摘要：隨著電氣化和智能化的快速發展，線控底盤技術在汽車工業中逐漸成為重要的發展方向，尤其在智能駕駛控制需求的推動下，線控制動系統也迎來了技術革新。文章介紹了線控制動系統的發展現狀，并以格陸博公司集成制動控制（GIBC）系統為研究對象，介紹了GIBC線控制動系統的軟硬件架構，重點探究了基于汽車開放系統架構（AUTOSAR）的經典平臺（CP）架構的線控制動系統開發流程，利用其標準化、模塊化的優勢提升了開發效率和系統的兼容性。結果表明，基于AUTOSAR架構的線控制動系統不僅能夠滿足智能駕駛對高實時性和控制精度的要求，還具備了良好的系統集成性和可靠性，為未來智能汽車的制動系統開發提供了重要的參考和指導。
電氣化、智能化逐漸成為汽車工業發展的主要趨勢，具有實時性好、控制精度高等優勢的線控底盤技術順應智能化的發展方向，滿足智能網聯汽車的控制需求，成為底盤技術的重要發展方向。
為順應智能汽車和線控底盤的發展需要，制動系統必將向線控化發展。線控制動系統將部分機械、液壓元件代替為電子元件，通過電信號將在制動踏板模擬器上產生的制動動作傳遞至制動器上，顯著提高了制動系統的控制精度和響應速度，為智能汽車安全性提供了更優質的保障。目前，線控制動系統主要有兩個發展方向：電子液壓制動（Electronic Hydraulic Brake, EHB）系統和電子機械制動（Electronic Mechanical Brake, EMB）系統。
EHB取消了真空助力器，通過控制單元接受并傳遞電信號至技術成熟的液壓系統，再利用液壓系統控制車輪制動力以達到制動目的，其主要優點包括：制動性能出色、能量回收率高、結構集成度高等優勢[1]。而EHB又可分為“Two-Box”和“One-Box”兩種設計方案，二者的區別主要是“One-Box”系統可以將液壓控制單元和電控單元集成到一個總成中。目前，典型的“Two-Box”制動產品有博世公司的iBooster，其與電子穩定系統構成冗余設計，具有可靠性高、能量回收率高、生產工藝簡單等優點[2]，典型的“One-Box”制動產品有：陸博公司集成制動控制（Globo Integrated Brake Control, GIBC）系統，同馭汽車的電子液壓制動（Electro-Hydraulic Braking, EHB）[3]，大陸公司的智能制動系統（Intelligent Brake System, IBS）[4]、MK C1[5]，博世的智能動力制動（Intelligent Power Brake, IPB）[6]和比亞迪的制動安全控制系統（Braking Safety Control System, BSC）[7]，它們的特點與“Two-Box”系統相似，但“One-Box”系統集成度更高、體積更小、質量更輕。
EMB完全取消液壓元件，將無需制動液的電機作為動力源，并布置大量傳感器，具有制動載荷控制穩定、制動襯片磨損小、便于維護等特點[8-9]。目前，考慮到零部件成本，技術成熟度等問題，EMB仍處于廣泛研究階段，尚未實現量產，早在20世紀90年代，諸如博世、大陸、西門子等國外汽車零部件廠商已經開始對EMB的研究[10]，瀚德萬安基于商用車EMB架構，建立橋控互聯機制，構建多回路冗余制動系統[11]，格陸博公司對于EMB的研究，簡化了制動系統結構，增加制動系統的控制魯棒性，集成多種功能模塊[12]。
線控制動系統在響應速度和控制精度方面有明顯優勢，對實時性、控制模型控制算法的要求較高；同時線控制動系統安裝空間狹小，需要布置許多傳感器，對硬件集成度、簡化制造工藝，汽車模塊化技術有要求。而基于汽車開放系統架構（AUTomotive Open System ARchitecture, AUT- OSAR）軟件架構開發的優勢是標準化、模塊化，能夠提高制動系統的開發效率，滿足線控制動系統的開發要求，同時AUTOSAR軟件架構具有的可拓展性，也能夠應對汽車智能化和網聯化過程中所產生的大量數據以及不斷出現的全新功能需求。因此，本文將基于AUTOSAR平臺架構對線控制動產品開發進行介紹。
AUTOSAR是一個旨在為汽車電子系統開發提供開放和標準化平臺的系統架構，目前根據汽車電子系統對實時性和高度智能化的需求，AUTOSAR可分為經典平臺（Classic Platform, CP）和自適應平臺（Adaptive Platform, AP）。其中，AUTOSAR CP架構具有標準化、模塊化等特點，能夠有效提升開發效率、提高應用軟件的兼容性和復用性；同時，AUTOSAR CP標準中包含對安全性和可靠性的要求，這對提高系統安全性和可靠性起到重要作用。考慮到線控制動系統對實時性要求較高，本文將以AUTOSAR CP架構進行展開。
