通过数字化集成实现更智能的底盘开发

舒适、经济还是灵活、动感？这个问题对 于如今的底盘系统设计来说没有任何意义，因为现 代化汽车应该能同时满足上述所有要求。为此，底 盘研发人员必须找到合适的调校组合，使车辆获得 所需的操控特性。随着参数和控制变量的增多，新 车在进入批量生产之前，有时甚至需要完成数百万 公里的测试。

此外，电子控制功能、驾驶辅助系统和自动驾 驶功能在不断增多，车辆中的电子系统互联也在不 断发展进步。“这些因素的增加，导致研发工作量 不断加大，而与此同时，可用于应用和验证的时间 却越来越少。”保时捷工程公司底盘系统部门负责 人伊娃-维瑞娜·齐根说，“传统的工作方法涉及大量研发循环，而我们在时间和成本方面的控制也越 发接近极限。”

为了能继续高效地实现全新底盘功能的集成， 保时捷工程公司开始不断引入先进的数字化研发方 法。第一步便是让原型车在测试车道上进行自动试 驾。“如果试驾会对测试驾驶员带来较大的身体压 力，我们就会转而用驾驶动态控制器来控制车辆。” 保时捷工程公司底盘测试部门负责人马丁·莱辛奈 克解释说，“作为项目的一部分，我们正在研发一种 基于模型的纵向和横向动态控制系统，专门用于自 动试驾。”

在进行系列测试的准备工作时，试驾员首先需 要在测试车道上行驶，在此期间会记录比如速度和 加速度等车辆数据以及 GPS 数据。在接下来的试驾 过程中，这个参考轨道就会规定驾驶动态控制器的 行驶路径。“在试驾过程中，系统会超前大约一秒 钟的时间进行预判，并根据车辆的当前位置、速度 和方向预测需要如何调整转向系统以及制动和油 门踏板，以使车辆保持在指定轨道上行驶。”保时 捷工程公司底盘系统开发工程师法比安·普费茨解 释说。这正是与传统的、并非基于模型的驾驶动态 控制器之间的决定性区别，传统控制器只能补偿控 制误差，而不能超前计算车辆控制。

在未来，这种控制器也将能够自动进行高动 态、高要求的驾驶测试。这样的驾驶控制会有很高 的要求，因为转向和制动指令的反应时间非常短。 “ 我们目前正在优化驾驶动态控制器的编程，以便 日后能够执行这样的任务。为此，我们采用人工智 能方法来加强预测能力，从而提高控制器的准确 性。”普费茨说。

比如在耐力测试中，就可以充分体现出自动驾 驶测试的优势所在。在进行耐力测试时，测试驾驶 员需要长期承受较高的身体负荷，因为他们需要在 例如糟糕的路面条件下完成指定的驾驶操作。“目 前，我们在基于模型的驾驶动态控制系统研发工作 方面已经取得了重大进展，这套系统可能很快就能 在客户委托研发项目中进行耐力测试。”保时捷工 程的博士生麦克斯·舍费尔解释说。基于模型的驾 驶动态控制器在未来会有众多的应用可能，比如在 纳尔德奥技术中心（NTC）的测试跑道上进行自动 的高动态驾驶测试。

在真实的驾驶测试中，无论是由测试驾驶员试 驾还是采用自动驾驶系统，都会遇到成本高、时间 长以及是否有测试车辆可供测试等重大挑战。特 别是在车辆研发的早期阶段，往往缺乏或只有极少 量的原型车可供使用。因此，在对底盘研发工作进一 步进行数字化的过程中，保时捷工程目前正越来越 多地将车辆测试从路面转移到测试台上。

保时捷工程过去已经在测试台上测试和应用了 个别的辅助或驾驶动态控制功能。但这些孤立的解 决方案并没有考虑到整车中各个系统之间的相互影 响。“这可能会导致相互干扰，这种干扰只有在下游 的驾驶测试中才会显现出来，然后就需要付出极大的代价进行纠正。”保时捷工程公司驾驶动态仿真 研发工程师蒂姆·赖特解释说，“我们现在已经开 发了一种测试台设计，能将各种功能和系统整合到 一个虚拟的整车中，并在一个闭环控制系统中运行。 就像在真实车辆中一样，电子控制单元可通过数据 总线相互通信。这样，我们就很容易能发现问题并 进行补救。”

