智能網(wǎng)聯(lián)汽車 課件 項目五 智能網(wǎng)聯(lián)汽車決策規(guī)劃與控制執(zhí)行技術(shù)

項目五智能網(wǎng)聯(lián)汽車決策規(guī)劃與控制執(zhí)行技術(shù)認知智能網(wǎng)聯(lián)汽車決策規(guī)劃技術(shù)Annualworksummary1目錄01教學(xué)目標02教學(xué)內(nèi)容03課后練習(xí)教學(xué)目標0103能解釋決策規(guī)劃的要求01能描述決策規(guī)劃概念和內(nèi)容02能描述決策規(guī)劃的類型01通過環(huán)境感知系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生知道技術(shù)不斷進步，激發(fā)學(xué)生不斷學(xué)習(xí)的興趣。02引導(dǎo)學(xué)生樹立不斷探索的科學(xué)精神，提高科學(xué)素養(yǎng)。知識目標素質(zhì)目標04能說明圍決策規(guī)劃的方法教學(xué)內(nèi)容02

智能網(wǎng)聯(lián)汽車是集感知、決策和控制等功能于一體的自主交通工具，其中智能決策是依據(jù)感知信息來進行決策判斷，確定適當工作模型，制訂相應(yīng)控制策略，替代人類駕駛員做出駕駛決策，其功能如圖5-1-1所示。汽車決策規(guī)劃技術(shù)智能決策一、決策規(guī)劃的概念決策規(guī)劃匯集了所有重要的車輛周圍信息，不僅包括汽車本身的當前位置、速度、方向和所在車道，還包括汽車一定距離范圍內(nèi)與感知相關(guān)的所有重要障礙物體信息和預(yù)測軌跡，在所獲得信息的基礎(chǔ)上來確定汽車的駕駛策略。主要包括預(yù)測算法、行為規(guī)劃和動作規(guī)劃等。決策規(guī)劃是智能網(wǎng)聯(lián)汽車自動駕駛的關(guān)鍵部分之一，它首先融合多傳感信息，對周圍可能存在障礙物的目標狀態(tài)進行預(yù)測，然后根據(jù)駕駛需求進行行為決策，規(guī)劃出兩點間多條可選安全路徑，并在這些路徑中規(guī)劃選取一條最優(yōu)的路徑作為車輛行駛軌跡。一、決策規(guī)劃的概念決策規(guī)劃的基本效果如圖5-1-2所示。和人類駕駛員一樣，機器在做駕駛決定時需要回答幾個問題：我在哪兒？周圍的環(huán)境怎么樣？接下來會發(fā)生什么？我該做什么？這是一個基于信息感知進行決策的過程，具體如何決定需要自動駕駛的決策層完成。二、決策規(guī)劃層級結(jié)構(gòu)決策層包括環(huán)境認知和決策規(guī)劃兩部分，主要完成工作具體來說可分為兩個步驟：第一步認知理解，即依據(jù)感知層不同傳感器采集的信息，通過高精度地圖對智能網(wǎng)聯(lián)汽車自身的位置精確定位，同時對車輛周圍的環(huán)境信息和目標狀態(tài)進行精確感知；第二步?jīng)Q策規(guī)劃包含目標狀態(tài)預(yù)測、行為決策和路徑規(guī)劃，依據(jù)對智能網(wǎng)聯(lián)汽車周圍的目標狀態(tài)精確感知，準確預(yù)測未來可能發(fā)生的情況，對下一步行為進行正確判斷和決策，規(guī)劃并選擇適宜的路徑達到目標，如圖5-1-3所示。二、決策規(guī)劃層級結(jié)構(gòu)環(huán)境預(yù)測模塊作為決策規(guī)劃控制模塊的直接數(shù)據(jù)上游之一，其主要作用是對感知層所識別到的物體進行行為預(yù)測，并且將預(yù)測的結(jié)果轉(zhuǎn)化為時間空間維度的軌跡傳遞給后續(xù)模塊。通常感知層所輸出的物體信息包括位置、速度、方向等物理屬性，如圖5-1-4所示。01環(huán)境預(yù)測模塊環(huán)境預(yù)測二、決策規(guī)劃層級結(jié)構(gòu)行為決策模塊在整個自動駕駛決策規(guī)劃控制軟件系統(tǒng)中扮演著“副駕駛”的角色。這個層面匯集了所有重要的車輛周邊信息，不僅包括了自動駕駛汽車本身的實時位置、速度、方向，還包括車輛周邊一定距離以內(nèi)所有的相關(guān)障礙物信息以及預(yù)測的軌跡，如圖5-1-5所示。行為決策是根據(jù)路徑規(guī)劃目標，結(jié)合環(huán)境感知模塊對駕駛環(huán)境的描述，以及預(yù)測模塊對駕駛環(huán)境變化趨勢的預(yù)測，對車輛需要采取的行為作出規(guī)劃，如圖5-1-6所示。02行為決策模塊二、決策規(guī)劃層級結(jié)構(gòu)自動駕駛汽車規(guī)劃模塊包括動作規(guī)劃和路徑規(guī)劃兩部分。動作規(guī)劃模塊主要是對短期甚至是瞬時的動作進行規(guī)劃，例如轉(zhuǎn)彎、避障、超車等動作；而路徑規(guī)劃模塊是對較長時間內(nèi)車輛行駛路徑的規(guī)劃，例如從出發(fā)地到目的地之間的路線設(shè)計或選擇，如圖5-1-7所示。03動作規(guī)劃模塊動作規(guī)劃二、決策規(guī)劃層級結(jié)構(gòu)路徑規(guī)劃主要包含兩個步驟：建立包含障礙區(qū)域與自由區(qū)域的環(huán)境地圖，以及在環(huán)境地圖中選擇合適的路徑搜索算法，快速實時地搜索可行駛路徑。路徑規(guī)劃結(jié)果對車輛行駛起著導(dǎo)航作用，它引導(dǎo)車輛從當前位置行駛到達目標位置。環(huán)境地圖表示方法主要分為度量地圖表示法（如圖5-1-8所示）、拓撲地圖表示法（圖5-1-9所示）等。04路徑規(guī)劃模塊路徑規(guī)劃技術(shù)三、決策規(guī)劃的類型路徑規(guī)劃模塊需要根據(jù)局部環(huán)境感知、可用的全局車道級路徑、相關(guān)交通規(guī)則，提供能夠?qū)④囕v引導(dǎo)向目的地（或目的點）的路徑。