一流汽车RBW或XBW整体式一体成型车身控制系统

今天汽车机电一体化升级是必要的，由于【HENNING 2006】：

• 汽车制造厂商降低油耗的规定、低污染物排放标准以及先进的安全性和进步的舒适性的实现，只能通过更为智能的全时RBW或XBW整体式一体成型车身或底盘运动机电一体化超系统达到。

• 汽车上90%的实际创新（相对于特征增强）出现在汽车机电一体化领域。

• 对于第一流的汽车，成本的35%是全时RBW或XBW整体式一体成型车身或底盘运动机电一体化控制超系统。这一趋势正在逐步上升。

汽车机电一体化升级的挑战如下【HENNING 2006】：

• DBW AWD驱动和BBW AWB制动、SBW AWS转向以及ABW AWA悬架机电一体化控制系统的复杂性仍旧在增加：

■现有可用的DBW AWD驱动和BBW AWB制动、SBW AWS转向以及ABW AWA悬架机电一体化控制系统，正在变得越来越复杂。

■高级和新兴的DBW AWD驱动和BBW AWB制动、SBW AWS转向以及ABW AWA悬架机电一体化控制系统增加。

■渐进DBW AWD驱动和BBW AWB制动、SBW AWS转向以及ABW AWA悬架机电一体化控制系统被联网形成全时RBW或XBW整体式一体成型车身、space-chassis、skateboard-chassis或body-over-chassis运动机电一体化控制超系统。

■总线系统彼此集成。

■传感器和ASIC微控制器信号共享。

■功能被分布在几个ASIC微控制器上。

• 挑战：使汽车中汽车机电一体化的复杂度成为可控的，如质量、可靠性及安全性。

• 复杂的DBW AWD驱动和BBW AWB制动、SBW AWS转向以及ABW AWA悬架机电一体化控制系统，只能通过一个开发过程来管理。该开发过程使用“virtual test driving”这种无缝集成仿真工具：

■软件在环（software in the loop，SIL）—仿真：

◆体系机构开发；

◆系统集成；

◆参数优化。

■硬件在环（hardware in the loop，HIL）—仿真：

◆诊断；

◆故障安全；

◆性能。

■虚拟测试驾驶（virtual test driving，VTD）：

◆系统调校；

◆随机测试；

◆验证。

RBW或XBW整体式一体成型车身或底盘运动机电一体化控制先进技术已经经历了多年的开发。使用这种超系统，汽车制造厂商计划用机电一体化连接取代汽车内的机械连接。

从设计的角度来看，这种超系统的优势是明显的：

• 更加有效的驱动（行驶）和制动（刹车）、转向（操纵），以及悬架（吸振/减振）；

• 汽车行业标准化；

• 减少燃料消耗；

• 安全性、舒适性和可靠性；

• 设计自由度。

机电一体化设计可以在一台计算机上进行物理和数学建模，并在建造一个原型之前进行测试。

在使用精确的机电一体化传感器和E-M执行机构取代笨重和不精确的机械系统时，采用RBW或XBW这一术语。

由DC42V总线带来的许多提升可能被集总至RBW或XBW范畴。这种RBW或XBW趋势在汽车行业中已经实践几年了。

从燃料喷射器取代它们笨重的对应物化油器的实现，以及被称为ABS的机电一体化控制的制动的开发中，可以看到这一趋势。

RBW或XBW不是要实现的一个新的程序，而是捕捉已有开发趋势并指出未来提升方向的一个术语。许多人出于可靠性和安全性考虑而在迁移至RBW或XBW中犹豫不决。毕竟传统的机械式系统已经经受了时间的检验，并且已被证明可靠。

十多年前，美国空军在飞机从机械和流体联动装置转换至电气连接中也经历了一次类似的挣扎。现在不可或缺的电传操作（FBW）当时忍受了诸多质疑关注。一次电气故障，对于任何RBW或XBW整体式一体成型车身或底盘运动机电一体化控制超系统来说可能就是一场灾难。

