引用論文

殷國棟. 廣義車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)：理論框架與總體概述[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(18): 190-203.

YIN Guodong. Generalized Vehicle System Dynamics: Theoretical Framework and Comprehensive Overview[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(18): 190-203.

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車輛動(dòng)力學(xué)理論是汽車設(shè)計(jì)和控制的基礎(chǔ)。隨著汽車電動(dòng)化與智能化快速發(fā)展，分布式、模塊化與多冗余的新型底盤結(jié)構(gòu)打破了傳統(tǒng)車輛運(yùn)動(dòng)功能邊界，車載、路測(cè)與網(wǎng)聯(lián)等智能信息的引入也使車輛系統(tǒng)逐漸向物理信息系統(tǒng)演變?，F(xiàn)有以“剛體-輪胎-路面”三要素為核心的車輛動(dòng)力學(xué)理論體系難以統(tǒng)一化表征多運(yùn)動(dòng)形態(tài)的底盤動(dòng)力學(xué)，更無法闡述多源外部環(huán)境信息與車輛之間的力學(xué)交互本質(zhì)，其理論內(nèi)涵與輻射范圍凸顯出模型構(gòu)建通用性弱和環(huán)境信息包容性差兩大局限 。東南大學(xué)殷國棟教授針對(duì)上述問題，提出一種廣義車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論架構(gòu)，將底盤約束、車間作用與信息交互統(tǒng)一抽象為廣義車輛系統(tǒng)內(nèi)部的廣義作用力，建立了涵蓋機(jī)械、電子與信息多物理場(chǎng)耦合作用的動(dòng)力學(xué)體系，豐富了傳統(tǒng)“建模-估計(jì)-控制”理論內(nèi)涵，形成了可指導(dǎo)高性能車輛底盤設(shè)計(jì)與協(xié)同控制的統(tǒng)一理論框架 。本文作為《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》2025年第18期的封面文章發(fā)表，期望相關(guān)工作為廣義車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究提供參考。

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研究背景及目的

車輛動(dòng)力學(xué)理論是汽車設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化與控制策略開發(fā)的理論基石。然而，隨著汽車電動(dòng)化、智能化與網(wǎng)聯(lián)化的深度融合，分布式驅(qū)動(dòng)、模塊化及多冗余的新型底盤結(jié)構(gòu)不斷拓展車輛運(yùn)動(dòng)功能邊界，車輛系統(tǒng)正由傳統(tǒng)的機(jī)械物理系統(tǒng)演化為物理—信息強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。在此背景下，傳統(tǒng)以“剛體—輪胎—路面”三要素為核心的動(dòng)力學(xué)理論體系，已難以統(tǒng)一描述多構(gòu)型底盤的多維耦合動(dòng)力學(xué)特性，更無法刻畫多源環(huán)境信息對(duì)車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為的交互影響，導(dǎo)致模型構(gòu)建通用性不足、環(huán)境信息包容性有限等關(guān)鍵瓶頸。針對(duì)該系統(tǒng)性問題，本研究提出廣義車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論架構(gòu)，將底盤約束、車間作用及信息交互統(tǒng)一抽象為系統(tǒng)內(nèi)部的廣義作用力，建立了涵蓋機(jī)械、電子與信息多物理場(chǎng)耦合作用的動(dòng)力學(xué)體系，系統(tǒng)拓展了傳統(tǒng)“建模—估計(jì)—控制”理論范式，為智能網(wǎng)聯(lián)電動(dòng)汽車的高性能底盤設(shè)計(jì)與協(xié)同控制提供了統(tǒng)一、完備且可擴(kuò)展的理論基礎(chǔ)。

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論文亮點(diǎn)

（1）擴(kuò)展了現(xiàn)有車輛動(dòng)力學(xué)的理論體系和覆蓋范圍，將外部綜合環(huán)境之間的作用抽象為廣義力納入車輛本體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)方程中，構(gòu)建了描述底盤內(nèi)部及其與車周環(huán)境的統(tǒng)一廣義動(dòng)力學(xué)框架。

