CN108506474A - 一种基于车载导航系统的自动变速器换挡点预测控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于车载导航系统的自动变速器换挡点预测控制方法，包括步骤1、确定当前车辆结构参数、状态参数以及动力传动系统参数；步骤2、提取前方道路特征参数；步骤3、基于所述特征参数预测车辆未来状态；步骤4、根据所述车辆未来状态进行工况划分，选择满足需求扭矩和发动机需求转速的变速器挡位，并计算该挡位对应的燃油消耗率，将燃油消耗率最低的挡位作为预测目标挡位，并计算当前挡位和预测目标挡位变化差值，进行工况划分；步骤5、针对不同工况制定最佳换挡方法。可在保证动力性、驾驶操纵性和安全性的前提下，实现换挡点的滚动优化，其更加适应整车的动态特性，实现动力性、经济性的最佳匹配。

Description

一种基于车载导航系统的自动变速器换挡点预测控制方法及 装置

技术领域

本发明涉及一种基于车载导航系统的自动变速器换挡点预测控制方法及装置，属于变速器换挡领域。

背景技术

汽车自动变速器挡位选择技术直接影响动力性、经济性等整车性能，是汽车传动技术领域的关注焦点。基于稳态工况设计的查表式换挡规律存在开发周期长、费用高、无法实施兼顾动力性和经济性的问题，目前在工程领域普遍采用的是基于车辆稳定行驶工况设计的两参数换挡规律，表现出对道路环境和驾驶员的不适应。在实际运行中，受人-车-道路交通环境的影响，节气门开度可能变化很大且频繁，通常采用设置合理的换挡延迟或者采用计数器限制两次换挡之间的最小时间间隔等方式来解决频繁换挡、意外换挡及换挡循环等问题，缺点是会增加发动机非最佳油耗运行时间，降低了整车燃油经济性。

在车辆的行驶过程中，整车质量和路面坡度是影响车辆纵向动力学控制的重要参数，为提高车辆自动变速控制系统对人-车-道路交通环境的适应能力，自动变速器进行挡位决策过程中需要获取较准确的整车质量、道路坡度和弯道等信息，尤其是对自动变速器换挡控制影响较大的道路几何形状信息(如坡路的倾斜角度、坡路的长度、弯道的曲率半径等)。目前主要基于车辆运动学和动力学特性估算或者通过额外传感器获取当前道路坡道信息，但这些方法在线估计均存在延迟现象，而且增加额外坡道传感器成本较高，复杂多变的行驶环境对传感器输出精度产生影响，对车辆行驶前方可能出现的道路几何信息也没有办法提前获取,只能处于一种被动响应状态，难以实现普及。

车载导航系统是把先进的全球卫星定位技术GPS(Global PositionTechnology)、地理信息技术GIS(Geometry Information System)、现代移动通信技术、数据库技术、多媒体技术和嵌入式技术等综合在一起的高科技系统。随着科学技术水平的不断进步、城市交通基础设施建设的不断完善以及车载导航系统的普及和推广，汽车控制器可提前获取更加详细、精确的道路交通环境信息实现控制系统高效率、高品质的运行目标，为预测控制算法在汽车的有效应用提供了保障。

发明内容

本发明设计开发了一种基于车载导航系统的自动变速器换挡点预测控制方法，通过获取前方道路信息，进行车辆未来状态预测，最终针对不同车辆换挡模式制定最佳换挡方法。

本发明的另一发明目的：能够克服自动变速器使用过程中频繁换挡、意外换挡及换挡循环问题。

本发明提供的技术方案为：

一种基于车载导航系统的自动变速器换挡点预测控制方法，包括：

步骤1、确定当前车辆结构参数、状态参数以及动力传动系统参数；

步骤2、提取前方道路特征参数；

步骤3、基于所述特征参数预测车辆未来状态；

步骤4、根据所述车辆未来状态进行工况划分，选择满足需求扭矩和发动机需求转速的变速器挡位，并计算该挡位对应的燃油消耗率，将燃油消耗率最低的挡位作为预测目标挡位，并计算当前挡位和预测目标挡位变化差值，进行工况划分；

