自動駕駛汽車模塊化設計研究

孫明陽

關鍵詞：自動駕駛;智能汽車;模塊化設計;安全模塊;3D打印技術

汽車隨著科技的日新月異已經發展為智能化自動駕駛新階段。尤其是近幾年，自動駕駛汽車研發已經從封閉實驗階段轉為開放試運行階段。全球汽車企業及相關行業協同合作，加速了人類自動駕駛汽車時代的來臨。

1自動駕駛汽車及其模塊化設計分析

1.1自動駕駛汽車及其模塊化設計的發展

在國外，自動駕駛汽車（Autonomous vehicles;Self-drivingcar）是一種通過電腦系統實現自動駕駛的智能汽車。根據史料將自動駕駛汽車智能化發展大致分為三個階段：第一階段，實現性自動駕駛（高度自動化），第二階段，安全性自動駕駛（零傷亡目標），第三階段，體驗性自動駕駛（人機交互）。1981年9月，中國人工智能學會（cAAI）在長沙成立，標志這中國人工智能產品設計正式開始。截止1991年，中國汽車智能發展進入借鑒摸索實踐階段。到2001年中國汽車智能制造基本實現規模化生產。2011年，中國智能汽車領域已經取得突破性發展，產業聯盟快速形成規模化。2017年4月工業和信息化部、國家發展改革委和科技部，三部委共同印發的《汽車產業中長期發展規劃》（工信部聯裝[2017]53號）指出：“到2020年，汽車DA（駕駛輔助）、PA（部分自動駕駛）、CA（有條件自動駕駛）系統新車裝配率超過50%，網聯式駕駛輔助系統裝配率達到10%，滿足智慧交通城市建設需求。到2025年，汽車DA、PA、CA新車裝配率達80%，其中PA、CA級新車裝配率達25%，完全自動駕駛汽車開始進入市場。”針對自動駕駛汽車各個層面的研究正在如火如荼的展開。從設計、制造的角度，模塊化自動駕駛汽車成為一個選擇方向。綜上，自動駕駛汽車的使用有兩種情境：一個是私有模式下的自動駕駛汽車;另一種是公有共享模式下的自動駕駛汽車。自動駕駛汽車普及必將經歷三個階段：第一階段是自動駕駛汽車與傳統汽車試行階段;第二階段是自動駕駛汽車與傳統汽車并行階段;第三階段是自動駕駛汽車獨行階段。自動駕駛汽車的車型變化同樣經歷三個演變階段：第一個階段是單體車運行;第二階段是合體車運行;第三階段是復合體車運行。

1.2自動駕駛汽車模塊化設計的特征

由于自動駕駛汽車擺脫了人工親自駕駛操作的必須性，所以，自動駕駛汽車模塊化設計與汽車模塊化設計有顯著區別，如表1所示。基于模塊化汽車設計原理、方法的基礎上，模塊化自動駕駛汽車發展需堅持兩個方向：一個是“極簡主義”設計，外觀簡約、結構簡化、部件減少。另一個是基于3D打印技術的整車打印和局部零部件打印。如Oiio采用模塊化設計理念2060或推出未來通勤車輛設計。

2自動駕駛汽車模塊化設計的原則及方法

2.1自動駕駛汽車模塊化設計原則

采用模塊化原理、方法設計汽車，制造汽車已經成為可能。主要因為汽車零部件構成已經從上萬個發展為上百個，伴隨材料技術和制造技術（3D打印技術）等最新科技的普及應用，汽車構成部件甚至更少。傳統汽車設計以圍繞人工駕駛操作為主，包括外觀、內飾、結構等，所以車身外觀基本一致，并無大的改變。但是，自動駕駛汽車擺脫了人工駕駛操作的必須性，因而整車設計應該完全采用新的思維視角進行思考。從設計到制造，結合用戶需求可知，自動駕駛汽車模塊化設計是一種發展趨勢。通過調查總結出自動駕駛汽車模塊化設計三原則：

第一，智能性原則。無論是載人自動駕駛汽車還是非載人自動駕駛汽車，汽車自動化水平（或者說智能化程度包括多感官參與下人機交互體驗等）是汽車自動化駕駛的本質特征…。

第二，安全性原則。自動駕駛汽車模塊化設計的優勢是通過安全模塊設計體現出來，尤其針對載人自動駕駛汽車而言，“以人為本，生命第一”的設計原則是自動駕駛汽車的核心內容。

