羅來軍，李偉超，高大威,孟永剛

(1.聯(lián)創(chuàng)汽車電子有限公司，上海 201206;2.清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院，北京 100084)

0 引言

隨著無人駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，車內(nèi)乘客對汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全性提出了更高的要求。汽車線控轉(zhuǎn)向(Steer-By-Wire)系統(tǒng)通過電纜實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制，完成車輛的轉(zhuǎn)向過程，突破了傳統(tǒng)機(jī)械式轉(zhuǎn)向的各種限制，可以基于司機(jī)的駕駛意圖、路面情況、整車運(yùn)行狀態(tài)靈活地對轉(zhuǎn)向力、轉(zhuǎn)向角進(jìn)行控制，提高了整車的操控性和舒適性。作為無人駕駛汽車的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)得到了前所未有的關(guān)注，并已成為眾多汽車廠商和研發(fā)機(jī)構(gòu)的研發(fā)熱點(diǎn)。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是整個(gè)無人駕駛系統(tǒng)的核心，其性能對整車會產(chǎn)生直接的影響，因此在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，各個(gè)裝置運(yùn)行的可靠性和安全性顯得尤為重要。當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效，正在行駛的汽車無法繼續(xù)正常運(yùn)行，嚴(yán)重影響車內(nèi)乘客的安全?，F(xiàn)有的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于缺乏容錯(cuò)機(jī)制，無法實(shí)現(xiàn)由于轉(zhuǎn)向電機(jī)故障并能保持繼續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行的功能，難以滿足未來無人駕駛汽車高安全性的需求。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成，轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，即轉(zhuǎn)向盤總成(包含轉(zhuǎn)向盤、回正力矩電機(jī)及相應(yīng)傳感器等)，轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成(包含前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)及相應(yīng)傳感器等)和電子控制單元(包含主控單元和故障處理單元)。

在一個(gè)基本的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤，這些輸入通過一系列軸向下傳遞到汽車前面的轉(zhuǎn)向器。使用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，駕駛員的輸入由傳感器監(jiān)控，并通過電子方式傳輸?shù)狡嚨霓D(zhuǎn)向裝置，而無需機(jī)械連接。

當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤時(shí)，傳感器將輸入中繼到控制單元?？刂茊卧S后評估該輸入以及其他關(guān)鍵信息，例如車速和橫擺角速度，然后將合適的控制信號傳遞給物理致動轉(zhuǎn)向齒條的系統(tǒng)。當(dāng)所有這些都在進(jìn)行的時(shí)候，電子設(shè)備過濾掉來自前輪的不需要的反饋，并將相關(guān)信號傳遞給方向盤上的力發(fā)生器。這為驅(qū)動器提供了適當(dāng)?shù)碾娮韬头答仭?/p>

圖1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于取消了機(jī)械連接結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)而代替為電纜連接系統(tǒng)各部分，同時(shí)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般都為電機(jī)，這在很大程度上增加了系統(tǒng)的故障率，因此線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)容錯(cuò)控制研究對于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全性與可靠性非常重要。如何保證線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在故障狀態(tài)下繼續(xù)保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩，成為未來線控轉(zhuǎn)向研究領(lǐng)域中非常迫切的課題。

1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)容錯(cuò)技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 硬件冗余容錯(cuò)研究

文獻(xiàn)[1]中介紹了一種基于容錯(cuò)控制的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用雙電機(jī)、雙微控制器結(jié)構(gòu)，能夠承受單點(diǎn)故障而不降低控制系統(tǒng)的性能。文獻(xiàn)[2]中介紹了一種基于多種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的容錯(cuò)體系結(jié)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由SBW組成，在SBW發(fā)生故障時(shí)具有制動和加速轉(zhuǎn)向功能。這些備用轉(zhuǎn)向功能是根據(jù)駕駛員減速和加速的意圖選擇的。文獻(xiàn)[3]中介紹了一種以芯片安全為重點(diǎn)的線控轉(zhuǎn)向(SBW)容錯(cuò)控制系統(tǒng)，電源電路由兩個(gè)嵌入式電子控制模塊(ECM)、主ECM和備用ECM控制，這兩個(gè)控制模塊互相監(jiān)視狀態(tài)，如果其中一個(gè)檢測到另一個(gè)故障，它將接管控制功能。文獻(xiàn)[4]中重點(diǎn)研究了基于永磁無刷直流電機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用，分析了執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)的內(nèi)部容錯(cuò)潛力，并對可能的控制方案進(jìn)行了評估。

