新能源與智能汽車技術(shù)叢書--無人駕駛汽車電動底盤技術(shù)

當(dāng)前無人駕駛電動車輛技術(shù)在乘用車、商用車、拖拉機(jī)和農(nóng)業(yè)機(jī)械中無處不在,本書基于無人駕駛汽車電動底盤開發(fā)的基本原理進(jìn)行介紹,內(nèi)容包括電動汽車的電池、電池管理系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、分布式驅(qū)動技術(shù)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動系統(tǒng),以及無人駕駛電動汽車環(huán)境感知系統(tǒng)、無人駕駛汽車的通信網(wǎng)絡(luò)和無人駕駛電動汽車的安全設(shè)計(jì)要求等。
本書可為從事無人駕駛汽車電動底盤的研究、設(shè)計(jì)和開發(fā)的工程師、科研人員、高校師生和企業(yè)技術(shù)經(jīng)理等提供參考,也可作為新能源汽車專業(yè)的研究生教材。

田晉躍，江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院車輛工程系，教授，1982年2月至1999年4月,在機(jī)械工業(yè)部天津工程機(jī)械研究所路面機(jī)械研究室，高 級工程師；液力機(jī)械傳動研究室副主任，高 級工程師。
1999年5月調(diào)入江蘇大學(xué)工程機(jī)械研究所,任所長，教授。兼任中國工程機(jī)械學(xué)會理事、中國工程機(jī)械液壓傳動技術(shù)分會副理事長、中國公路學(xué)會筑路機(jī)械分會理事、江蘇公路學(xué)會筑路機(jī)械委員會副主任，《中國工程機(jī)械學(xué)報》和《工程機(jī)械與維修》雜志編委。
多年來,完成30 項(xiàng)科研項(xiàng)目,其中9項(xiàng)為國家及機(jī)械部項(xiàng)目，修定、制定4項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),主管完成科研項(xiàng)目15項(xiàng),共有6項(xiàng)獲國家、部省及局級科技獎,并在各類行業(yè)期刊上發(fā)表了60多篇論文。
現(xiàn)從事工程機(jī)械模塊教學(xué)與科研工作。重點(diǎn)研究機(jī)電液一體化控制車輛，實(shí)現(xiàn)行走工程車輛裝備的復(fù)合作業(yè)，研究行走工程車輛裝備及其控制操縱系統(tǒng)，使行走工程車輛裝備達(dá)到節(jié)能、高效、操作簡便、舒適的技術(shù)水平。

《無人駕駛汽車電動底盤技術(shù)》是一本難得的實(shí)用技術(shù)專著。專注于無人駕駛汽車電動化底盤的核心和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了較系統(tǒng)和深入的介紹，分析了采用電動底盤的無人駕駛汽車的架構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)介紹了無人駕駛汽車電動化底盤動力總成及能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電控底盤控制方法、電池參數(shù)及匹配計(jì)算方法、線控制動系統(tǒng)、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，以及車輛通訊控制系統(tǒng)等。 《無人駕駛汽車電動底盤技術(shù)》緊密結(jié)合工程應(yīng)用的基本要求，內(nèi)容完整系統(tǒng)、重點(diǎn)突出，所用資料能夠更新、更準(zhǔn)確地解讀問題點(diǎn)。在注重?zé)o人駕駛汽車電動底盤技術(shù)知識的同時，強(qiáng)調(diào)知識的應(yīng)用性，具有較強(qiáng)的針對性。適合汽車研發(fā)設(shè)計(jì)、教學(xué)科研等相關(guān)人員使用。