步骤5、针对不同工况制定最佳换挡方法。

优选的是，所述步骤4包括：

选择第一道路片段和第二道路片段作为预测视距，

在第一道路片段行驶时，i_A为当前挡位，i_B为预测目标挡位，挡位变化差值Δ₁＝i_A-i_B，并且当Δ₁＞0时，为降挡；当Δ₁＜0时，为升档；当Δ₁＝0，挡位不发生变化；

在第二道路片段行驶时，i_B为当前挡位，i_C为预测目标挡位，挡位变化差值Δ₂＝i_B-i_C，并且当Δ₂＞0时，为降挡，Δ₂＜0时为升档，当Δ₂＝0时，挡位不发生变化；

不同工况的划分规则为：

当Δ₁＝0，且Δ₂≠0时，为第一工况；

当Δ₁＝1，且Δ₂＝0时，为第二工况；

当i_A＞i_B并且1≤Δ₁≤3，同时Δ₂≠0，其中Δ₁＝1时，i_A≠i_B≠i_C，为第三工况；

当Δ₁＝1且i_A＝i_C时，为第四工况；

当Δ₁＝-1，且Δ₂＝0时，为第五工况；

当Δ₁＝-1，且i_A＝i_C时，为第六工况；

当i_B＞i_A并且-3≤Δ₁≤-1，同时Δ₂≠0，其中Δ₁＝-1时，i_A≠i_B≠i_C，为第七工况。

优选的是，所述步骤5包括：

在第一工况时，在所述第一道路片段中确定换挡点，到达第二点时重新划分工况并制定换挡方法；

在第二工况时，i_B＝i_A-1；

在第三工况时，i_B＝i_A-Δ₁；

在第四工况时，i_B＝i_A；

在第五工况时，i_B＝i_A+1；

在第六工况时，i_B＝i_A；

在第七工况时，i_B＝i_A-Δ₁。

优选的是，还包括：

对预测目标挡位进行安全检查：

当预测目标挡位对应发动机转速不在发动机安全转速范围内时，

计算预测目标挡位增加1挡时对应的发动机转速，使预测目标挡位对应的发动机转速在发动机安全转速范围内；和/或

计算预测目标挡位减少1挡时对应的发动机转速，使预测目标挡位对应的发动机转速在发动机安全转速范围内。

优选的是，

对预测目标挡位进行安全检查：

在第二工况时，i_B＝i_A-1；

在第三工况时，i_B＝i_A-Δ₁；

在第五工况时，i_B＝i_A+1；和/或

在第七工况时，i_B＝i_A-Δ₁。

优选的是，所述步骤2包括：

选择第一道路片段和第二道路片段作为预测视距，在预测视距进行道路信息提取，并用固定周期内的车辆行驶距离表征预测视距，计算公式为：

S_P＝u(t)·T

其中，S_p为预测视距，u(t)为当前车速，T为预测周期。

优选的是，所述步骤3包括：

计算预测视距内的驱动力和行驶阻力，并对加速度、车速、需求扭矩和道路片段长度进行预测：

预测加速度：

预测车速：

预测需求扭矩：T_dem＝min{T_{res_total},T_emax}

道路片段长度为：

一种基于车载导航系统的自动变速器换挡点预测控制系统，包括：

输入信号处理模块，其分别与TCU和ECU连接，用于采集整车参数和导航系统信息；

车辆状态预测模块，其与所述输入信号处理模块连接，用于预测车辆未来状态；

换挡模式选择模块，其分别与所述车辆状态预测模块和所述TCU连接，用于换挡模式划分和换挡方法制定；

安全监测模块，其与所述换挡模式选择模块连接，用于监测预测换挡点发动机的运行状态，并将监测信息传递给所述TCU；

其中，所述TCU和所述ECU相互电连，所述TCU将接收到的换挡方法传递给变速器，由变速器进行挡位切换。

本发明所述的有益效果：

(1)换挡点的选择直接影响整车动力性和燃油经济性，但由于发动机及整车动态工况复杂多变，实现汽车动力性和燃油经济性之间的实时最佳解耦是自动变速器智能挡位决策面临的一个主要难题。本专利提出了自动变速器换挡点预测控制方法，可在保证动力性、驾驶操纵性和安全性的前提下，实现换挡点的滚动优化，其更加适应整车的动态特性，实现动力性、经济性的最佳匹配。

