汽车工程

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基于认知风险动态平衡的智能汽车跟车模型

刘巧斌,杨路,高博麟,王建强,李克强

2022 (11): 1627-1635. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.11.001

摘要 ( 341 )

HTML ( 36 )

PDF(2437KB) ( 318 )

针对复杂交通环境下异质车型带来的跟车风险与行车效率权衡的决策难题，在分析自然驾驶数据的基础上，提出基于认知风险动态平衡的智能汽车拟人化跟车模型。首先，针对4种不同的货车-轿车组合跟车模式，建立跟车距离的经验模型，提炼出驾驶人稳态跟车行为中存在的车头时距和逆碰撞时间的“两不变”规律，通过作图法获得平衡线；其次，从驾驶过程中认知风险与加速度响应之间动态平衡的角度揭示了跟车决策的机理，将常用的跟车模型统一在认知风险动态平衡的框架内；最后，提出一种简洁的非线性函数实现认知风险动态平衡的数学表述，利用实测跟车数据验证了模型的准确性。

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基于行车安全场理论的预期功能安全场景风险评估

陈浩,王红,李维汉,白先旭,陈炯,李楚照,石琴,孙骏

2022 (11): 1636-1646. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.11.002

摘要 ( 364 )

HTML ( 23 )

PDF(3891KB) ( 329 )

面向自动驾驶车辆预期功能安全（SOTIF）场景的不同测试标定要求和侧重，本文提出了一种基于行车安全场（DSF）理论的SOTIF场景风险评估方法。首先，利用DSF对场景的各层元素进行风险量化，从而实现风险的集成计算。通过分析SOTIF场景的定义与架构和DSF模型的参数，证明该模型满足SOTIF场景的风险评估要求。接着将所提方法应用于3类车辆运行场景的划分中，分别是已知安全、已知不安全和未知安全/不安全。为实现场景的划分，将DSF理论中不同的驾驶状态与SOTIF中车辆的运行场景进行匹配。最后，进行了封闭场地和开放道路的测试。一方面将相对驾驶安全系数指标RDSI与碰撞时间TTC指标作对比，验证了RDSI可更准确、敏感地评估行车风险。另一方面，证明了所提方法可有效地实现场景划分。

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自动驾驶汽车测试场景基元自动提取方法

朱冰,孙宇航,赵健,张培兴,范天昕,宋东鉴

2022 (11): 1647-1655. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.11.003

摘要 ( 234 )

HTML ( 15 )

PDF(1686KB) ( 269 )

本文中提出了一种基于自然驾驶数据库的自动驾驶汽车测试场景基元自动提取方法。以隐马尔科夫模型为框架，采用向量自回归模型为观测概率分布函数，采用层次狄利克雷过程为模型进行先验分布和后验更新，通过解耦过程和黏性过程抑制模型隐状态的快速切换，实现给定观测数据下隐状态的求解，并根据隐状态对场景基元进行自动划分。最后，以一段随机自然驾驶序列为例进行了算法测试验证，结果表明，所提出的方法可从自然驾驶数据库中非参数地、可解释地、全自动地提取测试场景基元，所提取的场景基元具有明确的物理意义，可为基于场景的自动驾驶汽车测试奠定良好基础。

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基于自注意力机制的自动驾驶场景点云语义分割方法

王大方,尚海,曹江,王涛,夏祥腾,韩雨霖

2022 (11): 1656-1664. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.11.004

摘要 ( 233 )

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PDF(3148KB) ( 168 )

对车载激光雷达场景点云进行语义分割是自动驾驶环境感知环节的基础性工作。针对现有处理大规模自动驾驶场景点云方法对局部特征提取能力不足和难以捕捉全局上下文信息的问题，本文基于自注意力机制设计了局部和全局自注意力编码器，并搭建了特征聚合模块进行特征提取。实验结果表明，与同样采用局部特征聚合的网络RandLA-Net相比，在SemanticKITTI数据集上本文的方法可将平均交并比提升5.7个百分点，局部自注意力编码器的加入也使车辆和行人等小目标的分割精度提高2个百分点以上。

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基于Tube MPC的多轴重型车辆全轮转向路径跟踪策略

王玮琛,李军求,孙逢春,宋健,吴永华

2022 (11): 1665-1675. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.11.005

摘要 ( 304 )

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PDF(5308KB) ( 204 )

