自动驾驶漫谈之三:商业车辆的无人驾驶

佐思产研
2017/7/13 16:05:37

相对于乘用车,商业车辆尤其是长途货车在无人驾驶领域需求更为迫切。在欧美发达国家,卡车司机的年龄出现断层,年轻司机的数量储备不足。在多数人的印象中,卡车司机是一个既辛苦又枯燥的职业,需要面对无尽的高速路,忍受难耐的寂寞。年轻人生性好动,因此往往对于这个职业望而却步。美国商用卡车司机的平均年龄为55岁,而且每年还在上升,到2015年年底,美国货运业短缺卡车司机5万名,该数字相比2014年的3.8万,增长了30%。到2016年这个缺口达到7万。


按照目前的成本计算,从洛杉矶到纽约运输一卡车货物的费用约为4500美元,人工成本约占75%。不过,无人驾驶卡车不仅能节省人工成本,还可以提高效率。根据法律规定,卡车司机必须定期休息,而无人驾驶汽车几乎可以不停行驶。照此计算,这项技术可以将美国的公路运输能力扩大一倍,但成本却仅为原先的25%。如果从燃油效率的角度来考虑,实际节约的成本还会更多。卡车的经济时速约为45英里(约72公里),但由于卡车司机是按照里程获得工资的,因此他们的驾驶速度远高于经济时速。而当卡车一辆接一辆地首尾相连在高速公路上行驶时,则会进一步提升燃油经济性。无人驾驶长途货车还可以大幅提升道路安全性。2016年全美死于与卡车相关的交通事故的人数,预计将超过过去45年所有空难死亡人数的总和。与此同时,卡车司机的死亡人数也达到835人,高于美国任何一项职业。无人驾驶对环保也会有比较好的推动,超载或长期占据超车道的可能性也大大降低,有利于整体道路安全。


在中国,2012年,全国道路交通事故的万车事故率大约是万分之15,而货车的万车事故率要高出30%,是万分之19.58。这个数字意味着:平均一万辆货车,一年中会闯19.58次祸。据统计,在2008到2012年间,营运货车以全国机动车7.8%的保有量,制造了27.7%的致命交通事故。而且在一次死亡10人以上的重大道路交通事故中包揽了15.8%的肇事比例。


再看货车事故的危险程度。还是上面那个统计,货车事故的致死率,是0.32,也就是说,平均三场事故,就会导致一次死亡。这个数字,比全国道路交通事故致死率高出52%。在肇事的货车中,重型货车又是最致命的。它们导致的死亡人数,占货车事故死亡总数的57.4%,而轻型货车只占13.7%。


当然,失业问题也需要考虑,可以考虑只在高速公路上无人驾驶,高速公路下仍然采用有人驾驶,长途货车通常有多名司机,或者可以减少到一名司机。


无人驾驶商业车辆和乘用车一样也是分为感知、决策和执行三大系统。商业车辆主要行驶在高速公路上,决策系统可以相对乘用车简化很多。感知系统则差不多,高速公路是没有路灯的,且货车可能整晚都在行驶,因此激光雷达是必须的。即使乘用车如果考虑夜晚行驶,激光雷达也是必须的,图像传感器的原理决定图像传感器不可能在低照度情况下顺利工作,无论人工智能或深度学习怎么发展都无法弥补这个缺陷。


相对于乘用车,商业车辆的无人驾驶有三个不同,同时也是三个难点,分别是变速箱、制动系统和转向系统。


首先说变速箱,自动驾驶自然需要自动档变速箱,这在乘用车上没有任何和难度,但在商用车上则有难度。商用车辆通常只有80万人民币以上的车辆才配备有自动变速箱,并且要命的是这种自动变速箱多是AMT变速箱。大家都知道AMT变速箱是在现手动变速器上进行改造的,保留了绝大部分原总成部件,只改变其中手动操作系统的换档杆部分,驾驶员通过加速踏板和操纵杆向电子控制单元(ECU)传递控制信号。电子控制单元采集发动机转速传感器、车速传感器等信号,时刻掌握着车辆的行驶状态。电子控制单元(ECU)根据这些信号按存储于其中的最佳程序,最佳换档规律、离合器模糊控制规律、发动机供油自适应调节规律等,对发动机供油、离合器的分离与结合、变速器换档三者的动作与时序实现最佳匹配。无人驾驶的话需要重新设计变速箱部分,让变速箱能够知道车速背后的意义,这需要设计一套车速与换挡的程序,这就离不开变速箱厂家的参与,而单独设计一套变速箱的成本极高,也很费时间。AMT的缺点也很明显,动力输出有间断,顿挫感非常明显。


除了AMT,AT采用液力变矩器和行星齿轮,很难做到10档位以上,且结构复杂,成本极高,采用AT的货车价格大约在150万人民币以上。 法士特有6和8AT,Allison则有10AT。沃尔沃则有双离合的I-SHIFT自动变速箱,但是和乘用车的双离合自动变速箱一样,干式和湿式对可靠性的质疑一直存在。早期的SCANIA,虽然采用自动变速箱,依然有离合器踏板,就是为了低速和倒车场合设计的。


