智能网联汽车技术概论版啊课件第6-7章

1、第六章 无人驾驶汽车运动控制第六章 无人驾驶汽车运动控制6.1运动控制系统概述6.2线控油门控制系统6.3制动控制6.4线控转向控制CONTENTS6.1运动控制系统概述CONTENTS6.1运动控制系统概述/016.1运动控制系统概述/016.1运动控制系统概述4随着科学技术的逐渐发展以及高端技术的更新换代，汽车行业也进入了一个高速发 展的时代。在汽车设计之初，它只是我们生活中的一个代步工具，由于汽车工业的飞速发展，人们逐渐意识到汽车带来的方便与快捷，正因为如此，汽车逐步发展成为了人们 日常生活中不可或缺的重要部分。对无人驾驶智能车的设计开发指明了未来汽车电子化、信息化和智能化的发展方向。传

2、统汽车是一个闭环控制系统，包括人、车、路三个部分，其中的人即驾驶员具有很大的可变性，无人驾驶智能车的诞生则彻底的改变了这种不稳定的控制方式，将具有可变性的驾驶员从传统的控制系统中剔除出去，可以在一定程度上提高道路安全性以及行车效率。现代无人驾驶智能车以汽车工业作为基础，依托于飞速发展的科学技术和 坚持不懈的技术创新，以人们生活的实际需要为目标，正在朝着更加完善、可控性更强 的方向发展。6.1运动控制系统概述4随着科学技术的逐渐发展以及高端技术的6.1运动控制系统概述无人驾驶汽车的控制系统分为纵向控制和横向控制。纵向控制包括对油门和制动的控制，以及对油门和制动控制的切换规则。在横向控制的过程中，

3、通常需要考虑车辆纵向速度、道路曲率以及未知干扰等诸多因素的影响。其次介绍考虑车辆纵向速度的横向控制，通过航向预估解决无人驾驶汽车在纵向速度发生变化时的横向稳定性较差的问题，提高无人驾驶汽车对纵向速度的自适应能力。再次介绍考虑已知道路曲率和未知环境干扰时的横向控制，通过滑模变结构控制理论建立自动转向控制系统，采用前馈控制解决道路曲率对横向控制的影响，进一步添加反馈控制解决横向控制过程中由于未知干扰造成的航向偏差。最后介绍考虑环境信息与车辆约束的无人驾驶汽车路径跟踪。6.1运动控制系统概述无人驾驶汽车的控制系统分为纵向控制和横6.1运动控制系统概述本节介绍纵向速度控制模型。然后，分别介绍无人驾驶汽

4、车的油门控制以及制动控制。最后，阐述具体的切换规则，协调油门控制与制动控制。无人驾驶汽车采用油门和制动综合控制方法实现对预定速度的跟踪。根据预定速度和无人驾驶汽车实测速度的偏差，油门控制器和制动控制器根据各自的算法分别得到油门控制量和制动控制量。切换规则根据油门控制量、速度控制量和速度偏差选择油门控制还是制动控制，未选择的控制系统回到初始位置，如按切换规则选择了油门控制，则制动控制执行机构将回到零初始位置。纵向控制中介绍转向控制。6.1运动控制系统概述本节介绍纵向速度控制模型。然后，分别介6.2线控油门控制系统/026.2线控油门控制系统/026.2线控油门控制系统8油门控制，是无人驾驶智能车

5、的最基本的控制系统，是实现无人驾驶智能车稳定、安全行驶最重要的部分，是反应无人驾驶智能车自动化及安全系数的关键技术之一。一辆技术完善的无人驾驶智能车应具备以下功能：在面对一个复杂、未知的道路环境时，汽车在没有驾驶员的操作下，通过自身装载的雷达和各种传感器采集道路路况与四周环境等各方面的信息，在 ECU 的控制下能够平稳、安全的行驶，并到达所期望的目的地。正是有了油门控制系统，无人驾驶智能车在行驶过程中才能随着周围路况与环境的变化，控制汽车节气门开度，调整汽车车速，保证汽车稳定、安全的行驶，最后安全到达目。6.2线控油门控制系统8油门控制，是无人驾驶智能车的最基本的6.2线控油门控制系统9当前线

6、控油门或电子油门技术已经成熟。针对传统燃油车，线控油门现在基本是标准配置，混合动力和电动汽车中都是线控油门，基本不需要换挡，若有也会是线控。电子油门控制系统经过这么多年的发展，已经不是最初的电机控制节气门概念了，而逐渐发展成为根据油门踏板的位置，ECU来决定节气门的开合大小以及喷油量、喷油时间间隔，早已经完成的电子线控化。传统油门踏板与电子油门控制系统对比6.2线控油门控制系统9当前线控油门或电子油门技术已经成熟。6.2线控油门控制系统电子油门主要由油门踏板、踏板位移传感器、ECU（电控单元）、CAN总线、伺服电动机和节气门执行机构组成。油门踏板有一些国内的供应商，但电喷执行机构、ECU等技术

7、全部掌握在国际零部件巨头中，产业格局稳定，国内企业的参与度不高。 线控油门相当简单，且已经大量应用，也就是电子油门，凡具备定速巡航的车辆都配备有电子油门。电子油门通过用线束（导线）来代替拉索或者拉杆，在节气门那边装一只微型电动机，用电动机来驱动节气门开度。一般而言，增减油门就是指通过油门踏板改变发动机节气门开度，从而控制可燃混合气的流量，改变发动机的转速和功率，以适应汽车行驶的需要。传统发动机节气门操纵机构是通过拉索或者拉杆，一端联接油门踏板，另一端联接节气门连动板而工作。6.2线控油门控制系统电子油门主要由油门踏板、踏板位移传感器6.2线控油门控制系统但这种传统油门应用范畴受到限制并缺乏精确