AUTOSAR架構主要采用分層模型架構來布置和組織汽車電子架構系統，其分層模型如圖1所示。該分層模型主要分為三部分：應用軟件層（Application Software Layer, ASL）、運行時環境（Runtime Environment Layer, REL）、基礎軟件層（Basic Software Layer, BSL）。
ECU（電子控制單元, Electronic Control Unit）。圖1 AUTOSAR CP分層模型架構圖
ASL層主要實現具體車輛功能以及相關算法邏輯實現。該層中具體功能軟件以單元的形式封裝各自實現邏輯，使得應用軟件層實現模塊化、單元化的管理，并通過REL層與BSL層和其他控制單元、軟件組件進行通信。REL層主要負責應用軟件組件之間的消息傳遞以及ASL層與BSL層之間的通信，提供了標準化的數據接口和通信機制，確保了整個系統的穩定性和可靠性，并避免各軟件層級、組件之間的通信錯誤和信號干擾，保證系統各個功能正常運行。BSL層是實現底層硬件抽象和提供基礎服務的關鍵層級，BSL層通過硬件抽象層與具體的硬件平臺進行交互，使得上層應用能獨立于具體硬件開發，顯著提高了軟件的兼容性和穩定性，同時，它還提供操作系統、持久性存儲、故障診斷服務和安全保護等基礎功能。BSL層又可分出多個子層：服務層、ECU抽象層、微控制器抽象層、微控制器以及復雜設備驅動（Complex Device Driver, CDD）。
整個AUTOSAR軟件架構開發流程按照V模型進行配置，V模型開發流程圖如圖2所示，整個開發流程可以分為設計階段和測試階段。設計階段主要按照企業對產品系統的性能要求提出系統需求，再根據系統需求將具體需求分解為具體功能模塊和組件，最后將具體功能模塊細化為軟件單元模塊，以實現相應算法邏輯。測試階段從基本的功能代碼調試，到具體功能的仿真測試，最后進行臺架和整車驗證。AUTOSAR架構開發流程各個環節精確配合，為產品開發過程提供了強大的支撐和保障。
圖2 V模型開發流程圖
本文基于AUTOSAR軟件架構的線控制動產品的開發以格陸博公司的GIBC集成制動控制系統為開發產品。
GIBC集成制動控制系統為“One-Box”方案的電子液壓制動系統，該系統通常要求將所有控制、功能組件集成在“One-Box”中，設計需確保空間利用最大化，并兼顧良好散熱性能。同時，制動系統必須具備快速響應和高精度控制的能力，并且設計中應考慮冗余控制和檢測功能，確保系統的安全運行。系統應具有高效、高兼容性的數據傳輸能力，并具備故障診斷和應急處理能力，以滿足負責車輛系統的集成要求。此外，系統必須能夠適應各種環境條件，耐用性高且具備適當防護措施。
本文采用的系統架構以RENESAS RH850為微控制器單元（Micro-Controller Unit, MCU）平臺，整合了電源管理模塊、帶電可擦可編程只讀存儲器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory, EEPROM）、專用集成電路、泵控制模塊、電磁閥控制模塊、傳感器處理模塊、執行器控制模塊（如電子駐車制動控制模塊等）、多路直流轉直流電源（Direct Current to Direct Current, DC-DC）轉換模塊。系統內部主要通過串行外設接口（Serial Peripheral Interface, SPI）接口實現芯片之間的通訊，ECU之間的通訊以控制器局域網（Controller Area Network, CAN）文件描述符（File Descriptor, FD）為主，確保高效的數據處理和控制信號傳遞，實現了復雜的控制和監測功能。
GIBC系統的執行器物理架構主要組成包括：四個進液閥、四個出液閥、兩個柱塞隔離閥（Pump Split Valve, PSV）、兩個主缸隔離閥（Circuit Split Valve, CSV）、一個模擬閥（Simulator Split Valve, SSV）、兩個壓力傳感器、一個行程傳感器、一個電缸、一個主缸、一個油壺，如圖3所示。
GIBC執行器的工作原理如下：當踏板行程和壓力傳感器檢測到踏板信號發生變化時，傳感器信號便會傳輸至制動控制單元，控制單元收到信號后，通過電信號控制液壓閥和電機運轉以實現液壓控制。首先，將CSV關閉并打開SSV使主缸中的制動液進入電缸，通過制動液壓力反饋給駕駛員踏板力和踏板行程，控制單元再通過壓力、行程傳感器反饋的信號精確控制制動壓力輸出，打開PSV，將制動液壓傳遞到輪缸，實現輪端制動力的輸出。同時，制動控制單元還可以控制進液閥和出液閥的開閉，以實現輪端壓力的增壓、保壓和減壓，進而精確控制制動力大小，并可實現上層軟件的復雜功能。
圖3 One-Box制動系統液壓原理圖
