席刚刚，丁宗旭，李初蕾，解光耀

（1.201804 上海市 同济大学；
2.201800 上海市 博世华域转向系统有限公司）

由于驾驶员注意力不集中导致的事故数量在整个交通事故的占比不可忽视，在此背景下，自动驾驶技术应运而生。汽车电子化、智能化、网联化技术能够辅助车辆有效避免因驾驶员异常操作带来的事故，也能进一步改善交通状况[1]。表1 是SAE定义的自动驾驶技术分类[2]，可知SAE L3 等级下驾驶员可脱开双手，从而使车辆实现自动转向，EPS 作为自动驾驶车辆的横向控制器，必须保证横向控制系统的安全性和可靠性。然而目前自动驾驶同样存在技术缺陷，在紧急情况下仍然需要驾驶员接管车辆，这就需要足够的反应时间来让驾驶员接管方向盘，因此需要降低自动驾驶技术发生故障的几率，即使在出现故障的情况下也能够安全地控制车辆。基于这些需求，本文设计了EPS 的电子硬件系统提高系统在某个电子元器件失效后的稳定性；
研究软件方面提升自动驾驶安全性的方案，总结出开发的相关注意事项，对L4、L5 级别的自动驾驶技术开发具有参考价值。

表1 SAE 自动驾驶等级划分Tab.1 SAE autonomous driving classification

1.1 技术方案

硬件电路是转向系统软件工作的载体，其中电子元器件较多，发生故障的几率较高，常见的故障有角度扭矩传感器故障、中央处理器（ECU）故障、CAN（Controller Area Network）总线通信故障、执行器（电机）故障、EPS 供电故障等[3]，单个模块发生故障后整个硬件系统便会处于瘫痪状态。对此，简单的方案是在车上安装2 套转向系统，当其中一套出现故障时立刻切换到另一套系统[4]。此方案简单、效果明显，但是由于成本高昂、安装空间受限，导致可操作性不高，而且2 套系统之间的切换需要时间。按照中国高速公路规定的120 km/h 的车速行驶，为保证不出现风险，需要2 套系统在10 ms内进行转换，而机械部分难以在如此短时间内切换。

2 个及2 个以上的子模块同时发生故障的几率较小。设想集成2 套扭矩传感器、2 套通讯接口、2 套ECU（包含外围电路）、2 路供电接口、1 个6 相电机于一个系统。当其中一个子模块发生问题时，另一个相同子模块仍然能够正常提供信息，保证EPS 在安全范围内工作。图1 是满足SAE-L3自动驾驶技术的硬件系统方案，其中独立电源1 给ECU1 供电，ECU1 接收传感器模块1 的信息并通过CAN 收发器1 接收整车其他ECU 的信息，用于计算电机扭矩发送到电机控制模块1，控制其中三相电机输出扭矩。同理，ECU2 计算电机扭矩发送到电机控制模块2，控制另外三相电机输出扭矩。

图1 EPS 硬件冗余方案Fig.1 EPS hardware redundancy scheme

2 套子系统在工作过程中通过IPC（Inter Processor Communication，EPS 内部通讯）共享信息，并且2 个ECU 实时校验来自另一个ECU 的信息。

1.2 硬件冗余平台可靠性分析

引入概率学中的马尔可夫模型分析冗余硬件平台的可靠性[5]。图2 是冗余系统中一个子模块的马尔可夫模型。其中，λ是该模块发生故障的概率，δ是子模块中发生的概率被发现处理的概率。状态A 代表该系统开始工作的状态即无故障状态；
状态B 代表该模块发生了故障并且被发现，此时系统由于有另一个相同子模块的存在还能安全工作；
状态C 是2 个子模块都被检测到发生故障，单系统失效，切换到另一路安全系统中进行工作；
状态D 是该模块发生了两类故障，单系统失效，切换到另一路工作；
状态E 是发生了严重故障，导致整个EPS系统无法工作，属于危险状态。

图2 双冗余平台的马尔科夫模型Fig.2 Markov model for dual redundancy platform

由马尔可夫模型求得其微分方程：

其中初始条件：

对微分方程进行拉普拉斯变换，得

系统的可靠性R（s）为

进行拉普拉斯反变化可得

当δ=1 时，

参照标准IEC61508，取λ=10-7和λ=10-8，对比双冗余系统和非冗余系统的可靠性，结果如图3所示。双冗余系统的可靠性远超非冗余系统。

图3 不同故障率下双冗余和非冗余系统可靠性对比Fig.3 Reliability comparison of dual-redundant and non-redundant systems under different failure rates

1.3 冗余平台硬件失效性能目标

由硬件框图可知，失效情况简化为6 类。表2 定义了每种失效情况对应的性能表现，设计目标是在单个子模块失效后至少能够保证一半的助力输出，EPS 能够自动控制转向或者维持一定的安全时间使得驾驶员完成接管方向盘的动作。

表2 冗余EPS 故障容错状态Tab.2 Redundant EPS fault tolerance state

2.1 系统架构

适应于硬件冗余平台，软件同样要求冗余控制方案。EPS 工作时，2 个ECU 之间通过IPC 进行信息共享，第1 路系统出现软件故障时，告诉第2 路系统并由本路提供助力。为满足自动驾驶技术的EPS 软件冗余控制方案，在决策层和执行层都需要进行冗余，即整车ADAS 控制器和EPS 均需要冗余控制。同时上位机给EPS 的信号必须要满足ASIL D 等级，由车辆多类型传感器采集周围环境信息及驾驶员的驾驶意图，反馈给ADAS 模块进行处理，然后给到执行器EPS 执行转向任务。

