智能汽车怎样才能如经验老道的驾驶员一样对复杂交通状况应对自如？

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作者简介：

程硕，清华大学2020年蒋南翔奖学金获得者，清华大学车辆与运载学院2016级直博生，师从李亮教授，研究方向为智能汽车底盘动力学域控、线控底盘设计。围绕智能汽车底盘线控、动力学域控技术在国际顶级SCI期刊以一作身份发表学术论文十余篇，申请国家发明专利十余项。本文将介绍智能汽车科技发展前沿及其所在团队的研究工作。

陈绮桐，北京林业大学2020级博士生，师从赵东教授，研究方向为底盘动力学域控协调控制策略。

张禹晗，清华大学车辆与运载学院2019级硕士生，师从李亮教授，研究方向为底盘动力学域控协调控制策略。

导读

智能汽车成为国际汽车产业科技前沿。智能汽车集感知、决策、控制于一体，其被视为交通安全事故、交通拥堵等问题的最终解决方案。智能汽车将人的操纵自动化，并未改变汽车割裂设计组装的传动运行机理，底盘动力学失稳特性仍然存在，却无人“兜底”。

本文总字数3020，阅读约10分钟。

主要学术贡献

智能汽车通过交通环境感知、智能决策规划和控制执行实现无人驾驶，其被视为解决交通安全事故、交通拥堵的终极方案，已成为科技探索前沿。但是一方面，我国汽车产业底盘核心部件一直面临国外垄断；另一方面，当前汽车底盘割裂设计、组装的传动运行机制存在模型失准、控制失配的难题，底盘运行存在固有失稳弊端。本人及所在团队提出了智能汽车底盘动力学域控制原创技术路线，有望为智能汽车提供底盘完全数字化、动力学模型完备的新机制。

我们的研究主要研究贡献在于，率先提出了面向智能汽车的底盘动力学域控制概念、发明了底盘动力学域控制架构，并围绕该原创技术方案全方位布局了国家发明专利。设计了底盘动力学状态集成观测方法；提出了特定自动驾驶功能与动力学稳定性多目标优化方法；提出了动力学稳定性底盘多子系统协调控制策略。底盘域控系统正与自主品牌车企通力合作，产学研深度结合，以期实现智能汽车底盘域控制器产业化。

01

智能汽车发展热潮

图1 汽车工业进入智能化时代

图片来源：https://image.baidu.com/

近年来，人工智能技术发展促使汽车工业进入智能化时代，智能汽车是学术界与产业界的研究热点，是我国建设汽车强国和交通强国的重要抓手，更是未来世界大国之间激烈角逐的关键领域。智能汽车是一种集感知、决策、控制于一体的智能化系统，其被视为交通安全事故、交通拥堵等问题的最终解决方案^[1]。

美国汽车工程师学会SAE制定了J3016自动驾驶分级标准，将自动驾驶技术分为L0-L5共六个等级，如图1所示。L0代表没有自动驾驶加入的传统人类驾驶，L1-L5则随自动驾驶的技术配置和成熟程度进行了分级。L1-L5分别为辅助驾驶、部分自动驾驶、条件自动驾驶、高度自动驾驶、完全自动驾驶。当前已开放上路的高级驾驶辅助系统（Advanced Driver Assistance System，ADAS）主要集中在L3级以下的自动驾驶级别所对应的技术，例如：自适应巡航、车道保持辅助、自动紧急制动等，部分车型已搭载L3级自动驾驶功能。

图 2 自动驾驶分级图  图片来源：作者绘制

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智能汽车发展下汽车电子电气架构演化

智能化使汽车产业面临颠覆性变革，汽车电子电气架构（EEA）面临革命性重构，由传统的分布式向域集中式甚至中央计算式进化（图3）。

图 3 汽车电子电气架构演化

图片来源：作者绘制

域控制器（DCU，Domain Control Unit）的概念最早是由以德国博世、大陆为首的Tier 1厂商针对电子控制单元（Electronic, Control Unit, ECU）的接口进一步丰富和算力提升而提出，以解决信息安全和ECU瓶颈的问题。域控制器关注系统级功能实现，有强大的硬件计算能力与丰富的软件接口支持，使得更多核心功能模块集中于域控制器内。加之数据交互的接口标准化，将底盘执行部件变成标准零件，降低零部件开发/制造成本，系统功能集成度大大提高，对于功能的感知与执行的硬件要求降低。

