CN101501699A - 用于道路轨迹和速度优化的车辆底盘和动力传动系统配置工具 - Google Patents

Abstract

一种工具，基于车辆的实际计算的性能获得性能目标，从而消除驾驶员模型。该工具包括优化器，以确定路径目标点，所述路径目标点将被发送到控制装置，例如转向控制器，以获得性能目标，例如对于公路段的最小通过时间。在普通的车辆动态代码中，所述设计参数和目标横坐标被输入到闭环转向控制器中。本发明使用离散点来描述对于路径和速度的目标，使得优化工具的使用是有效的。优化是基于车辆的实际计算的性能；因此，车辆所沿着的路径可以与由目标(多个)描述的不同。目标路径被简单地修改以获得最佳性能。

Description

用于道路轨迹和速度优化的车辆底盘和动力传动系统配置工具

相关申请的交叉引用

本申请要求2005年4月8日提交的美国临时专利申请no.60/669,470的优先权。

技术领域

本发明基本涉及这样一种工具，该工具允许优化对于车辆完成道路(track)或环路(circuit)的通过时间(transit time)。

背景技术

在机动车的发展过程中，计算机车辆模型可用于在各种情况下检测车辆底盘和动力传动系统的各种设计，以实现最优的性能。代替如之前所使用的利用预先确定的模型来获得道路上的车辆的最优性能模拟，本发明的工具产生了目标和设计参数作为向多个车辆系统控制器和校准模块的输入，从而获得性能目标。

相对现有技术的一个优点是所述工具提供了一优化器，该优化器连接到转向(steering)控制器、制动控制器、节气门控制器、发动机校准模块、动力传动系统模块和车辆校准模块，上述控制器、模块与优化器配合从而基于性能目标产生输出，从而产生车辆系统模拟。

相对于现有技术的另一个优点是所述工具提供了独立于驾驶员模型(driver model)的轨迹(trajectory)优化。

用于制造车辆系统的最接近的现有技术是准稳定状态模型优化，其结合了汽车的预先确定的路径和“最大性能”图(“maps ofmaximum capabilities”)。这种模型集成路径周围以利用手动或者驾驶员模型(driver model)基于围绕道路的轨迹的优化而获得跑一圈的时间(lap time)。这种工具的缺点包括假定的路径可能不是最优的，在模拟过程之前或者在模拟过程中，车辆的任何改动或者发动机改动上的不可预知的发动机性能意味着对于最优路径的变动，并且稳定状态模拟忽略了缓冲器、路面粗糙度和动态负荷传递的影响。

一种可替换的模拟系统提供了中间的驾驶员模型，该模型允许使用者限定路径，并且使用闭环控制以沿着该路径。这种驾驶员模型的缺点在于使用者限定的路径永远不是最优的，并且可能是不实际的。另外，闭环控制会试图精确地沿着该路径，但是通常不能精确地沿着该路径。

另一个可替换的模拟系统提供了改进的驾驶员模型，该模型使用复杂度降低的车辆动态模型、准稳定状态图和有关于驾驶员行为(“主动性(aggressiveness)”)的用户确定的信息，以限定“几乎最优的”路径和一组开环控制输入。闭环控制调整控制输入以弥补(account for)实际动态性能和估计值之间的差异，并且允许车辆的变动。这种驾驶员模型的一个缺点在于算法包括硬接线(hard-wired)行为假设，这绝不是精确真实的。

过去已经在优化方面做出过努力。由于优化工具在查找离散参数值方面有效，但是车辆控制输入是连续的，并且必须能够是平滑的，因此产生了困难。通常，当优化被用于产生连续信息时，它由曲线或者多项式描述，从而数个离散系数可以是来自优化的实际输出。

发明内容

本发明的设备和方法通过提供下面的工具克服了这些缺陷，所述工具基于车辆的实际计算的性能而获得了性能目标，从而消除了驾驶员模型。

在第一优选实施例中，通过优化围绕道路的轨迹目标点，本发明的工具允许优化对于车辆完成(cover)道路或者环路的通过时间。所述工具包括优化器以确定路径目标点，所述路径目标点将被发送给控制装置，例如转向控制器，以获得性能目标，例如对于路段的最小通过时间。在通常的车辆动态代码中，设计参数和目标横坐标被输入到闭环转向控制器。实现的轨迹仅受到车辆底盘和动力传动系统物理限制的限制。本发明使用离散点以描述对于路径和速度的目标，这使得使用优化工具是有效的。所述优化是基于车辆的实际计算的性能；因此，车辆跟随的路径可能不同于目标(多个)所描述的路径。目标路径被简单地修改以获得最佳的性能。

