用于未來(lái)城市交通的自動(dòng)駕駛汽車方案

M.M NSTER G.KOPP H.E.FRIEDRICH T.SIEFKES

基于城市車輛模塊化平臺(tái)“未來(lái)汽車（NGC）”研究項(xiàng)目的首款樣車被設(shè)計(jì)成具有2+2座位型式的客車。在NGC項(xiàng)目中，德國(guó)航空航天中心的科學(xué)家們致力于研究未來(lái)的交通運(yùn)輸工具，從而制定了不同的車型方案及研究方法，并由此開發(fā)出了可供使用的樣車。

城市交通;自動(dòng)駕駛;模塊化

0?前言

模塊化城市汽車（UMV）是1種可用于未來(lái)交通運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)方案，該車型能用于滿足城市內(nèi)部和城郊地區(qū)的運(yùn)輸需求。在模塊化平臺(tái)上不僅可將UMV改裝成配有駕駛員座位的基本型、加長(zhǎng)型和貨運(yùn)型等衍生車型，而且也能被改裝成可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的全新車型。設(shè)計(jì)人員對(duì)此類衍生車型的長(zhǎng)度及高度尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。車型的長(zhǎng)度尺寸可在3.7～4.1 m之間進(jìn)行調(diào)整，其高度尺寸可在1.6～2.3 m之間進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，該類車型可通過(guò)滑板構(gòu)件以實(shí)現(xiàn)在不同車型結(jié)構(gòu)之間的切換（圖1）。

在該車型系列中，基于2+2座位型式的UMV客車（UMV-PM-2+2）已設(shè)計(jì)出實(shí)際樣車。在開發(fā)這種車型時(shí)，設(shè)計(jì)人員對(duì)整車方案、車輛結(jié)構(gòu)、能量管理、動(dòng)力總成系統(tǒng)、底盤和車輛智能系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了全面考慮。

在已設(shè)計(jì)出的客車方案中介紹了1種自動(dòng)駕駛汽車，該車型可抵達(dá)城市內(nèi)的任意地點(diǎn)，但與地鐵或城市客車等出行方式相比，其經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)輸效率均相對(duì)較低。設(shè)計(jì)人員應(yīng)針對(duì)UMV-PM-2+2車型設(shè)計(jì)出1種有效的解決方案，以便使乘客在出行時(shí)能順利抵達(dá)目的地，由此減少私家車的使用頻率。在非交通高峰時(shí)期，以鉸接式城市客車為代表的大型客車運(yùn)輸效率相對(duì)較低，此時(shí)PM-2+2客車就是1種較為理想的替代車型。

就乘客與車輛之間的人機(jī)互動(dòng)過(guò)程而言，一旦乘客所預(yù)定的UMV客車到達(dá)所指定的載客地點(diǎn)，乘客須通過(guò)智能手機(jī)和車輛側(cè)窗上的接口進(jìn)行登錄（圖2），隨后即可自由操縱車門，通過(guò)操縱電動(dòng)控制手柄以打開車廂滑動(dòng)門。車內(nèi)乘客和其他行人的安全性是“未來(lái)汽車”（NGC）UMV項(xiàng)目研究的核心問題，因此設(shè)計(jì)人員在車廂內(nèi)部布設(shè)了安全帶，并使該車型具有一定防碰撞功能。當(dāng)乘客確認(rèn)安全帶已插好時(shí)，車門就會(huì)隨即關(guān)閉。

基于相關(guān)設(shè)計(jì)原則，UMV-PM-2+2車輛的內(nèi)飾設(shè)計(jì)風(fēng)格樸素而又簡(jiǎn)潔。在車頂天花板上配備的2個(gè)顯示器可為乘客播放旅途信息，如乘車時(shí)間及天氣預(yù)報(bào)等，而且還可為其他乘客預(yù)告后續(xù)的停車站點(diǎn)，從而為所有乘客提供完善和透明的信息（圖3）。

1?動(dòng)力總成系統(tǒng)和車輛底盤

設(shè)計(jì)人員通過(guò)設(shè)定，可使UMV車型達(dá)到400 km的行駛里程。UMV車型可通過(guò)2個(gè)30 kW的電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)被集成在后橋上靠近車輪的位置（圖4）。UMV客車的動(dòng)力裝置以48 V系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在已過(guò)了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證后，其結(jié)果是樣車可滿足各類行駛工況。

對(duì)于樣車而言，其在行駛中會(huì)預(yù)設(shè)1個(gè)行駛方向。該車型如駛?cè)霟o(wú)法調(diào)頭的狹窄道路，經(jīng)系統(tǒng)測(cè)算后，能使整車倒駛一小段路程，從而實(shí)現(xiàn)原路返回。設(shè)計(jì)人員對(duì)UMV樣車不同的底盤方案進(jìn)行了研究，重點(diǎn)對(duì)高集成底盤和90°轉(zhuǎn)向的操作方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員基于客車的技術(shù)特點(diǎn)，選擇了麥弗遜車橋作為前橋，并以帶有橋支座的五連桿車橋作為后橋，由此可充分滿足樣車的運(yùn)輸需求。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員針對(duì)貨車的技術(shù)特點(diǎn)，為其配備了雙車橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