所谓“域”就是将汽车电子系统根据功能划分为若干个功能块，每个功能块内部的系统架构由域控制器为主导搭建，各个域内部的系统互联仍可使用CAN通信总线等，而不同域之间的通讯由更高传输性能的以太网作为主干网络承担信息交换任务。在每个功能域中，域控制器需要强大的处理功率和超高的实时性能以及大量的通信外设。由于要完成大量运算，域控制器需配备运算力强大的核心处理器，提供对智能座舱和不同级别自动驾驶算力的支持，业内有NVIDIA、英飞凌、瑞萨、TI、NXP、Mobileye等提供各类技术方案。这样，利用多核CPU/GPU芯片集中控制各个域，以取代分布式汽车电子电气架构。

03

底盘动力学域控制技术的必要性

在汽车底盘电控部件逐渐丰富的同时，也由于通信总线不断增长、控制器数量井喷式上升带来了不受控制的制造成本增加、协同工作的挑战，对于各汽车产业链的整车厂而言，随着电控部件控制器数量逐渐增加，底盘复杂机电系统日渐复杂，甚至无法收场、难以掌控和协调。例如，2000年奔驰S级轿车有80个电控单元，1900条总长达4km的通信总线。2007年奥迪Q7和保时捷卡宴总线长度突破6km。因此，将分散小传感器被逐渐统一为功能更强的集成传感器，将分散控制器按照功能域划分、集成为运算能力更强的域控制器技术趋势应运而生^[2]。

3.1我国汽车产业长期面临的困境

在底盘电控部件，我国汽车产业一直面临国外核心技术封锁关键部件垄断的境地，新开发的一款车型关键零部件都需要国外企业高昂费用的单独匹配开发。例如，电子稳定性控制系统（Electronic Stability Control, ESC）、电动助力主缸（I-Booster）、智能汽车线控制动、线控转向技术（Braking by Wire、Steering by Wire）等关键技术均是我国汽车工业由汽车大国向汽车强国迈进的卡脖子难题。这样，导致我国自主品牌车企在面对国外底盘零部件供应商巨头时谈判话语权被削弱。

3.2智能汽车发展共性难题

此外，当前汽车底盘电控各部件从机理上看均是在不同维度的动力学模型下进行割裂设计后组装起来的。各个部件均由各自所需的传感器、标定的动力学模型、控制策略算法、执行器组成。这样就带来如下问题：1）底盘各部件供应商分散，每款产品均需单独开发匹配，产生大量开发匹配成本；2）各个传感器之间因为不同供应商技术自我保护通讯无法完全开放，形成信息孤岛，降维的动力学模型存在失准的问题；3）割裂设计的各个功能的优化目标不同，控制容易发生失配，底盘运行存在固有失稳的弊端。智能汽车亟需底盘完全数字化、动力学模型完备的新机制。

04

面向智能汽车的底盘动力学域控制技术

4.1 底盘域控探索思路

作者团队率先提出了面向智能汽车的底盘动力学域控制概念、发明了底盘动力学域控制架构（图4），并围绕该原创技术方案全方位布局了国家发明专利^[3,4]。设计智能汽车底盘动力学域控制器，与自动驾驶域控制器通讯交互，包含了状态估计、模型解算与最优控制三大模块，将现有底盘各个电控部件仅仅作为执行控制指令的作动器。

具体地，通过全局状态估计与车辆十五自由度模型解算整合原有传感器信息，形成对车辆系统状态的精确感知，基于多自由度车辆状态进行上层控制量的协调分配，使得下层电控系统仅作为执行器响应底盘域控制器的输出信号，最终实现智能汽车统一、高效、可靠的数据处理与集成控制。实现智能汽车底盘“自我量化认知”，消除降维模型的失准问题，保证车辆在复杂、高动态交通状况下安全稳定运行。

