用于未來城市交通的自動駕駛汽車方案

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

基于城市車輛模塊化平臺“未來汽車（NGC）”研究項目的首款樣車被設(shè)計成具有2+2座位型式的客車。在NGC項目中，德國航空航天中心的科學(xué)家們致力于研究未來的交通運輸工具，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;自動駕駛;模塊化

0?前言

模塊化城市汽車（UMV）是1種可用于未來交通運輸?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)的運輸需求。在模塊化平臺上不僅可將UMV改裝成配有駕駛員座位的基本型、加長型和貨運型等衍生車型，而且也能被改裝成可實現(xiàn)自動駕駛的全新車型。設(shè)計人員對此類衍生車型的長度及高度尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。車型的長度尺寸可在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，該類車型可通過滑板構(gòu)件以實現(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)計出實際樣車。在開發(fā)這種車型時，設(shè)計人員對整車方案、車輛結(jié)構(gòu)、能量管理、動力總成系統(tǒng)、底盤和車輛智能系統(tǒng)等多個領(lǐng)域進(jìn)行了全面考慮。

在已設(shè)計出的客車方案中介紹了1種自動駕駛汽車，該車型可抵達(dá)城市內(nèi)的任意地點，但與地鐵或城市客車等出行方式相比，其經(jīng)濟性和運輸效率均相對較低。設(shè)計人員應(yīng)針對UMV-PM-2+2車型設(shè)計出1種有效的解決方案，以便使乘客在出行時能順利抵達(dá)目的地，由此減少私家車的使用頻率。在非交通高峰時期，以鉸接式城市客車為代表的大型客車運輸效率相對較低，此時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互動過程而言，一旦乘客所預(yù)定的UMV客車到達(dá)所指定的載客地點，乘客須通過智能手機和車輛側(cè)窗上的接口進(jìn)行登錄（圖2），隨后即可自由操縱車門，通過操縱電動控制手柄以打開車廂滑動門。車內(nèi)乘客和其他行人的安全性是“未來汽車”（NGC）UMV項目研究的核心問題，因此設(shè)計人員在車廂內(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，車門就會隨即關(guān)閉。

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

1?動力總成系統(tǒng)和車輛底盤

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

對于樣車而言，其在行駛中會預(yù)設(shè)1個行駛方向。該車型如駛?cè)霟o法調(diào)頭的狹窄道路，經(jīng)系統(tǒng)測算后，能使整車倒駛一小段路程，從而實現(xiàn)原路返回。設(shè)計人員對UMV樣車不同的底盤方案進(jìn)行了研究，重點對高集成底盤和90°轉(zhuǎn)向的操作方案進(jìn)行了設(shè)計分析。同時，設(shè)計人員基于客車的技術(shù)特點，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輸需求。同時，設(shè)計人員針對貨車的技術(shù)特點，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)計人員針對UMV-PM-2+2客車及相關(guān)課題開展了研究。其中1個富有挑戰(zhàn)性的課題是開發(fā)車輛的新型通風(fēng)方案及相關(guān)運行策略。在車廂內(nèi)，由于乘客以面對面的方式進(jìn)行乘坐，須改變車內(nèi)空氣調(diào)節(jié)的方式。設(shè)計人員所采用的1種試驗方法是通過氣流通道對車內(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，并可實現(xiàn)車廂和外界的空氣對流。

另外，UMV系列車型能從輔助駕駛狀態(tài)切換至全自動駕駛狀態(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別環(huán)境特征和實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測的多個傳感器，在車頂布設(shè)有4個三維（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個雷達(dá)系統(tǒng)、18個超聲波傳感器和2個側(cè)面攝像機。

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)已在車身制造過程中得以應(yīng)用。設(shè)計人員在進(jìn)行開發(fā)時，首先應(yīng)重視車體外部和安裝部件。因此，對用于客運的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）。

在未來的模塊化接口試驗框架中，德國航空航天中心研究所針對UMV車型的不同優(yōu)化方案開展了試驗。在試驗過程中，設(shè)計人員在調(diào)整車型結(jié)構(gòu)時對模塊化策略進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗研究，例如將滑板變型結(jié)構(gòu)與驅(qū)動板結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)分。上述開發(fā)過程中的結(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)量并實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。目前，設(shè)計人員已對相應(yīng)車型方案從不同用途角度進(jìn)行了分析。以全新的自動駕駛概念車型Rinspeed Snap和Schaeffler Mover為例，德國航空航天中心研究所的相關(guān)設(shè)計人員已研究出了改型方案，并開展了一系列試驗。相關(guān)改型方案包括可將獨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)計人員在相同的平臺上提出了不同的改型方案（圖6），其可行性依然有待驗證。

在名為“U-Shift”的另一種車輛設(shè)計方案中，設(shè)計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)將在德國巴登-符騰堡州經(jīng)濟部的研究項目中由相關(guān)設(shè)計人員開展進(jìn)一步研究，并將在2020年內(nèi)設(shè)計出樣車模型。

4?結(jié)論與展望

UMV客車是德國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，設(shè)計人員將對車廂通風(fēng)、自動駕駛、碰撞試驗等課題開展重點研究，并針對UMV-PM-2+2試驗樣車開展相關(guān)試驗，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.