汽车理论与自动驾驶
课程信息
| 课程名称／课程号 | 适用范围与修读要求 |
|---|---|
| 汽车理论与自动驾驶 ENER3401M1 |
车辆 · 26级 专业必修 |
课程简介
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《汽车理论与自动驾驶》是车辆工程专业的核心课程。课程内容聚焦车辆动力学与自动驾驶前沿技术的融合，主要包括轮胎力学、车辆动力性、制动性与操纵稳定性等动力学基础，并系统讲授自动驾驶环境感知、行为决策、运动规划与车辆控制等核心模块。课程特别着力于轨迹跟踪控制理论，重点解析纯跟踪、Stanley、模型预测控制等经典与现代控制方法的原理与设计。通过本课程学习，学生能够从整车系统角度出发，理解智能车辆性能的评价指标与分析方法，掌握基于动力学约束的跟踪控制策略设计，以及相关关键技术参数的确定理论，为从事智能车辆系统的综合设计、研发与集成打下坚实基础。
来源：教务网。
课程内容
分数构成
平时作业和测验分别占40%、60%，具体如下：
1) 平时作业包括：读书报告、建模仿真、实验报告；
2) 测验包括：轮胎模块、动力学模块、感知算法、规划模块、轨迹控制。
课程大纲
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本课程共16次课，围绕“车辆动力学建模”与“自动驾驶感知-规划-控制”两条主线展开，具体安排如下：
（一）车辆动力学概论与纵向动力学（第1-5次课）
车辆性能分析与设计概论；轮胎力学模型（Pacejka魔术公式、线性/非线性区特性）；动力传动系统建模（外特性、速比、行驶阻力平衡）；制动系统力学模型（制动力分配I曲线、ABS/ESC原理）；纵向动力学仿真实践。
（二）车辆侧向与垂向动力学（第6-10次课）
侧向力学基础与阿克曼转向几何；线性二自由度单轨模型（侧偏角、横摆角速度响应、转向特性）；侧向动力学仿真与系统辨识实践；三自由度侧向-横摆-侧倾耦合模型与侧翻分析；垂向动力学模型（1/4与半车模型、悬架特性、路面激励传递）。
（三）自动驾驶感知与规划（第11-14次课）
环境感知基础：摄像头与激光雷达工作原理、车道线检测、点云分割聚类；车辆运动预测：运动学模型（CV/CTRV）、基于物理与数据驱动的预测方法；运动规划：图搜索（Dijkstra/A*）、采样方法（RRT）、基于优化的平滑轨迹生成、数据驱动规划；感知规划算法实践（CARLA/ROS）。
（四）轨迹跟踪控制与综合实践（第15-16次课）
轨迹跟踪控制：纯跟踪（Pure Pursuit）、Stanley控制器、PID纵向控制、模型预测控制（MPC）；轨迹跟踪控制实践；规划-控制联合仿真综合测试。
附：时间安排
周次 |
学时 |
教学内容（要点） |
课程思政融入点和实施方法 |
教学形式（理论、讨论、实践、实验、测试等） |
1 |
2 |
车辆性能分析与设计概论 |
思政融入点：中国自主品牌崛起的历史和经验。 实施方法：讨论课。教师讲授自主品牌带头人奇瑞、吉利、比亚迪案例，学生分组讨论。 |
理论讲授 |
1 |
软件实践：CAE软件认识 |
实践 |
||
2 |
3 |
轮胎力学：Pacejka魔术公式（Magic Formula）；纵向力-滑移率、侧向力-侧偏角关系；线性轮胎模型与非线性区特性 |
思政融入点：中国的轮胎力学和车辆动力学研究、吉林大学郭孔辉院士团队。 实施方法：讨论课。教师展示郭院士团队在1990年代、2000年代、2010年代三个时间段内，分别完成轮胎力学、底盘KC测试台、电控悬架等三个领域的突破，尤其强调中国汽车技术原创精神，师生课堂讨论。 |
理论讲授 |
3 |
3 |
动力传动系统建模：发动机/电机外特性与调速特性；传动系统速比与效率；加速阻力与行驶阻力平衡 |
理论讲授 |
|
4 |
3 |
制动系统力学模型；制动器力矩-制动踏板关系建模；理想制动力分配（I曲线）；ABS/ESC基本原理概述 |
理论讲授 |
|
5 |
3 |
纵向动力学仿真：动力传动系和制动系统建模仿真 |
软件实践 |
|
6 |
3 |
侧向力学基础；车辆转向几何（阿克曼转向）；侧向运动学建模； |
理论讲授 |
|
7 |
3 |
车辆线性二自由度模型（单轨模型）；侧偏角与横摆角速度响应；不足转向/过多转向概念 |
理论讲授 |
|
8 |
3 |
侧向动力学建模仿真与系统辨识（） |
软件实践 |
|
9 |
3 |
车辆侧向+横摆+侧倾三自由度模型；侧倾运动耦合；侧倾刚度与侧倾转向；侧翻阈值分析 |
理论讲授 |
|
10 |
2 |
垂向动力学模型：垂向动力学模型（1/4车辆模型、半车模型）；悬架刚度与阻尼特性；簧上/簧下质量振动；路面激励传递 |
理论讲授 |
|
1 |
仿真建模 |
实践 |
||
11 |
3 |
自动驾驶感知：传感器工作原理与数据特性：摄像头（图像特征、车道线检测）、激光雷达（点云、分割与聚类） |
理论讲授 |
|
12 |
3 |
自动驾驶运动预测：车辆运动预测基础；运动学预测模型（恒定速度/恒定转率模型）；基于物理模型的单车运动预测；数据驱动的运动预测算法 |
理论讲授 |
|
13 |
3 |
自动驾驶运动规划；图搜索路径规划；采样方法规划原理与实现；基于运动学/动力学OCP的平滑轨迹生成；数据驱动的运动规划算法 |
思政融合点：中国自动驾驶已步入全球第一梯队。 实施方法：简要讲述国内典型公司如何实现从核心技术“跟跑”到“并跑领跑”的跨越。掌握车辆动力学与规控算法正是突破“感知-决策-执行”技术闭环的关键，所学将直接汇入这一国家战略方向。 |
理论讲授 |
14 |
3 |
自动驾驶感知规划算法实践：基于CARLA/ROS环境的demo算法复现（） |
实践 |
|
15 |
3 |
轨迹跟踪控制；纯跟踪（Pure Pursuit）、Stanley控制器；PID纵向速度控制；MPC轨迹跟踪控制 |
理论讲授 |
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16 |
3 |
轨迹跟踪控制实践：模型车/仿真轨迹跟踪控制实测与对比；联合仿真环境下的规划/控制综合测试（*） |
实验 |
原课程资料（参考）
参考《汽车理论》（ENER3401M）的资料。仅供当前课程参考。