狌狋犲狉犕犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋牔犆狅狀狋狉狅犾
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收稿日期：２０２１０６１１； 修回日期：
２０２１０７２３。基金项目：上海市自然科学基金资助项目（１５ＺＲ１４２９３００
）。作者简介：杨甲丰（１９９７）
，男，江苏南京人，硕士，主要从事现场总线、实时系统方向的研究。张凤登（１９６３）
，男，博士，博士生导师，教授，主要从事现场总线技术、实时控制、汽车电子学等方向的研究。引用格式：杨甲丰，张凤登，李 明．基于ＣＡＮ＿ＦＤ总线的线控制动系统设计［Ｊ］．计算机测量与控制，２０２２，３０（１）：１２０ １２７．
文章编号：１６７１４５９８（２０２２）０１０１２００８ ＤＯＩ：１０．１６５２６／ｊ
．ｃｎｋｉ．１１－４７６２／ｔｐ．２０２２．０１．０１９ 中图分类号：ＴＰ３０２文献标识码：Ａ
基于犆犃犖＿犉犇总线的线控制动系统设计
杨甲丰，张凤登，李 明
（上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 ２０００８２
）摘要：针对于汽车单轮制动执行器故障问题，提出了冗余结构系统设计方案和三轮协同制动力分配策略，其中冗余结构系统设计通过双中央控制器，使制动执行器故障时汽车侧向偏移距离缩短，三轮协同制动力分配策略采用汽车行驶速度和驾驶员制动强度相结合的方式，确保汽车在单轮制动执行器故障时可以安全稳定停车；完成了线控制动系统的软硬件设计，搭建了实物验证平台，该平台共设计了６个控制节点，节点之间通过ＣＡＮ＿ＦＤ总线进行通信；实验结果表明，在单轮制动执行器故障时，冗余结构系统设计相比于非冗余结构系统设计在不同制动强度下最大缩短了１５．８５％的侧向偏移距离，三轮协同制动力分配策略可以确保安全稳定停车。 关键词：线控制动；ＣＡＮ＿ＦＤ总线；单轮故障；冗余；三轮协同
犇犲狊犻犵狀狅犳犅狉犪犽犲－犫狔－狑犻狉犲犛狔
芯片生产
狊狋犲犿犅犪狊犲犱狅狀犆犃犖＿犉犇ＹＡＮＧＪｉａｆｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＦｅｎｇｄｅｎｇ，ＬＩＭｉｎｇ
（ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇ
ｈａｉ ２０００８２，Ｃｈｉｎａ）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓｉｎｇｌｅ－ｗｈｅｅｌｂｒａｋｅａｃｔｕａｔｏｒ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅｏｆｔｈｅｒｅ ｄｕｎｄａｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｙｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅ－ｗｈｅｅｌｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｂｒａｋｉｎｇｆｏｒｃｅａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｒｅｄｕｎｄａｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｗｉｔｈｄｕａｌｃｅｎｔｒａｌｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓｔｏｓｈｏｒｔｅｎｔｈｅｌａｔｅｒａｌｏｆｆｓｅｔｄｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｖｅ ｈｉｃｌｅｗｈｅｎｔｈｅｂｒａｋｅａｃｔｕａｔｏｒｆａｉｌｓ．Ｔｈｅｔｈｒｅｅ－ｗｈｅｅｌｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｂｒａｋｉｎｇｆｏｒｃｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｙｃｏｍｂｉｎｅｓｖｅｈｉｃｌｅｄｒｉｖｉｎｇｓｐｅｅｄａｎｄｄｒｉｖｅｒｂｒ
