CN107891780A - 基于车速扭矩控制的电动汽车自动泊车系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于车速扭矩控制的电动汽车自动泊车系统，在电动汽车的自动泊车过程中，除了以计算得到的实时基础力矩Tbase来控制电动汽车的电机输出力矩Tmot，以确保电动汽车能够在现实环境工况下按照预设的自动泊车轨迹和实时目标车速vset行驶，还按照四个状态控制是否在实时基础力矩Tbase的基础上增加增量力矩ΔT的标定值来作为电动汽车的电机输出力矩Tmot，即：在计算状态增加增量力矩ΔT的标定值，在就绪状态、锁止状态和终止状态下增量力矩ΔT均取值为零。从而，本发明利用该增量力矩ΔT在自动泊车过程中的引入方式，能够极大的减少电动汽车在自动泊车的起动和爬坡运动中的初始力矩冲击，消除电动汽车在自动泊车过程中的抖动，改善自动泊车的舒适性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于车速扭矩控制的电动汽车自动泊车系统，应用于电动汽车。
背景技术
目前大部分的电动汽车的自动泊车系统均是采用PID控制器进行电机力矩控制的，PID控制器为比例-积分-微分控制系统，广泛应用于工业控制中。
然而PID控制器存在其固有问题，在PID控制系统中，一般通过实际车速的方法调节电机的输出力矩。考虑车辆运行中存在的大量非线性状态，部分设计采用位置型PID、积分分离PID、模糊PID算法等，这些都只能部分的优化控制系统。
因为PID控制器的参数调节是需要大量时间与人力的，且在非仿真条件下很容易造成系统的震荡而使系统不稳定崩溃。另外，PID控制器的响应时间慢，不适合需要快速响应的智能车辆控制系统中，参数调整困难等。最后，在自动泊车中应用PID控制存在电机力矩输出抖动的情况，即通过PID输出的固定力矩会给车辆一个突然的激励，从而造成车辆运行过程中的抖动，影响车辆乘坐的舒适性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于车速扭矩控制的电动汽车自动泊车系统。
解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于车速扭矩控制的电动汽车自动泊车系统，设有力矩控制器，所述力矩控制器能够计算出电动汽车在自动泊车过程中所需的实时基础力矩Tbase，以确保所述电动汽车能够在现实环境工况下按照预定的自动泊车轨迹和实时目标车速vset行驶，并且，所述力矩控制器能够控制所述电动汽车的电机输出力矩Tmot，其中，所述输出力矩Tmot包括所述实时基础力矩Tbase；
其特征在于：所述输出力矩Tmot为还包括增量力矩ΔT的渐变力矩，即Tmot＝Tbase+ΔT；所述力矩控制器能够获取到所述电动汽车的实时电机转速Rmp，并在所述自动泊车过程中按照以下四个状态控制所述增量力矩ΔT的输出：
一、就绪状态：
所述就绪状态为控制所述增量力矩ΔT输出的初始化状态，即：在所述电动汽车开始所述自动泊车过程的同时进入所述就绪状态；在所述就绪状态下，所述增量力矩ΔT的取值为零，时间计数器清零，并且，判断是否满足Rmp>RmpBgn，如是则转到锁止状态，如否则继续进行判断；
其中，RmpBgn为通过对所述电动汽车进行标定得到的启动转速阈值，其标定方式为：由零开始逐渐提高所述电动汽车的电机转速，将所述电动汽车首次出现抖动时的电机转速标定为启动转速阈值RmpBgn；
二、锁止状态：
在所述锁止状态下，所述增量力矩ΔT的取值为零，所述时间计数器启动计时，并且，同时进行两个判断，其一是判断是否满足Rmp<RmpStat，如是则转到所述就绪状态，其二是判断是否同时满足TI>TC和Rmp>RmpBgn，如是则转到计算状态，如该两个判断的结果均为否则保持在所述锁止状态；
其中，RmpStat为预设的电机启动有效转速，且满足RmpStat<RmpBgn；
TI为所述时间计数器的实时计时结果，TC为预设的延时参数；
三、计算状态：