本文中为具有智能驾驶功能的五轴重型车辆提出一种基于鲁棒不变集的模型预测控制（Tube MPC）的全轮转向路径跟踪策略。首先提出了基于第1桥和第5桥转角控制的全轮转向路径跟踪策略，使多轴车的控制更灵活，侧向力响应可实现同步且能得到充分利用。接着控制模型考虑轮胎参数不确定和侧向风产生的有界干扰，采用 Tube MPC 求解路径跟踪问题。同时采用基于支撑函数计算的简化最小鲁棒正不变集（mRPI）代替了通用的基于Minkowski求和的mRPI运算，有效地节约了mRPI的离线计算时间，也减少了不变集的顶点个数，以保证Tube MPC的在线实现。最后进行硬件在环仿真，验证了所提基于Tube MPC的全轮转向策略对比普通的全轮转向策略具有更高的路径跟踪精度和车辆稳定性，面对未知干扰时有更强的鲁棒性。

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考虑驾驶权动态分配的共享转向系统鲁棒控制

李学鋆,汪怡平,苏楚奇,宫新乐,黄晋,刘珣,袁晓红,李惠乾

2022 (11): 1676-1688. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.11.006

摘要 ( 179 )

HTML ( 17 )

PDF(2547KB) ( 170 )

驾驶员和自动驾驶系统的驾驶权之和被固定为1时，复杂场景下可能会出现车辆转向需求与共享转向控制（shared steering control，SSC）系统输出不匹配的问题，影响车辆行驶安全。为了解决这一问题，提出了一种驾驶权动态分配方法，并针对驾驶权分配系数和车辆参数不确定性设计了鲁棒控制器。首先，在并联式SSC系统框架的基础上，提出了包括驾驶员模型、轨迹跟踪控制器、驾驶权动态分配模型和车辆模型的SSC系统拓展框架。建立了驾驶员状态评估模型、车辆轨迹跟踪状态评估模型和驾驶权分配与决策模型；以驾驶员状态评估和车辆轨迹跟踪状态评估结果为决策依据，结合驾驶权分配模型计算结果，动态决策驾驶员与控制器的驾驶权分配系数。然后，考虑驾驶权分配系数和车辆模型参数的不确定性，设计了鲁棒反馈控制器。最后通过仿真验证了所提方法的有效性，仿真结果表明：所提SSC系统可以有效降低外部干扰和驾驶员误操作对车辆安全带来的影响，减小转向过程中驾驶员的驾驶负荷、心理负荷和控制器工作负荷。

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新能源汽车动力电池热失控机理和安全风险管控方法的研究

贾子润,王震坡,王秋诗,黎小慧,孙逢春

2022 (11): 1689-1705. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.11.007

摘要 ( 241 )

HTML ( 17 )

PDF(6076KB) ( 361 )

针对新能源汽车动力电池的热失控与安全风险问题，本文从热失控的诱发与反应机理出发，通过分析现有动力电池安全管控方法，归纳了动力电池安全问题的研究现状与最新进展，分析了当前动力电池安全管控研究中存在的主要问题，指出了新能源汽车安全风险管控技术发展趋势，旨在推动动力电池安全风险预警和管控技术提升，保障驾乘人员生命财产安全，消除消费者安全焦虑，促进新能源汽车产业发展。

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我国电动汽车动力电池安全标准现状及展望

舒强,王艺帆,梁元

2022 (11): 1706-1715. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.11.008

摘要 ( 228 )

HTML ( 27 )

PDF(685KB) ( 266 )

为保证电动汽车运行安全，我国从动力电池的本征安全、主动防护安全和被动防护安全等方面入手制定标准，基本形成标准体系。本文中通过分析现有标准的历史沿革、面临挑战和完善建议，结合动力电池安全技术研究应用和国家政策引导等情况，表明基于大数据的动力电池运行状态监测预警是防止热失控的有效途径，并提出配套完善标准和管理机制的建议。

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预燃室结构参数对汽油热射流发展特性影响

解方喜,王金港,窦慧莉,李佳星,王斌,洪伟

2022 (11): 1716-1724. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.11.009

摘要 ( 116 )

HTML ( 11 )

PDF(5182KB) ( 116 )

