项目一任务5：底盘域控制器的软件控制策略-学生手册

任务1.5底盘域控制器的软件控制策略-学生手册【任务导入】从2022年开始，为车身底盘配置中央控制单元（或者底盘域控制器），已经成为汽车赛道的新风向。底盘域控能够取消控制器及对应ECU和线束，上收控制功能至底盘域控计算平台，并由此协调执行器，从而输出最佳控制策略。同时，基于OTA更新模式，车辆底盘系统将正式进入一个全新的「软件定义底盘」的时代。假设你是某家线控底盘解决方案供应商的测试工程师，你了解到目前有哪些主机厂已经拥有自研的车辆底盘集成控制的协调器呢？SHAPE提示：此次任务我们将深入了解底盘域控制器的技术要点、底盘域控制策略和底盘域控制器软件控制策略，能够对底盘域控制器软件控制策略案例提示：此次任务我们将深入了解底盘域控制器的技术要点、底盘域控制策略和底盘域控制器软件控制策略，能够对底盘域控制器软件控制策略案例进行分析。

【学习目标】素质目标通过学习底盘域控制的技术要点，培养学生在课程上的学习兴趣；理解相关控制策略，促进学生自主学习与探索的精神；通过对控制案例理解，发掘并加强学生综合分析能力。知识目标能正确了解底盘域控制的技术要点[K13]；能正确理解底盘域控制策略和软件控制策略[K14]；能分析典型的底盘域控制案例[K15]。能力目标能分析典型的底盘域控制案例[A13]；能讲解底盘域控制器的软件控制整体思路[A14]。【知识准备】一、底盘域控制器的技术要点1.解耦底盘域由传动系统、行驶系统、转向系统和制动系统共同构成。但是在传统底盘中，制动、转向都是机械耦合的，即制动或转向的动力来源是驾驶员的机械力，通过液压等方式把力放大而实现终端的控制行为。电控底盘的关键是实现机械力的解耦，可以用电机驱动来代替，从而提升控制精度，同时也能更好实现人与系统的结合；而且传统电子底盘系统大多以零部件划分，如车身稳定控制系统ESC、电动助力转向系统EPS、电控悬架系统等，各子系统属于不同供应商或汽车主机厂的不同开发部门，每个子系统都拥有独立的汽车动力控制系统和车辆动态控制模型。以上现状导致在底盘控制器开发上，软硬件耦合关系强，存在重复研发，开发成本高，各子系统存在相抵的负作用等问题，使得车辆控制无法达到最优的状态。但在智能化推进的过程中，为了实现底盘技术升级，必须进行机械解耦和软硬件解耦和应用系统解耦，机械解耦是电控的基础，软硬件解耦可以实现软硬件的异步开发，提高软件复用性，应用系统解耦有利于不同供应商之间实现分工协作，快速实现系统的开发。为满足当前汽车新技术新功能的需求，智能底盘域控制器应运而生。在高度自动驾驶领域，更需要底盘域控制器产品的出现，以实现转向、制动、悬架、甚至动力系统的集中控制和软硬件分离，以及车辆的横向、纵向、垂向的协同控制，更好服务于智能驾驶。2.多域协同根据2021年中国汽车工程学会发布的《智能底盘技术路线图框架》，乘用车智能底盘的发展会经历以下三个阶段：1.0阶段，要求智能底盘具备域控制系统且系统接口标准化，能够实现纵向和横向的部分线控化和协同控制，具备OTA功能。2.0阶段，智能底盘就需要在横向、纵向、垂向上实现三方向线控化和协同控制，实现底盘一体化域控，达成“软件定义底盘”。3.0阶段，已经可以实现四轮驱动汽车底盘的高度集成与控制（四轮驱动+ESC+EPS+空气悬架），此时的智能底盘将具备自适应、自学习能力，并全面实现功能安全和预期功能安全的集成控制，并搭建健全的信息安全防护体系。底盘域控制器需要实现纵横垂三向的协同控制，这要求在底盘域层面基础上实现，以达成响应速度快和控制精确度高的目标。底盘控制和执行系统将进入不同供应商的硬件和一套统一的软件控制系统，并快速适配不同的车型开发新阶段。底盘域控制器通过提供“底层软件+中间件”，将应用层打造成服务的形式，让汽车主机厂可以更便捷地集成底盘域控制器，快速搭建整车系统，为用户提供更为丰富多样的驾驶体验。同时，基于OTA更新模式，车辆底盘系统将正式进入一个全新的“软件定义底盘”的时代。3.安全和冗余容错机制底盘域的安全控制包括多重安全控制和跨域安全控制。其中，多重安全控制可以在底盘域范畴内实现，涉及到预期功能安全和信息安全；跨域安全控制主要指底盘域同动力域、自动驾驶域的协同控制安全。底盘域实现冗余容错设计需要综合考虑硬件架构和软件功能。