自动驾驶系统_功能开发——ESC_ESP及VDC_TCS_ABS_ASR_vdc和esp

自动驾驶系统/功能开发——ESC/ESP及VDC/TCS/ABS/ASR

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1. 前言

VDC全称Vehicle Dynamics Controller，中文名为车辆动态控制器。VDC将车辆的制动、驱动、悬架、转向、发动机等各个主要的总成的控制系统在功能、结构上结合在一起，从而可以使车辆在各种恶劣的工况下（比如冰雪路面、湿滑路面、弯道）以及在规避、制动、加速、下坡等工况下，对于不同承载、不同轮胎气压、不同轮胎磨损的情况都能保持良好的方向稳定性，表现出最佳的行驶性能。

VDC能够让以非直线状态行驶的车辆有最佳的行驶路线，这样就能够提高车辆在行驶中的稳定性，也提高了车辆在行驶中的安全性。根据相关数据表明，大约有10%的交通事故是由于车辆在制动瞬间偏离预定轨迹而发生甩尾造成的，所以良好的底盘制动性能够大大减少事故发生率，而对制动进行主动干预又是完善制动性能的关键，而液压制动代替传统机械制动、机电技术的发展又给制动主动干预提供了技术条件，并进一步发展到驱动主动干预和悬架主动干预。

Nissan是全球汽车厂商中少数具有开发VDC的，其VDC的性能也是顶尖级别，最早搭载于1998年的Cima车型（日规Infiniti Q45），之后陆续下放到Nissan和Infiniti品牌的车型上，比如Infiniti Q45、M45、G35、FX35等车型都是全系标配VDC。

VDC是在ABS和TCS的基础之上进一步发展得到的，所以我们在介绍VDC之前，首先介绍ABS与TCS。

2. ABS

2.1 简介

ABS全称Anti-Lock Brake System，中文名为制动防抱死系统，能在车辆制动过程中实时判断车轴的滑移率，自动调节作用在车轮上的制动力矩，防止车轮抱死，保证车轮与地面的附着力最大，以获得最佳制动效果。ABS是一种闭环控制装置，保证了车辆的制动性和稳定性。

在如果没有ABS的存在，当车辆紧急刹车的时候，轮胎会抱死。由于车轮抱死之后，轮胎和地面之间的摩擦变为滑动摩擦，所以刹车的距离会变长；如果前轮抱死，车辆会失去侧向转向力，容易偏离道路或者撞上障碍物；如果后轮抱死，车辆会失去侧向抓地力，容易发生甩尾。而上述这些情况在积雪和积水路面上发生几率会更大。

在有些赛车的电影中，我们会看到车辆侧滑、甩尾、漂移等技巧，这就是因为车辆没有装备ABS，而针对一

图1 ABS作用

些追求刺激的高级赛车手，他们同样也不喜欢给车辆装备ABS，所以也可以说，ABS不是给职业赛车手或者特技演员设计的，而是针对于一般的驾驶员，保证他们驾驶过程的安全性，上个世纪90年代，ABS普及率并不高，而现在ABS已经是车辆的标准配置。

图2 ABS基本结构

2.2 分类

ABS有两种分类方式，可以按供应商来分类，比如Bosch、ITT Automotive、Kelesy-Hayes、Wabco等，其中博世在20世纪70年代推出的基于液压控制的ABS性能非常优秀，推动了底盘稳定性系统的发展。

图3 Bosch的ABS爆炸图

而通用分类方式是按控制通道（ABS中对能够独立进行制动压力调节的制动管路称为控制通道）分类，可以以下几种：

• 四通道式

四通道式ABS有四个轮速传感器，在通往四个车轮制动分泵的管路中各有一个制动压力调节装置，能够进行独立控制，所以被称为四通道控制式。如果车辆左右两个车轮的附着系数相差较大（比如冰雪、积水路面），进行制动时两个车轮的制动力就会相差较大，从而产生横摆力矩，使车身向制动力较大的一侧跑偏，而不是保持预想方向行驶，这样会影响车辆的制动方向稳定性。

• 三通道式

三通道式ABS是对两个前轮进行独立控制，两个后轮按照低选原则一起控制，也就是两个车轮由一个通道控制，以保证附着力较小的车轮不抱死为原则，也被称为混合控制。低选原则能够保证车辆在各种条件下左右两个后轮的制动力相等，即使两侧车轮的附着系数相差较大，但两个车轮的制动力都会被限制在附着力较小的那侧，保证两个后轮的制动力始终相等，保证车辆在各种条件下制动时都能具有良好的方向稳定性。

三通道式主要应用在轿车上，对于轿车来说，尤其是前轮驱动的轿车，前轮制动力在汽车总制动中占比较大（一般70%左右），对两个前轮进行独立控制，可以充分利用两个前轮的附着力，而且前轮制动力不平衡对于汽车行驶方向稳定性影响相对较小，可以通过驾驶员的转向操作来进行修正。

