未来汽车驾驶还会有趣吗？车辆动力学系统简史

未来汽车驾驶还会有趣吗？车辆动力学系统简史

本篇文章来源：Schmidt, F., König, L. (2020). Will driving still be fun in the future? Vehicle dynamics systems through the ages. In: Pfeffer, P. (eds) 10th International Munich Chassis Symposium 2019. Proceedings. Springer Vieweg, Wiesbaden. https://doi.org/10.1007/978-3-658-26435-2_5

在公共讨论中，个人移动的未来和驾驶的积极享受经常被看作是相互矛盾的。这忽视了这样一个现实：在未来，仍然会有重视提供极致驾驶动态的司机。一方面，由于不断进步的电子连接性、传感器和执行器技术以及动力总成的电气化，司机将从高度个性化的新车辆动态功能中受益。另一方面，尤其是在超级跑车细分市场，这些功能将通过在整个驾驶过程中协助司机，直至达到驾驶物理极限 ，从而开辟出全新的车辆动态维度，提高驾驶稳定性和安全性。在功能开发过程中遇到的越来越多的挑战需要一个集成的开发过程。

1. 介绍

目前及未来的车辆发展都受到两大趋势的影响。首先，是动力总成的电气化，旨在进一步减少和减少与交通相关的二氧化碳和污染物排放。这一领域的概念从纯电动动力总成一直延伸到复杂的混合动力拓扑结构。其次，汽车制造商及其供应商正致力于进一步自动化驾驶功能，其长期目标是实现自主驾驶，即车辆完全独立地承担横向和纵向控制任务，无需驾驶员监督。在这种情况下，主要驱动力是驾驶安全和舒适，以及减少消耗和排放。

从技术角度来说，车辆自身内部的电子系统和零部件之间的连接，还有车辆和其他车辆之间、车辆和交通基础设施之间的连接，都在为这两种发展趋势铺好路。比如说，就在几年内，我们就会看到车辆的零部件用所谓的“物联网”，能按照需要自己建立和断开数据连接；不管是在车里还是跟外面。这种连接着的车辆之间超级快的实时数据交换，能帮着车上的传感器系统感知周围的情况。靠着这类信息，车辆就能提前根据各自的交通情况和路面状况调整自己的系统。

然而，无论如何，驾驶过程中仍然存在一种不容忽视的情感因素。在此背景下，个性化驾驶功能的作用变得越来越重要。毕竟，每一位司机都有自己对车辆“感觉”的主观偏好。顺便说一下，这也适用于未来高度自动化驾驶功能的横向和纵向控制：一个司机在自动驾驶模式下认为是优越的加速或舒适的转弯速度，对另一个人来说可能只是太快或太运动化了。

此外，购买高性能跑车的人尤其期望车辆能够更容易操控——即使对于没有经验的司机也是如此——让他们能够在不牺牲安全性的前提下，勇敢地挑战车辆动态性能的极限。将此类技术应用于车辆的挑战在于，要确保在任何情况下都能实现全面、可重复和真实的驾驶特性，直至物理极限。在理想情况下，驾驶员甚至不会察觉到闭环控制系统的介入。这有助于驾驶员建立对车辆动态性能和自身能力的信任，从而能够自信地应对意想不到的情况。

以上所述的种种考虑使得汽车制造商和供应商面临满足多种有时相互矛盾的发展需求的任务，包括效率、低污染物排放、舒适性和安全性，更不用说为驾驶增添乐趣的因素了。

2. 从ABS防抱死到ACC自适应巡航

过去40多年来，车辆底盘上的舒适性和安全性系统与电子控制组件的集成密不可分。博世ABS系统于1978年推出，标志着这一进程的开始。其工作原理现已为人们所熟知：电子控制系统在轮子即将锁死的早期阶段就能准确地降低制动压力，这意味着即使在制动完全施加的情况下，车辆仍能转向，使司机能够在紧急情况下避开障碍物并安全地将车辆停下。在随后的发展中，**牵引力控制系统（TCS）于1986年开始大规模生产，该系统可防止在起步和加速时车轮打滑。1995年，新一代主动安全系统以电子稳定程序（ESP）**的形式问世。ESP通过精确的制动和发动机干预来防止打滑，从而使车辆安全地保持在轨道上。

ABS、TCS和ESP安全系统对防止事故或至少最小化其影响做出了重大贡献。正因为如此，这些系统在世界许多地区被作为新车的强制性安全设备。

虽然第一代ABS和ESP系统仍然是相对独立的解决方案，只需要与其他电子系统（如发动机管理系统）进行最低限度的集成，但它们自那时起已成为车辆电子架构不可或缺的组成部分。如今，通过众多、多样化的系统组件协同工作，并相互补充，实现了许多新功能。这为控制系统开辟了新的可能性，无论是在主动安全方面，还是在舒适性、效率和车辆动力学方面。ESP向自适应巡航控制（ACC）系统的演变就是一个例子。车辆周围的传感器检测到前方行驶的车辆，而ACC系统则使用传感器数据来计算速度并通过制动和发动机干预来保持所需的距离。