通过硬件架构的冗余设计，当硬件架构出现故障时能够迅速切换至备用硬件，保证车辆安全；通过软件功能的冗余容错设计，可以在硬件出现故障时，通过软件逻辑控制其他可用的执行器来维持车辆的操控性。二、底盘域控制策略底盘域控制器需要进行综合平衡和全面协调，对汽车底盘各子执行控制系统进行合理分工，用最佳的方法来完成汽车的动态控制和稳定。底盘域控制策略主要是通过协调底盘各执行器实现车辆的横纵向运动控制，使汽车能够跟随期望的轨迹。底盘域控制策略主要特点如下：一是汽车横纵向运动的综合控制；二是多执行器的集成控制；三是更加复杂的控制功能，更安全高效的控制目标。1.底盘集成控制策略由于底盘域控制技术是在传统底盘集成控制技术基础上发展而来的，大多采用分散式控制架构以实现系统间简单的通讯和信息交换。底盘集成控制策略大多是基于规则设计的子系统协调控制策略，会带来一定的性能提升，但这种底盘集成控制并没有解决底盘各子系统的耦合冲突问题，也不能满足底盘子系统接口标准化、统一化的需求。2.底盘动力学域控制策略底盘动力学域控制策略是一种基于多变量控制理论的高级底盘控制技术。它通过对车辆动力学状态的实时监测和预测，实现对车辆运动状态的精确控制。这种技术能够显著提高车辆在复杂路况下的稳定性和安全性，为驾驶者提供更加稳定、舒适的驾驶环境。在智能底盘控制中，底盘动力学域控制策略意味着对车辆在XYZ三轴方向上进行综合控制和协调，通过三轴融合控制，车辆能够更加智能化地应对各种复杂的行驶条件，提高驾驶安全性和乘坐体验。底盘的XYZ三轴指的是车辆运动学中的三个主要自由度，分别对应车辆在三维空间中的三种基本运动方式，如REF_Ref166856917\h图1-5-1所示。图1-5-SEQ图1-5-\*ARABIC1底盘的XYZ三轴方向X轴—纵向：通常指的是车辆前进和后退的方向，与车辆的行驶方向一致。在车辆动力学中，X轴上的运动涉及到车辆的加速、减速和制动等。线控制动系统可以控制车辆在X轴上的动态Y轴—横向：指的是车辆宽度方向，与车辆的左右两侧平行。在车辆动力学中，Y轴上的运动主要关联到车辆的横向移动，例如在转弯时的侧滑或者横向风影响下的横向移动。线控转向系统影响Y轴上的动态Z轴—垂向：指的是车辆高度方向，垂直于地面向上。Z轴上的运动包括车辆的上下振动，这通常与车辆的悬挂系统相关，线控悬挂系统则可以调节Z轴上的动态。底盘XYZ协同控制算法需要基于多源异构传感器，开发底盘传感器信息融合校验专用算法，以准确判断出驾驶员意图、路面坡度、附着系数、轮胎各向力以及车辆质心侧偏角等关键状态信息。线控底盘XYZ各子系统之间存在强耦合、多干涉、性能彼此影响以及控制相互关联的特点。在统筹考虑车辆状态、各子系统执行器状态以及路面环境状态的基础上，需要分析纵横垂向动力学耦合机理，计算最大动力学控制边界，并建立基于轮胎附着椭圆、车辆稳定裕度以及系统能耗的最优分配方法，通过对执行器的最优化分配，实现各子系统之间的均衡优化协同控制以及失效冗余容错控制，并建立最优分配统一解算模型。3.底盘动力学域控制架构针对智能汽车底盘控制问题，根据智能汽车的底盘动力学域控制概念，有学者提出以下的底盘动力学域控制架构，如REF_Ref166856925\h图1-5-2所示。图1-5-SEQ图1-5-\*ARABIC2面向智能汽车的底盘动力学域控制架构首先对当前底盘各部件传感器进行信号融合；通过全局动力学状态观测、多自由度动力学建模，探明车辆动力学模型的精确解算机制；在此基础上，精确量化智能驾驶过程中车辆安全稳定运行边界条件，实现底盘域反馈至智能决策层车辆运行与预瞄动力学状态、运行量化条件等信息，为智能汽车构建出类经验驾驶员视角；通过驾驶员意图识别、底盘多目标多系统综合优化，进行各个部件的协调控制；由底盘各个作动器执行。多自由度动力学模型的精确解算与预瞄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。需要综合轮速传感器、惯性测量单元、方向盘转角等底盘传感器信号，实现4个车轮各向轮胎力、动力学状态的精确观测，通过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。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。