底盤性能控制的案例
基于四輪轉向和直接橫擺力矩控制的路徑跟蹤集成底盤控制算法設計
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同濟智能汽車研究所
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編者按：
自動駕駛技術的研究主要包括感知層、決策規劃層和控制層等方面，其中控制層的任務是根據決策規劃層輸出的參考軌跡，結合車輛自身狀態，對車輛進行橫縱向控制從而實現軌跡的跟隨。近年來，底盤的電控系統功能日益豐富，控制策略日益成熟，為了獲得更好的跟蹤和操縱性能，對于車輛底盤集成控制的研究受到了廣泛的關注。本文考慮將四輪轉向和直接橫擺力矩控制結合起來實現底盤的集成控制，在單車道、彎道和雙車道等多個場景下，對比主動前輪轉向、四輪轉向和主動前轉向+直接橫擺力矩控制等三種控制策略，驗證提出的控制策略的有效性和魯棒性，為底盤集成控制策略的開發提供了參考。
摘要：本文重點介紹利用四輪轉向和直接橫擺力矩控制實現路徑跟蹤的底盤集成控制算法設計。設計的底盤集成控制算法主要由三部分組成：(1) 考慮參數不確定性、外部擾動、測量噪聲和未建模的動力學特性，利用μ合成方法設計用于路徑跟蹤的魯棒控制器；(2) 提出了控制分配算法，基于加權最小二乘法將輸出扭矩需求分配給每個輪轂電機；(3) 考慮到車輛橫向速度是路徑跟蹤控制的關鍵狀態變量，由于使用低成本傳感器不易測量，因此利用無跡卡爾曼濾波器設計了狀態觀測器，進行橫向速度的估計。為了驗證所設計的底盤集成控制算法的性能，在MATLAB/Simulink中進行了單車道變換、彎道變換和雙車道變換等三種仿真工況，并在CarSim中構建了精度較高的整車模型。
展開 集度汽車：高精度駕駛模擬技術加速電控底盤性能開發 | 蓋世汽車2021中國汽車智能底盤大會
由蓋世汽車主辦的2021中國汽車智能底盤大會將于11月18-19日在上海汽車城瑞立酒店舉辦。
嘉賓信息
舒進 博士
集度汽車整車集成總監
舒進女士畢業于北京理工大學車輛工程專業，工學博士
從業17年，主要從事車輛性能開發，底盤及整車架構開發，電控懸架及轉向系統開發，智能底盤相關產品研發等；
負責過上汽通用多個自主車型及整車架構的整車動力學性能及底盤架構開發；獲得多項上汽集團及中國汽車工業科學技術獎等重要獎項，并有多個專利及論文發表。
底盤域控制器（CDC）
概述
域控制器是汽車電子電器的發展方向，這一點已經得到了業界的廣泛共識。與車身域、自動駕駛域、智能座艙域比較成熟的方案相比，底盤域的起步相對較晚。作為車輛運行過程中安全性、舒適性、穩定性重要載體的底盤，域控制器的解決方案也得到越來越多OEM的重視。
底盤域可集成的功能多樣，常見的有空氣彈簧的控制、懸架阻尼器的控制、后輪轉向功能、電子穩定桿功能、轉向柱位置控制功能等。通過與智能執行器的結合，預留足夠算力的底盤域控制器可以支持集成整車制動、轉向、懸架等車輛橫向、縱向、垂向相關的控制功能。
產品功能
底盤域控制器的產品功能可涵蓋如下方面：
?? 車身高度控制
?? 車身剛度控制
?? 阻尼連續可調減震器控制
?? 后輪轉向控制
?? 轉向管柱位置控制等
在上述功能的基礎上，OEM還可以根據整車架構集成車輛的其他控制功能，比如滿足VDA規范的制動功能、作為車輛Motion Control載體的車輛動態控制功能等。
產品框圖
產品特點
?? 高功能安全等級的MCU方案，預留足夠的空間和算力，便于功能拓展
?? 支持PSI5接口的高度/加速度傳感器
?? 支持AD接口的高度/加速度傳感器
?? 支持PWM接口的高度/加速度傳感器
?? 兼容CDC/MRD閥的驅動
?? 緩沖器電磁閥H橋驅動
?? 緩沖器電磁閥控制回路高精度電流采樣
?? 預留IMU提供6自由度加速度信息
?? 支持100M 以太網
?? 支持CANFD
?? 支持XCP協議
展開 懸架設計對底盤性能的要求