随着车辆动力学控制系统的功能范围不断扩大，用于评估其功能质量的标准也发生了变化：例如，在涉及安全的关键情况下，ESP的NVH特性可能无关紧要，但在舒适性、效率和车辆动力学功能方面，驾驶员更喜欢一个声音不显眼的系统，因为在这些功能中，控制系统所做的干预既感觉不到也听不到。

3. 电动汽车的效率系统

连接性使回收功能能够集成到混合动力和电动汽车中。当车辆制动时，这些功能会将动能（否则会被刹车转换为热量）重新转换为电能并储存起来。开发这些刹车系统的挑战在于制动和再生性能的重叠：必须设计出既能实现高回收率，又对驾驶员的调节尽可能无感知的系统。在设计过程中，刹车力分布、刹车踏板的“触感”以及ABS功能的控制等都是特别需要仔细考虑的因素。

回收制动系统的硬件组件必须与电动汽车的具体需求相匹配。例如，制动助力器就是如此。由于传统发动机无法为制动助力器提供真空，因此必须通过电磁机械方式提供制动辅助。在这里，驾驶员的制动命令通过踏板上的传感器拾取并传输到系统的ECU。然后，集成电动机通过传动装置将扭矩转换为所需的助力功率。由助力器和驾驶员施加的力在传统主缸中转换为液压压力。

电液系统是朝着“线控刹车”迈进的下一步，其中刹车系统完全由电子/电气（E/E）组件组成。在这些概念中，刹车信号的传输完全是电子的，液压系统用于将刹车力传输到车轮上的刹车缸。当踩下刹车踏板时，ECU会使用集成传感器来计算驾驶员的刹车意图，并从中生成电动机的控制信号。同时，该系统还使用踏板触感模拟器为驾驶员提供可感知的刹车踏板阻力。好处。电动马达驱动液压刹车活塞；产生的压力通过刹车管线传递到车轮刹车上。这种系统的优点包括由于高压快速积累而实现极短的刹车距离，混合动力和电动汽车的续航里程更长，以及在能量回收方面具有更高的自由度。

除了刹车系统外，其他底盘组件（如转向系统）在过去几年中也逐步得到发展和电气化。在最初的一步中，开发了一种液压伺服辅助系统，该系统采用电动泵代替了机械泵。第二步则是采用电动伺服辅助系统，其中电动机通过传动装置直接驱动转向。与刹车系统一样，没有机械连接（例如转向柱）的纯电动“线控”系统也是长期的发展目标。考虑到车辆动力学，电气化驱动、刹车和转向系统的互联性为更快速、更精确地适应不断变化的环境开辟了新的可能性。一方面，这有助于开发个性化驾驶功能；另一方面，“线控”系统是高级、完全自动驾驶概念不可或缺的要素，最终将实现无人驾驶“机器人出租车”。

4. 驾驶乐趣：得益于电子功能，既运动又安全

除了车辆的安全性和效率之外，与自动驾驶功能的发展并行，优化车辆动力学是未来车辆动力学控制概念的关键设计目标。在这种情况下，电子系统的跨域连接的增加将为新的驾驶功能铺平道路，这些功能旨在同时提高车辆动力学的潜力并扩大个性化选项，使驾驶更加有趣。在针对车辆动力学功能进行有针对性的开发过程中，整个开发过程需要与系统连接性的要求相一致。例如，在概念阶段就需要为整体控制系统中需要集成的硬件组件定义一个标准，包括车辆动力学功能的执行器、车辆的动态性能要求以及必须实施的个性化形式。在开发过程中，然后必须不断将组件级和系统级的各个步骤和里程碑与整个车辆的开发相匹配。

为此，博世制定了一项综合开发策略，参与项目的所有专家在现场协同工作。由于车辆动力学的整个设计都源于单一来源，这缩短了沟通路径，并有助于发挥协同效应的潜力。

扭矩矢量控制是一种通过轻柔的制动干预来影响横向动态的连接技术。这种连接技术是基于已经存在的ESP硬件的。根据驾驶情况、车速以及预设的系统参数，控制系统会微调车辆的平衡（不足转向和过度转向），同时提高其动态范围的稳定性。在运动型和赛车车型中，这种技术可以在高速蛇形驾驶和变道操作时感受到更高的速度，在采取规避动作时提供更好的稳定性，在弯道制动时提供更佳的平衡，在高速进行极端操作时优化侧倾阻尼，最终在赛道上实现更短的圈速。

