安全性汽车线控制动系统及其控制方法研究

2014-10-27陈兴隆张凤登

通信电源技术 2014年4期

陈兴隆，张凤登

（上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

0 引言

汽车已经成了人们日常生活中不可缺少的代步工具，在享受汽车带来的舒适、快捷、便利的同时，人们对汽车行驶的安全性［1］要求也日益提高。车辆制动系统一直在车辆安全方面扮演着至关重要的角色，随着汽车工业技术飞速发展以及汽车行驶速度的不断提高，车辆制动系统的重要性越来越明显。

传统的液压制动系统［2］发展至今，已是非常成熟的技术，由于人们对制动性能要求的不断提高，传统的液压或者空气制动系统在加入了大量的电子控制系统如 ABS［3］(刹车防抱死系统)、ESP［4］(车身电子稳定系统)等后，其结构和管路布置越发复杂，液压(空气)回路泄漏的隐患也加大，同时装配和维修的难度也随之提高。因此，汽车行业加大了对结构相对简单的线控制动系统 BBW［5］(Brake-by-wire)的研究力度，其主要原因是BBW系统有着传统液压制动系统不可比拟的优越性，该制动系统用电线取代了传统制动系统中的制动管路，省去了传统制动系统中的很多阀，简化了制动系统的结构，降低了装配及维护的难度，同时BBW还具有制动响应速度快、制动性能高等特点，另外，要完全实现ABS(防抱死刹车系统)及ASR(防侧滑系统)等功能，只需在电子控制系统中设计相应程序，操纵电控元件来控制制动力的大小及制动力的分配即可。FlexRay［6］总线因其具有高带宽、通信线路冗余、通讯灵活等优点，成为未来主要的安全型车载总线。国外著名的汽车公司奔驰、宝马、奥迪都对FlexRay总线在汽车上的应用做了尝试。尽管国外很早就开始研究线控制动系统和FlexRay通信，但是时至今日，也未能在汽车上实现合二为一。

1 线控制动系统的原理及结构

系统的总体设计原理如图1所示。

图1 线控制动系统原理及结构图

该系统位于汽车制动踏板和4个车轮的液压制动缸之间，其中包括制动踏板传感器、故障抑制单元(FCU)和由此形成的容错单元、两通道FlexRay总线、驱动马达和机械操纵杆。踏板传感器直接与踏板相连接，该传感器的输出同时进入踏板传感器信号检测单元的3个复制确定性FCU，由于这三个FCU是确定性的，正确的FCU将产生相同的踏板位置报文。为减少产生空间接近故障的可能性，FTU1中的三个FCU可以是物理上分离的，通过FlexRay总线的A、B两个通道，将报文传送到4个车轮上的容错单元。每个车轮上的容错单元也都包括3个FCU，但这些复制确定性FCU与检测单元FTU1中的FCU有所不同，它们都包含一个表决器，在收到报文后，它们首先比较三个FCU的三个独立计算结果，然后选择大多数FCU的计算结果，即三个FCU中的两个所得的计算结果，能在一步之内检测发现错误报文，并屏蔽该错误。

踏板传感器检测到踏板的位置信号，位置信号进入踏板传感器信号检测单元的3个复制确定性FCU，由于这三个FCU是确定性的，正确的FCU将产生相同的踏板位置报文并发送到FlexRay总线上，FlexRay总线的两个通道A、B被配置成相互独立的复制确定性通道，通信系统事先知道每个FCU的合法时间行为，如果一个FCU违背了自身的时间规范，那么通信系统将放弃从这个FCU收到的所有报文，以防止过载情况发生。在没有故障的情况下，每个发送报文的FCU通过两个独立的通信系统各发送1个报文，因此，每个接收报文的FCU将收到来自FCU1、FCU2和FCU3的6个报文。通过总线相互连接的故障抑制单元，能够容忍任意一个通信系统的某个失效。每个车轮的三模冗余(TMR)液压制动执行器包括三个马达，每个马达分别与容错单元的三个FCU输出之一相连接，任意两个马达的力量之和超过第三个马达，即三个FCU输出中的多数输出决定了操纵杆作用点的位置，去除了不一致的输出，TMR可被看作是机械表决器。每个车轮上的容错单元都有一个分布式算法，但一个容错单元所包括的3个FCU使用相同的算法，这些算法根据制动踏板的位置计算车轮上的制动力分配。

2 系统工作流程

本系统的工作流程如图2所示。

踏板传感器检测到制动踏板的位置信号，位置信号进入踏板传感器信号检测单元的3个复制确定性FCU，由于这三个FCU是确定性的，在位置检测单元3的三个FCU所产生的可用报文中，如果两个FCU的报文有完全相同的位模式，那么选取这两个报文中的一个作为三元组的输出。可在一步之内检测发现错误报文，并屏蔽该错误，正确的FCU将产生相同的踏板位置报文并发送到FlexRay总线上，FlexRay总线的各发送1个报文，因此，每个接收FCU将收到来自3个发送FCU的6个报文。

图2 系统工作流程图

四个车轮容错单元中的故障抑制单元(FCU)，以左前轮容错单元 FTU2为例，FCU4、FCU5、FCU6各自包含一个表决器，通过FlexRay总线接收踏板传感器信号检测单元所产生的信号，在收到报文后，它们首先比较这三个FCU的三个独立计算结果，然后选择大多数FCU的计算结果，即三个FCU中的两个所得的计算结果，做出精确表决进而得到正确的踏板位置信息。系统控制节点分布在汽车的各个车轮上。每个节点都有一个分布式算法，这些算法根据制动踏板的位置信息计算车轮上的制动力分配。单一节点随机失效、单一通道的报文丢失或马达失灵，都不影响系统的正常运行。

3 FlexRay通信原理

本系统踏板报文的FlexRay通信示意图如图3所示。

软件上，首先采用双通道的FlexRay通信网络，其本身具有双通道的通信结构。在静态时隙1中，FTU1分别两个通道 A、B被配置成相互独立的复制确定性通道，这有助于容忍任一通信系统内的某个失效。所有通信系统与FCU一样，都有权访问全局时基，通信系统了解FCU的合法时间行为。如果一个 FCU违背了自身的时间规范，那么通信系统将放弃从这个FCU收到的所有报文，以防止过载情况发生。在没有故障的情况下，每个发送FCU通过两个独立的通信系统在通道A和B上发送FCU1;静态时隙2中，FTU1分别在通道A和B上发送FCU2;静态时隙3中，FTU1分别在通道A和B上发送FCU3。同时，为了保证传感器报文的实时性，必须利用FlexRay的静态时隙进行传输，这也就意味着同一时间只能有一个节点能够在该时隙进行传输。正常工作时，只用其中一个通道的数据进行通信，当一个通道发生通信错误时，在两个通道进行的通信一致的前提下，系统仍然可以依靠另外一个通道工作。

4 结束语

本系统针对现有汽车制动系统安全性的不足，提出了一种安全性汽车线控制动系统及其控制方法，这是一种结构相对简单、功能齐全、安全可靠，并且能够运用到实际生产中的线控制动操纵系统，其具有很好的实用价值。本系统能够容忍任一通信系统、容错单元中的任一FCU和TMR执行器中的任一马达的随机失效，提高了电子化制动系统的容错能力和汽车的安全运行能力，并能促进汽车电子技术的发展。