(2)换挡点预测控制器独立于传统车ECU和TCU，新增加的控制器通过CAN网络与其他控制器通讯，可获取必要的传感器信息，最终实现对自动变速器换挡点的预测控制。该方案一方面减少了对传统车动力传动系统控制软件的更改，降低了工作量，为方案的工程应用提供了便利，另一方面可降低TCU和ECU的工作负荷，提高整个动力传统系统运行效率。

(3)本专利中采用固定预测周期内的车辆行驶距离表征预测视距，每个道路片段长度定义为一个预测视距，为保证信息的连续性及预测的可靠性，综合考虑控制器计算量和计算速度两方面，选择前方两个连续的道路片段进行预测。

(4)依据当前挡位信息和前方连续两个道路片段终点预测目标挡位的特征，以升挡、降挡以及升/降挡数量为关键参数，将车辆行驶工况划分为7类，同时针对不同预测周期内车辆工况分别制定了最佳换挡方法。

(5)针对不同工况制定最佳换挡方法，换挡方法的计算过程没有复杂的计算和优化算法，仅仅包含简单的逻辑判断和参数计算，降低了在线计算量，在保证性能的前提下实现了计算过程的简化，为该方案在实际工程中应用提供了基础。

附图说明

图1为本发明所述的基于车载导航系统的自动变速器换挡点预测控制装置组成示意图。

图2为本发明所述的基于车载导航系统的自动变速器换挡点预测控制方法流程图。

图3为本发明所述的车辆前方道路片段划分示意图。

图4为本发明所述的前方道路片段终点目标挡位预测示意图。

图5为本发明所述的基于预测车辆状态信息工况划分原理图。

图6为本发明所述的不同工况下自动变速器最佳挡位方法流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-6所示，本发明提供一种基于车载导航系统的自动变速器换挡点预测控制方法，包括如下步骤：

步骤1、确定当前车辆结构参数、状态参数以及动力传系统参数，

当前车辆结构参数包括整车质量、滚动阻力系数、空气阻力系数、驱动轮半径；当前车辆状态参数包括：当前车速、当前加速度；当前传动系统参数包括：当前挡位、发动机最大、最小扭矩特性曲线、传动系统效率、变速箱各挡位速比、主减速比等；

步骤2、提取前方道路特征参数，包括弯路或坡路的长度、当前弧段的曲率半径、坡路的倾斜角度等；考虑到前方道路信息的复杂性，根据导航系统提供的定位信息和道路信息，选取固定预测视距进行道路信息提取，预测视距可用时间或者距离量化，

作为一种优选，本发明采用固定周期内的车辆行驶距离表征预测视距，

计算公式为：S_P＝u(t)·T

式中，S_P为预测视距，u(t)为当前车速，单位为m/s,T为预测周期，单位为S,在本发明中，作为一种优选，选取T＝1s。

根据预测视距进行道路片段划分，每个道路片段长度为一个预测视距，道路片段划分示意图如图3所示，为保证信息的连续性及预测的可靠性，综合考虑计算量和计算速度的权衡，选择前方两个连续的道路片段进行预测；

作为一种优选，在本发明中，选取两个连续的道路片段为：道路片段1和道路片段2；

步骤3、基于前方道路信息预测车辆未来状态，

首先根据驱动力和各行驶阻力计算公式，计算预测视距内的驱动力和行驶阻力。

纵向驱动力：

滚动阻力：F_f＝mgfcos(θ(t))

空气阻力：

坡道阻力：F_i＝mgsin(θ(t))

加速阻力：

其中，T_tq为发动机输出扭矩，单位为Nm；i_g变速器当前挡位速比；i₀主减速器速比；η_T动力传动系统效率；r驱动力滚动半径，单位为mm；m为整车质量,单位为kg；g为重力加速度；f为滚动阻力系数；θ(t)为道路纵向坡度角；C_D为空气阻力系数；A为迎风面积，单位为m²；ρ为空气密度，单位为，取ρ＝1.2258N·s²·m^-4；u_r(t)为相对速度，在无风时即汽车的行驶速度，单位为m/s；δ为旋转质量转换系数；u(t)为汽车纵向行驶速度，单位为m/s。

