车辆智能控制技术的研究与应用

车辆智能控制技术的研究与应用车辆100320104043李琳车辆智能控制技术的研究与应用自从汽车被发明以来，人类对于驾驶汽车的看法就一直存在分歧，一部分人热衷于让汽车变得越来越好开，强调驾驶乐趣，让你的双手舍不得离开方向盘；然而另一部分人则更热衷于让汽车变得越来越“傻瓜化”，甚至要将驾驶者的双手从方向盘上解放出来……上世纪80年代开始热播的美剧《霹雳游侠》当中的KITT，正是后者思想的集大成者。正在读这篇文章的您也许就曾经被无敌的KITT所深深吸引吧？当然人类的科技还根本无法达到科幻电视剧当中的效果，KITT无与伦比的人工智能、让主人公高枕无忧的自动驾驶、车身超级耐打击的能力以及几乎不用加油的动力科技看上去几乎都是天方夜谭。然而随着汽车技术的发展，现实版“KITT”正在向人们走来，近些年来许多厂商都致力于无人自动驾驶技术的研发，宝马在这领域走在时代的前边。现阶段的技术成果虽然无法实现《霹雳游侠》或者《钢铁侠》里面那样强大的技术，但是让车子短暂脱离驾驶员的控制而自主驾驶，还是已经成功实现了。宝马将一系列最先进的无人驾驶技术设备集成到了一辆看似非常普通的5系轿车里，这些设备能够在高速公路行驶时，接管驾驶员的所有操作，自主进行油门、刹车甚至超车的动作。车辆自主变线超车借助布置在车身四周的传感器，它甚至可以发现从辅路匝道进入主干道的车辆，自主采取加减速或者变道的措施，而具体选择那种操作，也是通过计算当时的行驶条件而决定的，也就是说它具备了自主判断交通状况的能力。而这一切，目前都能够在130km/h以下的车速来完成。其实这些对于驾驶员来说再容易不过的驾驶操作，对于自动驾驶系统来说可是超级复杂的一件事情。车辆不仅需要随时准确侦测出自己处于道路中的哪一条车道上，更要认出车身周边的车辆或者物体。实现这样的感知，不仅需要普通雷达，更需要激光、超声波以及摄像头的辅助。若要精确做出判断，上述的集中探测装置至少需要两种协同作用。目前这辆能够自主驾驶的宝马5系轿车已经在驾驶员极少干预的前提下，安全行驶了3000英里。这都要归功于全车所有精良的设备。再有一点就是，这项技术的应用普及速度可能远超过你的想象，有消息称该技术在2014年的宝马i3上就会开始搭载，届时你可要分清路上开车的到底是人还是车自己了。然而一向强调给驾驶者带去驾驶乐趣的宝马开发这么一个产品，缺失会让人觉得有些意外，宝马官方给出的解释是，这项技术并不会完全将驾驶者从眼观六路耳听八方中抽离开来，所以不要指望你能在开车上班的路上睡上一觉……1悬架的研究方法（1）理论研究[1]悬架系统的理论研究具有前瞻性和探索性，为智能悬架系统的物理实现奠定理论基础。其主要研究内容：a.悬架力学模型理论研究。悬架力学模型是振动理论中的隔振和减振理论的实际应用，通过振动理论的深入研究，全面综合研究悬架的减振和隔振性能、悬挂系统的非线性特性。未来几年中，动力学、振动与控制领域的下述研究前沿值重视：①高维非线性系统的全局摄动法、全局分岔和混沌动力学；②高维强非线性系统分岔与混沌动力学的实验研究；③时滞非线性系统的动力学理论及其应用；④流体一弹性体一刚体耦合系统动力学与控制；⑤碰撞与变结构系统动力学；⑥微电机系统动力学。b.悬架系统控制模型的理论研究。悬架系统作为控制对象，其模型分为简单的线性系统和复杂的非线性系统，线性系统经过几十年的发展已经建立了一套完整成熟的理论系统，例如LQR、ITAE最优控制、零极点配置等；但非线性系统情况比较复杂，迄今还没有统一的设计理论和稳定的分析方法。受非线性系统理论的制约，要具备类似于线性系统那样严格的数学推导，形成完整的控制设计体系尚需假以时日。在这种情况下，将非线性系统在关注点“近似”线性化处理，然后作为线性系统来对待，不失为一种工程实用方法。而实际悬架系统的物理特性为严格非线性，是以非线性系统为研究对象的控制系统。(2)仿真研究建模理论和方法仍然是推动仿真技术进步发展的重点研究方向，是系统仿真可持续发展的基础。