智能环境友好型车辆：概念 技术架构与工程实现

前　言
汽车被称为“改变世界的机器”，从其产生开始就极大地提高了交通效率和人类出行的便捷性，同时因它的出现也引发了诸如交通安全、能源消耗、排放污染、城市拥堵等一系列的社会问题。随着汽车智能化、电动化技术的不断发展，尤其是新兴的汽车电子、信息通信、大数据及云计算等技术的出现，“能源动力革命”“智能化革命”“互联网革命”正推动汽车技术和产业发生颠覆性变革。基于智能交通背景下的智能网联汽车技术与以电驱动为代表的清洁能源汽车技术是解决日益严重的交通事故、道路拥堵、环境污染、能源短缺等社会问题的两大技术主线。然而，纵观目前智能汽车与清洁能源汽车的研究，都主要致力于解决各自领域的突出问题，汽车动力革命与智能化虽然互有交叉，但缺乏深度的融合。如何从多系统集成优化及系统重构的角度，研究具有安全、舒适、节能与环保综合性能的新构型车辆，探索相关的共性基础理论，将是未来汽车发展所面临的重大机遇与挑战。

智能环境友好型车辆作为汽车动力革命和智能化革命融合集成的载体，是一种具有新架构形态、技术体系和应用特征的新概念载运工具平台，而并非传统意义上以电动汽车为载体的智能化汽车。围绕在汽车“新四化”发展背景下这一新兴物态与业态的理论基础、关键技术、工程应用等问题，亟待系统、深入地探索与研究。

针对现代汽车安全、舒适、节能与环保综合性能的需求，本书从多领域交叉融合、多系统综合设计的角度，对智能环境友好型车辆的基本概念、系统架构以及所涉及的关键基础技术进行了研究。全书以智能环境友好型车辆的体系架构及结构共用、信息融合与控制协同三大关键技术为主线，不但向下探讨了起支撑作用的智能环境友好型车辆的复杂机电系统多物理过程耦合机理，与广义机械系统动力学建模的基础理论方法，向上也分别以综合安全性、经济性与舒适性多目标，以智能混合动力汽车自适应巡航控制（ ACC）系统、网联电动汽车的出行规划、行驶节能与充换电调度为案例，系统介绍了结构共用、信息融合与控制协同这三大关键技术的工程实现与应用实践。

本书作者 20世纪 90年代在日本访学及工作期间，开始从事先进车辆系统动态设计与控制技术的研究， 2000年回国后在清华大学汽车工程系建立了智能车辆科研课题组，多年来围绕汽车安全与节能环保的主题，系统并持续地开展了电动汽车节能控制、先进车辆驾驶辅助控制等智能汽车技术研究，在汽车电动化与智能化两大方向融合方面做了系统的探索。 
2005年，作者率先在国际上提出了“智能环境友好型车辆”（intelligent Environment-Friendly Vehicle，i-EFV）的概念，该车辆具有清洁能源动力、电控化底盘与智能信息交互三大系统，集成结构共用、信息融合与控制协同三大技术，可综合实现安全、舒适、节能与环保四大功能。作者在此后的十几年中不断研究深化，丰富与完善该新概念车辆的理论体系。本书全面阐述了智能环境友好型车辆这一新概念载运工具的理论基础、关键技术与工程应用等问题，是作者团队对过去 20年来在智能车辆科研方向研究成果进行的系统化整理和总结。
《智能环境友好型车辆：概念、技术架构与工程实现》全书内容划分为 9章，从多学科融合交叉的角度系统地阐述了智能环境友好型车辆的概念内涵、基础理论、系统架构、关键技术体系、典型工程应用与实现。本书撰写过程中，智能车辆科研组的陈涛、解来卿、刘力、邹广才、王肖、郑洋、黄彬、张书玮、曹坤、朱陶、边有钢、秦晓辉、徐彪等多位研究生和孔伟伟、黄晨等博士后研究人员为相应章节写作提供了有价值的资料，在此一并对他们的辛勤付出表示感谢。

作为一种跨领域深度交叉、融合集成的系统，智能环境友好型车辆的体系架构、理论基础和关键技术也会随着时代的变迁而不断演进和发展。本书的编写尚不能穷尽智能环境友好型车辆方方面面的科学、技术与工程问题，难免挂一漏万，希望能为行业提供一个豹斑管窥、抛砖引玉的样本案例。同时由于作者的知识水平有限，书中难免有不足之处，恳请广大同行和读者批评指正。

2020年 
6月于北京清华园

《智能环境友好型车辆：概念、技术架构与工程实现》全面阐述了智能环境友好型车辆这一新概念载运工具的理论基础、关键技术与工程应用等问题，是关于这一新兴车辆产品技术领域的学术专著，是作者团队对过去20年的研究成果进行系统化整理的产物。本书从多学科融合、交叉的角度，比较完整、系统地讨论了智能环境友好型车辆的概念内涵、系统架构、基础理论、关键技术体系、典型工程应用与实现。本书适合汽车及相关行业的高校、科研院所和企业研发部门的师生和研究人员阅读，也可供相关领域的工程技术人员参考。

前　言
第1章　智能环境友好型车辆概论 …… 1 
1.1　引言 ……………………………………… 1 
1.2　智能环境友好型车辆的概念与内涵 …… 3 
1.3　智能环境友好型车辆的系统特点 ……… 7 
1.4　智能环境友好型车辆的新型体系架构 … 8 
1.4.1　智能信息交互系统 ……………… 10 
1.4.2　清洁能源动力系统 ……………… 12 
1.4.3　电控化底盘系统 ………………… 14 
1.5　i-EFV的典型系统应用 ……………… 14 
1.5.1　基于行驶环境信息交互的智能混合动力汽车 ………………………… 14 
1.5.2　基于车-路-网交互的智能纯电动汽车 ……………………………… 17
参考文献 …………………………………… 20