在所述计算状态下，所述增量力矩ΔT的取值为标定值，并且，同时进行两个判断，其一是判断是否满足Rmp＜RmpStat，如是则转到所述就绪状态，其二是判断是否满足Rmp＞RmpEnd，如是则转到终止状态，如该两个判断的结果均为否则保持在所述计算状态；
其中，所述增量力矩ΔT的标定值通过对所述电动汽车进行标定得到，其标定方式为：将所述电动汽车的电机转速保持在所述启动转速阈值RmpBgn，使得所述电动汽车开始出现抖动，以此状态为开始状态逐渐增大所述电动汽车的电机输出力矩，直至所述电动汽车停止抖动，并以此状态作为结束状态，将所述电动汽车的电机输出力矩由所述开始状态至所述结束状态的增量标定为所述增量力矩ΔT的标定值；
RmpEnd为通过对所述电动汽车进行标定得到的渐变结束转速阈值参数，其标定方式为：由所述启动转速阈值RmpBgn开始逐渐提高所述电动汽车的电机转速，将所述电动汽车首次由抖动转变为停止抖动时的电机转速标定为渐变结束转速阈值参数RmpEnd；
四、终止状态：
在所述终止状态下，所述增量力矩ΔT的取值为零，并且，判断是否满足Rmp<RmpEnd，如是则转到所述计算状态，如否则保持在所述终止状态。
作为本发明的优选实施方式：所述力矩控制器控制所述增量力矩ΔT的输出基于stateflow状态转换图实现。
本发明的电动汽车自动泊车系统可采用现有的电动汽车自动泊车算法实现上述实时基础力矩Tbase的计算，本专利中，为了加快对电动汽车自动泊车指令的响应速度以及对自动泊车过程中物理障碍的应对速度，优选采用以下方案：所述的电动汽车自动泊车系统还设有泊车控制器和车速传感器，所述泊车控制器能够计算出电动汽车在自动泊车过程中所需的实时目标车速vset，以确保所述电动汽车能够在现实环境工况下按照预定的自动泊车轨迹行驶，所述车速传感器能够检测所述电动汽车的实时车速v和所述实时电机转速Rmp，所述力矩控制器通过以下公式一至公式四联立求解计算出所述实时基础力矩Tbase：
Tbase＝α(FR+FL+FG)+β(vset-vex) [公式一]
式中，α为预设的电动汽车运动模型系数，FR、FL和FG依次表示所述电动汽车受到的实时滚动阻力、实时风阻和实时重力分量，β为预设的力矩控制器增益参数，vex表示车速估计值，并且，所述电动汽车运动模型系数α和力矩控制器增益参数β的取值范围均在0至1.1之间；
式中，G为所述电动汽车的重力，fr0、fr1和fr2依次为所述电动汽车的0阶滚动阻力系数、1阶滚动阻力系数和4阶滚动阻力系数；
式中，ρ为空气密度，A为所述电动汽车的迎风面积，Cd为空气阻力系数；
式中，为所述实时重力分量FG的一阶导数，为所述车速估计值vex的一阶导数，k1、k2和k3依次为预设的第一观测反馈系数、第二观测反馈系数和第三观测反馈系数。
作为本发明的优选实施方式：所述的电动汽车自动泊车系统还设有车辆定位模块和超声波传感器，所述车辆定位模块能够定位所述电动汽车的实时位置，所述超声波传感器能够采集所述电动汽车周围的障碍物信息，所述泊车控制器基于所述实时位置、障碍物信息和预定的自动泊车轨迹计算所述实时目标车速vset。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
第一，本发明在电动汽车的自动泊车过程中，除了以计算得到的实时基础力矩Tbase来控制电动汽车的电机输出力矩Tmot，以确保电动汽车能够在现实环境工况下按照预设的自动泊车轨迹和实时目标车速vset行驶，还按照四个状态控制是否在实时基础力矩Tbase的基础上增加增量力矩ΔT的标定值来作为电动汽车的电机输出力矩Tmot(具体为：在计算状态增加增量力矩ΔT的标定值，在就绪状态、锁止状态和终止状态下增量力矩ΔT均取值为零)，从而，本发明利用该增量力矩ΔT在自动泊车过程中的引入方式，能够极大的减少电动汽车在自动泊车的起动和爬坡运动中的初始力矩冲击，消除电动汽车在自动泊车过程中的抖动，改善自动泊车的舒适性。
