CN103963785A - 一种用于汽车自适应巡航系统的双模式控制方法 - Google Patents

一种用于汽车自适应巡航系统的双模式控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于汽车自适应巡航系统的双模式控制方法，具体是：先根据自适应巡航分层控制中的车距保持控制器实时计算出期望加速度，从而选择合适的控制模式：当运行节气门控制模式时，输出的制动压力为零；当运行主动制动控制模式时，节气门开度恒为怠速开度；最后，由双模式控制器输出的实际节气门开度和制动压力来实现对期望加速度的跟踪控制，以此作为自适应巡航分层控制中的内环控制。本发明具有实时性好，控制精度高的特点，易于在驾驶辅助领域推广应用。

Description

一种用于汽车自适应巡航系统的双模式控制方法
技术领域
本发明涉及驾驶员辅助系统，特别是一种用于汽车自适应巡航系统的双模式控制方法。
背景技术
驾驶员辅助系统能提升驾驶员的感知、决策和控制能力，从本质上协调好人-车-路三要素之间的关系。汽车自适应巡航系统能够在跟车过程中自动实现加减速，从而减轻驾驶员的工作强度，是驾驶员辅助系统中的重要组成之一。而自适应巡航的双模式控制方法又是系统开发过程中的关键技术之一。
自适应巡航系统是在90年代定速巡航系统基础上发展而来的。定速巡航系统可以代替驾驶员的油门操作，并且控制汽车按照驾驶员设定的速度自动行驶。因此，定速巡航系统主要通过汽车节气门的控制实现速度跟踪。自适应巡航系统除了能保持期望车速行驶之外，还能在跟车行驶中自动保持车辆之间的安全车距。因此，自适应巡航系统一般采用分层控制结构，上位控制器为车距保持控制器，根据自车与前车之间的运动关系计算自车期望的加速度；而在下位控制器中需要考虑自车的汽车纵向动力学特性，计算节气门和主动制动所需的控制量大小，从而实现对期望加速度的跟随控制。
相比于速度跟踪，加速度跟踪对闭环控制的实时性和准确性提出了更高的要求。因此，在自适应巡航的下位控制器中采取了电子节气门与主动制动的联合控制方式。其中，节气门控制方式主要应用于稳态跟车工况；而制动控制方式主要应用于前车紧急制动或强行并线等危险工况下，此时需要获得较大的汽车减速度。通过模式切换策略在不同工况之间合理的分配两种控制模式，并且实现平稳的过渡。
对于加速度跟踪控制而言，其难点在于下位控制对象—汽车纵向动力学系统的强非线性。在驱动系统中，非线性特性包括发动机的强静态非线性、液力变矩器的非线性、变速器的离散挡位、二次型的空气阻力；在制动系统中，主要是制动时滞的非线性。为了解决上述问题，已有文献给出两类处理方法：第一类采用逆模型法将非线性对象线性化，然后利用线性方法设计控制算法，例如模型预测控制(MPC)、多模型切换控制、二自由度前馈加反馈控制等。它们的共同点都是依赖于准确的动力学建模。模型的不确定性、模型参数的变化以及外部干扰将极大的影响加速度跟踪的效果。当模型失配严重时，会导致跟踪性能严重下降。同时越精确的数学模型求解过程越复杂，需要以牺牲控制的实时性为代价。第二类为智能控制方法，例如神经网络控制、模糊控制等。它们的控制目标是自然的模仿驾驶人的油门和刹车操作，因此回避了动力学建模问题，鲁棒性强。但是由于目前不同驾驶员的跟车特性难以辨识，导致上述方法存在较大的控制误差，工程实用性较差。
由上可见，由于汽车纵向动力学系统的复杂性和非线性，还无法找到一种合适的控制方法满足自适应巡航控制中节气门和制动双模式控制的要求。
因此，本发明的出发点是：即不需要建立准确的汽车纵向动力学模型，提高控制的实时性，同时不会因为模型失配降低控制精度，具有一定的鲁棒性和实用性。采用本发明的汽车自适应巡航系统能有效实现稳态工况和瞬态工况下的自动跟车功能，保证驾驶员在巡航过程中的安全性和舒适性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于汽车自适应巡航系统的双模式控制方法，其根据实时计算获得的期望加速度，平稳的切换为节气门或主动制动模式，实现对加速度实时、准确的跟踪控制。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：先根据自适应巡航分层控制中的车距保持控制器实时计算出期望加速度，从而选择合适的控制模式：当运行节气门控制模式时，输出的制动压力为零；当运行主动制动控制模式时，节气门开度恒为怠速开度；最后，由双模式控制器输出的实际节气门开度和制动压力来实现对期望加速度的跟踪控制，以此作为自适应巡航分层控制中的内环控制。
