|
多电机分布式驱动汽车的各电机独立可控，可以实现各车轮扭矩的独立精确控制；电机扭矩测量、车辆的状态量观测与辨识更易实施；并且电机既可以产生制动力也可以产生驱动力，使得底盘控制系统适应区域更大，为车辆动力学控制创造了理想条件。在目前的车辆电子电气架构下，各控制系统由其对应的电控单元（ECU）控制，因此，在分布式驱动汽车装配多种控制系统后，将不可避免出现各控制系统目标不一致、执行系统干涉等问题，底盘集成控制成为解决此问题的有效手段。底盘集成控制可消除子系统间冲突、补偿单子系统的局限性、降低系统复杂度、扩展整车安全运行区域，最终实现多控制目标下整车动力学协调。目前针对分布式驱动汽车底盘集成控制技术的研究主要包括：车辆纵－横向动力学集成控制、车辆横－垂向动力学集成控制、车辆纵－垂向动力学集成控制、车辆纵－横－垂向动力学集成控制。近年来，国内外整车厂商及零部件供应商也在围绕这一重点、难点技术进行攻关，例如采埃孚公司开发了车辆底盘集成协调控制器VMC cubiX，如下图所示。 
图1 采埃孚VMC cubiX 1.集成控制架构 传统车辆底盘控制大多数采用分散式控制架构，各子控制系统根据控制功能单独配备传感器采集车辆状态数据，子系统控制器根据各自的控制目标输出控制指令给子系统执行器。分散式架构有利于系统模块化、便于控制功能扩展与更新，当需要引入新的底盘控制系统时不需要大范围的重新设计，也不需要额外的高级控制器。因此底盘控制系统数量不多、集成程度要求低的情况下分散式控制架构是良好选择，通过车辆信息共享能够实现一定程度的集成效果。作为集成控制的初步尝试，分散式架构早期也引起汽车企业的应用兴趣。德国博世公司采用集成安全理念，将底盘多个控制子系统组合成车辆动力学管理（VDM）系统，实现了车辆动力学分层管理，避免了各子系统之间的冲突，通过协同作用最大限度地提高汽车安全性。 分散式架构属于低等级的集成架构，可以实现简单集成控制。但由于在极限工况下，转向和制动系统耦合度高，分散式架构没有实现真正的纵、侧向动力学解耦，无法减少系统控制功能的冲突。对于悬架系统，由于其主要控制车辆的垂向运动，提高车载人员的乘坐舒适性，与其他底盘电控系统没有直接冲突，因此分散式集成架构适合悬架系统与转向系统、制动系统等集成控制。1.2集中式控制架构 集中式控制系统根据控制需求，采用不同类型的传感器和观测器收集车辆信息至集中控制器中，实现车辆信息共享，避免硬件设备重复安装；控制器通过设计全局协调控制策略或全局优化算法，直接将各子系统的执行信号输出给所有子系统执行器，其结构如图2所示。 
图2 集中式控制架构 集中式控制架构在设计初期需要确定全局控制目标，理论上能够实现控制性能全局最优，因此不少企业初期尝试采用此种控制架构实现底盘全局控制。但是，由于集中式控制架构集成度较高，目前集中式控制架构并没有得到广泛应用，主要原因体现在：①各控制系统缺乏相对独立性，集成开发工作需与电控系统供应商协作；②高度精确的系统控制模型是进行集中式控制的基础，由于系统控制模型和控制器的阶数较高，需要大量的建模、仿真、测试与标定工作；③全局集成控制后，大量的数据计算对ECU性能提出更高要求；④后期功能扩展困难，系统可扩展性和灵活性较差；⑤集中控制器需要设计容错机制，可靠性仍有待提升。1.3分层式控制架构 考虑到控制效果、集成难度及硬件设备条件的限制，目前底盘集成控制广泛采用介于分散式架构和集中式架构之间的分层式集成控制架构，其结构如图3所示。分层式控制架构一般可分为３层：顶层为状态输入层、中间层为协调决策层、底层为控制执行层。状态输入层获取驾驶人或自动驾驶命令，根据驾驶人操作获取驾驶人操作意图，计算全局控制输入并对当前的驾驶情况进行定义分类。协调决策层根据顶层控制器定义的工作模式选择不同的协调控制策略，并将不同控制输入分配到各个底盘子系统。控制执行层包括底盘各子系统控制器，其功能是实现跟踪中间层的控制命令，将子系统控制信号传递到执行器硬件。 
