汽车工程

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基于强化学习的自动驾驶决策研究综述

金立生,韩广德,谢宪毅,郭柏苍,刘国峰,朱文涛

2023 (4): 527-540. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.04.001

摘要 ( 525 )

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PDF(1155KB) ( 630 )

强化学习的发展推动了自动驾驶决策技术的进步，智能决策技术已成为自动驾驶领域高度关注的要点问题。本文以强化学习算法发展为主线，综述该算法在单车自动驾驶决策领域的深入应用。对强化学习传统算法、经典算法和前沿算法从基本原理和理论建模等方面进行归纳总结与对比分析。针对不同场景的自动驾驶决策方法分类，分析环境状态可观测性对建模的影响，重点阐述了不同层次强化学习典型算法的应用技术路线，并对自动驾驶决策方法提出研究展望，以期为自动驾驶决策方案研究提供有益参考。

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基于检测的高效自动驾驶实例分割方法

陈妍妍,王海,蔡英凤,陈龙,李祎承

2023 (4): 541-550. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.04.002

摘要 ( 196 )

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PDF(4730KB) ( 209 )

基于深度学习的实例分割算法在大规模通用场景中取得了良好的分割性能，然而面向复杂交通场景的多目标实例分割仍然极具挑战性，尤其在算法的高精度和较快推理速度的权衡方面，而这对于智能汽车的行驶安全性至关重要。鉴于此，本文以实时性算法Orienmask为基础，提出了一种基于单阶段检测算法的多头实例分割框架。具体来说，所提框架由骨干网络、特征融合模块和多头掩码构建模块组成。首先，本文通过在骨干网络中加入残差结构获取更加完整的高维表征信息。其次，为了产生更具判别性的特征表达，本文通过引入自校正卷积重构特征金字塔，并使用全局注意力机制改善信息传播以进一步优化所提框架的特征融合模块。最后，提出的多头掩码构建机制通过细化场景目标尺寸分布显著提高不同目标的分割性能。本文算法在开源数据集BDD100k上进行大量测试与验证，分别在边界框和掩码上获得了23.3% 和19.4%的均交并比（mAP@0.5：0.95），与基线方法相比，平均指标提高了5.2%和2.2%。同时在基于自主搭建的实车平台上进行的道路实验也证明本算法能够较好地适应真实驾驶环境，且满足实时性分割需求。

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基于分层式控制的混合动力汽车生态驾驶研究

李亚鹏,唐小林,胡晓松

2023 (4): 551-560. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.04.003

摘要 ( 192 )

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PDF(5400KB) ( 254 )

智能交通系统技术的发展为进一步提高车辆驾驶性能带来了新的机遇。插电式混合动力汽车的生态驾驶涉及到3个问题，分别为如何利用动态交通信息对纵向行驶速度进行规划，动力电池SOC全局最优快速规划，以及动力系统实时能量管理。为此，本文中设计了一种结合通精度模型的兼顾计算效率与求解精度的分层式控制策略。上层控制融合了动态交通信号灯信息，通过对车辆行驶速度优化提高了驾驶舒适性，中层则通过对动力系统模型拟合近似，利用凸优化算法实现了SOC快速全局最优规划，为消除拟合模型产生的误差，下层则基于原始非线性模型，通过反馈控制，构建了一种自适应等效燃油消耗最小值策略（A-ECMS）。结果表明，车辆的驾驶舒适性相比于没有速度优化的策略提升了75.92%，且燃油经济性相比于两种常用的基于线性规划的策略分别提升了7.39%与10.91%。

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基于最优方法的碰后辅助驾驶控制策略

周兵,魏佳宝,柴天,吴晓建,王鹤

2023 (4): 561-571. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.04.004

摘要 ( 117 )

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PDF(6485KB) ( 154 )

