智能控制在汽车上应用的进展综述

1智能控制在汽车上应用的进展综述一、简介1.1汽车智能化综述从上个世纪的末期，全球的汽车以汽车的电动化、智能化、网联化为主题进入一个重大的历史时期。到本世纪初，随着ICT技术的发展，汽车的智能化和网联化系统随之诞生，由此产生了一种新型的交通系统。“智能汽车”是在普通汽车的基础上增加了先进的传感器、控制器、执行器等装置，通过车载传感系统和信息终端实现与人、车、路等的智能信息交换，使汽车具备智能的环境感知能力，能够自动分析汽车行驶的安全及危险状态，并使汽车按照人的意愿到达目的地，最终实现替代人来操作的目的。从汽车自身的智能化来讲，我们现在处于这种汽车的一种智能化的初级阶段，即智能驾驶辅助这个阶段，其终极目标就是无人驾驶。另外从智能汽车发展模式来讲是两种模式，一种是依靠自身车载传感决策和控制系统，来实现自动驾驶。另外一种是通过协同的方式，借助通信的技术，利用车联网和物联网的整合，来实现它的整个一种智能化的驾驶。总之，汽车的智能化可以归结为两轴或者两个发展，一个是纵轴，就是由现在的部分功能的替代到以后完全的无人化驾驶，另外一个就是自身的提升，单车的智能化并不能解决交通的问题，所以必须通过网联化把汽车和交通系统，交通所有参与者在一个平台上一个系统下进行完全的可控可调，这样才能彻底地改变交通社会现在面临的诸如安全、拥堵、节能的问题。所以未来期望或者目标的实现是一个智能网联的汽车。智能汽车它会带来对我们社会产业带来什么样的变化？首先我们关注的是安全，通过汽车的智能化、网联化，交通事故可以降低到目前的1%。现在每年因为交通事故死亡人数大概130万，也就是说在不远的将来也许二十年三十年以后，全球交通事故死亡率会低于1万甚至更低，未来接近的目标是零死亡零事故。第二，对于交通拥堵、油耗，对于整个经济，还有对于人的生活方式的影响都有非常高的期待。1.2国内外汽车智能化研究现状就汽车智能化发展而言，从美国来讲，从本世纪初他们对于智能汽车提出了一个定义，把它分为五个等级，第一个等级就是没有智能化，第二个等级是具有特殊功能的一些驾驶辅助，第三个等级是一个部分的自动驾驶，然后是高度自动驾驶到完全自动驾驶，以及无人驾驶这样五个等级，它设计的目标是到2025年能够实现完全智能驾驶。所以基于此，美国专门成立了交通变革研究中心，另外其交通部将推动汽车智能化网联化的发展作为一个国家战略，在。对于欧盟来讲，它制定了详细的发展路径图，就是从当下现有的驾驶辅助到2030年实现无人驾驶，或者能够产生无人驾驶的这种技术和产品，这是它的愿景。从日本来讲，不光从车，还从车和路两端来进行协调的发展，日本这一个计划详细地定义了从汽车、道路到各种法规协调发展的一个庞大的技术。发展汽车智能化一个强劲的动力是标准，汽车这个技术持续的迭代是依托于标准的，一个是排放的法规，一个是碰撞的法规，现在主动安全或智能安全的一些项目，已经纳入了汽车的法规评定体系DSRC里，这是对于技术持续进步的一个强大的推进力。从欧美整个发展情况比较来看各有特色，美国主打推动IT企业，并在该领域独领风骚，另外它在程序还有法规方面也是领先一步，从日本来讲，它的信息化体系是全球做得最为完2备的，它现在有一个VICS，交通系统信息，现在整个汽车是8千多万辆，有4千万辆已经入网，对于大数据信息化它有很强的一些设备支持。另外以丰田、日产这些汽车企业主导智能网联汽车的研发，引领这个行业的发展。欧盟在节油结点上基本同步，表现出政府推动、企业主导、标准先行的态势。从我们国家的情况来看，以中国制造2025这么一个规划龙头，由此确定我们国家整个发展的一个目标。总的来讲，就是到2020年，由驾驶辅助起步逐步过渡到部分自动驾驶，这是第一个目标。第二个目标是到2025年，驾驶辅助所占份额会达到60%，部分驾驶、全辅助驾驶份额会超过50%。从交通事故、交通死亡的人数，还有二氧化碳的排放这方面都提出了相应的一些明确的发展目标。