图3 分层式控制架构 分层式控制架构兼顾了分散式和集中式架构的优点，基于分层式控制架构设计的分布式驱动电动汽车底盘集成控制系统结构清晰，各级间相互独立功能解耦，便于系统的开发和功能拓展，对系统局部故障也具有良好的鲁棒性和一定程度的容错能力。分层式架构还允许企业与供应商独立开发相应的控制器，通过标准化接口实现控制功能叠加。近年来，分层式控制架构得到不少企业的青睐。 从上述３类控制架构的特点可以看出，随着电控化、智能化水平的不断提升及飞速发展，基于分层式控制架构的集成控制器在传统集中式驱动电动汽车中得到广泛应用。而分布式驱动电动汽车集成控制器中必然包含更多的子控制器，集成的难度和复杂度不断增加，并且系统扩展与更新频率将更高，各子控制器在控制区域、执行器方面也必然出现重叠甚至矛盾，分散式、集中式控制架构下的集成控制器性能将受到极大限制。因此，分层式控制架构更利于分布式驱动电动汽车底盘集成控制的进一步发展，将会成为未来底盘集成控制技术研究的主流。车辆的纵向、侧向、横摆运动间互相影响，纵－横向动力学表现出明显的耦合关系。纵－横向集成控制系统通过改变轮胎的纵向力、侧向力可以直接影响车辆的纵向、横向及横摆运动。分布式驱动电动汽车纵向动力学控制能够对每个车轮单独施加纵向驱动力矩或制动力矩，其工作区域基本不受轮胎纵向力饱和的限制。因此通过纵－横向动力学集成控制，可以在减小控制功能冗余与动力学冲突的情况下进一步提高车辆的操纵稳定性。纵－横向动力学集成控制中，车辆纵向动力学性能的控制一般可选择差动制动系统、电液复合制动系统、制动防抱死系统（ABS）、牵引力控制系统（TCS），横向动力学控制可选择主动前轮／后轮／四轮转向系统（AFS／ARS／AWS）、直接横摆力矩控制系统（DYC）。 目前针对分布式驱动汽车纵－横向动力学集成控制往往采用与集中式驱动相同的思路，其重点在于通过设计不同工况的优化目标函数、考虑子系统有效工作区域及轮胎力等因素，采取分层式集成控制架构，设计适当的控制策略。常见的转向系统与DYC集成控制系统结构如图4所示。上层控制器根据获取的车辆状态信息及驾驶人意图，基于车辆二自由度参考模型计算期望横摆角速度和质心侧偏角，将车辆实际横摆角速度和质心侧偏角作为状态量反馈决策附加横摆力矩。根据不同的协调控制策略，输出子控制系统的控制分配权重。底层控制系统根据各自的控制目标跟踪控制参考值。
图4 转向系统与驱动/制动系统集成控制 表１列出了常用的协调控制方案。纵－横向动力学集成控制一般以纵向动力性、横向稳定性、整车经济性等为控制目标，在目前各类动力学集成控制中研究最为深入，尤其在DYC与其他动力学控制系统集成控制方面尤为突出，主要体现在基于转向系统与DYC集成控制上。表1 纵-横向动力学集成控制方案 
除了侧滑和激转，侧翻也是常见的车辆侧向失稳形式。驾驶人操作转向系统产生横摆运动，悬架系统影响侧倾运动，车辆侧倾运动与横摆运动间存在较强的耦合关系，继而影响车辆横向载荷转移率。同时，侧向加速度引起的车辆垂直载荷变化传递到轮胎上，将加重轮胎力的非线性特性进而影响车辆行驶稳定性。因此，车辆紧急转向或高速变道时，较大的侧向加速度和较大的载荷转移可能会导致侧翻危险的发生。表２列出了目前研究中常用的横向动力学控制系统与悬架系统协调控制方案。针对横－垂向动力学集成控制，希望通过悬架系统改变各车轮的垂直载荷，以改善轮胎与路面的附着条件，进而改善车辆的横向动力学性能。目前主要采用分散式或分层式集成控制架构进行转向系统与悬架系统集成控制，不仅实现了轮胎与路面的接触条件实时优化，有效防止了汽车侧翻的发生，对车辆横摆稳定性、平顺性和行驶安全性均有所提高。对于分布式驱动电动汽车，由于电机安装在轮辋中，使得非簧载质量显著增加，垂向运动特性发生明显改变，因此需要针对其垂向动力学的新特性进行横－垂向动力学集成控制研究。表2 横-垂向动力学集成控制方案 
