汽車縱向動(dòng)力學(xué)研究綜述

于旺

摘要：隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車縱向動(dòng)力學(xué)研究不斷加深，汽車在道路上行駛，就會(huì)存在驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、滑移等縱向動(dòng)力學(xué)方面的問題。針對這一問題的研究，人們提出了汽車縱向動(dòng)力學(xué)的概念。汽車縱向動(dòng)力學(xué)的研究主要包括：汽車制動(dòng)動(dòng)力學(xué)、汽車防抱死系統(tǒng)、汽車驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)、汽車自適應(yīng)巡航系統(tǒng)、汽車自動(dòng)剎車系統(tǒng)。本文將主要介紹汽車縱向動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)組成和原理、汽車制動(dòng)動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)的研究進(jìn)展、汽車防抱死系統(tǒng)的研究進(jìn)展、汽車驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)的研究進(jìn)展、汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的研究進(jìn)展、汽車自動(dòng)剎車輔助系統(tǒng)的研究進(jìn)展。

Abstract： With the development of the automotive industry， the research on the longitudinal dynamics of automobiles has continued to deepen， and there are problems with longitudinal dynamics such as driving， braking， and slipping when the car is driving on the road. In view of this problem， people have proposed the concept of automobile longitudinal dynamics. The research of automobile longitudinal dynamics mainly includes： automobile braking dynamics， automobile anti-lock braking system， automobile driving anti-skid system， automobile adaptive cruise system， automobile automatic braking system. This article will mainly introduce the composition and principle of automotive longitudinal dynamics control system， the research progress of automotive brake dynamics control system， the research progress of automotive anti-lock system， the research progress of automotive drive anti-skid system， the research of automotive adaptive cruise control system Progress， research progress of auto brake assist systems.

關(guān)鍵詞：汽車;縱向動(dòng)力學(xué);防抱死;驅(qū)動(dòng)防滑;制動(dòng)動(dòng)力學(xué);自適應(yīng)巡航;自動(dòng)剎車;系統(tǒng)

Key words： automobile;longitudinal dynamics;anti-lock braking;driving anti-skid;braking dynamics;adaptive cruise;automatic braking;system

中圖分類號(hào)：U469.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）24-0023-02

0? 引言

目前城市的發(fā)展和道路的優(yōu)化設(shè)計(jì)極大地考驗(yàn)了汽車在道路上的行駛性能，要想在現(xiàn)有的道路上道路上提高交通流量并控制交通事故的發(fā)生，這就要求汽車設(shè)計(jì)者能在提高汽車安全行駛的車速和減小汽車與前后車之間的距離（但能有足夠的安全距離）的同時(shí)能夠保證汽車的各方面的穩(wěn)定性能。在目前看來車輛駕駛員操縱能力的局限性很大程度上決定了其操作是否能滿足車輛在行駛時(shí)的安全性。因此，以往簡單地提高部分器械的機(jī)械性能發(fā)展輔助或者是部分取代人類的操縱穩(wěn)定性方法已經(jīng)不再適用，這就為提出車輛縱向動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)奠定了必要的基礎(chǔ)。

1? 汽車縱向動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)

車輛縱向控制系統(tǒng)作為車輛主動(dòng)安全以及操縱穩(wěn)定的系統(tǒng)，主要由關(guān)鍵的兩部分組成[1]，即上層和下層系統(tǒng)。它所需要的控制模型大致可以分為：整車制動(dòng)模型、發(fā)動(dòng)機(jī)模型、整車傳動(dòng)模型和車輛穩(wěn)定運(yùn)行模型等。

1.1 汽車縱向動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)組成

車輛縱向動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、制動(dòng)子系統(tǒng)、整車行駛系等不穩(wěn)定系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的模型如圖1所示。

1.2 汽車縱向動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的工作原理

如圖2所示，駕駛員踩下加速踏板，由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)力輸出（空氣燃燒的比例、EGR、氣缸的總進(jìn)氣量、點(diǎn)火提前角、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、驅(qū)動(dòng)載荷、節(jié)氣門開度對其有關(guān)鍵影響），其中點(diǎn)火提前角、EGR和空燃比是由發(fā)動(dòng)機(jī)自我調(diào)節(jié)控制輸出的數(shù)值，而節(jié)氣門位置、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)載荷是控制器的輸入值。①傳動(dòng)系主要是將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的力矩傳遞給車輛的行駛系。②行駛系子系統(tǒng)是接收車輛的傳動(dòng)或制動(dòng)扭矩，由此來判斷是否改變車速、加/減速度。此系統(tǒng)中的制動(dòng)子系統(tǒng)的主要使命是接收執(zhí)行器的制動(dòng)命令并輸出制動(dòng)扭矩。在實(shí)際的工況中，學(xué)者們通常建立車輛的縱向動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)非線性數(shù)學(xué)模型來獲得車輛的一些重要特性和關(guān)鍵數(shù)據(jù)，從而對整合車輛系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究[2]。

