自动驾驶技术之——线控制动

Posted 2021-04-27 智车科技

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简单地说，线控执行主要包括线控制动、转向和油门。 某些高级车上，悬挂也是可以线控的。线控执行中制动是最难的部分。

之前有介绍过， 无人驾驶汽车需要解决三个问题，即环境感知及实时定位，计算分析以及路径规划，最后还有就是控制执行。前面我们已经介绍了环境感知和实时定位的概念，以及计算分析以及路径规划的问题，下面我们来介绍一下线控执行的概念。

简单地说，线控执行主要包括线控制动、转向和油门。 某些高级车上，悬挂也是可以线控的。线控执行中制动是最难的部分。

线控油门相当简单，且已经大量应用，也就是电子油门，凡具备定速巡航的车辆都配备有电子油门。电子油门通过用线束（导线）来代替拉索或者拉杆，在节气门那边装一只微型电动机，用电动机来驱动节气门开度。一般而言，增减油门就是指通过油门踏板改变发动机节气门开度，从而控制可燃混合气的流量，改变发动机的转速和功率，以适应汽车行驶的需要。传统发动机节气门操纵机构是通过拉索或者拉杆，一端联接油门踏板，另一端联接节气门连动板而工作。但这种传统油门应用范畴受到限制并缺乏精确性。电子油门的主要功能是把驾驶员踩下油门踏板的角度转换成与其成正比的电压信号，同时把油门踏板的各种特殊位置制成接触开关，把怠速、高负荷、加减速等发动机工况变成电脉冲信号输送给电控发动机的控制器 ECU，以达到供油、喷油与变速等的优化自动控制。

电子油门控制系统主要由油门踏板、踏板位移传感器、ECU（电控单元）、数据总线、伺服电动机和节气门执行机构组成。位移传感器安装在油门踏板内部，随时监测油门踏板的位置。当监测到油门踏板高度位置有变化，会瞬间将此信息送往ECU，ECU对该信息和其它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动机继电器，伺服电动机驱动节气门执行机构，数据总线则是负责系统ECU与其它ECU之间的通讯。在自适应巡航中，则由ESP（ESC）中的ECU来控制电机，进而控制进气门开合幅度，最终控制车速。博世和大陆都有全套的电子油门系统出售。

线控转向也已经得到实际应用，这就是日产旗下的英菲尼迪 Q 50 。实际目前的电子助力转向（ EPS）非常接近线控转向了。EPS与线控转向之间的主要差异就是线控转向取消了方向盘与车轮之间的机械连接，用传感器获得方向盘的转角数据，然后ECU将其折算为具体的驱动力数据，用电机推动转向机转动车轮。而EPS则根据驾驶员的转角来增加转向力。线控转向的缺点是需要模拟一个方向盘的力回馈，因为方向盘没有和机械部分连接，驾驶者感觉不到路面传导来的阻力，会失去路感，不过在无人车上，就无需考虑这个了。在Q 50 L上线控转向还保留机械装置，保证即使电子系统全部失效，依然可以正常转向。

线控制动是最关键的也是难度最高的。要了解线控制动，首先要了解汽车的刹车原理。轻型车通常采用液压制动。 

传统制动系统主要由真空助力器、主缸、储液壶、轮缸、制动鼓或制动碟构成。当踩下刹车踏板时，储液壶中的刹车油进入主缸，然后进入轮缸。

轮缸两端的活塞推动制动蹄向外运动进而使得摩擦片与刹车鼓发生摩擦，从而产生制动力。

当驾驶者踩下制动踏板时，机构会通过液压把驾驶人脚上的力量传递给车轮。但实际上要想让车停下来必须要一个很大的力量，这要比人腿的力量大很多。所以制动系统必须能够放大腿部的力量，要做到这一点有两个办法：

•   杠杆作用 

•   利用帕斯卡定律，用液力放大。

制动系统把力量传递给车轮，给车轮一个摩擦力，然后车轮也相应的给地面一个摩擦力。

在我们讨论制动系统构成原理之前，让我们了解三个原理：

• 杠杆作用   

• 液压作用   

• 摩擦力作用

       

杠杆作用已经无需赘言，大家想必已经烂熟于心，在杠杆的左边施加一个力F，杠杆左边的长度（2X）是右边（X）的两倍。因此在杠杆右端可以得到左端两倍的力2F，但是它的行程Y只有左端行程2Y的一半。刹车踏板就是个杠杆。考虑到踏板的倾斜度，一般踏板的设计行程不超过18 厘米。液压原理需要特别说明，液体是无法被压缩的，密闭容器里的液体的压力有个特点：不论是液体内部、还是压向容器壁的力，到处都一样大。——即：如果一平方米上有一吨的力量，那么在所有的地方，一平方米上的力都是一吨。这叫帕斯卡定理。由于液体无法压缩，所以这种方式传递力矩的效率非常高，几乎100%的力传。液压传力系统最大的好处就是可以以任何长度，或者曲折成各种形状绕过其他部件来连接两个圆桶型的液压缸。还有一个好处就是液压管可以分支，这样一个主缸可以被分成多个副缸。液压的另一个作用就是放大力矩。如果主缸的直径是1 寸，轮缸的直径是 3 寸，那么给主缸上面施加任何一个力，就会在轮缸上放大 9 倍。不过主缸的活塞推动 9 厘米，轮缸的活塞推动距离只有 1 厘米，能量守恒。通常轿车的主缸直径是 22 毫米，前轮缸直径是 32 毫米，后轮缸直径是28 毫米。

不同的材料表面，有不同的锯齿结构；举例来说：橡皮与橡皮之间就比钢与钢之间更难滑动。材料的类型决定了摩擦系数。所以摩擦力与物体接触面上的正压力成正比。例如：如果摩擦系数为 0.1 ，一个物体重 100 磅，另一个物体重 400 磅，那么如果要推动他们就必须给 100 磅的物体施加一个 10 磅的力，给 400 磅的物体施加一个 40 磅的力才能克服摩擦力前进。 

说完了这些，让我们来说说 ABS。 

ESP与ABS非常接近，与ABS最大的不同在于ESP可以在没有踩刹车踏板的情况下向轮缸输出制动压力，ABS只能在踩下刹车踏板后从主缸向轮缸输出压力。压力生成器就是电机和柱塞泵，与ABS比多了 4 个柱塞泵， 4  个电磁阀，也就是 VLV和USV。 

博世第九代 ESP增加了两个特殊功能，一个是ACC，自适应巡航，ESP可以部分控制电子节气门。另一个是AEB，ESP可以部分控制刹车系统。有些认为ESP既可以控制油门又可以控制刹车，是个很好的线控系统，非也。博世对国内厂家一般只开放ACC和ESP量产接口协议，刹车力度最大大约为 0.5 g，标准的刹车力度在 0.8 g以上， 0.5 g远不够用。再次，在设计之初，ESP控制刹车系统只是在少数紧急情况下使用，可能 1 年用不了2  次，一般泵的容量只有 3 毫升，每一次使用，柱塞泵都要承受高温高压，频繁使用，会导致柱塞泵发热严重，精密度下滑，导致 ESP寿命急剧下滑，常规刹车系统 1 小时就可能使用数次，如果用 ESP做常规刹车系统，可能 1 个月就报废了。最后即便是不计寿命问题， ESP的泵油功率有限，且缺乏真空助力，反应速度较慢。最后如果ESP真的可以做常规制动，那么博世也无需开发Ibooster，日立无需开发EACT，大陆无需开发MK C 1 ，天合无需开发 IBC。 

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2018.6.26-6.30

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