车本身的价格就很高了,加上自动驾驶部分,价格就更高了,这也是无人驾驶商业车辆的第一个难点或者说困扰之处。需要指出,欧美的商业车辆特别是德国大部分都采用自动档。而国内非常罕见。国内车都普遍超载,这可能导致变速箱可靠性降低,故障率高。


商业车辆的制动系统



商业车辆重量超过8吨的一般都采用气压制动,中大型商业车辆全部都是气压制动,液压管路太长很容易出现问题。


由发动机驱动的空气压缩机将压缩空气经单向阀首先输入湿储气罐,压缩空气在湿输气管内冷却、并进行油水分离之后,分成两个回路:一个回路经储气筒、双腔制动阀的中腔通向后制动气室;另一个回路经储气筒、双腔制动阀的下腔通往前制动气室。当其中一个回路发生故障失效时,另一个回路仍能继续工作,以保证汽车具有一定的制动能力,从而提高了汽车行驶的安全性。当踏下制动踏板,拉杆拉动制动控制阀(Foot Valve)使之工作,前、后储气筒的压缩空气便分别通过制动控制阀的两个腔调节后,进入前、后轮制动气室,使前、后轮制动。与此同时,通过前、后制动回路之间并联的双通单向阀接挂车制动控制阀,将湿储气筒与通向挂车的通路切断,使挂车进行放气制动。


气压制动系统的组成部件较多,管路复杂,为了说明气压制动的工作原理,在此先介绍气压制动系统的基本组成:由空气压机,储气筒、制动控制阀和制动气室等组成。


(1)空气压缩机:空气压缩机由发动机通过皮带驱动,产生压缩空气,向储气筒充气。


(2)储气筒:储存空气压缩机产生的气体,在制动时提供足够的压缩空气。


(3)制动控制阀:在气压制动中,驾驶员踩制动踏板时控制的是制动控制阀,由制动控制阀控制进入制动气室的气压。


(4)制动气室:制动气室安装在车轮制动器旁,当压缩空气进入制动气室时,推动制动气室的膜片移动,从而控制车轮制动器实现制动。


(5)车轮制动器:所有国产汽车及部分外国汽车的气压制动系统中,都采用凸轮促动的车轮制动器,而且大多设计成领从蹄式。制动时,制动调整臂在制动气室的推杆作用下,带动凸轮轴转动,使得两制动蹄压靠到制动鼓上而制动。由于凸轮轮廓的中心对称性及两蹄结构和安装的轴对称性,凸轮转动所引起的两蹄上相应点的位移必然相等。


表面上看,商业车辆的制动系统更容易实现线控,只要用电磁阀代替制动控制阀(FootValve)就行了。实际上没那么简单,气压制动系统有天然的缺陷,那就是反应时间长,有滞后效应,考虑到挂车的话,踏下刹车踏板,大约需要900-1200毫秒,制动系统才开始发挥作用,不考虑挂车的话,也需要500-800毫秒。用电磁阀代替制动控制阀(Foot Valve)是无法精确控制刹车力度的,一旦刹车就是重刹,气压制动系统本身就难以精确控制刹车力度。


重刹之下,很容易出现侧翻,特别是转弯时,即使轻踩刹车也容易侧翻,很多货车司机干脆就不踩刹车,因为首先踩了也不一定刹得住,滞后时间最长可达1秒,时速80公里以上20吨的货车刹车距离可能会超过200米,40吨以上的满载货车可能超过1000米。其次,踩了刹车容易侧翻。大货车载重行驶的时候,如果全力刹车,装载的货物会因为惯性冲到前面,甚至压扁车头,或者把驾驶舱连铁皮带司机平推掉。而半挂牵引车更危险,如果它的前轮制动能力比较好,跟后轮刹车有时差,车头减速了,车厢还在往前跑,车头跟车厢搞不好会“折叠”在一起,还很容易侧翻。很多司机出于安全考虑,就把前轮的制动取消了。这个已经成了业内的潜规则。


汽车的行驶状态变化,包括侧翻,都可以用重心转移来解释。车辆在静止或匀速行驶的状态下,重心是固定的,而加速、减速、转向等状态,都会使车辆重心转移。简单来说,加速时重心后移,减速时重心前移。而重心转移带来的是各轴的负重、悬架状态等发生变化。


就两轴载货单车而言,刹车后重心前移,转向时附着力便会集中在外侧前轮,车身稳定性大幅降低,并产生侧倾的趋向。如果车辆侧倾的趋势不强,仍然在可控状态下,这时候可以修正方向,通过释放制动,甚至补油,来使重心后移,让车身回到稳定状态。而对于挂车或其他多轴车辆,车身状态就更为复杂了。


