【摘要】提出了一種由集成式電控制動系統(tǒng)（IBC）和冗余制動單元（RBU）構(gòu)成的冗余制動系統(tǒng)（IBC+RBU）。首先，分析了IBC+RBU 的工作原理及工作模式。然后，基于硬件抽象層（HAL）模塊實現(xiàn)RBU 的壓力控制。其次，制定了IBC+RBU接管L3 級自動駕駛的控制策略，并基于RBU 對防抱死制動系統(tǒng)（ABS）進(jìn)行控制。最后，搭建硬件在環(huán)試驗臺進(jìn)行硬件在環(huán)試驗驗證。研究結(jié)果表明：當(dāng)前系統(tǒng)已經(jīng)具備冗余制動控制的基本能力，可保證冗余接管的可靠性以及冗余制動控制的穩(wěn)定性，可以滿足L3 級自動駕駛的功能與性能需求。

0 引言

隨汽車電動化、智能化發(fā)展，傳統(tǒng)的制動控制系統(tǒng)已經(jīng)逐漸無法滿足電動智能汽車對制動系統(tǒng)的要求。集成式制動控制（Integrated Braking Control,IBC）系統(tǒng)是一種高集成電液制動系統(tǒng)，具有響應(yīng)快、液力控制精確等優(yōu)點，能夠滿足電動智能汽車對制動系統(tǒng)的要求。國內(nèi)外諸多學(xué)者圍繞IBC 壓力控制原理及控制方法展開了研究，Han[1]提出了一種基于液壓估計器的自適應(yīng)液壓控制器，用于無傳感器IBC 液壓控制系統(tǒng)。朱冰[2]提出了基于電機(jī)特性及傳感器特性的制動壓力控制方法，其控制較為精確。王偉達(dá)[3]根據(jù)制動主缸壓力及壓力變化率采用模糊推理對駕駛員制動意圖進(jìn)行識別，將制動意圖分為常規(guī)減速和緊急制動，分別設(shè)計了助力電流控制和主動壓力控制兩種策略。由于IBC 功能失效風(fēng)險更高，在IBC失效時僅依靠其機(jī)械備份模式無法對自動駕駛模式下的制動系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確控制，從而對駕乘人員的生命安全造成重大威脅[4]。因此，在保留IBC 功能的基礎(chǔ)上，集成冗余制動單元（Redundant Brake Unit，RBU），并對冗余電控制動系統(tǒng)設(shè)計容錯機(jī)制、進(jìn)行容錯控制，對滿足智能汽車冗余安全要求以及提高制動系統(tǒng)可靠性具有重要意義[5]。國內(nèi)外的眾多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)對冗余制動單元進(jìn)行了研究，取得了一些成果。熊璐等[6]基于電子液壓制動系統(tǒng)的線控和解耦特性，提出了一種在常規(guī)防抱死制動系統(tǒng)（Anti-lock Braking System, ABS）失效時，通過主動調(diào)節(jié)主缸液壓力設(shè)計了一種能實現(xiàn)制動防抱死功能的冗余控制算法。大陸集團(tuán)提出了主制動單元MK C1和冗余制動單元MK100 HBE 配合的方案架構(gòu)。正常模式下，由MK C1 完成制動，在MK C1 失效時，由MK100 HBE 對前輪進(jìn)行制動[7]。

本文提出了一種IBC+RBU 冗余制動控制系統(tǒng)。首先，分析了IBC+RBU 的工作原理及工作模式；然后，基于硬件抽象層（Hardware Abstraction Layer，HAL）模塊實現(xiàn)對RBU的壓力控制；其次，制定了RBU接管策略并基于RBU 對ABS 進(jìn)行控制；最后，搭建硬件在環(huán)試驗臺，進(jìn)行硬件在環(huán)試驗驗證，旨在滿足L3及以上等級自動駕駛系統(tǒng)對制動系統(tǒng)安全性的要求。

1 冗余制動系統(tǒng)工作原理

1.1 IBC+RBU基本結(jié)構(gòu)及液壓原理

IBC+RBU 制動控制系統(tǒng)液壓原理如圖1所示，其中RBU 主要由柱塞泵、電機(jī)、4 個電磁閥系統(tǒng)、壓力傳感器等構(gòu)成，冗余控制單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 IBC+RBU制動控制系統(tǒng)液壓原理