8、性。电子油门的主要功能是把驾驶员踩下油门踏板的角度转换成与其成正比的电压信号，同时把油门踏板的各种特殊位置制成接触开关，把怠速、高负荷、加减速等发动机工况变成电脉冲信号输送给电控发动机的控制器ECU，以达到供油、喷油与变速等的优化自动控制。电子油门控制系统主要由油门踏板、踏板位移传感器、ECU（电控单元）、数据总线、伺服电动机和节气门执行机构组成。6.2线控油门控制系统但这种传统油门应用范畴受到限制并缺乏精6.2线控油门控制系统位移传感器安装在油门踏板内部，随时监测油门踏板的位置。当监测到油门踏板高度位置有变化，会瞬间将此信息送往ECU，ECU对该信息和其它系统传来的数据信息进行运算处理，计算

9、出一个控制信号，通过线路送到伺服电动机继电器，伺服电动机驱动节气门执行机构，数据总线则是负责系统ECU与其它ECU之间的通讯。在自适应巡航中，则由ESP（ESC）中的ECU来控制电机，进而控制进气门开合幅度，最终控制车速。6.2线控油门控制系统位移传感器安装在油门踏板内部，随时监测6.3制动控制/036.3制动控制/036.3制动控制传统制动系统主要由真空助力器、主缸、储液壶、轮缸、制动鼓或制动碟构成。当踩下刹车踏板时，储液壶中的刹车油进入主缸，然后进入轮缸。轮缸两端的活塞推动制动蹄向外运动进而使得摩擦片与刹车鼓发生摩擦，从而产生制动力。6.3制动控制传统制动系统主要由真空助力器、主缸、储液壶

10、、轮6.3.1线性制动15汽车制动系统结构示意图红旗CA7220型轿车真空助力伺服制动系统示意图6.3.1线性制动15汽车制动系统结构示意图红旗CA72206.3.1线性制动线控制动正是从真空助力器延伸开来，用一个电机来代替真空助力器推动主缸活塞。由于汽车底盘空间狭小，电机的体积必须很小，同时要有一套高效的减速装置，将电机的扭矩转换为强大的直线推力。这其中的关键因素就是电机主轴，日本是此领域的霸主。在电机技术不够先进的1999年前，人们只得放弃这种直接推动主缸的思路。转而使用高压蓄能器。这就是奔驰的SBC、丰田的EBC系统、天合的SCB，这套系统利用电机建立液压，然后将高压刹车油储存在高压蓄能

11、器中，需要刹车时释放。这套系统结构复杂，液压管路众多，成本高昂，可靠性不高。奔驰曾经大规模召回过SBC系统，丰田也曾经召回过EBC系统，奔驰今天已经几乎不用SBC系统。6.3.1线性制动线控制动正是从真空助力器延伸开来，用一个电6.3.1线性制动随着电机技术的发展，日立旗下的东机特工在2009年首次推出电液线控制动系统E-ACT。除丰田外，大部分日系混动或纯电车都采用这种设计，最典型的就是日产Leaf。说起来很简单，用直流无刷超高速电机配合滚珠丝杠直接推动主缸活塞达到电液线控制动，这套方案对滚珠丝杠的加工精度要求很高。传统的液压制动系统反应时间大约400-600毫秒，电液线控制动大约为120-

12、150毫秒，安全性能大幅度提高。百公里时速刹车大约最少可缩短9米以上的距离。同时用在混动和电动车上，可以回收几乎99%的刹车摩擦能量。是目前公认最好的制动方式，为了保证系统的可靠性，这套制动系统一般都需要加入ESP（ESC）做系统备份。6.3.1线性制动随着电机技术的发展，日立旗下的东机特工在26.3.1线性制动早在1999年大众在开发纯电动车过程当中也很想使用这种电机直接推动主缸的设计，但是德国的电机工业当时没有能力满足大众的需求，大众采取了妥协的设计。既然电机的能量达不到，那就继续用高压蓄能器配合，但是推动主缸的是电机，大众称之为eBKV，2009年的大众E-UP上首次使用。大众MEB平台

13、6.3.1线性制动早在1999年大众在开发纯电动车过程当中也6.3.1线性制动博世从e-UP中获得灵感，加上博世是电机大师，经过博世的努力，最终在2013年去掉了高压蓄能器，单用电机推动主缸，这就是iBooster。新能源汽车有别于传统汽车，可将刹车时车辆的动能，通过车载电机回收。这是目前许多新能源产品都有的能量回收系统.但是在这一领域，每个厂家的技术都是参差不齐，高低不同的。首先，大部分新能源产品沿用传统制动系统，和汽油车一样，使用卡钳制动。然后再如加味精一般，配合一些电机上的能量回收技术上的“小聪明“，以期回收能量。即便如此，电机和卡钳同时工作，制动能量回收最高也仅仅只有20%。而博世开发

14、的iBooster系统，则解决了以上提到的能效回收效率低下的问题。当踩下制动踏板时，iBooster系统传感器智能判断驾驶员通过踏板表达的减速度（刹车快慢）的需求。当减速度需求小于约0.3个g的情况下（这个条件涵盖正常驾驶的绝大多数工况），由电机回收几乎全部的制动能量循环利用。而减速度大于0.3个g的时候，就会同时启动电机与卡钳制动，确保刹车性能安全可靠。6.3.1线性制动博世从e-UP中获得灵感，加上博世是电机6.3.1线性制动BOSCH iBooster系统这意味着近九成的制动情况下，制动动作是由iBooster控制电机对电能作了一个“收“的动作，让车速慢下来。而这个过程中，传统物理意义上

15、的制动系统并不介入。BOSCH iBooster系统工作示意图6.3.1线性制动BOSCH iBooster系统这意味着近6.3.1线性制动除了最重要的节能特点外，iBooster还有这些优势：（1）iBooster系统在高海拔状况下，依旧表现优异。（2）拥有更灵敏的紧急刹车响应速度。（3）刹车脚感也更舒适。博世的iBooster 于2013年初推出，并且应用大众（包括奥迪品牌，大众持有ibooster的部分专利）全系列电动与混动车上，其他客户还有特斯拉和即将上市的卡迪拉克CT6。大陆和天合（ZF）则在此基础上将ESC也集成进来，大陆的MK C1早在2011年就已经推出，在2017年版的阿尔法

