智能底盘系列(1) | 综述：智能底盘的昨天 · 今天 · 明天（文末附系列文章规划）

作者 | 磐匠

出品 | 焉知

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自汽车诞生一百余年以来，底盘发展就和汽车发展深度绑定。这也难怪，底盘系统决定了汽车纵向、横向和垂向六个自由度的动态行为，是汽车能够跑起来的必要条件。吉利汽车创始人李书福先生“造车就是几个沙发加四个车轮”的这一言论虽然带有一些调侃意味，但也体现出了底盘的重要性：只要驾驶员能够控制底盘，那么不论坐着的是沙发还是板凳，汽车至少能够运行起来了。

底盘系统决定整车六个自由度

根据广义上的定义，底盘系统的组成部件繁多，除了驱动、转向和制动等系以外，还包含车身、离合器等部件；但如果仅站在六个自由度控制的角度，底盘系统可以细化成以下几个子系统。

自由度	底盘子系统
纵向自由度 （前后运动）	驱动系统
制动系统
横向自由度 （左右运动）	转向系统
垂向自由度 （上下运动）	悬架系统

另一方面，纵观底盘系统的发展历程，可以概况为三个时期：

• 机械时期

• 机电混合时期

• 智能时期

在早期车辆质量比较小，速度比较低，机械式底盘能够满足驾驶员操控需求。驾驶员通过对方向盘和踏板的操作来直接控制轮胎的六分力，从而间接地改变车辆的三向平动和三向转动的自由度。随着科学技术的发展及汽车工业的发展，尤其是军用车辆及军用技术的发展，底盘系统也有了新的突破，比如液压转向和液压制动的推出是对机械时期底盘的重大技术革新。于此同时，随着车辆越来越重，助力器开始被广泛使用于底盘控制中，为驾驶员提供转向或制动助力。但是从本质上看，这一时期的车辆运动控制完全取决于驾驶员的输入。

机械式转向系统

在机电混合时期，传统的机械液压设计与单片机控制结合，在进一步减轻驾驶员的驾驶负荷的同时，还能够通过软件控制辅助驾驶员进行更好地车辆控制，车辆的燃油经济性、安全性和舒适性都大大提高。

以电控制动助力系统eBooster为例，eBooster利用传感器感知驾驶者踩下制动踏板的力度和速度，并将信号处理之后传给电控单元，电控单元控制助力电机对应的扭距，在机电放大机构的驱动下，推动制动泵工作，从而实现电控制动，响应速度更快并且能够精准的控制压力。

博世第二代iBooster

在今天汽车电动化和智能化的浪潮之下，传统动力升级为三电系统，底盘系统上传统的机械零部件得到精简，电控程度越来越高；与此同时，随着辅助驾驶系统（如ACC、AEB等）的日益普及和自动驾驶系统的逐步落地，衍生出了越来越丰富的智能化场景的新需求。

另一方面，消费市场对汽车定位也在发生改变。终端消费者不再只将汽车视为运载工具，汽车变成了提高生活品质的载体和空间，这一消费趋势意味着行业在追求汽车智能的同时，也需要更进一步地提高汽车的舒适性和驾驶质量，为消费者提供更愉悦的用车体验。

智能化场景对底盘系统的新需求，图片来自“中国汽车工程协会”

在这一浪潮的驱动下，汽车对底盘系统也提出了更高的要求，更加智能的底盘才能适应汽车电动化和智能化的发展需要。

对智能底盘的新要求可以概况为四类：

• 有个性：根据客户驾驶习惯提供个性化定制

• 高性能：系统响应更加精准和迅速

• 可成长：系统具备自学习能力并支持OTA升级

• 高安全：产品安全和信息安全多重安全保证

虽然从目前的市场表现看，底盘系统还处于机电混合时期，但是已经可以看到正在向智能底盘过渡的趋势。

首先是线控技术在汽车上的普及和进化。线控技术源于飞机控制系统，它将飞机驾驶员的操纵命令转换成电信号，通过电缆直接传输到自主式舵机。线控技术最大的优势是响应精准迅速，这一优势在汽车线控技术上得到继承。当前各个底盘控制子系统都已经实现线控，但是底盘线控技术更多体现在控制决策层面，执行层面还是依赖机械或者液压系统，而随着自动驾驶的演变，驾驶员的角色得到弱化，方向盘和踏板的作用逐渐减弱，线控底盘的执行机构已经呈现出由电控取代液压或机械的趋势。