• 二通道式

二通道式ABS就是同时控制两个前轮及两个后轮，但是二通道式ABS很难在方向稳定性、转向控制性、制动效能各个方面得到兼顾，所以很少采用这种形式。

• 一通道式

一通道式ABS也叫单通道ABS，是在后轮制动器总管中设置一个制动压力调节器，在后桥主减速器上安装一个轮速传感器，也有在后轮上各安装一个的应用。

2.3 作用和原理

ABS的性能指标为滑移率，又称滑动率，因为当制动时，轮胎和地面之间会发生相对运动，其中滑动所占的比例被称为滑移率，用 S 表示。

滑移率对制动时的车轮附着系数影响很大，假设地面对车轮的法向反作用力不变，滑移率大概20%时制动纵向附着系数最大，车轮与地面之间的附着力就最大，制动力也就最大，制动效果就最佳，反而当车轮抱死时，制动效果最差且制动稳定性最差。

当车辆紧急制动时，ABS介入制动轮缸控制制动压力，将滑移率控制在10%-30%之间，保证良好的纵向和横向附着力，防止车辆侧滑、甩尾、失去转向力，提高制动稳定性。

图4 附着系数和滑移率

所以，ABS的作用一般有以下几个：

1. 充分发挥制动器的效能，缩短制动距离和时间

2. 有效防止紧急制动时车辆发生侧滑和甩尾，保证良好的行驶稳定性

3. 保证紧急制动情况的转向具有良好的转向操纵性

4. 避免轮胎和地面的剧烈摩擦，减少轮胎磨损，延长轮胎寿命

ABS的核心部件为轮速传感器和液压控制器。在车辆制动时，ABS接受车轮速度传感器发送的速度信号，通过车速计算得到滑移率，得到每个车轮的抱死状态，而每个制动轮缸中都有一个电磁阀，控制制动液压油的进出，对于四通道式ABS来说就可以独立调节各制动轮缸的制动压力，保证四个车轮都不发生抱死现象。

图5 轮速传感器和液压控制器

ABS的工作原理就是通过控制刹车油压的收放来控制车轮的抱死状态，可以简化为“保持制动力-减小制动力-增大制动力”的循环工作过程，这样就可以使车辆始终处于临界抱死的间隙滚动状态，将滑移率控制在20%左右，达到最佳的制动效果，且保证了驾驶安全性。当在冰雪路面踩制动踏板的时候，会明显的感觉到制动踏板弹脚，而且频率特别的快，哒哒哒的感觉，其实就是ABS在工作，不停的增压、减压防止车轮的抱死。

图6 ABS循环工作过程

• 常规制动

当驾驶员踩踏制动踏板，刹车主缸的压力进入各车轮分泵，分泵的压力随总缸的压力上升而上升，直到接近抱死。

• 增压制动

当轮速传感器检测到轮速过快时，会将信号反馈给ABS控制器，然后ABS控制器发出指令将出油电磁阀关闭，进油电磁阀打开，完成增压过程。

• 保压制动

当轮速传感器检测到车轮有抱死趋势时，会将信号反馈给ABS控制器，ABS控制器发出指令将进出油电磁阀关闭，分泵保压。

• 减压制动

当轮速传感器检测到车轮接近抱死时，会将信号反馈给ABS控制器，ABS控制器发出指令将出油电磁阀打开，分泵压力下降，进行减压制动。

图7 ABS闭环控制原理图

ABS有很多控制方法，比如基于模型的车轮滑移率控制和门限值控制法。理想的ABS控制系统就以滑移率为控制目标，采用PID控制、最优控制方法、滑膜变结构控制、鲁棒控制方法等。但车辆动力学系统是一个高度非线性的系统（主要是轮胎的非线性特性）。单纯的滑移率控制有很大难点，这些方法主要还是以理论推导为主。实际应用还是门限值控制法，博世的ABS系统主要就是基于轮加速度和滑移率来实现的，轮加速度作为横坐标、滑移率作为纵坐标，设置不同的门限，将控制区域划分为稳定区域、不稳定区域、过渡区域。

3. TCS

3.1 简介

ABS虽然大大提升了制动稳定性，但从原理上可以发现ABS也有一个致命的缺点：ABS只在制动时车轮抱死的情况下介入，所以在非制动工况下ABS就失效了，而比如在冰雪路面起步轮胎打滑，这是因为驱动力过大导致滑移率过大造成的，只有当滑移率控制在一定范围内才能保证车轮和地面有良好的附着系数，才有最佳的驱动力。