（2）豐富了傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與估計(jì)理論體系，提出了事件流驅(qū)動(dòng)和機(jī)理-數(shù)據(jù)融合驅(qū)動(dòng)的建模機(jī)制與車輛鄰域廣義狀態(tài)估計(jì)方法。

（3）擴(kuò)展了底盤的操穩(wěn)邊界，形成了集規(guī)控于一體的高性能瞬態(tài)協(xié)同控制框架。

圖1 廣義車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論體系

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試驗(yàn)方法/結(jié)果

(1) 廣義系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)事件驅(qū)動(dòng)混合建模

將傳感器數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為行駛工況事件，并與車輛動(dòng)力學(xué)模型匹配，結(jié)合機(jī)理模型與多源傳感數(shù)據(jù)，構(gòu)建包含歷史狀態(tài)與輸入信息的數(shù)據(jù)矩陣，通過優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)機(jī)理與數(shù)據(jù)融合，形成高精度廣義車輛動(dòng)力學(xué)模型。

(2) 車輛鄰域廣義狀態(tài)估計(jì)

構(gòu)建基于橢球凸集的不確定性模型，結(jié)合無跡與容積卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)鄰域狀態(tài)高精度估計(jì)；采用事件觸發(fā)通信與多傳感器通道解耦策略，重構(gòu)狀態(tài)與觀測(cè)方程，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擾動(dòng)下車輛鄰域狀態(tài)的穩(wěn)健估計(jì)。

(3) 廣義車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)控制

將車輛穩(wěn)定邊界的包絡(luò)范圍，定義為吸引域(ROA)的子集。通過求解雙線性矩陣不等式(Bilinear matrix inequality, BMI)問題，估算不同階數(shù)下的動(dòng)態(tài)廣義穩(wěn)定邊界，從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)穩(wěn)定邊界的拓展。廣義穩(wěn)定邊界的拓展結(jié)果如圖2所示。

圖2 車輛廣義穩(wěn)定邊界擴(kuò)展

建立車輛系統(tǒng)與外部環(huán)境的映射關(guān)系，基于Zonotope方法近似描述事件驅(qū)動(dòng)下非線性系統(tǒng)可達(dá)集，通過裁剪原始非凸搜索空間，轉(zhuǎn)化為可行凸空間區(qū)域，形成通用安全可達(dá)集計(jì)算框架。

圖3 安全可達(dá)集通用計(jì)算框架

規(guī)劃出從起點(diǎn)到平衡點(diǎn)的小范圍吸引域，推導(dǎo)出橢球不變集隨時(shí)間的變化形式。最終實(shí)現(xiàn)廣義狀態(tài)的瞬態(tài)性能和魯棒性如圖4所示。

圖4 廣義車輛動(dòng)力學(xué)規(guī)控一體瞬態(tài)控制

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結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)車輛動(dòng)力學(xué)體系存在的模型構(gòu)建通用性弱和環(huán)境信息包容性差兩大難點(diǎn)，重構(gòu)了以“剛體-輪胎-路面”三要素為核心的傳統(tǒng)車輛動(dòng)力學(xué)框架，形成了描述車輛底盤構(gòu)型、力學(xué)約束、外部環(huán)境等多物理場(chǎng)相互作用的廣義車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論體系。構(gòu)建了機(jī)械、電子、信息等多物理場(chǎng)相互作用的車輛動(dòng)力學(xué)理論新體系。形成了以事件流建模機(jī)制為基礎(chǔ)的廣義鄰域系統(tǒng)估計(jì)方法，以及以廣義車輛穩(wěn)定邊界為約束的高性能規(guī)控一體瞬態(tài)控制理論。

