论文题目：面向自动驾驶的车辆线控制动系统功能安全研究
摘要：近年来,随着车辆的电动化、网联化、智能化、共享化的普及程度日益升高,自动驾驶车辆技术也蓬勃发展。相较于传统车辆,取消了驾驶员操控的自动驾驶车辆需要具备更严格的安全等级,电子电气部件的增加使得自动驾驶车辆的集成度越来越高,电气架构也更加复杂。当自动驾驶车辆存在设计缺陷时,可能会酿成严重的安全事故,同时还浪费了大量的人力、物力和财力,削弱了民众对自动驾驶技术的信心。线控制动系统作为底盘综合控制系统的核心之一,是实现自动驾驶车辆制动操作的底层基础,它取消了传统制动系统中一些复杂的液压管路,而由部分电子元器件和电气执行机构代替,布置简单,开发成本低。自动驾驶车辆通过传感器接收外界信息,自动驾驶计算单元计算制动系统所需要的制动强度,由制动控制器直接向执行机构发送指令实现制动操作。当线控制动系统发生电子电气故障时,可能会导致整个系统发生失效,从而给交通参与者带来不可预估的风险。因此,如何在设计阶段就将线控制动系统的潜在危险识别出来,设计可靠的安全策略来避免危害的发生成为了当下研究的重点。ISO 26262功能安全标准是当下使用最广泛的车辆设计准则之一,它的提出为车辆电子电气系统的功能安全开发提供了指导,与安全相关的车辆电气系统需遵循该设计标准,以将失效风险降低到合理的范围内。本课题参考ISO 26262功能安全标准,对自动驾驶车辆下的线控制动系统展开了研究,以提升线控制动系统的安全性,具体的研究内容如下:（1）进行线控制动系统的功能安全概念设计。依据功能安全标准的第三部分概念阶段内容,首先确定系统的功能相关项与系统应用范围,再采用危害分析手段,对系统进行危害分析和风险评估。危害分析和风险评估主要采用了HAZOP（危害可操作性分析）和STPA（系统理论过程分析）两种分析方法,先确定车辆的驾驶模式和运行场景,再通过HAZOP中安全关键引导词识别可能导致的系统失效。在此基础上,基于STPA方法建立线控制动系统的控制结构,识别内部组件之间存在的不安全控制行为,并分析不安全控制行为存在的致因。最后,依据不安全的组件交互会导致的危害事件,根据S,E,C三个评价指标进行ASIL等级分类,确立线控制动系统的安全目标和功能安全要求。（2）进行线控制动系统控制器的功能安全设计。为满足相应的功能安全需求,需要对制动控制器进行安全机制的设计和监控策略的开发,主要包含的功能安全监控策略有:MCU冗余校验功能安全策略,通过主辅MCU的协同控制提高故障的容错能力;CAN通信故障的监控策略,针对节点短路、短路故障,节点收发器故障以及数据链路层故障进行了探索;信号调理模块监控策略,针对压力传感器失效和ADC模块故障,设计了相关检测机制和故障处理措施;电磁阀驱动模块故障,依据电磁阀驱动芯片的驱动反馈状态,设计驱动模块的故障检测算法,完成功能安全的设计。（3）基于小波包分解和BP神经网络的高速开关电磁阀故障诊断。高速开关电磁阀作为线控制动系统执行机构的核心电气部件,功能安全的设计思想是建立实时性高、诊断能力强的故障诊断策略。首先从电磁阀的工作原理出发,分析电磁阀的失效机理和故障模式,根据电磁阀工作阶段包含的磁路模型,电路模型以及运动模型,建立Matlab/Simulink仿真平台。结合电磁阀工作过程的仿真模型,通过改变电磁阀性能参数来模拟电磁阀常见的故障种类。在分析电磁阀瞬态响应特性的基础上,提取驱动端电流变化率作为故障诊断的原始数据。通过三层小波包分解技术,将重构信号的能量特征向量归一化,并作为故障诊断的输入。最后开展基于BP神经网络的故障诊断算法研究,选定输入、输出神经元个数和激励函数,建立最终的三层神经网络拓扑结构,完成数据样本的训练和测试,诊断结果显示,该故障诊断算法能够达到较高的诊断正确率,证明高速开关电磁阀的功能安全监测机制可行。
关键词：自动驾驶;线控制动系统;功能安全;故障诊断;BP神经网络
学科专业：车辆工程（专业学位）
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 汽车功能安全标准概述
1.1.1 功能安全背景
1.1.2 功能安全概念与汽车功能安全标准来源
1.1.3 ISO26262功能安全标准介绍
1.2 功能安全标准研究应用现状
1.2.1 功能安全国外研究现状
1.2.2 功能安全国内研究现状
1.2.3 功能安全发展趋势
1.3 论文研究意义和主要内容
1.3.1 研究意义
1.3.2 主要研究内容
第2章 线控制动系统的功能安全概念设计
2.1 线控制动系统定义
2.1.1 功能概念定义
2.1.2 线控制动系统工作原理
2.1.3 线控制动系统组成
2.2 基于HAZOP与STPA的危害分析和风险评估
2.2.1 整车级危害的HAZOP分析
2.2.2 系统理论过程分析方法STPA介绍
2.2.3 线控制动系统的STPA危害识别
2.2.4 线控制动系统功能安全ASIL等级评估
2.3 线控制动系统功能安全概念
2.4 本章小结
第3章 线控制动系统控制器功能安全设计
3.1 MCU冗余校验安全监控策略
3.1.1 处理单元架构的选择
3.1.2 制动控制器硬件设计
3.1.3 MCU监控策略
3.2 通信系统功能安全监控策略
3.2.1 通信系统功能分析
3.2.2 CAN通信电路设计
3.2.3 CAN通信故障检测及处理机制
3.3 信号调理功能安全监控策略
3.3.1 信号调理功能分析
3.3.2 AD模块硬件电路设计
3.3.3 信号调理监控策略与故障处理
3.4 电磁阀驱动模块功能安全监控策略
3.4.1 电磁阀驱动电路设计
3.4.2 电磁阀故障检测与处理机制
3.5 本章小结
第4章 高速开关电磁阀的模型搭建与故障特征提取
4.1 电磁阀的故障与失效机理分析
4.1.1 电磁阀故障诊断方法现状
4.2 高速开关电磁阀数学模型与Simulink仿真平台搭建
4.2.1 高速开关电磁阀工作原理
4.2.2 高速开关电磁阀瞬态特性数学模型
4.2.3 高速开关电磁阀仿真模型
4.3 基于小波包分解的电磁阀故障特征量提取
4.3.1 电磁阀故障模拟与数据采集
4.3.2 小波包分解提取故障特征
4.4 本章小结
第5章 基于BP神经网络的电磁阀故障诊断
5.1 BP神经网络的理论基础
5.1.1 BP神经网络的网络结构
5.1.2 BP神经网络的算法流程
5.2 电磁阀故障识别的BP神经网络模型
5.2.1 BP神经网络模型的建立
5.2.2 BP神经网络的训练测试及故障诊断
5.2.3 电磁阀故障诊断效果评估
5.3 本章小结
第6章 全文总结与展望
6.1 全文总结
6.2 研究展望
参考文献
致谢