【汽车与环境】国家“千人计划”特聘专家张农:自动驾驶汽车悬架的智能控制技术

盖世汽车综合 2017-12-09

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合肥工业大学教授、国家“千人计划”特聘专家张农

各位领导各位嘉宾下午好。我今天讲的是我自己做的一些工作,分五个方面来汇报,背景、被动互联和主动的。现在车不光是上下班,周末要出去郊游,到野外对各种路面的驾驶性能要求不一样,国内大部分乘用车在平面路上性能好,到山路的性能就不好了。第二部分讲一下数据,第一看一下我们车的保有量,现在车的保有量已经到1.6亿。再看一下增长,我们汽车保有量增长在国际上,世界范围内每年8%的增长率,交通事故死亡人数是16%,一万台车事故的死亡人数是6个人,我们是日本的8、9倍,是美国的4倍。事故死亡的比例,国内将近五个交通事故中就有一个死亡,国外特别是日本,要173个交通事故中才有一个死亡,为什么?我们国内的情况为什么这么糟?

这是交通部的数据,2013年、2014年我们的事故增长率将近13%,而死亡人数将近6万,实际财产损失10亿。如果加上受伤的人,还有医疗和其他损失远远不止十个亿。再分析,这些事故中哪些是造成人们伤亡更严重的,对面碰撞是最糟糕的,迎面碰撞的事故7386起,其中死亡人数将近3500人。你看一下由于侧翻引起的事故,四千多起,死亡人数2300人,重伤人数5200人,正面碰撞有空气气囊等防护措施,但是侧翻事故一旦发生,人跟车是在地上打滚的,这个时候人最容易受伤或者死亡。

这个事故是2011年在江苏省发生的,江苏省的校车为了避让对面的三轮车,结果这个车侧翻了,旁边一个水塘,15个小学生淹在水里,淹死了。右边这张图是2015年在海南岛发生的校车倾斜事故,司机在山坡上下来,没有把速度降下来,8名小学生死亡,是当场死亡的,到医院死亡的是不在里面的。这个车是我们国家行业老大宇通客车的,宇通非常重视,在考虑有没有更必要的,对现有的技术做进一步的改变提高,最大程度减少这样事故的发生。其他的侧翻事故,危化品车辆很容易着火爆炸等等。我提出一个问题,这么多恶性事故在道路上发生,我们该做什么?20年以后的无人驾驶不错,先进技术我们要做,但是现有的东西要不要解决?

汽车安全跟悬挂系统有相当大的关系,因为横向稳定系统不好要侧翻,悬挂系统保持跟轮胎定位,传递轮胎力和力矩,还要保持缓和地面不平引起的冲击,保证轮胎接地性能,抵抗车身侧倾运动,还有抵抗车身俯仰等等,这个都要实现。传统的悬架技术有什么问题,大部分我们开的乘用车用的悬架,要选择两个平衡,为了车坐的平顺舒服,悬架要做的软,但是要提高它的操稳性,在高速急转车不翻,这两者之间要用现有传统的悬架是很难协调的,所以很多城市越野型的SUV车都是偏向平顺的横向安全,大部分用户不知道,你看看你的SUV就知道了,只要上了50公里转弯的时候够害怕的。

解决方案,用主动悬架,主动悬架可以改变悬架系统的刚度阻尼,但是也有局限性。第一,主动悬架复杂系统带来可靠性问题;第二,多作动器对于安装空间有较高要求,成本贵;第三,消耗能量,这些都是主动悬架目前的问题。从市场来看,目前只有高档车上主动悬架在用,一般的老百姓开的车没有主动悬架,并不是主动悬架不好,只是用不起。

液压互联悬架,在传统悬架上加一个液压互联悬架,增加抗俯仰。这是一个原理图,我们把通常的减振器改成两向油缸,油缸在前后轮有一个特定联系方式,左右轮、上下腔交互连接,旁边整个数据是给悬架提供一个参考刚度。我这个悬架是解耦的,当你急转弯的时候,我会提供一个高度把这个顶回去。

既然已经有液压互联悬架,也达到非常好的稳定性能,那么我们能不能结合主动悬架性能,把被动的液压互联悬架和主动技术合在一起?我们一直在考虑成本问题,因为你不考虑成本也用不起。既然一辆车上有这么多传感器,有这么多互联网信息,我用你的信息控制悬架,做智能化的控制,我得到的效果不比你差,但是我只有你20%、30%的成本,我达到70%、80%的效果。如何来用车上已有的信息,把这些融合起来,为我所用,我会花20%、30%的成本,使悬架设计更智能化,大大提高现有悬架的性能。

这是智能悬架的概念,出发点一定是低成本、可靠,一定要大家用的起,实际上汽车行业对这个问题非常重视,不像计算机关了重新开一下,汽车翻了以后命就没了。所以对智能悬架的有效控制有新的方法。

我总结了三条,第一,如何兼顾主动悬架和液压互联悬架的优点?被动悬架好在哪儿,一般主要是控制车身三个模态,俯仰、侧倾和上下跳动,首先这个悬架是专门增加解耦的,不影响其他模态,这个是增加平顺性的,你可以增加刚度或者减少刚度,你在急刹车的时候不会撞上去。原理上,这完全是一个物理自适应系统,车倾的很厉害,压的很厉害,反弹力也大,就是靠液压的参考刚度和液压本身高能量发生弹力。

