基于汽车动力学提出全矢量线控汽车的方案

嫣凝 2021-03-08 13:10:46

项目背景


智能汽车是人工智能技术与现代汽车工业结合的新兴产物,正发展成为一种集网联通讯、多源感知、自主决策、安全高效、灵活机动等特色于一体的全自动轮式智能机器。作为一种高速、开放的运载工具,其运行中的高维强非线性、瞬态响应滞后性、可控运动的局限性、极端工况下的不稳定性等固有属性,无法通过智能化的感知和决策来消除,由此导致的运动局限性和安全性问题,必须通过改进车辆系统的固有属性来解决。


站在未来完全自动驾驶出行的社会需求角度来看,当前汽车固有的安全冗余性和底盘自治性控制机制尚付阙如。率先掌握具有固有安全的线控底盘技术,是智能汽车技术创新领域国际竞争的焦点。全线控化、模块集成化、高机动灵活性和安全冗余等特征将成为传统车辆底盘的主要发展趋势。


汽车动力学控制的本质是,通过驱动、制动、转向、悬架等方式间接调控轮胎与路面之间的作用力,从而改变车辆行驶轨迹和车身姿态。传统汽车是典型的欠驱动系统,仅具备油门踏板、制动踏板和方向盘三个操纵输入,只能实现车辆总体的纵向和横向两个相对独立的可控输入,制约了车辆的运动维度和多目标优化空间。


全矢量线控汽车的方案提出


为解锁车辆更多的控制维度,团队提出全矢量控制(Full Vector Control,FVC)汽车的概念:如果一辆汽车能够实现所有车轮的三维度作用力均独立可控,那么就称为全矢量控制汽车。由于未来自动驾驶汽车缺少驾驶员避险操作这一汽车安全最后的风险防范机制,因此智能汽车的冗余安全设计尤为重要。为此,我们尝试定义:系统在某个部件失效时,因内部安全机制作用确保相关功能完整性,从而保证整体安全性的特征,称为固有安全性。线控底盘本身的固有安全性是未来高级智能汽车最重要的基础。


FVC汽车是典型的过驱动系统,其每个车轮都具备驱动、制动、转向和主动悬架四个独立的操纵部件。对于常见的四轮车辆系统,共有16个可控输入,涵盖了车辆最大的独立输入集合,即可以实现12个车轮作用力的独立调控。汽车可控输入增加后,一方面可以扩展整车动力学可控范围,减少汽车多个性能指标之间的相互制约,提高多目标优化的理论上限;另一方面,各功能的执行器之间可以形成交叉互补,可实现基于结构与功能共用的安全冗余设计效果。

基于汽车动力学提出全矢量线控汽车的方案

FVC汽车运动自由度


一体化电动轮模块


FVC汽车的核心组成部件为一体化电动轮模块,其将传统车辆驱动系统、制动系统、转向系统和主动悬架系统集于一身,高集成可扩展的模块化设计将成为智能移动平台的理想解决方案。团队提出的驱动-制动-转向-主动悬架一体化电动轮方案如下图所示。

基于汽车动力学提出全矢量线控汽车的方案

驱动-制动-转向-主动悬架多功能一体化电动轮


驱动系统采用高功率密度轮毂电机方案,整车控制器(VCU)控制CAN通讯控制实现线控驱动及再生制动功能;制动系统采用团队自主研发的电子助力制动系统(TBS)和电子车身稳定性控制系统(ESC)串联冗余制动方案,可实现对单轮制动力的独立调控,线控液压制动系统如下图所示。


串联式液压线控制动系统


转向系统采用转向电机经过行星齿轮减速器或者涡轮蜗杆减速器直接带动转向臂旋转方案,单个车轮模块可实现360度独立转向功能。转向系统传动部分如下图所示。转向电机扭矩经过涡轮蜗杆减速器传递到转向传动轴,转向传动轴经连接法兰盘与转向大臂连接,进而带动转向大臂转动。转角传感器可准确测量车轮转动角度,滑环可保证线束和管路不产生缠绕,盘式轴承用以承受车轮模块的垂向载荷。


