CN105059285B - 基于多智能体的分布式驱动汽车集成控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多智能体的分布式驱动汽车集成控制系统及方法，利用信号采集层agent采集车辆当前动力学参数信号，决策层agent确定分布式驱动汽车的当前所处的行驶工况，协调层agent根据当前的行驶工况，计算协调EPS系统与转矩分配系统相应权重，区域层agent计算EPS系统与转矩分配系统各自所需要得输出量，通过执行层agent将区域层agent的输出命令转化成物理量实现输出；相应的硬件装置包括决策控制器、协调控制器、EPS控制器、转矩分配控制器、助力电机、驱动电机、信号采集装置和应用知识库；本发明可有效提高系统可靠性、实时性，具有较强针对性，实现分布式电驱动汽车平台上EPS系统与转矩分配系统的良好匹配并协调工作，在不同车辆行驶工况下，通过对转向力和车身姿态的协调控制，使整车的操纵稳定性达到最优。

Description

基于多智能体的分布式驱动汽车集成控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电动汽车集成控制领域，具体涉及基于多智能体的分布式驱动汽车集成控制系统及方法。

背景技术

分布式驱动系统是一种可以在包含极限工况在内的各种工况下都能很好改善车辆操纵稳定性的电动汽车驱动系统。它所包含的驱动电机既是执行单元也是信息反馈单元，四轮转矩/转速信息的获取为提高基于运动学及动力学的车辆状态估计算法精度提供了可能；同时可以实现四轮驱动/制动转矩独立、精确可控。已成为电动汽车研发十分重要的前沿领域。

同时，电动助力转向系统(Electric Power Steering system，简称EPS)，由于其在主动安全性、环保节能、电子集成控制、可靠性、结构紧凑性等方面具有显著优势，成为电动汽车转向系统必然的选择。

目前在分布式电驱动汽车平台上的EPS系统与转矩分配系统是分开进行控制的，然而，这两个控制子系统有不同的评价指标和控制策略，而且，其输入输出之间具有较强的耦合效应。当对它们分别进行优化控制时，简单迭加并不能获得良好的综合性能。如何实现分布式电驱动汽车平台上EPS系统与转矩分配系统的良好匹配并协调工作，在不同车辆行驶工况下，通过对转向力和车身姿态的协调控制，使整车的操纵稳定性达到最优已成为急需解决的关键问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供基于多智能体的分布式驱动汽车集成控制系统及方法，实现EPS系统与转矩分配系统的集成控制，使EPS系统与转矩分配系统分别正常工作的同时，保证整车的操纵稳定性达到最优。

为了实现上述目的，本发明具体技术方案如下：一种基于多智能体的分布式驱动汽车集成控制方法，包括如下步骤：

1)系统初始化，并将初始化信息存储在应用知识库中；其中，初始化过程为：首先，针对不同车辆行驶工况建立所对应的EPS系统和转矩分配系统所需要实际补偿的力矩大小关系表；其次，对EPS系统和转矩分配系统所需要实际补偿的力矩大小关系表进行拟合，获取近似拟合函数，用于实时计算出无法从表中直接获取的数据。

2)信号采集层agent采集EPS系统信息、转矩分配系统信息和车况信息，通过CAN总线发送给决策层agent和区域层agent；其中，EPS系统信息包括转向盘转角传感器信息、转向盘转矩传感器信息和助力电机电枢电流传感器信息；转矩分配系统信息包括驱动电机状态监测模块提供的驱动电机转速信息、转矩信号信息和陀螺仪信号信息；车况信息包括车速传感器信息、油门踏板信息和制动踏板信息；

3)决策层agent根据信号采集层agent传递过来的信息，判断车辆当前状态，并向协调层agent发送指令；其中，车辆当前状态分为常规转向工况、转向制动/驱动工况、常规行驶工况与紧急避让工况四种；

4)协调层agent计算在当前工况下，EPS系统和转矩分配系统各自所占的权重系数和实际需要补偿的力矩，使EPS系统和转矩分配系统实现相对最优，并向区域层agent发送指令；

5)区域层agent接收协调层agent传递过来的信息，送EPS控制器和转矩分配控制器，分别计算得到EPS控制器的控制策略和转矩分配控制器的转矩分配算法，并向各执行层agent发送指令；其中，EPS控制器的控制策略包括常规助力控制和补偿控制；转矩分配控制器的转矩分配算法包括常规差速控制和左、右轮驱动力矩分配控制；

