作者 |  一骥绝尘

出品 |  焉知

自动驾驶与自动冗余

自动驾驶汽车的核心是冗余设计，这是业界达成的共识。

冗余设计并不是工业领域的新名词，飞机上的冗余设计已经非常成熟。大家都知道，飞机在高空运行的过程就是自动驾驶，机长是可以出去泡咖啡的。飞机的自动驾驶是怎么保证的呢？一方面要求关键部件的可靠性足够高，另一方面则依赖于冗余设计，比如飞机装备两台发动机系统，保证在一个发动机系统故障以后另一个仍能支持飞机安全降落。冗余设计在飞机上到处可见，比如两个独立运行的主控ECU，两套独立的供电系统等等。

回到汽车上，在SAE J3016对汽车自动驾驶分级标准基础上可以进行进一步归类：

• 辅助驾驶汽车 （包含Level1 / Level2）

• 自动驾驶汽车 （包含Level3 / Level4 / Level5）

SAE J3016对汽车自动驾驶分级标准

辅助驾驶汽车和自动驾驶汽车最大的区别在于系统故障导致事故的责任方的不同：

• 对于辅助驾驶，当系统出现故障以后，只要正确向驾驶员报告了故障，接下来能否脱险全看驾驶员的水平，出了事故责任方在驾驶员，汽车厂家是没有责任的。 

• 对于自动驾驶，系统在出现故障之后，需要系统来自己操作避免事故（自动驾驶等级越高，驾驶员可以越晚介入接管甚至是完全不用接管），出了事故是汽车厂家的责任而不是驾驶员的责任。 

基于此，自动驾驶汽车也需要和和飞机一样通过冗余设计才能在解放驾驶员的同时保证出现故障时系统仍能够接管直至进入安全状态。

目前业界普遍达成一致的是支持高速自动驾驶的汽车至少需要以下冗余：

• 通讯冗余：当单一链路出现信号中断，系统可实现信息的无缝安全衔接

• 低压电源冗余；主电源失效后，备份电源能够支撑ECU完成安全降级动作

• 感知冗余：多传感器数据融合技术可以保证车辆行驶构成中精准实现物体及行人的识别，从而支持车辆时刻做出正确的控制行为

• 大脑控制器冗余：两个大脑互相监督、互为备份，主大脑故障发生时，备份大脑及时接管

• 制动冗余：主制动系统失效后，备份系统依然提供一定的制动能力来维持制动控制及制动稳定性控制

• 转向冗余；如果故障发生后的安全状态定义为继续运行而不是刹停，那么当一路转向系统故障后，备份系统需要能够支持车辆完成接下来的运行场景中的转弯工况

在高速自动驾驶汽车要求的这些冗余设计中，现阶段最成熟的当属制动冗余。最主要的原因是如今越来越多的非自动驾驶汽车都标配了可以实现制动冗余的两个大家熟知的电控产品:

• 电子稳定性控制系统ESC（Electric Stability Controller）

• 电助力系统eBooster

不同于其他冗余设计，制动冗余无需额外增加电控产品，只要在现有的ESC和eBooster基础上稍加改动即可，既简洁又省钱。这种在现有配置上通过一定改动创造出新功能的设计可以说是工程师所追求的最完美的设计，有种“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”的工业浪漫。正因如此， ESC和eBooster成为了目前市场上支持自动驾驶的冗余制动方案的黄金组合，广泛运用于主流智能驾驶车型上，如Tesla全系、蔚来全系、小鹏P7、理想ONE、长安UN-T、长城摩卡以及即将上市的极氪001等。

即将上市的极氪001搭载Bosch ESP+iBooster冗余制动系统

接下来本文将对ESC和eBooster这对黄金组合进行介绍。

什么是ESC？

说到ESC系统就不得不提博世。博世公司合作于1992年在 ABS/TCS的基础上开发了旨在解决车辆侧向稳定性问题的第一代稳定性控制系统，并命名为ESP (Electronic Stability Program) ，1995年ESP系统实现批量生产，并首次应用在奔驰S级轿车上。ESP的诞生是汽车发展史上划时代的产品，研究结果表明，ESC可以减少80%由侧滑引起的交通事故，并将严重车祸的数量减少50%。因此ESP被多家世界著名汽车厂商和研究机构称之为“能拯救生命的ESP”。

在博世之后其他厂家也陆续推出类似产品但是无法继续使用ESP这个名称，因此命名五花八门，不过都统称为电子稳定性控制系统ESC（Electric Stability Controller）。2009年欧盟强制要求从2011年11月1日起，所有在欧盟地区销售的新车都要强制装备车辆稳定控制系统，所以现在的欧洲新车都将会标配这一系统。今天在中国虽然没有强制法规要求，但是10万以上的车型几乎都搭载了ESC作为卖点。

博世第9代ESP

ESC系统通过接收方向盘转角传感器及各车轮转速传感器识别驾驶员转弯意图，并通过横摆角速度传感器识别车辆绕垂直于地面轴线方向的旋转角度及侧向加速度传感器识别车辆实际运动方向。

ESC系统的整车布置（见1）

当ESP判定车身不稳定且出现不足转向时，将制动内侧后轮，使车辆进一步沿驾驶员转弯方向偏转，从而稳定车辆；当ESP判定车身不稳定且出现过度转向时，ESP将制动外侧前轮，防止出现甩尾，并减弱过度转向趋势来稳定车辆。另外，如果单独制动某个车轮不足以稳定车辆，ESP将通过降低发动机扭矩输出的方式或制动其它车轮来满足需求。