路徑規(guī)劃可分為全局路徑規(guī)劃方法、局部路徑規(guī)劃方法和混合路徑規(guī)劃方法三種。從軌跡決策的角度考慮，根據(jù)事先對環(huán)境信息的已知程度，可把路徑規(guī)劃劃分為基于先驗完全信息的全局路徑規(guī)劃和基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃。三、決策規(guī)劃的類型全局路徑規(guī)劃是基于先驗完全信息，按照一定的算法搜尋一條最優(yōu)或者近似最優(yōu)的無碰撞路徑。例如，從上海到北京有很多條路，規(guī)劃出一條最優(yōu)行駛路線，即為全局規(guī)劃，如圖5-1-10所示。01全局路徑規(guī)劃三、決策規(guī)劃的類型局部路徑規(guī)劃是對環(huán)境局部未知或完全未知，是基于傳感器信息。隨著自主車輛的運動，通過傳感器為自主車輛提供有用的信息，從而能夠確定出障礙物和目標點的位置，規(guī)劃出一條由起始點到目標點的路徑，如圖5-1-11所示。02局部路徑規(guī)劃三、決策規(guī)劃的類型在全局規(guī)劃好的上海到北京的那條路線上會有其他車輛或者障礙物，想要避過這些障礙物或者車輛，需要轉(zhuǎn)向調(diào)整車道，這就是局部路徑規(guī)劃。從獲取障礙物信息是靜態(tài)或是動態(tài)的角度看，全局路徑規(guī)劃屬于靜態(tài)規(guī)劃（又稱離線規(guī)劃），局部路徑規(guī)劃屬于動態(tài)規(guī)劃（又稱在線規(guī)劃）。全局路徑規(guī)劃需要掌握所有的環(huán)境信息，是高精度地圖下的車道級尋徑問題，解決的是起點到終點的最佳道路行駛序列；局部路徑規(guī)劃只需要由傳感器實時采集環(huán)境信息，了解環(huán)境地圖信息，然后確定出所在地圖的位置及其局部的障礙物分布情況，從而可以選出從當前結(jié)點到某一子目標結(jié)點的最優(yōu)路徑。根據(jù)所研究環(huán)境的信息特點，路徑規(guī)劃還可分為離散域范圍內(nèi)的路徑規(guī)劃問題和連續(xù)域范圍內(nèi)的路徑規(guī)劃問題。離散域范圍內(nèi)的路徑規(guī)劃問題屬于一維靜態(tài)優(yōu)化問題，相當于環(huán)境信息簡化后的路線優(yōu)化問題；而連續(xù)域范圍內(nèi)的路徑規(guī)劃問題則是連續(xù)性多維動態(tài)環(huán)境下的問題。02局部路徑規(guī)劃四、決策規(guī)劃的要求決策規(guī)劃是自動駕駛進行行為決策和路徑規(guī)劃過程，該過程要完全符合人類對于駕駛性的預(yù)期，并且滿足安全、舒適、高效等性能和品質(zhì)的要求。具體表現(xiàn)在以下幾個方面：1.車輛應(yīng)該在自動避開所有障礙物的前提下，到達指定的目的地。2.車輛安全到達目的地所用的時間最短，路程最短。3.采用的路徑簡單可靠，以便簡單實現(xiàn)對無人車的控制。4.車輛行駛的路徑盡量不重復(fù)或者少重復(fù)。5.車輛選用合適的行駛策略，減少車輛的能量消耗。五、決策規(guī)劃的方法目標狀態(tài)預(yù)測，是對智能網(wǎng)聯(lián)汽車周邊的目標（人、車、物等）進行未來比較短時間內(nèi)的行為和軌跡預(yù)測，該預(yù)測信息可附加在目標感知結(jié)果中，與環(huán)境感知信息一并發(fā)送給下層的決策端，為汽車安全決策規(guī)劃提供信息依據(jù)。目標狀態(tài)預(yù)測主要解決兩大類問題：一是目標的行為預(yù)測（包括靜止、左行、右行或直行等）；二是目標的軌跡預(yù)測（包含位置、時間戳、速度、角度、加速度等信息）。通過辨識目標的行為和擬合運動軌跡，實現(xiàn)對目標的狀態(tài)預(yù)測。當前主流的目標狀態(tài)預(yù)測方法主要包括三種：（1）基于運動模型的卡爾曼濾波方法（2）基于馬爾可夫鏈的預(yù)測方法（3）基于數(shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法01目標狀態(tài)預(yù)測五、決策規(guī)劃的方法智能網(wǎng)聯(lián)汽車行為決策系統(tǒng)指通過傳感器感知得到交通環(huán)境信息，考慮周邊環(huán)境、動靜態(tài)障礙物、車輛匯入以及讓行規(guī)則等，與智能駕駛庫中的經(jīng)驗知識等進行匹配，進而選擇適合當前交通環(huán)境下的駕駛策略。這種駕駛策略一般指的是在某個特定狀態(tài)下，是變道、跟隨還是超車等宏觀意義上的駕駛行為。行為決策的目標主要是保證智能網(wǎng)聯(lián)汽車可以像人類一樣產(chǎn)生安全的駕駛行為，滿足車輛安全性能、遵守交通法規(guī)等原則。智能網(wǎng)聯(lián)汽車的行為決策方法包括基于規(guī)則的行為決策方法和基于強化學(xué)習(xí)的行為決策方法。02行為決策五、決策規(guī)劃的方法路徑規(guī)劃是智能網(wǎng)聯(lián)汽車實現(xiàn)自主駕駛的基礎(chǔ)，其作用是在當前工作環(huán)境中按照某種性能指標搜索出一條從起點到終點的最優(yōu)或次優(yōu)路徑。嚴格意義上講，路徑規(guī)劃是將行為決策的宏觀指令解釋成一條帶有時間信息的軌跡曲線，包括軌跡規(guī)劃和速度規(guī)劃。路徑規(guī)劃是解決智能網(wǎng)聯(lián)汽車如何達到行使目標問題的上層模塊，它依賴于為智能聯(lián)網(wǎng)汽車駕駛定制的高精度地圖，與普通導(dǎo)航單純提供指引的性質(zhì)不同，智能網(wǎng)聯(lián)汽車的路徑規(guī)劃模塊需要提供能夠引導(dǎo)車輛正確駛向目的地的軌跡。