当车辆进行制动时，路面能够提供给轮胎的最大制动力受路面附着系数以及轮胎垂向力的影响。主动悬架系统通过与制动防抱死系统集成，间接调节轮胎的法向反力，可以实现最大的制动效能。在不失去对车辆控制的情况下，制动距离尽可能短是车辆最重要的安全要求，目前的应用中最引人注目的是制动防抱死系统。因此，纵－垂向动力学集成控制将有利于提升车辆紧急情况下的驾驶安全性。 表３列出了常用的控制方案。通过纵－垂向动力学集成控制，轮胎与路面的附着条件得到改善，制动时间和制动距离进一步降低，部分控制系统使得车辆高速转弯时的侧向稳定性、对外部扰动的鲁棒性也有所提升。通过悬架系统与复合制动的集成，还可以改善能量回收效率，进一步提高经济性。相比于集中式驱动，目前驱动／制动系统与悬架系统集成控制研究主要集中在ABS与主动悬架的集成控制方面，同时还需要兼顾车辆运行平顺性与舒适性。表3 纵-垂向动力学集成控制方案 
由于分布式驱动汽车在车辆动力学控制中可控自由度高的优势，近年来，纵－横向动力学集成控制、横－垂向动力学集成控制、纵－垂向动力学集成控制逐渐发展为纵－横－垂向动力学集成控制。通过解耦子系统间的动力学耦合关系、合理分配轮胎力，改善车辆动力学性能并减轻驾驶强度，获得不同行驶工况下底盘纵、横及垂向动力学全局最优的控制响应。对于纵－横－垂向动力学集成控制，由于系统间耦合复杂度成倍增加，因此从控制系统的效果、实时性、控制精度等角度考虑，主要提出了２类控制方法：①基于权重分配的协调控制；②基于优化的协调控制，其协调控制架构如图5所示。 
图5 驱动/制动系统、转向系统和悬架系统分层集成控制 表４列出了常使用的协调控制方案。控制系统根据车辆状态、行驶工况、驾驶意图，采用切换控制、优化分配控制等算法对各子系统的权重进行分配。基于子系统权重分配与基于子系统协调优化的协调控制是目前的研究热点，尤其是基于子系统协调优化的协调控制方法。基于权重分配协调控制方法的效果主要依赖于研究者根据专家经验或个人知识制定的权重分配方案，因此该方法易受到开发者的主观影响，同时由于分配方案离线制定，可能会导致对车辆运行状态的适应性不高。基于子系统协调优化的控制方法通过求解底盘动力学优化目标函数实现协调控制，能够实现底盘控制系统实时最优控制，且对工况适应性更好。但是随着协调的子系统不断增多，优化目标函数复杂度不断增加，约束条件繁多，求解最优化问题易陷入局部最优，同时分布式驱动电动汽车作为一个典型的冗余系统，该多目标优化问题求解的实时性也亟待改善。 表4 纵-横-垂向动力学集成控制方案 
由于分布式驱动电动汽车底盘子控制系统的工作特性的限制，在不同的控制目标下各系统工作的区域各有不同，车辆运行状态划分对于控制效果也有显著影响。因此在集成控制中，需要针对车辆不同运行状态制定相应的控制策略。目前车辆运行状态划分研究方法包括：车辆相平面分类法、车辆轮胎力分析法等。 相平面法也是近年来普遍采用的车辆行驶状态划分方法。相平面法是在三参数变化的情况下判断系统是否稳定的重要方法，一般包括：质心侧偏角－横摆角速度（β－ω）相平面、质心侧偏角－质心侧偏角速度 相平面、前后轮侧偏角相平面。相平面通过稳定平衡点和非稳定平衡点可以分为稳定区域、临界区域、非稳定区域。目前，相平面的区域边界主要确定方法为双线法。双线法稳定域的边界一般用通过两鞍点做切线表示，稳定边界数学模型为
平行线法参数较少、表示较为简单，能适用于较大多数情况下的相平面图的分析。但是对于分析稳定极限来说，车辆常处于临界稳定状态，此时的相平面轨迹线收敛区域明显变窄且变化非常剧烈，相轨迹线已较难收敛到稳定结点，而且两侧临界边界已经明显不对称，平行线法已经难以适用。