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ｌｅ－ｗｈｅｅｌｂｒａｋｅａｃｔｕａｔｏｒｆａｉｌｓ．ＴｈｅｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅＢｒａｋｅ－ｂｙ－Ｗｉｒｅｓｙｓｔｅｍｉｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｌａｔｆｏｒｍｉｓｂｕｉｌｔ．Ｉｎｔｈｉｓｐｌａｔｆｏｒｍ，６ｃｏｎｔｒｏｌｎｏｄｅｓａｒｅｄｅｓｉｇ
ｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｎｏｄｅｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｗｉｔｈｅａｃｈｏｔｈｅｒｔｈｒｏｕｇｈＣＡＮ＿ＦＤ－ｂｕｓ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｈｅｎｔｈｅｓｉｎｇｌｅ－ｗｈｅｅｌｂｒａｋｅａｃｔｕａｔｏｒｆａｉｌｓ，ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｎｏｎ－ｒｅｄｕｎｄａｎｔｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅｒｅｄｕｎｄａｎｔｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇ
ｎｃａｎｓｈｏｒｔｅｎｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｌａｔｅｒａｌｏｆｆ ｓｅｔｄｉｓｔａｎｃｅｂｙ１５．８５％ｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｒａｋｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｓ，ａｎｄｔｈｅｔｈｒｅｅ－ｗｈｅｅｌｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｂｒａｋｉｎｇｆｏｒｃｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｙｃａｎｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓａｆｅａｎｄｓｔａｂｌｅｓｔｏｐｐｉｎｇ
二氧化碳制冷
．犓犲狔
狑狅狉犱狊：ｂｒａｋｅ－ｂｙ－ｗｉｒｅ；ＣＡＮ＿ＦＤ－ｂｕｓ；ｓｉｎｇｌｅ－ｗｈｅｅｌｆａｉｌｕｒｅ；ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ；ｔｈｒｅｅ－ｗｈｅｅｌｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ０ 引言
随着科技的不断发展以及人们对汽车的需求不断提高，汽车行业得到了快速发展，并且随着人工智能的发展，无人汽车也成为研究热点，其中汽车制动是非常重要的
［１］
琉璃砖。汽车制动系统的安全问题仍是一个备
受人们关注的重要问题，汽车的制动性能已成为衡量
汽车安全性能的一个重要标准［２３］
。与气压制动系统
和传统液压制动系统相比，线控制动（ＢＢＷ，ｂｒａｋｅ
