自動駕駛的有效運(yùn)行不光體現(xiàn)在自身的精確策略控制（包括對車輛的控制主要體現(xiàn)在控制速度和路徑曲線上），更體現(xiàn)在和執(zhí)行對手件的交互控制中。在特殊情況下，例如在緊急避撞情況下，還必須及時控制車輛的方向。從狹義上講，車輛操縱的原理即是指車輛動力學(xué)，例如轉(zhuǎn)彎過程中維持車輛穩(wěn)定性。全局底盤控制技術(shù)的進(jìn)步已被用來進(jìn)一步提高車輛的安全性和操縱質(zhì)量。通過增加偏航增益以減小上層系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向輸入，可以輕松地實(shí)現(xiàn)路徑曲率的改變。此策略僅適用于中等速度，因?yàn)楫?dāng)方向盤角度輸入過高又在高速行駛時，可利用的輪胎-道路摩擦?xí)杆亠柡停藭r偏航率的正常行駛范圍會隨著車速而顯著減小。因此，高速策略必須是降低穩(wěn)態(tài)偏航增益。
在涉及安全性的摩擦極限時，主動底盤可為駕駛員提供最佳的支撐，因?yàn)椴倏v控制器可以確定車輛如何保持穩(wěn)定。合并并協(xié)調(diào)所有可用的執(zhí)行器以實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，以免發(fā)生事故。在超出摩擦極限的區(qū)域中，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是防止汽車嚴(yán)重打滑，以使汽車保持在正軌上。
在正常駕駛期間，系統(tǒng)通常期望車輛具有較小相位滯后的線性偏航響應(yīng)。大多數(shù)駕駛員都沒有因輪胎力飽和而導(dǎo)致線性度降低的經(jīng)驗(yàn)。如果后橋發(fā)生飽和，側(cè)滑角將迅速增加，因此會對在駕駛過程中對駕駛員造成危險。控制系統(tǒng)的主要任務(wù)應(yīng)該是保持車輛的側(cè)滑角較小。當(dāng)側(cè)滑角的大小超過一定數(shù)值時，普通駕駛員會感到不舒服。最先進(jìn)的電子穩(wěn)定性控制（ESC）系統(tǒng)間接限制了側(cè)滑角。ESC使用受限的加速度并參考偏航率來解決輪胎飽和問題。另外，計(jì)算并限制了側(cè)滑角的變化率。
全局底盤控制系統(tǒng)在正常駕駛中，尤其是在緊急情況下，具有明顯的優(yōu)勢。主動系統(tǒng)的配置和協(xié)調(diào)交互是增強(qiáng)車輛性能的關(guān)鍵成功因素。像ISO 26262這樣的國際標(biāo)準(zhǔn)可確保最高級別的整個控制系統(tǒng)的質(zhì)量和安全性。
具有電子穩(wěn)定性控制（ESC）的現(xiàn)代制動系統(tǒng)的價值在于其使汽車的行為更具可預(yù)測性，在廣泛的條件下保持穩(wěn)定以及易于在臨界情況下進(jìn)行控制的能力。穩(wěn)定性是指汽車以預(yù)期的方式對操縱做出反應(yīng)，即面對不變的輸入時保持不變，并且僅當(dāng)輸入略有變化時才略有變化，則處理是穩(wěn)定的。穩(wěn)定性涵蓋了正常的駕駛范圍，在該范圍內(nèi)，駕駛員可以通過底盤設(shè)置感受到舒適感和享受感。另一方面，如果駕駛員的少量輸入導(dǎo)致操縱方面的重大改變（例如，在較小的轉(zhuǎn)向校正導(dǎo)致打滑的情況下），那么操縱將變得不穩(wěn)定。
如上圖所示，智能汽車將處于臨界狀態(tài)，汽車和駕駛員將處于閉環(huán)狀態(tài)。駕駛員可以轉(zhuǎn)向，加速或制動，但他們的命令將越來越多地不能直接轉(zhuǎn)化為行動。相反，活動系統(tǒng)將“過濾”其命令以確保最佳和最安全的處理。
主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為以下幾類：
疊加扭矩系統(tǒng)可獨(dú)立于駕駛員輸入而影響轉(zhuǎn)向。該系統(tǒng)可以在緊急情況下為駕駛員提供方向盤的轉(zhuǎn)向提示。
疊加轉(zhuǎn)向角的系統(tǒng)可以修改駕駛員為前輪選擇的轉(zhuǎn)向角，也可以修改由前輪決定的后輪角度。
