底盘综合控制系统GCC

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底盘综合控制系统GCC
驾驶员协助系统DAS（Driver Assistance System）未来发展趋势中最重要的一点就是各种系统的功能集成。本文介绍由continental Teves公司最新开发的具有网络特性的底盘综合控制系统GCC（Global Chassis Control），它将发动机、制动、转向和悬挂系统的功能进行集成，用来提高车辆的动态特性、乘坐舒适性和稳定性等。
一．底盘综合控制系统GCC
底盘综合控制系统GCC本质上是目前电子稳定系统ESP（Electronic Stability Program）的逻辑功能扩展，其目的是在驾驶员正常的驾驶条件下，最大限度地提高车辆的主动安全性、乘坐平顺性和驾驶员的开车兴趣；它是使用车上已安装的配置—电子控制底盘子系统来实现其功能的。该系统能够使车辆在极度危险的情况下更容易控制，同时具有最好的乘坐舒适性，并能确保更灵敏的操纵性能。
在目前市场上，处理车辆在危险的情况下保持车辆稳定功能的产品大都是通过干预发动机系统的管理和有选择性地对单个车轮进行单边制动来实现的，而没有将在危险情况下其他影响车辆稳定性的功能如转向和悬挂系统等的影响增加到控制系统中。最新开发底盘综合控制系统GCC将车辆转向和悬挂系统的干预功能集成到了控制系统中，大大延伸了车辆能够实现的、提高稳定性的可选择范围。
GCC系统可以适合所有日常的行车情况，如车辆起步、加减速、转向、超车等和可变摩擦系数的路面；它对两侧车轮具有不同摩擦系数的情况有很好的适用性。
发动机、制动、转向和悬挂系统的综合控制，是保证车辆在各种运行情况下的主动安全性和乘坐舒适性等的最优控制方式；综合控制的结果，对驾驶员来说是车辆行驶时的动态特性变得更加透明，车辆运动方向更有预见性。因此与目前的ESP系统相比，GCC系统在保证车辆安全性方面更具发展潜力。
二．GCC系统的功能部件
GCC系统是使用Mk25E或Mk60E电子制动系统来完成动作的，其制动压力的控制由具有开启、关闭功能的阀来完成。通过发动机和电子制动系统之间的扭矩接口，也可以控制发动机的输出扭矩，以提高特定的动态情况下车辆的稳定性。
叠加转向系统是指在方向盘转过的角度上，能再叠加一个额外的转动角度。叠加转向系统的这种功能对于G CC系统的发展有无限的潜力。该系统使用嵌在转向柱内的电动机械作为执行机构。图1所示的就是电动叠加转向系统的工作原理。
当传统的液压助力转向系统设计成为参数化转向时，它与叠加转向系统相结合能够实现可变速比转向，用以满足车辆低速时大的直接转向、高速时较小的直接转向需要。另外，加上．目前已普遍使用的对制动系统和发动机的干预控制，GCC系统也利用电子转向协助系统的执行机构来有效地维持由驾驶员选择的驾驶过程，例如车辆在高速行驶下的转向、直线行驶等，这样车辆的运动就更有预见性。
如果车辆安装了电子控制悬架系统，如可调式减震器和主动稳定器，单边轮胎在垂直方向的受力也可临时在一定范围内进行调整，以适应车辆动态运动的需要。这样，车辆自转向运动可以根据需要，设定在轻微的不足转向和轻微的过渡转向之间。

三．GCC系统的功能合成
由于车辆的各种控制系统，如ABS、ESP等，制造商的产品开发部门在进行最初开发时都是单独作为一个独立的系统进行开发，整车制造商经常也将其作为一个独立的系统打包采购，这就导致了车辆的多种控制系统进行混装时会出现多个功能相同的传感器互相重、复的现象。例如，如果车辆装配叠加转向、主动底盘、ESP和电子差速器等，每个系统都需配备多种估算器、车辆运动计算器和驱动状态控制器，这样每个系统都有功能相同的传感器来测量车辆同一个参数变化量，例如车辆的横向加速度。这种结构形式通常被称为“共存法”，其控制方式如图2a所示的说明。

