CN107097791B - 基于道路坡度和曲率的四驱电动车速度优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四驱电动汽车行驶车速优化控制方法，该方法综合考虑行驶路径范围内的道路坡度和曲率信息，使汽车在保证安全性的前提下，在给定路径行驶过程中的能量消耗最小。包括以下步骤：通过GPS（Global Positioning System）和GIS（Geographic Information System）等信息系统获取道路坡度和曲率信息；考虑道路坡度信息，结合车辆状态，建立纵向动力学预测模型，建立能耗目标函数；考虑道路曲率信息，设计安全性的约束条件，描述模型预测控制问题；利用动态规划算法求解模型预测控制问题，得到车速优化轨迹。通过上述方式，本发明能够综合道路工况信息，得到优化目标车速和转矩，用于四驱电动汽车的动力学控制，提高行驶经济性和安全性。

Description

基于道路坡度和曲率的四驱电动车速度优化控制方法

技术领域

本发明涉及汽车速度优化控制领域，特别是考虑道路坡度和曲率信息的四驱电动车速度优化控制方法。

背景技术

自环境和能源问题受到关注以来，汽车的经济性一直都是国内外的一个研究重点。汽车的经济性除了与车辆本身的性能有关，还受行驶道路和工况的影响。因此，近年来有学者研究考虑道路坡度信息的预测巡航控制，对于重型卡车在坡度变化较大、较为频繁的路段，经济性提升效果非常明显。Daimler Chrysler公司基于传统的自适应巡航系统，根据GPS导航，结合3D数字地图，提前获取前方道路坡度的信息，进行预测巡航控制，运行优化算法，优化车辆的速度变化轨迹，从而提高车辆经济性。

同时电动汽车目前被认为是解决环境和能源问题的一个重要途径，四轮驱动电动汽车由于其更好的动力学可控性，近年来越来越受到关注。利用电动化和线控化的驱动系统，考虑道路和工况，研究四轮驱动电动汽车的速度优化控制，降低行驶路径上的能量消耗，对于提高四轮驱动电动汽车的经济性具有重要意义。除了道路的坡度对于车辆的经济性有影响，当车辆在弯道上行驶时，车速对于车辆的侧向稳定性能有较大影响，因此有必要考虑道路的曲率信息进行速度优化控制，以提高车辆的行驶安全性和经济性。目前国内外针对道路信息的速度优化控制和预测巡航控制，主要是考虑道路的坡度信息，对于道路的曲率信息考虑较少，尤其是对四轮驱动电动汽车的研究更少。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种四驱电动汽车速度优化控制方法，该方法综合考虑道路坡度和曲率信息，在保证弯道行驶安全性的条件下，使电动汽车在给定行驶路径上的能量消耗最小，能够显著提高汽车的经济性和安全性。

本发明为解决上述技术问题，采用以下技术方案：

一种基于道路坡度和曲率的四驱电动车速度优化控制方法，其特征在于包括如下步骤：

1)车辆在具有弯道和坡度的路况下保持行驶状态，ECU通过GPS和GIS获得道路信息和车辆状态信息；其中，车辆状态信息包括车辆的位置、速度、加速度，道路信息包括前方道路的坡度、曲率；

2)ECU根据获得的道路坡度、曲率信息和车辆状态信息建立纵向动力学模型以及系统状态方程，在此基础上结合行驶过程中的能量计算方法，建立关于消耗能量和行驶时间的优化目标函数；同时，ECU根据获得的道路曲率信息设定道路侧向极限稳定条件，并且根据道路坡度信息设定弯道行驶过程中的安全车速，实现安全车速约束；

3)在步骤2)的基础上进行模型预测控制优化，根据总能量需求最小化的目标，将行驶路程离散化，设置预测域和预测周期找到每一个预测周期内所达到的目标车速以及所需要的目标转矩，并考虑弯道上的安全车速范围，得到汽车的最优车速轨迹。

上述技术方案中，步骤2)在等速圆周行驶条件下，通过道路曲率得到转弯半径，根据路面附着条件得到地面所能提供的最大侧向力，进而得到最高车速限制实现安全车速约束。

上述技术方案中，步骤2)道路侧向极限稳定条件为：考虑道路的曲率和附着条件，根据车辆的侧向状态，以保证弯道行驶的安全性为前提，设计车辆的安全限制车速，使车辆不发生侧向失稳，即需要满足：