第三，可持續性原則。自動駕駛汽車模塊化設計保證汽車的標準化模塊可以不斷的替換更新。安全、環保的綠色材料是自動駕駛汽車可持續設計的綠色保障。

2.2自動駕駛汽車模塊化設計方法

自動駕駛汽車采取模塊化設計方法，包含兩個主要方面：第一，自動駕駛汽車硬件的模塊化分解設計;第二，自動駕駛汽車軟件的模塊化通信設計。通過建立自動駕駛汽車（產品）模塊庫將汽車進行系統工程管理便于研發。

3自動駕駛汽車模塊化設計案例分析

3.1自動駕駛汽車方艙模塊設計分析

翻檢模塊化自動駕駛汽車相關資料，發現瑞士Rinspeed模塊化自動駕駛概念車提供了一種可行性研究方向，即自動駕駛汽車乘員方艙可以設計成一個獨立單元模塊。該公司2018年推出Snap模塊化自動駕駛車。該自動駕駛車是一個自動駕駛模塊化汽車，它由吊艙和底盤兩個主要模塊構成。2019年升級改進款的Microsnap自動駕駛模塊化吊艙在尺寸上進行了縮減，形成封閉艙體。據此，結合汽車設計發展史可知，乘員艙分開獨立設計有其科學合理性，符合模塊設計思維。

3.2自動駕駛汽車安全模塊設計分析

從2016年1月份的特斯拉致死案到2018年3月份優步自動駕駛汽車撞死行人，再到2018年5月份谷歌開創自動駕駛項目Waymo自動駕駛小型貨車在亞利桑那州錢德勒相撞，造成測試員輕傷一案，為自動駕駛汽車技術安全敲響了警鐘。通過實際案例得出，自動駕駛汽車安全面臨考驗。

在自動駕駛汽車模塊設計上，應該明顯區分載人自動駕駛和無人自動駕駛的安全模塊設計。載人自動駕駛汽車應該增加頭部、膝部和腰部等安全防護模塊，保證乘員的安全。相反，無人自動駕駛汽車則可以減少此類安全模塊設計的比重。其中，自動駕駛汽車乘員范圍包括特殊群體如殘疾人、老年人等，所以，安全模塊設計十分必要。自動駕駛汽車意外碰撞情況分析，一種是運動過程中（行駛中）意外碰撞，另一種是靜止狀態下（停車中）意外被動碰撞。因此，前者方艙模塊和后者安全模塊設計的意義尤為重要，后者相對是非重點研究對象。

國內外研究現狀表明：自動駕駛模塊化汽車從用途角度，汽車設計的重點在兩個方面：第一，基于安全性的安全模塊;第二，基于實用性的功能模塊。OSVehicle自動駕駛模塊化汽車Edit可以拆分的五個部分分別為：前臉、車尾、車頂和兩個對稱門。除了外觀之外，內飾部分同樣可以進行定制。基于上述實踐可以預測，車身分解模塊可以作為安全模塊進行設計。

此外，自動駕駛汽車在不同環境模式下，應該具備多功能變體模塊，以適應多種環境變化需求。自然環境如氣候環境，地理環境等，人工環境如交通環境，空間環境等。根據用戶需求，提供更多的模塊選擇空間。

4結論

基于工業革命4.0背景下，文中簡要回顧了自動駕駛汽車設計及自動駕駛汽車模塊化設計的發展現狀及趨勢，其次，分析了自動駕駛汽車模塊化設計的原則及方法，最后，針對自動駕駛汽車的非人為操控危險性，從功能角度提出了方艙模塊設計和安全模塊設計的必要性。毫無疑問，未來自動駕駛汽車是人類智能公交發展的必然趨勢。自動駕駛汽車模塊化設計能更好地滿足智能公交乃至智慧城市的發展需求，市場開發前景廣大。最后，希望文中針對自動駕駛汽車模塊化設計的分析與展望對自動駕駛汽車設計領域實踐提供新的思考方向，在宜人設計的基礎上，更加符合未來智能公交乃至智慧城市建設發展的需求。