东南大学殷国栋教授：广义车辆系统动力学：理论框架与总体概述丨JME封面文章

引用论文

殷国栋. 广义车辆系统动力学：理论框架与总体概述[J]. 机械工程学报, 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.

(戳链接，下载全文)

车辆动力学理论是汽车设计和控制的基础。随着汽车电动化与智能化快速发展，分布式、模块化与多冗余的新型底盘结构打破了传统车辆运动功能边界，车载、路测与网联等智能信息的引入也使车辆系统逐渐向物理信息系统演变。现有以“刚体-轮胎-路面”三要素为核心的车辆动力学理论体系难以统一化表征多运动形态的底盘动力学，更无法阐述多源外部环境信息与车辆之间的力学交互本质，其理论内涵与辐射范围凸显出模型构建通用性弱和环境信息包容性差两大局限 。东南大学殷国栋教授针对上述问题，提出一种广义车辆系统动力学理论架构，将底盘约束、车间作用与信息交互统一抽象为广义车辆系统内部的广义作用力，建立了涵盖机械、电子与信息多物理场耦合作用的动力学体系，丰富了传统“建模-估计-控制”理论内涵，形成了可指导高性能车辆底盘设计与协同控制的统一理论框架 。本文作为《机械工程学报》2025年第18期的封面文章发表，期望相关工作为广义车辆系统动力学研究提供参考。

1

研究背景及目的

车辆动力学理论是汽车设计、性能优化与控制策略开发的理论基石。然而，随着汽车电动化、智能化与网联化的深度融合，分布式驱动、模块化及多冗余的新型底盘结构不断拓展车辆运动功能边界，车辆系统正由传统的机械物理系统演化为物理—信息强耦合的复杂系统。在此背景下，传统以“刚体—轮胎—路面”三要素为核心的动力学理论体系，已难以统一描述多构型底盘的多维耦合动力学特性，更无法刻画多源环境信息对车辆系统动力学行为的交互影响，导致模型构建通用性不足、环境信息包容性有限等关键瓶颈。针对该系统性问题，本研究提出广义车辆系统动力学理论架构，将底盘约束、车间作用及信息交互统一抽象为系统内部的广义作用力，建立了涵盖机械、电子与信息多物理场耦合作用的动力学体系，系统拓展了传统“建模—估计—控制”理论范式，为智能网联电动汽车的高性能底盘设计与协同控制提供了统一、完备且可扩展的理论基础。

2

论文亮点

（1）扩展了现有车辆动力学的理论体系和覆盖范围，将外部综合环境之间的作用抽象为广义力纳入车辆本体动力学系统方程中，构建了描述底盘内部及其与车周环境的统一广义动力学框架。

（2）丰富了传统动力学建模与估计理论体系，提出了事件流驱动和机理-数据融合驱动的建模机制与车辆邻域广义状态估计方法。

（3）扩展了底盘的操稳边界，形成了集规控于一体的高性能瞬态协同控制框架。

图1 广义车辆系统动力学理论体系

3

试验方法/结果

(1) 广义系统动力学事件驱动混合建模

将传感器数据流转化为行驶工况事件，并与车辆动力学模型匹配，结合机理模型与多源传感数据，构建包含历史状态与输入信息的数据矩阵，通过优化算法实现机理与数据融合，形成高精度广义车辆动力学模型。

(2) 车辆邻域广义状态估计

构建基于椭球凸集的不确定性模型，结合无迹与容积卡尔曼滤波实现邻域状态高精度估计；采用事件触发通信与多传感器通道解耦策略，重构状态与观测方程，从而实现网络扰动下车辆邻域状态的稳健估计。

(3) 广义车辆系统动力学控制

将车辆稳定边界的包络范围，定义为吸引域(ROA)的子集。通过求解双线性矩阵不等式(Bilinear matrix inequality, BMI)问题，估算不同阶数下的动态广义稳定边界，从而实现传统稳定边界的拓展。广义稳定边界的拓展结果如图2所示。