這些軌跡至少要達到車道級導(dǎo)航的水平，而且軌跡上影響車輛行駛的周邊的環(huán)境也需要被準確描述和考慮，如圖5-1-12所示。03路徑規(guī)劃五、決策規(guī)劃的方法根據(jù)車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的研究歷程，智能網(wǎng)聯(lián)汽車路徑規(guī)劃算法可分為靜態(tài)路徑規(guī)劃算法和動態(tài)路徑算法。靜態(tài)路徑規(guī)劃是以物理地理信息和交通規(guī)則等條件為約束來尋求最短路徑，靜態(tài)路徑規(guī)劃算法已日趨成熟，相對比較簡單，但對于實際的交通狀況來說，其應(yīng)用意義不大。動態(tài)路徑規(guī)劃是在靜態(tài)路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上，結(jié)合實時的交通信息對預(yù)先規(guī)劃好的最優(yōu)行車路線進行適時的調(diào)整直至到達目的地最終得到最優(yōu)路徑。下面介紹幾種常見的車輛路徑規(guī)劃方法。03路徑規(guī)劃五、決策規(guī)劃的方法路徑規(guī)劃的功能根據(jù)路徑規(guī)劃給出的軌跡、行為規(guī)劃確定的駕駛模式，按照特定的動作去跟隨軌跡。這些具體的動作規(guī)劃發(fā)送給執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)車輛的運動控制。圖5-1-13所示，將當前的道路系統(tǒng)處理為有向網(wǎng)絡(luò)圖，這種有向網(wǎng)絡(luò)圖中可以表示道路和道路之間的各種連接、交通規(guī)則、道路寬度等，每一個有向邊都帶權(quán)重。然后，汽車的路徑規(guī)劃問題就變成了在路網(wǎng)圖中，為了使汽車能從從A點位置到達B點位置，在一定方法的基礎(chǔ)上，選擇最優(yōu)路徑，這就使路徑規(guī)劃問題成為有向網(wǎng)絡(luò)圖搜索問題。03路徑規(guī)劃五、決策規(guī)劃的方法智能網(wǎng)聯(lián)汽車路徑規(guī)劃中的路由尋徑也是解決汽車從A點到達B點的路由問題，但由于輸出結(jié)果沒有被駕駛員使用，而是給下游行為決策和行動規(guī)劃等模塊作為輸入，因此路徑規(guī)劃的層次應(yīng)該是更深入到高精度地圖所使用的車道級別。箭頭線段代表高精度地圖級別的道路劃分和方向，車道1，車道2，……，車道8構(gòu)成一系列用于路由輸出的路由段序列，汽車地圖級別的車道劃分與實際的自然道路劃分不一致，如圖5-1-14所示，車道2、車道5和車道7都表示由地圖定義繪制的“虛擬”轉(zhuǎn)彎車道。同樣，一條較長的實際道路也可分為若干車道。作為整個汽車決策控制規(guī)劃系統(tǒng)的最上游模塊，尋路模塊的輸出依賴于高精度地圖的繪制。03路徑規(guī)劃五、決策規(guī)劃的方法在目標狀態(tài)預(yù)測之后，需要對智能網(wǎng)聯(lián)汽車路徑進行規(guī)劃。路徑規(guī)劃的基本思路是：把需要解決的最短時間、最短距離、最少花費等問題轉(zhuǎn)變成求解最短路徑，因為只有找到了最短路徑，以上問題都將得到解決。其一般步驟主要包括環(huán)境建模、路徑搜索和路徑平滑三個環(huán)節(jié)，（1）環(huán)境建模環(huán)境建模是路徑規(guī)劃的重要環(huán)節(jié)，目的是建立一個便于計算機進行路徑規(guī)劃所使用的環(huán)境模型，即將實際的物理空間抽象成算法能夠處理的抽象空間，實現(xiàn)相互間的映射。（2）路徑搜索路徑搜索階段是在環(huán)境模型的基礎(chǔ)上應(yīng)用相應(yīng)算法尋找一條行走路徑，使預(yù)定的性能函數(shù)獲得最優(yōu)值。04路徑規(guī)劃步驟五、決策規(guī)劃的方法（3）路徑平滑通過相應(yīng)算法搜索出的路徑并不一定是一條運動體可以行走的可行路徑，需要作進一步處理與平滑才能使其成為一條實際可行的路徑。對于離散域范圍內(nèi)的路徑規(guī)劃問題，或者在環(huán)境建?；蚵窂剿阉髑凹航?jīng)做好路徑可行性分析的問題，路徑平滑環(huán)節(jié)可以省去。04路徑規(guī)劃步驟謝謝項目五智能網(wǎng)聯(lián)汽車決策規(guī)劃與控制執(zhí)行技術(shù)認知智能網(wǎng)聯(lián)汽車控制執(zhí)行技術(shù)Annualworksummary2目錄01教學(xué)目標02教學(xué)內(nèi)容教學(xué)目標0103能解釋環(huán)境感知的應(yīng)用范圍01能描述環(huán)境感知系統(tǒng)概念和內(nèi)容02.能描述環(huán)境感知系統(tǒng)組成01通過環(huán)境感知系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生知道技術(shù)不斷進步，激發(fā)學(xué)生不斷學(xué)習(xí)的興趣。02引導(dǎo)學(xué)生樹立不斷探索的科學(xué)精神，提高科學(xué)素養(yǎng)。知識目標素質(zhì)目標教學(xué)內(nèi)容02

自動駕駛要實現(xiàn)對車輛的運動和車身電器進行自動控制，需要相應(yīng)的線控系統(tǒng)來滿足，其中車身電器系統(tǒng)用于實現(xiàn)對車輛內(nèi)外部燈光、車門以及人機交互界面等內(nèi)外部交互的控制，底盤線控系統(tǒng)用于實現(xiàn)對車輛運動的控制。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車的行為決策是基于環(huán)境感知和導(dǎo)航子系統(tǒng)的信息輸出，這包括選擇哪條車道，是否換車道，是否跟車，是否繞道，是否停車如圖5-2-1所示。