其中各参数如下，a_y为汽车的侧向加速度，为路面附着系数。

上述技术方案中，步骤2)建立的纵向动力学模型为：

式中：α为道路坡度角，通过GPS和GIS信息系统获得，T_total为电驱动系统总输出转矩，v为车辆行驶速度，是优化控制方法要求解的变量；式中包括的车辆参数有：m为汽车质量，δ为汽车旋转质量换算系数，f为汽车滚动阻力系数，C_D为空气阻力系数，A为迎风面积，ρ为空气密度，r为车轮滚动半径，F_t为车辆行驶的驱动力，F_f为车辆行驶的滚动阻力，F_i为车辆行驶的坡度阻力，F_w为车辆行驶的空气阻力，F_j为车辆行驶的加速阻力，G为汽车重量；

考虑车辆行驶过程中的能力损耗，和时间消耗转化为的物质代价，结合能量与时间的权重综合建立综合能耗评价表达式如下：

式中，S为车辆行驶距离；λ为行驶时间的权重系数，反映了时间消耗相对于系统能耗的权重；P为电池的输出功率T_cmd为单个电机的输出转矩，ω_m为电机转动的角速度；η为电机效率。

上述技术方案中，步骤3)进行安全车速约束时，将车辆行驶过程中的总路程划分为若干段子路程，认定足够小的一段路程的坡度和曲率为定值，对于道路有曲率的弯道行驶工况，在等速圆周行驶条件下，利用转弯半径和车速表达出车辆的侧向力，在保证侧向力不超过路面附着力的条件下，求得车速的范围，即安全车速范围。

上述技术方案中，步骤3)通过将行驶过程离散化，根据离散动态规划算法，得到每一阶段路程行驶的目标车速与转矩，于是求解优化问题如下：

式中Δs为求解的路程的步长，上式可以求得一段路程的综合能耗，在求解的过程中通过遍历满足要求范围的车速，寻求满足目标函数的最优化车速，得到一段路程的车速轨迹。

本发明利用多传感器信息融合技术，ECU可以获得车辆和道路信息，建立纵向动力学模型以及系统状态方程，通过能量管理构建目标函数，并且根据道路坡度信息设计弯道行驶过程中的安全车速。将行驶路程离散化，建立离散动态规划算法，优化计算得到目标车速与转矩。与现有技术相比具有以下主要的优点：

其一，综合道路坡度和曲率信息，通过模型预测控制方法，得到最优车速和转矩，以提高汽车的经济性和安全性。更加符合实际道路情况，实用性更大，在减小能量消耗的同时，保证弯道行驶的极限稳定性，提高车辆的安全性和经济性。

其二，将行驶路程所消耗的时间叠加到能耗中，可以避免仅考虑系统的能量消耗会使优化结果倾向于使车辆以很低的速度行驶，纠正了目标函数，获得的目标车速更能保证汽车经济性。

附图说明

图1是本发明基于道路坡度和曲率的四驱电动车速度优化控制方法的流程示意图；

图2为本发明GPS和GIS采集信息图；

图3是本发明仿真车辆行驶示意图；

图4是本发明中的总路程划分离散简易图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于道路坡度和曲率的四驱电动车速度优化控制方法，也是基于行驶路径范围内的坡度、曲率等道路信息的目标车速和转矩的优化决策算法，方法流程如图1所示，包括信息处理、能量管理和车速优化算法。其中，信息处理是基于多传感器信息融合技术，获得车辆和道路信息，车辆信息包括位置、速度、加速度等，道路信息包括前方道路的坡度、曲率等；并根据获得的道路信息和车辆状态建立纵向动力学模型以及系统状态方程。能量管理包括建立行驶过程中的能量计算方法，建立关于消耗能量和行驶时间的优化目标函数。车速优化算法就根据总能量需求最小化的目标，将行驶路程离散化，对于每一阶段通过离散动态规划算法，并考虑弯道上的安全车速范围，得到汽车的最优车速轨迹。

所述的信息处理是通过GPS和GIS进行信息获取，获取流程如图2所示，ECU(Electronic Control Unit)负责接收并处理传感器实时采集得到的所有数据，并从中提取出车辆信息以及前方道路信息，根据车辆基本参数建立纵向动力学模型如下式：

式中：α为道路坡度角，通过GPS和GIS信息系统获得，T_total为电驱动系统总输出转矩，v为车辆行驶速度，是优化控制方法要求解的变量。式中包括的车辆参数有：m为汽车质量，δ为汽车旋转质量换算系数，f为汽车滚动阻力系数，C_D为空气阻力系数，A为迎风面积，ρ为空气密度，r为车轮滚动半径。

