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当期目录

    2023年, 第45卷, 第7期 刊出日期:2023-07-25 上一期    下一期
    专题:汽车智能化关键技术
    面向变曲率道路的自动驾驶汽车换道博弈运动规划与协同控制研究
    林程, 汪博文, 吕沛原, 宫新乐, 于潇
    2023 (7):  1099-1111.  doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.07.001
    摘要 ( 266 )   HTML ( 20 )   PDF(8385KB) ( 290 )  

    当多辆自动驾驶车辆在结构化道路上执行换道合流任务时,需要综合考虑转向和合流动作以避免事故的发生,同时曲率和周车车速的变化也增大了协同控制的难度。本文聚焦上述问题,提出了面向变曲率道路的多车换道博弈运动规划与协同控制方法。首先,建立曲率坐标系下的多车模型来解析车间安全距离及动力学状态。其次,通过系统地考虑道路曲率变化及周围车辆信息,提出基于博弈的多车换道运动规划算法,采用分布式框架快速求解兼顾个性化驾驶的最优速度轨迹及换道时机。最后,基于B样条曲线高效识别道路曲率及规划轨迹,构建了自适应时变预测控制算法实现轨迹跟踪,其特点在于单步参数矩阵实时更新,消除车速和曲率频繁变化带来的控制偏差累积。实验结果表明,相比斯坦利(Stanley)方法,能降低58%的跟踪误差;相较协同自适应巡航方法,能减少74%的合流时间;另外计算求解效率也仅为集中式模型预测控制方法的10%。

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    基于级联YOLOv7的自动驾驶三维目标检测
    赵东宇, 赵树恩
    2023 (7):  1112-1122.  doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.07.002
    摘要 ( 241 )   HTML ( 19 )   PDF(4587KB) ( 347 )  

    针对图像和原始点云三维目标检测方法中存在特征信息残缺及点云搜索量过大的问题,以截体点网(frustum PointNet, F-PointNet)结构为基础,融合自动驾驶周围场景RGB图像信息与点云信息,提出一种基于级联YOLOv7的三维目标检测算法。首先构建基于YOLOv7的截体估计模型,将RGB图像目标感兴趣区域(region of interest, RoI)纵向扩展到三维空间,然后采用PointNet++对截体内目标点云与背景点云进行分割。最终利用非模态边界估计网络输出目标长宽高、航向等信息,对目标间的自然位置关系进行解释。在KITTI公开数据集上测试结果与消融实验表明,级联YOLOv7模型相较基准网络,推理耗时缩短40 ms/帧,对于在遮挡程度为中等、困难级别的目标检测平均精度值提升了8.77%、9.81%。

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    基于改进混合A*的智能汽车时空联合规划方法
    胡杰, 张志豪, 陈瑞楠, 陈锐鹏, 刘昊岩, 朱琪, 陈晖
    2023 (7):  1123-1133.  doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.07.003
    摘要 ( 278 )   HTML ( 18 )   PDF(4436KB) ( 345 )  

    运动规划是自动驾驶系统生成轨迹的关键模块,现有运动规划多采用路径和速度解耦的方法,但解耦的规划方法在复杂动态场景下易陷入轨迹次优。本文提出了一种基于搜索和数值优化结合的时空联合运动规划方法,直接求解可行驶轨迹。首先使用改进混合A*在时空范围内进行轨迹粗搜索获得初始轨迹,然后以初始轨迹为参考构建可行驶时空走廊,并综合考虑车辆动力学和轨迹连续性约束等条件,使用数值优化的方法进一步平滑初始轨迹。选取换道超车和旁车切入两类典型复杂动态场景进行仿真测试,结果表明,所提时空联合规划方法相较于传统时空解耦规划方法更加灵活、规划结果更加合理,同时具有较好的计算实时性。

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    基于反馈纯跟踪的智能车路径跟随方法
    潘世举, 李建市, 李华, 娄静涛, 徐友春
    2023 (7):  1134-1144.  doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.07.004
    摘要 ( 118 )   HTML ( 15 )   PDF(3257KB) ( 211 )  

    为提高智能车在不同速度和载荷下的路径跟随精度和稳定性,提出一种基于反馈纯跟踪的智能车路径跟随方法。首先,基于车辆运动学模型和纯跟踪模型分析影响控制效果的因素;然后根据车辆速度和路径曲率动态调整前视距离,将横向偏差作为反馈变量对传统纯跟踪控制方法进行补偿;接着通过仿真试验选定控制参数,分析控制参数对路径跟随精度和车辆稳定性的影响;最后通过实车试验,验证该方法在实车环境中的控制性能。结果表明,该方法具有较高的路径跟随精度,在不同速度和载荷下保持良好的适应性和稳定性。