2?能量管理和車輛智能

在車輛能量管理方面，設(shè)計(jì)人員針對(duì)UMV-PM-2+2客車及相關(guān)課題開展了研究。其中1個(gè)富有挑戰(zhàn)性的課題是開發(fā)車輛的新型通風(fēng)方案及相關(guān)運(yùn)行策略。在車廂內(nèi)，由于乘客以面對(duì)面的方式進(jìn)行乘坐，須改變車內(nèi)空氣調(diào)節(jié)的方式。設(shè)計(jì)人員所采用的1種試驗(yàn)方法是通過(guò)氣流通道對(duì)車內(nèi)空氣進(jìn)行調(diào)節(jié)。這些氣流通道被集成在車身A/C柱和車頂結(jié)構(gòu)中，并可實(shí)現(xiàn)車廂和外界的空氣對(duì)流。

另外，UMV系列車型能從輔助駕駛狀態(tài)切換至全自動(dòng)駕駛狀態(tài)。UMV的衍生車型是按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的，并且沒有布設(shè)駕駛員的位置。UMV-PM-2+2客車還配裝了用于識(shí)別環(huán)境特征和實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)的多個(gè)傳感器，在車頂布設(shè)有4個(gè)三維（3D）雷達(dá)傳感器，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）天線和車輛互聯(lián)裝置，并在前擋風(fēng)玻璃上安裝了光學(xué)傳感器;遠(yuǎn)程和短程雷達(dá)模塊則安裝在前護(hù)板上;車尾部也布設(shè)有1個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)、18個(gè)超聲波傳感器和2個(gè)側(cè)面攝像機(jī)。

3?車輛結(jié)構(gòu)和模塊化策略

車輛結(jié)構(gòu)和模塊接口是目前UMV車型最受關(guān)注的研究課題。所有的UMV衍生車型應(yīng)盡可能多地使用通用度較高或技術(shù)較為成熟的零件[1]。前車車廂、車廂地板和后車車廂作為車體主要結(jié)構(gòu)部件，可應(yīng)用于所有的UMV衍生車型。由于UMV衍生車型種類繁多，根據(jù)設(shè)計(jì)人員的開發(fā)理念，規(guī)定部分構(gòu)件應(yīng)采用多材質(zhì)空心骨架結(jié)構(gòu)型式。車廂的前后部、車身地板，以及過(guò)渡處的連接件都采用了直線輪廓，而車身外殼結(jié)構(gòu)型式中的自由成形表面結(jié)構(gòu)已在車身制造過(guò)程中得以應(yīng)用。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行開發(fā)時(shí)，首先應(yīng)重視車體外部和安裝部件。因此，對(duì)用于客運(yùn)的UMV車型而言，其前門和后門均應(yīng)采用通用度較高的零件（圖5）。

在未來(lái)的模塊化接口試驗(yàn)框架中，德國(guó)航空航天中心研究所針對(duì)UMV車型的不同優(yōu)化方案開展了試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員在調(diào)整車型結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)模塊化策略進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，例如將滑板變型結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)分。上述開發(fā)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)調(diào)整都是基于UMV系列車型而衍生出的，但該車型仍需提升載質(zhì)量并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。目前，設(shè)計(jì)人員已對(duì)相應(yīng)車型方案從不同用途角度進(jìn)行了分析。以全新的自動(dòng)駕駛概念車型Rinspeed Snap和Schaeffler Mover為例，德國(guó)航空航天中心研究所的相關(guān)設(shè)計(jì)人員已研究出了改型方案，并開展了一系列試驗(yàn)。相關(guān)改型方案包括可將獨(dú)立車橋模塊連接到乘客艙或貨艙的底盤結(jié)構(gòu)。然而，由于設(shè)計(jì)人員在相同的平臺(tái)上提出了不同的改型方案（圖6），其可行性依然有待驗(yàn)證。

在名為“U-Shift”的另一種車輛設(shè)計(jì)方案中，設(shè)計(jì)人員分析了用于替代UMV車型滑板方案的U型結(jié)構(gòu)。這種U-Shift方案后續(xù)將在德國(guó)巴登-符騰堡州經(jīng)濟(jì)部的研究項(xiàng)目中由相關(guān)設(shè)計(jì)人員開展進(jìn)一步研究，并將在2020年內(nèi)設(shè)計(jì)出樣車模型。

4?結(jié)論與展望

UMV客車是德國(guó)航空航天中心在交通研究領(lǐng)域內(nèi)研究的核心產(chǎn)品之一，并且由此引領(lǐng)了不同的技術(shù)潮流。未來(lái)，設(shè)計(jì)人員將對(duì)車廂通風(fēng)、自動(dòng)駕駛、碰撞試驗(yàn)等課題開展重點(diǎn)研究，并針對(duì)UMV-PM-2+2試驗(yàn)樣車開展相關(guān)試驗(yàn)，從而進(jìn)一步開發(fā)可應(yīng)用于該車型的零部件。

[1]M?NSTER M，SCHFFER M，KOPP G，u.a. Modulare karosserie-bauweise für ein stadt-elektrofahrzeug[J]. ATZ，2017，119（5）：16-23.