底盤線控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向、制動、驅(qū)動控制，其中制動部分包括行車制動、駐車制動與輔助制動，驅(qū)動系統(tǒng)（發(fā)動機、電機、混合動力控制）、傳動系統(tǒng)控制等，如圖5-2-2所示。其中線控轉(zhuǎn)向和線控制動是自動駕駛執(zhí)行端方向最核心的產(chǎn)品。一、控制執(zhí)行的概念控制執(zhí)行是整個自動駕駛系統(tǒng)的最后一環(huán)，是將環(huán)境感知，行為決策，路徑規(guī)劃的結(jié)論付諸實踐的執(zhí)行者。控制執(zhí)行系統(tǒng)將來自決策系統(tǒng)的路徑規(guī)劃落實到汽車機構(gòu)的動作上。控制過程的目標就是使車輛的位置、姿態(tài)、速度和加速度等重要參數(shù)，符合最新決策結(jié)果。二、控制執(zhí)行的類型智能網(wǎng)聯(lián)汽車的控制執(zhí)行是“人-車-路”組成的智能系統(tǒng)，從而完成自動駕駛和協(xié)同駕駛的落地部分，主要包括車輛的縱向運動控制和側(cè)向運動控制。縱向運動控制，即車輛的制動和驅(qū)動控制，如圖5-2-3所示。二、控制執(zhí)行的類型側(cè)向運動控制，即通過輪胎力的控制以及方向盤角度的調(diào)整，實現(xiàn)自動駕駛汽車的規(guī)劃路徑跟蹤，如圖5-2-4所示。這些縱向和側(cè)向控制是通過底盤線控技術(shù)來實現(xiàn)汽車自動駕駛。二、控制執(zhí)行的類型控制執(zhí)行需要借助復(fù)雜的汽車動力學(xué)完成主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)由軟件部分的智能車載操作系統(tǒng)與硬件部分的高性能車載集成計算平臺聯(lián)合組成。智能車載操作系統(tǒng)融合了內(nèi)容服務(wù)商和運營服務(wù)商的數(shù)據(jù)，以及車內(nèi)人機交互服務(wù)，能夠為乘客提供周到的個性化服務(wù)，目前的主流操作系統(tǒng)包括Windows、Linux、Android、QNX、YunOS(阿里云系統(tǒng))等。高性能車載集成計算平臺融合高精度地圖、傳感器、V2X的感知信息進行認知和最終的決策計算，目前主流硬件處理器包括FPGA、ASI、CGPU等型號。最終，決策的計算信息匯入車輛總線控制系統(tǒng)，完成執(zhí)行動作。三、控制執(zhí)行的方法PID控制簡稱比例、積分和微分控制。PID控制器結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)且能達到較好的控制效果，因此廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域。PID控制由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。PID控制通過調(diào)節(jié)比例、積分、微分實現(xiàn)系統(tǒng)的性能優(yōu)化，各調(diào)節(jié)參數(shù)的作用表現(xiàn)如表3-2-1所示。01PID控制三、控制執(zhí)行的方法模型預(yù)測控制（MPC）用于解決PID控制不易解決的多變量、多約束的優(yōu)化問題，具有處理線性和非線性模型、同時觀察系統(tǒng)約束和考慮未來行為的能力，近年來廣泛用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車路徑跟蹤控制。MPC主要由模型預(yù)測、滾動優(yōu)化和反饋調(diào)整3部分組成。02模型預(yù)測控制三、控制執(zhí)行的方法滑?？刂疲⊿MC）是一類特殊的非線性變結(jié)構(gòu)控制，其非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性，控制原理為根據(jù)系統(tǒng)所期望的動態(tài)特性來設(shè)計系統(tǒng)的切換超平面，通過滑動模態(tài)控制器使系統(tǒng)狀態(tài)從超平面之外向切換超平面收束；系統(tǒng)一旦到達切換超平面，控制作用將保證系統(tǒng)沿切換超平面到達系統(tǒng)原點，這一沿切換超平面向原點滑動的過程稱為滑?？刂啤；？刂芐MC對非線性系統(tǒng)以及未知干擾具有較強的魯棒性，然而單一的SMC往往不能滿足智能汽車控制的要求，因此，改進基于滑模變結(jié)構(gòu)的運動控制方法成為當前的研究重點，主要方向有融合比例微分控制、自適應(yīng)模糊控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的控制方法。03滑模控制四、線控技術(shù)線控技術(shù)是將駕駛員的操作動作經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)變成電信號來實現(xiàn)傳遞控制，替代傳統(tǒng)機械系統(tǒng)或者液壓系統(tǒng)，并由電信號直接控制執(zhí)行機構(gòu)以實現(xiàn)控制目的。由于線控系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)的氣動、液壓及機械連接，取而代之的是傳感器、控制單元及電磁執(zhí)行機構(gòu)，所以具有安全、響應(yīng)快、維護費用低、安裝測試簡單快捷的優(yōu)點。