16、罗密欧Giulia上使用。TRW的则于2012年推出IBC，通用的K2XX平台上将全线使用。顺便说下TRW的IBC技术并非自己原创，是收购自一家小公司，不过博世的ABS技术也不是自己原创的。6.3.1线性制动除了最重要的节能特点外，iBooster还6.3.1线性制动这些线控制动都不是纯粹的线控制动，仍然需要液压系统放大制动能量。液压系统结构复杂，专利门槛很高。为了突破大厂的封锁，也为了简化制动系统，纯粹的线控制动（EMB)近年来是个火热的研究领域。EMB取消液压系统，直接用电机驱动机械活塞制动。优点一、安全优势极为突出，大幅度缩短刹车距离，EMB的反应时间大约90毫秒，比iBooster的1

17、20毫秒更快速。优点二、没有液压系统，不会有液体泄露，对电动车来说尤其重要，液体泄露可能导致短路或元件失效，进而导致灾难。同时成本和维护费用也降低不少。6.3.1线性制动这些线控制动都不是纯粹的线控制动，仍然需要6.3.2现有线性制动的缺点231、没有备份系统，对可靠性要求极高。特别是电源系统，要绝对保证稳定，其次是总线通信系统的容错能力，系统中每一个节点的串行通信都必须具备容错能力。同时系统需要至少两个CPU来保证可靠性。2、刹车力不足。EMB系统必须在轮毂中，轮毂的体积决定了电机大小，进而决定了电机功率不可能太大，而普通轿车需要1-2KW的刹车功率，这是目前小体积电机无法达到的高度，必须大

18、幅度提高输入电压，即便如此也非常困难。3、工作环境恶劣，特别是温度高。刹车片附近的温度高达数百度，而电机体积又决定只能使用永磁电机，而永磁在高温下会消磁。同时EMB有部分半导体元件需要工作在刹车片附近，没有半导体元件可以承受如此高的温度，而受体积限制，无法添加冷却系统。同时这是簧下元件，震动剧烈，永磁体无论是烧结还是粘结都很难承受强烈震动。对半导体元件也是个考验。需要一个高强度防护壳，然而轮毂内体积非常有限，恐怕难以做到。6.3.2现有线性制动的缺点231、没有备份系统，对可靠性要6.3.2现有线性制动的缺点4、需要针对底盘开发对应的系统，难以模块化设计，导致开发成本极高。我们认为除非永磁材料

19、有重大突破，居里温度点大幅度提高到1000摄氏度，否则EMB无法商业化。顺便说一句，轮毂电机也是如此，不解决材料问题，轮毂电机商业化不大可能。不过这种材料从理论上来说是不可能出现的，磁性越强，其居里温度点就越低，高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列必然从整齐划一到混乱无序，这是物理特性，无法改变。比如最好的磁王钕铁硼，一般使用N35牌号，其居里温度点为310摄氏度，但其工作温度上限只有80摄氏度，超过80度，磁性能就开始下降，到310度，磁性完全消失。而夏天汽车刹车盘的温度轻松超过100度，工作时温度轻松超过300度。所以未来十年内，电液线控系统会是唯一的选择。6.3.2现有线性制动的缺点4

20、、需要针对底盘开发对应的系统，6.3.2现有线性制动的缺点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人了大量的电子控制系统如ABS、ESP等后，结构和管路布置越发复杂，液压（空气）回路泄露的隐患也加大，同时装配和维修的难度也随之提高。线控制动系统与各个模块的高度关联6.3.2现有线性制动的缺点人们对制动性能要求的不断提高，传6.3.2现有线性制动的缺点制动控制是自动驾驶执行系统的重要部分，目前ADAS与制动系统高度关联的功能模块包括ESP（车身稳定系统）/AP（自动泊车）/ACC（自适应巡航）/AEB（自动紧急制动）等。线控制动系统与各个模块的高度关联6.3.2现有线性制动的

21、缺点制动控制是自动驾驶执行系统的重要6.3.3线控液压制动器(EHB)27EHB（Electro-Hydraulic Brake）即线控液压制动器，是在传统的液压制动器基础上发展而来的。EHB用一个综合的制动模块来取代传统制动器中的压力调节器和ABS模块等，这个综合制动模块就包含了电机、泵、蓄电池等等部件，它可以产生并储存制动压力，并可分别对4个轮胎的制动力矩进行单独调节。比传统的液压制动器，EHB有了显著的进步，其结构紧凑、改善了制动效能、控制方便可靠、制动噪声显著减小、不需要真空装置、有效减轻了制动踏板的打脚、提供了更好的踏板感觉。由于模块化程度的提高，在车辆设计过程中又提高了设计的灵活性

22、、减少了制动系统的零部件数量、节省了车内制动系统的布置、空间。可见相比传统的液压制动器，EHB有了很大的改善。但是EHB还是有其局限性，那就是整个系统仍然需要液压部件，其基本的还是离不开制动液。6.3.3线控液压制动器(EHB)27EHB（Electro6.3.4电子机械制动(EMB)28如果把EHB称为“湿”式brake-by-wire制动系统的话，那么EMB就是“干”式brake-by-wire制动系统。EMB全称Electro Mechanical Brake，和EHB的最大区别就在于它不再需要制动液和液压部件，制动力矩完全是通过安装在4个轮胎上的由电机驱动的执行机构产生。因此相应的取消

23、了制动主缸、液压管路等等，可以大大简化制动系统的结构、便于布置、装配和维修，更为显著的是随着制动液的取消，对于环境的污染大大降低了。因此结构相对简单、功能集成可靠的电子机械制动系统越来越受到青睐，可以预见EMB将最终取代传统的液压（空气）制动器，成为未来车辆的发展方向。西门子 VDO的EMB示意图6.3.4电子机械制动(EMB)28如果把EHB称为“湿”式6.4线控转向控制/046.4线控转向控制/046.4.1线控转向控制（SBW）结构30汽车线控转向系统 SBW 由转向盘总成、转向执行总成和主控制器(ECU)等3个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助系统组成。转向盘总成的主要功能是将驾驶

