新能源與智能汽車(chē)技術(shù)叢書(shū)--無(wú)人駕駛汽車(chē)電動(dòng)底盤(pán)技術(shù)

當(dāng)前無(wú)人駕駛電動(dòng)車(chē)輛技術(shù)在乘用車(chē)、商用車(chē)、拖拉機(jī)和農(nóng)業(yè)機(jī)械中無(wú)處不在,本書(shū)基于無(wú)人駕駛汽車(chē)電動(dòng)底盤(pán)開(kāi)發(fā)的基本原理進(jìn)行介紹,內(nèi)容包括電動(dòng)汽車(chē)的電池、電池管理系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、分布式驅(qū)動(dòng)技術(shù)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng),以及無(wú)人駕駛電動(dòng)汽車(chē)環(huán)境感知系統(tǒng)、無(wú)人駕駛汽車(chē)的通信網(wǎng)絡(luò)和無(wú)人駕駛電動(dòng)汽車(chē)的安全設(shè)計(jì)要求等。
本書(shū)可為從事無(wú)人駕駛汽車(chē)電動(dòng)底盤(pán)的研究、設(shè)計(jì)和開(kāi)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(chē)專(zhuān)業(yè)的研究生教材。

田晉躍，江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院車(chē)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(jí)工程師；液力機(jī)械傳動(dòng)研究室副主任，高 級(jí)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(zhǎng)，教授。兼任中國(guó)工程機(jī)械學(xué)會(huì)理事、中國(guó)工程機(jī)械液壓傳動(dòng)技術(shù)分會(huì)副理事長(zhǎng)、中國(guó)公路學(xué)會(huì)筑路機(jī)械分會(huì)理事、江蘇公路學(xué)會(huì)筑路機(jī)械委員會(huì)副主任，《中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)》和《工程機(jī)械與維修》雜志編委。
多年來(lái),完成30 項(xiàng)科研項(xiàng)目,其中9項(xiàng)為國(guó)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(guó)家、部省及局級(jí)科技獎(jiǎng),并在各類(lèi)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(chē)輛，實(shí)現(xiàn)行走工程車(chē)輛裝備的復(fù)合作業(yè)，研究行走工程車(chē)輛裝備及其控制操縱系統(tǒng)，使行走工程車(chē)輛裝備達(dá)到節(jié)能、高效、操作簡(jiǎn)便、舒適的技術(shù)水平。

《無(wú)人駕駛汽車(chē)電動(dòng)底盤(pán)技術(shù)》是一本難得的實(shí)用技術(shù)專(zhuān)著。專(zhuān)注于無(wú)人駕駛汽車(chē)電動(dòng)化底盤(pán)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(dòng)底盤(pán)的無(wú)人駕駛汽車(chē)的架構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)介紹了無(wú)人駕駛汽車(chē)電動(dòng)化底盤(pán)動(dòng)力總成及能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電控底盤(pán)控制方法、電池參數(shù)及匹配計(jì)算方法、線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)、線(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，以及車(chē)輛通訊控制系統(tǒng)等。 《無(wú)人駕駛汽車(chē)電動(dòng)底盤(pán)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(wèn)題點(diǎn)。在注重?zé)o人駕駛汽車(chē)電動(dòng)底盤(pán)技術(shù)知識(shí)的同時(shí)，強(qiáng)調(diào)知識(shí)的應(yīng)用性，具有較強(qiáng)的針對(duì)性。適合汽車(chē)研發(fā)設(shè)計(jì)、教學(xué)科研等相關(guān)人員使用。