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    基于LSTM概率多模态预期轨迹预测方法
    高镇海, 鲍明喜, 高菲, 唐明弘
    2023 (7):  1145-1152.  doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.07.005
    摘要 ( 152 )   HTML ( 9 )   PDF(2157KB) ( 231 )  

    针对单模态轨迹预测无法充分表示未来预测空间以及解决轨迹预测固有的不确定性问题,本文构建了驾驶行为意图识别及交通车辆预期轨迹预测模型。驾驶行为意图识别模块识别被预测车辆车道保持、左换道、右换道、左加速换道和右加速换道的概率;交通车辆预期轨迹预测模块采用编码器-解码器架构,输出被预测车辆未来6 s内可能发生的多种行为和轨迹。通过HighD数据集对模型进行训练、验证与测试。试验结果表明:基于意图识别的预期轨迹预测模型生成的多模态概率分布可提高本车行驶安全性,与其他方法相比显著提高轨迹预测精度,在预测长时域轨迹上具有明显的优势。

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    汽车行驶轨迹数据密度峰值聚类算法研究
    江浩斌, 路保松, 李傲雪
    2023 (7):  1153-1162.  doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.07.006
    摘要 ( 115 )   HTML ( 1 )   PDF(6577KB) ( 194 )  

    随着物联网、V2X和智慧城市等技术的广泛应用,大量的车辆轨迹数据得以记录保留。利用这些轨迹数据可以提取相关信息,例如计算最优路径、检测异常驾驶行为、监测城市交通流量以及预测车辆下一个位置等,轨迹聚类是关键技术之一。密度峰值聚类(density peaks clustering,DPC)作为一种简单有效的基于密度的聚类算法,算法中局部密度的定义未充分考虑数据样本密度分布不均时密度差异的影响,也没有适用于汽车行驶轨迹的相似性度量。此外,算法在遇到相对高维的数据时效果不佳。本文通过引入k近邻思想(k-nearest neighbor,KNN)和主成分分析法(principal component analysis,PCA)并且改进相似性度量,提出了一种适用于汽车行驶轨迹的密度峰值聚类算法。该算法首先使用PCA对高维数据进行预处理;然后采用k近邻思想重新定义局部密度;最后通过重新定义轨迹间的距离函数,摒弃了欧氏距离对分配策略的不良影响。通过对人工合成数据集的实验,证明了算法的可行性;同时算法的有效性也在实际汽车行驶轨迹数据上得到了验证。

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    阶段约束下Gauss配点离散化平行车位自动泊车轨迹规划
    刘平, 陈卓, 刘明杰, 朴昌浩, Soohyun Jang, 万凯林
    2023 (7):  1163-1173.  doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.07.007
    摘要 ( 102 )   HTML ( 6 )   PDF(3903KB) ( 182 )  

    针对平行车位自动泊车高精度轨迹规划,提出一种联立多阶段划分和非均匀Gauss配点参数化的轨迹优化算法。首先,结合车辆泊车动力学方程和约束条件建立了平行自动泊车数学模型;然后,根据泊车过程,提出将泊车过程划分为泊车起动、接近车位、进入车位、姿态调整、泊车落位5个阶段,并建立各阶段对应的不等式约束条件;进一步,在伪谱法算法框架下,结合阶段约束给出了多阶段局部高斯配点策略,以此实现分阶段独立配点离散,从而提高泊车轨迹规划的精准度和适应性;最后,在通用小型汽车模型上在长短车位上进行仿真测试,验证提出方法的正确性和适应性。结果显示,相较于分段区域Gauss伪谱法,改进方法在获得平滑泊车轨迹的同时泊车时间平均减少2.976 s,时间性能提升21.7%,表明了所提算法的有效性。

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    基于自适应拟合的智能车换道避障轨迹规划
    李军, 周伟, 唐爽
    2023 (7):  1174-1183.  doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.07.008
    摘要 ( 127 )   HTML ( 8 )   PDF(2681KB) ( 168 )  