－ｂｙ－ｗｉｒｅ）有非常大的优势，它用电导线的形式进行信号的传输，不存在结构设计复杂、笨
重以及液压油不足、污染环境等问题，符合绿环保的发展理念。同时ＢＢＷ采用电信号进行数据的传输，传输时间较短，控制系统的响应速度相比于传统制动系统得到了明显的提高，减少了因液压制动系统油路传输延时而造成的意外事故。ＢＢＷ的发展符合未来制动系
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第１期杨甲丰，等：基于ＣＡＮ＿ＦＤ
总线的线控制动系统设计
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统的发展方向。
随着车载电子控制单元的增加，ＣＡＮ总线已经不能满足车载总线主干网络的需求。相比于最大传输速率可达１０Ｍｂｐｓ的ＦｌｅｘＲａｙ总线，ＣＡＮ总线在数据传输的字节数和传输速度上都不具有优势，但是ＦｌｅｘＲａｙ总线生产成本较大，通信协议复杂，并不适合推广使用。为了满足更高带宽和更大吞吐量的需求，在２０１２年，德国ＢＯＳＣＨ公司发布了ＣＡＮ＿ＦＤ通信方案，ＩＳ
Ｏ组织于２０１５年将ＣＡＮ＿ＦＤ通信方案标准化，国内外学者开始了对ＣＡＮ＿ＦＤ的深入研究。为了提高ＣＡＮ＿ＦＤ总线网络的安全性，文献［４］设计了一种车载ＣＡＮ＿ＦＤ控制器，用于不同通道ＥＣＵ之间的通信。文献［５］ＦＰＧＡ搭建了支持ＣＡＮ＿ＦＤ通信的实验平台。文献［６］从充分利用总线带宽的角度出发，对ＣＡＮ＿ＦＤ数据帧组包问题进行了合理的分析研究。ＣＡＮ＿ＦＤ总线技术越来越成熟，传输速率以及高实时性满足汽车对通信主干网络的需求。
图１ Ｂ
ＢＷ结构设计图随着汽车电子控制技术的发展，像制动防抱死系统（ＡＢＳ，ａｎｔｉ－ｓｋｉｄｂｒａｋｅｓｙｓｔｅｍ）、采用总线型拓扑结构且具有可变传输速率的车载ＣＡＮ＿ＦＤ总线技术、车身电子稳定系统（ＥＳＰ，ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｖａｃｕｕｍｐｒｏｇ
ｒａｍ）等辅助电子控制系统为了满足广大用户对汽车安全性以及多功能性的需求应运而生，辅助电子控制系统以及ＣＡＮ＿ＦＤ总线的开发和应用提高了汽
车的稳定性和安全性［７８］，也进一步推动了汽车制动
系统朝着无机械连接、更加舒适、安全环保的ＢＢＷ方向发展。
传统的制动力分配曲线是一条直线，斜率就是汽
车前后轴制动力的比值［９
］，这种制动力分配方式有很
多缺陷，比如不能很好的利用地面附着系数、制动距离过长等。国内外学者针对制动力分配问题提出了很多控制策略，其中很多是基于滑移率的分配策略，但这些控制策略都是针对传统液压制动系统来提出的，主要原因是那时候ＢＢＷ技术还不够成熟。合肥工业大学的刘杰为达到汽车始终在安全工况下
行驶的目标，提出了逻辑门控制策略，该控制策略可以始终保证汽车后轮的滑移率小于汽车前轮的滑移率，从而保证汽车在制动时后轮不会早于前轮而发生
抱死［１０
］。ＦｅｎｎｅｌＨ和吉林大学张文利分别按照固定
比例以及四分段的控制策略来保证汽车的后轮滑移率始终按比例追踪汽车前轮的滑移率，但两者均未考虑
汽车的横向稳定性［１１１２
］。ＧｏｏｄａｒｚｉＡ针对牵引车提
滑移率的权值取值难以确定［１３］
。随着ＢＢＷ的出现，
汽车可以实现四轮独立制动，国内外学者开始在ＢＢＷ上进行基于滑移率的分配策略研究和制动执行器故障时制动力分配策略研究。文献［１４］针对汽车稳定性的问题，提出了汽车后轮滑移率始终小于前轮滑移率的保压增压分配策略。文献［１５］对汽车制动力的分配问题进行研究，提出了低制动强度下的横摆力矩控制算法。文献［１６］针对单轮爆胎的问题进行了深入研究，并提出将ＢＢＷ以及前轮转向协同的容错控制策略。文献［１７］利用ＦｌｅｘＲａｙ总线作为车载网络搭建线控制动实物平台，并验证了实物平台的可行性。文献［１８］针对汽车制动舒适性问题，提出了基于汽车制动舒适性的制动意图分类策略。