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應(yīng)用前景

廣義車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論突破了傳統(tǒng)車輛動(dòng)力學(xué)在單一構(gòu)型、線性假設(shè)和機(jī)理建模等方面的局限，能夠統(tǒng)一描述多形態(tài)底盤的動(dòng)力學(xué)特性，為高性能智能底盤設(shè)計(jì)提供理論支撐。同時(shí)，將多源環(huán)境信息融入動(dòng)力學(xué)建模體系，構(gòu)建了面向高性能規(guī)控一體化的瞬態(tài)控制理論。該理論的提出為復(fù)雜環(huán)境下車輛的統(tǒng)一建模、運(yùn)動(dòng)邊界拓展與新型底盤潛能釋放提供了創(chuàng)新方案，并為智能網(wǎng)聯(lián)汽車動(dòng)力學(xué)理論與工程技術(shù)的融合發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。

作者及團(tuán)隊(duì)介紹

殷國棟， 國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，東南大學(xué)首席教授，江蘇特聘教授，東南大學(xué)科研院院長，江蘇省智能電動(dòng)運(yùn)載裝備工程研究中心主任 。主要從事車輛動(dòng)力學(xué)與控制等研究。近5年主持國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金中國汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目等30余項(xiàng)；牽頭獲教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、江蘇省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)；獲江蘇省“最美科技工作者”、中國汽車工程學(xué)會(huì)會(huì)士等榮譽(yù)稱號(hào)；擔(dān)任《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》等多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)頂級(jí)期刊編委或副主編。

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作者或團(tuán)隊(duì)研究方向介紹

團(tuán)隊(duì)主要研究方向：車輛動(dòng)力學(xué)與控制、智能底盤與自動(dòng)駕駛、智能網(wǎng)聯(lián)與智慧出行、車輛設(shè)計(jì)與智能結(jié)構(gòu)、車用動(dòng)力與電動(dòng)運(yùn)載。

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近兩年團(tuán)隊(duì)發(fā)表文章

[1]Liang J, Shen C, Xia X, et al. Robust Game-Theory Control for All-Wheel Steering to Enhance Vehicle Handling Stability Performance[J]. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems, 2025.

[2]Fang R, Shen T, Bai X, et al. Hierarchical Control with Steering Mode Switching for MDED-HDV via Maneuver Stability Region Analysis[J]. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 2025.

[3]Cai G, Yin G, Pi D, et al. Safety Region based Event-Driven Lateral Stability Control for DDEVs with Energy Conservation[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2025.

[4]Wang F, Shen T, Li A, et al. Protocol-based Fusion Estimator for Motion State of Surrounding Vehicles Under Connected Environment[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2025.

[5]Bai S, Wang W, Qiu Z, et al. An Integrated Dual Event-Driven Approach for Motion State Estimation of Surrounding Vehicles Under Complex Connected Scenarios[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2025.

[6]Wang Y, Yin G, Hang P, et al. Fundamental Estimation for Tire Road Friction Coefficient: A Model-based Learning Framework[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2024.

[7]Ding H, Zhuang W, Dong H, et al. Eco-Driving Strategy Design of Connected Vehicle Among Multiple Signalized Intersections Using Constraint-Enforced Reinforcement Learning[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2024, 11(1): 732-743.

[8]Wang F, Zhao M, Shen T, et al. A Robust Adaptive Fault-Tolerant Estimator for Sideslip Angle and Tire Cornering Stiffness with Multiple Missing Data[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2024, 29(6): 4800-4813.

[9]白鑫,沈童,王凡勛,等.基于駕駛?cè)瞬倏v穩(wěn)定域的分布式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車多模態(tài)扭矩分配策略研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2025,61(14):166-183.

[10]張寧,吳志豪,張浩彬,等.考慮車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與輪胎滑移能耗的車輛編隊(duì)縱向協(xié)調(diào)控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2025,61(08):250-260.

作 者：殷國棟

責(zé)任編輯：杜蔚杰

責(zé)任校對(duì)：張 強(qiáng)

審 核：張 強(qiáng)

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JME學(xué)院是由《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》編輯部2018年創(chuàng)建，以關(guān)注、陪伴青年學(xué)者成長為宗旨，努力探索學(xué)術(shù)傳播服務(wù)新模式。首任院長是中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)監(jiān)事會(huì)監(jiān)事長、《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》中英文兩刊主編宋天虎。

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