的原理。按照汽车发展的脉络，讲述所谓“线控”的实现方式。并了解汽车的基础底盘结构。至于控制算法，可学习PID、LQR以及MPC（当前量产车用MPC的开始多起来）。

　　2023.xx.xx华为M9上展现的三个方向的协同控制悬架很有意思，先给自己立个flag，后面有空再更新~

　　基础知识：《液压传动》《机械原理》《机械设计》《汽车构造》《汽车EE架构》《理论力学》《机械振动学》

　　在自动驾驶行业所谓的“感知-定位-决策-执行”的过程中，在末端的执行层，车辆需要自主执行决策层所给出的指令，具体的体现就是对油门（换挡）、刹车、转向、悬架的线控。

　　*显然，纯电车以及增程混动的线控油门实现更加容易，油车、混联混动车则由于复杂的换挡逻辑和动力传输路径而较难实现；

　　线控技术（X-by-Wire）最早兴起于航空技术领域，利用电线传递能量，数据线;代表具体的功能部件，比如这个“X”是制动（Brake）时候就称为线控制动（Brake-by-Wire）。对于线控系统的理解，航空业恰好有着现成的完美案例——

　　如果有读者像我一样是个ACI迷的话（加拿大调查片《空中浩劫》Air Crash Investigation），那么应该知道波音Boeing与空客Airbus在飞机控制的设计上采取了不同的策略，波音的大部分机型都采用了传统的机械传动 + 液压助力，各控制舵面与飞行员的操纵杆之间存在钢索连接，系统正常工作时候会有液压助力，而当电子系统失效时候，还有机械连接作为最后的备份，飞行员仍然可以使用自身的蛮力控制飞机姿态（当然新型的777 787都采用了电传飞控）。而空客在设计之初就舍弃了操纵杆与执行机构间的机械连接，飞行员的所有操作均由传感器采集后经电信号传递。显然这么做的好处是极大简化了飞机的控制结构，飞机设计时的空间布局更加游刃有余，但弊端则是当电传系统失效后，没有机械系统作为备份。

　　而关于“飞机的最高操作权限”上，波音和空客也有不同的看法，波音选择更信任飞行员，几乎赋予飞行员所有操纵飞机的最高权限，在出现问题时会给飞行员提供尽可能多的信息，让飞行员去做决策。而空客则认为人犯错的概率要远大于计算机，因此电脑判断飞机出现问题时候，会直接干预飞机控制，也会阻止飞行员做出可能会导致飞机失控的动作，但最高决策权还是交给飞行员的。

　　比如飞机转弯时，737可以在自动驾驶模式下设置横滚角度：10/20/30度，达到不同的转弯效果，也就是“转大弯或者转小弯”，但空客320就不行，在行动驾驶模式下转弯，计算机会以“最大过载不超过1G”来控制飞机的横滚角度，所以320给飞行员自助操作的权利要比737小很多。

　　这里面涉及到智能技术发展下的社会道德、伦理问题，这与自动驾驶L3+的发展需要面对的道德伦理问题是一致的。如果读者能够理解上面的故事，那么接下来要讲述的汽车上的线控系统，其本质都与之大同小异。

　　另外，没有了解过《液压传动》的读者可能不太理解液压系统在动力传动中的地位。液压的优点非常多，但最核心的是：能够以很小的体积、简单的结构输出非常大的推力或扭矩，实现低速大吨位的运动。这源于初中学过的帕斯卡定律_百度百科——不可压缩静止流体中任一点受外力产生压强增值后，此压强增值瞬时间传至静止流体各点。在水力系统中的一个活塞上施加一定的压强，必将在另一个活塞上产生相同的压强增量。而根据P = F/ S，如果输出活塞的面积是输入活塞的面积的10倍，输出力将增大10倍。

　　而以液体作为动力传输媒介，使得液压传动的安装布局具备很大灵活性，传输距离也非常长，这是常规的发动机/ 电动机 + 减速机构无法达成的。因此，对于飞机的操控、工程机械的控制、汽车的控制这些需要低速大吨位输出的场合下发挥着重要作用。