本文的研究目标是基于ＣＡＮ＿ＦＤ总线的线控制动系统设计，对ＢＢＷ进行了系统结构设计以及制动力分配策略的研究。
１ 犅犅犠结构设计
为了使ＢＢＷ更加安全，本文设计了中央控制节点冗余的系统结构。该ＢＢＷ设计共分为制动踏板模块、ＣＣＵ模块、ＥＣＵ模块和ＣＡＮ＿ＦＤ总线，非冗余系统设计框图与冗余结构设计框图如图１所示。
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计算机测量与控制 第３０
有一个t形工件卷
·１２２ ·在冗余结构设计中，共设计了六个节点，其中两个中央控制节点（ＣＣＵ１，ＣＣＵ２），四个车轮控制节点（左前轮控制节点ＬＦＥＣＵ，右前轮控制节点ＲＦＥＣＵ，左后轮控制节点ＬＲＥＣＵ，右后轮控制节点ＲＲＥＣＵ）。每个节点都有自己的功能，相互作用。如两个中央控制节点构成了对制动信息采集的冗余，确保采集数据的安全性，准确性。两个中央控制节点能够获取制动踏板的制动意图，并通过ＣＡＮ＿ＦＤ总线获取到四个车轮的速度，将踏板制动意图和车轮速度作为输入，通过ＣＣＵ计算出此时四个车轮应该获得的制动力大小，通过ＣＡＮ＿ＦＤ总线传输给四个车轮控制节点进行制动。四个车轮控制节点主要负责车轮速度的采集以及制动力信息的获取。
冗余结构的设计不仅是在保证制动意图采集的安全性，更重要的是针对单轮制动执行器失效时，双中央控制节点的调用策略。具体实现过程如下，当汽车正常行驶时，ＣＣＵ１和ＣＣＵ２接收来自车轮控制节点的轮速数据和来自制动踏板的制动数据，将这两部分数据作为输入来计算出合理的制动力分配力，并传递给车轮控制节点进行制动，此时ＣＣＵ１负责控制ＥＣＵ１和ＥＣＵ２，ＣＣＵ２负责控制ＥＣＵ３和ＥＣＵ４；假设当右前轮制动执行器失效时，我们能够很快采集的相关数据并判断出右前轮失效，此时ＣＣＵ２接管ＣＣＵ１的控制，四个车轮控制节点都接收来自ＣＣＵ２节点发出的制动力消息。
２ 犅犅犠制动力分配策略研究
２ １ 汽车制动稳定性分析
汽车在道路上直线行驶时，对汽车进行制动，车轮所受的地面制动力会受到地面附着系数、侧向风力以及路面状况的影响，其中对它影响最大的就是地面附着系数。在制动时，汽车不仅会受到一个纵向力而且还会受到一个横向力，纵向力的作用可以使汽车进行减速停车，但汽车所受到的横向力有可能使得汽车发生一个小角度的侧向偏移，这将使得汽车制动所产生的实际制动力曲线偏离理想制动力曲线。并且由于横向力的存在，可能造成汽车的前后车轮发生不可预测的抱死，即前轮先于后轮抱死或者后轮先于前轮抱
死两种工况中的一种发生［１９］
。下面对这两种工况进
行分析。
第一种工况：前轮先抱死工况。汽车在道路上直线行驶时，汽车前轮先于后轮发生抱死的工况如图２
所示
。图２ 前轮先抱死工况
汽车正常制动时，如果前轮发生抱死，此时地面将不会对汽车前轮产生反作用力（
前轮的横向附着系数是零）。从图２可以看出，汽车车头由于受到了侧向力的作用，会发生一个小角度的侧向偏移。由于惯性，汽车行驶方向不会发生改变，此时汽车前轮将会受到与汽车行驶方向相反力的作用，该力会使汽车产生一个绕质心的横摆力矩，同时汽车后轮会受到一个垂直于车轮平面的侧向力，在该侧向力的作用下将会产生一个与干扰力矩相反方向的作用力，从而使得汽车可以恢复到正常的行驶方向，这种工况属于稳定状态下的工况。
第二种工况：后轮先抱死工况。如图３是汽车行驶在同等道路状况下，后轮先抱死的工况
。
图３ 后轮先抱死工况
汽车正常制动时，在一定车速下由于侧向力的左右，汽车将会发生侧滑（后轮横向附着系数将是零）。从图３可以看出，汽车车头由于受到侧向力的作用，后轮发生抱死将会受到一个与汽车行驶方向相反的作
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第１期杨甲丰，等：基于ＣＡＮ＿ＦＤ
总线的线控制动系统设计
·１２３ ·
