CN105539196B - 电动汽车的反馈式变优先级组合传输网络化控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动汽车的反馈式变优先级组合传输网络化控制装置，属于汽车控制领域，包括比较模块、控制器模块、调度器模块和综合模块；车辆的传感器与比较模块连接，比较模块分别与控制器模块、调度器模块连接，控制器模块、调度器模块还分别与综合模块连接；综合模块通过CAN网络与车辆各执行器连接。该装置采用基于车辆控制反馈的变优先级调度，同时采用多命令组合发送的模式，在抑制网络诱导延时影响保证控制性能改善的同时降低了网络数据传输量，从而有效提高了车辆的控制性能，并节省了网络带宽资源。

Description

电动汽车的反馈式变优先级组合传输网络化控制装置

技术领域

本发明涉及电动汽车的反馈式变优先级组合传输网络化控制装置，属于汽车控制领域。

背景技术

电动汽车作为新能源汽车的一个主流分支获得了人们的极大重视。作为电动汽车的核心部件，动力及底盘控制系统属于涉及行车安全和动力性能的强实时性系统。同时随着对电动汽车安全、节能和智能化程度要求的不断提高，实现动力和底盘控制系统的高度集成已经成为趋势和迫切需求。

随着汽车控制理论、汽车电子技术、车载网络技术的发展，汽车控制系统发生了巨大变化，采用车载网络互连、实现各子控制系统的集成，即汽车控制的网络化已经成为技术主流。尤其是CAN-Controller Area Network技术的成功推广，极大地促进了汽车网络化的进展。由于CAN的实时性和可靠性，其在汽车动力和底盘控制系统网络化集成中被普遍采用。鉴于CAN在汽车控制中的优势地位，电动汽车的动力和底盘集成控制也通常采用CAN协议网络实现。

CAN协议网络的应用可以为电动汽车动力和底盘集成控制系统提供数据传输共享的手段，但通过CAN协议网络进行数据传输的方式也会给控制系统带来额外的新问题，诸如网络带宽受限、数据传输量大引起的网络诱导延时、优先级竞争问题等。CAN协议规定的最高为1mbits/s的带宽限制了数据传输的速度。受制于带宽的限制，数据传输量和优先级是影响CAN协议网络诱导延时的重要因素。Gianluca Cena等人在文献(Delay analysis ofpriority promotion systems，Computer communications，2000.)中指出在CAN协议网络上通信时，数据传输量越大、优先级越低的信息将会经历更长的延时。Zhibin Shui等人在文献(Lateral motion control for four-wheel-independent-drive electricvehicles using optimal t orque allocation and dynamic message priorityscheduling，Control Engineering Practice，2014.)中指出：当电动汽车的车辆控制器与4个驱动电机控制器和1个主动前轮转向控制单元间即前向通道采用CAN协议网络互连，同时传感器和车辆控制器间即反馈通道采用专线直接连接的情况下，CAN协议网络导致的诱导延时会严重影响车辆侧向运动控制的性能，甚至使系统失稳。该文献提出了一种基于模型的决策方法用于实现信息优先级的动态调节。这种基于模型的决策方法以降低网络诱导延时对系统模型的干扰为目标来实现优先级的动态调节，一定程度上保证了系统的控制性能，但控制性能改善和优先级调节之间的联系不够直接，且需要事先建立系统的精确模型，非常不利于在实际系统中应用，同时该方法仅关注优先级问题，而不关注网络数据流量降低问题，因此对网络传输优先权竞争、网络诱导延时的抑制程度以及控制性能的改善有限，也不利于未来其它节点的互连集成。

现有其它的用于汽车网络化控制系统的优先级动态调度方法通常以信息的延时或者距离截止期的时间大小作为反馈，用于信息优先级的动态调节，如著名的EDF即截止期先到优先等，但该类动态优先级调节方案对于控制性能的改善属于一类间接方法，对控制性能的改善不提供保证，不适用于电动汽车动力和底盘等强实时性控制系统。

当前现有的电动汽车动力和底盘网络化控制系统优先级调节方法一般都具有一定局限性，不利于在实际系统中应用。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种电动汽车用控制性能反馈式变优先级组合传输网络化控制装置，抑制网络诱导延时及传输优先权竞争对系统的影响，同时降低网络数据传输量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