24、员的转向意图(通过测量转向盘转角)转换成数字信号，并传递给主控制器；同时接受主控制器送来的力矩信号，产生转向盘回正力矩，以提供给驾驶员相应的路感信息。转向执行总成的功能是接受主控制器的命令，通过转向电机控制器控制转向车轮转动，实现驾驶员的转向意图。控制器的功能是对采集的信号进行分析处理，判别汽车的运动状态，向转向盘回正力电机和转向电机发送指令，控制两个电机的工作，保证各种工况下都具有理想的车辆响应，以减少驾驶员对汽车转向特性随车速变化的补偿任，减轻驾驶员负担。同时，主控制器还可以对驾驶员的操作指令进行识别，判定在当前状态下驾驶员的转向操作是否合理。6.4.1线控转向控制（SBW）结构30汽车线

25、控转向系统 S6.4.1线控转向控制（SBW）结构当汽车处于非稳定状态或驾驶员发出错误指令时，线控转向系统会将驾驶员错误的转向操作屏蔽，而自动进行稳定控制，使汽车尽快地恢复到稳定状态。自动防故障系统是线控转向系统的重要模块，它包括一系列的监控和实施算法，针对不同的故障形式和故障等级做出相应的处理，以求最大限度地保持汽车的正常行驶。电源系统承担着主控制器、两个执行电机以及其它车用电器的供电任务。汽车线控转向系统结构示意图6.4.1线控转向控制（SBW）结构当汽车处于非稳定状态或驾6.4.2线控转向系统（SBW）原理32线控转向技术由于取消了转向盘与转向轮之间的机械连接，即转向盘与转向轮之间通过控

26、制信号连接，彻底摆脱了传统转向系统所固有的约束限制，这样不但可以自由设计汽车转向系统的力传递特性和角传递特性，而且改变了转向盘的路感反馈特性，可以提高汽车操纵稳定性、安全性和舒适性，给汽车转向特性带来无限的设计空间，是汽车转向系统的一次重大的革新。线控转向也已经得到实际应用，实际目前的电子助力转向（EPS）非常接近线控转向了。EPS与线控转向之间的主要差异就是线控转向取消了方向盘与车轮之间的机械连接，用传感器获得方向盘的转角数据，然后ECU将其折算为具体的驱动力数据，用电机推动转向机转动车轮。而EPS则根据驾驶员的转角来增加转向力。线控转向的缺点是需要模拟一个方向盘的力回馈，因为方向盘没有和机

27、械部分连接，驾驶者感觉不到路面传导来的阻力，会失去路感，不过在无人车上，就无需考虑这个了。线控转向还保留机械装置，保证即使电子系统全部失效，依然可以正常转向。6.4.2线控转向系统（SBW）原理32线控转向技术由于取消6.4.2线控转向系统（SBW）原理Bosch面向自动驾驶的线控转向系统架构传统EPS系统组成 SBW（Steering-by-wire）的发展与EPS一脉相承，其所用到的关键部件在EPS中一样有应用，其系统相对于EPS需要有冗余功能。6.4.2线控转向系统（SBW）原理Bosch面向自动驾驶的6.4.2线控转向系统（SBW）原理目前SBW系统有两种方式：1.取消方向盘与转向执行

28、机构的机械连接，通过多个电机和控制器来增加系统的冗余度。2.在方向盘与转向执行机构之间增加一个电磁离合器作为失效备份，来增加系统的冗余度。SBW系统的两种方式6.4.2线控转向系统（SBW）原理目前SBW系统有两种方式6.4.2线控转向系统（SBW）原理右图是博世在EPS电机的基础上进行了修改，使电机有两个绕组，同时配备两套电子功率器件控制系统，这样在一个绕组出问题时另外一个绕组可以顶上，这样电机还是可以工作，进而达到的冗余系统的要求。博世SBW的电机冗余备份系统6.4.2线控转向系统（SBW）原理右图是博世在EPS电机的6.4.3线控转向系统（SBW）特点36（1）提高汽车安全性能。去除了转

29、向柱等机械连接，完全避免了撞车事故中转向柱对驾驶员的伤害；智能化的ECU根据汽车行驶状态判断驾驶员的操作是否合理，并做出相应调整；当汽车处于极限工况时，能够自动对汽车进行稳定控制。 （2）改善驾驶特性，增强操纵性。基于车速、牵引力控制以及其它相关参数基础上的转向比率 (转向盘转角与车轮转角的比值)不断变化。低速行驶时，转向比率低，可以减少转弯或停车时转向盘转动的角度；高速行驶时，转向比率变大；获得更好的直线行驶条件。 （3）改善驾驶员的路感。由于转向盘和转向车轮之间无机械连接，驾驶员“路感”通过模拟生成。可以从信号中提出最能够反应汽车实际行驶状态和路面状况的信息，作为转向盘回正力矩的控制变量，

30、使转向盘仅向驾驶员提供有用信息，从而为驾驶员提供更为真实的“路感”。 （4）增强汽车舒适性。由于消除了机械结构连接，地面的不平整和转向轮的不平衡不会传递到转向轴上，从而减缓了驾驶员的疲劳；驾驶员的腿部活动空间和汽车底盘的空间明显增大。6.4.3线控转向系统（SBW）特点36（1）提高汽车安全性6.4.4线控转向系统（SBW）关键技术371）容错控制技术. 为了满足汽车的可靠性与安全性要求，汽车线控转向系统必须采用容错控制技术，容错控制设计方法有硬件冗余方法和解析冗余方法两类。硬件冗余方法主要是通过对重要部件及易发生故障部件提供备份，以提高系统的容错性能；解析冗余方法主要是通过设计控制器的软件来