第二，本发明基于实时车速v与实时目标车速vset的比较，通过公式一至公式四联立求解计算出实时基础力矩Tbase，其中，公式四充分描述了自动泊车运动过程的物理状态，可以实时实现对电动汽车运行动态的观测，起到反馈控制作用，以快速的响应电动汽车的指令，因此，本发明能够加快对电动汽车自动泊车指令的响应速度以及对自动泊车过程中物理障碍的应对速度。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
图1为本发明的电动汽车自动泊车系统的系统框图；
图2为本发明中力矩控制器控制增量力矩ΔT的输出的流程框图；
图3为本发明中确定电动汽车泊车状态的流程框图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明公开的是一种基于车速扭矩控制的电动汽车自动泊车系统，设有力矩控制器，力矩控制器能够计算出电动汽车在自动泊车过程中所需的实时基础力矩Tbase，以确保电动汽车能够在现实环境工况下按照预定的自动泊车轨迹和实时目标车速vset行驶，并且，力矩控制器能够控制电动汽车的电机输出力矩Tmot，其中，输出力矩Tmot包括实时基础力矩Tbase。
本发明的发明构思为：
输出力矩Tmot的还包括增量力矩ΔT的渐变力矩，即Tmot＝Tbase+ΔT；力矩控制器能够获取到电动汽车的实时电机转速Rmp，并在自动泊车过程中按照以下四个状态控制增量力矩ΔT的输出：
一、就绪状态：
就绪状态为控制增量力矩ΔT输出的初始化状态，即：在电动汽车开始自动泊车过程的同时进入就绪状态；在就绪状态下，增量力矩ΔT的取值为零，时间计数器清零，并且，判断是否满足Rmp>RmpBgn，如是则转到锁止状态，如否则继续进行判断；
其中，RmpBgn为通过对电动汽车进行标定得到的启动转速阈值，其标定方式为：由零开始逐渐提高电动汽车的电机转速，将电动汽车首次出现抖动时的电机转速标定为启动转速阈值RmpBgn；
二、锁止状态：
在锁止状态下，增量力矩ΔT的取值为零，时间计数器启动计时，并且，同时进行两个判断，其一是判断是否满足Rmp<RmpStat，如是则转到就绪状态，其二是判断是否同时满足TI>TC和Rmp>RmpBgn，如是则转到计算状态，如该两个判断的结果均为否则保持在锁止状态；
其中，RmpStat为预设的电机启动有效转速，且满足RmpStat<RmpBgn，该电机启动有效转速RmpStat可根据具体车型的电动汽车的需求设置，其取值取决于电动汽车所要求的舒适性和力矩控制器所能满足的计算量，它们的关系为：RmpStat取值越小，则舒适性越好、计算量越大，反之，RmpStat取值越大，则舒适性越差、计算量越小；
TI为时间计数器的实时计时结果，TC为预设的延时参数，该延时参TC数可根据具体车型的电动汽车的需求设置，其取值取决于电动汽车所要求的舒适性和力矩控制器所能满足的计算量，它们的关系为：TC取值越小，则舒适性越好、计算量越大，反之，TC取值越大，则舒适性越差、计算量越小；
三、计算状态：
在计算状态下，增量力矩ΔT的取值为标定值，并且，同时进行两个判断，其一是判断是否满足Rmp＜RmpStat，如是则转到就绪状态，其二是判断是否满足Rmp＞RmpEnd，如是则转到终止状态，如该两个判断的结果均为否则保持在计算状态；
其中，增量力矩ΔT的标定值通过对电动汽车进行标定得到，其标定方式为：将电动汽车的电机转速保持在启动转速阈值RmpBgn，使得电动汽车开始出现抖动，以此状态为开始状态逐渐增大电动汽车的电机输出力矩，直至电动汽车停止抖动，并以此状态作为结束状态，将电动汽车的电机输出力矩由开始状态至结束状态的增量标定为增量力矩ΔT的标定值；
RmpEnd为通过对电动汽车进行标定得到的渐变结束转速阈值参数，其标定方式为：由启动转速阈值RmpBgn开始逐渐提高电动汽车的电机转速，将电动汽车首次由抖动转变为停止抖动时的电机转速标定为渐变结束转速阈值参数RmpEnd；
四、终止状态：
在终止状态下，增量力矩ΔT的取值为零，并且，判断是否满足Rmp<RmpEnd，如是则转到计算状态，如否则保持在终止状态。
从而，本发明利用上述增量力矩ΔT在自动泊车过程中的引入方式，能够极大的减少电动汽车在自动泊车的起动和爬坡运动中的初始力矩冲击，消除电动汽车在自动泊车过程中的抖动，改善自动泊车的舒适性。