电动汽车的反馈式变优先级组合传输网络化控制装置，包括比较模块、控制器模块、调度器模块和综合模块；车辆的传感器与比较模块连接，比较模块分别与控制器模块、调度器模块连接，控制器模块、调度器模块还分别与综合模块连接；综合模块通过CAN网络与车辆各执行器连接；

比较模块，实现车辆目标参数与实际参数的比较，为控制器模块和调度器模块提供控制性能参考；

控制器模块，根据车辆控制性能依据预置的策略和算法处理计算产生相应的控制命令，用于实时调节执行器动作；

调度器模块，根据车辆控制性能依据相应的策略和算法处理计算产生优先级命令，优先级命令的配置原则为：系统控制性能较差时，采用较高优先级，提高控制命令发送的优先权，抑制网络排队延时，达到快速改善控制性能的效果，反之，控制性能较好时，可以适当降低优先级，为其它实时应用提供优先带宽；

综合模块，用于实现多个控制命令的组合以及控制命令组合和优先级命令的综合，并实现综合信息的发送；首先综合模块将各执行器命令进行组合，共享单个数据帧实现一发多收式发送，达到降低网络数据传输量的目的，同时提高各执行器的同步性；接着综合模块将对组合的控制命令信息和优先级命令信息进行综合，实现按照新的优先级向网络发送组合控制命令的目的，其中组合控制命令数据放入CAN数据帧的数据域内，优先级信息放入CAN数据帧的ID域内。

其中，调度器模块采用静态分级调节模式或动态调节模式；具体为：

静态分级调节模式：(1)定义车辆控制性能的综合评价指标，包含控制性能参数误差、误差变化量，并把控制性能按照评价指标划成多个分段；(2)设定多个合理的固定优先级，每个分段与相应的优先级相对应，具体运行时信息的优先级只在设定的优先级集合内实现查表式分段调节；控制性能分段与优先级之间的对应原则为：控制性能越差的分段，对应的被分配的优先级越高，则控制命令的延时越小，进而起到快速改善控制性能的目的，反之，控制性能越好，则可以适当降低控制命令发送的优先级，为其它实时性控制提供优先通道，达到网络资源的合理共享利用；

动态调节模式：获得控制性能参数，利用控制性能参数驱动算法模块，算法模块根据算法计算得到优先级。算法为如PID类或者模糊推理等智能算法。

其中，车辆控制性能的评价指标为：

Qc＝θ(k₁e+k₂Δe)

其中，Qc为车辆控制性能的评价指标；θ为量化系数，e为控制性能参数目标值与实际值间的误差向量；Δe为控制性能参数误差变化量向量，k₁和k₂分别为权重系数。

该电动汽车的反馈式变优先级组合传输网络化控制装置的工作流程为：

(1)通过比较模块实现车辆控制性能参数的采集；

(2)控制器模块依据控制性能参数产生相应的控制命令；同时通过调度器模块依据控制性能参数产生相应的优先级配置，优先级配置原则遵循控制性能越差时，信息被分配的优先级越高，进而控制命令经历的网络诱导延时越小，从而达到改善控制性能的目的，反之，则适当降低优先级，为其它强实时应用提供带宽应用优先权；

(3)最后通过综合模块实现多个控制命令的组合发送，达到降低网络传输量的目的，进而进一步降低网络诱导延时，并接着实现组合控制命令和优先级命令的组合，实现向网络的发送。

本发明提供的电动汽车的反馈式变优先级组合传输网络化控制装置，采用基于车辆控制反馈的变优先级调度，同时采用多命令组合发送的模式，在抑制网络诱导延时影响保证控制性能改善的同时降低了网络数据传输量，从而有效提高了车辆的控制性能，并节省了网络带宽资源。另外反馈信息仅基于容易获得的控制性能参数，不需要知道系统的精确模型，简单、实用，同时调度器模块在基于控制性能反馈计算优先级命令时，如采用静态的分级调节模式可以使本方案的实现进一步被简化，从而提高其处理的快速性和实用性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为实施例的电动汽车侧向运动控制执行解析图；