    研究动态环境下的自动驾驶车辆换道避障模型预测轨迹规划。首先定义坐标系及动态换道避障场景,确定车辆换道避障轨迹规划的行驶约束条件,搭建被控车辆和障碍物车辆模型;然后设计自适应分段贝塞尔曲线拟合算法用以拟合换道避障轨迹规划的离散点序列;进一步采用模型预测控制算法,设计自动驾驶车辆换道避障轨迹规划方法。最后,对动态环境下自动驾驶车辆换道避障模型预测轨迹规划进行仿真分析,结果表明:本文的换道避障轨迹规划方案能够使被控车辆在动态环境下完成障碍物的规避并保持稳定状态;所设计的自适应分段贝塞尔曲线拟合算法拟合轨迹连续且光滑,换道避障轨迹规划提供的离散点序列与贝塞尔曲线对应点的拟合残差保持在设定阈值内。

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    基于样本熵的车载CAN网络入侵检测
    崔英祥, 张幽彤, 魏洪乾
    2023 (7):  1184-1191.  doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.07.009
    摘要 ( 100 )   HTML ( 8 )   PDF(3185KB) ( 122 )  

    汽车的智能化和无人化发展增加了对汽车总线网络的依赖,如汽车的实时动力控制、操纵控制等均需要借助车载CAN网络作为信息传递的媒介。然而不像工业互联网等具有完善的信息鉴别和身份认证机制,车载CAN网络缺乏足够的安全防护措施,容易被不法分子入侵。因此,为提高车载CAN网络的安全通信保障,本文提出一种基于样本熵的入侵检测系统(sample entropy-intrusion detection system, SE-IDS)。具体地,通过实时采样汽车的总线数据构建样本熵测试集,利用样本熵的计算方法统计样本熵值,通过观察熵值的突变情况确定该时刻是否有攻击发生。此外,利用实际汽车ECU(electronic control unit)进行了硬件在环测试,分别验证了提出的方法对DOS(denial of service)攻击、模糊攻击、bus-off攻击的检测能力。测试结果表明,DOS攻击、模糊攻击、bus-off攻击均会使稳定的样本熵值出现不可导点,可以据此作为通信异常的标志,从而确定CAN网络遭受的入侵行为。此外,嵌入式设备的在线检测同样验证了该方法在实际ECU上的实时执行能力。

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    精选论文
    基于RCCI的柴油-天然气-氢气三燃料发动机整机性能研究
    秦文瑾, 石晶晶, 徐礼辉, 张振东, 孙跃东
    2023 (7):  1192-1199.  doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.07.010
    摘要 ( 78 )   HTML ( 3 )   PDF(2190KB) ( 221 )  

    随着环境污染和能源消耗问题的日益严重,寻求清洁可替代燃料与新型燃烧技术已经逐渐成为当今发动机的研究重点。本文对一台柴油-天然气-氢气三燃料RCCI发动机进行数值模拟计算,探究了不同氢气添加比例对发动机整机性能的影响。研究结果表明,随着氢气添加比例的增加,缸内混合气的燃烧速率显著提升,缸内压力峰值逐渐增加且出现峰值的相位提前,缸内平均温度增加;同时,发动机指示热效率增加,等效指示燃油消耗率减小,发动机的燃油经济性得到提升;由于压力升高率与声响强度在可允许的范围内,发动机的运行工况良好;另外,排气温度会随氢气添加比例的增加而降低,废气能量呈现下降趋势。综合来看,适当增加氢气添加比例,对改善发动机的整机性能有利。

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    基于交互式多模型卡尔曼滤波的主动悬架控制
    吴骁, 史文库, 陈志勇
    2023 (7):  1200-1211.  doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.07.011
    摘要 ( 138 )   HTML ( 4 )   PDF(4692KB) ( 235 )  

    针对固定状态观测器难以保证路面自适应悬架状态观测精度的问题,本文中在交互式多模型卡尔曼滤波(IMMKF)的基础上,建立了悬架状态观测器与控制器。首先基于LQG算法与模糊控制算法建立了路面自适应主动悬架系统。结合谐波叠加法,生成A-B-D-C级空间域路面不平度模型,作为仿真系统的输入。其次以各级路面的最优LQG模型为子模型建立了3种IMMKF悬架状态观测器与控制器。仿真对比表明:14模型的IMMKF悬架状态观测器相对于普通卡尔曼滤波观测器的观测精度最大可提升98.17%,并可用于识别路面等级,并且基于14模型IMMKF的自适应主动悬架控制器的车身加速度相对于被动悬架降低了75.99%、相对于普通LQG主动悬架降低了47.16%,验证了模型的优越性。

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    基于轮胎分段仿射辨识模型的车辆行驶状态估计策略研究
    孙晓强, 王玉麟, 胡伟伟, 蔡英凤, 陈龙, Wong Pak Kin
    2023 (7):  1212-1221.  doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.07.012
    摘要 ( 70 )   HTML ( 2 )   PDF(4543KB) ( 177 )  