为推动预燃室点火系统的高效应用、加强对热射流自身的认识，本文通过Converge软件仿真研究了关键结构参数对预燃室内混合气形成与热射流发展特性的影响。研究结果表明：随着面容比和截面比的增大，射流火焰的贯穿距和分布面积均呈现出先增大后减小的趋势。当预燃室面容比为0.02~0.036 cm^-1时，能获得相对较大的贯穿距和分布面积。同时，较小的面容比更有利于热射流在其轴向上的发展；较大面容比预燃室，其热射流在径向上的扩散范围更大。0.15和0.20截面比预燃室能获得相对较大的贯穿距离和分布面积。当截面比较大时预燃室内混合气形成质量恶化、燃烧压力降低；当截面比较小时燃烧压力也有所下降。同时，预燃室上部结构采用圆台结构时能获得相对较好的燃烧压力和射流火焰贯穿距离与分布面积，采用阶梯结构时射流形成与发展性能较差。

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电动汽车永磁同步驱动电机控制器用变权重叠加型过调制方法

林程,蒋雄威,庄兴明,刘焕然,邢济垒,高帅

2022 (11): 1725-1734. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.11.010

摘要 ( 144 )

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PDF(8082KB) ( 108 )

电动汽车驱动电机控制器中使用过调制方法能提升电机驱动系统最大输出功率，增强高转速区域的转矩输出能力和转速调节能力，然而传统过调制方法在过调制Ⅱ区存在电压突变的问题，导致电机驱动系统输出转矩抖动较大，影响整车动力性能和NVH性能。针对这一问题，本文提出一种变权重叠加型过调制方法。该方法通过将参考电压的相位角引入叠加权重因子的计算中，消除了传统过调制方法中存在的电压突变，降低了谐波畸变率。仿真和试验结果表明，该方法能提升驱动电机控制的电流稳定性，减小电机驱动系统输出转矩的抖动，使电动汽车电机驱动系统高转速区域内能输出最大转矩和最大转速。

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重型半挂牵引车行驶工况研究及其动力传动系统优化

尤国贵,卢剑伟,苏俊收,栾铭湧,黄帅

2022 (11): 1735-1745. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.11.011

摘要 ( 192 )

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PDF(5192KB) ( 148 )

本文利用车辆行驶信息大数据平台实地采集了山西地区重型半挂牵引车的行驶数据。利用主成分分析、聚类分析和马尔科夫法构建了山西地区的重型半挂牵引车行驶工况。对C-WTVC、CHTC-TT、山西工况的燃油消耗量分别进行仿真，仿真结果验证了行驶工况构建的准确性。基于山西行驶工况对整车传动系统进行优化匹配，优化传动系统后的车辆发动机工作在经济区域的概率增加，百公里油耗比基础车型减少0.94 L。实车测试的油耗数据证实了构建的行驶工况曲线能更好地表征山西地区重型半挂牵引车的行驶特性。本文所提出的基于山西工况的整车动力系统匹配的仿真方法，有助于设计出适合山西地区的重型半挂牵引车的高效动力总成系统。

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空气悬架客车横向动力学建模和稳定性分析

陈龙,陈明,孙晓强,蔡英凤,Wong Pak Kin,吴子强

2022 (11): 1746-1754. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.11.012

摘要 ( 145 )

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PDF(3477KB) ( 180 )

针对特殊行驶工况下空气悬架客车横向动力学失稳现象的揭示问题，本文中提出一种系统非线性动力学建模和稳定性分析方法。为准确反映空气悬架客车横向动力学演化规律，建立了考虑空气弹簧和轮胎非线性力学特性的系统3自由度动力学模型。为实现复杂高维动力学系统的稳定性分析，首先基于中心流形理论对系统进行降维处理，而后对得到的约化系统进行定性性态分析，确定了系统满足鞍结分岔的充分必要条件。设置4种工况对空气悬架客车横向动力学系统在平衡点处的分岔行为进行了相平面分析，掌握了空气悬架客车在不同路面条件下随车速及前轮转角变化的横向动力学失稳演化规律，最后基于整车动力学进行仿真验证表明解析分析结果与仿真分析结果一致，证明本文提出的非线性稳定性分析方法有效可行。

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基于虚拟样机的汽车冗余转向系统联合仿真

张博,杨文志,芦勇

2022 (11): 1755-1762. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.11.013

摘要 ( 111 )

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PDF(3208KB) ( 110 )