其中，上述对电动汽车进行的标定，可以按电动汽车的车型进行，即对于同一款车型的电动汽车，其启动转速阈值RmpBgn、增量力矩ΔT的标定值、渐变结束转速阈值参数RmpEnd的取值相同。
在上述发明构思的基础上，本发明采用以下优选的实施方式：
作为本发明的优选实施方式：力矩控制器控制增量力矩ΔT的输出优选基于stateflow状态转换图实现，但也可通过现有的其它编程方式实现。
本发明的电动汽车自动泊车系统可采用现有的电动汽车自动泊车算法实现上述实时基础力矩Tbase的计算，本专利中，为了加快对电动汽车自动泊车指令的响应速度以及对自动泊车过程中物理障碍的应对速度，优选采用以下方案：电动汽车自动泊车系统还设有泊车控制器和车速传感器，泊车控制器能够计算出电动汽车在自动泊车过程中所需的实时目标车速vset，以确保电动汽车能够在现实环境工况下按照预定的自动泊车轨迹行驶，车速传感器能够检测电动汽车的实时车速v和实时电机转速Rmp，力矩控制器通过以下公式一至公式四联立求解计算出实时基础力矩Tbase：
Tbase＝α(FR+FL+FG)+β(vset-vex) [公式一]
式中，α为预设的电动汽车运动模型系数，FR、FL和FG依次表示电动汽车受到的实时滚动阻力、实时风阻和实时重力分量，β为预设的力矩控制器增益参数，vex表示车速估计值，并且，电动汽车运动模型系数α和力矩控制器增益参数β的取值范围均在0至1.1之间；
式中，G为电动汽车的重力，fr0、fr1和fr2依次为电动汽车的0阶滚动阻力系数、1阶滚动阻力系数和4阶滚动阻力系数；
式中，ρ为空气密度，A为电动汽车的迎风面积，Cd为空气阻力系数；
式中，为实时重力分量FG的一阶导数，为车速估计值vex的一阶导数，k1、k2和k3依次为预设的第一观测反馈系数、第二观测反馈系数和第三观测反馈系数。其中，上述电动汽车运动模型系数α、力矩控制器增益参数β、第一观测反馈系数k1、第二观测反馈系数k2和第三观测反馈系数k3，该五个预设参数的取值是为了平衡对上述状态方程(即公式一至公式四)的稳定性和响应速度的要求，对确定车型的电动汽车进行调试得来的。
作为本发明的优选实施方式：电动汽车自动泊车系统还设有车辆定位模块和超声波传感器，车辆定位模块能够定位电动汽车的实时位置，超声波传感器能够采集电动汽车周围的障碍物信息，泊车控制器基于实时位置、障碍物信息和预定的自动泊车轨迹计算实时目标车速vset。该实时目标车速vset的计算算法可采用现有的算法，参见图3，该算法的原理为：将当前的实时位置信息与设定的自动泊车轨迹进行匹配，同时结合采集的障碍物信息，判断电动汽车当前处于自动泊车过程的什么状态，以设定对应的实时目标车速vset。自动泊车过程中的状态分为泊车过程状态、泊车完毕状态和泊车障碍状态三种：在泊车过程中，若是当前的实时位置信息显示泊车位置已到位，则确定为泊车完毕状态；若是泊车遇到障碍物，为了保护车辆，设定此时车速为0或者给车辆一个反向车速，此时确定为泊车障碍状态；若是车辆实时位置的轨迹信息与设定的自动泊车轨迹匹配，则确定为泊车过程状态。
本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之中。
Claims (4)
1.一种基于车速扭矩控制的电动汽车自动泊车系统，设有力矩控制器，所述力矩控制器能够计算出电动汽车在自动泊车过程中所需的实时基础力矩Tbase，以确保所述电动汽车能够在现实环境工况下按照预定的自动泊车轨迹和实时目标车速vset行驶，并且，所述力矩控制器能够控制所述电动汽车的电机输出力矩Tmot，其中，所述输出力矩Tmot包括所述实时基础力矩Tbase；
其特征在于：所述输出力矩Tmot为还包括增量力矩ΔT的渐变力矩，即Tmot＝Tbase+ΔT；所述力矩控制器能够获取到所述电动汽车的实时电机转速Rmp，并在所述自动泊车过程中按照以下四个状态控制所述增量力矩ΔT的输出：
一、就绪状态：
所述就绪状态为控制所述增量力矩ΔT输出的初始化状态，即：在所述电动汽车开始所述自动泊车过程的同时进入所述就绪状态；在所述就绪状态下，所述增量力矩ΔT的取值为零，时间计数器清零，并且，判断是否满足Rmp>RmpBgn，如是则转到锁止状态，如否则继续进行判断；