6)执行层agent根据区域层agent传递过来的信息，负责将区域层agent的输出命令转化成物理量实现输出，同时通过助力电机电枢电流传感器和驱动电机状态监测模块分别对EPS系统和转矩分配系统进行检测，对各自输出的执行情况进行实时反馈，并通过CAN总线发送给区域层agent。

进一步地，上述步骤3)中判断车辆当前状态，包括如下步骤：

3.1)判断当前转向盘转角δ_sw是否等于0，即判断驾驶员是否有转向的意图，如果转向盘转角δ_sw等于0，转步骤3.2)，否则转步骤3.3)；

3.2)判断转矩传感器是否检测到突变阶跃脉冲信号，若有突变阶跃脉冲信号则车辆当前状态为紧急避让工况，否则为常规行驶工况；

3.3)启动计时器，对δ_sw不等于0的时间进行计时，转步骤3.4)；

3.4)判断计时器时间是否大于2s，如果不大于2s，转步骤3.1)，否则可判定驾驶员正在转向过程中，转步骤3.5)；

3.5)判断驱动/制动踏板信号是否为0，如果为0则车辆当前状态为常规转向工况，否则车辆当前状态为转向制动/驱动工况。

进一步地，本发明还提供了一种基于多智能体的分布式驱动汽车集成控制系统，包括：决策控制器、协调控制器、EPS控制器、转矩分配控制器、助力电机、驱动电机、信号采集装置和应用知识库；其中，决策控制器的输出端与协调控制器相连，应用知识库分别与EPS控制器和转矩分配控制器双向连接，协调控制器、EPS控制器、转矩分配控制器、助力电机、驱动电机和信号采集装置通过CAN总线相连；所述信号采集装置包括车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、助力电机电枢电流传感器、油门踏板信号处理模块、制动踏板信号处理模块、驱动电机状态监测模块、陀螺仪。

本发明的有益效果在于：1)可靠性高，本系统不会因为某个控制器的故障而停止运行或影响其它控制器的运行；2)实时性好，各个执行agent具有自己调整本执行机构输出信号大小的能力，可以实时地对该车辆的状态运行变化进行反应，提高了系统的实时应变能力，满足了分布是驱动整车动力学控制复杂性的要求；3)针对性强，各个协调agent和区域agent都会根据应用知识库的不同的协调控制策略，采取不同的判别准则，使分布式驱动汽车集成控制决策更具有针对性，降低整车集成控制器的运算负荷。

附图说明

图1为本发明系统装置结构示意图。

图2为本发明判断车辆当前状态方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步描述。

本发明提出的基于多智能体的分布式驱动汽车集成控制系统，由信号采集层agent、决策层agent、协调层agent、区域层agent、执行层agent和应用知识库组成，对应的硬件装置如图1所示，图中，决策控制器为决策层agent的硬件装置，协调控制器为协调层agent的硬件装置，EPS控制器和转矩分配控制器为区域层agent的硬件装置，助力电机和驱动电机为执行层agent的硬件装置，信号采集装置为信号采集层agent的硬件装置，信号采集装置包括车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、助力电机电枢电流传感器、油门踏板信号处理模块、制动踏板信号处理模块、驱动电机状态监测模块、陀螺仪；其中，决策控制器的输出端与协调控制器相连，应用知识库分别与EPS控制器和转矩分配控制器双向连接，协调控制器、EPS控制器、转矩分配控制器、助力电机、驱动电机和信号采集装置通过CAN总线相连。

应用知识库用于存储初始化数据，包括：不同车辆行驶工况所对应的EPS系统和转矩分配系统所需要实际补偿的力矩大小关系表，以及用于实时计算无法从表中直接获取数据的近似拟合函数。

信号采集层agent用于采集车辆当前动力学参数信号，并发送给决策层agent和区域层agent；决策层agent实时分析计算来自于信号采集agent的车辆行驶参数数据，得出分布式驱动汽车的当前所处的行驶工况，并向各协调层agent发送指令；协调层agent根据当前的行驶工况和应用知识库存储的预先设计好的经验数据，协调EPS系统与转矩分配系统，计算得出两个系统所占权重，并向区域层agent发送指令；区域层agent根据EPS系统与转矩分配系统的权重，结合信号采集层agent传送过来的数据信息，与应用知识库存储的数据进行分析和对比，得出当前EPS系统与转矩分配系统各自所需要得输出量，并向各执行层agent发送指令进行控制；执行层agent用于将区域层agent的输出命令转化成物理量实现输出，同时通过助力电机电枢电流传感器和驱动电机状态监测模块检测输出的执行情况，并通过CAN通信模块发送给区域层agent。