汽車的固有頻率是衡量汽車平順性的重要參數，它由懸架剛度和懸架彈簧支承的質量（簧載質量）所決定。人體所習慣的垂直振動頻率約為1～1.6Hz。車身振動的固有頻率應接近或處于人體適應的頻率范圍，才能滿足舒適性要求。固有頻率按下式計算：
式中：g-重力加速度； f-懸架垂直變形（撓度） M-懸架簧載質量
C(=Mg/f)-懸架剛度是指懸架產生單位垂直壓縮變形所需加于懸架上的垂直載荷 從固有頻率公式可以看出，在懸架垂直載荷 一定時，懸架剛度越小，固有頻率就越低
但懸架剛度越小，載荷一定時懸架設計垂直變形就越大。這樣若無有足夠大的限位行程，就會使撞擊限位塊的概率增加。若固有頻率選取過低，很可能會出現制動點頭角，轉彎側貨角，空載和滿載車身高度變化過大。一般貨車固有頻率是1.5～2Hz，旅行客車1.2～1.8Hz，高級轎車1～1.3Hz。另外，當懸架剛度一定時，簧載質量越大，懸架垂直變形也愈大，而固有頻率越低。空車時的固有頻率要比滿載時的高。簧載質量變化范圍大，固有頻率變化范圍也大。為了使空載和滿載固有頻率保持一定或很小變化，需要把懸架剛度做成可變或可調的。
影響汽車平順性的另一個懸架指標是簧載質量。簧載質量分為簧上質量與簧下質量兩部分，由彈性元件承載的部分質量，如車身、車架及其它所有彈簧以上的部件和載荷屬于簧上質量。車輪、非獨立懸架的車軸等屬于簧下質量，也叫非簧載質量M。如果減小非簧載質量可使車身振動頻率降低，而車輪振動頻率升高，這對減少共振，改善汽車的平順性是有利的。非簧載質量對平順性的影響，常用非簧載質量和簧載質量之比m/M進行評價，此比值越小越佳。
影響汽車平順性的另一重要指標是阻尼比Ψ，它表達為： k-代表懸架阻尼元件的阻力系數。
Ψ值取大，能使振動迅速衰減，但會把路面較大的沖擊傳遞到車身，Ψ值取小，振動衰減慢，受沖擊后振動持續時間長，使乘客感到不舒服
展開 
智能駕駛中的底盤控制技術優化設計方案
一方面承接了與ADAS /ADS的信息交互，另一方面建立了底盤各個執行器之間的聯系，使各子系統能夠產生交互作用。VMC 產品作為一款軟件，理論上它可以集成在某個特定的ECU內，包含加速、減速、轉向的總體控制能力。
圖 與VMC相關的子系統
為應對未來多樣化的駕駛需求：其智能駕駛研發能力建設中，我們為什么需要VMC呢？
在技術層面，與傳統的機械制動方式相比，線控制動的最主要特點是：
1. 反應更快，能在更短的時間內剎車；
2. 結構更簡單，重量更輕；
3. 能量回收能力強，將剎車過程中摩擦產生的能量都有效利用，延長續航里程；
4. 有備用制動系統，提供冗余功能。
輔助駕駛系統如ACC, LKA, APA會越來越多，底盤執行器（如ESC,EPS,AKC, CDC,ERC等）也會越來越多。后續需要逐漸解決如下一些子問題項：— 如何妥善構建不同底盤子系統的網絡，將成為解決ADAS/ADS系統功能及軟件開發的巨大的挑戰；— 新的底盤子網絡下將會借此產生新的子功能，提供與ADAS的交互能力；— 新的底盤域控制能力將在側向、縱向和垂向上分別進行運動學控制；
通過VMC(底盤域控制)建立執行器之間的交互，可以提升車輛的動態性能。整車可實現簡化ADAS和執行器之間的交互過程，ADAS負責軌跡規劃，VMC負責軌跡跟蹤。
如上圖表示了一種將VMC放入到智能駕駛單元進行控制的過程圖，其中同一款車型中搭載了不同的智能駕駛配置，一般以L2和L3進行區分。
展開 智能駕駛中的底盤控制技術優化設計方案
一方面承接了與ADAS /ADS的信息交互，另一方面建立了底盤各個執行器之間的聯系，使各子系統能夠產生交互作用。VMC 產品作為一款軟件，理論上它可以集成在某個特定的ECU內，包含加速、減速、轉向的總體控制能力。
圖 與VMC相關的子系統
為應對未來多樣化的駕駛需求：其智能駕駛研發能力建設中，我們為什么需要VMC呢？
在技術層面，與傳統的機械制動方式相比，線控制動的最主要特點是：
1. 反應更快，能在更短的時間內剎車；
2. 結構更簡單，重量更輕；
3. 能量回收能力強，將剎車過程中摩擦產生的能量都有效利用，延長續航里程；
4. 有備用制動系統，提供冗余功能。