在碰撞事故中，车辆发生侧向碰撞后往往会同时产生剧烈横摆与横向运动，普通驾驶员难以正确应对此种紧急工况，车辆可能会失去稳定性，甚至造成更严重的事故。为减少车辆失稳以及驾驶员误操作等原因引起二次碰撞，本文提出一种碰后即接管车辆驾驶权限的两阶段碰后辅助驾驶控制策略。在第1阶段中，综合车辆稳定性和横向位移两项指标设计了代价函数，通过分层控制使车辆碰后快速回归稳定，并减小横向位移，以降低二次碰撞风险。然后依据相平面法所划分的稳定域制定控制系统切换准则，在判断当车辆稳定后，控制系统切换至第2阶段的路径跟踪控制，由模型预测路径跟踪控制器将控制车辆驶回原车道，以减小对相邻车道的影响。最后通过仿真实验，在不同强度的侧向碰撞中验证了本文所提出的控制策略的有效性。

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双重下采样增强的点云改进配准算法研究

陈仲生,李潮林,左旺,侯幸林

2023 (4): 572-578. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.04.005

摘要 ( 77 )

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PDF(976KB) ( 93 )

自动驾驶领域对点云配准实时性要求高，而已有ICP算法及其变体存在对初始位姿要求高、配准速度慢等问题。鉴于此，本文提出了一种改进的快速点云配准方法，首先采用双重下采样方法对初始点云数据进行预处理，在保留原始特征的同时快速降低点云数据量，然后引入内部形状描述子（ISS）来优化超级全等四点集（Super4PCS）算法，降低其时间复杂度，最后选用线性最小二乘优化ICP算法进行快速精配准。采用斯坦福点云数据和自动驾驶Kitti点云数据对该算法有效性进行了测试和对比验证，结果表明：该算法具有良好的鲁棒性，且配准精度和配准速度均比已有算法有明显提高。

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混动履带式无人平台轨迹跟踪控制研究

张彬,邹渊,张旭东,孙逢春,吴喆,孟逸豪

2023 (4): 579-587. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.04.006

摘要 ( 138 )

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PDF(5229KB) ( 150 )

为了提高履带式无人平台的轨迹跟踪性能，提出了一种考虑纵向速度规划的分层轨迹跟踪算法并进行了联合仿真验证和实车验证。在建立了包含履带的滑移滑转率和质心侧偏角的车辆运动微分方程的基础上，完成分层轨迹跟踪算法框架的构建。上层基于伪谱法的速度规划算法根据路面信息进行纵向速度规划，并将规划的速度作为目标车速下发给下层基于线性时变模型预测控制（LTV-MPC）的轨迹跟踪算法。基于LTV-MPC的算法通过建立预测模型和约束条件，二次规划求解出两侧电机的目标转速。通过Matlab/Simulink和RecurDyn的联合仿真以及实车验证了所提出的算法在不同地面条件下具有良好的轨迹效果。

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基于轨迹预测的智能汽车行驶风险评估方法

高翔,陈龙,王歆叶,熊晓夏,李祎承,陈月霞

2023 (4): 588-597. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.04.007

摘要 ( 212 )

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PDF(3026KB) ( 231 )

提出了基于预测轨迹的行车风险评估方法，首先建立了沿预测轨迹两侧具有渐变高斯截面特征的驾驶风险域DRF以表征驾驶员行为的不确定性，然后考虑车辆与周围静态、动态障碍物处于特定状态的风险后果建立环境事件成本，得到适应复杂行车场景不确定性的量化感知风险，并基于贝叶斯理论融合预测区间内的量化感知风险时间序列，实现了对于未来行车潜在碰撞风险的预测。实车轨迹和仿真实验结果表明，相比于经典TTC指标方法，基于融合未来一段时间内自车与周边环境交互信息的DRF的风险评估方法可以更快、更准确地辨识复杂交通场景的行车风险变化，为研究周边多车复杂场景下车辆碰撞风险问题提供了参考。

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考虑配电网负荷的电动汽车分布式充电控制

吴忠强,张长兴

2023 (4): 598-608. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.04.008

摘要 ( 130 )

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PDF(2364KB) ( 116 )