所述的能量管理，作为控制算法的目标，由于单独考虑消耗的能量必然导致车辆以较低的车速行驶，为了重视时间的价值，综合能量与时间的权重建立能耗评价系统，实时控制巡航目标，使其最优化，

所以结合能量与时间的权重综合建立综合能耗评价表达式如下：

式中，S为车辆行驶距离；λ为行驶时间的权重系数，反映了时间消耗相对于系统能耗的权重；P为电池的输出功率，P由电机转矩和角速度求得，如下式所示：

上式中，T_cmd为单个电机的输出转矩；ω_m为电机转动的角速度；η为电机效率。

所述的行驶策略，将车辆行驶过程中的总路程划分为若干段子路程，认定足够小的一段路程的坡度和曲率为一定值，对于道路有曲率的弯道行驶工况，在等速圆周行驶条件下，计算出对应的方向盘转角，再根据车辆的侧向响应特性，利用方向盘转角和车速表达出车辆的侧向力，在保证侧向力不超过路面附着力的条件下，求得车速的范围，即安全车速范围。

本发明提到的离散动态规划算法，动态规划往往可以用递归程序来实现，通过递推可以充分利用前面保存的子问题的解来减少重复计算，其用途是找到每一阶段路程所达到的目标车速以及所需要的目标转矩，通过线控化和电动化的执行系统实现行驶路程中的速度轨迹。图4将行驶路程离散化，设置预测域和预测周期(图4中的预测域长度是需要大于预测周期长度，所以有重合部分)，找到每一个预测周期内所达到的目标车速以及所需要的目标转矩，并考虑弯道上的安全车速范围，得到汽车的最优车速轨迹。

接下来结合附图1-4对本发明进一步说明：

该车辆配置GPS和GIS系统，并且设置转速传感器、横摆角速度传感器，在一定路况下行驶，示意图参考附图3，通过GPS和GIS获得道路信息和交通信息，ECU获得并处理信息，而得到具体参数值。

建立汽车纵向动力学模型：

式中，α为道路坡度角由GIS提供，T_total为电驱动系统总输出转矩，v为车辆行驶速度。

基于车辆动力学模型可以得到系统的状态方程：

代入输入x＝[v t]^T得：

v(k+1)＝v(k)+a_kΔt

t(k+1)＝t(k)+Δt

而动力学模型是以时间为自变量的，由于本发明针对路程将其离散化，因此以路程作为自变量，换算公式为：

式中，系统状态输入x包括车辆速度v与时间t，即x＝[v t]^T，可以获得系统的状态方程为：

式中，T_cmd为控制输入的转矩，α为道路坡度角由GIS提供，v为车辆行驶速度。

当道路有曲率，即汽车在弯道行驶时，需要保证行驶的安全性。在等速圆周行驶条件下，通过道路曲率得到转弯半径，根据转弯半径和车速可以表达出车辆的侧向加速度：

式中a_y为汽车的侧向加速度，R为转弯半径。

此时汽车的侧向加速度a_y受路面附着条件的限制：

式中为路面附着系数。

从而得到车速的安全范围为：

最后建立离散的动态规划算法，通过将路程离散化，对每一小段路程进行最优化求解，得到目标车速和转矩，具体算法详细实行分以下几个步骤：

1)划分阶段：

将总路程长度S分段求解，即分成路程预测周期为S_y来进行求解，对于其中一段预测域长度S_p(S_p>S_y)，设定离散化步长为Δs，路程具体划分见附图4，

则：

S_p＝NΔs

2)确定状态，状态变量以及状态转移方程：

系统状态输入包括x包括车辆速度v与时间t，即x＝[v t]^T，可将上面的系统状态方程变形为：

a_k是车辆纵向加速度，表示为：

系统状态输出y＝T_cmd，而

3)确定决策：

对于预测域长度为S_p，则目标函数变为：

式中，λ为行驶时间的权重系数，反映了时间消耗相对于系统能耗的权重，增大λ会使车辆趋向于更高的目标速度行驶，反之导致目标车速降低，因此λ是目标车速的函数，即

λ＝f(v_targ)