同時疊加扭矩和轉(zhuǎn)向角的系統(tǒng)結(jié)合了以上兩個系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。此處的執(zhí)行器可以局部集中在單個殼體中，從而節(jié)省空間，也可以將它們分別放置在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的各個位置。
線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為全新的人機(jī)界面鋪平了道路，例如側(cè)桿轉(zhuǎn)向代替?zhèn)鹘y(tǒng)方向盤。主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不僅為穩(wěn)定級別的聯(lián)網(wǎng)功能提供了巨大潛力，而且為與保持車道相關(guān)的駕駛員輔助功能提供了巨大潛力。下圖顯示了一些目前批量可用或不久將可用的功能。
制動和轉(zhuǎn)向穩(wěn)定附加功能的要求
如下圖所示的系統(tǒng)環(huán)境定義了通過轉(zhuǎn)向干預(yù)來調(diào)節(jié)操縱的功能單元，它還定義了與其他汽車系統(tǒng)配合使用的接口要求。
主機(jī)廠有責(zé)任決定使用哪種硬件以及將哪些軟件分配給哪個控制設(shè)備。一種常見的變體是在ESC控制設(shè)備中內(nèi)置橫向運(yùn)動控制功能的擴(kuò)展電力調(diào)節(jié)器，并采用轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為執(zhí)行器來穩(wěn)定功能。
以下是自動駕駛系統(tǒng)對制動和轉(zhuǎn)向干預(yù)的綜合要求清單：
– 在諸如改變負(fù)載，緊急停車，彎道部分制動或回旋等情況下改善行車道保持和方向穩(wěn)定性。
– 在緊急情況或急速換道等極端轉(zhuǎn)向操作中具有更高的穩(wěn)定性，以減少打滑的危險。
– 減少轉(zhuǎn)向操作，并在制動和加速時，尤其是在非均勻路面上，更好地利用閉合力的潛力。這將改善制動距離，并在保持恒定甚至更好的穩(wěn)定性的情況下提高牽引力。具有主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電子穩(wěn)定性控制（ESC）開辟了一種全新的方式來穩(wěn)定車輛。制動和轉(zhuǎn)向的組合可以快速方便地抵消不希望的偏航反應(yīng)。
該穩(wěn)定功能主要在以下情況下發(fā)揮作用：
– 自適應(yīng)的拆分摩擦因子μ上對應(yīng)的加速度
下圖顯示了單個車輪如何引起偏航運(yùn)動。水平作用力是打滑的函數(shù)，可以從車輪的滑動速度vG和絕對速度vR得出。水平力的合力FR和滑動速度vG位于同一應(yīng)用線的相對兩端。
當(dāng)從汽車重心到車輪中心的位置矢量rcg的矢量乘積和合成輪胎力的矢量FR達(dá)到最大值時，每個車輪產(chǎn)生的橫擺力矩將達(dá)到最大值。力FR的大小通過車輪的轉(zhuǎn)向角δ增大，同時，力和位置矢量可近似為通過制動或駕駛的正交方式。但是，在某些情況下，車輪產(chǎn)生的最小橫擺力矩是必要的，轉(zhuǎn)動方向盤同樣會產(chǎn)生這種效果。但是，向量乘積，即FR和rcg所覆蓋的面積應(yīng)盡可能小。下圖描繪了在汽車制動和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)穩(wěn)定結(jié)合使用的典型應(yīng)用，即分層級聯(lián)控制的概念（道路上的輪胎力控制模型與車輛速度、橫擺率與車輪橫擺運(yùn)動的關(guān)系）。
在如上情況中，制動發(fā)生在路面上，其牽引力不相等（split-μ），在很短的時間內(nèi)就會積累大量的偏航力矩。沒有調(diào)節(jié)系統(tǒng)，駕駛員將難以處理這種情況。如今的ESC等穩(wěn)定性控制系統(tǒng)通過略微延遲前橋上制動力的積累，來減弱偏航力矩的不穩(wěn)定影響。此外，該程序通過使用最低的摩擦系數(shù)來確定兩個車輪上的制動力，從而防止在后軸上產(chǎn)生偏航力矩，這被稱為“低速選擇”策略。然而，由此描述的策略將導(dǎo)致最大穩(wěn)定性和最小制動距離之間的利益沖突。通過協(xié)調(diào)制動和轉(zhuǎn)向，可以大大減少這種利益沖突。將前輪指向較低的摩擦系數(shù)方向會減少作用在轎廂上的偏航力矩。因此，不必延遲制動力在前軸上的積累，也不必遵循后輪低速行駛策略。這大大減小了制動距離，同時提供了良好的直線穩(wěn)定性。