针对大规模插电式电动汽车接入对配电网安全运行造成威胁的问题，提出一种考虑配电网负荷的电动汽车分布式一致性最优充电方案。该方案采用双层优化结构：上层以减少配电网负荷波动与满足充电站功率需求为目标建立数学模型，采用粒子群优化算法求解各时段电网分配给充电站的功率；下层在充电站功率供不应求的情况下，以最大化整体用户的利益和减少充电电流波动为目标建立数学模型。提出一种基于多智能体的分布式充电协议求解电动汽车的最优充电功率。该协议是分布式的、可实现电动汽车的即插即用，且具有很好的鲁棒性和扩展性。该方案既保障了配电网的安全运行又提高了整体用户的满意度。仿真验证了方案可行性。

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基于遗传算法的车用轴向磁通电机温度模型优化

李兆宗,张硕,张承宁

2023 (4): 609-618. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.04.009

摘要 ( 86 )

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PDF(3802KB) ( 113 )

分段电枢轴向磁通电机基于其较高的转矩密度和紧凑的轴向尺寸，近年来被广泛应用于电动汽车领域。然而，由于分段电枢绕组与冷却结构接触位置的材料构成复杂，各点的接触压力难以确定，该区域的热导率始终是此类电机温度预测的难点。针对非理想接触面的传热行为，本文提出了一种在三维热阻网格模型基础上建立加权模型的研究方法以微调未知热导率。首先，介绍原理样机的拓扑结构，建立分段电枢单扇区的热阻网格模型以及加权模型框架。然后，通过遗传算法训练加权模型中的未知热导率，并使用该模型替换了传统的电机单扇区热阻网格模型。最后，该方法在原理样机实验台架中得到验证。

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汽车永磁同步电机切换函数式混合控制策略

吴志恒,刘爱民

2023 (4): 619-627. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.04.010

摘要 ( 95 )

HTML ( 7 )

PDF(2456KB) ( 139 )

为提高电动汽车所配永磁同步电机（PMSM）的驱动系统工作效率，增强运动过程的平稳性及响应速度，以达到提升电动汽车驱动系统的整体动态控制性能。根据电动汽车电机工作特性分析及反馈控制原理推导，提出并设计切换函数式混合控制技术。该控制技术有效地提高了车用电机控制系统的动、静态性能和鲁棒性。为验证所提控制技术的有效性，建立仿真模型对其进行仿真分析，并搭建实验平台进行实验验证。仿真与实验结果均表明，所提控制技术具有输出响应快、无超调和振荡的优点，能够提高电机工作效率，优化驱动系统输出特性，提升电动汽车驱动系统的控制性能。

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考虑环境温度影响的超级电容SOC加权融合估计方法

王春,唐滔,张永志

2023 (4): 627-636. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.04.011

摘要 ( 91 )

HTML ( 6 )

PDF(4009KB) ( 131 )

超级电容荷电状态（SOC）的准确估计，直接决定了电动汽车的起动、爬升和加速性能，是电动汽车混合储能系统最重要的任务之一。为此，本文中提出了一种基于模糊熵加权融合的超级电容SOC估计方法。首先，利用粒子群算法辨识了-10、10、25和40 ℃下的戴维南模型参数，并且采用最近邻点法建立了其与温度之间的映射关系。然后，利用模糊熵设计了基于3种典型卡尔曼滤波的SOC加权融合估计方法。最后，选择自适应加权平均以及残差归一化加权融合的SOC估计方法用于进一步评估该方法的性能表征。结果表明，基于模糊熵加权融合的超级电容SOC估计方法能够提高超级电容SOC估计精度，尤其在高温环境（40 ℃）下提升效果更为显著。

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基于相空间三维动态稳定域的重型车辆稳定性控制策略研究

康宇航,李韶华,杨泽坤

2023 (4): 637-646. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.04.012

摘要 ( 141 )

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PDF(4191KB) ( 194 )