如图4 所示，ADAS 包含了A 和B 两个控制器。无通讯故障时，ADAS 中A 和B 两个控制器同时分别向EPS 的主路和辅路发送自动驾驶状态请求和自动驾驶目标齿条位置信号。在软件中设计HAD State（Highly Automatic Driving，简 称HAD）、RPC（Rack Position Control）、Fader 三个子模块，其中HAD State 结合ADAS 模块请求信息、EPS 自身状态、车速信息、方向盘扭矩信息计算自动驾驶软件的状态跳变和故障管理；
RPC 模块基于双PID（Proportion Integral Derivative）环计算自动目标齿条位置对应的电机扭矩；
Fader 基于扭矩传感器采集到的方向盘扭矩信号的大小及变化率判断当前EPS 的控制方式并计算SFC（Steering Feeling Control）和RPC 控制方式之间的切换时间。

图4 EPS 自动驾驶技术系统架构Fig.4 EPS autonomous driving technology system architecture

2.2 RPC 控制原理

PID 控制器是Proportional、Integral 和Derivative 的简称，控制原理是根据系统的偏差利用比例、积分和微分计算控制量[6]，然后对系统进行控制，特点是结构简单、工作稳定可靠、后期调试方便。图5 所示的RPC 控制方式包含了齿条位置PID 环和齿条速度PID 环。其中，齿条位置环作为外环控制，基于目标齿条位置与实际响应齿条位置的偏差作为控制对象；
对目标齿条位置进行微分计算得到齿条速度，与实际齿条位置的微分得到的实际齿条速度作差，差值为齿条速度环的控制对象，因此齿条速度环为内环控制。RPC 控制模式相比以往的扭矩控制方案（ADAS 模块请求电机扭矩）而言，控制精度高，闭环时间短，响应速度快。

图5 EPS 自动驾驶技术齿条位置控制Fig.5 EPS automatic driving technology rack position control

经双PID 控制环后，期望电机输出的扭矩为

式中：Tmotor——电机扭矩；
F——扭矩因子；
Atarget——目标齿条位置；
Aactual——实际齿条位置；
P，I——PI 控制参数；
Vtarget——目标齿条移动速度；
Vactual——实际齿条移动速度。

2.3 故障管理及工作原理

设计表3 所示的EPS 自动驾驶技术故障管理表。系统在无故障状态下运行时，EPS 两个子系统的自动驾驶功能都为可用状态。当其中一路系统检测到故障后本路功能不可用，另一路功能降级运行。在严重故障下（如两路系统同时出现故障）后系统才完全退出自动驾驶功能。

表3 EPS 自动驾驶技术软件故障管理Tab.3 EPS automatic driving technology software fault management

图6 是EPS 自动驾驶的工作逻辑图。EPS 在响应ADAS 模块的自动驾驶请求时，首先检测是否存在故障，没有故障及时响应，ADAS 的请求开始控制电机转动实现转向功能。在运行过程中会实时检测故障状态，一路系统存在故障后本路系统退出自动驾驶功能，另一路系统降级控制电机实现自动转向。

图6 EPS 自动驾驶技术工作逻辑Fig.6 EPS automatic driving technology working logic

3.1 EPS 响应ADAS 请求测试

车辆自身状态和周围环境满足自动驾驶需求，且驾驶员按下自动驾驶请求开关后，ADAS 模块设定自动驾驶技术的请求状态为Active，EPS 进入自动驾驶控制模式。图7 是EPS 的响应状态，可见在条件满足的情况下EPS 能够实现自动转向功能。

图7 EPS 自动驾驶技术响应状态Fig.7 EPS autonomous driving technology response status

3.2 EPS 自动驾驶软件冗余测试

在不破坏测试样件的情况下，制造断开一路供电线束故障、断开一路通讯线束故障、断开一路传感器故障、2 路ADAS 模块请求不一致故障。其中2 路ADAS 模块请求不一致故障的测试结果如图8 所示，其余测试结果总结于表4。可见，通过设计EPS 硬件冗余及软件冗余后，能够满足SAE-L3级别的自动驾驶技术要求。

图8 EPS 自动驾驶技术冗余测试结果Fig.8 EPS autonomous driving technology redundancy test results

表4 EPS 自动驾驶技术软件冗余测试结果汇总Tab.4 EPS autonomous driving technology software redundancy test results summary

本文分析SAE-L3 级别的自动驾驶技术对EPS系统的要求，通过设计一套冗余的硬件系统与软件方案来满足其要求，并对冗余的硬件系统进行可靠性仿真，结果表明其可靠性相对于单系统有了明显的提升；
设计了软件的核心控制方案和故障管理策略；
最后测试了EPS 的自动驾驶技术，结果表明，在无故障状态下EPS 能够稳定响应ADAS 模块进行自动转向控制，在一路子系统出现故障后软件仍能维持另一路继续工作，避免由于突然失去转向助力导致的事故发生。本文设计的EPS 自动驾驶技术方案满足SAE-L3 的技术要求。

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