然后在无风条件下，根据汽车驱动力-行驶阻力平衡方程，对加速度、车速、需扭矩和道路片段长度进行预测：

汽车驱动力-行驶阻力平衡方程：F_t＝F_f+F_i+F_w+F_j

加速度预测：

车速预测：

需求扭矩预测：T_dem＝min{T_{res_total},T_emax}

道路片段长度计算：

其中，u₀为预测起始点车速，单位为m/s；Δt为选择的最小计算时间间隔，单位为S；T_{res_total}为车辆行驶外界阻力之和，包括加速阻力、坡道阻力、滚动阻力和空气阻力等；T_emax为发动机所能提供的最大扭矩；T为预测周期，单位为S。

在本发明中，Δt与控制器信号采用频率有关，作为一种优选，选择Δt为0.01s。

道路片段终点目标挡位预测流程如图4所示，首先根据车载导航获取到道路片段信息，预测车辆预测视距内的车速、加速度及需求扭矩等信息，然后基于发动机万有特性数据，选择满足需求扭矩和需求转速的自动变速器挡位，并计算对应挡位下的燃油消耗率。最终选择燃油消耗率最低的挡位作为预测目标挡位。计算当前挡位和预测目标挡位差值作为下一步工况划分依据，计算公式如下：

Δ＝i_A-i_B

其中i_A为道路片段起点挡位，即当前挡位，i_B为道路片段终点挡位，即预测目标挡位，并且当Δ＞0时，为降挡，当Δ＜0时，为升档。

步骤4、进行工况划分，

不同工况对应不同常数变量Flag，具体划分规则如下：

①若道路片段1起点(A)和终点(B)挡位一致，即Δ＝0，且道路片段2终点(C)升挡或者降挡，则Flag＝1。

②若道路片段1终点(B)相对起点(A)降低一个挡位，即Δ＝1，且道路片段2起点(B)与终点(C)挡位一致，则Flag＝2。

③若道路片段1降挡即i_A＞i_B，且1≤Δ≤3，道路片段2升挡或降挡，且当Δ＝1时，A、B、C三点挡位不一致，则Flag＝3。

④若道路片段1终点(B)相对起点(A)降低一个挡位，即Δ＝1，且道路片段1起点(A)挡位与道路片段2终点(C)挡位一致，则Flag＝4。

⑤若道路片段1终点(B)相对起点(A)升高一个挡位，即Δ＝-1，且道路片段2起点(B)与终点(C)挡位一致，则Flag＝5。

⑥若道路片段1终点(B)相对起点(A)升高一个挡位，即Δ＝-1，道路片段1起点(A)与道路片段2终点(C)挡位一致，则Flag＝6。

⑦若道路片段1升挡，i_B＞i_A且-3≤Δ≤-1，道路片段2终点(C)升挡或者降挡，且当Δ＝-1时，A、B、C三点挡位不一致。Flag＝7，

步骤5、不同工况下最佳换挡控制方法设计如图6所示，

①如果Flag＝1，道路片段1范围内根据TCU中原换挡map进行挡位决策。到达道路片段1终点(B)时重复第四步骤，基于车载导航系统提供的道路信息进行车辆状态预测，重新计算预测目标挡位并更新Flag值。

②如果Flag＝2，计算B点预测目标挡位对应发动机转速是否在发动机安全转速范围内，若满足根据预测目标挡位进行挡位决策，即i_B＝i_A+1；若不满足，则目标挡位等于当前挡位，即i_B＝i_A。

③如果Flag＝3，计算B点预测目标挡位对应发动机转速是否在发动机安全转速范围内，若满足根据预测目标挡位进行挡位决策，即i_B＝i_A-Δ；若不满足，则计算i_B＝i_A-Δ+1时对应发动机转速是否在发动机安全转速范围内，若满足则i_B＝i_A-Δ+1；如此迭代计算，直至获得的B点目标挡位能保证发动机转速运行在发动机安全转速范围内，则满足条件的目标挡位为最终挡位决策结果，终止条件为i_B＝i_A。