汽車(chē)產(chǎn)業(yè)正在進(jìn)行電動(dòng)化、智能化、數(shù)字化的轉(zhuǎn)型與升級(jí)，聚焦到汽車(chē)，不可或缺的是“汽車(chē)電動(dòng)底盤(pán)”，電動(dòng)底盤(pán)成為汽車(chē)電動(dòng)化、智能化轉(zhuǎn)型的融合載體，是汽車(chē)無(wú)人駕駛落地的基礎(chǔ)。無(wú)人駕駛汽車(chē)電動(dòng)底盤(pán)定義為使用計(jì)算機(jī)、控制、通信和各種自動(dòng)化技術(shù)集成的車(chē)輛系統(tǒng)，無(wú)人駕駛汽車(chē)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(wú)人駕駛”一詞定義明確，是指在車(chē)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(chē)輛的自動(dòng)化及自主功能達(dá)到了十分高的水平。
無(wú)人駕駛汽車(chē)電動(dòng)底盤(pán)涵蓋了從車(chē)輛動(dòng)力學(xué)到信息、通信、電子、自動(dòng)化等多學(xué)科的技術(shù)。因此，無(wú)人駕駛汽車(chē)電動(dòng)底盤(pán)的研究、開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)需要各個(gè)學(xué)科的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。幸運(yùn)的是，目前不同的科學(xué)期刊、專(zhuān)業(yè)會(huì)議和工程專(zhuān)業(yè)協(xié)會(huì)都有涵蓋了無(wú)人駕駛汽車(chē)電動(dòng)底盤(pán)的資源，它們都非常專(zhuān)注于該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展，研究人員開(kāi)發(fā)了許多系統(tǒng)，作為現(xiàn)代汽車(chē)的選擇，已在汽車(chē)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(wú)人駕駛汽車(chē)的迅速發(fā)展，未來(lái)定會(huì)影響人們的出行方式，從而影響人們的日常生活。
無(wú)人駕駛汽車(chē)電動(dòng)底盤(pán)所涉及的技術(shù)具有多學(xué)科性。本書(shū)主要介紹了無(wú)人駕駛汽車(chē)電動(dòng)底盤(pán)的關(guān)鍵技術(shù)以及研究成果。全書(shū)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(wú)人駕駛汽車(chē)電動(dòng)底盤(pán)這一主題的前沿技術(shù)。考慮到無(wú)人駕駛汽車(chē)電動(dòng)底盤(pán)的懸架系統(tǒng)與傳統(tǒng)高端汽車(chē)的懸架系統(tǒng)的技術(shù)要求并無(wú)本質(zhì)差別，目前也沒(méi)有特別突出的研究成果，因此，本書(shū)僅在緒論部分簡(jiǎn)單介紹了懸架系統(tǒng)，沒(méi)有進(jìn)行更深入的探討。
雖然無(wú)人駕駛汽車(chē)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(wèn)題。這些問(wèn)題需要時(shí)間來(lái)解決，無(wú)人駕駛汽車(chē)的普及也需要時(shí)間。因此，本書(shū)對(duì)車(chē)輛的操控描述依然有“駕駛員” 的文字，無(wú)人駕駛汽車(chē)依然存在“方向盤(pán)”和“加速踏板”等傳統(tǒng)汽車(chē)的車(chē)輛操控機(jī)構(gòu)，但實(shí)際上，對(duì)于無(wú)人駕駛汽車(chē)來(lái)講，這些操控機(jī)構(gòu)已完全可以通過(guò)激光雷達(dá)、攝像頭、傳感器等設(shè)備來(lái)感知周?chē)h(huán)境，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序來(lái)控制執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的行駛方向和速度的變化。
本書(shū)可為從事無(wú)人駕駛汽車(chē)電動(dòng)底盤(pán)的研究、設(shè)計(jì)和開(kāi)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(jiàn)的未來(lái)，本書(shū)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(wú)人駕駛汽車(chē)電動(dòng)底盤(pán)中的突出的關(guān)鍵問(wèn)題。

著者

第1章　緒論 001
1.1　電動(dòng)汽車(chē)底盤(pán)基本結(jié)構(gòu) 002
1.1.1　汽車(chē)底盤(pán)組成 002
1.1.2　純電動(dòng)汽車(chē)底盤(pán) 004
1.1.3　混合動(dòng)力汽車(chē)底盤(pán) 005
1.1.4　燃料電池汽車(chē)底盤(pán) 007
1.2　無(wú)人駕駛汽車(chē)電動(dòng)底盤(pán) 008
1.2.1　無(wú)人駕駛汽車(chē)電動(dòng)底盤(pán)核心技術(shù) 008
1.2.2　無(wú)人駕駛汽車(chē)底盤(pán)系統(tǒng) 010
1.2.3　自動(dòng)駕駛分級(jí)與系統(tǒng) 011
1.3　無(wú)人駕駛技術(shù)應(yīng)用 013
1.3.1　無(wú)人駕駛與車(chē)聯(lián)網(wǎng) 013
1.3.2　無(wú)人駕駛與智能交通系統(tǒng) 015
1.3.3　無(wú)人駕駛汽車(chē)在特定區(qū)域的應(yīng)用 016