圖2 RBU冗余控制單元結(jié)構(gòu)

1.2 IBC+RBU結(jié)構(gòu)及工作模式

IBC+RBU 冗余制動控制系統(tǒng)按照系統(tǒng)工作狀態(tài)可分為3種基本工作模式：常規(guī)模式、外部制動模式及機(jī)械液壓備份模式。

1.2.1 常規(guī)模式

當(dāng)IBC 檢測到伺服缸失去建壓能力或者IBC 的ECU 失效（即RBU 與IBC 通訊超時）后，RBU 接管制動控制。隔離閥7 掉電關(guān)閉，隔離閥4、5 掉電關(guān)閉，隔離閥3、6掉電開啟。駕駛員踩下制動踏板，主缸建壓，控制吸入閥1、2 通電開啟，隔離閥1、2 通電關(guān)閉，根據(jù)RBU 中壓力傳感器獲取駕駛員制動強(qiáng)度的請求，換算成輪缸所需缸壓，計算冗余制動系統(tǒng)最大允許接管時間內(nèi)柱塞泵的流量，控制柱塞泵的直流有刷電機(jī)在一定電流時工作?？刂葡蘖鏖y開度鎖定固定液壓差，使輪缸壓力保持在所需壓力。

1.2.2 外部制動模式

當(dāng)IBC 無法正常工作的情況下，外部制動檢測到需要RBU 制動時，會將制動指令請求發(fā)送到RBU，隔離閥7 掉電關(guān)閉，隔離閥4、5 掉電關(guān)閉，隔離閥3、6 掉電開啟?？刂莆腴y1、2 通電開啟，隔離閥1、2 通電關(guān)閉，根據(jù)外部制動強(qiáng)度請求，換算成輪缸所需缸壓，計算冗余制動系統(tǒng)最大允許接管時間內(nèi)柱塞泵的流量，控制柱塞泵直流有刷電機(jī)在一定電流下工作；控制限流閥開度用以鎖定壓差，使輪缸保持所需壓力。

1.2.3 機(jī)械液壓備份模式

當(dāng)車輛進(jìn)入機(jī)械備份制動模式時，所有電磁閥均保持掉電狀態(tài)，隔離閥7 掉電，閥口關(guān)閉；隔離閥3、6掉電，閥口打開，制動踏板和輪缸耦合。駕駛員踩下制動踏板，制動主缸制動液經(jīng)由隔離閥1、2限流，通過隔離閥3、6進(jìn)入輪缸實現(xiàn)制動。

2 RBU壓力控制方法

RBU 壓力控制通過硬件抽象層（Hardware Abstraction Layer, HAL）模塊實現(xiàn)，HAL 模塊共由4 部分構(gòu)成：建壓控制、電機(jī)控制、電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和進(jìn)液閥控制，控制流程如圖3所示。

圖3 壓力控制流程

建壓控制模塊計算當(dāng)前制動壓力和系統(tǒng)目標(biāo)壓力的壓力差，通過此壓力差及目標(biāo)壓力值查表得到一個吸入閥的通電電流。吸入控制閥電流數(shù)據(jù)見表1。

表1 吸入閥控制電流數(shù)據(jù)A

根據(jù)輸入的電機(jī)轉(zhuǎn)速和管路的油液剛度cW，計算當(dāng)前的預(yù)估壓力值Ps。

式中：Ps為預(yù)估壓力值；PS_KI為上周期壓力值；S為流量速度；cW為剛度系數(shù)，即液體剛度值，是壓力與液體減少體積曲線的微分曲線。通過cW 可以建立流速與預(yù)估壓力之間的關(guān)系。

電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速模塊通過輸入主缸壓力、車輪剛度值、泵容積效率、Ps計算輸出當(dāng)前增壓目標(biāo)所需的電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

電機(jī)控制模塊由目標(biāo)電機(jī)轉(zhuǎn)速和當(dāng)前電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)得出電機(jī)的PWM 輸出信號使電機(jī)運(yùn)行。進(jìn)液閥控制模塊由Ps和目標(biāo)壓力查表計算出吸入閥1、2閥占空比對吸入閥進(jìn)行控制。當(dāng)有壓力請求輸入時，通過HAL 模塊輸出控制吸入閥1、2，隔離閥1、2 開閉和電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動柱塞泵吸入油液進(jìn)入管路使輪缸建立壓力。