2? 汽車縱向動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展

美國的Shinya Kikuchi研究員和印度Partha Chakroborty研究員聯(lián)合研究了基于模糊推理邏輯車輛自動(dòng)跟蹤控制模型，隨后對它進(jìn)行了行車試驗(yàn)[3]。美國D.B.Maciuca、J.K.Hedrick和J.C.Gerdes共同開發(fā)了適用于車輛自我行駛的自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)。德國機(jī)械研究員Marcus Borner和Harald Straky等人為加強(qiáng)車輛的操穩(wěn)性、道路行駛安全性，建立了懸架及制動(dòng)系統(tǒng)模型。戴姆勒—奔馳公司的研究員K.J.Hunt和H.Fritz等人針對縱向動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)的非線性特性，建立了汽車縱向動(dòng)力學(xué)參數(shù)的局部模型網(wǎng)絡(luò)（LMN）。國內(nèi)對這方面的研究也緊隨世界車輛行業(yè)的潮流，比較突出的是中國重型汽車集團(tuán)公司。

在當(dāng)今的汽車縱向動(dòng)力學(xué)研究中，汽車制動(dòng)動(dòng)力學(xué)、汽車防抱死系統(tǒng)、汽車驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)、汽車自適應(yīng)巡航系統(tǒng)、汽車自動(dòng)剎車系統(tǒng)依舊是研究重點(diǎn)。同時(shí)也是提高車輛在道路上行駛安全性的關(guān)鍵。

2.1 汽車防抱死系統(tǒng)研究綜述

1936年，BOSCH公司提出了相對簡單的控制算法。19世紀(jì)50年代，ABS系統(tǒng)第一次被用在了汽車上。1970年美國福特公司和萊斯勒公司分別研制了有真空助力的 ABS制動(dòng)裝置和采用四輪適用型的ABS裝置。1980年，微處理器的使用讓智能的ABS制動(dòng)裝置有了突破性的發(fā)展。1990以后，ABS技術(shù)逐步發(fā)展成熟，其性能也有了極大的完善。在國內(nèi)，1980年以后，我國一方面采用“引進(jìn)—學(xué)習(xí)—?jiǎng)?chuàng)新”的戰(zhàn)略思路。另一方面，我國發(fā)布了鼓勵(lì)創(chuàng)新的政策支持，這一政策的提出使ABS的創(chuàng)新也取得顯著成果。ABS的制動(dòng)性能是當(dāng)今研究的重點(diǎn)方向。

2.2 汽車驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)的研究進(jìn)展

它可以通過ABS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對車輛的控制，與ABS不同的是它能有效防止車輛在起步加速階段驅(qū)動(dòng)輪發(fā)生空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，保證起步階段車輛滑轉(zhuǎn)率保持在需要水平。

1972年，日本的車輛研究員通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)車輛的滑轉(zhuǎn)可以通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸點(diǎn)火頻次來實(shí)現(xiàn)。1978年，德國人員研究出通過減少給發(fā)動(dòng)機(jī)噴油來控制發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，來實(shí)現(xiàn)對車輛滑轉(zhuǎn)控制的目的。1981年，日本研究員發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)離合器接合程度也能限制驅(qū)動(dòng)輪的過度滑轉(zhuǎn)。1985年，Volvo公司率先研制出了電子牽引力控制系統(tǒng)。1986年Benz公司和Wabco公司共同研發(fā)牽引力控制系統(tǒng)。1990年后，ASR技術(shù)迎來了發(fā)展的高峰期。1995年日本研發(fā)了通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度進(jìn)而調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)控制空轉(zhuǎn)的裝置。21世紀(jì)后，主動(dòng)安全性能將成為消費(fèi)者的主要需求，這也在一定程度上推動(dòng)了ASR的技術(shù)研究和發(fā)展。

國內(nèi)，北京理工大學(xué)等都將ASR的研究列入重點(diǎn)研發(fā)課題，并在ASR的控制方法發(fā)面取得了很多突破。

2.3 汽車制動(dòng)動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)的研究進(jìn)展（基于EMB）