第2章　電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 018
2.1　直流電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 019
2.1.1　直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 019
2.1.2　直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)方程與特性分析 021
2.1.3　直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法 024
2.1.4　直流電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)制控制 026
2.1.5　直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速控制 027
2.1.6　直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 028
2.2　交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 029
2.2.1　交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作原理 029
2.2.2　交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的特性分析 030
2.2.3　交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的矢量控制 031
2.2.4　交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用 032
2.3　永磁同步電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 032
2.3.1　永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 033
2.3.2　永磁同步電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 037
2.4　開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 039
2.4.1　開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 040
2.4.2　開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制 042
2.4.3　開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)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(dòng)均衡 064
3.6.2　主動(dòng)均衡 065
3.6.3　電池單體差異對(duì)均衡的影響 067
3.7　EV 車(chē)型BMS 與整車(chē)控制系統(tǒng)的匹配 068
3.8　PHEV 車(chē)型BMS 與整車(chē)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(chē)型功能匹配調(diào)試檢查 072

第4章　功率變換器 074
4.1　電動(dòng)汽車(chē)的電源系統(tǒng)架構(gòu) 075
4.2　功率變換器的類(lèi)別 076
4.3　功率變換器在電動(dòng)汽車(chē)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(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 089
5.1　線(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與要求 090
5.2　自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理 092
5.3　車(chē)輛轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué) 094
5.3.1　坐標(biāo)系建立 094
5.3.2　車(chē)體動(dòng)力學(xué)模型 095
5.3.3　車(chē)輪動(dòng)力學(xué)模型 096
5.4　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)位置控制動(dòng)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A(yíng)DAMS 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(dòng)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(wú)人駕駛汽車(chē)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)控轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵技術(shù) 108

第6章　線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng) 110
6.1　車(chē)輛制動(dòng)要求 111
6.2　無(wú)人駕駛車(chē)輛制動(dòng)原理 112
6.2.1　無(wú)人駕駛車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的控制架構(gòu) 113
6.2.2　無(wú)人駕駛車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的下層執(zhí)行模塊 114
6.2.3　無(wú)人駕駛車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的上層控制模塊 115
6.3　線(xiàn)控制動(dòng)技術(shù) 116
6.3.1　電子液壓制動(dòng)系統(tǒng) 116
6.3.2　電子制動(dòng)系統(tǒng) 117
6.4　電動(dòng)汽車(chē)液壓制動(dòng)元件和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析 120
6.4.1　液壓壓力控制閥的平衡 120
6.4.2　制動(dòng)閥的動(dòng)態(tài)分析 121
6.4.3　制動(dòng)管路的動(dòng)態(tài)分析 121
6.4.4　制動(dòng)缸的動(dòng)態(tài)分析 122
6.4.5　系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析 122
6.5　制動(dòng)能量回收影響因素分析 123

第7章　分布式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 125
7.1　分布式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 126
7.1.1　集中對(duì)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(dòng)特性 134
7.3　集中驅(qū)動(dòng)橋的結(jié)構(gòu) 135
7.4　分布式驅(qū)動(dòng)的整車(chē)控制結(jié)構(gòu) 137

第8章　動(dòng)力傳動(dòng)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(dòng)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(xiàn)控底盤(pán)域 154
9.1　線(xiàn)控底盤(pán)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(jiǎn)介 156
9.2.2　FLEXRAY 簡(jiǎn)介 158
9.3　動(dòng)力底盤(pán)域的故障診斷和處理 164
9.3.1　基于信號(hào)處理的故障診斷 164
9.3.2　基于知識(shí)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(chē)體坐標(biāo)系 177
10.4.1　單目視覺(jué)標(biāo)定 179
10.4.2　雙目視覺(jué)標(biāo)定 182
10.5　從傳感器坐標(biāo)系到車(chē)體坐標(biāo)系 185

第11章　總線(xiàn)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(chē)CAN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其特點(diǎn) 195
11.3.1　總線(xiàn)架構(gòu) 195
11.3.2　汽車(chē)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(jiàn)的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 198
11.3.5　典型汽車(chē)的CAN 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 202
11.3.6　汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 203

參考文獻(xiàn) 206