发达国家在仿真领域一直是将建模理论和方法的研究工作列为重中之重。大型复杂工业系统，都需要从安全性出发设计实施。仿真系统是预估其安全性的有效工具，因此仿真系统自身的可信度就变得非常重要。用计算机和相应的配套软硬件进行试验研究，具体主要集中在“实物在环仿真”和“半实物在环仿真”。“实物在环仿真”是将整个悬架系统的一部分(通常是控制器部分)用软件来仿真和模拟，而其他环节则是悬架实体。“半实物在环仿真”则是将悬架部件用硬件设备来仿真，例如用d-SPACE来模拟悬架的物理结构，而用软件来进行其他部分的仿真。或者将大部分悬架的部件(簧上、簧下质量，悬架弹性元件等)和道路激励环节用软件进行模拟，而只有研究部件(即执行机构——减振器)是实物。采用硬件在环仿真技术的优点是可以灵活调节各个环节的影响因素，突出主要矛盾，从而达到解决问题的目的。[2]但是现行的仿真仍然存在一些缺陷，例如仿真分析的结果受到不同工程师经验、水平和所采用的分析流程的制约，不同工程师即使给定相同的模型和计算条件，分析结果可能也大相径庭，影响了仿真分析结果的置信度。因此迫切的需要规范分析者的流程，加强工程师之间的交流。而传统分析工具的最大弱点在于，企业中富有经验的工程师的工程分析经验无法进行有效的积累以形成知识库，影响了知识的继承和仿真流程的重用。企业中很多分析工作的流程是具有共性的可重复的，但目前大多数企业在仿真流程上只能通过制定企业规范来加以引导，这样导致老工程师的经验无法快速的传递给新手，知识无法共享，大量的类似的分析工作需要重起炉灶。仿真的另外一个瓶颈是仿真分析工具的耦合度不高，单技术或学科仿真分析工具形成分析计算的“孤岛”，工程师们需要花大量的时间去掌握新的仿真分析软件。另外这也导致设计流程不流畅，设计与分析不能很好的对接。（3）试验研究根据理论研究和仿真研究，用试验的方法对所进行的研究结果进行证实，并将试验结果反馈回理论研究和仿真研究。虽然这一类研究的投资相对较大且运行周期长，但是它是最能证实悬架可靠性的方法。同时试验研究还包括实验室台架试验研究、道路试验研究。理论研究、试验研究和仿真研究三者之间息息相关。理论研究为仿真研究和实验研究指明了方向；仿真研究是具体的针对某一车型的悬架做出运动学、动力学、可靠性等评价，为实验研究的进行奠定基础，同时将其结果反馈回理论研究环节，验证理论研究方向的正确性；而实验研究的结果是对理论研究和仿真研究最有效的验证。2奔驰ABC系统最早提出主动车身控制理念的是LEXUS，事实上它只是仅仅是把普通悬挂用的螺旋弹簧换成了空气弹簧，增加了一套简单的自动控制单元，相对于复杂的路面情况，仍有它的局限性。之后法国人研发了一套适应性更强的悬挂，就是现在标致607，雪铁龙C5上使用的液压主动悬挂，他能分5段调节避震器的阻尼力（即软硬度），相对LEXUS是一个很大的进步。但真正首先解决适应问题的还是奔驰的ABC，它是用空气泵调节空气压力来调节悬挂阻尼力的，因此，他能无段级的调节悬挂软硬度，从而适应各种路面因素。ABC系统功能：使汽车对侧倾、俯仰、横摆、跳动和车身高度的控制都能更加迅速、精确。车身的侧倾小，车轮外倾角度变化也小，轮胎就能较好地保持与地面垂直接触，使轮胎对地面的附着力提高，以充分发挥轮胎的驱动制动作用。此外汽车的载重量无论如何变化，汽车始终能保持一定的车身高度，所以悬架的几何关系也可以确保不变。ABC系统能够很好地适应各种路面情况，即使在崎岖不平的地方，也能保持优越的操控性、舒适性及方向稳定性。ABC系统结构及运行特点：在ABC系统中，计算机通过遍布整车的传感器感知车辆的运动，并通过液压伺服系统的径向柱塞液压泵提供高压控制主动悬架的运行。该系统一共有13个传感器不断检测车辆的运动和水平状况，并以每十毫秒一次的频率向ABC系统更新数据。其中四个液位传感器测量每个车轮的行驶高度，三个加速度传感器测量车身的垂直加速度，另外各有一个加速度传感器测量身的横向和纵向加速度，最后四个传感器安装在伺服系统的液压缸检测液压。