图2 车辆广义稳定边界扩展

建立车辆系统与外部环境的映射关系，基于Zonotope方法近似描述事件驱动下非线性系统可达集，通过裁剪原始非凸搜索空间，转化为可行凸空间区域，形成通用安全可达集计算框架。

图3 安全可达集通用计算框架

规划出从起点到平衡点的小范围吸引域，推导出椭球不变集随时间的变化形式。最终实现广义状态的瞬态性能和鲁棒性如图4所示。

图4 广义车辆动力学规控一体瞬态控制

4

结论

针对传统车辆动力学体系存在的模型构建通用性弱和环境信息包容性差两大难点，重构了以“刚体-轮胎-路面”三要素为核心的传统车辆动力学框架，形成了描述车辆底盘构型、力学约束、外部环境等多物理场相互作用的广义车辆系统动力学理论体系。构建了机械、电子、信息等多物理场相互作用的车辆动力学理论新体系。形成了以事件流建模机制为基础的广义邻域系统估计方法，以及以广义车辆稳定边界为约束的高性能规控一体瞬态控制理论。

5

应用前景

广义车辆系统动力学理论突破了传统车辆动力学在单一构型、线性假设和机理建模等方面的局限，能够统一描述多形态底盘的动力学特性，为高性能智能底盘设计提供理论支撑。同时，将多源环境信息融入动力学建模体系，构建了面向高性能规控一体化的瞬态控制理论。该理论的提出为复杂环境下车辆的统一建模、运动边界拓展与新型底盘潜能释放提供了创新方案，并为智能网联汽车动力学理论与工程技术的融合发展奠定了重要基础。

作者及团队介绍

殷国栋， 国家杰出青年科学基金获得者，东南大学首席教授，江苏特聘教授，东南大学科研院院长，江苏省智能电动运载装备工程研究中心主任 。主要从事车辆动力学与控制等研究。近5年主持国家杰出青年科学基金项目、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金中国汽车产业创新发展联合基金重点项目等30余项；牵头获教育部科技进步一等奖、江苏省科学技术一等奖；获江苏省“最美科技工作者”、中国汽车工程学会会士等荣誉称号；担任《机械工程学报》等多个领域内顶级期刊编委或副主编。

6

作者或团队研究方向介绍

团队主要研究方向：车辆动力学与控制、智能底盘与自动驾驶、智能网联与智慧出行、车辆设计与智能结构、车用动力与电动运载。

7

近两年团队发表文章

[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,王凡勋,等.基于驾驶人操纵稳定域的分布式驱动电动汽车多模态扭矩分配策略研究[J].机械工程学报,2025,61(14):166-183.

[10]张宁,吴志豪,张浩彬,等.考虑车辆系统动力学与轮胎滑移能耗的车辆编队纵向协调控制[J].机械工程学报,2025,61(08):250-260.

作 者：殷国栋

责任编辑：杜蔚杰

责任校对：张 强

审 核：张 强

JME学院简介

JME学院是由《机械工程学报》编辑部2018年创建，以关注、陪伴青年学者成长为宗旨，努力探索学术传播服务新模式。首任院长是中国机械工程学会监事会监事长、《机械工程学报》中英文两刊主编宋天虎。

欢迎各位老师扫码添加小助理-暖暖为好友，由小助理拉入JME学院官方群！

欢迎关注JME学院视频号~

寻觅合作伙伴

有一种合作叫做真诚，有一种发展可以无限，有一种伙伴可以互利共赢，愿我们合作起来流连忘返，发展起来前景可观。关于论文推荐、团队介绍、图书出版、学术直播、招聘信息、会议推广等，请与我们联系。

感谢关注我们！《机械工程学报》编辑部将努力为您打造一个有态度、有深度、有温度的学术媒体！

版权声明：

本文为《机械工程学报》编辑部原创内容，欢迎转载，请联系授权！

在公众号后台留言需要转载的文章题目及要转载的公众号ID以获取授权!

联系人：暖暖

微信小助手：jmenuannuan

E-mail：jme@cmes.org

网 址：http://www.cjmenet.com.cn

官方微信号：jmewechat