31、提高整个系统的冗余度，从而改善系统的容错性能。 2）传感器技术。现代汽车技术发展特征之一就是越来越多的部件采用电子控制。汽车电子控制系统的控制效果依赖于传感器的信息采集和反馈的精度，传感器科技含量直接影响整个汽车电子控制系统的性能。汽车线控转向系统需要的相关传感器有：角位移传感器、转矩传感器、车速传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器等。6.4.4线控转向系统（SBW）关键技术371）容错控制技术6.4.4线控转向系统（SBW）关键技术（3）总线技术。线控技术的全面应用将意味着汽车由机械到电子系统的转变。线控技术要求网络的实时性好、可靠性高，而且一些线控部分要求功能实现冗余，以保证在出现一

32、定的故障时仍可实现这个装置的基本功能。这就要求用于线控的网络数据传输速度高、时间特性好和可靠性高。（4）电源技术。汽车电源承担着汽车线控转向系统中电子控制单元、四个电动机的供电。两个转矩反馈电动机功率大约为5080瓦，两个转向电动机功率大约为500800瓦，电源负荷相当重。因此要保证整个汽车线控转向系统的稳定工作，汽车电源的性能至关重要。6.4.4线控转向系统（SBW）关键技术（3）总线技术。线控6.4.5线控转向控制（SBW）发展现状39线控转向技术需要在EPS技术上发展，因此此项技术的参与者绝大多数都是传统的Tier 1 EPS系统供应商。EPS的核心部件：电机、电控、扭矩传感器、角度传感

33、器基本都为各大主机厂内部供应，有很深厚的积累，新厂商切入此领域比较困难。右图显示了2016年全球转向系统供应商所占市场份额比例。 6.4.5线控转向控制（SBW）发展现状39线控转向技术需要6.4.5线控转向控制（SBW）发展现状下图则展示了国内2015年转向系统供应商市场份额的分布6.4.5线控转向控制（SBW）发展现状下图则展示了国内206.4.5线控转向控制（SBW）发展现状供应商名称产品现状BoschServolectric产品，样车展示ZF(TRW)未量产，有产品介绍JTEKT未量产，有SBW产品介绍Kayaba2013量产，客户Infiniti Q50，有召回NexteerQuie

34、t Wheet产品，专利Hitachi未量产，有专利NTN未量产，有专利Thyssenkrupp AG未量产，有专利申请NSK未量产，有专利申请，但公开不支持Dura原型机，有专利申请Danfoss未量产，有专利申请Mando未量产，有专利申请Schaeffler收购帕拉万，拥有Space Drive产品联创电子有研究，原型机浙江万达原型机，实验中恒隆有研究国内有SBW产品的供应商名单6.4.5线控转向控制（SBW）发展现状供应商名称产品现状B6.4.6结语42自动驾驶现在轰轰烈烈的在发展，似乎全球车企都对此产生了焦虑症，担心自动驾驶的产业重构会让企业落后于时代。从执行端来看，线控油门、线控换

35、挡、线控空气悬挂虽然技术都很成熟了，但最为关键的转向和制动系统目前还没有一套可以适用于L4驾驶的稳定的量产产品。 这点上SBW系统好于BBW系统，SBW系统已经看到了博世的样车，虽然有召回Infiniti Q50上至少已经批量装车SBW系统，Nexteer也据说将在2019开始量产其quietwheel产品等。对于适用于L4的BBW系统，虽然博世宣称Ibooster+ESC是可以满足L4的标准，但其还是共用一套液压管路，严格意义上将还不满足冗余度的要求，而EMB的技术更是不知什么时候能够实际装车量产，对于执行端实际技术还有很长的路要走。6.4.6结语42自动驾驶现在轰轰烈烈的在发展，似乎全球车

36、企结束结束第七章 高级驾驶辅助系统ADAS技术第七章 高级驾驶辅助系统ADAS技术7.1 ADAS的产生7.2 ADAS的功能7.3 ADAS产业链7.4 中国对ADAS的研究与发展现状CONTENTS7.1 ADAS的产生CONTENTS7.1 ADAS的产生/017.1 ADAS的产生/017.1.1 ADAS技术简介47先进驾驶辅助系统（Advanced Driver Assistance System），简称ADAS，是利用安装于车上的各式各样的传感器，在第一时间收集车内外的环境数据， 进行静、动态物体的辨识、侦测与追踪等技术上的处理，从而能够让驾驶者在最快的时间察觉可能发生的危险，以

37、引起注意和提高安全性的主动安全技术。 ADAS主要由三大系统组成：负责环境辨识的环境感知系统，负责计算分析的中央决策系统和负责执行控制的底层控制系统。其中，负责感应的传感器主要包括摄像头、毫米波雷达、超声波雷达、夜视仪等；负责分析的主要是芯片和算法，算法是由ADAS向无人驾驶进步的突破口，核心是基于视觉的计算机图形识别技术；执行主要是由有制动、转向灯功能的硬件负责。早期的ADAS 技术主要以被动式报警为主，当车辆检测到潜在危险时，会发出警报提醒驾车者注意异常的车辆或道路情况。对于最新ADAS技术来说，主动式干预也很常见。7.1.1 ADAS技术简介47先进驾驶辅助系统（Advan7.1.2 A

38、DAS产生及发展背景48（1）政策推进智能驾驶产业化进程 国内外政策导向明确，全力推动智能驾驶产业化进程，相关法规及标准如表7-1所示。当前，各国政府逐渐认同智能驾驶能够提高交通安全的观点，并通过鼓励安装、强制要求的方式提高智能驾驶尤其是主动安全领域的配置渗透率。欧美安全法规纳入主动式安全，国内法规将跟进，进一步推动ADAS普及。中国C-NCAP研究方向已经开始向主动安全倾斜，国内安全法规如纳入主动安全，将推动AEB/ACC等辅助驾驶系统快速普及。（2）智能驾驶是消费者对安全的内在需求根据公安部统计数据，近84%的交通事故归因于驾驶员的驾驶失误，人已成为交通安全中最大的不确定性因素。智能驾驶系