　　而液压系统一直面临的一个问题就是“渗漏”，尤其是在液压组件老化之后难以承受高压，油液渗漏是每个修车师傅绕不开的噩梦，且车辆去保养时候经常需要加刹车油和转向助力油。当然，后面我们会讲到，目前乘用车的线控执行系统中，越来越多采用电机代替液压直接驱动执行机构，但这是因为乘用车的需要的力道比较小，在大型商用车、工程机械领域，液压仍然难以替代。

　　对于涉及液压的制动、转向系统，本文不会放出各种眼花缭乱的液压管路图（因为我现在也看不懂），而是重点讨论其基本的原理，因此可以放心食用。

　　本节将沿着制动系统的演进过程：真空助力液压制动、ABS、ESP、电子液压制动EHB、以及电子机械制动EMB来讲述线控制动系统。开局先放一张制动系统演进的示意图，接下来的内容都会围绕该图展开：

　　汽车刹车的最终执行过程无非是：刹车蹄片在液压的作用下产生位移，与刹车盘/ 刹车鼓接触并摩擦，将机械能转化为热能耗散（乘用车一般用液压助力，重型卡车一般用高压气体助力，本文只讨论乘用车领域）。而驱动刹车蹄片的液压管路的压力来自何处呢？最开始，刹车力完全来自于人力猛踩刹车踏板，如上世纪的很多老式拖拉机就是如此。可以想象，依靠纯“脚力”把上吨的汽车刹停是一件十分费力的事情。

　　因此我们希望给刹车加上助力。早期的刹车助力方式是真空助力泵，利用真空造成的左右腔室气压差来辅助刹车，再通过主缸Master Cylinder将该位移转化为液压力。而真空的来源则是发动机，发动机运转时将助力泵腔室中的空气抽出。具体的原理可见下方的参考视频，本文不做过多阐述。

　　PS：采用真空助力的方法，在高海拔低带，刹车性能会有较大衰减。因为大气压降低，左右腔室能够达到的最大压差也就受限。

　　预设1：在前面对于刹车的描述中，我们预设了“制动力会直接地、毫无保留地传递到车轮”。但此种预设存在严重的隐患——车轮抱死。

　　所谓抱死，就是指刹车力度过大时，导致车轮彻底停止转动，此时轮胎与路面由滚动摩擦转变滑动摩擦状态，并且车轮无法转向，极易失控并发生事故。这时候就需要防抱死系统（Antilock Brake system，ABS）发挥作用，制动时自动控制制动力大小，每秒刹-放数百次，使得车轮始终处于边滚边滑（滑移率在20%左右）的状态，以保证车轮与地面的附着力，也保证了车辆的可控性。

　　ABS需要增加的设备是一个ABS泵，当传感器检测到过大的滑移时，刹车系统在ECU控制下完成“刹-放”的过程，其原理很容易理解，不多赘述。

　　预设2：前面我们默认了液压制动力在四个轮子上是“均等分配”的，但能否通过“不均等的制动力分配”来达成更好的车辆操控性呢？答案是可以的。

　　这种思路是“不均等动力分配”的逆向思维，如同汽车安装前后桥的差速器，四驱系统通过分配前后轮的动力比改善操控，比亚迪的仰望通过四轮独立的动力控制完成如坦克一样的原地360°掉头。

　　在刹车时，常见的车辆失控一般是在入弯时候产生的转向不足以及出弯时候的转向过度问题，关于这两个名词的解释，读者可自行查阅。对于转向不足和转向过度的判断，则可以通过轮速传感器和IMU进行感知，这并不难理解。此时，可以通过ABS泵，对四个轮子的刹车力度和持续时间分别进行独立控制。比如转向不足时，增大右前轮的刹车力度，减小左后轮的刹车力度；转向过度时候增大左后轮刹车力，减小右前轮刹车力。具体的原理可以参考下面的视频，讲解非常到位（ESP的作用效果，可以救命） ：

　　以上所有，就是自动驾驶时代到来之前，2010s之前乘用车市场的基本制动方案。而其实ESP已经有了“线控制动”的雏形，但其能够提供的制动力有限，作为主刹车会导致其寿命严重衰减，因此多作为失控时紧急介入的刹车方案，并不是常用的线控刹车方案。