而电控系统和驾驶员机械接口解耦，可以更加灵活地对底盘系统特性进行调节，从而满足不同客户的个性化需求，这是线控底盘的另一优势。

智能底盘系统对个性化需求的追求也表现在搭载主动悬架系统所的车辆的价位的下探。众所周知，悬架系统调教的核心在于协调舒适性和操稳性的矛盾，而主动悬架系统则被认为是鱼和熊掌兼得的答案，它能够精准地感知车况和路面等信息并自动调整悬架高度、刚度和阻尼，从而大幅度提高车辆操稳和舒适性。另外，系统能学习用户的驾驶习惯，并合理调节出最适合用户的悬架控制策略。

其次，智能驾驶系统E/E的变革也催生了智能底盘E/E的进化。在机电混合时期，底盘系统的E/E架构为简单的子系统ECU的叠加，虽然子系统间有合作，但是这些合作仅体现在信息共享层面，各个子系统依旧“各自为营”，功能控制受到彼此的制约，响应迟缓，没有体现出“1+1>2”的效果。

比如电子稳定性控制系统（ESC，Electric Stability Controller）依赖转向系统和制动系统的状态输入来判断车辆是否有出现转向不足或转向过度的趋势，并通过对轮端制动力的修正进行横摆角速度控制使车辆重新回到稳定状态。在这个过程中转向系统的表现会对稳定性调节的速度产生实时的影响，但其影响只能让制动系统处于“补救调节”的循环中。换句话说，转向系统对稳定性控制无法起到“主动辅助”的作用。

 ESC控制系统的关键组成部分

在基于底盘域控制器的新E/E架构下，智能控制核心功能集中于域控制器内，实时对各个子系统进行协同控制，精准且快速响应，打破子系统间功能简单叠加的壁垒。

动力底盘域示意图，图片来自“中国汽车工程协会”

比如同样是电子稳定性控制系统，域控制器可以综合各个子系统反馈的车辆状态，在车辆达到动态稳定性极限之前就及时介入控制，对制动和转向甚至悬架进行快速修正，和传统控制相比，由传统的“补救型控制”转变为“预防型控制”，不仅更安全，也让驾驶员更加舒适。

于此同时，底盘域控制器拥有强大的硬件计算能力和丰富的软件接口，可以实现软硬件解耦，有利于支持OTA升级，从而实现核心算法的快速优化迭代。

安全始终是底盘系统设计的重要课题，汽车智能化发展对智能底盘延申了新的安全话题。

SAE J3016对车辆自动化级别的分类对读者来说已不陌生。如果将这五个级别进行进一步归类则可以归纳为：

• 辅助驾驶 （包含Level1 / Level2）

• 自动驾驶 （包含Level3 / Level4 / Level5）

辅助驾驶和自动驾驶最大的区别在于系统故障导致事故的责任方的不同：

• 对于辅助驾驶，当系统出现故障以后，只要正确向驾驶员报告了故障，接下来能否脱险全看驾驶员的水平，出了事故责任方在驾驶员，汽车厂家是没有责任的。 

• 对于自动驾驶，系统在出现故障之后，需要系统来自己操作避免事故（自动驾驶等级越高，驾驶员可以越晚介入接管甚至是完全不用接管），出了事故是汽车厂家的责任而不是驾驶员的责任。 