重型商用车存在转动惯量大、控制响应慢等特点。针对重型商用车，基于质心侧偏角、横摆角速度、垂向载荷转移系数设计了三维相空间分析方法，从而判断车辆的实时稳定状态。针对不同的车辆行驶状态，采用AFS控制和AFS/DYC分级控制，并基于利用附着系数设计了可拓控制方法，从而补偿前轮转角和横摆力矩的控制输出，以保证控制器在不同工况下的鲁棒性。通过TruckSim/Simulink联合仿真和硬件在环实验验证了该方法的有效性，并在仿真中通过 $β - ψ ˙ - L T R$ 判断和 $β - ψ ˙$ 判断对比证明了相空间动态稳定域的优越性。仿真和实验结果表明：相比单纯以驾驶员意图操纵车辆，所设计的基于可拓 $H ∞$ 的AFS/DYC分级控制策略可以保证车辆在不同工况下的稳定性，尤其在低附着路面上表现出更好的稳定性，可有效降低车辆在极端工况下发生交通事故的概率。

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基于扭转刚度的电池包与车身集成设计研究

廉玉波,衣本钢,崔营营,田洪生,闫军飞,程晨

2023 (4): 647-653. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.ep.003

摘要 ( 184 )

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PDF(3062KB) ( 369 )

白车身扭转刚度是承载式车身的重要力学性能指标，对整车操稳性有着直接的影响，同时也是衡量车身轻量化水平的重要指标。由于新一代的纯电车身与传统车身有较大的结构框架差异，因此在车身设计初期，以提升扭转刚度为目标重新定义传力路径。本文基于理论分析及拓扑优化的方法找寻车身扭转刚度的最佳传力路径，通过电池包与车身的集成设计，使得车身形成多个近似圆环状的封闭结构。在车身没有增加额外质量的前提下，白车身扭转刚度可达到40 000 N·m/（°），车身轻量化系数达到1.75，做到纯电车的领先水平，同时使得整车操稳性能也大幅提升。

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气门重叠角对GDI发动机性能和微粒排放的影响

李晓娜,解方喜,窦慧莉,刘江唯,刘宇

2023 (4): 654-662. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.04.014

摘要 ( 84 )

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PDF(5095KB) ( 96 )

本文中研究了可变进气正时（IVT）、可变排气正时（EVT）和可变进排气正时策略（IEVT）形成的气门重叠角对缸内直喷汽油机燃烧和微粒排放的影响。研究发现在小负荷下3种正时策略中正气门重叠角的增加均会导致缸内残余废气量增加，滞燃期和燃烧持续期推迟和延长，油耗和HC排放均先减小后增加，NO _x 排放减小。在相同气门重叠角下，EVT的残余废气量最多，IVT对泵气损失改善最大达15.6%。相比IVT和EVT，IEVT在60 °CA的重叠角仍稳定燃烧且减少了传热损失和排气损失，油耗可降低8.67%，NO _x 减少了96.57%，微粒总数减少了89.43%。

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基于耐久老化车辆的实际道路行驶NO _x 排放控制方法研究

徐胜龙,宋军,袁伟

2023 (4): 663-671. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.04.015

摘要 ( 94 )

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PDF(5619KB) ( 129 )

为满足国六排放法规中在用车辆16万km RDE（real driving emission）检查要求，对两辆耐久老化车辆展开苛刻的1 ℃环境下转毂激进RDE试验研究。通过调整发动机的控制策略，对试验中NO _x 排放偏高的两个极端工况：冷起动后急加速及热机起步急加速至超高速阶段的运行参数进行优化，然后在多种组合下的转毂循环及实际道路行驶排放中对优化前后的策略进行了对比验证。结果表明：VVT、过量扫气系数、目标空燃比及老化催化器窗口控制分别对耐久老化车辆的冷、热机超大负荷运行工况下NO _x 排放量影响较大，合适的策略可使NO _x 整体下降超40%；先基于耐久老化车辆开展转毂激进RDE开发，再进行实际道路行驶排放验证，是一种有效的RDE开发方法。

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柴油机缸内两相流卷吸效应对燃烧模式的影响

杨淼,林学东,李德刚,刘迎澍

2023 (4): 672-680. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.04.016

摘要 ( 89 )

