4. 纵向控制基本概念
纵向控制是自动驾驶与高级驾驶辅助系统中最贴近车辆物理执行的一环。速度规划给出的是“期望多快、何时减速”的轨迹，而纵向控制要回答的是“此刻踩多少油门、施加多少制动、什么时候切换”。它把抽象的加速度指令翻译成油门开度、制动压力或电机扭矩，并通过反馈不断修正。理解油门/刹车控制、驱动/制动切换、执行器延迟、控制周期与跟踪误差这五个概念，是打通规划与控制协同的关键。
一、核心原理：从期望加速度到执行器指令
纵向控制通常采用分层结构。上层是加速度控制器，输入是期望速度或期望加速度，输出是期望加速度指令；下层是执行器控制，把期望加速度映射为油门开度或制动压力。两者之间通过车辆纵向动力学模型连接：驱动力减去阻力等于质量乘以加速度。
油门控制的核心是扭矩或功率请求。对于燃油车，油门开度影响发动机扭矩，再经传动系统放大为轮上驱动力；对于电动车，加速踏板直接请求电机扭矩，响应更快、更线性。刹车控制则通过制动压力产生制动力，通常由液压系统或电子稳定程序执行。由于制动只能减速、油门只能加速，二者在物理上不可同时有效，因此需要驱动/制动切换逻辑。
二、驱动/制动切换：避免“边踩油门边刹车”
驱动与制动切换是纵向控制中最容易产生抖动和顿挫的环节。理想情况下，当期望加速度为正时使用驱动，为负时使用制动，接近零时进入滑行。但真实系统存在死区、迟滞和标定边界，如果切换过于敏感，会在零点附近反复切换，造成车辆耸动和乘坐不适。
工程上常用三种策略：一是设置切换死区，在期望加速度接近零的区间内既不驱动也不制动，让车辆自然滑行；二是引入迟滞，驱动转制动的阈值与制动转驱动的阈值不同，避免边界抖动；三是对切换过程做速率限制和滤波，使执行器指令平滑过渡。切换逻辑还要考虑执行器能力：低速时制动扭矩可能不足，高速时驱动扭矩可能受限，因此仲裁模块需要结合车速、挡位和电池状态。
三、执行器延迟：控制中最难补偿的“时间债”
执行器延迟包括信号传输延迟、控制器计算延迟、执行器机械响应延迟和车辆动力学延迟。油门从发出指令到扭矩真正建立，通常有几十毫秒到数百毫秒；制动从建压到减速度建立，可能更长。延迟会降低相位裕度，使闭环系统容易超调或振荡。
补偿延迟的常见方法有三种。第一是前馈补偿，根据期望加速度提前给出指令，用模型预测执行器未来响应；第二是状态反馈，用实际加速度与期望加速度的偏差修正指令；第三是史密斯预估器或模型预测控制，在控制器内部模拟延迟环节，提前“预判”车辆状态。实际工程中往往组合使用，并在不同车速和工况下分别标定。
四、控制周期与跟踪误差：快慢之间的权衡
控制周期决定控制器多久计算一次并下发指令。周期越短，响应越快，但计算负担和通信负担越大；周期越长，系统越容易错过快速变化的工况，跟踪误差增大。常见的纵向控制周期在 10 ms 到 50 ms 之间，制动控制往往要求更短周期，因为制动响应直接影响安全。
跟踪误差是衡量纵向控制性能的核心指标，通常包括速度误差、加速度误差和距离误差。速度误差反映稳态精度，加速度误差反映动态跟随能力，距离误差则直接关系到跟车安全。误差来源包括模型失配、执行器延迟、传感器噪声、路面坡度和载荷变化。控制器的目标不是把误差压到零，而是在舒适性、响应速度和执行器寿命之间取得平衡。
| 概念 | 物理含义 | 典型参数/范围 | 对跟踪误差的影响 |
|---|---|---|---|
| 油门控制 | 请求发动机或电机扭矩 | 开度 0%～100%，扭矩响应 50～200 ms | 扭矩非线性导致加速误差 |
| 刹车控制 | 请求制动压力产生减速度 | 压力 0～100 bar，建压 100～300 ms | 建压延迟导致减速滞后 |
| 驱动/制动切换 | 仲裁加速与减速指令 | 死区 ±0.1～0.3 m/s²，迟滞 0.05～0.2 m/s² | 切换抖动引起加速度波动 |
| 执行器延迟 | 指令到实际响应的时延 | 总延迟 100～500 ms | 降低相位裕度，易超调 |
| 控制周期 | 控制器计算与下发间隔 | 10～50 ms | 周期过长导致响应滞后 |
| 跟踪误差 | 实际与期望的偏差 | 速度误差 <0.5 m/s，加速度误差 <0.2 m/s² | 综合反映控制性能 |
五、案例场景：跟车工况下的纵向控制
假设车辆以 60 km/h 跟随前车，前车突然减速到 40 km/h。速度规划模块给出期望减速度 -2 m/s²。加速度控制器计算出制动压力请求，仲裁模块判断需要制动，执行器开始建压。由于建压延迟约 200 ms，车辆实际减速度在 200 ms 后才达到目标值，这段时间内车辆多走了约 1.1 米。如果控制周期为 50 ms，控制器在这 200 ms 内只能下发 4 次指令，响应粒度较粗；若周期缩短到 10 ms，则可下发 20 次指令，跟踪更细腻。
这个案例说明，执行器延迟和控制周期共同决定了纵向控制的“时间分辨率”。延迟越大，越需要前馈和预测补偿；周期越长，越需要平滑滤波和速率限制。两者不能孤立优化，必须与跟踪误差指标一起权衡。
六、常见误区与复盘
- 误区一：只调 PID 参数，忽视执行器延迟。 延迟是物理限制，单纯增大比例增益会引发振荡，应优先做延迟补偿和模型前馈。
- 误区二：驱动/制动切换死区越小越好。 死区过小会导致频繁切换，增加执行器磨损和乘坐不适，应根据执行器响应和舒适性指标标定。
- 误区三：控制周期越短越好。 周期过短会放大传感器噪声，增加通信负载，甚至与执行器带宽不匹配，应结合执行器响应时间选择。
- 误区四：跟踪误差只由控制器决定。 规划层的加速度曲线是否平滑、是否超出执行器能力，同样会显著影响跟踪误差。
纵向控制关键参数示例：
控制周期：20 ms
驱动延迟：80 ms
制动建压延迟：200 ms
切换死区：±0.15 m/s²
切换迟滞：0.1 m/s²
速度跟踪误差目标：< 0.5 m/s
加速度跟踪误差目标：< 0.2 m/s²纵向控制不是简单的“踩油门和刹车”，而是一个包含仲裁、延迟补偿、周期调度和误差反馈的完整闭环。只有把执行器特性、控制周期和跟踪误差放在同一张信号链上理解，才能让速度规划真正落地为平顺、安全、可预期的车辆行为。