CN108790941B - 分布式驱动电动汽车的实时同步网络化控制装置及方法 - Google Patents

分布式驱动电动汽车的实时同步网络化控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式驱动电动汽车的实时同步网络化控制装置及方法,所述系统包括车辆的多个传感器节点、车辆控制器和车辆的多个执行器节点；所述车辆控制器包括接收模块、控制器模块、时间触发器、调度表存储模块、调度器模块和发送模块；接收模块的输入端通过CAN协议网络与车辆的各个传感器节点连接，输出端与控制器模块连接；调度器模块的输入端分别与调度表存储模块和时间触发器连接，输出端分别与控制器模块和发送模块连接；所述控制器模块的输出端与发送模块连接，发送模块通过CAN协议网络与车辆的各执行器节点连接。本发明有效解决了CAN协议车载网络诱导的信息不同步问题，并降低了网络诱导延时，提高了车轮驱动控制的同步性和实时性。

Description

分布式驱动电动汽车的实时同步网络化控制装置及方法
技术领域
本发明涉及分布式驱动电动汽车的控制装置，具体为分布式驱动电动汽车的实时同步网络化控制装置及方法。
背景技术
分布式驱动电动汽车是指各驱动车轮分别由电机独立驱动的新构型车辆；与传统的车辆机械及液压系统相比，电机具有较快的力矩响应能力和较高的力矩控制精度；分布式驱动电动汽车具有各驱动车轮转矩灵活可控的优势，从而在车辆动力学控制及节能方面拥有了很大潜力。
当前分布式驱动电动汽车的优势及开发已经引起了人们的重视，尤其在低地板客车、工程车辆以及特种车辆领域具有很大需求；对于采用轮毂电机分布式驱动的汽车，通过合理控制各电机的力矩输出，可以实现车辆驱动效率的优化、动力性能的提升、轮胎防滑转以及操纵性、稳定性的改善等，从而可以提高车辆的综合性能以及性价比，已成为新的研究热点。
相比传统汽车，分布式驱动电动汽车的核心任务是实现车轮力矩的合理分配。为了实现车轮力矩的合理分配，工程中需要采集大量车轮及车辆状态信息，通过合理的控制和力矩分配策略产生力矩命令，并将力矩命令分发到各驱动电机，由各驱动电机实现力矩命令的实施。为了处理各电子单元之间大量状态与命令信息的实时交换，CAN协议车载网络通常被用作通信手段。CAN协议车载网络的使用一方面为系统集成控制提供了便捷的数据交互能力，但也会引入新的问题，诸如网络诱导延时、信息不同步问题等。这些问题不可避免地会降低车轮驱动控制的实时性和同步性，影响车辆的动力性及操纵稳定性；CAN协议网络诱导延时将导致4轮独立驱动电动汽车操纵控制性能下降、甚至失稳。针对网络诱导延时问题，通过鲁棒控制的方法，一定程度上可以提高系统的稳定性，但由于网络诱导的信息不同步问题，无法满足分布式驱动电动汽车的实际需要。就目前而言，现有的CAN协议车载网络大多聚焦于解决CAN协议网络诱导延时与带宽利用率问题，并未考虑网络诱导信息不同步问题，具有一定的局限性，无法满足分布式驱动电动汽车控制的实际应用需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种分布式驱动电动汽车的实时同步网络化控制装置及方法，有效解决了CAN协议车载网络诱导的信息不同步问题，同时有效降低了网络诱导延时，提高了车轮驱动控制的同步性和实时性，为确保分布式驱动车辆的操纵性和安全提供了技术支撑。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：分布式驱动电动汽车的实时同步网络化控制装置，包括车辆的多个传感器节点、车辆控制器和车辆的多个执行器节点；所述车辆控制器包括接收模块、控制器模块、时间触发器、调度表存储模块、调度器模块和发送模块；
