汽車縱向動力學研究綜述

于旺

摘要：隨著汽車工業的發展，汽車縱向動力學研究不斷加深，汽車在道路上行駛，就會存在驅動、制動、滑移等縱向動力學方面的問題。針對這一問題的研究，人們提出了汽車縱向動力學的概念。汽車縱向動力學的研究主要包括：汽車制動動力學、汽車防抱死系統、汽車驅動防滑系統、汽車自適應巡航系統、汽車自動剎車系統。本文將主要介紹汽車縱向動力學控制系統組成和原理、汽車制動動力學控制系統的研究進展、汽車防抱死系統的研究進展、汽車驅動防滑系統的研究進展、汽車自適應巡航控制系統的研究進展、汽車自動剎車輔助系統的研究進展。

Abstract： With the development of the automotive industry， the research on the longitudinal dynamics of automobiles has continued to deepen， and there are problems with longitudinal dynamics such as driving， braking， and slipping when the car is driving on the road. In view of this problem， people have proposed the concept of automobile longitudinal dynamics. The research of automobile longitudinal dynamics mainly includes： automobile braking dynamics， automobile anti-lock braking system， automobile driving anti-skid system， automobile adaptive cruise system， automobile automatic braking system. This article will mainly introduce the composition and principle of automotive longitudinal dynamics control system， the research progress of automotive brake dynamics control system， the research progress of automotive anti-lock system， the research progress of automotive drive anti-skid system， the research of automotive adaptive cruise control system Progress， research progress of auto brake assist systems.

關鍵詞：汽車;縱向動力學;防抱死;驅動防滑;制動動力學;自適應巡航;自動剎車;系統

Key words： automobile;longitudinal dynamics;anti-lock braking;driving anti-skid;braking dynamics;adaptive cruise;automatic braking;system

中圖分類號：U469.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0023-02

0? 引言

目前城市的發展和道路的優化設計極大地考驗了汽車在道路上的行駛性能，要想在現有的道路上道路上提高交通流量并控制交通事故的發生，這就要求汽車設計者能在提高汽車安全行駛的車速和減小汽車與前后車之間的距離（但能有足夠的安全距離）的同時能夠保證汽車的各方面的穩定性能。在目前看來車輛駕駛員操縱能力的局限性很大程度上決定了其操作是否能滿足車輛在行駛時的安全性。因此，以往簡單地提高部分器械的機械性能發展輔助或者是部分取代人類的操縱穩定性方法已經不再適用，這就為提出車輛縱向動力學控制系統奠定了必要的基礎。

1? 汽車縱向動力學系統

車輛縱向控制系統作為車輛主動安全以及操縱穩定的系統，主要由關鍵的兩部分組成[1]，即上層和下層系統。它所需要的控制模型大致可以分為：整車制動模型、發動機模型、整車傳動模型和車輛穩定運行模型等。

1.1 汽車縱向動力學控制系統組成

車輛縱向動力學控制系統包括發動機、傳動系、制動子系統、整車行駛系等不穩定系統的關鍵部件，它的模型如圖1所示。

1.2 汽車縱向動力學系統的工作原理

如圖2所示，駕駛員踩下加速踏板，由發動機進行動力輸出（空氣燃燒的比例、EGR、氣缸的總進氣量、點火提前角、發動機轉速、驅動載荷、節氣門開度對其有關鍵影響），其中點火提前角、EGR和空燃比是由發動機自我調節控制輸出的數值，而節氣門位置、發動機轉速和驅動載荷是控制器的輸入值。①傳動系主要是將發動機輸出的力矩傳遞給車輛的行駛系。②行駛系子系統是接收車輛的傳動或制動扭矩，由此來判斷是否改變車速、加/減速度。此系統中的制動子系統的主要使命是接收執行器的制動命令并輸出制動扭矩。在實際的工況中，學者們通常建立車輛的縱向動力學系統非線性數學模型來獲得車輛的一些重要特性和關鍵數據，從而對整合車輛系統進行分析和研究[2]。

2? 汽車縱向動力學研究進展

美國的Shinya Kikuchi研究員和印度Partha Chakroborty研究員聯合研究了基于模糊推理邏輯車輛自動跟蹤控制模型，隨后對它進行了行車試驗[3]。美國D.B.Maciuca、J.K.Hedrick和J.C.Gerdes共同開發了適用于車輛自我行駛的自動制動系統。德國機械研究員Marcus Borner和Harald Straky等人為加強車輛的操穩性、道路行駛安全性，建立了懸架及制動系統模型。戴姆勒—奔馳公司的研究員K.J.Hunt和H.Fritz等人針對縱向動力學控制系統的非線性特性，建立了汽車縱向動力學參數的局部模型網絡（LMN）。國內對這方面的研究也緊隨世界車輛行業的潮流，比較突出的是中國重型汽車集團公司。

在當今的汽車縱向動力學研究中，汽車制動動力學、汽車防抱死系統、汽車驅動防滑系統、汽車自適應巡航系統、汽車自動剎車系統依舊是研究重點。同時也是提高車輛在道路上行駛安全性的關鍵。

