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控制新一代自動(dòng)駕駛汽車(chē)的剎車(chē)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
發(fā)布時(shí)間：2020-08-05 瀏覽：2065次
我們對(duì)控制自動(dòng)駕駛汽車(chē)的期待會(huì)推動(dòng)制動(dòng)技術(shù)和新的轉(zhuǎn)向概念實(shí)現(xiàn)飛躍
想象這樣一個(gè)世界：機(jī)器人出租車(chē)載著我們快速地從一個(gè)地方到另一個(gè)地方,，食品雜貨從訂購(gòu)到送貨上門(mén),，整個(gè)過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)。
感覺(jué)這樣的世界觸手可及，自動(dòng)駕駛汽車(chē)會(huì)自動(dòng)浮現(xiàn)在我們的腦海里,，但在這項(xiàng)技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)之前,，它所面臨的挑戰(zhàn)是復(fù)雜多樣的,。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn),，汽車(chē)和許多系統(tǒng)必須進(jìn)行徹底的改變，如控制剎車(chē)和轉(zhuǎn)向功能的系統(tǒng),。
一旦人類(lèi)把對(duì)汽車(chē)的控制交給計(jì)算機(jī),，那么已經(jīng)存在了一個(gè)多世紀(jì)的傳統(tǒng)人機(jī)界面(HMIs)就沒(méi)有繼續(xù)存在的必要了——5級(jí)自動(dòng)駕駛汽車(chē)根本就不需要方向盤(pán)或踏板。
雖然這為設(shè)計(jì)師提供了優(yōu)化艙室空間和布局的機(jī)會(huì),，但也帶來(lái)了重大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：
l 如果沒(méi)有方向盤(pán)和踏板,，汽車(chē)線控E/E系統(tǒng)能完全取代這些系統(tǒng)嗎？
l 如何保證乘客的安全——尤其是在系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下,？
l 線控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是應(yīng)對(duì)自動(dòng)駕駛挑戰(zhàn)的解決方案嗎,？
汽車(chē)線控系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)用到一些人為控制的車(chē)輛上了，特別是從2013年開(kāi)始安裝在英菲尼迪Q50和Q60上的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng),，但是它們并沒(méi)有被消費(fèi)者廣泛接受,，因?yàn)閯x車(chē)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全性需要冗余，而這會(huì)增加成本和重量,。
盡管存在這些挑戰(zhàn),，一些制造商仍在繼續(xù)改進(jìn)和開(kāi)發(fā)將應(yīng)用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)的線控系統(tǒng)。
2018年底,，沃爾沃汽車(chē)開(kāi)始使用創(chuàng)新的線控技術(shù)進(jìn)行先進(jìn)的汽車(chē)測(cè)試,，該技術(shù)被稱(chēng)為Flex-o，由測(cè)試系統(tǒng)供應(yīng)商AB Dynamics開(kāi)發(fā),。該系統(tǒng)可以使測(cè)試車(chē)輛直接通過(guò)CAN總線駕駛,，而不需要人類(lèi)司機(jī)或機(jī)器人。
通常,，為了客觀測(cè)試汽車(chē)性能，需要安裝的硬件包括一個(gè)轉(zhuǎn)向機(jī)器人,、踏板機(jī)器人,、一個(gè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄器和一個(gè)運(yùn)動(dòng)包,。這些技術(shù)結(jié)合在一起,，可以比人類(lèi)測(cè)試駕駛員更安全、更準(zhǔn)確地控制車(chē)輛,，誤差在20毫米以?xún)?nèi),。有了AB Dynamics進(jìn)的路線跟蹤和速度控制技術(shù),，可以達(dá)到這個(gè)精準(zhǔn)度和重復(fù)性。
Flex-o也有可能成為測(cè)試未來(lái)自動(dòng)駕駛車(chē)輛系統(tǒng)的關(guān)鍵工具,。隨著業(yè)界對(duì)此類(lèi)系統(tǒng)的測(cè)試和驗(yàn)證需求了解的更多,，將需要在安全復(fù)制真實(shí)環(huán)境和情況的場(chǎng)景下進(jìn)行測(cè)試。
另一家公司將自己定位為自動(dòng)駕駛技術(shù)供應(yīng)商,，德國(guó)汽車(chē)供應(yīng)商舍弗勒,，從Paravan GmbH收購(gòu)了Space Drive線控驅(qū)動(dòng)技術(shù)。