当ABC系统接收并处理数据，它将操控四个安装在每个弹簧支撑轮旁的液压伺服器，几乎同时，伺服系统调节悬架产生反作用力使车身倾斜、车位降低等动作以维持车辆在不同驾驶状态的稳定。由一个螺旋弹簧和减震器并联而成的悬架支柱和液压调节缸均位于车体与车轮之间。在悬架支柱方向可改变悬架的长度，悬架系统可以产生反作用力抵抗最大5赫兹的振动频率。ABC系统的高度可调减震可以使车在时速60-160km/h时下降11mm以获得良好的空气动力性、较低的油耗、良好的操控性。ABC系统还允许自流平悬架，从而降低负重对车身高低的影响。而且每一辆车都拥有一个“ABC运动”按钮，以适应不同驾驶员不同的驾驶偏好。下面是奔驰的一款悬架梅赛德斯-奔驰CLK车型多连杆悬架3智能材料悬架系统目前的智能悬架系统主要采用液体和气体两种介质作为振动的缓冲器，虽然其基本上能实现柔性调节，但是其也有明显缺点—动作响应滞后，主要表现为执行机构响应时间长，响应频率低，降低了执行机构的响应精度，使其无法满足系统实时最优控制的要求。另外智能悬架得不到推广主要是由于其能耗太高，一般的小排量汽车无法支持这样大能量损失，且其结构复杂（如上图中的奔驰悬架)，造价昂贵。在仅仅的传统的机械改进不能从根本上解决问题之时，将智能材料引入悬架的想法也就应运而生。比如目前对执行机构的研究主要体现在对材料的研究上，其包括：(1)电流变流体、磁流变流体材料技术；(2)压电式材料执行机构；(3)形状记忆合金材料；(4)电／磁致伸缩材料执行机构。这些材料均具有响应快、频响高等特点。以形状记忆合金材料（SMA）为例，SMA具有“智能”特性，它既有传感功能（感知和接收应力、应变、电、热等信号），又有驱动功能（对激励产生响应）。此外，由于SMA具有源于热弹性马氏体相变的所谓形状记忆效应，又可根据热、力、电等各种物理参变量之间的关系对响应进行主、被动控制。其效应具体如下：当T≤Aa时，没有新的奥氏体的产生，回应力与温度呈线性关系；当Aa≤T≤Af时，温度将诱发马氏体向奥氏体的转化；当T≥Af时，马氏体向奥氏体的转化结束（其中Aa,Af为奥氏体相变的开始和结束温度）。[3]所以在Aa≤T≤Af这段温度范围内，材料的恢复应力随温度的升高急剧增加，这十分有助于控制悬架的刚性。下面是记忆合金的形状记忆效应[4]但是这种材料的反应时间和反应频率仍然不能满足人们对零滞后的要求，目前应该仅有电/磁致伸缩材料能达到这样的要求，但是其耐反复曲折的能力又有待提高。而今的汽车发动机发展已经很成熟了，就ECO智能发动机而言，很多大公司已经开发出很多，就如丰田的连续可变气门升程技术valvematic,该技术称为VVT（可变气门正时），随后推出了VVT-i（智能可变气门正时），这两项技术都只能改变气门正时，而不能改变气门升程，发动机在高转速时需要更多的进排气重叠时间与气门开关行程。可变气门正时技术，其功能主要是改变发动机气门开启和闭合的时间，以达到更合理的控制相应发动机转速所需的空气量，作用主要还是为了降低油耗，提高经济性。而发动机的实质动力表现却是和单位时间内进入到汽缸内的氧气量有关，可变气门正时系统无法有效改变这一点，因此它对动力的提升帮助不大。既然可变气门正时系统无能为力，那现在就该轮到可变气门升程系统登场了。本田也研发出了自己的连续可变气门升程及正时系统AVTEC，只是还没有正式开始使用。简单说就是两个进气气门摇臂中间还有一个特殊的摇臂，它对应的是凸轮轴上的一个高角度凸轮，而在发动机低转速时两个进气摇臂和这个特殊摇臂是分离的、互无关系，进气摇臂只由低角度凸轮驱动，因此进气气门打开的升程较小，这有助于提高低转速时的燃油经济性。但当发动机达到一定转速时，由电子液压控制的连杆会将两个进气摇臂和那个特殊摇臂连接为一体，此时三个摇臂就会同时被高角度凸轮驱动，而气门升程也会随之加大，单位时间内的进气量更大，从而发动机动力更强。[1]这就是经济性的代表。还有笔式点火线圈：将火花塞和点火线圈“合二为一