汽車產(chǎn)業(yè)正在進(jìn)行電動化、智能化、數(shù)字化的轉(zhuǎn)型與升級，聚焦到汽車，不可或缺的是“汽車電動底盤”，電動底盤成為汽車電動化、智能化轉(zhuǎn)型的融合載體，是汽車無人駕駛落地的基礎(chǔ)。無人駕駛汽車電動底盤定義為使用計(jì)算機(jī)、控制、通信和各種自動化技術(shù)集成的車輛系統(tǒng)，無人駕駛汽車的推廣應(yīng)用可提高公路交通的安全性和運(yùn)行效率，減少能源消耗和環(huán)境影響。
“無人駕駛”一詞定義明確，是指在車輛操作中融入高水平的機(jī)器智能，電子元件、傳感器、微處理器、計(jì)算機(jī)軟件和機(jī)電集成系統(tǒng)的進(jìn)步使車輛的自動化及自主功能達(dá)到了十分高的水平。
無人駕駛汽車電動底盤涵蓋了從車輛動力學(xué)到信息、通信、電子、自動化等多學(xué)科的技術(shù)。因此，無人駕駛汽車電動底盤的研究、開發(fā)和設(shè)計(jì)需要各個學(xué)科的專業(yè)知識。幸運(yùn)的是，目前不同的科學(xué)期刊、專業(yè)會議和工程專業(yè)協(xié)會都有涵蓋了無人駕駛汽車電動底盤的資源，它們都非常專注于該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展，研究人員開發(fā)了許多系統(tǒng)，作為現(xiàn)代汽車的選擇，已在汽車上裝備，并且尚有許多創(chuàng)新原理樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行演示。隨著無人駕駛汽車的迅速發(fā)展，未來定會影響人們的出行方式，從而影響人們的日常生活。
無人駕駛汽車電動底盤所涉及的技術(shù)具有多學(xué)科性。本書主要介紹了無人駕駛汽車電動底盤的關(guān)鍵技術(shù)以及研究成果。全書共11 章，每章都深入介紹了不同主題領(lǐng)域研究的成果，涵蓋了無人駕駛汽車電動底盤這一主題的前沿技術(shù)。考慮到無人駕駛汽車電動底盤的懸架系統(tǒng)與傳統(tǒng)高端汽車的懸架系統(tǒng)的技術(shù)要求并無本質(zhì)差別，目前也沒有特別突出的研究成果，因此，本書僅在緒論部分簡單介紹了懸架系統(tǒng)，沒有進(jìn)行更深入的探討。
雖然無人駕駛汽車的技術(shù)已經(jīng)很先進(jìn)，但是在實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮法律、道路規(guī)則等方面的問題。這些問題需要時間來解決，無人駕駛汽車的普及也需要時間。因此，本書對車輛的操控描述依然有“駕駛員” 的文字，無人駕駛汽車依然存在“方向盤”和“加速踏板”等傳統(tǒng)汽車的車輛操控機(jī)構(gòu)，但實(shí)際上，對于無人駕駛汽車來講，這些操控機(jī)構(gòu)已完全可以通過激光雷達(dá)、攝像頭、傳感器等設(shè)備來感知周圍環(huán)境，通過計(jì)算機(jī)程序來控制執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)汽車的行駛方向和速度的變化。
本書可為從事無人駕駛汽車電動底盤的研究、設(shè)計(jì)和開發(fā)的工程師、科研人員、高校師生和企業(yè)技術(shù)經(jīng)理等提供參考。
希望在可預(yù)見的未來，本書將作為一種突出的資源，幫助工程、研發(fā)和學(xué)術(shù)界同行獨(dú)立研究解決在無人駕駛汽車電動底盤中的突出的關(guān)鍵問題。

著者

第1章　緒論 001
1.1　電動汽車底盤基本結(jié)構(gòu) 002
1.1.1　汽車底盤組成 002
1.1.2　純電動汽車底盤 004
1.1.3　混合動力汽車底盤 005
1.1.4　燃料電池汽車底盤 007
1.2　無人駕駛汽車電動底盤 008
1.2.1　無人駕駛汽車電動底盤核心技術(shù) 008
1.2.2　無人駕駛汽車底盤系統(tǒng) 010
1.2.3　自動駕駛分級與系統(tǒng) 011
1.3　無人駕駛技術(shù)應(yīng)用 013
1.3.1　無人駕駛與車聯(lián)網(wǎng) 013
1.3.2　無人駕駛與智能交通系統(tǒng) 015
1.3.3　無人駕駛汽車在特定區(qū)域的應(yīng)用 016

