王世軍

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的顯著提高，人們生活水平在直線提升的同時(shí)，對(duì)于交通工具提出了更高的要求，智能汽車便應(yīng)運(yùn)而生，汽車的操縱穩(wěn)定性也受到越來(lái)越多的重視。汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（DSC），是需要進(jìn)行重點(diǎn)突破的汽車主動(dòng)安全控制系統(tǒng)。本文系統(tǒng)分析了智能汽車的特點(diǎn)，對(duì)汽車動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入探析。

關(guān)鍵詞：智能汽車；汽車動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

時(shí)代的發(fā)展、科技的進(jìn)步，促使人們對(duì)于汽車的總體水平提出了更高的要求，尤其是在操控性能和安全穩(wěn)定性能方面。為此，汽車制造企業(yè)進(jìn)行了深入研究和諸多嘗試，以先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)為依托，研制出制動(dòng)防抱死系統(tǒng)，也就是ABS系統(tǒng)，來(lái)維護(hù)汽車的安全穩(wěn)定，目前被廣泛應(yīng)用于市場(chǎng)。而汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（DSC）是保證汽車主動(dòng)安全控制系統(tǒng)的又一項(xiàng)新技術(shù)，其性能要高于ABS系統(tǒng)。

一、智能汽車的定義和主要特點(diǎn)

智能汽車是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級(jí)輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代傳感、信息融合、通信、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。通俗來(lái)講，智能汽車就是以普通汽車為基礎(chǔ)，以先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)為依托，加上傳感器、控制器、執(zhí)行器等高新技術(shù)裝置，使車輛在不需要人的手動(dòng)操作的條件下，可以自動(dòng)感知環(huán)境，判斷出當(dāng)前所處環(huán)境安全與否，并能根據(jù)人的意愿抵達(dá)目的地。

智能汽車最大的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。在計(jì)算機(jī)科學(xué)、模式識(shí)別、圖像處理等多種智能領(lǐng)域的協(xié)同作用下，智能汽車具備了與人類類似的環(huán)境感知能力，并且通過(guò)傳感器、攝像機(jī)、自動(dòng)操縱系統(tǒng)等裝置，智能汽車可以在不需要人類操控的情況下，完成汽車啟動(dòng)、加速、減速、剎車、停車，甚至繞行障礙物等一系列程序。即便在車水馬龍、道路狀況不佳的環(huán)境下，智能汽車也能通過(guò)智能系統(tǒng)，選擇最優(yōu)路徑，以安全、合理的方案只會(huì)汽車完成自動(dòng)行駛。除了可以自動(dòng)駕駛，智能汽車還具有自動(dòng)跟蹤、自動(dòng)學(xué)習(xí)等特點(diǎn)。

二、智能汽車的發(fā)展歷程

早在20世紀(jì)80年代，美國(guó)率先提出了自動(dòng)駕駛汽車的概念。20世紀(jì)90年代，美國(guó)、德國(guó)、意大利等發(fā)達(dá)國(guó)家，在智能汽車方面的研發(fā)上取得了較大的進(jìn)展。2005年，美國(guó)甚至主辦了一屆智能汽車大賽。與這些西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)受到歷史因素和經(jīng)濟(jì)、科技實(shí)力限制，對(duì)于智能汽車的研發(fā)起步較晚，取得的成果也不夠豐富。隨著我國(guó)科技水平的顯著提高和電子技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，智能汽車逐漸走入人們的日常生活，國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)對(duì)于汽車動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)的研究也日益深入，運(yùn)用的都是相同的科學(xué)技術(shù)，其設(shè)計(jì)理念和性能也都是一致的。

三、智能汽車研究設(shè)計(jì)所需的關(guān)鍵技術(shù)

導(dǎo)航定位技術(shù)是智能汽車行駛中最為需要的技術(shù)之一，它是通過(guò)傳感器、GPS等提供的數(shù)據(jù)，來(lái)選擇行駛路線、判斷障礙物與車輛之間的關(guān)系，從而確定智能汽車的位置、行駛狀態(tài)，確保汽車安全準(zhǔn)確行駛。決策控制器的設(shè)計(jì)技術(shù)：智能汽車會(huì)利用傳感器等裝置去感知環(huán)境，并做出科學(xué)的計(jì)算分析，除此之外的行為選擇、路徑規(guī)劃等都在決策控制的范疇。就現(xiàn)今人們對(duì)于決策控制的研究來(lái)看，研究方向主要為側(cè)向控制系統(tǒng)決策和縱向控制系統(tǒng)決策。其中，控制智能汽車按照提前設(shè)定好的路徑安全行駛，屬于側(cè)向控制系統(tǒng)范疇，而控制智能汽車的行駛速度則屬于縱向控制系統(tǒng)的研究對(duì)象。智能汽車通過(guò)傳感器準(zhǔn)確獲取外界和自身性能的信息后，才能確保車輛安全行駛，但任何事情都沒(méi)有絕對(duì)性，傳感器也無(wú)法保證它采集的所有信息都是可靠的準(zhǔn)確的，所以，采用多路傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)十分必要，它可以有效提高智能汽車決策控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

此外，制動(dòng)防抱死系統(tǒng)，也就是ABS，對(duì)于智能汽車的研究設(shè)計(jì)提供了重要的技術(shù)支持。導(dǎo)致汽車不穩(wěn)定的原因主要分為兩種，一種是汽車本身的不穩(wěn)定性，一種是駕駛員面對(duì)突發(fā)狀況時(shí)做出的錯(cuò)誤操作。良好的汽車動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)，能夠很好地識(shí)別誤操作并給予正確的控制。作為最先出現(xiàn)的汽車主動(dòng)安全控制系統(tǒng)，ABS通過(guò)瞬時(shí)開(kāi)斷電磁閥來(lái)控制制動(dòng)壓力，調(diào)節(jié)輪胎的滑移角度、力度等，以此實(shí)現(xiàn)車輪與地面的附著達(dá)到最佳狀態(tài)。

