，給車輪一個(gè)摩擦力，然后車輪也相應(yīng)的給地面一個(gè)摩擦力。

A B S

說完了這些，讓我們來說說 ABS。

ESP 與 ABS 非常接近，與 ABS 最大的不同在于 ESP 可以在沒有踩剎車踏板的情況下向輪缸輸出制動(dòng)壓力，ABS 只能在踩下剎車踏板后從主缸向輪缸輸出壓力。壓力生成器就是電機(jī)和柱塞泵， 與 ABS 比多了 4 個(gè)柱塞泵，4 個(gè)電磁閥，也就是 VLV 和 USV。

博世第九代ESP增加了兩個(gè)特殊功能，一個(gè)是ACC，自適應(yīng)巡航，ESP 可以部分控制電子節(jié)氣門。另一個(gè)是AEB，ESP可以部分控制剎車系統(tǒng)。

有些認(rèn)為 ESP 既可以控制油門又可以控制剎車，是個(gè)很好的線控系統(tǒng)，其實(shí)并不是這樣。博世對(duì)國內(nèi)廠家一般只開放ACC和ESP量產(chǎn)接口協(xié)議，剎車力度最大大約為0.5g，標(biāo)準(zhǔn)的剎車力度在0.8g以上，遠(yuǎn)不夠用。

其次，在設(shè)計(jì)之初，ESP 控制剎車系統(tǒng)只是在少數(shù)緊急情況下使用，頻繁使用，會(huì)導(dǎo)致柱塞泵發(fā)熱嚴(yán)重，精密度下滑，導(dǎo)致 ESP 壽命急劇下滑，如果用 ESP 做常規(guī)剎車系統(tǒng)，可能 1 個(gè)月就報(bào)廢了。最后即便是不計(jì)壽命問題，ESP 的泵油功率有限，且缺乏真空助力，反應(yīng)速度較慢。

如何做到常規(guī)的線控制動(dòng)，這得從真空助力器說起。

真空助力系統(tǒng)，是在制動(dòng)的時(shí)，也同時(shí)控制進(jìn)入助力器的真空，使膜片移動(dòng)，并通過聯(lián)運(yùn)裝置利用膜片上的推桿協(xié)助人力去踩動(dòng)和推動(dòng)制動(dòng)踏板。需要注意推力來自壓力差，而非真空。電動(dòng)車和混合動(dòng)力車不能依賴內(nèi)燃機(jī)取得真空，需要用電子真空泵。

線控制動(dòng)正是從真空助力器延伸開來，用一個(gè)電機(jī)來代替真空助力器推動(dòng)主缸活塞。由于汽車底盤空間狹小，電機(jī)的體積必須很小，同時(shí)要有一套高效的減速裝置，將電機(jī)的扭矩轉(zhuǎn)換為強(qiáng)大的直線推力，這其中的關(guān)鍵因素就是電機(jī)主軸。

在電機(jī)技術(shù)不夠先進(jìn)的 1999 年前，人們只得放棄這種直接推動(dòng)主缸的思路。轉(zhuǎn)而使用高壓蓄能器。這就是奔馳的 SBC、豐田的 EBC 系統(tǒng)、天合的 SCB，這套系統(tǒng)利用電機(jī)建立液壓，然后將高壓剎車油儲(chǔ)存在高壓蓄能器中，需要?jiǎng)x車時(shí)釋放。這套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，液壓管路眾多，成本高昂，可靠性不高。

由于成本過高，從 2007 年起，EVP 電子真空泵開始在電動(dòng)車或混動(dòng)車上取代這種高壓蓄能器設(shè)計(jì)，EVP 極為簡單，就是將油車的真空助力換位電子真空泵獲得真空，缺點(diǎn)非常明顯，幾乎沒有任何能量回收，剎車時(shí)會(huì)發(fā)出刺耳的噪音，最重要，它必須人力首先踩下制動(dòng)踏板，也就是說它并非線控制動(dòng)，而是機(jī)械制動(dòng)。

隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，日立旗下的東機(jī)特工在 2009 年首次推出電液線控制動(dòng)系統(tǒng) E-ACT。說起來很簡單，用直流無刷超高速電機(jī)配合滾珠絲杠直接推動(dòng)主缸活塞達(dá)到電液線控制動(dòng)，這套方案對(duì)滾珠絲杠的加工精度要求很高。傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間大約 400-600 毫秒，電液線控制動(dòng)大約為 120-150 毫秒，安全性能大幅度提高。百公里時(shí)速剎車大約最少可縮短 9 米以上的距離。同時(shí)用在混動(dòng)和電動(dòng)車上，可以回收幾乎 99% 的剎車摩擦能量。是目前公認(rèn)最好的制動(dòng)方式，為了保證系統(tǒng)的可靠性，這套制動(dòng)系統(tǒng)一般都需要加入 ESP（ESC）做系統(tǒng)備份。

博世從中獲得靈感，加上博世是電機(jī)大師，經(jīng)過博世的努力，最終在 2013 年去掉了高壓蓄能器，單用電機(jī)推動(dòng)主缸，這就是 iBooster。