本发明在选择合适的控制模式的过程中，可以先基于汽车带档滑行实验测得的加速度随车速变化的二阶拟合关系构建基准曲线，然后根据该基准曲线设置上、下门限，从而构建一定的怠速过渡区，以避免控制模式之间的频繁切换。
本发明在运行节气门控制模式时，可以通过比较实际车速与期望车速的大小，实现节气门的控制，其方法为：
(1)如果车速过小，利用加速节气门查询表确定期望节气门开度；
具体为：如果实际车速小于期望车速1km/h以上，说明此时汽车需要加速行驶，通过加速节气门查询表直接查出期望节气门开度的大小，并由节气门跟随控制来实现此开度；
(2)如果车速过大，直接进入发动机怠速状态；
具体为：如果实际车速大于期望车速1km/h，说明此时车速已经明显过快，需要强行关闭节气门，于是直接进入节气门怠速控制；
(3)如果车速刚好处于稳态，通过匀速节气门查询表确定当前的维持开度，经过增量式PID微调后，由节气门跟随控制输出实际的节气门大小。
上述步骤(1)中，所述加速节气门查询表的构建方法可以是：在平直无风公路上从5°到90°，每隔5°固定一节气门开度，记录车辆以0.5m/s2加速行驶过程所对应的车速。
上述步骤(3)中，如果实际车速与期望车速相差不足1km/h，希望尽可能保持当前的稳定车速，因此可以利用匀速节气门查询表得到一个使汽车维持在匀速状态的开度，并通过增量式PID控制对预开度进行修正，调整查表开度与实际工况之间的误差，经PID微调后的最终开度由节气门跟随控制来实现保持当前的稳定车速行驶。
所述的匀速节气门查询表构建方法可以是：在平直无风公路上从5°到90°，每隔5°固定一个节气门开度，记录车辆最终达到稳态匀速行驶时的车速。
本发明在运行主动制动控制模式的过程中，可以采用前馈加PID反馈计算控制加速度后，利用车速-加速度-制动压力的三维查询表，确定期望的制动压力，并且通过压力跟随控制施加实际的制动压力。
本发明可以采用以下步骤的方法实现主动制动控制模式：
(1)通过车距控制器输入的期望加速度和实际加速度的反馈，进行前馈控制加PID反馈控制，确定控制加速度的大小；
(2)利用控制加速度与实际车速查询基于经验知识的制动压力的三维查询表，确定期望的制动压力；
(3)通过制动压力跟随控制，输出实际的制动压力大小。
本发明可以通过前馈控制提高响应速度，通过反馈控制保证匹配精度，以减少实际行驶工况与实验参考工况间的误差。
所述制动压力的三维查询表，其构建方法可以是：在平直无风公路上从0.25Mpa到3.5Mpa，每隔0.25Mpa保持一定的制动压力，记录车辆由100km/h减速至0km/h过程中，车速每隔10km/h的平均减速度。
本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：
其一.回避了对复杂的汽车纵向动力学系统的建模。
本发明通过查表法能够直接建立汽车加速度与节气门/制动压力之间的响应关系，控制结构更为简洁，不会出现逆模型方法中的模型不确定的问题，也不会出现复杂数学模型求解的实时性问题。
其二.采用逆模型方法需要对包含汽车驱动系统和制动系统在内的各个部分进行系统辨识，例如发动机、变速器、减速器、制动主缸、制动器等，最终的数学模型来自对上述子系统传递函数的联立。如果在实际应用中更换了车型，需要针对具体车型重新对各个模块的传递函数重新辨识，费时费力。而本发明的查询表是建立在实际道路实验基础上的，因此查询表的更新相对更为简单实用。
其三.在查表法的基础上，分别采用增量式PID控制和前馈加反馈二自由度控制提高节气门/制动控制模式中算法对于实际工况的适应性，减少未知参数或参数变化对控制效果的影响。与完全不依赖车辆动力学的智能控制方法相比，本发明在保证鲁棒性的同时，还具有较好的控制精度，因此相对于现有的自适应巡航控制方法更有实际应用价值。