輔助駕駛系統如ACC, LKA, APA會越來越多，底盤執行器（如ESC,EPS,AKC, CDC,ERC等）也會越來越多。后續需要逐漸解決如下一些子問題項：— 如何妥善構建不同底盤子系統的網絡，將成為解決ADAS/ADS系統功能及軟件開發的巨大的挑戰；— 新的底盤子網絡下將會借此產生新的子功能，提供與ADAS的交互能力；— 新的底盤域控制能力將在側向、縱向和垂向上分別進行運動學控制；
通過VMC(底盤域控制)建立執行器之間的交互，可以提升車輛的動態性能。整車可實現簡化ADAS和執行器之間的交互過程，ADAS負責軌跡規劃，VMC負責軌跡跟蹤。
如上圖表示了一種將VMC放入到智能駕駛單元進行控制的過程圖，其中同一款車型中搭載了不同的智能駕駛配置，一般以L2和L3進行區分。
展開 汽車底盤襯套靜態性能分析步驟 ￥5
汽車底盤襯套靜態性能分析步驟1.pdf
車輛動力學與底盤性能開發（視頻）
http://www.yqgqt.org.cn/college/video/c10290
汽車底盤電子控制系統的安全性設計及質量保障
汽車底盤電子控制系統的安全性設計及質量保障
經緯恒潤全棧自研底盤域控制器量產
整車ECU數量驟減，線束布置不斷優化，控制功能不斷集中，域控制器作為整車EE架構中的核心控制單元，具有舉足輕重的作用。
汽車智能底盤是影響車輛運行過程中安全性、舒適性與穩定性的重要因素，智能底盤的發展對自動駕駛量產落地有著極其重要的意義。因此，底盤域控制器的解決方案也受到越來越多OEM 的重視。通過引入底盤域控制器，整車廠可以逐步實現“軟件定義底盤”的未來。通過縱、橫、垂的協調控制實現軌跡跟蹤，可以極大地節省開發成本、縮短開發周期，更易實現對于不同車型底盤多樣風格的定義和調教。據公開數據顯示，國內底盤域控制器2025年市場規模預計將達到30億元，2030年將超過600億元。
經緯恒潤緊跟行業發展趨勢，自主研發推出底盤域控制器，集減震器阻尼控制、空氣彈簧高度控制等功能為一體，簡化復雜的底盤控制系統結構。同時，還可以集成后輪轉向、電子穩定桿、轉向柱位置控制、發動機懸置等功能。通過與智能執行器的結合，預留足夠算力的底盤域控制器可以支持集成整車轉向、制動、懸架等車輛橫、縱、垂向相關的控制功能，完成整車的高水平底盤協調控制與車輛運動軌跡控制。目前，經緯恒潤底盤域控制器已實現全棧自研，控制器、底軟、空簧、懸架算法模塊均已實現量產，并實現了迎送賓、主動預測、魔毯懸架等功能，為整車底盤域控算法進一步積累了經驗，向著高級自動駕駛又邁出了堅實的一步！
自2021年起，經緯恒潤開始布局底盤域控制器方向，致力于提供軟件功能解耦平臺。三年內成功進入蔚來、長安體系，連續實現量產。與此同時，更多模塊的自研算法、執行器PPK模塊也在布局和設計中，預計2024年陸續發布。
未來，經緯恒潤底盤產品將在轉向、制動、懸架、域控融合等電控系統方向全面發力，在智能化、線控化、綠色節能、安全高效方面持續加大研發投入。
展開 基于耗散性理論的汽車底盤集成非線性魯棒約束優化控制
忽略空氣阻力和車身的縱向、垂向、俯仰和側傾運動自由度,建立包含車身側向和橫擺運動自由度的汽車底盤集成控制模型,如圖１所示。
汽車底盤集成非線性L２增益控制
本節在Backstepping設計架構下,基于非線性魯棒控制理論設計汽車底盤集成非線性L2增益控制律,抑制系統的加性不確定性對系統性能輸出的影響。同時,借助投影修正法在汽車底盤集成非線性L2增益控制律中引入系統乘性不確定性自適應律,通過實時估計和補償系統的乘性不確定性來抑制其對系統性能輸出的影響,進一步降低系統的保守性。由AFS和DYC的集成控制目標,可得系統的性能輸出為
校正橫擺力矩約束優化分配
在式(37)描述的目標函數權重矩陣中引入平滑過渡因子,可以使AFS子系統主要工作在汽車質心側偏角相平面穩定區域內。同時,汽車質心側偏角相軌跡越靠近相平面穩定邊界,AFS子系統的權重越大,使得AFS子系統和DYC子系統在提升汽車操縱穩定性方面由共同主導作用平滑過渡到僅DYC子系統起主導作用。綜上將校正橫擺力矩約束優化問題轉化為如下的非線性規劃問題:
仿真結果及分析