1.2 軟件容錯(cuò)算法研究

文獻(xiàn)[5]中提出一種基于非線性觀測器的分析冗余控制方法，用于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的容錯(cuò)控制，為了提高故障檢測效率，提出一種基于丟番圖特征的遠(yuǎn)程預(yù)測方法。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了全預(yù)測容錯(cuò)控制策略。文獻(xiàn)[6]中提出了一種具有線控轉(zhuǎn)向和線控制動裝置的汽車橫擺力矩容錯(cuò)控制方法，針對執(zhí)行器故障，在橫擺力矩分配過程中，提出一種變權(quán)逆控制分配方法，仿真結(jié)果表明：該方法是一種有效的容錯(cuò)算法。研究人員[7-8]提出一種基于Delta算子的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障補(bǔ)償?shù)墓收先蒎e(cuò)模型預(yù)測控制(Model Predictive Control，MPC)，它部署一個(gè)觀察者來估計(jì)故障信息和故障的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)狀態(tài)，在每個(gè)采樣時(shí)間，MPC立即補(bǔ)償故障。文獻(xiàn)[8]中提出基于分布式處理和異常決策機(jī)制的雙核容錯(cuò)控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，研究顯示，雙核容錯(cuò)控制結(jié)構(gòu)和協(xié)調(diào)機(jī)制是可行的。文獻(xiàn)[9]中提出一種處理基于控制器CAN網(wǎng)絡(luò)的故障處理方法，利用新的錯(cuò)誤處理算法來替換CAN的錯(cuò)誤幀處理。文獻(xiàn)[10]中介紹一種旨在減少傳感器冗余的容錯(cuò)控制策略，它具有獨(dú)立的控制器——轉(zhuǎn)向角反饋控制器和D*反饋控制器，當(dāng)傳感器故障發(fā)生時(shí)，所提出的策略能夠保持轉(zhuǎn)向功能。文獻(xiàn)[11]中提出一種采用非對稱隸屬函數(shù)(WFNN-AMF)改進(jìn)差分進(jìn)化算法的小波模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用于控制電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)的六相永磁同步電動機(jī)，當(dāng)電機(jī)發(fā)生缺相故障后，該容錯(cuò)算法能夠很好地維持六相電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

圖2中介紹了3種基于硬件冗余容錯(cuò)控制的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，分別是傳感器冗余、控制器冗余、電機(jī)冗余。傳感器冗余系統(tǒng)采用雙傳感器結(jié)構(gòu)，能夠承受單一傳感器故障而不降低控制系統(tǒng)的性能。控制器冗余系統(tǒng)基于多個(gè)控制單元，各控制單元具有仲裁機(jī)制，當(dāng)有控制器故障時(shí)，系統(tǒng)可以快速切換到其他備用的控制器，對系統(tǒng)性能影響降到最低。電機(jī)冗余系統(tǒng)采用多套電驅(qū)動系統(tǒng)，正常運(yùn)行時(shí)啟用一套電驅(qū)動系統(tǒng)，當(dāng)工作的系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，控制單元會快速切換到備份的電驅(qū)動系統(tǒng)。

圖2 硬件冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3中介紹了3種基于軟件容錯(cuò)控制的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，分別是橫擺力矩分配、CAN網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)、模型預(yù)測。橫擺力矩分配容錯(cuò)算法基于車輛動力學(xué)理論[12]，當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障時(shí)，通過分別調(diào)節(jié)驅(qū)動輪的橫擺力矩，控制車輛在極限狀況下保持直線行駛，保證了乘客安全。CAN網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)通過設(shè)置轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各個(gè)故障部分的CAN節(jié)點(diǎn)[13]，當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通過總線告知系統(tǒng)中其他單元，使得系統(tǒng)能快速響應(yīng)故障，并執(zhí)行相應(yīng)動作。模型預(yù)測通過對故障狀態(tài)下轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，建立起一套通用的轉(zhuǎn)向控制模型[14]，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，控制器通過控制誤差調(diào)節(jié)模型參數(shù)，最終控制模型輸出誤差最小。

圖3 軟件容錯(cuò)算法

2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障類型

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的故障可以分為執(zhí)行器故障、傳感器故障、通信總線故障、電池故障等幾個(gè)類型，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通常都是某一個(gè)部件發(fā)生了故障,兩個(gè)或多個(gè)部件同時(shí)發(fā)生故障的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單個(gè)部件發(fā)生故障的概率,在研究中幾乎可以忽略多個(gè)部件同時(shí)發(fā)生故障的可能性。