附图说明
图1为本发明用于汽车自适应巡航系统的双模式控制方法的总体示意图。
图2为本发明的加速度-车速-制动压力三维查询表。
图3为本发明的节气门控制模式的示意图。
图4为本发明的主动制动控制模式的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
本发明提供的用于汽车自适应巡航系统的双模式控制方法，包括节气门和主动制动两种模式控制，具体是：根据自适应巡航分层控制中的车距保持控制器实时计算出期望加速度，从而选择合适的控制模式。当运行节气门控制模式时，输出的制动压力为零；当运行主动制动控制模式时，节气门开度恒为怠速开度。最终，由双模式控制器输出的实际节气门开度和制动压力来实现对期望加速度的跟踪控制，并以此作为自适应巡航分层控制中的内环控制。
本发明提供的上述用于汽车自适应巡航系统的双模式控制方法中，用到了预先设定的经验查询表，因此如何基于道路实验知识准确构建两个查询表显得尤为关键。对于匀速节气门查询表，在平直公路上从5°到90°，每隔5°固定一个节气门开度，记录车辆最终达到稳态匀速行驶时的车速。对于加速节气门查询表，由于舒适性的考虑，自适应巡航系统通常要求将加速度饱和在0.5m/s2，因此从5°到90°，每隔5°固定一节气门开度，记录车辆以0.5m/s2加速行驶过程所对应的车速。最终建立不同车速下期望节气门开度查询表如表1所示。对于制动控制，需要建立不同车速下，减速度与制动压力关系的三维查询表。因此在平直公路上，从0.25MPa到3.5MPa，每隔0.25MPa保持一定的制动压力，记录车辆由100km/h减速至0km/h过程中，车速每隔10km/h的平均减速度。由于自适应巡航系统考虑到制动舒适性，其减速度一般限制在4m/s2，因此在实验中最大施加3.5MPa的制动压力足够。最终建立的制动压力查询表如图2所示。
本发明通过查表法可对汽车纵向动力学系统的非线性进行线性化补偿，但是在实际跟车行驶过程中，汽车质量、空气阻力和道路坡度等参数均有可能较表中的参考工况发生变化，影响最终的控制精度。在节气门控制中，为了减小稳态行驶时车速的频繁波动，对查表后获得的节气门预开度进行增量式PID微调，补偿实际工况与参考工况间的匹配误差。对于主动制动控制，在查表环节之前加入了前馈控制与PID反馈控制，一方面削弱制动系统自身的时滞效应，另一方面减少参数误差的影响。
本发明提供的上述用于汽车自适应巡航系统的双模式控制方法，其包括以下步骤：
1.根据实时计算获得的期望加速度，选择合适的控制模式：
具体为：控制切换逻辑是基于汽车带档滑行实验测得的加速度随车速变化的二阶拟合关系，并且根据该基准曲线设置了上、下门限，从而构建了一定的怠速过渡区避免控制模式之间的频繁切换。
2.在节气门控制过程中，比较实际车速与期望车速的大小：
(1)如果车速过小，利用加速节气门查询表确定期望节气门开度；
具体为：如果实际车速小于期望车速1km/h以上，说明此时汽车需要加速行驶，通过加速节气门查询表直接查出期望节气门开度的大小，并由节气门跟随控制来实现此开度。
(2)如果车速过大，直接进入发动机怠速状态；
具体为：如果实际车速大于期望车速1km/h，说明此时车速已经明显过快，需要强行关闭节气门，于是直接进入节气门怠速控制。
(3)如果车速刚好处于稳态，通过匀速节气门查询表确定当前节气门应保持的维持开度，经过增量式PID微调后，由节气门跟随控制输出实际的节气门大小。
具体为：如果实际车速与期望车速相差不足1km/h，希望尽可能保持当前的稳定车速，因此利用匀速节气门查询表得到一个使汽车维持在匀速状态的开度，并通过增量式PID控制对预开度进行修正，调整查表开度与实际工况之间的误差，经PID微调后的最终开度由节气门跟随控制来实现。
3.在主动制动控制过程中，采用前馈加PID反馈计算控制加速度后，利用车速-加速度-制动压力的三维查询表，确定期望的制动压力，并且通过压力跟随控制施加实际的制动压力。具体为：