智能網(wǎng)聯(lián)線控技術(shù)主要是線控底盤，線控底盤主要由四大系統(tǒng)構(gòu)成，分別是線控轉(zhuǎn)向、線控制動、線控驅(qū)動和車身控制模塊，其中線控轉(zhuǎn)向和線控制動是自動駕駛執(zhí)行端方向最核心的產(chǎn)品。五、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW）是智能網(wǎng)聯(lián)汽車實現(xiàn)路徑跟蹤與避障避險必要的關(guān)鍵技術(shù)，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車實現(xiàn)自主轉(zhuǎn)向提供了良好的硬件基礎(chǔ)，其性能直接影響主動安全與駕乘體驗。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)的機械式轉(zhuǎn)向裝置，轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間無機械連接，可以減輕車體重量，消除路面沖擊，具有減小噪聲和隔震等優(yōu)點。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過在方向盤到車輪間增加主動控制電機，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主動控制。在傳統(tǒng)的電助力轉(zhuǎn)向車輛中，可以通過對助力電機的主動控制實現(xiàn)主動轉(zhuǎn)向，但是也需要在駕駛?cè)烁深A(yù)時主動控制系統(tǒng)能夠及時退出，滿足人工控制優(yōu)先的控制需求。五、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，主要由方向盤模塊、轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊和ECU三個主要部分以及自動防故障系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等輔助模塊組成，如圖5-2-6所示。01線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)五、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)⑴轉(zhuǎn)向盤模塊轉(zhuǎn)向盤模塊包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、扭矩電機。其主要功能是將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖，通過測量轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳遞給主控制器；同時接受ECU送來的力矩信號產(chǎn)生轉(zhuǎn)向盤回正力矩，向駕駛員提供相應(yīng)的路感信號。⑵轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊包括轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機、轉(zhuǎn)向電機控制器和前輪轉(zhuǎn)向組件等，其主要功能是接受ECU的命令，控制轉(zhuǎn)向電機實現(xiàn)要求的前輪轉(zhuǎn)角，完成駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。ECU對采集的信號進行分析處理，判別汽車的運動狀態(tài)，向扭矩電機和轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機發(fā)送命令，控制兩個電機的工作，其中轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機完成車輛航向角的控制，扭矩電機模擬產(chǎn)生方向盤回正力矩以保障駕駛員駕駛感受。01線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)五、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)⑶電源系統(tǒng)電源系統(tǒng)承擔控制器、執(zhí)行電機以及其他車用電機的供電任務(wù)，用以保證電網(wǎng)在大負荷下穩(wěn)定工作。⑷自動防故障系統(tǒng)自動防故障系統(tǒng)是保證在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障時，提供冗余式安全保障。它包括一系列監(jiān)控和實施算法，針對不同的故障形式和等級作出相應(yīng)處理，以求最大限度地保持汽車的正常行駛。當檢測到ECU、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機等關(guān)鍵零部件產(chǎn)生故障時，故障處理ECU自動工作，首先發(fā)出指令使ECU和轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機完全失效，其次緊急啟動故障執(zhí)行電機以保障車輛航向的安全控制。01線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)五、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤時，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器和轉(zhuǎn)向角傳感器將測量到的駕駛員意圖轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，連同整車其他的信號，如車速信號等，通過總線傳輸給ECU，ECU再根據(jù)設(shè)定好的算法計算出前輪轉(zhuǎn)角并將該信號傳遞給轉(zhuǎn)向電機完成轉(zhuǎn)向，另外通過轉(zhuǎn)向阻力傳感器獲得轉(zhuǎn)向阻力信息后，根據(jù)回正力矩算法，將回正力矩大小傳遞給駕駛員完成路感反饋。