根據(jù)Paravan的主頁(yè),，Space Drive系統(tǒng)可以讓那些殘存強(qiáng)度低,，運(yùn)動(dòng)能力差的人甚至沒(méi)有四肢的人都能安全地駕駛汽車(chē)。該系統(tǒng)允許操作人員使用由微處理器控制的駕駛輔助裝置激活剎車(chē),、油門(mén)和方向盤(pán),，微處理器將信號(hào)傳輸給剎車(chē)、油門(mén)和轉(zhuǎn)向的伺服電機(jī),，以納秒為單位,。
該系統(tǒng)在客戶車(chē)輛中無(wú)事故駕駛超過(guò)5億公里，其圍繞三重冗余設(shè)計(jì),，根據(jù)IPC-A-6003流程制造,，符合ISO 26262 ASIL D級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
創(chuàng)建安全的線控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是關(guān)鍵
如果自動(dòng)駕駛汽車(chē)要贏得消費(fèi)者的信任,，必須證明它們是安全的,；即使在信號(hào)傳輸中斷或子系統(tǒng)故障時(shí)也可以保持機(jī)動(dòng)性。開(kāi)發(fā)中的挑戰(zhàn)在于以可接受的成本為這些必不可少的冗余創(chuàng)建智能解決方案,。
可以在系統(tǒng)內(nèi)部或外部創(chuàng)建冗余：
l 故障安全-這意味著在發(fā)生故障的情況下,，可以恢復(fù)方向盤(pán)與方向盤(pán)之間的機(jī)械或液壓連接
l 操作失敗-沒(méi)有機(jī)械鏈接作為回退。
例如,，一種故障操作解決方案是添加第二個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)或帶有兩個(gè)單獨(dú)繞組的轉(zhuǎn)向電機(jī),。
例如，電動(dòng)汽車(chē)的牽引電機(jī)或剎車(chē)也可以用一種可控的方式(扭矩矢量控制)來(lái)操縱前輪,。通過(guò)改變車(chē)輪的牽引力或制動(dòng)力,，它們可以在需要時(shí)執(zhí)行轉(zhuǎn)向功能，因此車(chē)輛將保持安全駕駛,。
考慮自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的冗余
雖然常見(jiàn)的冗余解決方案是增加關(guān)鍵部件的數(shù)量,，如博世的電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)的故障操作功能，但這些系統(tǒng)增加了復(fù)雜性,、成本和重量,。
為了避免這些弊端，一些機(jī)構(gòu)正在研究用差速制動(dòng)來(lái)控制車(chē)輛的方向,。
2018年,，沃爾沃汽車(chē)公司(Volvo Cars)的M. Jonasson和英國(guó)皇家理工學(xué)院(Royal Institute of Technology)的M. Thor在一篇題為《使用差速制動(dòng)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)的轉(zhuǎn)向冗余》的研究論文中,，提出了基于制動(dòng)系統(tǒng)的冗余系統(tǒng)，作為故障操作備份,。
為了確保車(chē)輛在完全失去EPAS的轉(zhuǎn)向扭矩后沿著期望的路徑行駛,，此文描述了如何通過(guò)對(duì)車(chē)輛內(nèi)側(cè)車(chē)輪施加制動(dòng)，在自動(dòng)駕駛車(chē)輛提供故障操作控制的情況下,，使用差速制動(dòng)來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)車(chē)輛,。
為了研究這一概念的潛力，開(kāi)發(fā)了兩個(gè)具有差分輸入的車(chē)輛模型,。這些模型用于解釋和定義差速制動(dòng)可以達(dá)到的曲率極限,，以便以后通過(guò)試驗(yàn)車(chē)輛的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。
這里特別關(guān)注的是車(chē)輪懸架效果,，它可以顯著影響預(yù)期軌跡,。因此，對(duì)車(chē)輪懸架效應(yīng)造成的車(chē)輛行為及其進(jìn)行了細(xì)致的定義和記錄,。
開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于模型的控制器,，在車(chē)輛發(fā)生轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障時(shí)，通過(guò)差速制動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向,。這個(gè)控制器設(shè)計(jì)初衷在于補(bǔ)償在控制事件中可能出現(xiàn)的車(chē)輪角度擾動(dòng),，該控制器在一個(gè)模型中進(jìn)行了測(cè)試，車(chē)輛以70公里小時(shí)的速度直行,，在200米的道路半徑之前發(fā)生了誘導(dǎo)轉(zhuǎn)向故障,。
對(duì)開(kāi)發(fā)的車(chē)輛模型的分析和在真實(shí)世界的車(chē)輛測(cè)試表明，差速制動(dòng)可以替代前軸轉(zhuǎn)向作為自動(dòng)駕駛汽車(chē)的容錯(cuò)控制而存在,。然而,，與轉(zhuǎn)向相比，在曲率和側(cè)向加速度的大小上有實(shí)際受限,。
這些系統(tǒng)能交付嗎?