从技术支撑框架来讲，从车辆的关键技术到信息交互的关键技术，到基础支撑技术，分成三大类，设立了些技术框架体系，当然需要解决的还是交通的安全、效率、节能减排和舒适等相关的一些目前产业发展面临的瓶颈问题。从具体的技术路线图来讲，就乘用车和商用车而言，从纵轴一个是网联服务系统和网联协同感知以及决策控制，这是一个方面，成为横轴时间轴部分的驾驶辅助、部分自动驾驶再到有条件的自动驾驶，再到完全的自动驾驶，也制定了时间表。也就是说初步是定2025年到2030年，希望能够实现自动驾驶和无人驾驶的这个技术和产品突破。在商用车这方面，基本上同一个时间表在进行相应的一些规划。前期实际上在国家的863项目支持底下已经做了相应的工作，清华和长安、同济千方北航，在十二五规划里面项目部多，就是围绕车路协同、网联式汽车控制，还有汽车的交通信号灯协同控制展开一些研究和示范。在这方面清华经过十一年研究在一些技术积累和产品开发方面，积累了相应的一些经验和技术。同时在一些产品产业化这方面，也培育了引领行业的零部件企业，像苏州的智华清研微视、苏州捷运，围绕汽车驾驶辅助、交通大数据、汽车导航，这方面推进它整个产业化的进程。从当下2016年到2025年，各企业都在各个方面提出了自己的一些发展目标和发展的里程碑。另外一个层面，互联网的企业现在也在积极参与整个汽车和交通智能化网联化的进程，上汽和阿里开发互联网汽车已经逐渐面世，还有像凯翼、滴滴打车、专车这方面都在开始努力。可喜是在通讯这个领域，我们国家现在在国际上已经有了一些地位和发言权，原来我们遵循一些国际的标准，中国的企业包括相关行业更多的是作为观察员的一种方式在参与。而我们现在用于LET—V通信技术，逐渐形成我们国家的国际标准，所以这个也有可能成为第一个中国版的车联网通讯系统。二、智能控制在汽车上的应用2.1车联网的关键技术及研究进展随着城市化进程的加速,汽车工业的高速发展,汽车已经成为城市交通系统中最重要的组成部分。随之而来交通拥堵和环境污染已经成为城市交通系统中最亟待解决的问题之一,极大的制约了我国经济发展。现行的管理模式已明显的落后于城市化进程,尤其是城市交通系统的管理系统已与高速增长的车辆和城市化设施建设严重脱钩。作为物联网特殊模型的车联网应运而生,车联网管理系统在智能交通中的应用能有效解决行车管理问题,对大力促进我国经济建设有重要意义。车联网(IOV:InternetofVehicle)是指人和车、车和车、车和路之间信息交互,实现车辆与公众网络通信的多层面连接,不仅可以根据不同的功能要求对车辆进行有效的导航与监管,还提供多媒体与移动互联网应用服务的一种网络,属于物联网的范畴。车联网作为物联网产业的一个重要分支已经成为一个研究热点[1]。在现有车联网的深3入建设过程中，由于应用层的推进，传统的车联网逐渐向多个应用领域推进[2]。车车通信是实现车联网的重要技术手段。为提高车车通信过程中汽车电子节气门的控制性能，郑太雄等[3]提出了基于Luenberger观测器的电子节气门全局快速滑模控制。基于电子节气门的非线性模型，设计了Luenberger滑模观测器，以实现对节气门开度变化的在线估计；其次，以节气门开度误差为输入，通过李雅普诺夫稳定性理论设计了全局快速滑模控制器与外部扰动自适应律，以确保系统的稳定性和鲁棒性。最后，对提出的控制方法进行仿真验证，并与现有方法进行对比分析，仿真结果证明了所提出控制方法的有效性。刘业等[4]对高速公路交通场景的车联网连通性模型进行了研究，分析推导了某特定路段上任意两车之间的连通概率、连通集直径长度以及连通集数目等连通性模型参数指标与车辆密度及传输距离之间关系的数学解析式，并在此基础上分析出车联网的节点位置是满足伽马分布的结论。接着根据车联网报文存储转发的特点，设计了一种车联网的报文格式，并应用连通性模型中的相关参数解析式给出了广播消息报文的TTL字段的初始值设定方案，从而能够有效地控制广播报文的泛滥情形，仿真实验证实了所建模工作的有效性，为车联网WAVE协议栈上层协议的设计提供了重要的理论基础。