2.1 汽車防抱死系統研究綜述

1936年，BOSCH公司提出了相對簡單的控制算法。19世紀50年代，ABS系統第一次被用在了汽車上。1970年美國福特公司和萊斯勒公司分別研制了有真空助力的 ABS制動裝置和采用四輪適用型的ABS裝置。1980年，微處理器的使用讓智能的ABS制動裝置有了突破性的發展。1990以后，ABS技術逐步發展成熟，其性能也有了極大的完善。在國內，1980年以后，我國一方面采用“引進—學習—創新”的戰略思路。另一方面，我國發布了鼓勵創新的政策支持，這一政策的提出使ABS的創新也取得顯著成果。ABS的制動性能是當今研究的重點方向。

2.2 汽車驅動防滑系統的研究進展

它可以通過ABS系統實現對車輛的控制，與ABS不同的是它能有效防止車輛在起步加速階段驅動輪發生空轉的現象，保證起步階段車輛滑轉率保持在需要水平。

1972年，日本的車輛研究員通過實驗研究發現車輛的滑轉可以通過控制發動機氣缸點火頻次來實現。1978年，德國人員研究出通過減少給發動機噴油來控制發動機的輸出轉矩，來實現對車輛滑轉控制的目的。1981年，日本研究員發現通過調節離合器接合程度也能限制驅動輪的過度滑轉。1985年，Volvo公司率先研制出了電子牽引力控制系統。1986年Benz公司和Wabco公司共同研發牽引力控制系統。1990年后，ASR技術迎來了發展的高峰期。1995年日本研發了通過調節發動機節氣門開度進而調節發動機的輸出轉速來實現控制空轉的裝置。21世紀后，主動安全性能將成為消費者的主要需求，這也在一定程度上推動了ASR的技術研究和發展。

國內，北京理工大學等都將ASR的研究列入重點研發課題，并在ASR的控制方法發面取得了很多突破。

2.3 汽車制動動力學控制系統的研究進展（基于EMB）

1869年，早期的EMB系統最先采用的是電磁盤式制動方式。1890年以后，出現了以鼓式制動和盤式制動為主導的EMB系統。1912年，隨著世界對制動器熱衰退型、制動性能需要的提高。1930年，研發出內置鼓式制動器取代了電子機械帶式制動器。直至1970年，視界研發的電子機械鼓式制動系統逐漸映入人們的眼簾。1995年Delphi公司研制了世界首個鼓式制動EMB執行器，同樣首次將EMB制動系統進行實車試驗并投入生產。2002年，由德國西門子研制出的典型的楔式自增力EMB制動執行器。

國內的頂尖高校是研究此領域的主要基地，主要是清華大學、吉林大學、同濟大學等。

2.4 自適應巡航控制系統研究進展

1950年學者開啟了ACC系統的研究，1960年，密歇根大學提出了“智能高速公路”的想法。1964-1971年，美國俄亥俄州立大學在對ACC的研究中指出ACC系統還要考慮到保持車隊的穩定性。1970年，歐洲開始研究自適應巡航控制系統技術，并對ACC系統進行了仿真與評估。1996-1997年，美國機構和高校進行了真車實驗。1980年日本開始了致力于智能交通系統的研究。直到1995年，日本研制出了第一代ACC系統。21世紀初，各國各個政府開始大力鼓勵在汽車上裝有ACC系統，以保證汽車的跟隨穩定性。利用ACC系統與車道保持相融合，以及與避撞相結合等。相比我國，主要針對控制算法的研究。

2.5 汽車主動避撞系統的研究進展

1938年，Gibson第一次對行駛安全進行討論，并將局部碰撞、汽車安全等一些新的詞語用于行駛理論中。1962年，以德國、日本、美國為代表的發達國家開展了對該方向的研究。1980年，雷達、微機等技術的發展，很大程度上推動了主動避撞系統的技術突破。1986年，德國奔馳公司和10家歐洲公司通過研究先進電子計算技術來提高道路安全和交通效率。1999年，梅賽德斯—奔馳推出Distrnic主動避撞系統并將其用在220型系列S級轎車上。1991年，日本交通運輸部倡導第1個先進安全汽車計劃開始實施，并在2000年獲得產業化產品生產。日本一汽豐田自主研發設計了主動預防安全系統。

到21世紀，主動避撞系統的研究方向逐漸分化為關注駕駛舒適性的自適應巡航系統和關注行駛安全性的自動緊急制動系統。

3? 發展方向

汽車縱向動力學作為汽車研究領域不可或缺的一部分，其研究和發展貫穿著整個汽車安全領域的發展。我相信ABS、ASR的系統控制會更加完善。主要包括：ABS和ASR一體化、動態穩定控制系統VDC、ABS與自動巡航系統（ACC）集成、減小體積，降低重量的辦法等。ACC控制算法的研究更加全面更加符合當代道路的特點，同樣EMB控制系統的發展會更加迅速、更加智能和完善。

參考文獻：

[1]Rajamani.R.， Shladover.S.E. An experimental comparative study of autonomous and cooperative vehicle-follower conttol systems.Transportation Research Part C： Emerging Technologies. 2010.9（1）：15-31.

[2]秦貴和，葛安林，雷雨龍.智能交通系統及其車輛自動控制技術[J].汽車工程，2001，23（2）：92-96.

[3]partha. Chakroborty，Shinya Kikuchi.Evaluation of the General Motors based car-following modeis and a proposed fuzzy inference model.Transportation Research part C.2015（7）：206-23.