本发明还提供基于多智能体的分布式驱动汽车集成控制方法，包括以下步骤：

1)系统初始化，并将初始化信息存储在应用知识库中；其中，初始化过程为：首先，针对不同车辆行驶工况建立所对应的EPS系统和转矩分配系统所需要实际补偿的力矩大小关系表；其次，对EPS系统和转矩分配系统所需要实际补偿的力矩大小关系表进行拟合，获取近似拟合函数，用于实时计算出无法从表中直接获取的数据。

2)信号采集层agent采集EPS系统信号、转矩分配系统信号和车况信号，通过CAN总线发送给决策层agent和区域层agent，其中，EPS系统信号包括转向盘转角传感器信号、转向盘转矩传感器信号和助力电机电枢电流传感器信号；转矩分配系统信号包括驱动电机状态监测模块提供的驱动电机转速信号、转矩信号和陀螺仪信号；车况信号包括车速传感器信号、油门踏板信号和制动踏板信号。

3)决策层agent根据信号采集层agent传递过来的信息，判断车辆当前状态，并向协调层agent发送指令；其中，车辆当前状态分为常规转向工况、转向制动/驱动工况、常规行驶工况与紧急避让工况四种，判断方法如图2所示，包括如下步骤：

3.1)判断当前转向盘转角δ_sw是否等于0，即判断驾驶员是否有转向的意图，如果转向盘转角δ_sw等于0，转步骤3.2)，否则转步骤3.3)；

3.2)判断转矩传感器是否检测到突变阶跃脉冲信号，若有突变阶跃脉冲信号则车辆当前状态为紧急避让工况，否则为常规行驶工况；

3.3)启动计时器，对δ_sw不等于0的时间进行计时，转步骤3.4)；

3.4)判断计时器时间是否大于2s，如果不大于2s，转步骤3.1)，否则可判定驾驶员正在转向过程中，转步骤3.5)；

3.5)判断驱动/制动踏板信号是否为0，如果为0则车辆当前状态为常规转向工况，否则车辆当前状态为转向制动/驱动工况。

4)协调层agent计算当前工况下，EPS系统和转矩分配系统各自所占的权重系数和实际需要补偿的力矩,使EPS系统和转矩分配系统实现相对最优，并向区域agent发送指令；各工况下EPS系统和转矩分配系统各自所占的权重系数和实际需要补偿的力矩的计算方法如下：

对于常规转向工况，转矩分配控制器采取差速控制，即保证左前轮和右前轮的转矩，以及左后轮和右后轮转矩保持相等，同时满足

ω_lf+ω_rf＝2ω_fo

ω_lr+ω_rr＝2ω_ro

其中ω_lf为左前轮角速度，ω_rf为右前轮角速度，ω_fo为车辆前轴中点处角速度，ω_lr为左后轮角速度，ω_rr为右后轮角速度，ω_ro为车辆等效后轴中点处角速度。对于各个轮毂驱动电机而言，可以将角速度用电机转速n来表示，根据公式计算，即

n_lf+n_rf＝2n_fo

n_lr+n_rr＝2n_ro

同时对于EPS系统，当前状态属于正常转向工况，只需要EPS控制器提供常规助力控制即可。

其中T_mr为助力电机助力力矩，e_h为目标助力电机电枢电流和实际助力电机电枢电流的偏差，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数。通过Ziegler-Nichols整定方法确定比例系数K_p为1.695，积分系数K_i为3.673，微分系数K_d为0.26。

对于转向驱动/制动工况，通过陀螺仪检测出横摆角加速度的变化值Δω_r′，如下式所示：

M_z′＝I_Z·Δω_r′

其中I_Z为车辆绕Z轴的转动惯量，根据车辆参数可知I_Z＝1157.1kg·m²，通过上式就可以求得系统需要补偿的总力矩M_z′，经过大量仿真试验可求出下表，即得出经过协调后的EPS系统和转矩分配系统实际需要补偿的力矩，而查表只是给出了某些特定的情况下的数据，如只有Δω_r′＝0.2或0.4等情况的数据，而Δω_r′取其他数据则无法查表，而应是通过对已有数据进行拟合，获取近似拟合函数，用来实时计算出无法从表中直接获取的数据。

表1转向驱动/制动工况(规定向左转向为正)