其中，RmpBgn为通过对所述电动汽车进行标定得到的启动转速阈值，其标定方式为：由零开始逐渐提高所述电动汽车的电机转速，将所述电动汽车首次出现抖动时的电机转速标定为启动转速阈值RmpBgn；
二、锁止状态：
在所述锁止状态下，所述增量力矩ΔT的取值为零，所述时间计数器启动计时，并且，同时进行两个判断，其一是判断是否满足Rmp<RmpStat，如是则转到所述就绪状态，其二是判断是否同时满足TI>TC和Rmp>RmpBgn，如是则转到计算状态，如该两个判断的结果均为否则保持在所述锁止状态；
其中，RmpStat为预设的电机启动有效转速，且满足RmpStat<RmpBgn；
TI为所述时间计数器的实时计时结果，TC为预设的延时参数；
三、计算状态：
在所述计算状态下，所述增量力矩ΔT的取值为标定值，并且，同时进行两个判断，其一是判断是否满足Rmp＜RmpStat，如是则转到所述就绪状态，其二是判断是否满足Rmp＞RmpEnd，如是则转到终止状态，如该两个判断的结果均为否则保持在所述计算状态；
其中，所述增量力矩ΔT的标定值通过对所述电动汽车进行标定得到，其标定方式为：将所述电动汽车的电机转速保持在所述启动转速阈值RmpBgn，使得所述电动汽车开始出现抖动，以此状态为开始状态逐渐增大所述电动汽车的电机输出力矩，直至所述电动汽车停止抖动，并以此状态作为结束状态，将所述电动汽车的电机输出力矩由所述开始状态至所述结束状态的增量标定为所述增量力矩ΔT的标定值；
RmpEnd为通过对所述电动汽车进行标定得到的渐变结束转速阈值参数，其标定方式为：由所述启动转速阈值RmpBgn开始逐渐提高所述电动汽车的电机转速，将所述电动汽车首次由抖动转变为停止抖动时的电机转速标定为渐变结束转速阈值参数RmpEnd；
四、终止状态：
在所述终止状态下，所述增量力矩ΔT的取值为零，并且，判断是否满足Rmp<RmpEnd，如是则转到所述计算状态，如否则保持在所述终止状态。
2.根据权利要求1所述基于车速扭矩控制的电动汽车自动泊车系统，其特征在于：所述力矩控制器控制所述增量力矩ΔT的输出基于stateflow状态转换图实现。
3.根据权利要求1所述基于车速扭矩控制的电动汽车自动泊车系统，其特征在于：所述的电动汽车自动泊车系统还设有泊车控制器和车速传感器，所述泊车控制器能够计算出电动汽车在自动泊车过程中所需的实时目标车速vset，以确保所述电动汽车能够在现实环境工况下按照预定的自动泊车轨迹行驶，所述车速传感器能够检测所述电动汽车的实时车速v和所述实时电机转速Rmp，所述力矩控制器通过以下公式一至公式四联立求解计算出所述实时基础力矩Tbase：
Tbase＝α(FR+FL+FG)+β(vset-vex) [公式一]
式中，α为预设的电动汽车运动模型系数，FR、FL和FG依次表示所述电动汽车受到的实时滚动阻力、实时风阻和实时重力分量，β为预设的力矩控制器增益参数，vex表示车速估计值，并且，所述电动汽车运动模型系数α和力矩控制器增益参数β的取值范围均在0至1.1之间；
式中，G为所述电动汽车的重力，fr0、fr1和fr2依次为所述电动汽车的0阶滚动阻力系数、1阶滚动阻力系数和4阶滚动阻力系数；
式中，ρ为空气密度，A为所述电动汽车的迎风面积，Cd为空气阻力系数；
式中，为所述实时重力分量FG的一阶导数，为所述车速估计值vex的一阶导数，k1、k2和k3依次为预设的第一观测反馈系数、第二观测反馈系数和第三观测反馈系数。
4.根据权利要求3所述基于车速扭矩控制的电动汽车自动泊车系统，其特征在于：所述的电动汽车自动泊车系统还设有车辆定位模块和超声波传感器，所述车辆定位模块能够定位所述电动汽车的实时位置，所述超声波传感器能够采集所述电动汽车周围的障碍物信息，所述泊车控制器基于所述实时位置、障碍物信息和预定的自动泊车轨迹计算所述实时目标车速vset。
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