图3为实施例的控制执行解析图；

图4为实施例的控制系统数据包结构图；

图5为实施例的优先级静态分段调整图；

图6为实施例的优先级动态调节图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体实施方式。

根据电动汽车的具体应用特性，采用基于控制性能的反馈实现变优先级调节，同时采用信息组合方式实现多个控制命令信息的共帧发送，在抑制网络诱导延时对系统性能影响的同时降低总的网络数据传输量。

如图1所示，某电动汽车的动力及底盘控制系统配置采用4轮独立电驱动系统，车辆控制器通过车速传感器、横摆角速度传感器、质心侧偏角传感器等采集车辆状态信息和驾驶员指令，并通过控制器模块中预置的算法计算产生4个驱动电机的转矩命令。4个电机通过对相应车轮施加转矩实现车辆的纵向加减速和侧向横摆控制，如图2所示，纵向牵引力矩为T，横摆转矩为M。图中的整车控制器可以采用16位微控制器芯片实现，电机控制器则采用商用高精度DSP实现。横摆角速度器和质心侧偏角速度传感器可以根据成本考虑，既可以采用硬件传感器实现，也可以基于算法估计实现，具体详见相关算法估计文献。整车控制器采用时间触发的方式实现各传感及指令信号的采集、处理和发送。在工程中，如图1所示，为实现电动汽车侧向运动的安全控制，采用CAN网络实现车辆控制器和各个电机控制器的互连、传感器则直接采用专线直接与车辆控制器互连是一类常见应用。车辆的侧向运动安全控制对控制系统的实时性提出了很高要求，也即意味着网络诱导延时对系统的影响需要被严格抑制。

图3是电动汽车反馈式变优先级调节网络化控制执行解析图。其中采样时刻用t_k+i表示，i＝0，1，2，3，...；网络诱导延时用τ_k+i表示，i＝0，1，2，3...。网络诱导延时τ_k+i的计算详见CAN的延时计算文献。网络诱导延时τ_k+i与信息发送时网络数据传输量和信息优先级有关：网络数据传输量越大，优先级越低，则网络诱导延时越大；网络数据传输量越小，优先级越高，则网络诱导延时越小。

若在采样时刻t_k处，车辆控制器采用4个帧、固定优先级方式且假定优先级从1号电机向4号电机逐渐降低，分别向4个电机控制器发送命令，则4个电机控制转矩作用的实施将分别经历网络诱导延时为τ_k1、τ_k2、τ_k3、τ_k4，且τ_k1＜τ_k2＜τ_k3＜τ_k4。可见网络诱导延时较大，且4个车轮的转矩加载不同步。

若在采样时刻t_k+1处，车辆控制器将4个电机控制命令组合并采用一个帧且使用上述4帧中的最低固定优先级向4个电机控制器发送命令，则4个电机控制实施的加载将同步，并经历网络诱导延时为τ_k+1，此时τ_k+1＜τ_k4，这是因为网络数据流量降低了，信息帧将经历较少的排队等待时间。相应的在采样时刻t_k+2处，车辆控制器使用上述4个帧中的最高固定优先级发送控制命令，则经历的网络诱导延时为τ_k+2，且因为网络数据流量的降低，此时τ_k+2＜τ_k1。CAN协议数据传输使用生产者/消费者模式，可以实现通过单帧一发多收的功能，详见CAN协议。

若在采样时刻t_k+3处，车辆控制器使用更高的优先级组合传输电机控制命令，则4个电机的同步加载经历的网络诱导延时将大大降低为τ_k+3，此时网络诱导延时对系统性能的影响则可以降到最低，基本可以忽略不计，因此可以尽快实现控制性能的改进，但同时该控制信号帧将占用网络使用的优先权，会引起网络中其它系统的网络诱导延时增加。因此，为了兼顾其它系统的性能，车辆控制器在检测到本系统控制性能较好时，就会主动降低优先级，让出网络资源使用的优先权，从而通过反馈式变优先级调度实现抑制网络诱导延时对系统性能影响的同时又节省带宽，而且组合式传输既降低了网络数据流量、节省了带宽，又保证了多执行器加载的同步性。

图4是电动汽车用网络化控制系统数据包结构。电动汽车网络化控制系统的数据包根据使用车载网络协议的不同而不同。当采用CAN协议网络时，如图4，网络数据包将包括ID域，数据域和校验域。其中ID域又包括优先级域和ID识别域，优先级域用于存放表示优先级的数据，该优先级数据具体可由调度模块产生的调度命令表达，根据CAN协议，优先级数值越大，优先级越低，反之越高；ID识别区是为了保证网络各信息的ID域是唯一的，避免系统通信冲突崩溃。数据域则包含具体的电机命令组合数据。校验域由系统自动生成。