4.2 总体架构设计与研究

智能汽车底盘动力学域控制统一解算底盘线控执行器的指令集合。其技术架构包括两部分，一是智能汽车动力学域控制状态观测体系，二是以稳定性为核心的动力学协调控制机制。

域控制器首先将智能汽车多源传感器的信号上移至底盘域控系统进行集中处理、数据融合；可结合传感器自身信息甚至与智能网联大数据相互交互，建立智能汽车的全局动力学状态观测体系，对动力学关键状态量进行全工况估计；再建立十五自由度动力学模型，探明复杂动力学模型的精确解算机制，精准量化智能汽车的运动特性；通过域控对动力学状态的精确感知与预瞄技术，建立稳定运行边界精确数学表达式，量化动力学稳定边界条件，实现智能汽车直接前馈预瞄控制。动力学域控协调控制机制以底盘动力学稳定性为核心进行多目标优化协调控制，并探明各个子系统之间的作用边界，实现底盘各零部件的协调控制；最后由各个执行器按照控制指令执行底盘域控系统的动作指令。在域控总体架构下，设计了底盘动力学状态集成观测方法；提出了特定自动驾驶功能与动力学稳定性多目标优化方法；提出了动力学稳定性底盘多子系统协调控制策略^[5,6]。

图4 面向智能汽车的底盘动力学域控制架构

图片来源：文献^[3]

05

总结展望

十五自由度动力学模型的精确解算与预瞄、稳定边界量化是车辆进行前馈控制、提升车辆动力学性能的基础，也是底盘动力学域控制技术的关键之一。底盘域控系统综合各底盘传感器信号，实现4个车轮各向轮胎力、整车动力学状态的精确估算，经数据融合处理后构建15自由度车辆动力学模型并进行精确解算，提供量化的类驾驶员视角。底盘动力学稳定性是智能驾驶控制指令执行、车辆安全稳定运行的关键。底盘域控对底盘各执行器进行多目标多系统优化协调控制，实现其与执行器数据交互，将各复杂执行器变为标准化的机械部件，极大降低底盘核心零部件高昂开发、匹配、测试费用，提高民族汽车企业掌控权。

通过底盘域控制器集成协调控制各底盘电控子功能，减少新功能ECU的布置，可以提高各功能模块的通信速度。底盘域控制器单元基于十五自由度动力学模型解算，集中开发各类应用功能，使得转向、制动等执行操作优化配合与联动。底盘域控制器的集成控制，规范底盘执行器接口，可提高我国民族汽车工业对车辆底盘核心关键零部件的主导权。控制范围更广、算力更强的底盘域控制器为智能汽车决策控制算法提供精确解算与预瞄的动力学状态、量化的稳定运行边界和底盘执行器的工作状态。目前，底盘域控系统正与自主品牌车企通力合作，产学研深度结合，以期实现智能汽车底盘域控制器产业化。

参考文献

[1] Spielberg N A , Brown M , Kapania N R , et al. Neural network vehicle models for high-performance automated driving[J]. Science Robotics, 2019, 4(28).

[2] 李亮, 王翔宇, 程硕,等. 汽车底盘线控与动力学域控制技术[J]. 汽车安全与节能学报, 2020(2).

[3] 李亮 , 程硕 , 刘子俊 . 汽车的底盘域控制器、系统及方法 [P].中国 : CN 201911233011.3, 2020-03-24.

[4] 程硕，袁亚东，李亮，等. 具有类驾驶员视角的底盘域控制器及车辆的控制方法[P]. 中国: CN202010881775.X. 2020-08-27.

[5] Cheng S, Li L, Chen J. Fusion algorithm design based on adaptive SCKF and integral correction for side-slip angle observation[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 65(7): 5754-5763.

[6] Cheng S , Li L , Liu C Z , et al. Robust LMI-Based H-Infinite Controller Integrating AFS and DYC of Autonomous Vehicles With Parametric Uncertainties[J]. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems, 2020, PP(99):1-10.

文稿｜李逸思

编辑｜于亿航 周圣钧 高松龄 邱雨浩

审核｜赵　鑫 张可人