因此自动驾驶商业车辆必须采取措施应对侧翻。目前主要有三种技术,一种是添加ESC,第二种是添加主动悬挂,第三是采用电动液压助力转向。



ESC原理和乘用车的ESP(ESC)完全一致,只是液压改为气压。ESC的前提是要配备电子刹车系统(EBS )。全球目前只有两家能够提供成熟的EBS,分别是威伯科和克诺尔,价格自然居高不下。EBS是在ABS基础上扩展而来的,ABS在中国部分商业车辆是强制安装的,因此国内也有一些ABS厂家,目前国内有大约十家气压 ABS 生产企业,主要有广州科密、重庆聚能、浙江万安、正昌电子、浙江瑞立、东风制动、和焦作制动器等。


2013 年,我国气压 ABS 产量接近 10 万套。在众多气压 ABS 生产企业中只有中国 WABCO、浙江万安、正昌电子、广州科密具有年产万套以上的规模,其他企业年产量不足千套,处于小批量生产状态。比较有市场影响力和综合实力的公司有浙江万安、广州科密,其中广州科密在客车市场占有明显优势,而正昌电子因为介入客车市场较晚,则在重卡、军车和挂车领域有不可替代的优势。浙江万安则控制着中国一汽市场,而东风电子则拥有二汽东风的市场。


商用车的主动悬挂技术以ZF的CDC最为典型,CDC全称为Continuous Damping Control,意为连续减震阻尼控制,是一种半主动悬架系统。在车辆行驶过程中,同样通过车身上传感器接收各项数据,通过电脑计算后,激活控制悬架阻尼,改变悬架刚性。当计算到车辆处于侧翻风险时,悬架阻尼改变,产生的力将与横向力形成相反的力矩,保持车身稳定,这实际上也是控制车辆重心转移达到的效果。顺便说下,轿车上也可以用CDC。



单一种技术效果不够明显,例如ESC要求侧倾角传感器必须安装在车辆重心位置,而重载车辆的重心位置不是固定的(除非只拉一种货物,且每次数量一致,摆放一致,这在国内绝对做不到),高档车辆通常是三项技术都使用。这样的货车售价极高,大约240-330万人民币。


乘用车领域已经大量采用了电动助力转向,这就容易改造为无人驾驶。而商用车领域,电动助力转向非常罕见,我们知道电子助力转向分为电机式和液压式,乘用车中电机式已经是主流,但在商用车上,电机式电动助力转向还没有商业化产品出现,液压式已经是凤毛麟角,绝大多数还是纯液压助力转向。



与乘用车转向机不同,商用车辆采用的是如上图的循环球模式转向机。所谓的循环球指的就是这些小钢球,它们被放置于螺母与螺杆之间的密闭管路内,起到将螺母螺杆之间的滑动摩擦转变为阻力较小的滚动摩擦的作用,当与方向盘转向管柱固定到一起的螺杆转动起来后,螺杆推动螺母上下运动,螺母在通过齿轮来驱动转向摇臂往复摇动从而实现转向。在这个过程当中,那些小钢球就在密闭的管路内循环往复的滚动,所以这种转向器就被称为循环球式转向器。相比齿轮齿条式转向器,循环球式转向器由于更多依靠滚动摩擦,所以具有较高的传动效率,操纵起来比较轻便舒适,机械部件的磨损较小,使用寿命相对较长。目前有少数硬派越野车转向还是采用循环球模式。


循环球式体积大,加上商业车辆自重大,轴负荷大,如果采用电机助力转向,需要很大功率的高转速电机,这种电机成本高且体积大,所以电机式电动助力转向还没有商业化产品出现,现在最先进的是电机助力驱动液压转向,以博世的Servotwin和沃尔沃的Dynamic Steering最为常见。沃尔沃的Dynamic Steering曾经演示过用一只仓鼠的力度都能够将一辆自重大约15吨的车开上山顶。


基本上要将商业车辆改装为无人驾驶,必须选择具备博世的Servotwin和沃尔沃的Dynamic Steering的车,国内最常见的具备Dynamic Steering的车是FM460,大约95万人民币的售价。之外还要具备EBS和双离合自动变速箱。国内只有沃尔沃FH16顶配车型具备这些配置,价格大约要180万,不过即便如此仍然不够,最好再增加ESC和主动悬挂。主动悬挂很难加装,ESC还是可以加装的,沃尔沃FH16可能采用了克诺尔的EBS系统,在此基础上增加ESC的硬件成本花不了多钱,但是国内克诺尔的服务点比较少,ESC的标定复杂繁琐,需要数月的时间。当然了,你也可以不加ESC(万一演示的时候侧翻可就不好了),但EBS的通讯协议仍然需要克诺尔支持。


总之,无论是商业车辆还是乘用车,实际执行器才是瓶颈和门槛所在。严格地说,气压制动反应速度太慢,做无人驾驶不是太适合,但人类目前还没有更好的制动系统,只能凑合用了。此外,执行器都被少数厂家垄断,特别在中国和欧美,转向方面,博世是无法绕开的;刹车执行器方面,乘用车的博世、大陆和ZF,商用车的克诺尔和威伯科都是无法绕开的,这些企业基本不会开放自己的通讯接口协议,并且这些企业的自动驾驶领域布局非常完整。因此商业车的自动驾驶,对于初创企业而言难度极大。


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