1869年，早期的EMB系統(tǒng)最先采用的是電磁盤式制動(dòng)方式。1890年以后，出現(xiàn)了以鼓式制動(dòng)和盤式制動(dòng)為主導(dǎo)的EMB系統(tǒng)。1912年，隨著世界對制動(dòng)器熱衰退型、制動(dòng)性能需要的提高。1930年，研發(fā)出內(nèi)置鼓式制動(dòng)器取代了電子機(jī)械帶式制動(dòng)器。直至1970年，視界研發(fā)的電子機(jī)械鼓式制動(dòng)系統(tǒng)逐漸映入人們的眼簾。1995年Delphi公司研制了世界首個(gè)鼓式制動(dòng)EMB執(zhí)行器，同樣首次將EMB制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)并投入生產(chǎn)。2002年，由德國西門子研制出的典型的楔式自增力EMB制動(dòng)執(zhí)行器。

國內(nèi)的頂尖高校是研究此領(lǐng)域的主要基地，主要是清華大學(xué)、吉林大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等。

2.4 自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)研究進(jìn)展

1950年學(xué)者開啟了ACC系統(tǒng)的研究，1960年，密歇根大學(xué)提出了“智能高速公路”的想法。1964-1971年，美國俄亥俄州立大學(xué)在對ACC的研究中指出ACC系統(tǒng)還要考慮到保持車隊(duì)的穩(wěn)定性。1970年，歐洲開始研究自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)技術(shù)，并對ACC系統(tǒng)進(jìn)行了仿真與評估。1996-1997年，美國機(jī)構(gòu)和高校進(jìn)行了真車實(shí)驗(yàn)。1980年日本開始了致力于智能交通系統(tǒng)的研究。直到1995年，日本研制出了第一代ACC系統(tǒng)。21世紀(jì)初，各國各個(gè)政府開始大力鼓勵(lì)在汽車上裝有ACC系統(tǒng)，以保證汽車的跟隨穩(wěn)定性。利用ACC系統(tǒng)與車道保持相融合，以及與避撞相結(jié)合等。相比我國，主要針對控制算法的研究。

2.5 汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)的研究進(jìn)展

1938年，Gibson第一次對行駛安全進(jìn)行討論，并將局部碰撞、汽車安全等一些新的詞語用于行駛理論中。1962年，以德國、日本、美國為代表的發(fā)達(dá)國家開展了對該方向的研究。1980年，雷達(dá)、微機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，很大程度上推動(dòng)了主動(dòng)避撞系統(tǒng)的技術(shù)突破。1986年，德國奔馳公司和10家歐洲公司通過研究先進(jìn)電子計(jì)算技術(shù)來提高道路安全和交通效率。1999年，梅賽德斯—奔馳推出Distrnic主動(dòng)避撞系統(tǒng)并將其用在220型系列S級轎車上。1991年，日本交通運(yùn)輸部倡導(dǎo)第1個(gè)先進(jìn)安全汽車計(jì)劃開始實(shí)施，并在2000年獲得產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品生產(chǎn)。日本一汽豐田自主研發(fā)設(shè)計(jì)了主動(dòng)預(yù)防安全系統(tǒng)。

到21世紀(jì)，主動(dòng)避撞系統(tǒng)的研究方向逐漸分化為關(guān)注駕駛舒適性的自適應(yīng)巡航系統(tǒng)和關(guān)注行駛安全性的自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)。

3? 發(fā)展方向

汽車縱向動(dòng)力學(xué)作為汽車研究領(lǐng)域不可或缺的一部分，其研究和發(fā)展貫穿著整個(gè)汽車安全領(lǐng)域的發(fā)展。我相信ABS、ASR的系統(tǒng)控制會(huì)更加完善。主要包括：ABS和ASR一體化、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)VDC、ABS與自動(dòng)巡航系統(tǒng)（ACC）集成、減小體積，降低重量的辦法等。ACC控制算法的研究更加全面更加符合當(dāng)代道路的特點(diǎn)，同樣EMB控制系統(tǒng)的發(fā)展會(huì)更加迅速、更加智能和完善。

參考文獻(xiàn)：

[1]Rajamani.R.， Shladover.S.E. An experimental comparative study of autonomous and cooperative vehicle-follower conttol systems.Transportation Research Part C： Emerging Technologies. 2010.9（1）：15-31.

[2]秦貴和，葛安林，雷雨龍.智能交通系統(tǒng)及其車輛自動(dòng)控制技術(shù)[J].汽車工程，2001，23（2）：92-96.

[3]partha. Chakroborty，Shinya Kikuchi.Evaluation of the General Motors based car-following modeis and a proposed fuzzy inference model.Transportation Research part C.2015（7）：206-23.