保时捷工程这一解决方案的特殊之处在于， 能够实时呈现真实的行驶特性。例如在测试过程 中，当车道偏离警告系统干预转向系统时，驾驶员 会在方向盘上直接感受到这些力的作用，就像在真 实汽车内部一样。另外一个例子就是稳定程序的影 响。在这一方面，驾驶员可以通过模拟屏幕直观感 受到动态的变化。“只有这样，测试才够真实，这也 是虚拟应用的前提条件，其中的各项功能都是为驾 驶员量身定做的。”赖特说。

配备摄像头的测试车辆会提前记录各种测试 场景，或者也可以直接在计算机上创建。虚拟环境 可以细化到每一个细节，因此驾驶员几乎不会注意 到模拟测试台与现实的区别。由于虚拟的交通场景 可根据需要进行配置，因此可以创建各种不同的场 景变化，例如有无迎面而来的车辆，或者白天和夜 间驾驶。“但最主要的优势在于，我们可以通过计 算机生成可能遇到的危险行驶条件，并在驾驶模拟 器中重现这些条件，而不会给测试驾驶员带来任何安全风险，例如在湿滑道路上以极高的行驶速度进 行避让操作。”赖特说。

今后，保时捷工程公司将通过在模拟测试台上 进行测试来评估车载电子系统和功能的安全性。在 这些测试中，技术人员会故意制造车载电子设备故 障。然后，测试台上的驾驶员就可以评估这些故障 对车辆功能的影响。故障分类是根据汽车安全完 整性等级（ASIL）的国际标准化分类进行的。“情 况越难控制，故障导致的后果越严重，发生的频率越高，安全要求就越高。”赖特说。“目前，我们已经 在上海基地成功应用了适用于整车应用和验证的 模拟测试台。”赖特补充道。位于门斯海姆（Mönsheim） 、罗马尼亚克卢日- 纳波卡（Cluj-Napoca） 以及布拉格的研发部门目前也计划建设类似的 测试设施。

保时捷工程公司正在向全面数字化的研发链迈 进，该公司所采用的数字化方法的应用和验证，已 经完全能以虚拟方式进行了。“为了能全面应用和 验证高度自动化的驾驶功能，我们理论上必须要对 驾驶时会发生的所有交通场景进行无数次模拟，并 采用不同的应用参数进行测试。在未来，只有通过 虚拟集成等方法扩展传统方法，我们才有可能以可 接受的代价完成这一工作。”保时捷工程的博士生 莫里茨·马可夫斯基解释说。

在一个研发项目中，他主要研究为驾驶辅助系 统和高度自动化的驾驶功能构建一个模块化的虚拟 集成架构。其基本框架由多个基础模块组成，比如 用于测试案例的创建、仿真和评估。这些模块与需 要测试的驾驶功能无关。在不同的研发项目中，这 个基本框架还可以通过可更换的模块进行扩展，以 适应待测试系统的架构。这就使这种全新的方法具 备了高度的灵活性，一方面能涵盖发展的广度，另一方面能满足未来的要求（尽管这些要求的详情目前 还是未知数）。

新方法的另一个特点是，在创建测试案例和执 行虚拟道路测试方面的高度自动化。集成架构可以 根据场景、应用和评估参数自动生成测试案例。例 如，通过自适应巡航控制系统（ACC），可以在不同 的变道切入场景下对舒适性和安全性进行评估。这 样就可以先优化应用数据集，然后在大量不同场景 下进行验证，并且全部以全自动方式进行。

在模块式概念的研发过程中遇到的一项挑战 就是如何定义和设计软件模块之间的接口。“我们 的解决方案在选择和定义模块方面为我们提供了 极大的自由。在保时捷工程公司，有许多同事正在 研究开发和验证高度自动化驾驶功能的创新方法。 模块化方法帮助我们能够轻松有效地进行整合。” 马可夫斯基说。比如，中央保时捷工程虚拟 ADAS 测试中心（PEVATeC）可以提供仿真环境、虚拟测 试场景以及车道模型。

目前，研发人员正通过概念验证研究（proof of concept study）对新研发方法的性能进行密集的测 试。当然，研发人员还有其他优化考量。在未来，这 套系统将可以在人工智能的帮助下，有针对性地应 用高度自动化的驾驶功能或搜索关键的测试案例。 “ 使用人工智能后，就可以根据应用和场景参数有 效地推导出相关的测试案例。”马可夫斯基说。

保时捷工程公司在底盘 研发领域另辟蹊径，以控 制未来的研发成本。模型 预测控制使自动化测试 成为可能，仿真测试也 正在逐步取代真实的驾 驶测试。驾驶辅助系统 的虚拟应用和验证为传 统集成方法提供了补充， 并降低了研发成本。

本文首次发表于《保时捷工程杂志》2022年第2期。

作者：Richard Backhaus
摄影：Annette Cardinale

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