39、统作为人类驾驶的辅助与替代，利用算法实现人类经验难以比拟的判断速度与精度，能够有效减少驾驶失误，降低交通事故率。新一代80、90后消费者对于汽车的方方面面都有所了解，对安全的需求有所加强，重视驾驶辅助系统，推动了智能驾驶的发展。7.1.2 ADAS产生及发展背景48（1）政策推进智能驾驶7.1.3 ADAS技术的重要性及发展阶段49根据内政部统计，2013年造成人员伤亡之道路交通事故（A1及A2类）共计273449件；其中A1类交通事故肇事原因，以驾驶人未注意车前状态占20.4%名列第一，驾驶人未依规定让车占12.9%次之，酒醉（后）驾驶失控占12.5%居第三。这三类肇事原因均可归类为人为疏失

40、，足见如果车辆能在行车途中遇有危险状况时，适时对驾驶提醒或直接介入以避免车祸发生，将可大量减少因车祸导致的人员伤亡。驾驶辅助系统（ADAS）可以做到防患于未然，把安全隐患降到最低。 总的来说，ADAS就是通过信息辅助加上控制辅助，来帮助驾驶员完成车辆的控制。因此属于ADAS范畴的技术其实有很多，像常见的主动紧急制动、自适应巡航、车道保持、盲区监测等，都可以归类到ADAS之中。做好了ADAS系统，在某种程度上来说就是做好了一部分自动驾驶技术，所以规划好ADAS的发展方向及标准，对于未来自动驾驶技术的应用能起到一个事半功倍的效果。7.1.3 ADAS技术的重要性及发展阶段49根据内政部统计7.2

41、ADAS的功能/027.2 ADAS的功能/027.2.1 BSD汽车盲点监测系统51盲区监测针对的是车辆三面后视镜，左、右、内遮挡的部分进行的车辆检测，避免驾驶员因为视觉盲区无法看到盲区的车辆而造成误判变道，BSD运用雷达和传感器，来侦测车辆两侧后方的盲点区，在盲点区侦测到车辆靠近时会向驾驶员提供警示，以帮助驾驶人将意外的机率降至最低。BSD汽车盲点监测系统示意图7.2.1 BSD汽车盲点监测系统51盲区监测针对的是车辆三7.2.1 BSD汽车盲点监测系统（1）基础技术 雷达传感器或摄像头负责监视车辆后面和侧面的道路空间，并在外后视镜上显示一个视觉信号，以提示盲点区域是否有运动的汽车存在。一

42、些车型还会在驾驶者不顾盲点区域有车辆存在而想变换车道（通过打转向灯）时向其提供附加的触觉警告，亦即振动其座椅。尽管每个汽车生产商用于警告驾驶者的设计方案各不相同，但外后视镜近旁的指示器是必须有的。7.2.1 BSD汽车盲点监测系统（1）基础技术7.2.1 BSD汽车盲点监测系统（2）盲点监测、车道偏离警告与停车声纳 盲点监测、车道偏离警告与停车声纳，这三项技术将全面保护车辆免受侧方和后方碰撞的危害。 沃尔沃汽车10年前已经开发出第一代盲点监测系统BSD。盲点监测基于车辆侧面和后方的超声波或雷达传感器进行工作。该系统监控车辆后方与侧后方车况。盲点监测系统在相邻车道后方没有车辆时将不会激活。该系统

43、不负责检测车辆是否偏离原来车道。 车道偏离警告负责检测车辆是否保持当前车道行驶。采用安装在挡风玻璃后方的前视摄像头对前方信息进行收集。当车主变换车道时，司机将在仪表板显示屏上收到视觉警告。 停车声纳采用超声波或电磁传感器安装在车辆后方或前方，用以检测车辆与障碍物的距离。有时部分传感器则用于盲点监测和倒车车侧警示系统。7.2.1 BSD汽车盲点监测系统（2）盲点监测、车道偏离警7.2.1 BSD汽车盲点监测系统（3）盲点监测的功能 在用户将汽车倒出停车位的过程中，该系统会检测后方是否有车辆经过并提醒司机。 系统的侧方传感器将帮助车主找到平行泊车的停车位。该传感器同时还作用于自动泊车系统，按下中控

44、台按钮，车辆会自动进入。 后方和侧方的传感器还可用于后方停车传感器。并不是所有的后方传感器都用于盲点检测系统。若车辆有后方停车辅助，那么就无需再配备盲点检测系统。 一些汽车在仪表板处配备一个信号指示灯，当盲点监测系统处于闲置状态时它仍然保持常亮状态。部分行业人士认为，该指示灯是多余的。不过考虑到另一个因素：一些安全辅助系统，特别是稳定性控制系统，虽然司机在驾驶过程中未必会观察到这些指示灯，不过用户在必要时刻需要知道相关系统的开启或关闭状态。 盲点检测系统也并不是完全可靠，有时它会发出假警报，特别是当车辆穿越隧道时，系统会将隧道墙壁误认为是车辆。7.2.1 BSD汽车盲点监测系统（3）盲点监测的

45、功能7.2.2 ACC自适应巡航控制系统55自适应巡航控制系统是一种智能化的自动控制系统，它是在早已存在的巡航控制技术的基础上发展而来的。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。当与前车之间的距离过小时，ACC控制单元可以通过与制动防抱死系统、发动机控制系统协调动作，使车轮适当制动，并使发动机的输出功率下降，以使车辆与前方车辆始终保持安全距离。目前许多款车上都已看见此系统的踪影。ACC自适应巡航控制系统示意图7.2.2 ACC自适应巡航控制系统55自适应巡航控制系统是7.2.2 ACC自适应巡航控制系统（1）基础技术 ACC系统中，