传统悬架就是横向稳定杆和减振器。液压互联悬架有一个特别好的性能,它在生态运动大的时候成三百倍的增长,我们在宇通的客车上,8米和9米的车,按照国家标准做了实验。改装车和原装车相比,改装车3个标准达到满分,并且更平顺了,但是国家标准就这么高,如果国家知道我们这个技术可以把标准提的更高一点。

大家想想,我是增加了一些成本,但是如果从使用来说,减少了维护费用和磨损费,其实增加的成本是非常有限的。如果让你选坐这两个客车,你的票贵了两块钱,你愿意坐哪一辆,特别是在景区的时候,但是很多游客不知道这个车的性能。我觉得我们领导应该要给大家多选择,因为客车是生产资料,客户没有选择,是运行者选的,所以这个安全标准要大大提高。

同样的液压互联悬架在长城汽车的H5、H9上也做了。这是鱼钩实验的侧倾角,我们分三种参数做,通常车轨迹保持最差,而其他的都可以,液压互联悬架比理想的轨迹好的多。画成雷达图,蓝色在当中是最差的,而液压互联悬架在城市道路和山路上可以调,比常规车好很多。我们在煤矿工程车上也做了一些运动,俯仰方面做的非常好。

最近科技部立了一个专项,做危化品车辆防碰撞防侧翻的大项目,这个项目我们也参与了,专门给危化品车辆、挂车研发设计液压互联悬架的系统。我们做了实验,非常明显,用了液压互联悬架以后,以后加速到0.4g的时候已经非常危险了,这个时候侧倾角只有3度左右,但是常规车没有液压互联悬架那个时候已经是5、6度了,这个时候已经很危险了,很容易翻的。还有一个不足转向度,红线是空载的时候,不足转向度很小,蓝线是满载的时候不足转向度很大,这种牵挂车在满载的时候是很难开的,用了液压互联悬架以后大大改善了,提高了操控性。

过去几年中,在企业和政府、学校的支持下,我们在国内做了很多实验,其中宇通客车已经开始应用了,国外技术主要用在高档车上,在丰田的Lexus,还有途乐和英菲尼迪。

接下来讲主动液压互联悬架做什么,液压互联悬架是在被动液压互联悬架做的更好,把刚度和阻尼控制好,也是车身三个模态的控制,主要控制车倾、上下和刚度。这个肯定没有问题,我提了一个模态能量法,因为在控制一个车身的时候,你要知道哪个运动模态是最危险、最需要控制的,所以我们提出了模态能量法的概念。我在运动当中考虑车身的三个运动,加上车轮的几个运动我来看这个运动的能量是多少,这个能量包括运动的动能和弹簧变性的势能,两个能量相加。在鱼钩实验中看到刹车时候俯仰的模态最高,转弯时候车身车倾模态最高。同一套液压互联悬架结构是不是可以用一个方式构型,切换以后形成不同的刚度。

第四,信息融合智能互联悬架,我先提出一个基本构型,你做什么事都要有一个机构来做,我是一个基本的AR互联悬架系统,用三个导向法,这三个导向法在不同设置可以提供不同的附加刚度。在状态一提供车倾刚度,状态二俯仰刚度,状态三垂直方向的刚度,如果知道我的车做什么,需要附加刚度的时候把三个阀切换就可以得到。这个构型切换程度以后,对这个构型里面的刚度工作压力进一步的控制调整,你需要高一点低一点都可以。我可以加一个可控阻尼阀,把可控阻尼也整合到我的系统里,这三步做下来,这个悬架就是智能化的悬架了,根据状态和信息决定什么样的悬架性能是最好的。

这个什么时候用?举几个例子,像走这样的山道一定要很好的刚度,因为它的转弯很多,还要考虑平顺性和通过性,所以情况是不一样的,同一台车在不同情况可以用不同的悬架满足它,而且我的成本只是无人驾驶成本的20%。

这辆车在超车的时候侧翻,那辆车在左转的时候侧翻,这个情况需要设定刚度,然后计算出系统需要的构型、参考刚度和阻尼。这是一个框图,我根据模态法决定用哪个构型提供哪一个模态的刚度。蓝线表示要急刹车,后面红线是急转弯,急刹车的时候车身俯仰需要控制,需要加一个俯仰刚度,急转弯的时候需要抗车倾的刚度,经过实验发现加了这个系统效果是非常明显的。

多源信息的融合,各种各样的传感器,这些速度可以拿过来进行模态识别,识别以后就知道要做什么。信息融合以后还有控制问题,怎么保证多参数控制协调有效,又不出错可靠。

结语:被动液压互联悬架是有效的,它提供一个非常可靠的、非线性刚度,大大提高车的横向稳定性。当然智能化悬架更好,它可以提供不同路况需要的行驶条件下最佳的悬架性能,但是它的成本偏高。还有控制方法的研究,现在用到车上还需要一段时间的研究。所以信息融合的液压互联悬架是综合、高效、节能经济的智能悬架系统,该系统集悬架结构调整、车辆运动参数监测、车身稳定性主动控制等多项功能于一体,对现阶段车辆安全性能可大大提高,而且更接地气、性价比更高。这是我的观点,谢谢大家!


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