用力，产生一个可以忽略不记得横摆力矩。汽车前轮将会使汽车产生一个与干扰力矩相同方向的作用力，该力会加剧汽车车头的偏转，这种工况属于危险状态
下的工况［２０］
，汽车在此工况下进行制动极有可能发
生危险。
综上对这两种工况的分析，可以得出在进行汽车制动时，由于受到横向力的作用而使汽车发生一个侧向偏移，如果后轮先于前轮抱死汽车将处于一个危险的工况中，在生活中应该避免这种工况的发生；前轮先抱死虽然属于一种稳定工况，但在实际中也应该避免。在汽车制动中最理想的制动状态就是前后轮都不发生抱死，此时汽车可以稳定舒适的制动停车；而最理想的制动距离就是前后轮同时发生抱死，此时汽车的制动距离最短。
２ ２ 三轮协同制动力分配策略
在单轮制动执行器故障工况下，本文所研究的重点是如何将汽车制动力重新分配到其余三个正常车轮上，使其尽可能接近驾驶员制动意图所需的理想减速度，并减少由于单轮制动执行器故障所引起的侧向偏移。
本文以右前轮制动执行器发生故障为例，汽车直道行驶时，右前轮故障导致其没有产生车轮制动所需的制动力犉ｘｄｅｓＲＦ，如图４所示（图中Δ犉ｘｌｏｓｔ表示右前轮制动执行器故障而失去的制
动力，犉ｘｌｉｍ表示制动力附着极限，犉ｘｒｅｓ表示汽车制动力储备，其中犉ｘｒｅｓ＝犉ｘｌｉｍ－犉ｄｅｓ）。如果不采取纠正措施，汽车的总制动力将会低于驾驶员所期望的制动力，并且车辆将受到偏航力矩犕ｚ＝犉ｘＬＦ狋ｗ／２，其中狋ｗ是轮距，犉ｘＬＦ是左前轮地面制动力。偏航力矩将会使汽车发生侧向偏移，即向左偏移，此时将需要通过驾驶员进行转向校正以保持汽车正常行驶方向。对于本文所设计的ＢＢＷ车辆，在检测到制动执行器故障后，中央控制单元将会自动采取校正措施，所谓的校正就是制动力的重新分配策略，这将比驾驶员进行手动转向校正快很多。
本文针对汽车右前轮制动执行器故障问题，提出了汽车行驶速度与制动强度相结合的三轮协同制动力分配策略。该分配策略是根据汽车行驶速度的大小，先减小侧向制动力不平衡，然后允许制动力不平衡（和偏航力矩）缓慢增加，以便驾驶员有时间通过手动控制方向盘反向转向进行偏移校正。这种分配策略可以使车辆保持可控，而不会显著影响停车距离。三轮协同制动力分配策略，将制动强度具体分为以下三
种情况
。图５ 右前轮制动执行器失效时轻度制动制动力的再分配
第二种情况：中度制动。
如图６所示描述了汽车中度制动。在这种情况下，右前轮制动力损失Δ犉ｘｌｏｓｔ大于制动力储备犉ｘｒｅｓ，但只有一个相对较小的数额。部分右前轮制动力损失施加在汽车同一侧的车轮上（直至该车轮的制动力达到附着力极限），其余部分按与正常制动时相同比例施加在其余两个车轮上。在这种情况下，总制动力（和车辆减速度）保持不变，但由于两侧制动力的差异，会产生较小的横摆力矩。由于偏航力矩很小，因此不会导致车辆快速偏离所需路径。
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计算机测量与控制 第３０
卷
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图７ 右前轮制动执行器失效时重度制动制动力的再分配
３ 犅犅犠的软硬件设计
３ １ 硬件整体方案设计
本文的ＢＢＷ共设计了６个控制节点，图９为系统硬件设计框图，包括ＣＣＵ１、ＣＣＵ２、ＲＦ－ＥＣＵ、ＲＲＥＣＵ、ＬＦ－ＥＣＵ、ＬＲ－ＥＣＵ共６个控制节点以及轮速采集传感器、驾驶员制动意图采集传感器（压力传感器）、车轮制动执行器和ＣＡＮ＿ＦＤ总线。其中，ＣＣＵ１和ＣＣＵ２是中央控制节点，主要负责驾驶员制动意图信号的采集和制动力分配策略的实现以及实现ＣＡＮ＿ＦＤ网络通信；四个车轮控制节点主要负责车轮轮速信息的采集和产生用于控制车轮制动执行器进行车轮制动的ＰＷＭ波以及实现ＣＡＮ＿ＦＤ网络通信；各个控制节点通过ＣＡＮ＿ＦＤ总线进行连接，
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