46、传感器的作用是显而易见的。在车辆行驶过程中，安装在车辆前部的车距传感器（雷达）必须持续扫描车辆前方道路。目前常用的传感器有雷达（长距毫米波雷达和激光雷达等），超声波测距传感器，红外测距传感器，视频传感器等。 在ACC系统中，传感器就相当于驾驶员的“眼睛”。对于眼睛来说，关键是要识别在本车道的前车，排除旁边车道车辆的影响。如果是在城市道路行驶，还必须识别行人等其他可能在道路上出现的目标对象。 安全车距模型是ACC系统控制的主要控制策略之一；他不能过大，否则会导致你后头车辆的抗议；不能过小，否则有追尾风险；安全车距是最小停车距离与当前车速的函数。安全距离，其实并不是一个固定的长度单位，而是所谓的T

47、TC，即假设保持当前相对速度，两车发生追尾所需要的时间。在大脑告诉了汽车该怎么做之后，接下来就是执行机构的事了，执行机构相当于汽车的“手脚”。执行机构包括节气门，制动，挡位。通过这些机构的动作，对汽车进行操控。7.2.2 ACC自适应巡航控制系统（1）基础技术7.2.2 ACC自适应巡航控制系统（2）ACC系统优缺点 ACC系统，相比于其他的汽车电子控制技术，还略显不成熟。难点在于对路况的适应性。但是在一定程度上，ACC可以减轻驾驶员的驾驶疲劳。ACC系统加上车道偏离辅助系统，可以让驾驶员在较好的城市路况中极大的解放双脚甚至双手。ACC作为智能驾驶技术，将会是未来汽车的发展方向，就像无人驾驶一

48、样，然而机器始终是机器，并不能完全代替人类，再智能的驾驶也只是辅助驾驶，不能完全依赖和信任。7.2.2 ACC自适应巡航控制系统（2）ACC系统优缺点7.2.3 LDW车道偏离预警系统58LDW车道偏离预警系统由摄影机、传感器及控制器组成，原理是运用在车身侧面或后视镜的摄影机，采样目前行驶车道的标识线，再通过图像处理取得当前汽车在车道的位置，这时只要汽车偏离车道，控制器就会发出警报信号，从感测到发出警报，过程只需约0.5秒的时间，以实时提醒、叫驾驶员，避免意外的发生。LDW车道偏离预警系统示意图7.2.3 LDW车道偏离预警系统58LDW车道偏离预警系统7.2.4 FCW碰撞预警系统59FCW

49、碰撞预警系统由安装在车头的雷达，侦测自车和前方车辆的距离及速度，初期会发出警告声来提醒驾驶人注意车距，若车距依然持续拉近，车辆便会先自动轻踩刹车，并轻拉安全带2-3次，警告驾驶人，若系统判定追撞是没办法避免时，启动自动紧急刹车（AEB）后，会同时立刻拉紧安全带固定驾驶人，降低意外发生后的伤害。FCW碰撞预警系统示意图7.2.4 FCW碰撞预警系统59FCW碰撞预警系统由安装在7.2.5 NVS夜视系统60 NVS夜视系统可帮助驾驶员在视线不明、看不清楚的夜晚或恶劣天气时，自动识别动物或大型异物，同时警告驾驶员前方路况，以避免意外的发生。辨别方式为以红外线来感知热量的不同，区分人、动物、车辆以及

50、环境的差异，经过处理转变成图像，将原本看不清楚的物体清楚呈现在驾驶眼前，以降低行车风险。NVS夜视系统示意图7.2.5 NVS夜视系统60 NVS夜视系统可帮助驾驶员7.2.6 自动泊车系统61自动泊车系统（Automatic Parking System）就是不用人工干预，自动停车入位的系统。自动泊车系统，可以使汽车自动地以正确的停靠位泊车，该系统包括环境数据采集系统、中央处理器和车辆策略控制系统，所述的环境数据采集系统包括图像采集系统和车载距离探测系统。自动泊车系统示意图7.2.6 自动泊车系统61自动泊车系统（Automatic7.2.6 自动泊车系统其原理是：遍布车辆周围的雷达探头测量

51、自身与周围物体之间的距离和角度，然后通过车载电脑计算出操作流程配合车速调整方向盘的转动，驾驶者只需要控制车速即可。自动泊车系统可采集图像数据及周围物体距车身的距离数据，并通过数据线传输给中央处理器；中央处理器可将采集到的数据分析处理后，得出汽车的当前位置、目标位置以及周围的环境参数，依据上述参数作出自动泊车策略，并将其转换成电信号；车辆策略控制系统接受电信号后，依据指令作出汽车的行驶如角度、方向及动力支援方面的操控。系统通过安装在车身上的摄像头，超声波传感器，以及红外传感器，探测停车位置，绘制停车地图，并实时动态规划泊车路径，将汽车指引或者直接操控方向盘驶入停车位置。7.2.6 自动泊车系统其

52、原理是：遍布车辆周围的雷达探头测量7.2.7 泊车辅助系统63泊车辅助系统（Parking Assistance），通过安装在车身上的摄像头，超声波传感器，以及红外传感器，探测停车位置，绘制停车地图，并实时动态规划泊车路径，将汽车指引或者直接操控方向盘驶入停车位置。7.2.7 泊车辅助系统63泊车辅助系统（Parking A7.2.8 适路性车灯系统64适路性车灯系统可依照不同的路况、环境、车速及天气状况，自动调整车灯的照明范围及角度，让车灯照射范围可以更深远一些，同时又不会影响到其他用路人的视线，以提供驾驶人与对向来车更安全及舒适的照明，从过去的AFS主动转向式头灯，到现在结合传感器的多颗L