附图说明

当结合附图考虑时，根据下面对于优选实施例的详细描述，本发明的上述以及其它优点对于本领域技术人员将容易理解，附图中：

图1是根据本发明的配置工具的框图。

具体实施方式

2005年4月8日提交的美国临时专利申请no.60/669,470在此引为参考。

图1示出了一种车辆底盘和动力传动系统配置(set up)工具10，用于优化道路轨迹和速度。工具10产生目标和设计参数作为向多个车辆系统控制器和校准模块的输入，从而获得性能目标。该工具包括优化器11，优化器11连接到转向(steering)控制器12、制动控制器13、节气门控制器14、发动机校准模块15、动力传动系统模块16和车辆校准模块17。基于性能目标，所述控制器和模块12-17与优化器11配合以产生输出，从而产生车辆系统模拟18。

例如，优化器11连接到转向控制器12，从而为控制器12产生轨迹设计参数，从而控制车辆的转向。优化器11连接到制动控制器13，以向控制器13产生速度目标设计参数，从而控制车辆的制动。优化器11连接到节气门控制器14，以向控制器14产生速度目标设计参数，从而控制车辆的加速。优化器11连接到发动机校准模块15，以向模块15产生发动机设计参数，从而限定车辆的发动机性能。优化器11连接到动力传动系统校准模块16，以向模块16产生传动系统设计参数，从而限定车辆的驱动系统的性能。优化器11连接到车辆校准模块17，以向模块17产生底盘/车辆设计参数，从而限定底盘以及车辆相关部件的性能。

控制器和模块12-17中的每一个连接到车辆系统模拟18，车辆系统模拟产生性能响应，作为反馈送到优化器11。车辆系统模拟18包括目标路径、制动模型、节气门模型、发动机性能模型、动力传动系统模型和车辆动态模型。

通过优化围绕道路的轨迹目标点，工具10允许优化对于车辆完成道路或者环路(circuit)的通过时间。在普通的车辆动态代码中，设计参数和目标横坐标被输入到闭环转向控制器12中。因此，不需要驾驶员模型。所实现的轨迹仅受到车辆底盘和动力传动系统性能的限制。因此，所述限制是基于物理的，而不是基于系统的。使用离散点以描述对于路径和速度的目标使得使用优化工具是有效的。优化器11确定了路径目标点，所述路径目标点将被发送到控制装置以获得一些性能目标，例如对于公路段的最小通过时间。因为所述优化是基于实际计算的性能，因此，所跟随的实际路径与所述目标所描述的不同也无关紧要。目标路径被简单地修改以获得最好的性能。

沿着道路优化制动和加速点通过工具10来有效提供。制动距离和加速点在车辆的制动和加速性能的范围内被优化。设计参数被输入到节气门和制动控制器模块14和13，并且连接到通常的车辆动态代码动力传动系统模块15。节气门和制动控制器是独立的，例如允许在节气门仍然开启的同时进行制动。这将速度控制器的性能扩展到赛车的应用。

工具10提供了动力传动系统和车辆配置参数的优化，例如发动机热动力特性和几何轮廓(geometry)，齿轮比和换档规律(shiftschedule)，最终传动比，空气动力性能，底盘，悬挂和重量分布。普通的发动机性能模拟模型是基于物理方面的，允许在瞬态(transient)模拟过程中气体交换过程的全分辨能力(fullresolution)。这允许预测由发动机几何轮廓和气门组系操作的变化导致的发动机性能。它还允许更新的技术或概念设计被包括。在瞬态操作过程中，可变气门致动中的该工具的能力、无凸轮的、可变凸轮正时和可变歧管操作扩展了可以由所述工具使用的发动机技术的范围。发动机模型还能够是实时的。动力传动系统模型可以方便地定制，允许包括任何类型的传动、混合动力技术和控制，例如在变速(汽车运动)过程中发动机点火关闭，离合器/自动变速装置等。

工具10提供了普通的优化器11以连接不同的控制器和模块12-17，并且控制设计参数和响应的流动。优化代码能够覆盖大的设计空间，并且在最短时间内收敛(converging)。

工具10的输出是可在一组车辆设计参数上实现的最优的轨迹和速度目标，从而使得车辆的通过时间最小化。对于道路的每一部分，最优路径和动力传动系统改变对于所述优化的影响被用于优化器内的折衷选择(trade off)分析，从而为特定道路设计出最优的车辆配置。

相对于现有技术的一个优点在于所述工具提供了与驾驶员模型相独立的轨迹优化。相反，所提出的工具的最优目标路径仅受限于车辆性能，而不是驾驶员模型校准。

其它优点包括去除了准稳定发动机特性曲面图，所述曲面图没有给出可行的瞬态行为。

另外的优点包括普通发动机性能模型，该模型是基于物理方面(physically)的，因此发动机参数可以在运行中(on the fly)被优化，没有外环或者主优化过程的中断。另外，发动机参数可以在模拟过程中改变，允许全部范围的发动机技术被研究。

