智能底盘技术(9) | ESC系统主动安全技术的拓展

作者 | 磐匠

出品 | 焉知

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在前面的四期文章中详细介绍了底盘电子稳定性系统(ESC, Electric Stability Controller)中集成的稳定性功能的工作原理以及在智能底盘发展趋势下ESC系统的进化趋势。当具备独立控制四个车轮的制动力的能力后，ESC系统在主动安全技术上还有很大的拓展空间，比如读者所熟知的自动驻坡功能Auto-Hold。

与此同时，随着自适应巡航控制系统(Adaptive Cruise Control , ACC)和紧急制动系统(Automatic Emergency Brake, AEB)等L2级别的智能驾驶系统的成熟和普及，ESC系统作为智能驾驶控制系统ADAS的执行机构，同样扮演着重要的角色。

本文将基于当前ESC系统所提供或支持的主流辅助驾驶功能，梳理ESC系统在主动安全技术上的拓展。

Auto-hold功能按钮，图片来自网络

1、ESC提供的主流辅助驾驶功能

当前市场上无论是哪一个厂家提供的ESC系统，都具备“买一送多”的特点，即除了基础的稳定性控制功能外，还同步提供一系列辅助驾驶功能，只不过这些辅助驾驶功能中不少工作“低调”，驾驶员不易察觉，因此这些功能很少被谈及，比如旨在缩短制动建压时间的预建压功能EBP(Electronic Brake Pre-fill)和刹车盘雨水擦拭功能BDW(Brake Disc Wiping)。本节也只对大家有所耳闻的ESC提供的辅助驾驶功能展开介绍。

1.1. 上坡辅助功能 (Hill-start Assist Control，HAC)

开过手动挡的朋友或多多少都会坡道起步有点紧张，在右脚从刹车踏板移到油门踏板的短暂时间内，制动力消失但驱动力没有建立起来，会造成车辆在坡道上后溜，不仅驾驶体验差，严重的情况下还可能撞到后面紧跟的车。

上坡起步示意图

HAC功能的作用是在右脚松开刹车踏板后的一段时间内继续将制动液压保存在轮缸内，给驾驶员充分的时间踩油门来建立驱动力，使驾驶员更加从容应对坡道起步。HAC功能是对新手来说非常友好的功能，在HAC的辅助下，驾驶员可以减少对手刹的操作，减少熄火和溜车的风险，其对前进和后退都适用。

HAC功能的激活取决于对坡道的判断，而坡道的判断依赖惯性传感器中探测的纵向加速度传感器。另外，为提高舒适性，HAC需要保证制动力和驱动力能够被很好地衔接起来，随着驱动力的上升制动力需要逐渐降低，因此在HAC的控制过程中需要通过制动力踏板信号和油门踏板信号来正确地判断驾驶员起步的意图。于此同时，HAC需要接收挡位信息，以综合纵向加速度传感器来判断车辆起步的方向。

HAC功能架构图

当探测到的坡道超过HAC激活门限时，整个控制过程可以概括如下：

① 驾驶员踩制动刹车到车辆静止

② 驾驶员松开制动踏板准备起步

③ HAC功能激活，控制液压控制单元的出液阀关闭，将第一步中踩进四个轮缸中的压力保持在轮缸内

④ 判定驱动力超过起步门限或者达到HAC激活时间门限(不超过2s)时控制出液阀打开，释放制动力

HAC功能控制过程示意图

默认情况下HAC功能最长提供2秒的驻车时间，2秒后开始撤销液压，在大部分坡道场景下2s的时间足够驾驶员完成从踩制动切换到踩油门的动作切换；但是在坡道很大的场景下，如果驱动力建立不迅速，还是可能存在短暂的溜坡风险。因此HAC同时也会检测油门状态，如果检测到驾驶员在踩油门但是HAC判断当前的驱动力输出不足以完成坡道起步，HAC会延长驻坡时间至4s，从而提高大坡道起步的舒适性。

1.2. 陡坡缓降功能 HDC (Hill Descent Control)

HDC功能是高性能越野车的标配。可以认为是低速的“定速巡航”，它使驾驶员在不踩制动踏板的情况下，平稳地通过陡峭的下坡坡段。在这个过程中驾驶员可完全专注于控制方向盘，无需控制制动踏板和油门踏板。

陡坡缓降示意图

HDC功能的激活取决于对坡道的判断，而坡道的判断依赖惯性传感器中探测的纵向加速度传感器。HDC的控制要点可归纳为以下几点：

·驾驶员通过HDC激活按钮开启HDC，并输入目标车速（通常不超过15kph）

·如果当前HDC功能状态正常（如没有刹车片过热报警等），将会通过PID控制，结合当前轮速和目标车速计算目标制动力，并将目标制动力转化为目标压力令发送给液压控制单元，从而实现定速控制

·如果在这个过程中某个车轮的滑移率超过了ABS设置的门限，ABS介入对目标压力进行修正

1.3. 自动驻车功能 Auto Hold

Auto Hold可以说是除了稳定性功能外ESC系统提供的最受欢迎的功能。目前自动变速箱越来越普及，大大减轻了驾驶员的负荷。不过由于自动变速箱的液力特性，在D挡下通过制动将车辆刹停后（如等红灯），如果驾驶员松开制动踏板，车辆会以很低的速度蠕行；但是等红灯一般停车时间短暂，驾驶又不想每次静止后手动拉起电子手刹。Auto Hold功能的目的就是当车辆由驾驶员刹停后，自动将轮缸内压力保持住从而让液压制动力使车辆保持静止，既避免了蠕行，又省去了拉电子手刹的麻烦。