大陸和天合（ZF）則在此基礎(chǔ)上將 ESC 也集成進(jìn)來，大陸的 MK C1 早在 2011 年就已經(jīng)推出，在 2017 年版的阿爾法羅密歐 Giulia 上使用。TRW 的則于 2012 年推出 IBC，通用的 K2XX 平臺(tái)上將全線使用。順便說下 TRW 的 IBC 技術(shù)并非自己原創(chuàng)，是收購自一家小公司，不過博世的 ABS 技術(shù)也不是自己原創(chuàng)的。

這些線控制動(dòng)都不是純粹的線控制動(dòng)，仍然需要液壓系統(tǒng)放大制動(dòng)能量。液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，專利門檻很高。為了突破大廠的封鎖，也為了簡化制動(dòng)系統(tǒng)，純粹的線控制動(dòng)（EMB）近年來是個(gè)火熱的研究領(lǐng)域。EMB 取消液壓系統(tǒng)，直接用電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械活塞制動(dòng)。

優(yōu)點(diǎn)一：安全優(yōu)勢(shì)極為突出，大幅度縮短剎車距離。EMB 的反應(yīng)時(shí)間大約 90 毫秒，比 iBooster 的 120 毫秒更快速；

優(yōu)點(diǎn)二：沒有液壓系統(tǒng)，不會(huì)有液體泄露。對(duì)電動(dòng)車來說尤其重要，液體泄露可能導(dǎo)致短路或元件失效，進(jìn)而導(dǎo)致災(zāi)難。同時(shí)成本和維護(hù)費(fèi)用也降低不少。

缺點(diǎn)一：沒有備份系統(tǒng)，對(duì)可靠性要求極高。特別是電源系統(tǒng)，要絕對(duì)保證穩(wěn)定，其次是總線通信系統(tǒng)的容錯(cuò)能力，系統(tǒng)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的串行通信都必須具備容錯(cuò)能力。同時(shí)系統(tǒng)需要至少兩個(gè) CPU 來保證可靠性。

缺點(diǎn)二：剎車力不足。EMB 系統(tǒng)必須在輪轂中，輪轂的體積決定了電機(jī)大小，進(jìn)而決定了電機(jī)功率不可能太大，而普通轎車需要 1-2KW 的剎車功率，這是目前小體積電機(jī)無法達(dá)到的高度，必須大幅度提高輸入電壓，即便如此也非常困難。

缺點(diǎn)三：工作環(huán)境惡劣，特別是溫度高。剎車片附近的溫度高達(dá)數(shù)百度，而電機(jī)體積又決定只能使用永磁電機(jī)，而永磁在高溫下會(huì)消磁。同時(shí) EMB 有部分半導(dǎo)體元件需要工作在剎車片附近，沒有半導(dǎo)體元件可以承受如此高的溫度，而受體積限制，無法添加冷卻系統(tǒng)。同時(shí)這是簧下元件，震動(dòng)劇烈，永磁體無論是燒結(jié)還是粘結(jié)都很難承受強(qiáng)烈震動(dòng)。對(duì)半導(dǎo)體元件也是個(gè)考驗(yàn)。需要一個(gè)高強(qiáng)度防護(hù)殼，然而輪轂內(nèi)體積非常有限，恐怕難以做到。

缺點(diǎn)四：需要針對(duì)底盤開發(fā)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)，難以模塊化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致開發(fā)成本極高。

我們認(rèn)為除非永磁材料有重大突破，居里溫度點(diǎn)大幅度提高到 1000 攝氏度，否則 EMB 無法商業(yè)化。

人們對(duì)制動(dòng)性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的液壓或者空氣制動(dòng)系統(tǒng)在加人了大量的電子控制系統(tǒng)如 ABS、ESP 等后，結(jié)構(gòu)和管路布置越發(fā)復(fù)雜，液壓（空氣）回路泄露的隱患也加大，同時(shí)裝配和維修的難度也隨之提高。

制動(dòng)控制是自動(dòng)駕駛執(zhí)行系統(tǒng)的重要部分，目前 ADAS 與制動(dòng)系統(tǒng)高度關(guān)聯(lián)的功能模塊包括 ESP（車身穩(wěn)定系統(tǒng)）/AP（自動(dòng)泊車）/ACC（自適應(yīng)巡航）/AEB（自動(dòng)緊急制動(dòng)）等。

電子機(jī)械制動(dòng)（EMB）

如果把 EHB 稱為「濕」式 brake-by-wire 制動(dòng)系統(tǒng)的話，那么EMB就是「干」式 brake-by-wire 制動(dòng)系統(tǒng)。

EMB 全稱 Electro Mechanical Brake，和 EHB 的最大區(qū)別就在于它不再需要制動(dòng)液和液壓部件，制動(dòng)力矩完全是通過安裝在 4 個(gè)輪胎上的由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生。因此相應(yīng)的取消了制動(dòng)主缸、液壓管路等等，可以大大簡化制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、便于布置、裝配和維修，更為顯著的是隨著制動(dòng)液的取消，對(duì)于環(huán)境的污染大大降低了。

西門子 VDO 的 EMB 示意圖

因此結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、功能集成可靠的電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)越來越受到青睞，可以預(yù)見EMB將最終取代傳統(tǒng)的液壓（空氣）制動(dòng)器，成為未來車輛的發(fā)展方向。