Δωr′	TEPS_real	TTD_real
			0	0	0
0.2	23.14	208.28
			0.4	21.53	441.31
0.6	20.89	673.37
			0.8	20.45	905.23
1.0	19.87	1137.23
			1.2	17.56	1370.96
1.4	16.86	1603.08
			1.6	15.87	1835.49
1.8	15.38	2067.40
			2.0	14.29	2299.91
2.2	14.13	2531.49
			2.4	13.79	2763.25
2.5	13.75	2879.00

对于紧急避让工况，通过陀螺仪检测出侧向加速度的变化值Δa_y，如下式所示

M_z′＝m·Δa_y·l_r

其中m为车辆总质量，根据车辆参数可知m＝830kg，l_r为车辆质心到后轴的距离，根据车辆参数可知l_r＝1.244m。通过上式就可以求得系统需要补偿的总力矩M_z′，经过大量仿真试验可求出下表，即得出经过协调后的EPS系统和转矩分配系统需要提供的实际力矩。

表2紧急避让工况(规定向左转向为正)

Δay	TEPS_real	TTD_real
			0	0	0
0.3	15.49	294.27
			0.6	15.35	604.16
0.9	15.21	914.06
			1.2	14.97	1224.05
1.5	14.85	1533.93
			1.8	14.78	1843.76
2.1	14.55	2153.74
			2.4	14.32	2463.73
2.7	13.88	2773.92
			3.0	13.54	3084.02
3.3	13.27	3394.05
			3.6	13.18	3703.89
3.9	13.10	4013.73

5)区域层agent接收协调层agent传递过来的信息，送EPS控制器和转矩分配控制器，分别计算得到EPS控制器的控制策略和转矩分配控制器的转矩分配算法，并向各执行层agent发送指令进行控制；

EPS控制器根据当前车速、转向盘转矩以及可变助力特性曲线计算得出当前系统应该提供的助力转矩，同时根据车辆不同的运动状态给出相应的控制策略，其中，控制策略包括常规助力控制和补偿控制；

转矩分配控制器根据车辆的当前运动状态，实时给出相应的转矩分配算法，其中，转矩分配算法包括常规差速控制和左、右轮驱动力矩分配控制；不同工况下的计算方法如下：

对于常规转向工况，转矩分配控制器采取差速控制，即保证左前轮和右前轮的转矩，以及左后轮和右后轮转矩保持相等，同时满足

ω_lf+ω_rf＝2ω_fo

ω_lr+ω_rr＝2ω_ro

其中ω_lf为左前轮角速度，ω_rf为右前轮角速度，ω_fo为车辆前轴中点处角速度，ω_lr为左后轮角速度，ω_rr为右后轮角速度，ω_ro为车辆等效后轴中点处角速度。对于各个轮毂驱动电机而言，可以将角速度用电机转速n来表示，根据公式计算，即

n_lf+n_rf＝2n_fo

n_lr+n_rr＝2n_ro

同时对于EPS系统，当前状态属于正常转向工况，只需要EPS控制器提供常规助力控制即可。

其中T_mr为助力电机助力力矩，e_h为目标助力电机电枢电流和实际助力电机电枢电流的偏差，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数。通过Ziegler-Nichols整定方法确定比例系数K_p为1.695，积分系数K_i为3.673，微分系数K_d为0.26。

对于转向制动/驱动工况

EPS系统：

T_{EPS_real}＝ΔT_mr1＝-(K_pe_h+K_i∫e_hdt)，

T_{EPS_real}通过查表获得，其中ΔT_mr1为助力电机附加的正向补偿力矩，e_h为目标转向盘转角和实际转向盘转角的偏差，K_p为比例系数，K_i为积分系数。通过Ziegler-Nichols整定方法确定比例系数K_p为0.5，积分系数K_i为0.083。

转矩分配系统：

其中ΔF_xrf，ΔF_xlf，ΔF_xrr，ΔF_xlr分别为右前轮、左前轮、右后轮和左后轮纵向附加驱动力，B为车轮轮距。

轮毂驱动电机转矩与车轮纵向力的关系为：

其中ΔT_mij为各个轮毂驱动电机附加转矩，R为车轮半径。根据横摆力矩与纵向力的关系，并带入上式可求得各个轮毂驱动电机附加转矩与转矩分配系统提供的附加横摆力矩分量的关系：

上式就是右前轮驱动电机控制器、左前轮驱动电机控制器、右后轮驱动电机控制器和左后轮驱动电机控制器控制各自驱动电机输出相应附加转矩的依据。具体而言，此时车辆以向左转向为例，此时左、右轮驱动力矩分配即增加左侧两个车轮的纵向驱动力矩，同时降低右侧两个车轮的纵向驱动力矩。