各种各样的执行器功能的重叠必须强调动作的协调性，以避免动作的不协调给车辆的动态稳定性带来不利的影响。各种控制系统用“共存法”安装，并不定能达到预期的效果，最后得到的结果要比理想的效果差得多；“共存法”安装结构另外一个重要的缺陷就是在其发展过程中技术提升的潜力受到限制。由于产品的更新换代，需对技术进行提升时，通常需要了解各单个系统具有的功能数量，对不是同一家公司生产的产品来说，要了解其功能控制方式并破译控制程序是很困难的，所以，这大大影响了产品开发周期和批量化生产。
与此相对应的“集成”控制方法，控制方式见图2b。在“集成”结构中，底盘的每一个子系统都具有一个基本功能，如转向系统具有可变速比功能。它与“共存法”相比，只有一个驱动状态估算器、一个相对运动计算器和一个驱动状态控制器。这取决于实际需要和车辆的实际运动；驾驶员设定的维持车辆稳定性的相对偏航力矩由系统计算得到，然后该力矩由执行器来执行，以确保车辆最优的主动安全性、乘坐平顺性和驾车乐趣，并且该力矩能够一直进行调整。例如在进行设定时，可将转向系统干预设定为先于制动系统干预；底盘各子系统之间相互作用，能够产生最优化的总体效果。
发动机、制动系统和转向系统功能集成的优点将在下面说明，参见ESP II的应用。
四．GCC系统的操作支持
GCC系统的操作支持功能要考虑如下因素：方向盘快速转动时，反应到车辆上，其运动就有一定的滞后性，造成这种现象的原因就是如轮胎、发动机支承、车辆本身的惯性矩等具有弹性装置的弹性运动造成的。这种车辆本身的相对迟缓运动可能导致严重的问题，因为驾驶员通常采用使车辆过度转向的方法来补偿这种行动的滞后性。
为了避免发生这种情况，车辆实际需要的运动和其实际的运动必须连续地进行比较计k算。车辆实际需要的运动与车辆制造商的意愿相适应，而其实际运动用传感器进行监测，如果发现它们之间产生了差异，通过使用叠加转向角，即提前角的方式来进行补偿，这也能够使车辆载荷、轮胎类型和底盘磨损的变化影响保持到最小的限度。
五．偏航力矩补偿
如果车轮两侧的路面具有不同摩擦系数。当车辆进行制动时，具有集成功能的底盘子系统具有很大的优点，这也是特别具有服力的例子。如果车辆没有安装电子制动系统，车辆进行制动时，在车辆两边的轮子，上会建立起不相等的制动力而产生偏航力矩，迫使车辆朝向具有大的地面摩擦系数的一侧，当车轮被完全抱死后，维持车辆运动的侧向力就会消失，驾驶员就无法再对车辆进行有效的控制。
目前车上安装的电子制动系统都能够检测路面的摩擦系数分布情况，并能快速减小制动压力，同时在具有较大地面摩擦系数的一侧，再逐渐地建立起来，结果，驾驶员就不会有反向转向的负担。为了使车辆保持稳定，后面两车轮的制动压力设置的值较低，这对大多数驾驶员来说，都能够使车辆保持在可控范围之内，但是制动距离要稍长些。
对车辆本身来说，一方面存在的稳定性和可控性之间的矛盾冲突，另一方面要求制动时有较短的制动距离，使用传统的方法解决此问题时比较困难的，在GCC中，采用了主动转向干预的方法来解决，其结果可参见图3。由于较小的摩擦系数，由车辆两侧车轮制动力不同引起的偏航力矩不能通过在较小摩擦系数一侧增加制动系统的压力来补偿，惟一可选择的解决方法就是通过反向转向提供额外的侧向力。使用ESP II，通过驾驶员独立的主动转向干预来实现反向转向，在此过程中，需要驾驶员能够连续地进行转向，通过转向干预实现的偏航力矩补偿也意味着在前轮和后轮的制动压力的建立过程中实际是没有延迟的，这样，制动距离就大大的缩短了，可以缩短10%之多，这取决于车轮两侧摩擦系数的差值和传统的ABS/ESP的配合。因此，制动系统和转向系统都能保持它们的最原始功能：制动系统缩短制动距离，而转向系统实现反向转向。
六．偏行率控制
在GCC系统中，转向干预的内容对车辆在极为关键的驾驶情况下偏航率控制也很有利。例如，在适应过度转向时，允许反向转向自动起作用，驾驶员根本就感觉不到转向干预的作用，因此在设定时可以使转向干预早点起作用，从而避免在危险情况下，驾驶员在感觉到车辆不稳定前使车辆保持稳定。车辆保持稳定所需要的数据与传感器实际测的数据不停地进行对比计算，如果车辆偏离了驾驶员设定的道路，主动转向干预产生校正偏航力矩以确保车辆保持稳定。在转向干预的协助下，ESP II比制动本身的效果更加理想，因为转向系统提供的杠杆调节作用比制动系统更多，并且轴距比车辆的轨迹更大。

图4说明了这种关系，车辆在双向车道上，改变其机动性，如从行车道转到另一车道然后再返回本车道的过程。在此过程（a）“双倍车道”的机动性能（b）TI制动和转向功能上进行校正力矩分配落（c）测量的方向盘转角中，标准的ESP系统的控制功能只有发动机和制动系统参与作用，而ESPII就加入了主动转向的作用（红线）。驾驶员操作的方向盘转角（绿线）与总的转向角（蓝线）相比显示出了很大的协调性，如果没有ESPII，驾驶员完成相同的转向动作，需要转动的方向盘角度就很大，所以ESPII可以大大降低驾驶员的劳动强度。

七．不足转向干预
在主动安全方面更进一步的改进体现在不足转向的情况下，如图5所示。车辆在冰面和雪地上行驶时，地面、的摩擦系数小，就会出现不足转向的情况，车辆也就不再按驾驶员设定的方向行驶。增加前轮的转向角，有时甚至会减小作用在轮子上的侧向力和偏航力矩，车辆将继续保持不足转向的状态。
车辆如果从湿滑路面突然到摩擦系数较高的路面上，如干燥的沥青路，前轮上的侧向力突然增加将产生严重的偏航力矩，这将使大多数驾驶员失去对车辆的控制。
由于上述原因，最大可能出现的方向盘转角被限制在一个合理的值上。如果检测到不足转向，即使驾驶员在相同方向上转更大的方向盘转角，转向轮的转角也不会增加，这就防止了前轮上的侧向力出现陡降的情况。当车辆突然到了摩擦系数较高的路面上，车辆就变得很容易控制，因为前轮转角相对很小。
八．结论
Continental Teves公司开发的底盘综合控制系统GCC将电子控制的底盘各子系统的功能集成到了一起，因此就提高了车辆的主动安全性、舒适性和驾车快乐。它与若干传统的单个独立的系统相比，可以节省更多的开发费用，另外在应用的传感器和控制单元的数量上，以及性能上可节省更多的成本。各子系统之间使用标准的操作界面，车辆制造商在选择供应商时可以不受任何限制。

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