并根據(jù)轉(zhuǎn)向力模擬生成反饋轉(zhuǎn)矩，同時控制轉(zhuǎn)向電動機的旋轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)矩大小和旋轉(zhuǎn)角度，通過機械轉(zhuǎn)向裝置控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向位置，使汽車沿著駕駛員期望的軌跡行駛其原理如圖5-2-7所示。02線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理五、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)02線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理五、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)⑴轉(zhuǎn)向輸入當駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角位移傳感器檢測出駕駛員轉(zhuǎn)向意圖，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號連同車速信號、橫擺角速度信號、側(cè)向加速度信號、道路附著條件以及其他車輛行駛相關(guān)信息通過數(shù)據(jù)總線傳輸給線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ECU；⑵實現(xiàn)轉(zhuǎn)向ECU按照提前設(shè)定好的前輪轉(zhuǎn)角控制算法，計算出前輪轉(zhuǎn)角控制信號，并將其傳遞給轉(zhuǎn)向電機，進而控制轉(zhuǎn)向車輪輸出目標前輪轉(zhuǎn)角；⑶實現(xiàn)路感反饋ECU通過轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向阻力傳感器獲得轉(zhuǎn)向阻力信息，按照提前設(shè)定好的回正力矩計算方法，計算出回正力矩的大小，將其傳遞給轉(zhuǎn)向盤系統(tǒng)中的路感電機，使駕駛員獲得一定的反映路感信息的回正力矩；02線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理五、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)⑴電機故障對系統(tǒng)影響較大的故障分別是電機繞組斷相、電機繞組短路、開關(guān)管短路、開關(guān)管斷路、故障混合出現(xiàn)、旋變信號異常和溫度傳感器異常等，且出現(xiàn)頻率較高的故障有開關(guān)管斷路、旋變信號異常和溫度傳感器異常等。⑵傳感器故障對系統(tǒng)影響較大的故障分別是短路、開路和機械故障，雖然信號混入出現(xiàn)頻率較高但對系統(tǒng)的影響程度較低。⑶通信總線故障對系統(tǒng)影響較大的故障分別是接頭接觸不良、開路、總線初始化故障、總線發(fā)送超時故障、總線接收超時故障等，且出現(xiàn)頻率較高的故障主要是接頭接觸不良，雖然信號混入出現(xiàn)頻率較高但對系統(tǒng)的影響程度較低。目前的容錯方法從技術(shù)的角度可以分為兩大類:一類是依靠硬件備份的冗余技術(shù)，一類是依靠軟件的容錯算法技術(shù)。硬件冗余方法主要是通過對重要部件及易發(fā)生故障部件提供備份，以提高系統(tǒng)的容錯性能；軟件冗余方法主要是依靠控制器的容錯算法來提高整個系統(tǒng)的冗余度，從而改善系統(tǒng)的容錯性能。03線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的容錯技術(shù)六、線控驅(qū)動技術(shù)線控驅(qū)動系統(tǒng)（DBW），是智能網(wǎng)聯(lián)汽車實現(xiàn)的必要關(guān)鍵技術(shù)，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車實現(xiàn)自主行駛提供了良好的硬件基礎(chǔ)。驅(qū)動系統(tǒng)是較早實現(xiàn)主動線控控制的系統(tǒng)。比如電子節(jié)氣門就是一種典型的線控驅(qū)動控制方式，發(fā)動機控制系統(tǒng)采集油門踏板角度，然后根據(jù)油門踏板角度與節(jié)氣門開度之間的關(guān)系，控制節(jié)氣門，實現(xiàn)非機械結(jié)構(gòu)連接的驅(qū)動控制。隨著電驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展，混合動力、插電式混合動力、純電動汽車得到了廣泛應(yīng)用，也進一步為線控驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展提供了便利的條件。六、線控驅(qū)動技術(shù)由于電動汽車整車控制單元（VCU）的主要功能是通過接收車速信號、加速度信號以及加速踏板位移信號，實現(xiàn)扭矩需求的計算，然后發(fā)送轉(zhuǎn)矩指令給電機控制單元，進行電機轉(zhuǎn)矩的控制，所以通過整車控制單元VCU的速度控制接囗來實現(xiàn)線控驅(qū)動控制如圖5-2-8所示。