对于配备有独立车轮电动机的电动汽车，可以通过调整电机扭矩的分布来实现扭矩矢量控制功能。为了使这种闭环控制能够在足够高的水平上运行，需要在电子网络内实现高速的数据传输和传输速率。然而，随着这些高度动态的控制要求，当前的网络架构的能力正在逐渐达到极限。一种解决方案是将软件的部分从底盘控制单元转移到电动机管理系统，这种电子架构可以实现更短的传输路径、更快的切换时间，从而实现高度敏感和精确的扭矩矢量控制功能。

后轮转向作为扭矩矢量软件的补充，可以进一步扩展车辆的横向动态潜力，因为传统的车轴开发妥协不再构成任何限制。结果是通过提高高速下的方向稳定性来同时优化安全性和敏捷性，进一步提升低速和中速范围内的车辆动态性能，优化侧倾阻尼，在高度动态的操作过程中提高驾驶安全性，以及更小的转弯半径。这种设计上的高度灵活性还为以前未受到太多关注的其他优化方法提供了空间。例如，可以使用“司机模式”更好地将车辆的驾驶特性与后排乘客的需求相匹配。

虽然扭矩矢量控制和后轮转向旨在优化横向动态性能，但博世工程的动态驱动辅助（DDA）系统的功能则针对车辆的纵向动态性能。用更简单的话说，DDA将ACC的优势转化为一种额外的主动功能，通过独立于巡航控制的距离调节来实现。在开阔的道路上，驾驶员只需通过加速踏板设置所需的速度，就可以像往常一样随时加速，不受限制。如果DDA检测到前方有慢速行驶的车辆等障碍物，系统会根据加速踏板位置和用户自定义的最小距离计算出速度相关的距离。如果系统发现本车继续接近前方车辆，则会通过减少发动机扭矩和干预制动器来轻轻制动。尽管如此，驾驶员仍然可以继续通过踏板加速车辆，例如超车。加速仅在最终升级阶段停止，一旦达到预设的安全距离。与障碍物的最小距离不再得到保证。

该系统随后启动自身车辆的减速，不再允许其与前方车辆靠得更近。通过这种以驾驶员为中心的方法，它在保持动态操控和驾驶乐趣的同时，为驾驶员提供帮助和缓解。

随着车辆互联程度的提高，在安全性、舒适性和（最重要的是）驾驶性能方面的车辆动力学控制概念所带来的可能性将变得越来越有前景。未来的发展将通过采用单一中央车辆动力学控制器来控制各种执行器的集成方法来推进。在这种互联概念中，各个车辆动力学系统被解释为一个领域，并相互连接。这些系统的执行取决于所讨论车辆的理想驾驶动力学条件。在实际应用中，基于此的驾驶控制功能由在相应驾驶情况下呈现为最合适执行器的系统执行。

博世于2013年首次踏上了这条道路，推出了集成车辆动态控制（IVC）系统。集成横向动态控制系统使用车辆中已有的硬件系统作为执行器，具体包括刹车、后轮转向、整体转向、主动稳定器和差速器等。然后，将每个组件分配相应的车辆动态特性，这些特性是它们能够影响的。例如，后轮转向对车辆的响应性和所需转向角度有显著影响。

相反，制动系统与ESP协同工作可以最有效地改变平衡。中央车辆动态控制系统激活各个执行器以设置所需的车辆特性，并防止各个系统并行响应并相互干扰。

类似的概念也在牵引力控制系统中得到应用。例如，在四轮驱动车辆中，这可能涉及到发动机管理系统、制动干预以及轴间和轮间差速锁之间的相互作用。在这种情况下，同样采用一种创新的基于模型的算法来协调现有的执行器，以实现最佳的车辆动态。这使得在那一刻可以充分利用所有四个车轮的最大黏附潜力，以达到最佳效果。由于这种概念不仅整合了与牵引力相关的执行器，还整合了它们的ECU，因此控制系统非常灵敏，这意味着当控制器干预时不会出现明显的扭矩延迟。这样，系统在驶出弯道时可以实现最大速度，并通过更快、更精确的扭矩控制提供一种自然的驾驶体验，带来很高的乐趣因素。

下一步的集成可能采取中央控制器的形式，将两种方法的功能结合起来，为协调车辆的所有车辆动力学执行器提供一站式平台。通过修改软件，可以调整集成的车辆动力学控制系统的参数。首先，这为车辆的高效应用提供了可能性。其次，可以轻松创建一系列预设的驾驶模式：只需按一下按钮，驾驶员就可以从一系列车辆设置中进行选择，包括最大舒适度和安全性、高动态性和敏捷性，或者用于赛车应用的主动漂移。此外，驾驶员还可以在额外的模式下自由配置驾驶特性，使用“稳定性”、“平衡”和“敏捷性”等基本参数进行自定义配置。这种自定义配置可以随时保存并重新激活。