    以车辆横向运动过程中的行驶状态精确估计为目标,提出了一种考虑轮胎非线性侧偏力学特性的行驶状态估计算法。为准确反映特殊行驶工况下车辆横向动力学行为演化规律,采用分段仿射辨识方法建立了轮胎非线性侧偏力学特性模型,进而实现整车横向动力学分段仿射模型的构建。在此基础上,基于强跟踪平方根容积卡尔曼滤波算法设计了针对系统分段仿射模型的“多模切换”行驶状态估计策略,以期当系统状态发生突变时依然能够保持良好的状态估计精度。基于CarSim和Matlab/Simulink建立了车辆行驶状态估计性能联合仿真验证平台,通过设置两种典型工况,对车辆横摆角速度和质心侧偏角的状态估计效果进行了验证。结果表明,所提出的估计算法能够实现特殊行驶工况下车辆行驶状态的高精度估计。

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    基于图像识别与动力学融合的路面附着系数估计方法
    张雷, 关可人, 丁晓林, 郭鹏宇, 王震坡, 孙逢春
    2023 (7):  1222-1234.  doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.07.013
    摘要 ( 167 )   HTML ( 10 )   PDF(6317KB) ( 250 )  

    准确的路面附着系数估计是车辆主动安全控制的前提。首先,建立了单轮动力学模型,利用卡尔曼滤波实现了轮胎纵向力精准估计,并结合魔术轮胎模型建立了基于粒子滤波的路面附着系数估计器;其次,提出了基于图像识别的前向路面附着系数预测方法,通过DeeplabV3+、语义分割网络和MobilNetV2轻量化卷积神经网络实现路面分割和路面类型辨识,并利用查表获取前向路面附着系数。最后,建立了图像识别与动力学估计时空同步方法和融合规则,实现了两种估计方法的有效关联与可靠融合。CarSim-Simulink联合仿真表明,本文所提出的基于图像识别与动力学融合的方法可有效提高不同工况下的路面附着系数估计精度。

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    基于多传感器信息的汽车低速车速估计方法
    浦震峰, 唐亮, 上官文斌, 王伟玮, 蒋开洪
    2023 (7):  1235-1243.  doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.07.014
    摘要 ( 135 )   HTML ( 10 )   PDF(1896KB) ( 230 )  

    为解决低速工况下轮速传感器测量精度低、更新周期长的问题,利用现有的底盘域传感器的信号,本文提出了一种基于多传感器信号的电驱动汽车低速车速估计方法。为准确估计车速,建立了基于多轮速脉冲信号的车速估算模型(模型I)和基于电机转速信号的车速估算模型(模型II)。在估算轮速时,模型I可以有效地避免噪声干扰,但在极低速的情况下,其更新周期较长;而模型II估算得到的轮速信息更新周期短、精度高,但其无法克服传动系统中由于齿隙所产生的冲击干扰。为充分发挥两种估算模型的优势,本文采用交互多模型融合算法对两个模型的输出结果进行加权融合,并通过实车对比测试,验证了所提出的低速车速估计算法在不同行驶路面下的准确性和可靠性。结果表明,相较于传统轮速估算方法,该方法在低速工况下具有更高的估计精度和实时性。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    封装工艺对电枢热导率影响的实验研究
    李兆宗, 张承宁, 章恒亮, 张硕
    2023 (7):  1244-1253.  doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.07.015
    摘要 ( 59 )   HTML ( 1 )   PDF(4467KB) ( 89 )  

    车用电机为满足不同驱动结构的需求,通常会在高转速和高转矩之间做出选择。为实现车用电机的高效区优化,多样化的电枢结构被应用于各类电机。相对于静态电器中使用的电枢,车用电机电枢最显著的特征在于其普遍需要使用非金属材料进行封装。但目前对于具有封装工艺的各类电枢,鲜有模型能够对其轴向热导率进行合理的预测。本文选取包括发卡绕组、圆形漆包线、换位漆包线、圆形利兹线和矩形利兹线在内的9款车用电机常见的电枢结构进行了研究。首先设计了一款用于测量电枢轴向热导率的实验台架,并提出一种补偿实验台架误差的数学方法。之后测量了9款电枢在封装前后的轴向热导率差异。最后基于各类电枢的加工方法和实验结果,分别对“平行电枢”和“绞合电枢”提出了考虑封装工艺对其影响的轴向热导率数学模型和经验公式。

    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    四驱SUV车辆的高温瞬态热害仿真与优化研究
    袁侠义, 肖露
    2023 (7):  1254-1262.  doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.07.016
    摘要 ( 70 )   HTML ( 4 )   PDF(5603KB) ( 90 )  