在军事应用中，这种失效会是完全不能被接受的。军用飞机需要在世界上某些最极端的条件下工作，而且对故障造成的后果无法接受。在过去的几十年中，在军事和商用飞机中已经开发并实现了冗余电气系统。

FBW已经给军事带来了非常大的改进。满足新标准的军用飞机只能通过RBW或XBW获得。

美国空军最新开发的F-22猛禽战斗机，就是全FBW的。FBW使得它能执行曾被认为是不可能的操纵。RBW或XBW整体式一体成型车身或底盘运动机电一体化控制系统，现在也正被集成到军事地面单元中。

新型灰熊坦克（Grizzly Tank），是一种美国陆军的高科技地面攻击车辆，它使用了RBW或XBW。军方已经证明，RBW或XBW可能既可靠又高效【BRAUER 2001；TREVETT 2002】。

例如，最近雪铁龙雄心勃勃发布的C5-by-wire掀背车，就采用了机电一体化控制的制动、节流阀以及激进的转向系统，标志着RBW或XBW整体式一体成型车身或底盘运动机电一体化控制超系统的另一个引人注目的进步。该机电一体化超系统用机电一体化部件取代了传统的机械式联动装置。现代汽车中最有可能收获RBW或XBW好处的零件，可能是简陋的驻车制动器。

例如，当车辆在山上停车等待红绿灯时，电子驻车制动器（electronic parking brakes，EPB）自动挂档，以防止加速踏板放开时车向后滚动。

电子助力转向系统（electrical power steering，EPS）只是简单地用一个机电一体化等效部件替换了一个机械系统。与EPS不同，重负荷的RBW或XBW应用EPB实际添加了汽车新功能，并可以安装在任何尺寸和动力的汽车中。

有些汽车科学家和工程师相信，相比在美国或亚洲，EPB在欧洲可能会更受欢迎。手动变速器汽车在山上往后溜车的风险更大。欧洲山地环境较多，以及在主动安全性系统中的技术处于领先地位，应该会更早认可EPB。

RBW或XBW制动给汽车增加了一个安全措施，因为它也可以构成碰撞预防系统的一部分。碰撞预防系统在传感器检测到一个即将发生的碰撞时降低车速。

例如，ABI Research的课题“线传控制（X-by-wire）：电动助力转向、电传线控制动及电子驻车制动系统的市场策略”，介绍了2004—2012年这一时期的区域预测，也讨论了法律和实施问题，还涉及燃油成本的上涨和混合动力车（hybrid-electric vehicles，HEV）的发展。

该研究也提供了所有主要行业玩家的详细资料【ABIRESEARCH 2005】。(www.xing528.com)

RBW或XBW革命：

• RBW或XBW应用正在出现。

• TTP/C与FlexRay^TM的战斗依旧在进行，可靠性是一个关键。

• RBW或XBW部署可以把汽车推入安全关键系统领域。

在未来的几十年中，RBW或XBW技术可能会用机电一体化控制系统取代机械式或流体式控制系统，特别是对于如操纵、制动、转向以及吸振/减振等关键功能。这需要严格证明这些创新的车辆可以保障驾驶人、乘员、车辆及环境的安全性。

嵌入式系统可靠性的一个关键点是通信体系结构。比如，技术研究团队CARA-MELS内部，已经做了一个支持RBW或XBW应用的候选网络（TTP/C、FlexRay^TM及TTCAN）之间的对比研究。

研究结果是一个功能和服务的清晰和公平的分类。功能和服务是候选网络为保证可靠性特性而提供的。

为实现这个目标，汽车科学家和工程师已经开发了一个物理模型，该物理模型允许在每一层（根据ISO的OSI物理模型）标识与满足应用需求有关的容错服务【WILWERT ET AL. 2003B，2003C】。