功能安全要求当E/E系统出现故障时，车辆需要能够及时进入安全状态，以避免不合理的会造成人身伤害的风险，这要求自动驾驶系统需要冗余设计，才能在解放驾驶员的同时保证出现单一故障时系统仍能够接管直至进入安全状态。

自动化程度与对系统冗余的要求,图片来自网络

对于高速自动驾驶系统而言，车辆在高速运行过程中出现单一故障，安全状态通常定义为停到路边的应急车道，为实现这一安全状态，目前业界普遍达成一致的方案需要以下冗余：

• 通讯冗余：当单一链路出现信号中断，系统可实现信息的无缝安全衔接

• 低压电源冗余：主电源失效后，备份电源能够支撑ECU完成安全降级动作；

• 感知冗余：多传感器数据融合技术可以保证车辆行驶构成中精准实现物体及行人的识别，从而支持车辆时刻做出正确的控制行为；

• 大脑控制器冗余：两个大脑互相监督、互为备份，主大脑故障发生时，备份大脑及时接管；

• 制动冗余：主制动系统失效后，备份系统依然提供一定的制动能力来维持制动控制及制动稳定性控制；

• 转向冗余：如果故障发生后的安全状态定义为继续运行而不是刹停，那么当一路转向系统故障后，备份系统需要能够支持车辆完成接下来的运行场景中的转弯工况

由此可见智能底盘的冗余设计在实现自动驾驶系统功能安全的重要性和必要性。

长城咖啡智驾制动冗余组合

功能安全的目的是将软件和硬件的故障控制在可接受的范围内，但即使软件和硬件没有发生故障，系统仍然可能因为功能局限而导致不合理的风险，这就是国际标准ISO 21448(SOTIF, Safety of the Intended Functionality)所关注的安全问题。

功能安全和SOTIF研究的对象是智能驾驶系统自身可能产生的失效而造成的风险，还有另一类风险也是智能驾驶系统不可忽略的——黑客攻击。另外，功能安全和SOTIF以人身安全为核心，但是不是所有的信息安全问题都会导致人身安全。换句话说，信息安全除了要考虑人身安全以外，还需要考虑黑客攻击带来的其他风险，比如车辆被偷导致的财产损失以及隐私泄露风险。

目前汽车行业达成的普遍共识是：功能安全、预期功能安全和信息安全是保障汽车智能化安全的“三驾马车”，而汽车行业对这三个方向的落地还处于初期阶段。

安全是智能底盘测试评价体系中的重要指标，图片来自“中国汽车工程协会”

以上可以看出，为满足汽车的电动化和智能化发展的新要求，智能底盘的发展思路正在逐步清晰；而从落地层面看，智能底盘的发展才刚刚起步，可以预见将会面临重重挑战。

但是，挑战也意味着机遇。首先是国家战略层面，智能电动汽车已成为我国汽车产业发展的战略方向，这意味着作为智能电动汽车的支撑基础，智能底盘有了良好的发展土壤。其次，市场需求对智能电动汽车的需求的持续走高也为智能底盘的发展提供了经济支持，而在新E/E架构下主机厂和供应商之间新的合作模式和职责划分也使得中国本土品牌将迎来一次难得的崛起良机。

在这些良性因素的激励下，相信智能底盘有着光明的未来。

系列文章介绍
焉知智能汽车持续关注智能底盘的进化，同时致力于打造系列文章将涵盖智能底盘的所有领域，推出《智能底盘技术系列文章》，对底盘系统的技术方案及发展趋势进行深入的探讨。基于这一定位，系列文章将围绕以下框架展开深入的研究。

• 底盘系统的主流产品介绍与行业动态（产品介绍、功能设计、功能安全设计、国内外玩家现状等方面展开）

• 制动系统篇

• 转向系统篇

• 驱动系统篇

• 悬架系统篇

• 智能底盘的发展新趋势

• 底盘域融合

• 新电子电气（E/E）架构

• 智能底盘安全拓展 （功能安全，预期功能安全，信息安全）

• 滑板底盘

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