前提是假定剎車(chē)系統(tǒng)正常運(yùn)行,，而且剎車(chē)系統(tǒng)本身也有冗余，由此提出一個(gè)問(wèn)題：線控剎車(chē)系統(tǒng)是否能交付,？
這個(gè)問(wèn)題的答案似乎很簡(jiǎn)單——Chassis Brakes International的客戶線組織經(jīng)理Bastien Russery表示：“如果有四個(gè)自動(dòng)剎車(chē),，自然就有了冗余。如果有一個(gè)剎車(chē)有缺陷,，那么其他三個(gè)仍然可用來(lái)剎停車(chē)輛,，并且有缺陷的那個(gè)可以單獨(dú)調(diào)整，以保持車(chē)輛在控制之下,。除非儀表盤(pán)上的指示燈告訴你有故障，否則你可能永遠(yuǎn)不會(huì)意識(shí)到有問(wèn)題” ,。
該公司的“智能制動(dòng)”線控制動(dòng)概念也不需要真空助力器,、軟管,、夾鉗和液壓液，以及填充和排氣系統(tǒng)所需的“疏散和填充”過(guò)程,。這改善了包裝和耐撞性,，并消除了由制動(dòng)液造成的潛在環(huán)境危害。此外,，剎車(chē)性能和手感可以通過(guò)軟件設(shè)置,，零部件可以在汽車(chē)制造商的產(chǎn)品線中甚至在原始設(shè)備制造商之間通用。
此外,，在緊急情況下,，擁有先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)的車(chē)輛可以掃描前方道路，確定行動(dòng)路線,，查看來(lái)自司機(jī)的輸入,，并通過(guò)制動(dòng)單個(gè)車(chē)輪來(lái)調(diào)整它們，以增加或減少轉(zhuǎn)向角度并作出反應(yīng),。利用從輪胎獲得的信息,，車(chē)輛動(dòng)力學(xué)控制器將能夠使用有效和節(jié)能的方法優(yōu)化每個(gè)輪胎的可用摩擦力。
智能剎車(chē)系統(tǒng)計(jì)劃在2030年左右批量生產(chǎn),，這與預(yù)計(jì)的電動(dòng)汽車(chē)使用量大致一致,。
如果汽車(chē)線控概念不僅被視為一種新型的控制系統(tǒng)，而且還被視為一種具有眾多技術(shù)和功能協(xié)同效應(yīng)的車(chē)輛整體動(dòng)態(tài)系統(tǒng),，那么該技術(shù)將擁有巨大的優(yōu)勢(shì)和可能性,。更重要的是，隨著自動(dòng)駕駛的普及,，線控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在控制系統(tǒng)市場(chǎng)中的份額極有可能大幅增長(zhǎng)——據(jù)研究公司Markets & Markets預(yù)測(cè),，2018年至2025年，線控驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)的復(fù)合年增長(zhǎng)率為8.86%,。2018年的市場(chǎng)規(guī)模為191.2億美元,，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到346.3億美元。
對(duì)于制造商來(lái)說(shuō),，隨著電動(dòng)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的大量推出,，了解線控技術(shù)的機(jī)遇、市場(chǎng)和挑戰(zhàn)變得越來(lái)越重要,。