GIBC線控制動系統軟件架構以AUTOSAR平臺架構進行開發（見圖4）。在BSL層中，微控制器、ECU抽象層以及服務層的軟件開發以靜態代碼和相關配置生成的動態代碼實現，其中微控制器配置通過Davinci CFG工具實現，BSL層的相關配置由Neusar系統進行管理。
基于AUTOSAR架構的線控制動系統的軟件開發重點在ASL層以及BSL層中的復雜驅動上。ASL層根據具體應用功能分為若干軟件組件（Software Component, SWC），ASL層就是按照SWC模塊進行開發設計，具體可以分為三類：信號處理、功能算法實現和算法執行仲裁。其中信號處理也包含三個模塊：
1）基礎信號處理模塊：用于處理輪速，加速度，路面識別，壓力測算等制動所需的信號；
2）穩定控制信號處理模塊：用于處理方向盤角度信號，橫擺偏轉角度信號，橫、縱向加速度信號等；
3）制動信號處理模塊：用于處理制動信號。
功能算法實現包含了具體功能算法，如：防抱死制動系統（Anti-lock Brake System, ABS）、制動力分配（Electric Brake force Distribution, EBD）系統、制動助力功能（Brake Boost Function, BBF）系統、上坡輔助（Hill-start Assist Control, HAC）系統等功能算法。仲裁模塊包括傳遞仲裁模塊，驅動仲裁模塊以及制動仲裁模塊。傳動仲裁模塊用于仲裁多動力源的執行請求，驅動仲裁模塊用于仲裁多驅動的執行請求，而制動仲裁模塊則是用于仲裁制動模塊的執行請求。
復雜驅動模塊集成了微控制器中未定義的驅動部分，包括收發器驅動，CANape VX1000標定驅動，SENT協議驅動和無刷電機驅動等。
整個軟件架構設計和算法實現由Simulink完成，確保系統的設計與實現緊密結合，并保證代碼的高效性和可靠性。
圖4 One-Box制動系統軟件架構圖
本文在完成線控制動系統產品架構設計后，使用GreenHills進行代碼編譯工作，保證代碼的高效執行并提高代碼的兼容性，代碼調試利用RENESAS E1 DEBUG工具進行，確保開發過程中可以及時定位、解決問題。靜態代碼測試階段采用HelixQAC進行，動態代碼測試則由VectorCAST實現，能夠有效驗證了系統在不同場景下的運行穩定性與可靠性。最后，通過硬件在環仿真（Hdrd- ware In the Loop, HIL）進行性能動態測試，并使用CANape進行實車測試優化，進一步確保軟件在實際環境中的穩定性和性能表現。
為驗證GIBC集成線控制動系統的性能，本文進行了百公里緊急制動測試，測試工況為干燥、平整的瀝青路面（附著系數0.8以上），場地空間充足且無遮擋，環境良好。
測試結果如圖5所示。當制動行為發生時，制動系統能迅速做出響應，并在整個制動過程中都能夠保持穩定，且由圖5(a)、圖5(b)可知，汽車的制動過程車速下降比較穩定，制動減速度維持在10 m/s2左右，制動效果比較穩定，制動減速度超過1g的原因有以下兩點：一是車輛的姿態變化（俯仰、側傾運動）會導致加速度測量結果不僅包含車輛自身運動的加速度，還包含部分反向的重力加速度分量，姿態變化較劇烈時加速度的誤差就變得不可忽略；二是慣性測量單元（Inertial Measurement Unit, IMU）的安裝角度，即在安裝時難以保證IMU的三個測量軸嚴格與車輛坐標系的三個軸向重合，而是往往存在細小的角度差，該角度差可為加速度測量帶來誤差。而由圖5(c)分析，前后輪輪缸壓力雖略有差異，但前后輪的輪缸壓力的變化仍能保持在±20 bar以內，驗證了其液壓控制的控制精度達到設計需求。此外，圖5(d)顯示了制動過程中車輛的橫擺角速度變化，整個制動過程橫擺角速度的實際值與參考值相差不大，驗證了系統的控制策略能夠有效抑制車身姿態突變，滿足制動系統設計時對穩定性的需求。
圖5 實車制動測試圖
綜上對各項制動指標的試驗分析，試驗結果達到測試目的，驗證了基于AUTOSAR架構進行的線控制動系統開發能夠滿足線控制動系統對可靠性、快速性以及精確性的要求。
本文對基于AUTOSAR架構的線控制動系統開發進行了深入探討，特別是以格陸博公司的GIBC集成制動控制系統為例，詳細介紹了其技術特點和開發流程。GIBC制動系統作為“One-Box”電子液壓制動方案，其系統的設計不僅符合安全標準，還具備了長期耐用、滿足高頻操作和環境適應性強等特點。通過對AUTOSAR CP架構的應用，本文展示了如何利用標準化、模塊化的開發流程有效提升線控制動系統的開發效率和系統集成度。試驗測試結果進一步驗證了系統在實際工況下的可靠性和性能表現，確保了系統能夠滿足復雜行駛需求。綜上所述，基于AUTOSAR架構開發的線控制動系統在提高制動精度和優化系統設計方面表現突出，為線控制動技術的發展和應用提供了技術支持和實踐指導。
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