3 L3級自動駕駛控制策略

RBU 與IBC 組成的制動系統(tǒng)在運(yùn)行中會實時監(jiān)控彼此狀態(tài)（通過控制器狀態(tài)CAN 報文與相關(guān)CAN報文通信質(zhì)量），控制流程如圖4所示。

圖4 RBU接管自動駕駛控制流程

在非L3級自動駕駛過程中，RBU 檢測到IBC失效失去建壓能力時會接管基礎(chǔ)輔助制動功能，響應(yīng)駕駛員的制動請求建壓制動。

L3 級自動駕駛分為自動行車與自動泊車2 種工況，自動駕駛時當(dāng)IBC 失效時RBU 接管制動代替IBC響應(yīng)上位的減速度請求主動建壓制動，自動泊車時IBC失效RBU會接管立即剎停車輛。

3.1 功能模塊定義

自動駕駛和自動泊車系統(tǒng)的綜合管理和反饋機(jī)制包括請求解析、狀態(tài)監(jiān)控、接管狀態(tài)切換、狀態(tài)反饋以及執(zhí)行器激活狀態(tài)判斷等功能，具體功能如下：

（1）自動行車外部請求解析：根據(jù)主備CAN 通信質(zhì)量和報文內(nèi)容解析上位的自動駕駛請求。

（2）自動行車IBC 狀態(tài)解析：根據(jù)主備CAN 通信質(zhì)量和報文內(nèi)容解析主控制器IBC的自動駕駛狀態(tài)。

（3）自動行車接管狀態(tài)機(jī)：根據(jù)外部請求與IBC的狀態(tài)切換RBU接管狀態(tài)。

（4）自動行車RBU 狀態(tài)外部反饋：將RBU 自動駕駛的接管狀態(tài)匯總簡化反饋RBU 的激活狀態(tài)通過CAN反饋至外部。

（5）自動泊車外部請求解析：根據(jù)主備CAN 通信質(zhì)量和報文內(nèi)容解析上位的自動泊車請求。

（6）自動泊車IBC 狀態(tài)解析：根據(jù)主備CAN 通信質(zhì)量和報文內(nèi)容解析主控制器IBC的自動泊車狀態(tài)。

（7）自動泊車接管狀態(tài)機(jī)：根據(jù)外部請求與IBC的狀態(tài)切換RBU接管狀態(tài)。

（8）自動泊車RBU 狀態(tài)外部反饋：將RBU 自動泊車的接管狀態(tài)匯總簡化反饋RBU 的激活狀態(tài)通過CAN反饋至外部。

（9）執(zhí)行器激活狀態(tài)判斷：匯總自動泊車與自動駕駛的接管狀態(tài)和IBC 基礎(chǔ)制動失效狀況，判斷RBU是否接管制動，將制動激活信號發(fā)送至執(zhí)行模塊。

3.2 功能交互策略

L3 自動行車外部請求解析需要首先校驗網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，本文所述系統(tǒng)采用“雙CAN 雙判”控制策略，當(dāng)IBC 及RBU 采集到任意一個CAN 總線通訊故障則控制系統(tǒng)無法響應(yīng)L3自動行車功能需求。

系統(tǒng)進(jìn)入L3自動行車功能后，自動行車IBC 狀態(tài)解析模塊需要不間斷地解析IBC 狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)控IBC 出現(xiàn)故障時，RBU需立即接管L3自動行車控制。

自動行車接管狀態(tài)機(jī)根據(jù)以上校驗通過后的IBC狀態(tài)和自動行車請求進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，IBC和RBU必須確認(rèn)另一個控制器進(jìn)入準(zhǔn)備或待命狀態(tài)時才進(jìn)入待命狀態(tài)，此過程中IBC與RBU狀態(tài)機(jī)需要相互校驗狀態(tài)，不能形成狀態(tài)互鎖。只有當(dāng)IBC及RBU同時進(jìn)入待命狀態(tài)制動系統(tǒng)才能響應(yīng)上層的L3自動行車請求。冗余控制系統(tǒng)響應(yīng)L3自動行車共分為3種功能轉(zhuǎn)換狀態(tài)：