第2章　電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 018
2.1　直流電動機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng) 019
2.1.1　直流電動機(jī)的工作原理 019
2.1.2　直流電動機(jī)的動態(tài)方程與特性分析 021
2.1.3　直流電動機(jī)的調(diào)速方法 024
2.1.4　直流電動機(jī)的脈寬調(diào)制控制 026
2.1.5　直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速控制 027
2.1.6　直流電動機(jī)的特點(diǎn) 028
2.2　交流感應(yīng)電動機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng) 029
2.2.1　交流感應(yīng)電動機(jī)的工作原理 029
2.2.2　交流感應(yīng)電動機(jī)的特性分析 030
2.2.3　交流感應(yīng)電動機(jī)的矢量控制 031
2.2.4　交流感應(yīng)電動機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用 032
2.3　永磁同步電動機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng) 032
2.3.1　永磁無刷直流電動機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng) 033
2.3.2　永磁同步電動機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng) 037
2.4　開關(guān)磁阻電動機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng) 039
2.4.1　開關(guān)磁阻電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 040
2.4.2　開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制 042
2.4.3　開關(guān)磁阻電動機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用 042

第3章　電池管理系統(tǒng) 045
3.1　電池管理系統(tǒng)的基本功能 046
3.1.1　電池狀態(tài)分析 047
3.1.2　電池安全保護(hù) 048
3.1.3　能量控制管理 049
3.1.4　信息控制管理 049
3.2　電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 050
3.2.1　BMS 硬件 050
3.2.2　BMS 軟件 052
3.3　電池SOC 的估算 053
3.3.1　SOC 的影響因素 053
3.3.2　SOC 的估算方法 053
3.4　電池SOH 的估算 057
3.4.1　電池SOH 估算的影響因素 058
3.4.2　電池SOH 的估算方法 058
3.5　電池的熱管理      060
3.5.1　電池?zé)峁芾淼亩x 060
3.5.2　電池?zé)峁芾淼谋匾?060
3.5.3　電池?zé)峁芾矸桨?061
3.6　電池的均衡管理 063
3.6.1　被動均衡 064
3.6.2　主動均衡 065
3.6.3　電池單體差異對均衡的影響 067
3.7　EV 車型BMS 與整車控制系統(tǒng)的匹配 068
3.8　PHEV 車型BMS 與整車控制系統(tǒng)的匹配 070
3.8.1　PHEV 關(guān)鍵件的功能 071
3.8.2　PHEV 車型功能匹配調(diào)試檢查 072

第4章　功率變換器 074
4.1　電動汽車的電源系統(tǒng)架構(gòu) 075
4.2　功率變換器的類別 076
4.3　功率變換器在電動汽車上的應(yīng)用 078
4.4　功率變換器硬件電路設(shè)計(jì) 081

第5章　線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 089
5.1　線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與要求 090
5.2　自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理 092
5.3　車輛轉(zhuǎn)向動力學(xué)及運(yùn)動學(xué) 094
5.3.1　坐標(biāo)系建立 094
5.3.2　車體動力學(xué)模型 095
5.3.3　車輪動力學(xué)模型 096
5.4　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)位置控制動態(tài)特性 098
5.5　轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)建模 101
5.5.1　虛擬樣機(jī)模型的建立 101
5.5.2　確定ADAMS 的輸入與輸出 102
5.5.3　在ADAMS 中設(shè)置變量與函數(shù) 102
5.5.4　聯(lián)合仿真模型的建立 103
5.5.5　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動態(tài)特性仿真 103
5.6　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的PID 調(diào)節(jié) 104
5.6.1　PID 算法基本概念 104
5.6.2　基于PID 控制的系統(tǒng)仿真      106
5.7　無人駕駛汽車實(shí)現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵技術(shù) 108