如上圖表示的曲線顯示了轉(zhuǎn)向過度。過度轉(zhuǎn)向會導(dǎo)致穩(wěn)定性降低，因?yàn)檐囕v會在彎道外徑方向上偏航，這樣就有打滑的危險。在這種情況下，電調(diào)會在彎道外側(cè)對前輪制動，以產(chǎn)生穩(wěn)定的偏航或減弱不穩(wěn)定的偏航，同時轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也可以大大增加穩(wěn)定的偏航。這是通過向后轉(zhuǎn)向，即減小前軸的轉(zhuǎn)向角而發(fā)生的。將導(dǎo)致重心的位置矢量和合力之間的夾角更大，從而穩(wěn)定了左前輪的偏航趨勢。
上圖中描繪了產(chǎn)生電樞偏航力矩的可能性，電調(diào)帶制動器，前橋上有角度重疊的AFS（主動前轉(zhuǎn)向）和后橋上有角度重疊的ARK（主動后橋運(yùn)動學(xué)）。對于AFS，這會導(dǎo)致高度的偏航力矩向外偏轉(zhuǎn)，而對于ARK，會導(dǎo)致更高的偏航力矩向內(nèi)偏轉(zhuǎn)。在極限摩擦極限情況下，ESC具有最大的潛力來穩(wěn)定過度轉(zhuǎn)向的汽車，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)允許自動駕駛系統(tǒng)在臨界情況下非常有效地減小橫向力。
1、系統(tǒng)轉(zhuǎn)向角干預(yù)功能模塊
下圖描繪了橫擺率控制中的轉(zhuǎn)向角干預(yù)的典型功能模塊。
車輪的轉(zhuǎn)向角δ是駕駛員期望的轉(zhuǎn)向角δFW、偏航控制器的重疊角δFB、偏航扭矩補(bǔ)償δFF的乘積。該系統(tǒng)利用駕駛員輸入，包括方向盤轉(zhuǎn)角δH和駕駛員施加于制動器的壓力pF。汽車測量其偏航角速度和橫向加速度ay，并將此信息傳遞給控制器。由輪速指示器確定的汽車速度的使用情況顯示，參考橫擺率考慮了汽車的靜態(tài)和動態(tài)特性，并且必須受到與物理有關(guān)的措施的限制，該措施由最大摩擦系數(shù)確定。偏航控制跟進(jìn)偏航率，以支持駕駛員并限制側(cè)滑角和/或側(cè)滑率，以提高汽車的穩(wěn)定性。偏航扭矩補(bǔ)償是一種干擾前饋，用于補(bǔ)償干擾變量z對制動或加速過程中操縱產(chǎn)生的負(fù)面影響。并從制動壓力或從每個車輪的制動力估計(jì)結(jié)果來補(bǔ)償偏航扭矩所必需的估計(jì)值Mz。如果在每個車輪上都測量了制動壓力p，則該功能相應(yīng)的性能指標(biāo)將大大被提高。
當(dāng)在路面上表現(xiàn)出不均勻的牽引力（劈裂μ）時，就需要首先考慮增加相應(yīng)的安全性指標(biāo)。由于輪胎能夠在具有更大牽引力的路面上傳遞更多的制動力，而不是在光滑路面上傳遞，因此汽車將希望朝著呈現(xiàn)更高牽引力的那部分道路的方向轉(zhuǎn)向。ESC進(jìn)行了壓力增強(qiáng)，包括轉(zhuǎn)向角干預(yù)功能，可通過自動劑量校正功能從相反方向來抵消這種趨勢，從而使自動駕駛系統(tǒng)無需再通過一定手段自行穩(wěn)定汽車。同時，ESC可以精確設(shè)定每個車輪的最高制動壓力，從而使制動距離縮短，穩(wěn)定性大大提高。駕駛員在這種大壓力的情況下需要做的就是轉(zhuǎn)向他想要轉(zhuǎn)向的方向，偏航控制可通過干預(yù)彎道轉(zhuǎn)向來改善汽車的操縱性能。
在很短的時間內(nèi)，它使前輪轉(zhuǎn)向的速度比方向盤的移動指示的速度快。該控制使汽車在緊急情況下能夠以更好的穩(wěn)定性和更少的轉(zhuǎn)向操作迅速做出反應(yīng)。反向轉(zhuǎn)向會自動發(fā)生，并且可以很早就開始，而不會引起駕駛員的注意。隨著側(cè)滑角的增加，制動干預(yù)的強(qiáng)度也會相應(yīng)的增加。