　　Refl-ESP原理：1.ESP车身稳定系统工作原理【纸上谈车34】_哔哩哔哩_bilibili（推荐观看）

　　。并且，真空泵会消耗发动机的能量，这对于车辆的续航不利。对于电动车，更没有燃油机的怠速，因此需要采用新的刹车助力源，主要是后面会提到的高压蓄能器和刹车电机；

　　传统的制动意味着将动能转化为热能耗散掉，而新能源车则可以利用电磁感应将动能转化为电能存储起来，以延长电动车的续航。前面舍弃真空助力泵也有同样的作用。

　　制动系统应当与ESC、ACC等智能辅助驾驶功能相配合，更进一步地，作为自动驾驶执行层的输出层。这就需要电脑能够对刹车系统进行直接、精确、低延时的制动力控制。

　　对于失去真空泵的车辆，构建新的液压制动力来源，我们会有什么想法？最直观的，采用电动机，搭配减速器增大扭矩，从而推动主缸活塞达成制动效果。但是，这种方法对于电机的体积/能效有极高的要求，对减速机构的机械强度、加工精度也有着极高的要求。因此基于电机的制动不是一蹴而就的，其经历了以下发展阶段：

　　2.3.1 高压蓄能器在21世纪之前，业界多采用高压蓄能器：利用电机建立液压，将高压刹车油存储在蓄能器中，需要刹车时释放。这套系统的思路和重卡采用的气刹有相通之处，而想想就知道这套系统有多么复杂，成本是多么高昂。

　　这套系统没有放弃真空助力，只不过采用电动真空泵EVP（Electronic Vacuum Pump）作为真空源，其他的原封不动。这对于整车的刹车系统改动非常小，因而开发成本很低。在一些油改电项目上，可以得到应用。

　　但其缺陷也很明显，首先其根本原理与传统的真空泵刹车一样，刹车踏板与制动缸之间存在机械连接，人脚产生的力是可以传到制动轮缸的，最终的制动力还是由“人脚力 + 真空泵辅助力”合并产生，这仍然是机械传动，而非线控系统，并不能满足ADAS/AD的需求。

　　其次，在电动、混动车上采用该系统，能量回收的效率较低。这是因为机械连接的特性决定了，当人脚踩下踏板时，会直接引发真空泵工作，将很大的刹车力道传导到车轮上；这时候，“通过电磁感应进行的能量回收”在制动过程中的占比就会相当有限。

　　该系统彻底放弃了真空助力的方式，而直接采用前面提到的电机+减速器的电动伺服驱动主缸（Bosch iBooster），或采用电机+泵的电液伺服提供液压力（如Conti MKCx），这与近年来电机技术的发展是脱不开关系的。

　　显然，电动机也更为容易实现十分精确的制动力输出，这对于ADAS/ AD系统是十分重要的。更为重要的是，对电机的控制是线控系统，而非机械传动。这一次不需要刹车踏板与制动主缸存在机械连接，只需利用传感器采集踏板的行程，给ECU输入踏板位置信号，从而控制制动力的大小。人脚的力可以不传导到制动轮缸（其实也可以保留机械连接作为备份），几乎所有的制动力都由电机产生。

　　再然后，原来制动系统的主缸、液压管路直到轮缸的系统维持不变，制动液仍然是动力传递的媒介。那么，这种系统就叫做电子液压制动系统（EHB Electronic Hydraulic Brake）

　　上图是典型的EHB系统，该系统中，信号输入单元（刹车踏板）、控制单元（ECU）、与执行机构（电机与主缸）的布置是比较集中的，使用制动液作为动力传递的媒介，因此也EHB也被称为集中式湿式制动系统。

　　首先，EHB通过踏板传感器、ECU和电机实现了制动系统的电气化/ 线控化，使之能够作为ADAS/AD的执行机构；

　　线控化的EHB的刹车响应时间约为120~150ms，比传统制动的400~600ms大幅缩短，这意味着在100km\h的车速下，可以减少约10m的刹停距离，提升了车辆安全性；

　　线控化的刹车系统中，踩下刹车踏板后，制动力不再直接输出到车轮上，而是会将“刹车信号”传给ECU，由ECU根据制动策略来执行具体的制动过程。因。