④如果Flag＝4，考虑到i_A＝i_C，为解决换挡频繁问题，B点对应的目标挡位等于当前挡位，即i_B＝i_A。

⑤如果Flag＝5，计算B点预测目标挡位对应发动机转速是否在发动机安全转速范围内，若满足根据预测目标挡位进行挡位决策，即i_B＝i_A+1；若不满足，则目标挡位等于当前挡位，即i_B＝i_A。

⑥如果Flag＝6，考虑到i_A＝i_C，为解决换挡频繁问题，B点对应的目标挡位等于当前挡位，即i_B＝i_A。

⑦如果Flag＝7，计算B点预测目标挡位对应发动机转速是否在发动机安全转速范围内，若满足根据预测目标挡位进行挡位决策，即i_B＝i_A-Δ；若不满足，则计算i_B＝i_A-Δ-1时对应发动机转速是否在发动机安全转速范围内，若满足则i_B＝i_A-Δ-1；如此迭代计算，直至获得的B点目标挡位能保证发动机转速运行在发动机安全转速范围内，则满足条件的目标挡位为最终挡位决策结果，终止条件为i_B＝i_A。

步骤6，基于上一步的计算结果，换挡点预测控制器将每个预测周期内的预测结果经CAN总线传输到TCU，由TCU控制变速器进行挡位切换。

本发明还提供一种基于车载导航系统的自动变速器换挡点预测控制装置，包括：

在传统动力传动系统的基础上，增加一个换挡点预测控制器。该方法可以通过车载导航系统获取道路参数信息和特征信息,实现车辆行驶前方可能出现的道路情况预测，最终实现自动变速器换挡点预测控制，解决自动变速器应用过程中普遍存在的频繁换挡、意外换挡及换挡循环等问题。该换挡点预测控制器主要由四个部分组成，包括输入信号处理、车辆状态预测、换挡模式选择和安全监测模块。

输入信号处理模块主要功能包括：ECU信息解析，车载导航系统信号采集、标度转换及失效识别与处理。

车辆状态预测模块主要功能是基于车辆当前状态及前方道路信息完成预测周期内道路片段终点的车速、加速度以及挡位等信息预测。

换挡模式选择模块主要功能是根据车辆预测状态进行换挡模式划分，参考TCU中基本换挡map，针对不同的换挡模式制定最佳换挡方法。

安全监测模块主要功能是在预测换挡点估计发动机的运行状态是否在安全界限内，如发动机转速要求在最低转速和最大转速范围内。

与传统自动变速器挡位控制系统相比，基于车载导航信息的预测换挡系统将车辆当前信息与前方道路信息相融合确定预测周期内车辆的运行状态，在保证安全和驾驶操作性的前提下确定最佳挡位,使汽车在连续坡道行驶时将不必要的升挡、降挡和施加制动操纵减到最少。该预测换挡控制系统可提高汽车行驶时的燃油经济性、行驶安全性和乘坐舒适性,能够有效解决连续坡道工况下频繁换挡、意外换挡及换挡循环等问题，同时也能延长离合器和制动器的使用寿命。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种基于车载导航系统的自动变速器换挡点预测控制方法，其特征在于，包括：

步骤1、确定当前车辆结构参数、状态参数以及动力传动系统参数；

步骤2、提取前方道路特征参数；

步骤3、基于所述特征参数预测车辆未来状态；

步骤4、根据所述车辆未来状态进行工况划分，选择满足需求扭矩和发动机需求转速的变速器挡位，并计算该挡位对应的燃油消耗率，将燃油消耗率最低的挡位作为预测目标挡位，并计算当前挡位和预测目标挡位变化差值，进行工况划分；

步骤5、针对不同工况制定最佳换挡方法。

2.根据权利要求1所述的基于车载导航系统的自动变速器换挡点预测控制方法，其特征在于，所述步骤4包括：

选择第一道路片段和第二道路片段作为预测视距，

在第一道路片段行驶时，i_A为当前挡位，i_B为预测目标挡位，挡位变化差值Δ₁＝i_A-i_B，并且当Δ₁＞0时，为降挡；当Δ₁＜0时，为升档；当Δ₁＝0，挡位不发生变化；