5. 车辆动力学定制化辅助服务

在未来几年，SAE 3级及以上的自动驾驶功能可能会成为日常功能，这意味着车辆在一定时间内可以无需驾驶员干预继续行驶。为了实现这一目标，车辆将集成新的信息生成和处理技术，使车辆能够详细分析其与周围环境的关系，从而能够预测车辆外部的精确条件。例如，这些技术可能是能够以更高精度扫描车辆周围环境并提供道路状况信息的传感器，如路面类型、沥青温度和附着力水平。车辆之间的车对车和车对基础设施通信将使用云信息提供其他道路使用者、障碍物、事故或当前路段上的速度限制、弯道序列和坡度，以及天气条件和当前道路的摩擦系数。新的定位程序也将被开发，以确保车辆在城市环境中的精确定位。这将使车辆能够被精确地追踪到几厘米之内。同时，安装在车辆上的ECU（电子控制单元）的计算能力将迅速提高，以便在从传感器数据和其他信息中得出复杂的控制策略之前处理大量数据。

与僵化的编程不同，控制单元将采用神经网络的深度学习方法来编程关联模式。这种方法源于人工智能（AI）领域。在未来，基于所有系统和车辆内外可用信息之间的连接的新车功能可能使道路上的事故几乎不可能发生。例如，目前的概念将ESP从单纯的防滑保护解决方案转变为预测性事故预防系统。在这里，适当的控制系统将始终在后台运行，监控车辆动态。与ESP不同，一旦开始打滑，它只会通过有针对性的制动干预再次稳定车辆。新的系统旨在主动工作，在关键驾驶情况出现之前介入。例如，如果在选定的弯道半径和当时道路的附着力条件下，车辆的行驶速度过高，该系统会在进入弯道前精确地制动车辆。这种类型的干预并没有剥夺司机的控制权，相反，它使他们能够尽可能地享受驾驶的乐趣，因为他们可以确信自己始终在物理限制范围内安全驾驶。

个性化驾驶功能的潜力可能远远超出我们的想象。例如，一个专为在赛道上进行有监督训练而设计的赛道辅助系统，可以为驾驶者带来更高的安全性和更大的驾驶乐趣。从技术角度来说，完全可以通过混合现实显示技术将赛车线轨迹、刹车点、速度、圈速和分段时间等信息直接投影到驾驶者的视野中。通过将赛道的实际视图叠加到屏幕显示上，这种类型的赛道辅助系统可以模糊现实与虚拟世界的界限，更不用说与纯计算机赛车模拟器之间的差距了。

使用分析工具，驾驶员可以比较不同的驾驶圈数，进一步完善自己的驾驶风格和技能。如果这种辅助系统概念具有足够的灵活性，还可以实现车辆辅助系统可扩展的集成，这意味着可以根据实际需要微调车辆动力学辅助功能。在赛车课程或赛道日活动中，教练可以对车辆的转向和刹车进行主动干预，并根据赛道或司机的具体需求调整动态参数。

6. 驾驶仍然会很有趣！

以上所述的例子，从概念到现有产品，证明了迈向自动化驾驶功能领域并不意味着要放弃驾驶乐趣和主动式车辆动态。相反，自动化驾驶可以成为增强系统连接性的推动力，而系统连接性对于自动化驾驶至关重要。这样一来，就可以为那些旨在提供纯粹的驾驶乐趣和卓越的车辆动态的驾驶功能铺平道路。创新的车辆动态解决方案并不是为了贬低司机，而是为了确保他们能够从驾驶中获得最大的乐趣。为此，这些系统会为司机提供在特定情况下被认为是有帮助的精确程度的辅助。它们在高度动态的场景中也能为司机提供帮助，并提供高水平的安全性。高性能跑车的技术正逐渐应用于其他细分市场，它们经常是此类发展的起点。

同时，未来新的系统开发将为驾驶员提供更大的灵活性，使他们能够根据特定时刻的个人偏好和心情调整驾驶功能。这将使未来的车辆真正成为全能型车辆，只需按一下按钮即可在运动、舒适或极其高效之间切换。此外，未来的驾驶员将能够自由选择是否希望车辆以全自动驾驶模式行驶，是否激活车辆动态控制系统作为守护天使，在不受限制的驾驶自由中保护自己，或者只是关闭这些功能，完全依赖自己的能力。

随着自动驾驶功能的日益普及，对辅助系统进行个性化定制的需求也将日益增长。毕竟，乘客对车速、加速度或与前车的距离等感知方式因人而异。由于自动驾驶过程中各子系统参数之间存在显著的相互影响，因此在概念设计阶段就必须考虑为个性化定制预留空间，并在整个开发过程中予以考虑。同样，对于节省时间和成本的功能开发而言，集成的系统开发过程也是绝对必要的。