四、研發(fā)動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)的必要性

近年來(lái)我國(guó)交通網(wǎng)絡(luò)日漸發(fā)達(dá)，汽車總量也逐年遞增。得益于現(xiàn)代汽車動(dòng)力性的日漸強(qiáng)大，車速也較之從前有了質(zhì)的飛躍。但由于我國(guó)車輛駕駛者的綜合素質(zhì)參差不齊，一些駕駛?cè)藛T的駕駛水平較低，嚴(yán)重影響車輛的安全行駛，對(duì)其他車輛和駕駛員的安全也造車威脅?；趯?duì)這一因素的考慮，研發(fā)汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，提高智能汽車操作的穩(wěn)定性勢(shì)在必行。

五、汽車動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)研究的基本原理

我們通常所說(shuō)的對(duì)于汽車動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)研究，其主要研究對(duì)象是汽車的穩(wěn)定性和可控性，也就是通過(guò)對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的控制，避免汽車進(jìn)入不可控制的不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)汽車處于穩(wěn)定可控的狀態(tài)下時(shí)，質(zhì)心偏側(cè)角往往處于相對(duì)較大的狀態(tài)，車輪的側(cè)向力已接近輪胎與地面的附著力極限，此時(shí)如果只依靠方向盤(pán)來(lái)控制汽車的穩(wěn)定性，并不能達(dá)到良好的保證車輛穩(wěn)定性的效果。此時(shí)，縱向力匹配來(lái)產(chǎn)生橫擺力矩的控制方法更為有效。使用此方法，可以使車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)達(dá)到最理想的穩(wěn)定值。下面是測(cè)試其穩(wěn)定性的具體方法：首先，利用傳感器歲汽車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)檢測(cè)，記錄數(shù)值，包括側(cè)偏角大小、左輪與右輪的速度差、橫擺角速度等等，當(dāng)實(shí)際數(shù)據(jù)與名義數(shù)據(jù)存在較大差距時(shí)，可通過(guò)模糊邏輯控制器計(jì)算出所需要控制的橫擺力矩，以此來(lái)改善汽車操縱的穩(wěn)定性。

六、車輛動(dòng)力學(xué)模型的建立

在進(jìn)行智能汽車動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的測(cè)試之前，建立精確度高的動(dòng)力學(xué)模型十分必要。動(dòng)力學(xué)模型普遍采用的是兩輪的模型參數(shù)，它可以比較全面的考慮車輛的運(yùn)動(dòng)控制。在動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)研究中，兩輪模型的應(yīng)用最為普遍?？蒲腥藛T在此模型基礎(chǔ)上，還進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了例如側(cè)偏角估算法等算量和參數(shù)。在測(cè)試汽車動(dòng)力學(xué)體統(tǒng)時(shí)，兩輪模型的應(yīng)用較為廣泛，但在分析方針環(huán)節(jié)時(shí)，四輪多自由度汽車仿真模型則更適用。

七、車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的控制策略

車輛的動(dòng)力性能對(duì)于車輛的行駛安全具有極為重要的作用，當(dāng)汽車行駛在路面上時(shí)，經(jīng)常要進(jìn)行轉(zhuǎn)向，為了確保行駛安全，進(jìn)行車輛的動(dòng)力學(xué)控制十分必要。上文中做過(guò)分析，橫擺力矩是影響車輛動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性的直接因素，所以可以通過(guò)控制以下兩個(gè)方面，來(lái)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的控制：

第一個(gè)方面是，通過(guò)減小車輛驅(qū)動(dòng)力的方式，使輪胎側(cè)向附著力增大，這樣一來(lái)就可以有效提升車輛對(duì)于外界側(cè)向力的抵抗能力。

另一個(gè)方面是，通過(guò)加大車輛的橫擺力矩，借助方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角控制、驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力的控制，使車輛行駛的穩(wěn)定性增強(qiáng)。驅(qū)動(dòng)力控制是指通過(guò)減小驅(qū)動(dòng)力的方式，使得側(cè)向力潛能得以提升，這種控制只能在驅(qū)動(dòng)條件下應(yīng)用，而且控制效果一般，并不是十分明顯。制動(dòng)力控制分為兩種情況，第一種是在驅(qū)動(dòng)條件下，給驅(qū)動(dòng)輪施加適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)力，另外一種情況是在制動(dòng)條件下，減小制動(dòng)力。相比于驅(qū)動(dòng)力控制，制動(dòng)力的應(yīng)用潛能更為巨大，應(yīng)用范圍也更廣泛。

寶馬、捷豹等汽車公司將汽車動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)稱之為汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定控制，也就是DSC。該系統(tǒng)在保證車輛橫向穩(wěn)定性方面發(fā)揮了重要作用，當(dāng)車輛發(fā)生轉(zhuǎn)向不足或過(guò)度時(shí)，汽車的轉(zhuǎn)角傳感器、輪速傳感器等會(huì)向系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)控制車輪進(jìn)行制動(dòng)，使汽車在變換車道或是過(guò)彎時(shí)能夠更加平穩(wěn)而安全。

結(jié)語(yǔ)

加強(qiáng)在汽車動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)的研究，對(duì)于提高我國(guó)在人工智能、電機(jī)控制等領(lǐng)域的技術(shù)水平具有重要意義，極大地提高我國(guó)智能汽車的發(fā)展速度。同時(shí)，智能汽車的不斷發(fā)展，可以有效改善城市交通擁堵、交通事故頻發(fā)等問(wèn)題，在未來(lái)智能交通的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

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