【WILWERT ET AL. 2003B，2003C】强调一个清晰的远景规划过程的重要性。该过程确定并开发消费者可能实际想要购买的创新产品。他们也分享了德尔福汽车系统公司的“下个世纪的赢家”清单，比如，一个RBW或XBW整体式一体成型车身或底盘运动机电一体化控制超系统、防撞及先进的能源系统。

• 一个RBW或XBW整体式一体成型车身或底盘运动机电一体化控制，可以帮助消除汽车生命周期内过多的保养需求；一个RBW或XBW整体式一体成型车身或底盘运动机电一体化控制超系统能控制驾驶、制动、转向及吸振/减振，能淘汰从驾驶人控制至控制执行机构的机械连接；通过淘汰机械连接，一个RBW或XBW整体式一体成型车身或底盘运动机电一体化控制超系统减少制造过程中的原材料和人力成本；它们使汽车变得更轻，也有助于改善燃料效率。

• 防撞系统通知驾驶人即将发生的危险，如一个可能的崩溃或者一个危险的失控情况；防撞系统由雷达和视觉传感器、报警显示、DBW AWD驱动和BBW AWB制动、SBW AWS转向、ABW AWA悬架机电一体化控制系统（RBW或XBW），以及处理器和软件等组成，它能最终控制车辆采取校正动作来防范危险情况。

• 先进的能源系统为未来高度自动化的车辆提供所需的动力和航程；为了给如车载运算的新的装置提供电源，需要新的能源产生/储存和控制系统；此外，随着ECE/ICE朝混合动力发展，必须分头开发新的E-M/M-E电动机/发电机、ASIM宏换向器（逆变器和整流器），以及CH-E/E-CH蓄电池。

RBW或XBW是用来描述机电一体化控制超系统的通用术语。机电一体化控制超系统依赖于一个实时通信网络来连接不同的机电一体化元件。在历史上，这些机电一体化控制超系统依赖机械式或流体式联动装置，电传线控的目标是用机电一体化取代几乎每个汽车机械或流体系统。

RBW或XBW的引入意味着在汽车设计和一辆汽车中使用的机电一体化元件数量的巨大突破。RBW或XBW是汽车中的一个机电一体化系统，这种系统没有机械备份。

“R”或“X”可能代表不同的安全性相关的应用，如DBW、BBW、SBW和ABW。一个RBW或一个XBW整体式一体成型车身或底盘运动机电一体化控制超系统是为了在不同情形下帮助驾驶人，以便让车辆对所有道路/越野使用者更加安全。由于驾驶人不必再关心日常任务，整体汽车安全性得以增加。

商用车辆系统中已经引入了计算机化的RBW或XBW整体式一体成型车身、space-chassis、skateboard-chassis或body-over-chassis运动机电一体化控制超系统。

这种超系统的另一个优势是降低了制造的成本。该超系统也是简单的，容易诊断和维护。最后，消费者对更安全、节能高效、环保、舒适并容易驾驶的汽车的需求可能成为现实【GARBENFELDT 2005】。

RBW或XBW指的是开发中的超系统，这些超系统会用一个RBW或XBW整体式一体成型车身或底盘运动机电一体化控制超系统各部件之间的机电控制连接，来辅助或替代传统的机械或流体（液压和/或气动）系统。

RBW或XBW整体式一体成型车身或底盘运动机电一体化控制超系统已经建立了技术基础。该技术基础为新的驾驶人辅助和安全性系统的开发提供了机会，这使得即便是一台计算机驾驶或停下一辆汽车成为可能。

只用电子信号驾驶一辆车辆也为新的人机界面（human-machine interfaces，HMI）的开发提供了潜能。新的HMI能最终取代目前的转向盘和踏板结构。

对于一些身体不方便的人来说，HMI技术意味着只需在车上安装合适的HMI就可驾驶家用汽车，如通过一根控制杆。

在不久的将来可能提出：使用一根控制杆作为一个HMI，控制杆与汽车动力学的关系可被分析；克服可能的“摆尾运动”，在控制杆中整合一个带集成ACC功能的主动转向装置【KELBER ET AL. 2004】。