所述接收模块的输入端通过CAN协议网络与车辆的各个传感器节点连接，并接收驾驶员指令，接收模块的输出端与控制器模块连接；所述调度器模块的输入端分别与调度表存储模块和时间触发器连接，用于在时间触发器的管理下，根据调度表存储模块中保存的调度表，计算得到调度命令，调度器模块的输出端分别与控制器模块和发送模块连接；所述控制器模块，在调度命令下，根据来自接收模块的驾驶员指令信息和车辆各个传感器节点采集到的车辆/车轮状态信息，计算产生力矩控制命令；所述控制器模块的输出端与发送模块连接，发送模块通过CAN协议网络与车辆的各执行器节点连接。
进一步地，所述时间触发器通过产生周期性触发信号的方式对调度器模块进行管理。
所述的分布式驱动电动汽车的实时同步网络化控制装置的控制方法，包括以下步骤：
S1.车辆的多个传感器节点实时采集车辆/车轮状态信息，通过CAN协议网络传输给接收模块；
S2.接收模块将实时的车辆/车轮状态信息与驾驶员指令一起传输给控制器模块；
S3.在时间触发器的信号下，调度器模块根据调度表计算调度命令，传输给控制器模块和发送模块；
S4.在调度器模块的调度命令下，控制器模块利用驾驶员指令信息和车辆各个传感器节点采集到的车辆/车轮状态信息，计算产生力矩控制命令，传输给发送模块；
S5.在调度器模块的调度命令下，发送模块通过CAN协议网络将力矩控制命令实时同步传输给车辆的各个执行器节点，控制电动汽车动作。
进一步地，所述调度表包括多个基本周期，所述基本周期负责管理信息的发送。
进一步地，所述基本周期长度Tbase-cycle应满足如下调度不等式：
Tbase-cycle＞max[∑(Tmessage)]；
其中，Tmessage表示指基本周期内的信息传输时间，∑()表示指求和运算，max[]表示求取最大值运算。
本发明的有益效果是：本发明采用基于调度表的主动调度模式，可以有效解决网络诱导的状态信息发送不同步问题，有效改进车轮驱动控制的同步性；通过采用调度表、基本周期和调度不等式判据，可以有效抑制网络诱导的信息延时问题，有效保证车轮驱动控制的实时性。
附图说明
图1为本发明的装置原理框图；
图2为本发明的方法流程图；
图3实施例中分布式驱动电动汽车力矩分配执行解析图；
图4为依据本发明所提出的调度策略所设计的调度表实例；
图5为采用传统控制方案的网络化控制执行效果图；
图6为采用本发明所提控制方案的网络化控制执行效果图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，分布式驱动电动汽车的实时同步网络化控制装置，包括车辆的多个传感器节点、车辆控制器和车辆的多个执行器节点；所述车辆控制器包括接收模块、控制器模块、时间触发器、调度表存储模块、调度器模块和发送模块；
所述接收模块的输入端通过CAN协议网络与车辆的各个传感器节点连接，并接收驾驶员指令，接收模块的输出端与控制器模块连接；所述调度器模块的输入端分别与调度表存储模块和时间触发器连接，用于在时间触发器的管理下，根据调度表存储模块中保存的调度表，计算得到调度命令，调度器模块的输出端分别与控制器模块和发送模块连接；所述控制器模块，在调度命令下，根据来自接收模块的驾驶员指令信息和车辆各个传感器节点采集到的车辆/车轮状态信息，计算产生力矩控制命令；所述控制器模块的输出端与发送模块连接，发送模块通过CAN协议网络与车辆的各执行器节点连接。
其中，所述时间触发器通过产生周期性触发信号的方式对调度器模块进行管理。
如图2所示，所述的分布式驱动电动汽车的实时同步网络化控制装置的控制方法，包括以下步骤：
S1.车辆的多个传感器节点实时采集车辆/车轮状态信息，通过CAN协议网络传输给接收模块；
S2.接收模块将实时的车辆/车轮状态信息与驾驶员指令一起传输给控制器模块；
S3.在时间触发器的信号下，调度器模块根据调度表计算调度命令，传输给控制器模块和发送模块；
S4.在调度器模块的调度命令下，控制器模块利用驾驶员指令信息和车辆各个传感器节点采集到的车辆/车轮状态信息，计算产生力矩控制命令，传输给发送模块；
