Research and Development on Vehicle Control Network Orienting X-by-wire Applications

随着电子技术和计算机技术的迅速发展，大量的电子元件，如传感器、执行器和控制器被应用在汽车上，汽车逐渐从一个机械－液压系统转变成一个机械－电子系统。由于这些机械－电子系统依靠导线来传递测量信号和控制量，因此被称为线控技术，主要有线控转向、线控节气门、线控刹车以及线控悬架等。与传统的机械－液压系统相比，线控技术可以有效地提高车辆安全性、性能和燃料效率，同时又可以减少设计和制造费用。 由于汽车线控系统要在没有任何机械/液压系统作为备份的情况下实现汽车的转向、刹车等功能，因此对汽车控制网络技术提出了更为严格的要求。网络能否为系统中的各组件提供实时、可靠的通信服务将成为影响线控汽车安全性的首要因素。这里要解决的关键问题是如何在大规模生产的约束条件（主要包括低成本、可靠、系统模块化以及现场易于维护等）下，设计出满足线控系统安全性及柔性需要的汽车控制网络系统。当前，基于柔性时分多路访问机制的通信系统在带宽、确定性以及柔性等方面都很好地满足了汽车线控系统的需求，具有良好的发展前景。然而在广播总线网络拓扑条件下，现存的基于柔性时分多路访问机制的通信系统（如FlexRay和Byteflight）均没有提供有效的方法来避免系统中的节点发生混串音错误（发生混串音错误的节点违反总线媒质访问机制，在任意的时间内发送消息，能够干扰整个通信系统的消息传输活动），因此，系统的安全性受到了相关领域学者的置疑。为此，本论文提出了一种基于总线监护器的方法，用以检测、克服基于柔性时分多路访问机制的通信系统中的混串音错误。 此外，在线控技术的应用开发方面，本论文首先设计、实现了一个线控节气门控制系统；而后，在系统中融入了车辆主动安全功能，进而设计出了以时间触发总线为通信平台的线控节气门控制系统。本论文的主要工作和贡献包括： （1）本论文提出了一种基于“半调度表”来实现保护功能的总线监护器，用以检测、克服基于柔性时分多路访问机制的通信系统中的混串音错误。基于FlexRay通信系统，阐明了所设计的总线监护器的同步原理、通信控制器监护算法、总线监护器调度监控以及错误模式分析等方面内容。 （2）提出了一种总线监护器评估方法，用以对基于柔性时分多路访问机制的通信系统中的总线监护器的功能进行评估。针对柔性时分多路访问机制的特点，该方法引入消息的最坏响应时间对总线监护器进行评估，其中消息的最坏响应时间是通过将其建模为整数线性规划进行求解的。 （3）对所提出的总线监护器进行了性能分析与评估工作，结果表明所提出的总线监护器能够有效地提高基于柔性时分多路访问机制的通信系统的可靠性。 （4）本论文设计并实现了基于SAE J1939总线的线控节气门控制系统。在线控节气门控制算法中引入了“可调驾驶性能”功能，可以根据驾驶员的不同驾驶需求来调整车辆对加速踏板响应的敏感度。 （5）在所开发的线控节气门控制系统中集成了车辆牵引力控制功能，进而设计出了基于FlexRay网络的线控节气门控制系统，有效地提高了车辆加速踏板的适应性