通过底盘动力学域控制对底盘各执行器的多目标多系统优化协调控制，实现底盘域与执行器数据交互，将底盘各复杂执行器变成标准零件，极大降低底盘核心零部件高昂开发、匹配、测试费用。三、底盘域控制器软件控制策略1.操作系统控制开发策略底盘集成运动域控制器需要遵循汽车行业的软件标准，以实现软硬件解耦和软件重用。例如AUTOSAR，AUTOSAR即汽车开放系统架构。它是由全球各家汽车制造商、零部件供应商以及各种研究、服务机构共同参与的一种汽车电子系统的合作开发框架，并建立了一个开放的汽车控制器（ECU）标准软件架构。AUTOSAR将ECU的整个系统分层处理，将系统功能和硬件依赖性剥离开，通过AutoSar联系起来。AutoSar提供标准的应用程序(SWC)接口，运行环境(RTE)，基础软件(BSW)，总线通信和开发流程及数据交换格式，AUTOSAR平台的典型软件架构如REF_Ref166856934\h图1-5-3所示。图1-5-SEQ图1-5-\*ARABIC3AUTOSAR平台的典型软件架构微控制器（Microcontroller）：即控制器硬件。基础软件层（BasicSoftwareLayer，BSW）：基础软件层，它包含了以下4个部分：微控制器抽象层（MicrocontrollerAbstractionLayer，MCAL）：是与硬件直接相关的驱动软件，例如对存储器、通信寄存器、IO口的操作等等。ECU抽象层（ECUAbstractionLayer，ECUAL）：是对控制器的基础功能和接口进行统一，比如CAN报文内容的解析、网关报文的转发、存储器读写流程的控制等等。服务层（ServicesLayer）：为应用层提供各种后台服务，比如网络管理、存储器管理、总线通信管理服务以及操作系统等。复杂设备驱动（ComplexDeviceDrivers，CDD）：为用户提供了一个可以自行编写特殊设备驱动软件的可能性。运行环境（RuntimeEnvironment，RTE）：是AUTOSAR的核心，它将应用软件层与基础软件层剥离开来，为应用层软件提供运行环境，如进程时间片调度、应用层模块之间以及应用层与基础软件层之间的数据交换等。应用软件层（ApplicationSoftwareLayer，ASW）：即实现具体应用功能的软件。它可以包含多个软件组件（SoftwareComponent，SWC）。2.协同控制算法开发策略（1）分层式底盘域协同控制架构为了便于模块化实现，采用分层式协同控制总体架构，如REF_Ref166856942\h图1-5-4所示。其关键技术主要包括3个方面：车辆运动状态感知及驾驶员意图识别；控制模式决策与子系统选择；高层控制器和控制分配功能。协同控制框架将上述三方面的功能分成5个层次。图1-5-SEQ图1-5-\*ARABIC4分层式底盘域协同控制总体架构（2）基于强化学习的底盘域协同控制算法车辆运动具有强耦合、非线性和不确定的特点，协同控制可以有效解决耦合问题，通过不同功能的协调避免耦合子系统之间的冲突。强化学习是一种数据驱动的最优控制方法，不需要以预设的规则或指令为基础进行操作，而是通过在真实或虚拟环境（数据）互动试错以获得奖励来自主学习最佳决策，与人类学习的方式非常类似，具有良好的环境适应性和鲁棒性。强化学习与深度神经网络技术的结合进一步提升了系统建模能力与状态表征能力，可以克服系统机理模型的不足，且具有良好的自适应能力，为应对非线性和不确定性提供了一种新的方案。基于深度强化学习技术建立车辆运动状态与控制策略之间的映射关系，可以为底盘域协同控制提供统一的技术方案。（3）基于卡尔曼滤波的协同控制状态估计算法状态估计是车辆运动控制的基础和前提。受限于传感器的能力或成本，多数情况下，为了获得对车辆进行控制时需要的车辆状态数据，需要通过状态估计算法间接得到。通过以卡尔曼滤波和数据融合为主要技术手段，对车辆运动关键状态进行估计，包括但不限于车辆运动俯仰角和侧倾角，纵向车速和质心侧偏角等。卡尔曼滤波是一种最优的状态估计方案，可以获得最佳的估计结果。数据融合为估计算法提供更加全面和准确的数据输入，可以进一步提升估计的准确性。3.软件测试和验证开发策略底盘集成运动域控制器涉及车辆的动态性能、安全性和智能化水平，要求软件具有高度的稳定性和可靠性。软件测试和验证是底层软件开发的必要环节，需要进行严格的仿真、实车及场景等测试，保证软件满足功能、性能和安全等要求。