53、ED智能型头灯，都是属于此系统的范畴。7.2.8 适路性车灯系统64适路性车灯系统可依照不同的路况7.2.9 适路性车灯系统示意图65适路性车灯系统示意图如图7-10所示，该系统大多都是利用摄影机侦测驾驶者脸部，判断专注力程度、是否有打瞌睡的象征，还有系统更是利用驾驶人眼睛开闭频率情况，来辨别安全等级，提供适合的警告或是协助动作，如果驾驶者的脸部表情变化减少，甚至出现闭眼的情况，车辆就会透过声响与灯号来警示驾驶员注意，以减少意外事故的发生。7.2.9 适路性车灯系统示意图65适路性车灯系统示意图如图7.2.10 各系统的三个程序66以上提到的每个系统主要包含信息采集，分析，指令执行等3个程序。

54、（1）信息采集不同的系统需要使用不同类型的车用传感器，包含毫米波雷达、超声波雷达、红外雷达、激光雷达、CCD、CMOS影像传感器及轮速传感器等，来收集整车的工作状态及其参数变化情形，并将不断变化的机械运动变成电子参数（电压、电阻及电流）。举例来说，车道偏离警告系统使用CMOS影像传感器、夜视系统则使用红外线传感器、适应性定速控制通常使用雷达、停车辅助系统则会使用超声波等。ADAS系统需先透过不同类型的车用传感器，包含毫米波雷达、超声波雷达、红外雷达、激光雷达、CCD、CMOS影像传感器及轮速传感器等协助，就可让汽车掌握外界车况，才能进行后续的警示或反应动作。（2）信息分析与指令下达电子控制单元

55、（ECU）会在针对传感器所收集到的信息进行分析处理，然后再向控制的执行装置下达动作指令。7.2.10 各系统的三个程序66以上提到的每个系统主要包含7.2.10 各系统的三个程序67（3）执行动作包含油门、刹车、灯光、声响等系统都是属于执行器的范畴，会依据ECU输出的讯号，来执行各种反应动作，让汽车安全行驶于道路上。目前ADAS系统的主要功能目前并非是完全控制汽车，而是为驾驶人提供车辆的工作情形，与车外环境变化等相关信息进行分析，且预先警告可能发生的危险状况，让驾驶人提早采取相应措施，避免交通意外发生。至于成为无人驾驶智慧车技术基础的目的，当然也是ADAS系统目前积极追求的方向，不过这需在不断

56、累积使用经验与盲点克服后，同时加入更多主动侦测系统，甚至是物联网功能后，才有机会进一步实现的目的，毕竟自动驾驶所需具备的汽车技术层面更高、更复杂。7.2.10 各系统的三个程序67（3）执行动作7.3 ADAS产业链/037.3 ADAS产业链/037.3.1 ADAS产业链介绍69 （1）感知汽车不像人类有五官，汽车感知环境数据的方式是依靠各类传感器。而传感器搭载数量越多，汽车能收集到的信息就越多。目前ADAS主要采用的传感器有摄像头、雷达、激光和超声波等，可以探测光、热、压力或其它用于监测汽车状态的变量，通常位于车辆的前后保险杠、侧视镜、驾驶杆内部或者挡风玻璃上。 （2）判断前面说到传感器

57、让汽车可以像人类一样有感知，而能够让汽车作出判断的核心灵魂就是算法。根据传感器等的输入数据，行车电脑可以取代司机主动发出控制指令。算法是ADAS系统可靠性、准确度的决定性因素，主要包括摄像头/雷达测距、行人识别、道路交通标志识别等，针对前装应用的可靠性要求高，需要进行大量的场景测试与标定。其中雷达标定的门槛最高。 （3）执行ADAS系统通过传感器获取数据，主芯片完成判断后，初级应用通过声音、图像、振动对驾驶者进行警示。与电子控制功能结合后，逐渐进化到对车辆的自动控制。7.3.1 ADAS产业链介绍69 （1）感知7.3.1 ADAS产业链介绍7.3.1 ADAS产业链介绍7.3.2 ADAS产

58、业链上的关键71在产业链中，传感器技术（摄像头与雷达），芯片与算法是其中的关键。其中，摄像头核心部件CMOS感光芯片主要掌握在以索尼、三星为代表的日韩企业中。雷达分为超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达，超声波雷达技术门槛较低，供应商较多；激光雷达成本高昂，未商业化；毫米波雷达成本在两者之间，技术门槛较高，主要掌握在ZF TRW、博世等行业领先公司手中。而芯片、算法在ADAS系统中至关重要，行业集中度高，主要有Mobileye、ADI等公司，下面进行具体介绍。7.3.2 ADAS产业链上的关键71在产业链中，传感器技术7.3.2 ADAS产业链上的关键（1）Mobileye/STEyeQ5说到AD

59、AS第一个必须要提的就是Mobileye。Mobileye 是以色列一家生产协助驾驶员在驾驶过程中保障乘客安全和减少交通事故的视觉系统的公司，它占领了汽车安全驾驶系统全球70%以上的市场份额。据公司网站的资料显示：包括特斯拉、通用、大众、奥迪、宝马、雪铁龙、福特、本田、现代、捷豹、陆虎、尼桑、欧宝、雷诺、丰田和沃尔沃等在内汽车品牌都和Mobileye有合作关系。Mobileye拥有太多的优势。比如计算机图片的标注历史数据，算法的积累，甚至自己研发了自己的芯片。目前最新的是与意法联手合作研发用于自动驾驶的EyeQ5芯片。可以说，在这个领域深根细作十几年的Moblieye有相当深厚的历史背景，这些

60、经验并不是其他公司短时间可以超越的7.3.2 ADAS产业链上的关键（1）Mobileye/S7.3.2 ADAS产业链上的关键（2）ADIBlackfin处理器（BF60X系列）ADI Blackfin视觉驾驶辅助系统都是基于Blackfin系列处理器，其中核心器件是DSP（digital signal processor，即数字信号处理器）。具有车道偏离警告、交通信号识别、智能前灯控制、物体检测/分类、行人检测等功能。低端系统基于BF592，实现LDW功能；中端系统基于BF53x/BF54x/BF561，实现LDW（车辆偏离预警系统）/HBLB/TSR（Traffic SignRecogn