1)通过车距控制器输入的期望加速度和实际加速度的反馈，进行前馈加PID反馈控制，确定控制加速度的大小。前馈控制提高响应速度；反馈控制保证匹配精度，减少实际行驶工况与实验参考工况间的误差。
2)利用控制加速度与实际车速查询基于先验知识的制动压力三维表，确定期望的制动压力。
3)通过制动压力跟随控制，输出实际的制动压力大小。
表1 不同车速下期望节气门开度

Claims (10)

1.一种用于汽车自适应巡航系统的双模式控制方法，其特征是先根据自适应巡航分层控制中的车距保持控制器实时计算出期望加速度，从而选择合适的控制模式：当运行节气门控制模式时，输出的制动压力为零；当运行主动制动控制模式时，节气门开度恒为怠速开度；最后，由双模式控制器输出的实际节气门开度和制动压力来实现对期望加速度的跟踪控制，以此作为自适应巡航分层控制中的内环控制。
2.根据权利要求1所述的双模式控制方法，其特征是在选择合适的控制模式的过程中，先基于汽车带档滑行实验测得的加速度随车速变化的二阶拟合关系构建基准曲线，然后根据该基准曲线设置上、下门限，从而构建一定的怠速过渡区，以避免控制模式之间的频繁切换。
3.根据权利要求1所述的双模式控制方法，其特征在于当运行节气门控制模式时，通过比较实际车速与期望车速的大小，实现节气门的控制，其方法为：
(1)如果车速过小，利用加速节气门查询表确定期望节气门开度；
具体为：如果实际车速小于期望车速1km/h以上，说明此时汽车需要加速行驶，通过加速节气门查询表直接查出期望节气门开度的大小，并由节气门跟随控制来实现此开度；
(2)如果车速过大，直接进入发动机怠速状态；
具体为：如果实际车速大于期望车速1km/h，说明此时车速已经明显过快，需要强行关闭节气门，于是直接进入节气门怠速控制；
(3)如果车速刚好处于稳态，通过匀速节气门查询表确定当前的维持开度，经过增量式PID微调后，由节气门跟随控制输出实际的节气门大小。
4.根据权利要求3所述的双模式控制方法，其特征在于步骤(1)中，所述加速节气门查询表的构建方法是：在平直无风公路上从5°到90°，每隔5°固定一节气门开度，记录车辆以0.5m/s2加速行驶过程所对应的车速。
5.根据权利要求3所述的双模式控制方法，其特征在于步骤(3)中，如果实际车速与期望车速相差不足1km/h，希望尽可能保持当前的稳定车速，因此利用匀速节气门查询表得到一个使汽车维持在匀速状态的开度，并通过增量式PID控制对预开度进行修正，调整查表开度与实际工况之间的误差，经PID微调后的最终开度由节气门跟随控制来实现保持当前的稳定车速行驶。
6.根据权利要求5所述的双模式控制方法，其特征在于所述的匀速节气门查询表构建方法是：在平直无风公路上从5°到90°，每隔5°固定一个节气门开度，记录车辆最终达到稳态匀速行驶时的车速。
7.根据权利要求1所述的双模式控制方法，其特征是在运行主动制动控制模式的过程中，采用前馈加PID反馈计算控制加速度后，利用车速-加速度-制动压力的三维查询表，确定期望的制动压力，并且通过压力跟随控制施加实际的制动压力。
8.根据权利要求7所述的双模式控制方法，其特征在于采用以下步骤的方法实现主动制动控制模式：
(1)通过车距控制器输入的期望加速度和实际加速度的反馈，进行前馈控制加PID反馈控制，确定控制加速度的大小；
(2)利用控制加速度与实际车速查询基于经验知识的制动压力的三维查询表，确定期望的制动压力；
(3)通过制动压力跟随控制，输出实际的制动压力大小。
9.根据权利要求8所述的双模式控制方法，其特征在于步骤(1)中，通过前馈控制提高响应速度，通过反馈控制保证匹配精度，以减少实际行驶工况与实验参考工况间的误差。
10.根据权利要求8所述的双模式控制方法，其特征在于所述制动压力的三维查询表，其构建方法是：在平直无风公路上从0.25Mpa到3.5Mpa，每隔0.25Mpa保持一定的制动压力，记录车辆由100km/h减速至0km/h过程中，车速每隔10km/h的平均减速度。
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