第2章　智能环境友好型车辆关键技术体系 ………………………… 21 
2.1　i-EFV的难点问题 …………………… 21 
2.2　i-EFV涉及的关键科学问题 ………… 22 
2.2.1　i-EFV复杂机电系统的多物理过程耦合机理 ………………………… 22 
2.2.2　“人-车-路”广义机械动力学系统建模与协同控制方法 …………… 25 
2.3　智能环境友好型车辆关键技术体系 … 28 
2.3.1　结构共用 ………………………… 29 
2.3.2　信息融合 ………………………… 29 
2.3.3　控制协同 ………………………… 29
参考文献 …………………………………… 31

第3章　智能环境友好型车辆的结构共
用技术……………………… 32 
3.1　结构共用优化集成技术概述 ………… 32 
3.1.1　结构共用集成的概念 …………… 32 
3.1.2　结构共用集成的内涵 …………… 34 
3.2　车辆系统的结构共用技术 …………… 36 
3.2.1　多传感系统的结构共用 ………… 36 
3.2.2　整车控制的结构共用 …………… 38 
3.2.3　执行系统的结构共用 …………… 39 
3.2.4　结构共用下的系统功能安全设计 … 41 
3.3　基于结构共用的汽车智能驾驶系统
集成架构设计 ………………………… 42 
3.3.1　架构设计原则与总体构成 ……… 42 
3.3.2　传感器信息共享架构设计 ……… 43 
3.3.3　控制器资源共用架构设计 ……… 45 
3.3.4　执行器操作共管架构设计 ……… 46 
3.4　智能驾驶系统结构共用型集成架构特点分析 …………………………………… 47 
3.4.1　评价指标与计算模型 …………… 47 
3.4.2　与功能叠加型集成方案对比分析… 48 
3.4.3　结构共用集成架构特点总结 …… 52 
3.5　基于结构共用的车载环境感知传感器优选配置 ……………………………… 53 
3.5.1　车载多传感器系统建模 ………… 55 
3.5.2　传感器配置多维评价指标体系 … 61 
3.5.3　传感器配置优化问题的建立 …… 63 
3.5.4　多目标优化求解算法 …………… 68 
3.6　i-EFV驱动/制动系统结构共用技术… 73 
3.6.1　基于混合动力的驱动系统结构共用技术 ……………………………… 73 
3.6.2　基于电机制动和电控液压制动的制动系统结构共用技术 ………… 77
参考文献 …………………………………… 79

第4章　智能环境友好型车辆的信息融合技术 ………………………… 80 
4.1　多传感器信息融合技术及研究现状 … 80 
4.2　智能环境友好型车辆的信息融合系统架构 …………………………………… 84 
4.2.1　目标信息识别 …………………… 86 
4.2.2　“人-车-路”特征提取 ………… 87 
4.2.3　车辆状态预期 …………………… 88 
4.2.4　多源信息融合系统的关键技术 … 88 
4.3　基于信息融合的交通环境与车辆状态感知技术 ……………………………… 90 
4.4　多源传感器信息的空间同步 ………… 93 
4.4.1　多坐标系融合关系建立 ………… 93 
4.4.2　改进的图像与摄像机坐标系之间的坐标转换公式 …………………… 95 
4.4.3　传感器的空间同步标定方法 …… 98 
4.4.4　空间同步方法的实验验证 ……… 99 
4.5　基于多源信息的探测目标融合判别 … 101 
4.6　基于信息融合的车辆参数特征集建立 … 103 
4.7　基于信息融合的车辆特征数据提取与处理 …………………………………… 104 
4.7.1　单目测距 ………………………… 105 
4.7.2　同车道可能性的DCF修正……… 107 
4.7.3　卡尔曼跟踪预测 ………………… 108
参考文献 …………………………………… 109

第5章　智能环境友好型车辆的控制协同技术 ……………………… 111 
5.1　车辆底盘一体化协同控制体系 ……… 111 
5.2　基于顶层设计的车辆底盘系统协同控制方法 …………………………………… 116 
5.3　基于顶层设计的 i-EFV控制协同体系 … 119 
5.3.1　i-EFV分层式协同控制系统架构… 119 
5.3.2　i-EFV多目标及多系统协同的综合控制 ……………………………… 123 
5.4　i-EFV控制协同技术的典型应用 …… 124 
5.4.1　混合动力车辆智能驾驶辅助协调控制技术 ………………………… 124 
5.4.2　混合动力多系统能源管理与协调控制技术 ………………………… 142 
5.4.3　分布式电驱动车辆纵-横-垂向轮胎力协同控制技术 ………………… 148
参考文献 …………………………………… 150 

第6章　基于结

1. 《智能环境友好型车辆：概念 技术架构与工程实现》阐述的智能环境友好型车辆，是一种具有新架构形态、技术体系和应用特征的新概念载运工具平台，而并非传统意义上以电动汽车为载体的智能化汽车。
2. 《智能环境友好型车辆：概念 技术架构与工程实现》从多学科融合交叉的角度比较完整、系统地讨论了智能环境友好型车辆的概念内涵、系统架构、基础理论、关键技术体系、典型工程应用与实现。
3. 《智能环境友好型车辆：概念 技术架构与工程实现》是作者团队20余年的成果总结，在这个汽车发生大变革的时代，极具借鉴意义。