第6章　線控制動系統(tǒng) 110
6.1　車輛制動要求 111
6.2　無人駕駛車輛制動原理 112
6.2.1　無人駕駛車輛制動系統(tǒng)的控制架構(gòu) 113
6.2.2　無人駕駛車輛制動系統(tǒng)的下層執(zhí)行模塊 114
6.2.3　無人駕駛車輛制動系統(tǒng)的上層控制模塊 115
6.3　線控制動技術(shù) 116
6.3.1　電子液壓制動系統(tǒng) 116
6.3.2　電子制動系統(tǒng) 117
6.4　電動汽車液壓制動元件和系統(tǒng)動態(tài)分析 120
6.4.1　液壓壓力控制閥的平衡 120
6.4.2　制動閥的動態(tài)分析 121
6.4.3　制動管路的動態(tài)分析 121
6.4.4　制動缸的動態(tài)分析 122
6.4.5　系統(tǒng)的動態(tài)分析 122
6.5　制動能量回收影響因素分析 123

第7章　分布式驅(qū)動系統(tǒng) 125
7.1　分布式驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 126
7.1.1　集中對置的輪邊電機(jī)結(jié)構(gòu) 128
7.1.2　輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu) 130
7.2　行星輪系傳動特性 134
7.3　集中驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu) 135
7.4　分布式驅(qū)動的整車控制結(jié)構(gòu) 137

第8章　動力傳動系統(tǒng) 140
8.1　一體化控制流程 141
8.2　加速踏板的響應(yīng)和控制 142
8.3　變速器的換擋規(guī)律 143
8.3.1　最佳動力性換擋規(guī)律      143
8.3.2　最佳經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律 145
8.3.3　組合型換擋控制策略 147
8. 4  優(yōu)化的柔性換擋控制策略 147

第9章　線控底盤域 154
9.1　線控底盤基本功能 155
9.2　CAN FD、FLEXRAY 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及通信方式 156
9.2.1　CAN FD 簡介 156
9.2.2　FLEXRAY 簡介 158
9.3　動力底盤域的故障診斷和處理 164
9.3.1　基于信號處理的故障診斷 164
9.3.2　基于知識的故障診斷 167
9.3.3　基于模型的故障診斷 168

第10章　環(huán)境感知系統(tǒng) 169
10.1　攝像機(jī) 170
10.2　激光雷達(dá) 172
10.2.1　二維光雷達(dá) 172
10.2.2　三維激光雷達(dá) 174
10.3　毫米波雷達(dá) 176
10.4　車體坐標(biāo)系 177
10.4.1　單目視覺標(biāo)定 179
10.4.2　雙目視覺標(biāo)定 182
10.5　從傳感器坐標(biāo)系到車體坐標(biāo)系 185

第11章　總線與通信網(wǎng)絡(luò) 187
11.1　CAN 技術(shù)規(guī)范 188
11.1.1　物理層 189
11.1.2　數(shù)據(jù)鏈路層 190
11.1.3　網(wǎng)絡(luò)層 192
11.1.4　應(yīng)用層 192
11.2　CAN 的基本組成和數(shù)據(jù)傳輸原理 193
11.2.1　基本組成 193
11.2.2　數(shù)據(jù)傳輸原理      194
11.3　汽車CAN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其特點(diǎn) 195
11.3.1　總線架構(gòu) 195
11.3.2　汽車CAN 網(wǎng)絡(luò)的組成 196
11.3.3　CAN 節(jié)點(diǎn)規(guī)范 197
11.3.4　幾種常見的汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 198
11.3.5　典型汽車的CAN 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 202
11.3.6　汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 203

參考文獻(xiàn) 206