将各轮转矩用T_{TD_real}表示，如下式：

T_{TD_real}通过查表获得。

对于紧急避让工况，与转向制动/驱动工况同理，不同之处只是查询表格的不同。

6)执行层agent根据区域agent层传递过来的信息，负责将区域层agent的输出命令转化成物理量实现输出，同时通过助力电机电枢电流传感器和驱动电机状态监测模块分别对EPS系统和转矩分配系统进行检测，对各自输出的执行情况进行实时反馈，并通过CAN总线发送给区域层agent。

Claims (3)

1.一种基于多智能体的分布式驱动汽车集成控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)系统初始化，并将初始化信息存储在应用知识库中；其中，初始化过程为：首先，针对不同车辆行驶工况建立所对应的EPS系统和转矩分配系统所需要实际补偿的力矩大小关系表；其次，对EPS系统和转矩分配系统所需要实际补偿的力矩大小关系表进行拟合，获取近似拟合函数，用于实时计算出无法从表中直接获取的数据；

2)信号采集层agent采集EPS系统信息、转矩分配系统信息和车况信息，通过CAN总线发送给决策层agent和区域层agent；其中，所述EPS系统信息包括转向盘转角传感器信息、转向盘转矩传感器信息和助力电机电枢电流传感器信息；所述转矩分配系统信息包括驱动电机状态监测模块提供的驱动电机转速信息、转矩信号信息和陀螺仪信号信息；所述车况信息包括车速传感器信息、油门踏板信息和制动踏板信息；

3)决策层agent根据信号采集层agent传递过来的信息，判断车辆当前状态，并向协调层agent发送指令；其中，所述车辆当前状态分为常规转向工况、转向制动/驱动工况、常规行驶工况与紧急避让工况四种；

4)协调层agent计算在当前工况下，EPS系统和转矩分配系统各自所占的权重系数和实际需要补偿的力矩，使EPS系统和转矩分配系统实现相对最优，并向区域层agent发送指令；

5)区域层agent接收协调层agent传递过来的信息，送EPS控制器和转矩分配控制器，分别计算得到EPS控制器的控制策略和转矩分配控制器的转矩分配算法，并向各执行层agent发送指令；其中，所述EPS控制器的控制策略包括常规助力控制和补偿控制；所述转矩分配控制器的转矩分配算法包括常规差速控制和左、右轮驱动力矩分配控制；

6)执行层agent根据区域层agent传递过来的信息，负责将区域层agent的输出命令转化成物理量实现输出，同时通过助力电机电枢电流传感器和驱动电机状态监测模块分别对EPS系统和转矩分配系统进行检测，对各自输出的执行情况进行实时反馈，并通过CAN总线发送给区域层agent。

2.如权利要求1所述的基于多智能体的分布式驱动汽车集成控制方法，其特征在于：所述步骤3)中判断车辆当前状态，其特征在于包括如下步骤：

3.1)判断当前转向盘转角δ_sw是否等于0，即判断驾驶员是否有转向的意图，如果转向盘转角δ_sw等于0，转步骤3.2)，否则转步骤3.3)；

3.2)判断转矩传感器是否检测到突变阶跃脉冲信号，若有突变阶跃脉冲信号则车辆当前状态为紧急避让工况，否则为常规行驶工况；

3.3)启动计时器，对δ_sw不等于0的时间进行计时，转步骤3.4)；

3.4)判断计时器时间是否大于2s，如果不大于2s，转步骤3.1)，否则可判定驾驶员正在转向过程中，转步骤3.5)；

3.5)判断驱动/制动踏板信号是否为0，如果为0则车辆当前状态为常规转向工况，否则车辆当前状态为转向制动/驱动工况。

3.一种基于多智能体的分布式驱动汽车集成控制系统，其特征在于包括：决策控制器、协调控制器、EPS控制器、转矩分配控制器、助力电机、驱动电机、信号采集装置和应用知识库；其中，决策控制器的输出端与协调控制器相连，应用知识库分别与EPS控制器和转矩分配控制器双向连接，协调控制器、EPS控制器、转矩分配控制器、助力电机、驱动电机和信号采集装置通过CAN总线相连；所述信号采集装置包括车速传感器、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、助力电机电枢电流传感器、油门踏板信号处理模块、制动踏板信号处理模块、驱动电机状态监测模块、陀螺仪。