电子手刹与自动驻车Auto Hold

Auto Hold的工作原理听起来和HAC相似，但是相比后者，Auto Hold的应用场景更广，同时控制也相对更加复杂。两者对比如下表所示。

	HAC	Auto Hold
坡道探测	均通过惯性传感器中的纵向加速度传感器
应用场景	坡道起步	任意车辆静止场景
驻车时间	不超过2s	不超过10mins
主动建压	只保压而不主动建压	检测到压力不够驻车时会主动建压
激活方式	没有激活按钮，满足条件主动激活	有功能激活按钮，由驾驶员选择是否开启

Auto Hold系统架构

Auto Hold整个控制过程可以概括如下：

① 驾驶员踩制动刹车到车辆静止

② 车辆静止后控制液压控制单元的出液阀关闭，将第一步中踩进四个轮缸中的压力保持在轮缸内（如果压力不足控制主动增压）

③ 如果Auto Hold工作时长超过设定门限（10mins），主动请求自动驻车系统EPB拉起卡钳，同时释放液压力

④ 如果检测到驾驶员踩油门，当驱动力超过一定门限时Auto Hold释放液压力

Auto Hold功能控制过程示意图

1.4. 驻车制动减速功能CDP (Controlled Deceleration for Parking brake)

目前市场上的ESC系统通常集成了电子驻车EPB(Electric Parking Brake)。EPB系统除了提供车辆静止时的驻车功能外，作为第二套行车制动系统，还需要通过拉起EPB开关触发电控液压制动单元主动建压以实现最低1.5m/s2的减速度，以满足法规要求，CDP功能为满足该法规要求而设计。

实际上，OEM要求的动态液压制动功能所能产生的制动减速度远大于法规的1.5m/ss要求。下图是某OEM要求的目标减速度曲线，当驾驶员持续拉起EPB开关时，减速度会随拉起时间增加而增大，最大减速度能达到-8mm/s²。

动态液压制动目标减速度

当车辆形式过程中，当EPB开关被驾驶员拉起时，CDP将会持续提供制动减速度直至车辆进入静止状态。CDP可以提供最大至8m/s2的减速度直至车辆静止或者EPB电子按钮被松开。目标减速度由CDP通过控制ESP系统下的液压单元施加给车轮的制动力来实现调节。CDP作用期间，车辆的稳定性功能ABS和VDC应处于完全可用状态，避免车轮抱死带来车辆失稳的风险。

动态液压制动功能示意图

2. ESC在智能辅助驾驶系统中扮演的角色

虽然目前市场上还没有真正实现高速过程中的自动驾驶，但是一些成熟的辅助驾驶功能已经得到了广泛的运用和用户的认可，最典型的代表即为自适应巡航控制系统(Adaptive Cruise Control , ACC)和紧急制动系统(Automatic Emergency Brake, AEB)。接下来将对ESC系统在ACC和AEB中扮演的角色展开说明。

2.1. ESC与ACC

ACC系统在车辆行驶过程中，安装在车辆前部的车距传感器（雷达）持续扫描车辆前方道路，同时轮速传感器采集车速信号, 并通过与制动单元和驱动单元协调工作，以使车辆与前方车辆始终保持安全距离。ACC系统在控制车辆制动时，通常会将制动减速度限制在不影响舒适的程度，当需要更大的减速度时，ACC控制单元会发出声光信号通知驾驶者主动采取制动操作。当与前车之间的距离增加到安全距离时，ACC控制单元控制车辆按照设定的车速行驶。

ACC系统架构示意图

ESC系统作为制动单元的执行机构，为上层ADAS提供制动减速度接口。ESC在收到ACC发送过来的减速请求信号后，通过调节轮缸压力使车辆实际减速度达到目标。当车辆接近静止的时候，ACC会发出停车请求信号。ESC会将车辆保持在静止状态。一段时间后，ACC会发出车辆起步请求信号。接着ESC会释放轮缸内的制动压力配合车辆起步驶离。

低噪声、平顺稳定的车辆减速控制是影响ACC功能舒适性的重要方面，同样需要ESC做出精准控制。如果驾驶员在ACC功能处于减速控制期间踩下制动踏板，ESC会自动计算一个缓降的目标制动压力，从而使得车辆能够最大程度的平顺响应。

ESC系统减速控制示意图

2.2. ESC与AEB

AEB系统采用雷达测出与前车或者障碍物的距离，然后利用数据分析模块将测出的距离与警报距离、安全距离进行比较，小于警报距离时就进行警报提示，而小于安全距离时即使在驾驶员没有来得及踩制动踏板的情况下，AEB系统会主动控制制动系统使车辆及时刹车以尽可能避免碰撞。

AEB系统架构示意图

在这个过程中，上层ADAS系统实时监测驾驶工况和交通状态，当出现自车可能和前车出现碰撞的情况下，ADAS系统会触发AEB功能，并发送减速请求给ESC，在接受到ADAS系统的减速度请求后，ESC会快速进行制动，使车辆按照ADAS系统请求进行减速。

AEB减速控制示意图

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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