什么是eBooster？

从汽车诞生时起，车辆制动系统在车辆安全方面就扮演着至关重要的角色。最原始的制动控制只是驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力，这时的车辆质量比较小，速度比较低，机械制动已满足车辆制动的需要。

随着汽车自质量的增加，助力装置对机械制动器来说已显得十分必要。这时，开始出现真空助力装置。1932年生产的质量为2860kg的凯迪拉克V16车四轮采用直径419.1mm的鼓式制动器，并有制动踏板控制的真空助力装置。

真空助力泵

随着科学技术的发展及汽车工业的发展，车辆制动有了新的突破，液压制动是继机械制动后的又一重大革新，发展到这一阶段又不得不提博世，作为创新技术的领导者，博世经过深入的研究开发，推出了新一代制动助力产品：智能助力器iBooster 。

博世第二代iBooster

在博世以后国内外市场上又涌现出了新的智能助力器厂家，主流的有大陆、采埃孚和中国拿森，各个厂家命名不一，但统称为eBooster。

eBooster是不依赖真空源的机电伺服机构，适用于所有动力总成，包括混动和电动车，具有多种产品优势。eBooster利用传感器感知驾驶者踩下制动踏板的力度和速度，并将信号处理之后传给电控单元，电控单元控制助力电机对应的扭距，在机电放大机构的驱动下，推动制动泵工作，从而实现电控制动，响应速度更快并且能够精准的控制压力。

另外，eBooster属于非解偶踏板系统，助力原理和真空助力器类似，因此具有最真实和自然的踏板感，驾驶员能直观的感受到制动系统的变化，例如ABS回馈力和刹车片的衰退等，减少安全隐患。相对解耦踏板系统来说，所需要的功耗更低。同时为满足驾驶感受的多样性和舒适性， eBooster还可以通过软件调节踏板感，轻松完成舒适和运动驾驶风格的随意切换。

eBooster为整车厂提供了新的解决方案，不依赖真空源，取代了传统的真空泵和真空软管，体积更小，整个制动系统重量更轻，无需消耗能量建立真空源，仅在制动时消耗电量，从而达到节能减碳的目的，更加符合未来发展趋势，因此受到了中高档车型的青睐，市场份额越来越高。

ESC和eBooster——自动驾驶冗余制动黄金组合

在自动驾驶之前，市场上就有很多新能源车型同时搭载ESC和eBooster系统，目的是使用eBooster实现更佳的回收性能。ESC和eBooster在车上共用一套液压系统，两者协调工作，原理如下：

• eBooster和ESC共用一套制动油壶、制动主缸和制动管路。

• eBooster内的助力电机产生驱动力推动主缸活塞运动，使油壶中的制动液流入主缸管路并进入ESC进液阀，经ESC中的调压阀和进液阀流入4个轮缸，从而建立起制动力。

• 当eBooster不工作时，ESC也可以独立控制制动液从主缸流入轮缸，从而建立制动力。

• eBooster建压的动态响应速度比ESC主动建压更快，且NVH表现更好，因此eBooster是制动控制系统中的主执行机构。
  

eBooster和ESC的制动组合

其实在自动驾驶开发热门起来之前，ESC和eBooster就已经“强强联合”创造出了一些新的功能，HBC（Hydraulic Brake Failure Compensation）功能就是其中之一。根据法规要求，对于舒适性制动系统，需要满足在驾驶员踩出500N的制动力时系统能够提供不小于6.43m/s²的减速度。在eBooster和ESP的组合中，当eBooster出现故障无法继续提供助力时，要求ESP能够及时接管并通过主动建压的方式实现上述要求，这就是HBC功能的基本原理。

HBC功能系统架构

自动驾驶对制动系统提出了更高的要求，这也给了ESC和eBooster更大的“舞台”去展示两者组合的优势。

自动驾驶要求制动系统除了有当前制动系统的正常状态下的能力之外， 还要有故障快速侦测能力、执行机构的自检能力、故障发生时执行机构的快速选择能力，要求车辆具有纵向稳定性冗余、可转向性（防抱死）冗余，还有车辆的减速冗余。这就需要车辆有两套制动系统，具有额外的监控功能，冗余的模式控制和纵向稳定性控制。

基于eBooster和ESC系统组合开发的支持自动驾驶的冗余制动系统，电子电器架构需要两个独立的供电系统，冗余的通信网络和冗余的上层控制单元。比如长城咖啡智驾选择的博世ESP+iBooster制动冗余组合其系统架构如下图左所示，ESP和iBooster分别连接一套相互独立的供电系统，且冗余上层控制单元分别控制ESP和iBooster。

长城咖啡智驾选择博世ESP+iBooster制动冗余组合

ESC和eBooster均能在整个减速范围内独立的对车辆进行制动。考虑到eBooster建压的动态响应速度比ESC主动建压更快，且NVH表现更好，因此eBooster是冗余制动系统中的主执行机构。这对黄金组合的控制和接管策略可以总结如下（不唯一，根据上层控制单元的控制策略可能有调整）：

场景	制动执行控制器
无故障	eBooster
上层主控制单元故障	ESC
上层备份控制单元故障	eBooster
主网络故障	ESC
备份网络故障	eBooster
ESC故障	eBooster
eBooster故障	ESC

总结

本文对目前市场上主流的自动驾驶冗余制动的黄金组合——ESC和eBooster展开了介绍，分别介绍了ESC和iBooster的工作原理以及两者如何“强强联合”创造出新的功能。无论是从产品性能的角度还是成本的角度，这套组合目前是自动驾驶冗余制动方案的最优解。