本節采用汽車動力學仿真軟件CarSim構建模型在環測試系統,對所提出的汽車底盤集成非線性魯棒控制器的可行性和有效性進行仿真驗證。在仿真過程中,車輛參數與汽車底盤集成非線性魯棒控制器參數配置如表1所示。
展開 
#汽車工程#盤點五種創新底盤控制技術設備，讓安全更有保障
轉矩矢量系統可賦予車輛更靈活更具吸引力的駕駛操縱性能，抵消JUKE車型底盤離地間隙增高而給穩定性和轉向性帶來的負面影響。
2024年RecurDyn優秀案例競賽作品分享：核探測機器人底盤設計與越障性能仿真驗證
該機器人搭載多種探測傳感器并對關鍵驅控部分進行了輻射屏蔽，可在強輻射環境下完成探查、巡檢作業；該機器人的履帶移動底盤設計采用驅動輪與地面具有一定角度的離地角同時使誘導輪接地的方法以保證機器人具有較好的越障性能和地形適應能力；底盤設計了減震結構以減少機器人震動對探測器造成的影響。通過理論分析，確定了移動底盤相關參數并通過三維繪圖軟件SolidWorks建立了機器人三維模型，利用動力學仿真軟件RecurDyn對機器人底盤越障能力進行了仿真分析，得出了機器人在越障過程中其質心與驅動扭矩的變化關系，驗證了底盤越障可靠性，為實驗樣機的研制奠定了理論基礎。
關鍵詞：核探測機器人；履帶移動底盤；越障性能；動力學仿真
一、研究背景及目的
受核環境強電離輻射、毒性、污染控制的限制，對于有強放射物的反應堆、輻照裝置、核退役設施等建筑體內的處置任務，因工作人員無法進入事故現場進行事故處置工作，給核環境作業現場狀況分析和緊急處理帶來了極大困難。以核輻射環境機器人系統為代表的高性能、強適應、高效率的遙操作型危險作業高技術裝備，對開展核環境應急偵察、救援、處置等工作有極強的現實意義。核電站運行最關鍵的一環就是保證核電的安全利用，但涉核的地方往往都具有一定的輻射性，為避免輻射對工作人員的安全造成損傷，核環境作業機器人則是目前最優的選擇。由于我國對核電機器人技術的研究起步較晚，對相關技術的研究還不夠成熟，所以目前核電機器人在工業上的應用還受到很大的限制。
核環境的機器人不僅要能夠承受高強度的輻射，還要具有較好的越障與機動性能。針對上述問題，對核環境機器人研究的基礎上設計了一款可用于強輻射場環境、具有較好通過性和地形適應能力同時附有減震系統的核探測機器人。
展開 高性能自動駕駛域控制器的關鍵要素設計
SOC的外圍存儲控制器之間需要做各種數據交換和同步，一般都是采用PCI-E，這將增加其連接上對通道數量的消耗。對于一般的車載域控制器端，普遍都是采用的多路存儲配置，去掉一些用于管理、內部嵌入式PCI-E設備的通道占用之后，需要的PCIe通道數也是相當可觀的，因此將多個獨立的控制器芯片連接到同一片Switch上，可以進行有效的信息交互。并可以覆蓋幾乎所有應用場景。當然需要在PCI-E Switch內部將對應的數據包進行地址映射翻譯進行Partition， 以便確保數據交互的有效性。
如上兩種數據連接Switch的作用主要有三個方面，其一是確保自動駕駛系統架構有效的實現雙冗余控制，其二是通過如上兩種線路Switch可以更好地實現時鐘同步，其三是通過線路可確保數據傳輸的帶寬足夠支撐整個自動駕駛數據的傳輸。
總結
自動駕駛高端域控制器的設計過程中需要涉及多個方面的內容，其中包含的硬件部分就有芯片、外圍存儲器、MCU車端邏輯控制、數據傳輸控制中介等方面。軟件部分更多的涉及如何在各個芯片內部放置不同的軟件算法模塊，以便在達到預期功能設定的同時更能提升軟件性能要求（這部分主要指軟件功能安全要求）。這兩方面設計要求系統工程師、軟件工程師、硬件工程師相互同理配合才能確保在設計之初能夠盡可能多的滿足后期開發需求。
展開 國內外電動汽車整車控制器(VCU)性能指標及設計思路
VCU性能參數——硬件性能參數：
（1）工作特性參數
工作電壓范圍：9～18V
功率消耗： ≤50W
儲存環境溫度： -40℃～90℃
工作環境溫度： -40℃～85℃
工作濕度： ≤90%，不結露
指令執行速度： ≥20MIPS
（2）I/O功能指標
采集油門踏板、剎車踏板、鑰匙信號、檔位信號等，控制車輛部件開關。