2、系統(tǒng)轉(zhuǎn)向建議（DSR）的功能模塊
如果轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)為疊加扭矩，則干預(yù)將以系統(tǒng)轉(zhuǎn)向建議（DSR）的形式進(jìn)行。如果存在汽車偏離系統(tǒng)預(yù)測規(guī)劃路線的危險，方向盤將發(fā)出一定的震動，以便指示轉(zhuǎn)向方向。功能模塊與上圖中的角度重疊相同。僅需添加一個模塊即可將理想轉(zhuǎn)向角傳遞給疊加扭矩MDSR，此時，上層系統(tǒng)與調(diào)節(jié)系統(tǒng)處于閉環(huán)狀態(tài)。電動助力轉(zhuǎn)向可以作為一系列作用的示例：駕駛員施加轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩MF，車輪施加自對準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩MR，而動力轉(zhuǎn)向施加輔助轉(zhuǎn)矩MA。扭桿將反作用力作為手部扭矩MH進(jìn)行測量，動力轉(zhuǎn)向與疊加的扭矩一起放大。這會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)生沖動，從而有助于駕駛員在緊急情況下快速正確地做出反應(yīng)。
如下圖表示了基于分割摩擦系數(shù)u與轉(zhuǎn)向角干預(yù)用以補(bǔ)償橫擺角扭矩的制動過程圖像仿真結(jié)果。
如下圖表示了在自動換道過程中針對標(biāo)準(zhǔn)橫擺角運(yùn)動過程中轉(zhuǎn)向角與制動干預(yù)過程的曲線圖。
在轉(zhuǎn)向過度和分割μ情況下，扭矩疊加可確保駕駛員能夠穩(wěn)定轉(zhuǎn)向。在轉(zhuǎn)向不足的情況下，汽車會通過前軸趨向外部，系統(tǒng)不應(yīng)如此迅速地轉(zhuǎn)向超過最大側(cè)向力的方向。大多數(shù)情況下，上層系統(tǒng)可通過進(jìn)一步發(fā)送轉(zhuǎn)向請求來自動應(yīng)對這種情況。駕駛員指導(dǎo)建議書鼓勵駕駛員停止轉(zhuǎn)動方向盤，然后重新?lián)芑亍Ｈ绻^了轉(zhuǎn)向角極限δlim，則會造成觸發(fā)扭矩MDSR產(chǎn)生疊加。僅當(dāng)駕駛員恢復(fù)了方向盤轉(zhuǎn)角δ時，它才會回彈。對于給定的摩擦系數(shù)，這可在前軸處提供最大的橫向抓地力。
如下圖表示了扭矩疊加過程中的系統(tǒng)轉(zhuǎn)向角發(fā)送過程以及在不同的速度和摩擦系數(shù)中，相應(yīng)的輪胎力大小仿真結(jié)果值。
智能汽車主機(jī)廠和供應(yīng)商一致認(rèn)為，控制車輛動力學(xué)的系統(tǒng)將越來越緊密地聯(lián)系在一起。諸如全局底盤控制（GCC）之類的概念通過集成主動底盤系統(tǒng)為駕駛動力，穩(wěn)定性和舒適性開辟了新的領(lǐng)域。目標(biāo)是優(yōu)化每個系統(tǒng)的潛力，并將其集成到智能的整體系統(tǒng)中。AUTOSAR硬件和軟件將支持功能集成。控制車輛動力學(xué)的鏈接系統(tǒng)是一個正在進(jìn)行的項(xiàng)目。目前正在針對以下挑戰(zhàn)進(jìn)行深入研究：
– 確定可以并希望通過控制系統(tǒng)確定汽車特性的區(qū)域
– 為給定的智能汽車家族組裝最佳的主動系統(tǒng)產(chǎn)品組合
– 針對給定的智能汽車電子架構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)箱控制功能，以應(yīng)對復(fù)雜性
對于所有主機(jī)廠來說，全面的車輛動力學(xué)控制協(xié)調(diào)概念的目標(biāo)還有很長的路要走。盡管如此，有關(guān)目標(biāo)仍存在一致意見。
在正常情況下，底盤控制應(yīng)提供最大的舒適度和娛樂性。主機(jī)廠擁有創(chuàng)建個人汽車角色的所有自由。在處于摩擦極限的臨界情況下，每個可用的執(zhí)行器都將起作用，自適應(yīng)的主動底盤控制將幫助駕駛員避免發(fā)生意外。