P为电池的输出功率，P由电机转矩和角速度求得，表达式如下：

上式中，T_cmd为单个电机的输出转矩；ω_m为电机转动的角速度；η为电机效率，可利用电机效率测量数据，通过查表获得。

将预测域长度离散化后得到目标函数表达为：

而对于每一个步长满足

4)寻找边界条件：

系统初始状态即为车辆此时的速度和时间，为计算方便，每次求解一段路程S_p中的目标速度优化问题时，将距离和时间置零，即

最终通过编程求解得到每一段Δs中的目标车速v_k和T_cmd,k。

此预测域S_p优化完成后计算下一个预测域，直至达到总路程S则完成优化。

Claims (6)

1.一种基于道路坡度和曲率的四驱电动车速度优化控制方法，其特征在于包括如下步骤：

1)车辆在具有弯道和坡度的路况下保持行驶状态，ECU通过GPS和GIS获得道路信息和车辆状态信息；其中，车辆状态信息包括车辆的位置、速度、加速度，道路信息包括前方道路的坡度、曲率；

2)ECU根据获得的道路坡度、曲率信息和车辆状态信息建立纵向动力学模型以及系统状态方程，在此基础上结合行驶过程中的能量计算方法，建立关于消耗能量和行驶时间的优化目标函数；同时，ECU根据获得的道路曲率信息设定道路侧向极限稳定条件，并且根据道路坡度信息设定弯道行驶过程中的安全车速，实现安全车速约束；

3)在步骤2)的基础上进行模型预测控制优化，根据总能量需求最小化的目标，将行驶路程离散化，设置预测域和预测周期找到每一个预测周期内所达到的目标车速以及所需要的目标转矩，并考虑弯道上的安全车速范围，得到汽车的最优车速轨迹。

2.根据权利要求1所述的基于道路坡度和曲率的四驱电动车速度优化控制方法，其特征在于步骤2)在等速圆周行驶条件下，通过道路曲率得到转弯半径，根据路面附着条件得到地面所能提供的最大侧向力，进而得到最高车速限制实现安全车速约束。

3.根据权利要求2所述的基于道路坡度和曲率的四驱电动车速度优化控制方法，其特征在于步骤2)道路侧向极限稳定条件为：考虑道路的曲率和附着条件，根据车辆的侧向状态，以保证弯道行驶的安全性为前提，设计车辆的安全限制车速，使车辆不发生侧向失稳，即需要满足：

其中各参数如下，a_y为汽车的侧向加速度，为路面附着系数。

4.根据权利要求3所述的基于道路坡度和曲率的四驱电动车速度优化控制方法，其特征在于步骤2)建立的纵向动力学模型为：

式中：α为道路坡度角，通过GPS和GIS信息系统获得，T_total为电驱动系统总输出转矩，v为车辆行驶速度，是优化控制方法要求解的变量；式中包括的车辆参数有：m为汽车质量，δ为汽车旋转质量换算系数，f为汽车滚动阻力系数，C_D为空气阻力系数，A为迎风面积，ρ为空气密度，r为车轮滚动半径，F_t为车辆行驶的驱动力，F_f为车辆行驶的滚动阻力，F_i为车辆行驶的坡度阻力，F_w为车辆行驶的空气阻力，F_j为车辆行驶的加速阻力，G为汽车重量；

考虑车辆行驶过程中的能力损耗，和时间消耗转化为的物质代价，结合能量与时间的权重综合建立综合能耗评价表达式如下：

式中，S为车辆行驶距离；λ为行驶时间的权重系数，反映了时间消耗相对于系统能耗的权重；P为电池的输出功率其中：T_cmd为单个电机的输出转矩，ω_m为电机转动的角速度；η为电机效率；I_w为车轮转动惯量。

5.根据权利要求1所述的基于道路坡度和曲率的四驱电动车速度优化控制方法，其特征在于步骤3)进行安全车速约束时，将车辆行驶过程中的总路程划分为若干段子路程，认定足够小的一段路程的坡度和曲率为定值，对于道路有曲率的弯道行驶工况，在等速圆周行驶条件下，利用转弯半径和车速表达出车辆的侧向力，在保证侧向力不超过路面附着力的条件下，求得车速的范围，即安全车速范围。

6.根据权利要求4所述的基于道路坡度和曲率的四驱电动车速度优化控制方法，其特征在于步骤3)通过将行驶过程离散化，根据离散动态规划算法，得到每一阶段路程行驶的目标车速与转矩，于是求解优化问题如下：

式中Δs为求解的路程的步长，上式可以求得一段路程的综合能耗，在求解的过程中通过遍历满足要求范围的车速，寻求满足目标函数的最优化车速，得到一段路程的车速轨迹。