汽车工程

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考虑预期功能安全的智能汽车自动紧急制动系统

谈东奎,胡港君,朱波,金来,张捷

2022 (6): 799-808. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.06.001

摘要 ( 439 )

HTML ( 47 )

PDF(2911KB) ( 633 )

预期功能安全的提出，使得传统的自动紧急制动系统的安全性受到了挑战。为此，本文中利用基于系统理论过程分析（systems-theoretic process analysis，STPA）方法得到了自动紧急制动系统的预期功能安全要求，在传统的自动紧急制动系统基础上增加了感知盲区安全车速规划策略。然后基于盲区场景下车辆与行人相遇运动学模型，构造盲区安全车速公式。接着设计加入非线性干扰观测器的速度滑模控制器，对该速度进行跟踪控制，最后在CarSim与Simulink联合平台上开展仿真试验，比较此系统与没有增加预期功能安全要求的自动紧急制动系统的安全性，并进一步在硬件在环仿真试验台上验证。结果表明，考虑预期功能安全的自动紧急制动系统能有效降低行人碰撞风险，并确保车辆安全通过盲区的行驶效率。

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基于行人视野注意力场的人车微观交互模型

李文礼,肖凯文,石晓辉,梁锋华,黎平

2022 (6): 808-820. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.06.002

摘要 ( 194 )

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PDF(5517KB) ( 223 )

从行人视觉认知角度出发，提出一种基于行人视野注意力场的人车微观交互模型。构建视野注意力场驱动行人视野域，利用人工势场驱动行人运动，利用目标捕捉算法来控制行人视野域对目标的捕捉。为了验证模型的有效性，使用无人机采集鸟瞰视角下的人车交互数据并进行处理分析，将行人过街风格分为保守、谨慎和冒险 3种类型，在Pygame平台下搭建仿真场景和交互模型，把不同行人过街风格的交互数据作为模型输入，以模型输出的行人时空轨迹与采集的真实时空轨迹之间的相似度进行实验对比。结果表明，建立的基于行人视野注意力场的人车微观交互模型比常规人工势场模型准确性提高了25.48%，能够有效地复现实际交通场景中的人车交互过程。

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基于自然驾驶数据的城市交叉口纵向驾驶特征分析

袁田,赵轩,刘瑞,余强,朱西产,王姝

2022 (6): 821-830. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.06.003

摘要 ( 181 )

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PDF(3732KB) ( 212 )

为满足驾驶辅助系统在城市交叉口对类人驾驶能力的更高需求，本文中研究了实际交通中的驾驶人在该区域的纵向驾驶行为特征。从自然驾驶数据中提取了778条驾驶人接近城市交叉口的样本数据，应用YOLOv4识别了交通场景中的各类道路使用者，采用方差分析研究了反应特性在不同运动类型和交通密度中的差异，建立分层回归模型分析了制动特性与运动状态、运动类型和道路使用者的关系。结果表明：高密度交通显著降低接近速度；与右转驾驶人相比，停车驾驶人的反应距离更长；当接近速度较高或反应距离较短时，会在更短的时间内以更高的减速度和制动强度接近交叉口，且提前4.46 s开始制动；不同道路使用者对制动特性产生了不同影响，停车驾驶人主要关注同向行驶的他车，右转驾驶人主要关注行人和骑车人。

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基于分段优化的车辆换道避障轨迹规划

唐斌,许占祥,江浩斌,蔡英凤,胡子添,杨铮奕

2022 (6): 831-841. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.06.004

摘要 ( 250 )

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PDF(3847KB) ( 329 )

为提高复杂道路场景下智能车辆换道避障的安全性和舒适性，提出了一种基于分段优化的智能车辆换道避障轨迹规划方法。首先考虑多种换道可能，根据本车状态和多个采样点生成基于五次多项式的候选y-x曲线簇和x-t曲线簇；其次基于指数函数设计了一种障碍风险评价函数，并结合轨迹平顺性、利他性和行驶效率等构建了综合评价体系，选取出最优参考轨迹，为智能车辆换道避障提供方向和速度的参考，以防止轨迹优化时陷入局部最优；为适应障碍物运动状态时变的特点，以参考轨迹为引导，构建分段五次多项式y-x曲线和x-t曲线，并考虑与障碍车辆的碰撞风险建立了优化目标函数，将轨迹优化问题转换成带约束的非线性规划问题，通过外点法求出最优轨迹。最后基于MATLAB平台进行了仿真验证，结果表明，所提出的轨迹规划方法在满足换道平顺、舒适要求的基础上提高了车辆的环境适应性和避障调整能力。