本发明的优化器允许每个代码连接在一起，并且提供连续的过程，所述连续过程在各个阶段之间不需要用户输入：轨迹和车辆优化。

与准稳定模拟不同，对于节气门脉冲以及因此对于整个车辆行为的发动机响应是可实现的。最优的方案因此可以直接在车辆上实现，没有实际模拟输出的后处理或者修改。

车辆和发动机模型是实时的，能够允许利用与优化器中使用的相同的精确和可实现的模型执行控制和HiL任务，。

控制器、动力传动系统和发动机模型、车辆动态代码和优化器之间的连接适用于任何类型的车辆应用，不仅是用于赛车。

与基于准稳定状态图的模型相比，通过模型的较高的准确性和分辨能力，尤其是通过发动机，运行时间增加，但是提供了能够实际实现的输出。

根据本发明的工具可用于但不限于赛车运动(motorsport)、家用车辆校准和控制发展、和用于给定驾驶周期的专门车辆的动力传动系统优化。

根据专利法的规定，本发明已经根据其优选实施例进行了描述。然而，应当理解，在不脱离本发明实质和范围的情况下，本发明可以以所示和所述以外的方式实施。

Claims (20)

1.一种用于车辆道路轨迹和速度优化的设备，包括：

优化器，用于向车辆系统控制器产生目标值；

转向控制器，连接到所述优化器，用于接收轨迹设计参数；

制动控制器，连接到所述优化器，用于接收速度目标设计参数；和

节气门控制器，连接到所述优化器，用于接收速度目标设计参数。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，包括发动机校准模块，所述发动机校准模块连接到所述优化器，用于接收发动机设计参数。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，包括动力传动系统校准模块，所述动力传动系统校准模块连接到所述优化器，用于接收传动系统设计参数。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，包括车辆校准模块，所述车辆校准模块连接到所述优化器，用于接收底盘/车辆设计参数。

5.一种优化车辆道路轨迹和速度的方法，包括下列步骤：

a.从优化器向车辆系统控制器和校准模块产生参数；

b.基于来自所述车辆系统控制器和校准模块的输入运行车辆系统模拟；和

c.将来自所述车辆系统模拟的性能响应提供给优化器。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，包括下列步骤：将轨迹设计参数和速度目标设计参数提供给车辆系统控制器。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，包括下列步骤：将发动机设计参数、驱动传动系统参数和底盘/车辆设计参数提供给所述模块。

8.一种用于模拟车辆操作以获得优化性能目标的模拟系统，包括：

车辆底盘和动力传动系统配置工具，包括优化器，所述优化器连接到至少一个用于接收设计参数的车辆控制器以及至少一个车辆校准模块，其中基于所述性能目标，所述优化器响应于所述控制器和校准模块产生一输出，以产生车辆系统模拟。

9.如权利要求8所述的模拟系统，其特征在于，包括转向控制器，所述转向控制器连接到所述优化器，用于接收轨迹设计参数。

10.如权利要求8所述的模拟系统，其特征在于，包括制动控制器，所述制动控制器连接到所述优化器，用于接收速度目标设计参数。

11.如权利要求8所述的模拟系统，其特征在于，包括节气门控制器，所述节气门控制器连接到所述优化器，用于接收速度目标设计参数。

12.如权利要求8所述的模拟系统，其特征在于，包括发动机校准模块，所述发动机校准模块连接到所述优化器，用于接收发动机设计参数。

13.如权利要求8所述的模拟系统，其特征在于，包括动力传动系统模块，所述动力传动系统模块连接到所述优化器，用于接收传动系统设计参数。

14.如权利要求8所述的模拟系统，其特征在于，包括车辆校准模块，所述车辆校准模块连接到所述优化器，用于接收底盘/车辆设计参数。

15.一种优化车辆道路轨迹和速度的方法，包括下列步骤：

将目标和设计参数输入到多个车辆系统控制器和校准模块中，以获得性能目标，

将优化器连接到所述车辆系统控制器和校准模块，和

产生输出以产生车辆系统模拟。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，包括下列步骤：基于来自所述车辆系统控制器和校准模块的输入运行车辆系统模拟。

17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，包括下列步骤：将来自所述车辆系统模拟的性能响应提供给优化器。

18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述车辆系统控制器包括转向控制器、制动控制器和节气门控制器中的至少一个。

19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述校准模块包括动力传动系统校准模块、车辆校准模块、和发动机校准模块中的至少一个。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，包括下列步骤：独立于所述节气门控制器运行所述制动控制器，从而允许当节气门仍然开启时进行制动。