在第二道路片段行驶时，i_B为当前挡位，i_C为预测目标挡位，挡位变化差值Δ₂＝i_B-i_C，并且当Δ₂＞0时，为降挡，Δ₂＜0时为升档，当Δ₂＝0时，挡位不发生变化；

不同工况的划分规则为：

当Δ₁＝0，且Δ₂≠0时，为第一工况；

当Δ₁＝1，且Δ₂＝0时，为第二工况；

当i_A＞i_B并且1≤Δ₁≤3，同时Δ₂≠0，其中Δ₁＝1时，i_A≠i_B≠i_C，为第三工况；

当Δ₁＝1且i_A＝i_C时，为第四工况；

当Δ₁＝-1，且Δ₂＝0时，为第五工况；

当Δ₁＝-1，且i_A＝i_C时，为第六工况；

当i_B＞i_A并且-3≤Δ₁≤-1，同时Δ₂≠0，其中Δ₁＝-1时，i_A≠i_B≠i_C，为第七工况。

3.根据权利要求2所述的基于车载导航系统的自动变速器换挡点预测控制方法，其特征在于，所述步骤5包括：

在第一工况时，在所述第一道路片段中确定换挡点，到达第二点时重新划分工况并制定换挡方法；

在第二工况时，i_B＝i_A-1；

在第三工况时，i_B＝i_A-Δ₁；

在第四工况时，i_B＝i_A；

在第五工况时，i_B＝i_A+1；

在第六工况时，i_B＝i_A；

在第七工况时，i_B＝i_A-Δ₁。

4.根据权利要求3所述的基于车载导航系统的自动变速器换挡点预测控制方法，其特征在于，还包括：

对预测目标挡位进行安全检查：

当预测目标挡位对应发动机转速不在发动机安全转速范围内时，

计算预测目标挡位增加1挡时对应的发动机转速，使预测目标挡位对应的发动机转速在发动机安全转速范围内；和/或

计算预测目标挡位减少1挡时对应的发动机转速，使预测目标挡位对应的发动机转速在发动机安全转速范围内。

5.根据权利要求4所述的基于车载导航系统的自动变速器换挡点预测控制方法，其特征在于，

对预测目标挡位进行安全检查：

在第二工况时，i_B＝i_A-1；

在第三工况时，i_B＝i_A-Δ₁；

在第五工况时，i_B＝i_A+1；和/或

在第七工况时，i_B＝i_A-Δ₁。

6.根据权利要求1或5所述的基于车载导航系统的自动变速器换挡点预测控制方法，其特征在于，所述步骤2包括：

选择第一道路片段和第二道路片段作为预测视距，在预测视距进行道路信息提取，并用固定周期内的车辆行驶距离表征预测视距，计算公式为：

S_P＝u(t)·T

其中，S_p为预测视距，u(t)为当前车速，T为预测周期。

7.根据权利要求6所述的基于车载导航系统的自动变速器换挡点预测控制方法，其特征在于，所述步骤3包括：

计算预测视距内的驱动力和行驶阻力，并对加速度、车速、需求扭矩和道路片段长度进行预测：

预测加速度：

预测车速：

预测需求扭矩：T_dem＝min{T_{res_total},T_emax}

道路片段长度为：

8.一种基于车载导航系统的自动变速器换挡点预测控制系统，其特征在于，包括：

输入信号处理模块，其分别与TCU和ECU连接，用于采集整车参数和导航系统信息；

车辆状态预测模块，其与所述输入信号处理模块连接，用于预测车辆未来状态；

换挡模式选择模块，其分别与所述车辆状态预测模块和所述TCU连接，用于换挡模式划分和换挡方法制定；

安全监测模块，其与所述换挡模式选择模块连接，用于监测预测换挡点发动机的运行状态，并将监测信息传递给所述TCU；

其中，所述TCU和所述ECU相互电连，所述TCU将接收到的换挡方法传递给变速器，由变速器进行挡位切换。