目前小型汽车正越来越多地应用E-M RBW或XBW整体式一体成型车身或底盘运动机电一体化控制超系统。这些超系统在大功率制动和转向应用中也具有重要的意义。

因此，更为精确、可靠和划算的RBW或XBW整体式一体成型车身或底盘运动控制超系统的开发正在进行。

因此，传感器系统的性能必须有所提高。这就是努力开发新型微电子机械系统（micro-electro-mechanicalsystem，MEMS）压力传感器的原因。

而且，很多伺服助力E-F-M应用在两个压力范围运行：一个低压范围，该处需要高精度；一个高压范围，这里稳定性是一个主要的需求。通常，这些特征只能通过两个压力传感器类型来实现，即每个范围用一个压力传感器。

【TOMASI ET AL. 2002】提出了一种硅压力传感器，它有一个双域值灵敏度，旨在满足单个传感器设计中描述的规范。

而且，为了在减少或保持成本的情况下提高可靠性和精度，在设计中构思了自检和再校正。增加目前汽车的工作电压可能改善效率并增加燃料里程（行驶里程），但探索DC42V总线可能支持的新的电气应用则能发挥其真正的潜力。从汽车开始，它们就几乎是全机械的。

经过一个世纪的发展，越来越多的系统已经变成了机电控制的系统。机电一体化元件提供增强控制，不像机械设备那样容易磨损。通过消除与机械部件关联的摩擦损失，电子控制装置可以提供更高的效率。

总之，在不久的将来，能量和信息网（energy-and-information network，E&IN）以及通信技术成为汽车中的标准已成定势。然而，必须记住这些技术依然是新兴技术，仍然有很大的改进空间。

这些技术可能有如下的特性【FUHRMAN 2002】：

• 嵌入式软件在汽车工业中有着重要的和不断增长的作用。

• 嵌入式软件汽车是汽车工业中很多新奇事物的起源。

• 汽车信息系统（资讯娱乐和车载信息系统）。

• 汽车的整体式一体成型车身或底盘运动机电一体化控制（RBW或XBW）。

• 汽车工业正在经历从一个基于机械的行业向一个基于计算机的行业的转变。

• 在21世纪，机电一体化（计算机和软件）科学家和工程师在汽车工业中有很多有趣的职业选择。

即使是在刚刚起步阶段，为了证明安全性，这些技术的实现也会要求通过严格和完整的测试。这些测试由汽车行业认证。在非常安全关键的领域，这些技术和设备的性能在恶劣环境下应该是无瑕疵的。它们是否能符合期望的标准还有待观察。

总之，只有通过智能RBW或XBW整体式一体成型车身或底盘运动机电一体化控制超系统，才能落实汽车制造厂商这样的要求：降低燃料消耗、低废弃排放标准、卓越的安全性和完善的舒适性等。在汽车的真正创新（相对于功能增强）中，超过90%发生在汽车机电一体化领域。这时，对于一流的汽车，成本的45%是机电一体化控制系统，这一趋势还在上升。

智能RBW或XBW整体式一体成型车身、space-chassis、skateboard-chassis或body-over-chassis运动机电一体化控制超系统的复杂性仍然在上升：

• 现存的汽车机电一体化控制系统正变得越来越复杂。

• 新颖的汽车机电一体化控制系统被引入。

• 越来越多的机电一体化控制联网在一起。

• 总线系统彼此整合。

• 传感器和单芯片微控制器信号共享。

• 功能被分布在许多的单芯片微控制器上。

面临的挑战：

• 造成汽车控制中汽车机电一体化的复杂性，这些汽车机电一体化与质量、可靠性和安全性有关。

• 应该通过一个流程来开发复杂的汽车机电一体化控制系统。该流程使用“虚拟测试驾驶”的无缝集成仿真工具【HENNING 2006】。