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基于OEDR和ODC的自动驾驶汽车实际道路测试评价技术研究

孙航,李志军,张琳琳,陈振宇,李世龙

2022 (6): 842-850. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.06.005

摘要 ( 237 )

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PDF(1226KB) ( 669 )

本文中提出了基于自动驾驶目标和事件探测与响应（OEDR）的测试道路分类方法，构建基于设计运行范围的道路元素基础模型，改进Jaccard Similarity有效相似度算法用于测试道路符合性评估。本文中还根据测试道路选取，提出了基于设计运行条件（ODC）边界的测试方法，结合乘员主观评价形成自动驾驶汽车实际道路测评体系。选取我国典型道路开展的试验结果表明，本文中提出的测评体系具有可行性和普适性，可作为一种标准化方法广泛应用。

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基于凸优化的燃料电池汽车节能驾驶研究

魏小栋,刘波,冷江昊,周星宇,孙超,孙逢春

2022 (6): 851-858. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.06.006

摘要 ( 299 )

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PDF(3157KB) ( 330 )

为实现燃料电池汽车在多信号灯场景下的节能驾驶，本文中提出一种基于分层凸优化的快速车速规划和能量管理方法。结合车辆静态氢耗图，运用动态规划获得车辆通过信号灯的最优绿灯窗口，并确定最优行驶路径的搜索区域。建立以车辆需求功率累计最小为优化目标求解车辆加速度的二次规划问题，并运用Matlab/OSQP求解器获取车辆最优行驶路径。根据最优行驶路径，采用基于交替方向乘子法的能量管理策略，实现各动力源输出功率的合理分配。针对9个信号灯场景的仿真结果表明，所提方法的电机工作点平均效率比智能驾驶员模型高10%，氢耗低45%。此外，该方法计算速度快，具备实时优化的潜力。

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汇流排产热影响下的电池模组冷却系统改进设计

彭宇明,袁明晓,敬卓鑫,张永林,黄港

2022 (6): 859-867. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.06.007

摘要 ( 167 )

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PDF(3248KB) ( 204 )

本文利用Bernardi生热速率方程，通过仿真和实验验证建立了可靠的电芯生热模型，仿真和实验误差在2%以内。在此基础上建立汇流排产热影响下的模组生热模型，针对原冷却系统对模组顶部区域和汇流排上冷却效果不足等进行改进设计，在冷却板布置方式上提出将冷却板布置在模组侧面，再通过仿真分析选取合适的冷却板厚度、冷却液体积浓度和冷却液入口流速，最终设计的冷却系统模组汇流排体平均温升降低了15.56%，电芯体平均温升降低了11.48%，模组顶部表面平均温升降低了20.34%，同时模组电芯上的温度分布也更加均匀。

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动态条件下基于深度学习的锂电池容量估计

毕贵红,谢旭,蔡子龙,骆钊,陈臣鹏,赵鑫

2022 (6): 868-878. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.06.008

摘要 ( 214 )

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PDF(2323KB) ( 235 )

锂离子电池在老化过程中，其内部呈现非线性的复杂变化，因此直接使用动态条件下的锂离子电池运行时段的数据（电流、电压和温度）进行电池健康状态的实时估计是一个具有挑战性的问题。本文中选取锂离子电池随机充放电数据，对动态数据的部分片段进行时频特征提取，组成时频特征矩阵作为输入，构建级联式卷积神经网络和门控循环单元容量估计模型，对输入数据进行内在特征提取，并进一步挖掘各时间序列中的相关特征，实现锂离子电池动态条件下的容量估计。利用美国航空航天局锂离子电池随机使用数据集进行实验验证的结果表明，该方法能在仅已知电池的额定容量的情况下，准确完成锂离子电池容量估计。最后，本文还分析了模型超参数设置、原始数据时序长度、网络输入和模型结构对容量估计精度的影响。

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车辆乘员主动脉钝性损伤仿真分析

童芳,李雄,兰凤崇,陈吉清

2022 (6): 878-885. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.06.009

摘要 ( 140 )

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PDF(3372KB) ( 180 )

基于Abaqus的流体腔功能对前期建立的精细化心脏主动脉模型进行血液填充，构建血液-心脏主动脉流固耦合模型，并在主动脉瓣上根据实时的压差设置不同流率的流体交换接触。进行不同工况下驾驶员正面撞击转向盘的仿真，分析心脏血输出量和转向盘角度对主动脉钝性损伤的影响。结果表明：（1）碰撞过程中左心室向主动脉输出的血液降低了左心室的峰值血压，同时减缓主动脉内的血压波动，但对于主动脉的最大应力影响不明显；（2）转向盘倾角为30°时主动脉的最大应力达2 417 kPa，是由前胸壁对升主动脉的挤压导致的；（3）转向盘倾角为60°时主动脉的最大应力降至1 375 kPa，是由主动脉根部和降主动脉的相对拉伸位移导致的。