3.2.1 L3執(zhí)行

前置條件：IBC 與RBU 的執(zhí)行器狀態(tài)正常且完成自檢后功能正常。

功能執(zhí)行：RBU準(zhǔn)備完成進(jìn)入待命狀態(tài)后，IBC跳轉(zhuǎn)進(jìn)入“執(zhí)行”狀態(tài)，RBU 保持待命；如IBC 無故障則正常執(zhí)行自動駕駛功能，執(zhí)行完成后執(zhí)行“L3 退出”；如IBC中途故障，RBU執(zhí)行“L3接管”。

3.2.2 L3接管

前置條件：IBC 故障前已成功激活并執(zhí)行L3 級自動駕駛功能。

狀態(tài)跳轉(zhuǎn)：當(dāng)IBC 故障時（IBC 狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至不可用狀態(tài)或與IBC 通信的CAN 信號均丟失持續(xù)10 個通信刷新周期），RBU 由待命狀態(tài)進(jìn)入激活狀態(tài)，接管制動，直至該自動駕駛循環(huán)退出。

3.2.3 L3退出

前置條件：智能駕駛主機(jī)發(fā)送功能退出請求。

狀態(tài)跳轉(zhuǎn)：分2種情況，IBC 正常退出和RBU 接管退出。IBC 正常退出時，IBC 與RBU 均響應(yīng)上位退出請求并跳轉(zhuǎn)至“退出待命”狀態(tài)，IBC 與RBU 均確認(rèn)對方在退出待命或退出狀態(tài)時才能退出，設(shè)置該中間狀態(tài)以確認(rèn)雙方同時退出。RBU 接管退出時，RBU 接管執(zhí)行后，將不再考慮IBC 當(dāng)前的狀態(tài)，直接響應(yīng)外部信號退出。

L3 自動泊車的接管控制策略同自動行車的接管控制策略，自動行車與自動泊車功能不能同時激活，自動行車與自動泊車功能進(jìn)入RBU接管后，須向外部發(fā)出信號用以提示。

4 RBU ABS控制方法

ABS控制流程如圖5所示，首先，通過車輛信號判斷路面狀態(tài)與整車狀態(tài)，然后與計算得到的等效壓力、等效壓力梯度進(jìn)行比較，進(jìn)行壓力梯度控制，進(jìn)而輸出ABS控制所需要的壓力。

圖5 ABS控制流程示意

4.1 車輛信號處理

RBU 通過輪速、輪加速度、輪濾波加速度，計算參考車速、參考加速度、車輛滑移率。

參考車速：通過參考車速上限（vNeg）和參考車速下限（vPos）計算參考車速和參考加速度。vNeg 一般情況等于第二大輪速，vPos 一般等于第二小輪速，但在對開或低附路面時，使用第一大輪速和第二大輪速作為參考車速的上下限。參考速度變化速率決定了參考車速估計的梯度限制，對參考車速進(jìn)行合理性檢驗。

參考加速度：先選取參考輪速，一般為第二小輪速與第一小輪速的平均值。如果在對開或低附路面，則取第一大輪速。如果在對開或低附路面存在車輪滑轉(zhuǎn)時選取第二小輪速，根據(jù)該參考輪速計算出一個加速度，在不同工況下使用不同的濾波方式對加速度進(jìn)行濾波，得到車輛的參考加速度。

通過參考車速與輪速，計算各輪滑移率。

式中：s為車輪滑移率，veh為車速，vxx為不同車輪的輪速。

4.2 路面識別

設(shè)定高、低附路面的參考加速度區(qū)間和對開路面參考加速度區(qū)間，一般使用高、低附路面加速度區(qū)間，當(dāng)部分但不是全部車輪的滑移率超過容許范圍時，使用對開路面參考區(qū)間。若參考加速度持續(xù)保持在某一區(qū)間，則初步識別為該區(qū)間代表的路面。當(dāng)參考加速度所處區(qū)間變化穩(wěn)定保持時，則路面切換為新區(qū)間代表的路面。

4.3 整車狀態(tài)