图6 双线法相平面和稳定域 考虑到底盘控制最终需要通过改变轮胎力来实现，而轮胎力具有强非线性及饱和性特征，因此根据轮胎力特点对车辆运行状态划分，并设计协调控制系统可以获得车辆理想的控制效果。比如基于分层控制架构的AFS和DYC协调控制系统，考虑路面附着条件和轮胎垂向载荷对轮胎侧向力的影响，根据轮胎力确定２个子系统的工作区域。在轮胎线性区，仅AFS参与控制；在轮胎侧向力饱和区，仅DYC参与控制；在过渡工作区域，由于轮胎侧向力呈非线性增加，但未达到饱和状态，采用AFS和DYC协同工作，基于轮胎侧偏角定义了过渡区域的协调权重因子。3.分布式驱动汽车底盘容错控制 由于分布式驱动电动汽车是一个典型的过驱动系统，系统复杂性高、耦合性强、执行器与传感器数量多，因此各子系统发生失效的概率也大幅增加。且由于各子系统的复杂耦合关联关系，失效后引起的整车动力学响应也更加复杂。为了保证分布式驱动电动汽车在传感器失效、驱动系统、底盘执行机构发生故障时仍能具备安全行驶能力，分布式驱动汽车容错控制方法可以分为两类：被动容错和主动容错。被动容错控制在不改变控制器和系统结构的条件下，通过对可能发生的故障进行分类概括，只需预先制定逻辑规则，使得其对外界扰动或特定故障具有鲁棒性，达到故障容错的目的。目前的被动容错控制技术研究主要集中在可靠镇定、完整性控制以及联立镇定３个方面，具有结构设计简单、易于实现的优点，但是其控制范围有限，不能通过鲁棒控制解决所有故障类型。对于控制维数较高、故障源更多的分布式驱动电动汽车，被动容错控制策略显得过于保守，控制性能难以达到最优。主动容错控制根据获取的精确故障信息，在不同的故障模式下实时调节控制器参数或重构控制器结构，主动补偿或削弱故障的影响，提高故障下系统的性能要求。目前分布式驱动电动汽车的容错控制多以动力性和稳定性为控制目标，对存在传感器失效、驱动及底盘执行系统失效的分布式驱动电动汽车进行容错控制。如何对故障位置及故障模式进行精确判断是进行主动容错控制的基础。同时，现有研究主要考虑单一执行器失效的情况，缺乏多种失效耦合作用机理及底盘容错控制研究。未来针对多机构执行器故障容错集成控制的研究将确保车辆多维度的行驶安全性。3.2底盘域控制器 域控制器（DCU）的概念最早是以博世、大陆为首的控制系统级供应商提出，以解决信息安全、控制单元数量较多带来的计算负荷大的问题。域控制器将整车电控系统按照功能划分为动力域（安全）、底盘域（操纵）、信息娱乐域（座舱域）、自动驾驶域（高级辅助驾驶域）和车身域（车身电子）五大区域，每个区域设计相互独立功能和控制目标的域控制器，最后通过CAN总线或其他通信方式与控制主线连接，实现整车的信号通信，然后利用计算能力强大的多核芯片处理相对集中的控制域内原本归属各个ECU的大部分功能。通过域控制器的整合，最大的优势是将分散的车辆硬件之间实现信息互联互通和资源共享，大幅改善数据处理效率继而提升车辆的智能化水平。清华大学李亮等提出了面向智能汽车的底盘动力学域控制概念和底盘动力学域控制架构，如图7所示。该控制架构首先进行底盘多传感器的信号融合，通过对车辆系统以及行驶环境的关键状态参数进行估计，在此基础上进行整车多自由度动力学状态演算；通过车辆动力学运行状态对驾驶人行驶操纵意图进行精准识别，根据驾驶意图的识别结果，进行底盘多目标多系统的综合优化以及各个部件的协调控制。
图7 面向智能汽车的底盘动力学域控制架构 目前分布式驱动汽车上还未见基于域控制架构的底盘控制器产品，相关研究也较少，为了实现未来车辆智能化与网联化的发展，高度集中式的电子电气架构将成为分布式驱动汽车控制系统解决方案，域控制器作为整车集成度最高的集成平台。
|