2.1 執(zhí)行器故障

在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，基本上多數(shù)執(zhí)行器均為電機(jī)，電機(jī)的故障類型眾多，表1列舉了線控轉(zhuǎn)向電機(jī)可能出現(xiàn)的故障類型及出現(xiàn)的概率[15]。

(1)電機(jī)繞組出現(xiàn)斷相故障時(shí)，可以通過位于每個(gè)相中的電流傳感器觀察到這種故障，當(dāng)斷相故障發(fā)生，要及時(shí)關(guān)閉與該相連接的開關(guān)管。

(2)電機(jī)驅(qū)動中最嚴(yán)重的故障之一是由于兩個(gè)開關(guān)故障或端子短路導(dǎo)致的部分(轉(zhuǎn)向繞組短路)或完整的繞組短路，在這種情況下，故障電流可以通過在電機(jī)設(shè)計(jì)階段增加繞組的自感來控制[16]，將短路故障電流限制為額定穩(wěn)態(tài)電流。如果故障是完全短路并且如果它發(fā)生在相的電流傳感器之前，則可以由控制器檢測和控制該故障。然而，在匝間短路的情況下，不可能消除這種情況，其中解決方案是完全關(guān)閉電機(jī)的短路故障相并最大限度地利用剩余相位繼續(xù)運(yùn)行。

(3)逆變器開關(guān)的開路故障類似于電機(jī)繞組斷相，因此，可以采取繞組斷相故障處理措施來消除這種故障。

(4)同樣，逆變器開關(guān)/二極管短路類似于電機(jī)繞組短路故障，但可以通過關(guān)閉另一個(gè)開關(guān)輕松消除。

(5)電源故障可能是安全關(guān)鍵系統(tǒng)中最關(guān)鍵的故障，解決方案是為驅(qū)動器的每個(gè)關(guān)鍵部分使用多個(gè)電氣隔離的電源，而不是只使用單個(gè)電源供電。

(6)位置傳感器故障的解決方法是同時(shí)使用兩個(gè)位置傳感器進(jìn)行位置檢測[17-18]，實(shí)現(xiàn)傳感器硬件并聯(lián)式冗余，可以避免因位置傳感器故障導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)故障，這種解決方法也可用于速度傳感器故障處理。

通過對轉(zhuǎn)向電機(jī)故障類型的分析可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向電機(jī)的子系統(tǒng)眾多，隨著數(shù)字化與電子化浪潮的發(fā)展，大多數(shù)子系統(tǒng)均由電子器件與連接線纜構(gòu)成，這在很大程度上增加了電機(jī)硬件故障概率，因此有必要進(jìn)行硬件冗余配置，避免使用單一裝置導(dǎo)致的電機(jī)故障。

表1 電機(jī)故障類型分類

2.2 傳感器故障

扭矩傳感器測出駕駛員施加在轉(zhuǎn)向盤上的輸入扭矩，車速傳感器測出車輛當(dāng)前的行駛速度，然后將這兩個(gè)信號傳遞給ECU；ECU根據(jù)內(nèi)置的控制策略，計(jì)算出理想的目標(biāo)助力力矩，轉(zhuǎn)化為電流指令給電機(jī)。表2列出了扭矩傳感器可能的故障類型[19]。

表2 扭矩傳感器故障類型

轉(zhuǎn)速傳感器用于檢測汽車輪胎轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向電機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速信號送給ECU后，根據(jù)當(dāng)前車速或者電機(jī)轉(zhuǎn)速，決定當(dāng)前方向盤的轉(zhuǎn)向力矩或者電機(jī)控制策略。表3列出了轉(zhuǎn)速傳感器可能的故障類型[19]。

表3 轉(zhuǎn)速傳感器故障類型

2.3 通信總線故障

通信總線傳遞著各個(gè)執(zhí)行器與傳感器的有用信息，使得各個(gè)機(jī)構(gòu)之間緊密配合，高效地完成控制指令。表4列出了通信總線可能的故障類型[20]。

表4 通信總線故障類型

2.4 電源

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電源一般由蓄電池提供，蓄電池通過各種直流轉(zhuǎn)換器或者電源芯片，為執(zhí)行器、傳感器與通信總線供電，目前主流的蓄電池電壓為12 V?？紤]到線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功率等級，未來線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電壓等級會提升至42 V。表5列出了可能的電源故障類型[21]。

表5 電源故障類型

3 線控轉(zhuǎn)向軟硬件容錯(cuò)方法

為了保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠正常工作,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須能夠容忍至少有任何一個(gè)電氣或電子故障，并且必須包括檢測這些故障和處理故障的手段。這種手段可以通過容錯(cuò)系統(tǒng)架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。目前的容錯(cuò)方法從技術(shù)的角度可以分為兩大類：一類是依靠硬件備份的冗余技術(shù)，一類是依靠軟件的容錯(cuò)算法技術(shù)。