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自相似分层蜂窝结构多碰撞工况耐撞性研究

马芳武,孙昊,梁鸿宇,马文婷,王强,蒲永锋

2022 (6): 886-892. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.06.010

摘要 ( 143 )

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PDF(6656KB) ( 150 )

受马尾植物的启发，本文中提出了一种仿生自相似分层蜂窝结构，基于试验验证的有限元模型，对比分析了这种新型结构与传统蜂窝结构在多角度斜向碰撞工况下的耐撞性能，包括变形模式、应力应变曲线和吸能特性。结果表明：自相似分层蜂窝结构无论在理想正向碰撞工况还是斜向碰撞工况下都具有稳定的变形模式，且在碰撞角度变化时，具有稳定且优异的吸能性能。

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基于Euro NCAP典型工况的儿童行人下肢损伤评估方法研究

李海岩,李琨,黄永强,贺丽娟,崔世海,吕文乐,阮世捷

2022 (6): 893-899. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.06.011

摘要 ( 130 )

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PDF(4258KB) ( 153 )

本文中采用Euro NCAP行人模型认证（TB024）中给出的FCR 、MPV、RDS、SUV 4种典型汽车前端结构有限元模型，以及具有详细解剖学结构特征的6岁儿童行人有限元模型来模拟汽车-行人碰撞事故，分析典型工况下汽车前端结构参数对儿童行人下肢损伤的影响。结果表明，RDS车型由于机盖前沿离地间距较小，儿童行人撞击侧股骨大转子位置出现骨折现象；MPV和SUV车型由于扰流板离地间隙较大，对下肢胫骨、腓骨和膝关节韧带的损伤更为严重。最后，基于仿真结果提出了6岁儿童下肢长骨损伤的截面弯矩评价参数，为儿童腿型冲击器研发和数字测评提供参考。

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基于动态稳定域的车辆横纵向稳定性协同控制

丛森森,高峰,许述财

2022 (6): 900-908. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.06.012

摘要 ( 284 )

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PDF(1910KB) ( 302 )

车辆底盘横纵向稳定性控制是车辆安全的重要方面之一。针对车辆在稳定区域内横纵向参数特征，基于动态区域的稳定性分析和相应的稳定性控制器设计了横纵向协同稳定控制方法。首先，基于车辆传统基础稳定域建立了稳定性分析方法；其次，构建了适用于不同车辆工况的动态稳定域，使得稳定域无需针对不同的转向角和车速等重新估计；在此基础上，设计了稳定限幅控制；最后，以滑模面为稳定域边界设计了一种动态滑模控制器，使车辆状态始终维持稳定状态。通过Matlab/Simulink与CarSim的联合仿真，在高速转向和双车道变道场景中验证所提出的横纵向稳定控制方法的有效性。

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基于车辆动力学响应特征的越野地面分类方法

赵健,李雅欣,佟静,朱冰,武维祥,孙博华,韩嘉懿

2022 (6): 909-918. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.06.013

摘要 ( 197 )

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PDF(2433KB) ( 261 )

利用车辆动力学响应进行地面分类是越野智能汽车的关键技术之一。本文中提出了结合地面不平整度特征和力学特征进行越野地面分类的方法，对沙地、土路、水泥路和雪地进行分类。本方法中选取等效地面轮廓和车身垂向加速度作为地面不平整度特征，选取行驶阻力和轮速波动作为力学特征，设计了基于LSTM模型的越野地面分类器，对自行采集的车辆越野行驶数据集进行训练与测试，结果表明，分类正确率达到95.5%；最后，使用HMM模型实现了分类后处理，解决了分类结果在连续数据上跳变的问题，使该算法在连续越野数据上的地面分类正确率从88.44%提高到90.13%。

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基于FPSC-FxLMS算法的车内发动机噪声主动控制

贺岩松,蒋昊,张志飞,周桃

2022 (6): 919-928. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.06.014

摘要 ( 155 )

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PDF(6154KB) ( 201 )