基于汽车动力学提出全矢量线控汽车的方案


对联轴器、传动轴、传动法兰盘、连接法兰盘等主要受力部件进行了有限元静力学分析,各部件应力云图如下图所示,仿真结果显示各部件均满足设计要求。

基于汽车动力学提出全矢量线控汽车的方案

悬架系统采用空气弹簧加磁流变减振器方案,可实现车身高度主动调节和主动防侧倾等功能。基于气压电子制动系统的开发经验,团队自主设计控制器实现对空气电磁阀和磁流变阻尼器的精确调控。导向机构采用双横臂悬架方案。


双横臂式悬架方案


不同于传统车辆底盘较小的车身高度调节范围,FVC汽车高度调节范围较大。因此,在车身高度大范围变化过程中,等长双横臂悬架会产生较大的轮距变化,不等长双横臂悬架会产生较大的轮胎侧倾角变化,二者均会对车辆寿命和安全性产生不利影响。针对一体化电动轮特征,团队为此设计了双纵臂式悬架方案,将车身高度变化时产生的轮距变化和轮胎侧倾角变化转化为轮胎的前后滚动,进一步提高车辆寿命和行驶安全性。


双纵臂式悬架方案


我们团队搭建了一体化电动轮模块测试台架,可实现线控驱动、主动制动、线控转向和主动车身高度调节等功能的开发调试。


台架与实车搭建


团队目前搭建了一体化电动轮模块测试台架,可实现线控驱动、主动制动、线控转向和主动车身高度调节等功能的开发调试。


一体化电动轮测试台架


基于一体化电动轮模块,团队设计的全矢量线控汽车如下图所示。整车具备大行程车身高度调节、智能平顺性控制、原地转向、楔形行驶、横向行驶等功能,提供驾驶员操纵和远程遥控两种操纵模式,具备极高的机动灵活性,可用以执行作战、巡逻、运输、摆渡等任务。


全矢量汽车三维模型图


整车控制器采用自主研发的VCU,兼容悬架系统控制器和整车控制器功能,硬件接口资源丰富且支持自动代码生成,可存储并流畅运行各种复杂的控制算法。作为整车控制器,可实现整车能量管理、网络管理、整车驱动控制、整车故障诊断、整车状态监控及显示、制动能量回收、车辆附件控制等功能。


整车参数如下表所示:


整车控制器采用自主研发的VCU,兼容悬架系统控制器和整车控制器功能,硬件接口资源丰富且支持自动代码生成,可存储并流畅运行各种复杂的控制算法。作为整车控制器,可实现整车能量管理、网络管理、整车驱动控制、整车故障诊断、整车状态监控及显示、制动能量回收、车辆附件控制等功能。


科研探索进行中...


基于FVC汽车,团队目前主要在以下几点开展理论研究和科研探索:


Ø多物理过程耦合作用下一体化电动轮动力学演化机理分析。研究在驱动、制动、转向、悬架和非线性轮胎力共同作用下,各子系统的频响特性、时滞特性和相互之间的耦合特性,探析车轮动力学状态的动态演化机理。


Ø质心运动直接矢量控制方法研究。通过对各车轮纵向力、横向力和垂向力的独立调控,研究车辆质心处运动矢量箭头数理描述方法,实现FVC汽车“点对点”运动的直接矢量控制。


ØFVC汽车多执行器智能博弈机制探索。对于涉及到多执行器协同的上层优化目标,利用博弈论思想,通过多执行器之间的智能博弈实现均衡优化,研究具有自组织功能的控制机制。


ØFVC汽车固有安全性和失效冗余机制研究。研究各子系统的失效机制与故障演化机理,探索故障诊断与预测技术,根据系统控制冗余度,设计各子系统之间安全冗余机制与切换模式。

来源:李全通&AbbyQi 汽车动力学与控制研究中心

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