01線控驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)六、線控驅(qū)動技術(shù)整車控制器是各類線控驅(qū)動控制系統(tǒng)核心，通過油門踏板、檔位以及汽車運動狀態(tài)，判斷駕駛?cè)嘶蛘咦詣玉{駛系統(tǒng)的操縱或者控制意圖，然后通過對自動變速箱、發(fā)動機（或電機、或發(fā)動機與電機組合）的動力控制，實現(xiàn)主動驅(qū)動控制。針對整車控制器，控制策略的輸入信號有加速踏板開度、制動踏板開度、實際擋位、車速、電機轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)矩以及電池SOC信號等，這些信號經(jīng)過處理后經(jīng)由CAN總線傳入整車控制器，為驅(qū)動控制策略的判斷和運算提供依據(jù)。整車控制器輸出扭矩指令信號給到電機控制器MCU，電機控制器MCU輸出電機的實際扭矩；為確保扭矩安全，根據(jù)能量守恒原理，利用電機控制器的有功輸出平衡原理，實現(xiàn)電機實際扭矩輸出的監(jiān)控。電機控制器MCU控制算法為轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制方式。01線控驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)六、線控驅(qū)動技術(shù)隨著電動車技術(shù)的不斷成熟，對電氣化零部件要求將日益提升，也正推進線控驅(qū)動技術(shù)由集中式驅(qū)動向分布式驅(qū)動不斷發(fā)展。在L3/L4級別自動駕駛情況下，新能源汽車線控驅(qū)動架構(gòu)將以中央傳統(tǒng)驅(qū)動為主。中央傳動驅(qū)動有四種布置方式：發(fā)動機+后橋電機、發(fā)動機+雙電機（帶發(fā)電機）、發(fā)動機+雙電機（不帶發(fā)電機）、發(fā)動機+三電機。另外發(fā)動機+雙電機/三電機作為電驅(qū)動橋技術(shù)的另外一種方案，同樣通過傳統(tǒng)驅(qū)動和電動驅(qū)動實現(xiàn)四驅(qū)運行；具有前驅(qū)、后驅(qū)及四驅(qū)自動切換、良好的動力性能和彎道操控性能等優(yōu)點，但技術(shù)要求較高且結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。為居中雙電機全輪驅(qū)動技術(shù)極大地簡化整車結(jié)構(gòu)布局，擁有更多的整車布置空間、更好的加速性能和操控體驗。然而，存在的最大的難題主要是對電控系統(tǒng)要求非常高。02線控驅(qū)動系統(tǒng)在先進輔助駕駛的應(yīng)用七、制動控制線控制動系統(tǒng)（）是智能網(wǎng)聯(lián)汽車“控制執(zhí)行層”的必要關(guān)鍵技術(shù)，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車實現(xiàn)自主停車提供了良好的硬件基礎(chǔ)，是實現(xiàn)高級自動駕駛的關(guān)鍵部件之一。它是將原有的制動踏板機械信號通過改裝轉(zhuǎn)變?yōu)殡娍匦盘枺ㄟ^加速踏板位置傳感器接收駕駛?cè)说闹苿右鈭D，產(chǎn)生制動電控信號并傳遞給控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)，并根據(jù)一定的算法模擬踩踏感覺反饋給駕駛?cè)?。線控制動系統(tǒng)可以主動產(chǎn)生制動壓力，并分配至各車輪制動輪缸，使車輛產(chǎn)生穩(wěn)定平衡的制動力。典型的線控制動系統(tǒng)核心是液壓調(diào)節(jié)器由于線控制動通過ECU實現(xiàn)系統(tǒng)控制，ECU的可靠性、抗干擾性、容錯性以及多控制系統(tǒng)之間通信的實時性，都有可能對制動控制產(chǎn)生影響，制約了線控制動系統(tǒng)的應(yīng)用與推廣。七、制動控制（1）電子液壓制動系統(tǒng)（EHB）電子液壓制動系統(tǒng)EHB是從傳統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng)發(fā)展來的。但與傳統(tǒng)制動方式的不同點在于，EHB以電子元件替代了原有的部分機械元件，將電子系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)相結(jié)合，是一個先進的機電液一體化系統(tǒng)，其控制單元及執(zhí)行機構(gòu)布置集中。因為使用制動液作為制動力傳遞的媒介，也稱為集中式、濕式制動系統(tǒng)。（2）電子機械制動系統(tǒng)EMB電子機械制動系統(tǒng)EMB（ElectronicMechanicalBrake），基于一種全新的設(shè)計理念，完全摒棄了傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的制動液及液壓管路等部件，由電機驅(qū)動產(chǎn)生制動力，每個車輪上安裝一個可以獨立工作的電子機械制動器，也稱為分布式、干式制動系統(tǒng)。01線控制動系統(tǒng)分類、組成及原理七、制動控制⑴EHB線控制動系統(tǒng)組成EHB主要由電子踏板、電子控制單元（ECU）、液壓執(zhí)行機構(gòu)等部分組成。電子踏板是由制動踏板和踏板傳感器（踏板位移傳感器）組成。加速踏板位置傳感器用于檢測踏板行程，然后將位移信號轉(zhuǎn)化成電信號傳給ECU，實現(xiàn)踏板行程和制動力按比例進行調(diào)控。