图5是优先级静态分段调整图。

事先定义系统控制性能综合评价指标：

Qc＝θ(k₁e+k₂Δe)

其中θ为量化系数，e为控制性能参数目标值与实际值间的误差向量；Δe为控制性能参数误差变化量向量，k1和k2分别为权重系数。

采用如下的优先级静态分段调整策略：

其中，q_i代表预先设定的优先级，C_i代表控制性能评价综合评价指标参数，i＝1，2，3...。两者的对应关系需要通过测试分析事先获得，且q_i＜q_i+1，C_i＜C_i+1。

图6是优先级动态调整图。

为了实现基于控制性能的优先级动态调节，可以将控制参数误差e和误差变化量Δe以及初始设定优先级作为输入变量，以优先级q作为输出变量，采用如图6所示的广义控制器，如模糊控制器等，组成在线处理计算的反馈式优先级动态调节闭环系统。该优先级动态调整方法可以基于控制性能实现更加灵活、可变的优先级调整，相比静态分段式模式可以进一步改进优先级调整的精度。

以上所述仅为本发明的一个具体实例，本发明不仅仅局限于上述实现实施例，凡在本发明的精神和原则之所所做的局部性改动、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.电动汽车的反馈式变优先级组合传输网络化控制装置，其特征在于：包括比较模块、控制器模块、调度器模块和综合模块；车辆的传感器与比较模块连接，比较模块分别与控制器模块、调度器模块连接，控制器模块、调度器模块还分别与综合模块连接；综合模块通过CAN网络与车辆各执行器连接；

比较模块，实现车辆目标参数与实际参数的比较，为控制器模块和调度器模块提供控制性能参考；

控制器模块，根据车辆控制性能依据预置的策略和算法处理计算产生相应的控制命令，用于实时调节执行器动作；

调度器模块，根据车辆控制性能依据相应的策略和算法处理计算产生优先级命令，优先级命令的配置原则为：系统控制性能较差时，采用较高优先级，提高控制命令发送的优先权，抑制网络排队延时，达到快速改善控制性能的效果，反之，控制性能较好时，可以适当降低优先级，为其它实时应用提供优先带宽；

综合模块，用于实现多个控制命令的组合以及控制命令组合和优先级命令的综合，并实现综合信息的发送；首先综合模块将各执行器命令进行组合，共享单个数据帧实现一发多收式发送，达到降低网络数据传输量的目的，同时提高各执行器的同步性；接着综合模块将对组合的控制命令信息和优先级命令信息进行综合，实现按照新的优先级向网络发送组合控制命令的目的，其中组合控制命令数据放入CAN数据帧的数据域内，优先级信息放入CAN数据帧的ID域内。

2.根据权利要求1所述的电动汽车的反馈式变优先级组合传输网络化控制装置，其特征在于：所述的调度器模块采用静态分级调节模式或动态调节模式；

静态分级调节模式：(1)定义车辆控制性能的综合评价指标，包含控制性能参数误差、误差变化量，并把控制性能按照评价指标划成多个分段；(2)设定多个合理的固定优先级，每个分段与相应的优先级相对应，具体运行时信息的优先级只在设定的优先级集合内实现查表式分段调节；控制性能分段与优先级之间的对应原则为：控制性能越差的分段，对应的被分配的优先级越高，则控制命令的延时越小，进而起到快速改善控制性能的目的，反之，控制性能越好，则可以适当降低控制命令发送的优先级，为其它实时性控制提供优先通道，达到网络资源的合理共享利用；

动态调节模式：获得控制性能参数，利用控制性能参数驱动算法模块，算法模块根据算法计算得到优先级。

3.根据权利要求2所述的电动汽车的反馈式变优先级组合传输网络化控制装置，其特征在于：车辆控制性能的评价指标为：

Qc＝θ(k₁e+k₂Δe)

其中，Qc为车辆控制性能的评价指标；θ为量化系数，e为控制性能参数目标值与实际值间的误差向量；Δe为控制性能参数误差变化量向量，k₁和k₂分别为权重系数。