    汽车在高温环境下高负荷行驶后怠速或熄火,会导致位于发动机舱和下车体的部分零件温度瞬间升高,造成零件的热害。四驱车型由于四驱传动系统与排气系统在下车体中通道并行布置,使排气管和周边需要温度保护的零件之间的距离进一步压缩,零件的热害风险加大。本文中采用瞬态CFD仿真方法,模拟车辆在高温环境、高负荷行驶后怠速工况下零部件热害的发展过程。车辆环境风洞测试结果表明,高温瞬态热害CFD仿真误差基本在10%以内;把导致零件温度发生变化的对流换热功率和辐射换热功率分离,能准确地确定零件高温的原因,有利于快速找到优化方案。

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    超大尺寸一体式压铸铝合金后段车身疲劳仿真与试验研究
    曾维和, 苟黎刚, 罗宇, 张俊, 廖慧红
    2023 (7):  1263-1275.  doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.07.017
    摘要 ( 116 )   HTML ( 8 )   PDF(7302KB) ( 337 )  

    针对某车型一体压铸铝合金超大尺寸后段车身耐久开发问题,测试了压铸车身用铸态铝合金应变-寿命(E-N)数据,并对疲劳试样实测数据拟合得到合金E-N曲线关键参数;搭建Trim Body有限元模型,基于模态瞬态法计算了压铸车身应力动态响应,对应力时程响应信号雨流统计,结合实测拟合的E-N曲线和Miner损伤累积原理,对比分析了车身初始设计和优化设计方案的疲劳损伤;最后将优化设计的一体压铸件装车进行整车四立柱强化耐久测试。研究结果表明:压铸铝合金E-N关系曲线可用Manson-Coffin-Basquin方程描述;与初始方案比,改进设计的一体压铸铝合金车身最大损伤由2.67降低至0.32,疲劳开裂风险消除,经四立柱强化耐久试验验证一体压铸铝车身未见开裂。研究成果可为一体压铸铝合金车身达成耐久属性开发目标提供参考依据。

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    某车辆滚翻过程中乘员颈部动态响应
    傅耀宇, 周二振, 丁瑞阳, 周云波, 付条奇, 张明
    2023 (7):  1276-1285.  doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.07.018
    摘要 ( 90 )   HTML ( 3 )   PDF(4349KB) ( 112 )  

    为研究某型车辆滚翻过程中车内副驾驶乘员的颈部运动损伤类型,采用LS-Dyna软件模拟被测车辆坡度滚翻、平台车滚翻和螺旋滚翻过程,分析车辆滚翻过程中乘员颈部力和力矩响应情况,判断乘员颈部损伤状态。结合颈部力与力矩建立一种判断某时刻乘员颈部姿态的假设,可在试验中无假人运动录像的情况下再现假人运动姿态。对某型车辆进行整车坡面滚翻试验,验证坡度滚翻仿真结果的准确性。分析结果表明:结合颈部力与颈部力矩的响应情况可以准确判断副驾驶乘员在滚翻过程中的颈部运动状态,表明乘员头部与车体的接触碰撞对乘员颈部损伤有重要影响。

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    多角度冲击工况下铝/CFRP复合管诱导槽多目标优化设计
    王登峰, 卢春达, 梁鸿宇
    2023 (7):  1286-1298.  doi: 10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.07.019
    摘要 ( 74 )   HTML ( 1 )   PDF(4690KB) ( 135 )  

    角度冲击在车辆事故中较为常见,具有合理诱导结构的吸能装置对综合耐撞性能的发挥至关重要。本文研究了基于铝/CFRP复合管诱导结构的设计问题。为此,首先建立铝/CFRP复合管的高精度有限元模型,并进行试验验证。然后,基于多角度压缩工况,分别研究了诱导槽的位置参数、数量参数、形状参数以及尺寸参数对铝/CFRP复合管耐撞性能的影响规律。结果表明:诱导槽的位置参数对于综合耐撞性能影响最大,在复合管靠近顶端的位置处开设一个矩形诱导槽,可以大幅降低峰值力水平,同时兼顾吸能稳定性。最后,基于第二代非劣解排序遗传算法(NSGA-II)开展了复合管诱导槽的多目标优化设计。优化结果表明:在保证各工况权重方案的综合吸能性不降低的前提下,复合管的峰值力降低了35.5%,很好地解决了高吸能性与低峰值力难以兼顾的问题。该研究结果对于车辆碰撞吸能部件的设计应用具有重要的指导意义。

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