针对冗余转向系统设计周期长、成本高的问题，提出了利用多体动力学软件ADAMS和控制仿真软件Simulink联合建立冗余转向系统虚拟样机系统的方法。在分析齿轮齿条动力学的基础上建立了转向系统动力学模型，基于Simulink建立冗余转向系统的控制模型，并在Simulink中搭建了联合仿真模型，利用该虚拟样机系统对设计的冗余转向系统进行助力性能仿真。通过仿真和试验验证，设计的冗余转向系统具有良好的助力性能且具有一定容错性，满足转向系统的使用要求；联合仿真所得数据和试验误差在5%以内，联合仿真的方法可行。

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基于行驶数据挖掘的DCT车辆平直道路换挡规律研究

秦大同,王康,冯继豪,刘永刚

2022 (11): 1763-1771. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.11.014

摘要 ( 97 )

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PDF(3844KB) ( 87 )

针对基于车辆动力学制定的换挡规律适应性差，基于多维数据结合智能算法训练的挡位决策模型无法直接应用于实车等问题，提出了一种通过挖掘熟练驾驶员驾车行驶数据提取平直道路换挡规律的方法。首先，通过试验采集海量行驶数据，接着利用小波去噪、spearman相关性分析和信息增益计算提取平直道路行驶的3个最主要特征，最后通过对比6种机器学习算法在各挡位下对决策值（升挡、降挡和保持）的分类精度，选取精度最高的随机森林算法生成车速-加速踏板位置-发动机角加速度三参数换挡规律。仿真结果表明：该方法可有效收集平直道路下的熟练驾驶员换挡策略，提取的换挡规律油耗水平接近经济性换挡且动力性较好。

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基于传热学理论的汽车安全气帘保压用发生器研究

单津晖,魏学哲,景旭

2022 (11): 1772-1778. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.11.015

摘要 ( 104 )

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PDF(1028KB) ( 88 )

C-NCAP 2021版本颁布后，6 s保压侧面气帘的设计和开发成为挑战，本文旨在研究气帘关键部件之一的气体发生器。基于传热学理论，结合热力学等知识，把气体发生器给气帘的充气过程分成3个子过程，阐述了气体发生器对气帘保压过程的影响，详尽地梳理出气体发生器关键参数的作用和影响，进而通过理论和案例分析，得出如下结论：烟火式发生器并不适合于保压气帘；冷气式气体发生器产品竞争力不强；而价格上有优势的混合式气体发生器，只要其温度低于临界值，如450 K，就有可能满足气帘的保压要求。

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前保险杠导流板迎风角度对轻型客车风阻的影响

李爽爽,宋伟,邹亮,闵峻英,林建平

2022 (11): 1779-1785. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.11.016

摘要 ( 153 )

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PDF(3190KB) ( 127 )

为降低轻型客车在行驶中的空气阻力以达到汽车节能的目的，本文研究了前保险杠导流板迎风角度对整车风阻的影响。针对原型车和加装了迎风角度为35°~90°导流板的整车进行了计算流体力学（CFD）分析。结果表明，在前保险杠处加装不同迎风角度的导流板均具有降阻效果，其中迎风角度为45°时风阻系数最小。同时进行了整车风洞试验，结果表明，在80～120 km/h的风速下，加装迎风角度为45°的导流板使风阻系数在进气格栅开放和封闭两种条件下分别下降0.2%~0.5%和3.3%~3.9%。

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纳秒脉冲激光清洗对AZ31B镁合金激光焊接质量的影响

张明军,李雄,李河清,李晨希,张健,程波,王开明,毛聪,胡永乐

2022 (11): 1786-1796. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.11.017

摘要 ( 93 )

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为提高AZ31B镁合金激光焊接质量，采用纳秒脉冲激光清洗对试件表面进行焊前清洗。采用扫描电镜和能谱仪分析了不同清洗方式下的表面形貌和化学成分，通过高速摄影直接观测了激光焊接动态过程，研究了不同清洗方式和参数对表面清洗效果和焊接质量的影响。结果表明，纳秒脉冲激光清洗可有效去除镁合金表面的氧化膜，且试件表面呈现细密的微结构特征。与未处理和钢刷打磨处理相比，焊前激光清洗对镁合金激光焊接小孔和熔池的稳定具有积极作用；焊缝表面鱼鳞纹均匀细小，接头显微组织沿板厚方向分布均匀，气孔和裂纹等缺陷少。焊前激光清洗可显著提升镁合金激光焊接接头伸长率。与未处理和钢刷打磨处理相比，接头伸长率分别提高50.3%和16.4%。合适的激光清洗可有效清除镁合金表面氧化膜，改善表面微结构，得到较高的接头抗拉强度和伸长率。

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