如圖5-2-9所示。02線控制動系統(tǒng)組成七、制動控制（2）電子機械制動系統(tǒng)EMB組成EMB系統(tǒng)主要由電子機械制動器、ECU和傳感器等組成，如圖5-2-10所示。EMB結(jié)構(gòu)極為簡單緊湊，制動系統(tǒng)的布置、裝配和維修都非常方便，同時由于減少了一些制動零部件，大大減輕了系統(tǒng)的重量，更為顯著的優(yōu)點是隨著制動液的取消，使汽車底盤使用、工作及維修環(huán)境得到很大程度地改善。電子機械制動器是EMB系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它通過ECU改變輸出電流的大小和方向?qū)崿F(xiàn)執(zhí)行電機的力矩和運動方向的改變，將電機軸的旋轉(zhuǎn)變換為制動鉗塊的開合，通過相應(yīng)的機構(gòu)或控制算法補償由于摩擦片的磨損造成的制動間隙變化。02線控制動系統(tǒng)組成七、制動控制⑴EHB線控制動系統(tǒng)工作原理當正常工作時，制動踏板與制動器之間的液壓連接斷開，備用閥處于關(guān)閉狀態(tài)。ECU通過傳感器信號判斷駕駛?cè)说闹苿右鈭D，并通過電機驅(qū)動液壓泵進行制動。當電子系統(tǒng)發(fā)生故障時，備用閥打開，EHB變成傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)。制動踏板輸入信號后驅(qū)動制動主缸中的制動液通過備用閥流入連接各個車輪制動器的制動輪缸，進入常規(guī)的液壓系統(tǒng)制動模式，保證車輛制動的必要安全保障。EHB能通過軟件集成如ABS（防抱死制動系統(tǒng)）、ESP（車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)）、TCS（牽引力控制系統(tǒng)）等功能模塊，可以進一步提高行車的安全性及舒適性。當制動器涉水后，EHB系統(tǒng)可以通過適當?shù)闹苿觿幼?，恢?fù)制動器的干燥，保持制動器的工作性能。與傳統(tǒng)的液壓或氣壓制動系統(tǒng)相比，EHB系統(tǒng)增加了制動系統(tǒng)的安全性，使車輛在線控制動系統(tǒng)失效時還可以進行制動。但是備用系統(tǒng)中仍然包含復(fù)雜的制動液傳輸管路，使得EHB并不完全具備線控制動系統(tǒng)的優(yōu)點。03線控制動系統(tǒng)工作原理七、制動控制⑵EMB系統(tǒng)工作原理EMB工作時，制動控制單元ECU接收制動踏板傳來的踏板行程信號，ECU計算出踩制動踏板的速度信號并結(jié)合車輛速度、加速度等其他電信號，明確汽車行駛狀態(tài)，分析各個車輪上的制動需求，計算出各個車輪的最佳制動力矩大小后輸出對應(yīng)的控制信號，分別控制各車輪上的電子機械制動器中工作電機的電流大小和轉(zhuǎn)角，通過電子機械制動器中的減速增矩以及運動方向轉(zhuǎn)換，將電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為制動鉗塊的夾緊，產(chǎn)生足夠的制動摩擦力矩。與EHB相比，EMB中沒有液壓驅(qū)動部分，系統(tǒng)的響應(yīng)速度更高，工作穩(wěn)定性和可靠性更好，但由于完全采取線控的方式，不存在備用的制動系統(tǒng)，因而對系統(tǒng)的工作可靠性和容錯要求更高。另外，使用電信號控制電機驅(qū)動，使制動系統(tǒng)的響應(yīng)時間縮短，同時，傳感器信號的共享以及制動系統(tǒng)和其他模塊功能的集成，便于對汽車的所有行駛工況進行全面的綜合控制，提高了汽車的行駛安全性。03線控制動系統(tǒng)工作原理八、車身縱向、側(cè)向控制在底盤線控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，智能網(wǎng)聯(lián)汽車還需要車身電器系統(tǒng)的控制，實現(xiàn)自車與其它車輛、環(huán)境中交通參與者、交通系統(tǒng)以及車內(nèi)人員的交互。通過各類具體控制算法的設(shè)計實現(xiàn)縱側(cè)向控制，并由底盤線控與車身電器控制等系統(tǒng)實現(xiàn)各類控制指令的執(zhí)行。執(zhí)行控制是智能駕駛系統(tǒng)的動作執(zhí)行環(huán)節(jié)，前面所描述的環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、行為決策，都需要執(zhí)行控制的具體實現(xiàn)，才能到達車輛自動駕駛、完成各項智能化任務(wù)的目標。八、車身縱向、側(cè)向控制縱向運動控制是指通過對油門和制動的協(xié)調(diào)，實現(xiàn)對期望車速的精準跟隨。采用油門和制動綜合控制方法實現(xiàn)對預(yù)定速度的跟蹤。⑴車身縱向運動控制分類①直接式運動控制直接式運動控制是通過縱向控制器直接控制期望制動壓力和節(jié)氣門開度，從而實現(xiàn)對汽車縱向速度的直接控制，該方法能夠使汽車實際縱向速度迅速達到期望值。②分層式運動控制分層式運動控制是根據(jù)控制目標的不同設(shè)計上位控制器和下位控制器，上位控制器是用來產(chǎn)生期望車速和期望加速度，下位控制器根據(jù)上位控制的期望值產(chǎn)生期望的節(jié)氣門開度和制動壓力，以實現(xiàn)對速度和制動的分層控制。直接式運動控制考慮了系統(tǒng)的復(fù)雜性和非線性等特點，具有集成程度高，模型準確性強的特點。但是其開發(fā)難度較高，靈活性較差。分層式運動控制通過協(xié)調(diào)節(jié)氣門和制動分層控制，開發(fā)相對易實現(xiàn)。但是由于分層式運動控制會忽略參數(shù)不確定性、模型誤差以及外