图8 驱动附着系数与滑移率关系

又或者一侧车轮陷入泥潭无法脱离的情况下，这是因为差速器存在的原因，差速器通过使左右车轮转速不同来实现转弯，而差速器的特点又是“差速但不差扭“，也就是说两侧驱动轮的转速虽然不一样，但是扭矩是一样的，这样一样来，低附着力的驱动轮会先达到附着极限，从而整个驱动轮的驱动力都是低附着系数路面的驱动力，造成车辆驱动力不足，无法脱离。

图9 差速器

为了解决非制动工况下的驱动力不足，TCS应运而生，全称Traction Control System，也叫牵引力控制系统。而Bosch在20世纪80年代推出了制动防抱死+驱动防滑动的TCS系统——Bosch ABS/ASR 2U，将防抱死系统和牵引力控制系统集成且首次搭载在梅赛德斯奔驰S级轿车上。

图10 ABS和TCS的区别

3.2 作用和原理

TCS是在ABS的基础上研究而来，它既可以调整制动压力又可以调节驱动力，所以TCS也比ABS结构复杂，相较于ABS增加了驱动力控制器（5）、方向盘转角传感器（3）和惯性传感器（4），如下图所示。

图11 TCS系统

TCS通过调节发动机和电机的输出扭矩来调节驱动轮的滑移率，从而保持车辆的动力性和稳定性，包括三个部分：

• 道路状况识别

该部分包括附着识别和纵坡识别，根据车辆状态参量来完成识别从而给扭矩控制部分和压力控制部分提供数据。

• 驱动扭矩控制

包括PID扭矩控制和模糊逻辑扭矩控制两个部分，输入量为车辆状态和道路状况，输出量为目标扭矩和扭矩误差。

• 压力控制

包括上层压力控制和底层压力控制，上层压力控制设定目标压力，底层压力控制实现目标压力，输入量为车辆状态、道路状况、扭矩误差。

图12 TCS架构

现在回到我们最开始提出的两种场景。

对于冰雪路面起步打滑来说，两侧轮胎的附着系数差不多，此时TCS只控制驱动力，闭环控制为：驾驶员踩踏油门驱动——TCS接受传感器的轮速、坡度等信号并计算滑移率，若超过阈值则介入来降低驱动力，将目标值发送给驱动力控制系统——驱动力控制系统接受并响应目标驱动力，使车辆有效利用附着力。

实际应用如下图所示，TCS对发动机扭矩进行了限制，从而使车速稳步增加，而不是波动。

图13 冰雪路面起步打滑

而对于车轮一侧陷入泥泞路面无法脱离的场景，此时两侧轮胎的附着系数差距较大，而且附着力以低附着系数一侧为准，这也使TCS对驱动力的控制范围受到了限制，无法进行调整，所以此时TCS还要对低附着系数一侧的轮胎施加制动力，通过制动力对驱动力的抵消，就可以增大驱动力的控制范围，从而可以利用路面的附着力脱困，示意图如下所示，红色箭头为制动力，绿色箭头为驱动力，黄色箭头为地面提供的附着力。

图14 两侧不同附着系数路面

实际应用如下图所示，可以看到刚起步时低附着一侧保持一定的滑动，高附着一侧基本不滑动，而且加速性能较好，车速基本没有波动，也就是说起步的动力性较好，TCS对扭矩进行了限制。还可以从(d)轮缸压力中看出左前轮有持续的压力存在，这样才能最大程度地利用地面附着力。

图15 分离路面TCS起步

4. VDC

4.1 简介

ABS在制动工况下作用，TCS在驱动工况下作用，但他们两个只能维持车辆纵向稳定性，无法维持车辆转向带来的侧向稳定性，也就是无法解决车辆转向不足和转向过度的问题。

当驾驶车辆的时候，我们都希望车辆按照自己设想的路线行驶，也就是完全按照方向盘转角输入的信号来行驶的，不会受到速度的影响，这就是中性转向。但是，由于悬架的软硬程度不同，轮胎胎压不同，前后轮的载荷不同，重心的位置不同等因素，汽车很难做到中性转向。

图16 车辆三种转向工况

当汽车的转向盘转到一个固定的转角后保持不动，改变汽车的行驶速度，此时汽车的转向半径与理论转向半径相比较，转向半径变小，称为转向过度，使车子开始发生转向过度的速度我们称为临界车速。当车辆转向过度的时候，就可能出现甩尾的情况，这种情况更容易发生在后驱车上，因为后驱车轮更加容易打滑及超越失去抓地力的临界点，在离心力的作用下车尾会被甩出去。

图17 转向过度

当汽车的转向盘转到一个固定的转角后保持不动，改变汽车的行驶速度，此时汽车的转向半径与理论转向半径相比较，转向半径变大，称为转向不足。当发生不足转向时，车子的转向会偏向弯道外侧，也叫做“推头”。转向不足更常见于前驱车，相比于转向过度，转向不足的危险系数更低一些，发生转向不足只是冲向路外侧撞上栏杆或者冲出路面，而转向过度发生以后很可能撞到别的车辆，发生连环碰撞。所以，现在家用车的调教偏向于转向不足，当然还有一个重要原因是很难调教出中性转向，出于安全考虑只能尽力减少风险。