實際制動過程中，車輪的滑移率、加速度會受到傳動系統(tǒng)等因素振蕩的影響。將輪滑移率、加速度作為觀測對象，取其極值并計算最大變化幅度與最小變化幅度，計算觀測對象的振蕩比例。將滑移率、輪加速度乘振蕩比例得到振蕩值。如果減去振蕩值后的滑移率和輪加速度大于不穩(wěn)定門限，則認(rèn)為該車輪處于不穩(wěn)定狀態(tài)。依此類推，得到4 個車輪的穩(wěn)定狀態(tài)。對車輪穩(wěn)定狀態(tài)排列組合，得到整車車輪狀態(tài)。

4.4 壓力計算及控制

在高附著或?qū)﹂_路面上，選取最小輪速輪作為參考輪控制；在前軸輪速較大輪和后軸輪速較大輪中，選取較小者作為低附路面的參考輪。不同路面和車輛狀態(tài)對應(yīng)不同的增建壓梯度。

防抱死激活時，若參考輪穩(wěn)定，則進(jìn)行增壓，至輪減速度大于參考減速度、且滑移率到達(dá)保壓門限時，壓力保持不變。若參考輪不穩(wěn)定，則進(jìn)行減壓，由估算壓力查表可得減壓后的目標(biāo)壓力，并設(shè)置最大減壓梯度。若參考輪為最小輪速輪，則設(shè)置最小目標(biāo)壓力限制。循環(huán)控制，直到無制動請求或制動結(jié)束或ABS功能退出。

目標(biāo)壓力計算公式：

式中：PTr 為目標(biāo)壓力，Pm 為輪缸估算壓力，PG 為壓力梯度。

5 系統(tǒng)臺架試驗

基于CarSim 軟件及實車應(yīng)用環(huán)境搭建硬件在環(huán)（Hardware-In-the-Loop, HIL）試驗臺，硬件包括IBC、RBU、制動鉗、壓力傳感器及其連接管路，如圖6所示。系統(tǒng)主要參數(shù)如表2、表3、表4所示。

表2 IBC參數(shù)

表3 RBU參數(shù)

表4 制動鉗參數(shù)

圖6 環(huán)境試驗臺

5.1 RBU建壓試驗結(jié)果

RBU 建壓試驗通過試驗臺架進(jìn)行，臺架管路內(nèi)接有壓力傳感器讀取實際壓力，通過Vector CANape 進(jìn)行給定目標(biāo)壓力并采集實際制動卡鉗壓力值進(jìn)行試驗。試驗結(jié)果為RBU 電機(jī)1.44 s 建壓10 MPa，符合實際車輛使用需求，見圖7。

圖7 RBU建壓試驗結(jié)果

5.2 RBU保壓試驗結(jié)果

保壓試驗通過試驗臺架進(jìn)行，給定目標(biāo)壓力值為10 MPa，當(dāng)建壓完成后觀察輪缸實際壓力值波動幅度。試驗結(jié)果為建壓10.06 MPa 后保壓時間內(nèi)壓力波動約為0.15 MPa，符合實際車輛使用需求，見圖8。

圖8 RBU保壓試驗結(jié)果

5.3 RBU防抱死試驗結(jié)果

防抱死試驗通過試驗臺架進(jìn)行，給定車速為30 km/h，通過CarSim 設(shè)定地面附著系數(shù)為0.2。制動后觀測輪速實際值，全程無制動抱死，符合實際車輛使用需求，見圖9。

圖9 RBU防抱死試驗結(jié)果

6 結(jié)束語

本文提出了一種具有冗余制動控制功能的制動控制系統(tǒng)（IBC+RBU），重點闡述了系統(tǒng)工作策略，并基于CarSim 軟件及實車應(yīng)用環(huán)境搭建HIL 試驗臺進(jìn)行了控制策略的驗證。臺架試驗結(jié)果證明，本文提出的RBU 壓力控制方法及ABS 功能控制策略可以滿足IBC 故障情況下駕駛員的制動需求。本文提出的冗余系統(tǒng)控制策略現(xiàn)已在某課題中進(jìn)行研究，但暫未進(jìn)行實車驗證，其可靠性有待進(jìn)一步驗證。隨著汽車行業(yè)不斷發(fā)展，冗余制動控制系統(tǒng)將加強(qiáng)與其他自動駕駛系統(tǒng)協(xié)同工作，為用戶提供更加智能、安全的駕乘體驗，并且將進(jìn)一步提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度，不斷優(yōu)化和完善以更好地適應(yīng)不同的路況和駕駛需求。