4.功能需求开发策略底盘域控制器的功能需求包括系统初始化、传感器数据处理、决策算法设计、执行器控制逻辑、安全冗余机制、故障诊断与处理、通信协议管理以及性能优化与调试等多个方面。这些策略共同确保了底盘域控制器能够高效、稳定、安全地工作，为车辆提供卓越的操控性能和安全性。（1）系统初始化策略底盘域控制器的系统初始化策略是确保控制器在上电或重启后能够正确、快速地进入工作状态。（2）传感器数据处理传感器数据处理策略涉及到底盘域控制器接收并处理来自各类传感器的信息。策略包括数据滤波和数据融合，采用数字滤波算法，如卡尔曼滤波、滑动平均滤波等，减少噪声干扰，提高数据质量；利用多传感器数据融合技术，将不同传感器提供的数据进行融合处理，获得更准确的环境信息和车辆状态。（3）决策算法设计决策算法设计策略是底盘域控制器的核心部分，负责根据传感器数据和预设规则做出决策。一是控制逻辑设计，即根据车辆动力学模型和控制目标，设计控制逻辑，如加速、减速、转向等。另外是优先级管理，即根据不同任务的重要性和紧急性，设计优先级管理策略，确保关键任务能够优先执行。（4）执行器控制逻辑执行器控制逻辑策略是将决策结果转换为对执行器的具体控制指令。包括控制指令生成和控制指令优化。控制指令生成即根据决策结果，生成对执行器的控制指令，如电机驱动指令、液压控制指令等。控制指令优化即根据执行器性能和车辆状态，对控制指令进行优化，提高控制效果。（5）安全冗余机制安全冗余机制策略是为了确保底盘域控制器在出现故障时能够保持车辆的安全性和稳定性。包括硬件冗余和软件冗余。设计硬件冗余结构，如双控制器备份、传感器冗余等，提高系统可靠性。设计软件冗余策略，如控制算法备份、容错控制等，确保在软件故障时能够继续执行安全控制。（6）故障诊断与处理故障诊断与处理策略是检测和识别底盘域控制器可能出现的故障，并采取相应措施进行处理。包括故障检测、故障诊断和故障处理等内容。（7）通信协议管理通信协议管理策略是确保底盘域控制器与其他系统或模块之间能够高效、稳定地进行通信。包括通信协议选择、通信数据管理和通信故障处理等内容。（8）性能优化与调试性能优化与调试策略是为了提高底盘域控制器的性能和可靠性，以及方便开发过程中的调试和维护。四、底盘域控制器软件控制策略案例分析1.采埃孚底盘控制的中央协调器——cubiX采埃孚在2020年国际消费电子展(CES2020)上展示了车辆底盘集成控制的软件产品——cubiX。cubiX是一款软件组件，作为车辆运动控制的中央协调器，其框架如REF_Ref166856960\h图1-5-5所示。cubiX将接收到的上层控制目标进行分解，通过内部的车辆运动控制算法分解出各个底盘执行器的控制指令，如目标后轮转角、目标制动、驱动力等，进而综合利用各个执行器实现期望的车辆运动目标。图1-5-SEQ图1-5-\*ARABIC5cubiX框架cubiX既适用于人工驾驶情况也适用于辅助驾驶和自动驾驶情况。而对于辅助/自动驾驶，从车辆动力学等方面综合考虑车辆对目标轨迹的执行能力，并将这个执行能力以轨迹约束的形式反馈给上层控制器，进而保证决策层规划的路径是可执行的，做到规划和执行的闭环。cubiX作为承上启下的中间层，如果将对上对下的接口做标准化的定义，可以做到“即插即用”，具有灵活性和可复用性，并将上层控制器和下面执行器进行解耦。其次，cubiX作为软件产品，它可以较为灵活地集成运行于具有相应能力的控制器硬件上，其模块化的软件设计使它在功能上具有可扩展性，可以扩展或者开发更多具有附加值的新功能。cubiX依托于采埃孚在车辆运动控制和底盘执行器方面的专业能力和技术储备，可以实现人工驾驶时车辆驾驶性能的改善，包括对车辆操控性和驾驶稳定性地综合提升，同时还可以实现客户对驾驶特性定制的需求。cubiX从车辆动力学等方面综合考虑车辆当前的轨迹执行能力，并将对应的轨迹约束反馈给上层控制器；上层控制器只需要从车辆运动学或者几何关系的角度考虑目标轨迹的规划，可以专注在对自己感知决策算法的设计与优化。而对于目标轨迹的车辆动力学的考虑和轨迹执行当中涉及到的底盘控制完全交由cubiX负责。2.蔚来汽车全栈自研智能底盘域控制器——ICC2022年蔚来汽车借ET7上市发布底盘域控（ICC），对底盘舒适性、操控性、驾驶性进行全面设计和