图18 转向不足

为了解决上述问题，Bosch在1992年开发了VDC，全称Vehicle Dynamic Control，也叫车辆动态控制系统，同时将集成ABS、TCS、VDC功能的系统称为ESP，即Electronic Stability Program，于1995年应用于奔驰S级。除Bosch外，还有其他供应商也开发了集成ABS/TCS/VDC功能的控制器，但ESP为博世独占，所以统称这一类控制器为ESC，即Electric Stability Controller。

图19 博世第九代ESP

当车辆在过弯时发生了转向不足或是转向过度的情况时，VDC系统会适时的利用ABS、TCS、BLSD的功能以介入控制车辆在行驶中的车身姿态。VDC会随时的接受加速度传感器、方向盘转角传感器、轮速传感器等信号，当VDC判定出车辆正处于转向不足或是转向过度的不稳定状态时，VDC系统会利用ABS系统去控制制动系统进行制动，通过BLSD系统的控制去针对单一个或是多个车轮进行制动的动作，再辅以TCS适当降低扭矩输出，来调整汽车于变换车道或在过弯时的车身姿态，使汽车在变换车道或是过弯时能够更加的平稳安全。相关数据表明，VDC功能可以减少80%由侧滑引起的交通事故，并将严重车祸的数量减少50%。

图20 ESC系统爆炸图

4.2 作用和原理

ESC强大的车身稳定控制能力大部分都来源于VDC，VDC主要由液压控制单元(1)、轮速传感器(2)、方向盘转角传感器(3)、惯性传感器(4)、驱动力控制单元(5)组成。

图21 VDC组成

轮速传感器通过滤波和计数技术实时计算四个车轮的轮速信息，方向盘转角传感器实时监控方向盘角度，惯性传感器实时监控车辆横轴和纵轴的动态行为，这些表征车辆状态的信息输入给ECU，通过VDC算法决定对轮缸液压力以及发动机或者驱动电机的驱动力，以实现对车身姿态的实时调节，保证车辆始终表现出较好的稳定性可操控性。

VDC的功能架构如下图所示。VDC实现技术主要包括控制器、控制算法、执行机构以及系统匹配标定等，其中控制算法是VDC技术的核心 。控制算法的实现需要解决三个方面的问题：驾驶员驾驶意图的识别、汽车动力学状态的观测以及针对不同动力学状态的控制方法。

一生懸命：自动驾驶控制算法（3）——轮胎侧偏与车辆动力学方程35 赞同 · 1 评论文章

图22 VDC系统架构

当出现转向不足时，横摆角速度太小，导致车辆前轴滑向弯道外侧，此时VDC通过对弯道内侧的车轮施加制动力而使车辆产生一个反向的横摆角速度，从而将车辆稳定在预期车道内。

图23 VDC作用转向不足

当出现转向过度时，横摆角速度太大，导致车辆后轴滑向弯道外侧而引起甩尾，此时VDC通过对弯道外侧的车轮施加制动力而使车辆产生一个反向的横摆角速度，从而将车辆稳定在预期车道内。

图24 VDC作用转向过度

5. 其他

ESP中除了ABS、TCS、VDC外，还发展了很多其他功能。

比如HDC，即陡坡缓降系统（Hill Descent Control），一般通过按钮操作打卡和关闭，同时仪表会有指示灯显示HDC的状态。车辆下坡时，该功能被打开，通过ESP系统施加制动压力，按照驾驶员的要求对车速进行控制。使车辆在下坡的过程中维持一定的车速行驶，保证安全性。

图25 HDC

又比如AVH，即自动驻车功能（Automaitc Vehicle hold），驾驶员打开此功能，通过制动使车辆停止后，只须松开制动踏板，AVH将会对制动压力进行保持，确保车辆处于静止状态，若长时间情况下，EPB（电子驻车）将激活进行驻车。若检测到车辆有溜车时，会主动增压再次确保车辆处于静止状态。极大改善驾驶舒适性。

图26 AVH

再比如说HHC，即坡道保持控制（Hill Hold Control），它和HDC正好相对，负责上坡时维持车辆不下溜。通过对驾驶员松刹车、踩油门的动作进行监控，在两个动作之间提供短暂的制动压力保持，一旦驾驶员的油门踩到可以驱动车辆的程度，制动压力立即解除。因此，这个功能的实现难点在于把握制动和不制动之间的平衡——既不能在油门够了的时候拽着不走，又不能在还没踩油门时就早早松掉刹车而后溜。

还有HBA液压制动器辅助、ABP制动器预冲压、AWB驾驶员预警系统等一系列功能。