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PDF(4726KB) ( 76 )

预混合燃烧和扩散燃烧是柴油机的基本燃烧模式，本文选取高压共轨直喷柴油机两种典型燃烧室：缩口型燃烧室和扩口型燃烧室，通过仿真计算研究在不同背景气流环境下基于卷吸效应的混合气形成机理。结果发现：喷射初期油束贯穿背景气流时，油束表面小尺度涡流引起的卷吸效应是形成预混合气的主要原因；对一定的喷射条件不同背景气流直接影响卷吸效应；缩口型燃烧室喷射初期卷吸作用强，预混合速率较快，且大部分燃料在燃烧室内部强滚流的作用下快速扩散燃烧，所以属于预混合扩散燃烧（PDC）模式，虽预混合燃烧占比小，但高温区宽；扩口型燃烧室虽喷射初期卷吸效应相对较弱，预混合燃烧速率较低，但油束冲击壁面凸台后形成二次预混合过程，使预混合气形成持续期延长，预混合燃烧占比大，形成双预混合扩散燃烧（DPDC）模式，通过这种DPDC燃烧模式可减小高温区域面积，由此有效抑制NO _x 的生成。

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某SUV后视镜降噪设计与风洞试验验证

宋妙妍,周国成,陈宏清,陈宝

2023 (4): 681-689. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.04.017

摘要 ( 116 )

HTML ( 9 )

PDF(5722KB) ( 118 )

为研究后视镜镜臂对其产生的气动噪声的影响，针对某SUV后视镜采用脱体涡（detached eddy simulation）方法分析其流场和近场噪声特性。通过改变镜臂外形设计了两种降噪模型，在航空工业气动院FL-53风洞开展了3个后视镜模型的气动噪声风洞试验。结果显示：通过改变镜臂周围曲率，能够减小涡的尺度，改变涡脱落的方向，降低后视镜尾流区域近场噪声，且风速会影响部分频段的降噪效果；从远场指向性看，3个后视镜在尾流区声压级较大，降噪模型没有改变远场指向性。

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混动车型平衡轴齿轮敲击噪声优化

刘月普,关莹,张燕,赵亮,陈强,杨景玲,沈拓

2023 (4): 690-698. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.04.018

摘要 ( 261 )

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PDF(11413KB) ( 204 )

为了优化纵置混动车型平衡轴齿轮敲击噪声，对比横置车型结构差异，识别出飞轮惯量变大，曲轴模态降低，平衡轴驱动齿圈角加速度变大，导致平衡轴齿轮敲击，而常规单级减振器匹配呈现“此消彼长”规律，无法覆盖发动机全转速段角加速度优化目标，因此开发出双级扭转减振器，降低平衡轴驱动齿圈角加速度，可解决齿轮敲击问题；使用Simpack软件搭建了齿轮敲击多体动力学模型，研究了平衡轴齿轮敲击产生和传播机理，进而开发出双消隙平衡轴，通过减小啮合过程中轮齿双侧受力冲击，进一步优化了齿轮敲击噪声。结果表明，综合使用双级减振器和双消隙平衡轴可解决齿轮敲击问题，对平衡轴齿轮设计和敲击问题优化具有重要的工程意义。

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基于关联规则挖掘的车辆故障码分析

胡杰,耿號,李源洁,耿黄政,童敏敏

2023 (4): 699-708. doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.04.019

摘要 ( 119 )

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PDF(2887KB) ( 133 )

本文中基于车载诊断原理，将车载自诊断过程产生和保存的故障码（diagnostic trouble codes， DTC）分析与关联规则挖掘相结合，提出适用于挖掘故障码数据关联的改进FP-Tree算法，并根据得到的关联规则建立整车故障码关联图，将其应用于历史数据分析流程与车辆维修流程。挖掘数据中有趣关联规则，提供关联可视化结果；对维修过程读取的驳杂故障码进行分析，减小故障码复杂性，分析主要故障码，缩短基于故障码的检修时间，协助维修人员定位故障。

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