吴金舟等[5]提出一种基于高阶谱包络调制的车联网总线通信控制的信道无偏均衡算法。首先构建车联网网络通信系统模型。根据IEC61375协议，车联网TCN网络功能被划分为7层进行多处理器集群处理。基于MVB总线控制器进行软硬件设计，车联网的MVB上位机协同工作机制总体设计，进行车联网通信模型的分簇设计，通过高阶谱包络调制动态的跟踪信号功率的变化，得到高阶谱包络调制下的信道无偏均衡模型，实现了车联网总线通信控制的无偏均衡设计。仿真得出，采用该算法能实现车联网的信道无偏均衡，剩余均方误差有了明显的下降，提高了收敛速度，整体均衡效果最佳，在车联网通信和控制等领域具有较好的应用价值。鉴于车联网在提高驾驶安全性和道路通行效率方面起到的重要作用，刘辉等[6]针对车联网中的信息安全和隐私保护问题，提出了一个基于群组密钥管理的分布式信息认证方案。该方案使用高效的笔名签名来保护隐私；车辆使用基于无证书签密技术来获取密钥；密钥管理分区进行，减轻了密钥管理中心的负担；证书吊销列表实行属地化管理，解决了违规车辆的召回问题；采用批量验证技术降低了车辆的计算开销，使得信息认证的效率提高30%以上。安全性分析和仿真实验结果表明，该方案和现有车联网认证方案相比具有较高的安全性、可行性和鲁棒性。李小伟等[7]为了实现校车全程跟踪监控，避免交通事故的发生，在校车安全监控系统中采用车联网技术来实现校车间的互联互通。通过在传统GPS车载终端基础上加装车联网终端系统，使车与车之间能通过无线信息网络连接到校车安全云计算服务平台，并在平台内部加强信息安全技术的应用。该技术实现了校车人员状态监控、车辆行驶记录定位监测以及信息交互等功能，同时降低了车辆事故安全隐患及车辆油耗。赵亭等[8]针对目前汽车防盗系统所存在的不足与缺陷，设计了一款基于车联网的智能防盗系统，该系统可以实现智能防盗预警及失盗追踪。利用多传感器融合技术智能识别是否强行进入车辆来启动防盗系统；借助手机平台及互联网技术实现拍照、GPS跟踪、数据自动传输至网络、手机远程遥控和紧急按键启动防盗系统等功能。实验结果表明，该系统报警精准度为92%，定位精度可达5m，具有较高社会应用价值。针对城市交通行车难、停车难和复杂道路的即时导航易出现迷宫现象，席建中等[9]提出了开发一种具有自主知识产权、面向停车行车服务的车载终端自组车联网技术来实现行驶车辆寻找最佳路径导航预约停车、存取车辆及在线缴费等功能。将各种地面、地下平面停车场和小、中、大型及组合式立体停车场的车位信息等通过网络接口传送到服务器，再发送给客户端。客户将车载终端安装在行驶车辆中，采用GPS卫星定位动态地将车联网所有信息4全部展现在可视化车载终端上。行车导航关键技术的突破点是在特殊路况即多层立交桥、隧道以及多岔路口处选择行车方向，而普通导航在特殊路况下容易出现导航盲区。在特殊路况处设置标记信号，在可视化车载终端上安装信号收索装置进行信号比对，可提高导航效果。2.2汽车减震器的现状及发展趋势分析随着人们对汽车舒适性和稳定性要求越来越高，汽车在行驶过程中的震动问题凸现出来，也成为限制舒适性和稳定性的短板，这时人们需要使用到一个重要部件——减震器。减震器除了可以带来舒适的乘车体验外，还可以减少汽车其他零部件的损耗成都，延长其使用寿命。减震器的发展历史有一百余年,在最早期的汽车中所使用的减震器是由弹簧构成的。这种弹簧减震器虽然也能在一定程度上减少与路面之间的冲击性,但事实上很容易发生共振的现象,因此很快就被淘汰。在此之后所出现的减震器是液压减震器,1908年第一台液压减震器的出现,使得汽车的减震器发生了质的改变。这种减震器主要由橡胶制成的节流通道划分为两个部分,通过液压与节流通道之间的摩擦性来达到减震的目的[10]。后来随着技术的发展,逐渐的出现了摇臂式减震器,但由于其结构比较复杂,体积也比较庞大,因此很快就被淘汰。一直到二战结束以后,简式液压减震器的出现正是取代摇臂式减震器,这种减震器不仅在体积上比较小,更加有着成本低,寿命长的