噪声主动控制的关键是对被控噪声幅值和相位的准确估计，PSC-FxLMS算法在Command信号中加入噪声信号的相位，可发出比Command-FxLMS算法更小的次级声，但会受到次级通路估计准确性和傅里叶变换相位提取速度的制约。本文以某SUV车内发动机噪声为研究对象，提出滤波PSC-FxLMS（FPSC-FxLMS）算法，将从车内4个座椅头枕处采集的噪声信号作为初级噪声，通过仿真比较FPSC-FxLMS算法和Command-FxLMS算法对2、3阶发动机噪声同时控制的效果；接着，基于DSP硬件平台对另一辆SUV进行实车试验，再次对比两种算法的效果。结果显示，在对驾驶员和驾驶员后排乘员的左右耳处的发动机噪声进行控制时，在800 r/min怠速工况下，所提出算法4阶噪声的次级声幅值比Command-FxLMS算法降低25%以上；在1 900 r/min空转工况下，2阶噪声的次级声幅值降低50%以上。说明FPSC-FxLMS算法能快速准确地提取不同转速下发动机噪声的相位信息，使扬声器发出比Command-FxLMS算法更小的次级声。

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基于Payne效应的膜式空气弹簧非线性动刚度模型

邬明宇,陈志刚,童浩,王静,尹航,郑文博,李耀,禹真,危银涛

2022 (6): 929-935. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.06.015

摘要 ( 160 )

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PDF(1735KB) ( 164 )

本文中提出了一种考虑气囊橡胶Payne效应和热力学等效刚度阻尼滞回特性的膜式空气弹簧非线性动刚度模型，以解决空气弹簧动刚度非线性建模难题，并为气囊结构设计与材料选择提供理论依据。首先，通过示功试验对动刚度实部和虚部进行参数识别，表明在小振幅下，气囊橡胶Payne效应会引起动刚度的增大，并验证了不同振幅和频率激励下模型的正确性。接着，从振幅和频率两个维度给出了各解耦变量贡献度变化趋势的物理解释。结果显示，气囊橡胶的Payne效应使动刚度实部随振幅增大而减小，虚部随振幅增大呈现先增大后逐渐减小的趋势；气体刚度和由热交换产生的等效阻尼会使动刚度实部随频率升高逐渐增大，虚部随频率升高先增大后减小。最后给出了一个反映橡胶气囊动刚度贡献率的膜式空气弹簧新的评价指标，可直接表征空气弹簧低幅动态性能和结构设计与材料选择的优劣。试验表明，该值主要随振幅增加明显下降，橡胶气囊在低振幅时产生的刚度不可忽视。

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基于三维/一维强耦合模型的整车热平衡与热系统参数对性能影响的研究

张英朝,简杰松,张锦涛,王国华,于远彬

2022 (6): 936-944. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.06.016

摘要 ( 187 )

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PDF(3652KB) ( 220 )

汽车热管理系统参数变化会对其各项性能产生影响，因此须运用新的研究手段来同时对热管理系统不同维度的多项性能指标进行研究。本文利用AMESim和STAR-CCM+构建了一维/三维强耦合的汽车热管理仿真模型。此模型可同时对不同热平衡工况下的三维和一维温度场和流场结果等多项性能进行研究。相对应的一维分析结果表明，爬坡工况下冷却系统散热能力最差，怠速工况下空调制冷能力最差。为研究热管理系统参数的改变对其性能影响，分析了风扇和水泵的转速对爬坡工况下冷却系统散热的影响以及风扇和压缩机的转速对怠速工况下空调系统制冷的影响。

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基于全生命周期分析的白车身选材方法

张立军,高泽,余海燕

2022 (6): 945-952. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.06.017

摘要 ( 193 )

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本文中采用全生命周期分析方法对使用普通钢、先进高强度钢（AHSS）、铝合金和碳纤维复合材料（CFRP）等材料的某燃油车白车身在生产、行驶和报废回收各阶段的等效碳排放和能耗进行了分析，并讨论了行驶里程对不同材料车身减排效果的影响。结果表明：在当前技术条件下，用AHSS和铝合金代替普通钢作为白车身材料可降低碳排放和能耗，而用CFRP代替普通钢会增加碳排放和能耗；铝合金的全生命周期碳排放和能耗主要取决于生产阶段的碳排放和能耗水平，而材料的选择则与地区的碳排放和能耗水平有关，在普通碳排放和能耗水平的地区铝合金比AHSS更有优势，在高碳排放和能耗水平的地区则AHSS比铝合金更有优势；铝合金的减排效果随着行驶里程的增加而更显著。该燃油车在行驶15万km的情况下，其车身材料比例为 77.9% AHSS和22.1% 铝合金时，具有综合最优的碳排放和能耗水平。

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