3.1 硬件冗余備份

硬件冗余的含義就是針對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的執(zhí)行器、傳感器、控制器、電源等裝置進(jìn)行備份，備份的裝置可以實(shí)現(xiàn)與原裝置一樣的功能，備份的裝置可以與原裝置同時(shí)工作，也可以一個(gè)工作而另一個(gè)處于待命狀態(tài)。

圖4所示為線控轉(zhuǎn)向硬件冗余容錯(cuò)架構(gòu)，該硬件冗余方案實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向裝置的一比一備份，當(dāng)正常工作的裝置出現(xiàn)故障，備份裝置可以快速代替其功能，從而維持轉(zhuǎn)向系統(tǒng)繼續(xù)工作，具有非常可靠的容錯(cuò)能力。

圖4 線控轉(zhuǎn)向硬件冗余容錯(cuò)架構(gòu)

3.2 軟件容錯(cuò)算法

不同于硬件備份，軟件容錯(cuò)算法在不改變轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、增加過多設(shè)備的情況下，對故障后、剩余正常工作的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝置進(jìn)行控制。當(dāng)部分裝置故障時(shí)，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣，定位故障類型與位置，通過整合剩余正常工作的裝置，互相協(xié)同工作，從而達(dá)到正常工作狀態(tài)。軟件容錯(cuò)算法框架如圖5所示。

圖5 軟件容錯(cuò)算法框架

針對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部分的故障類型，表6中列舉了對應(yīng)的容錯(cuò)策略，對軟件容錯(cuò)算法做一個(gè)簡要說明。

表6 故障類型對應(yīng)的軟件容錯(cuò)方法

續(xù)表6

3.3 軟硬件容錯(cuò)方案對比

硬件冗余方案采用一比一裝置備份，甚至三比一的裝置備份，保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)非常高的可靠性能，但是這會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向系統(tǒng)體積龐大，質(zhì)量增大，不利于整車的設(shè)計(jì)；同時(shí)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的造價(jià)成本會非常高，經(jīng)濟(jì)效益低下。軟件容錯(cuò)方案在不增加過多的裝置情況下，通過對ECU里存儲的程序進(jìn)行升級，避免了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的體積與質(zhì)量增加，同時(shí)降低了系統(tǒng)成本，但是容錯(cuò)算法開發(fā)復(fù)雜，成熟度不高，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部分耦合關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，當(dāng)出現(xiàn)兩種以上故障類型，現(xiàn)有的容錯(cuò)算法不能夠滿足汽車安全的需求，所以軟件容錯(cuò)的可靠性要低于硬件冗余。軟硬件容錯(cuò)技術(shù)對比如表7所示。

表7 軟硬件容錯(cuò)技術(shù)對比

通過兩者的對比可以發(fā)現(xiàn)，硬件備份技術(shù)與軟件容錯(cuò)技術(shù)具有高度互補(bǔ)性，硬件備份技術(shù)能夠在硬件層面提升容錯(cuò)控制技術(shù)的可靠性，同時(shí)，軟件容錯(cuò)技術(shù)能夠減少因硬件冗余導(dǎo)致轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在空間體積等方面的需求。因此，未來的線控轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)將是同時(shí)擁有硬件備份與容錯(cuò)算法的高度智能的系統(tǒng)，相比于目前的線控轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)能夠大幅提高車輛行駛的穩(wěn)定性與安全性，保證無人駕駛技術(shù)的安全發(fā)展。

4 結(jié)語

通過介紹線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的軟硬件容錯(cuò)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，針對線控轉(zhuǎn)向的實(shí)際工程需求，從軟硬件兩個(gè)角度對故障容錯(cuò)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析：硬件冗余技術(shù)具有較高的可靠性，但是增加了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的體積與質(zhì)量，另外各個(gè)備份子系統(tǒng)之間的同步問題也比較難以解決；容錯(cuò)控制技術(shù)能夠通過控制算法保證故障后轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，克服了因硬件備份帶來的體積與質(zhì)量增大的缺點(diǎn)，但是無法有效處理部分故障類型，尤其是機(jī)械故障，導(dǎo)致該技術(shù)可靠性不高。未來線控轉(zhuǎn)向電機(jī)故障處理技術(shù)的發(fā)展趨勢將是硬件冗余與容錯(cuò)控制算法的互相結(jié)合。