S5.在调度器模块的调度命令下，发送模块通过CAN协议网络将力矩控制命令实时同步传输给车辆的各个执行器节点，控制电动汽车动作。
所述调度表包括多个基本周期，所述基本周期负责管理信息的发送。
所述基本周期长度Tbase-cycle应满足如下调度不等式：
Tbase-cycle＞max[∑(Tmessage)]；
其中，Tmessage表示指基本周期内的信息传输时间，∑()表示指求和运算，max[]表示求取最大值运算。
在本申请的实施例中，以四轮分布式驱动电动汽车网络化控制系统结构为例，该电动汽车的控制系统包括4个电机传感器节点、4个电机执行器节点(注：实际应用中，电机传感器节点和电机执行器节点可集成在电机控制器节点总成中)、车辆控制器、CAN网络以及直连传感器等。车辆控制器通过CAN网络采集4个电机传感器节点的转速信号及驾驶员指令信息，并根据获得的车辆/车轮状态信息，依据车辆动力学控制要求及相应的控制策略计算产生力矩控制命令，再通过CAN网络将计算所得的力矩控制命令发送给四个电机执行器节点。
图3为实施例分布式驱动电动汽车力矩分配执行解析图，四轮分布式驱动电动汽车执行力矩分配的过程为：首先，四个电机转速传感器采集当前电机的转速信号，并通过CAN网络发送给车辆控制器，车辆控制器的接收模块接收到四个电机转速信号以及驾驶员指令之后，依据车辆动力学控制要求及相应的力矩分配策略计算产生力矩控制命令，再通过CAN网络将四个电机的转矩命令发送给电机控制器执行转矩命令，实现的车辆的驱动控制。为了完成上述驱动控制过程并保证车辆行驶稳定性，须保证以下两点：第一保证由电机转速到转矩命令实施反馈控制的实时性，第二必须保证四个电机执行转矩命令的同步性。因此，网络诱导延时和不同步问题必须得到有效抑制，才能保证车轮驱动控制的实时性与同步性。
按照本发明的技术方案，控制器模块在处理力矩控制命令时接受调度器模块产生的调度命令的管理。同时其他传感器和执行器节点在执行任务时接受调度器模块发送的调度命令管理，通过控制与调度协同效应，可保证状态信息和命令信息传输的实时性与同步性，抑制了网络诱导不同步和延时，进而有效保证车轮驱动控制的实时性与同步性；工程中车辆控制器可以采用内部集成CAN模块的16位及以上微控制器芯片实现。
如图4所示，为依据本发明所提出的调度策略对本实例设计的调度表，调度表由基本周期组成。在本实例中，设置CAN总线波特率为250kbps，系统采样周期为10ms，基本周期设置为5ms，每个采样周期包含两个基本周期，其中在第一个基本周期内完成采样信息传输的管理，第二个基本周期内完成命令信息传输的管理。
根据CAN2.0B规定的消息帧格式，扩展帧长度计算公式为：可知扩展帧长度最长可为160位。在本例中，一个基本周期要完成发送4条转速信号数据帧和1条调度命令数据帧，发送5条数据帧所需时间为：
即，本实例中基本周期满足调度不等式Tbase-cycle＞max[∑(Tmessage)]。
图5～6为本发明实施例中的网络化控制执行效果解析图，其中图5为采用传统控制方案(未采用调度器)的网络化控制执行效果图，图6为采用本发明所提控制方案的网络化控制执行效果图。对比可知，本发明所提方案有效地解决了网络信息发送不同步问题，同时将网络诱导延时减少至一个采样周期内。而传统方案存在较大的不同步性和较大的时变延时。综上，所提方案在确保车轮驱动控制的实时性和同步性方面具有明显的技术优势，可为分布式驱动电动汽车的实时同步控制提供技术支撑。
需要说明的是，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上所做的局部性改动、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.分布式驱动电动汽车的实时同步网络化控制装置，其特征在于：包括车辆的多个传感器节点、车辆控制器和车辆的多个执行器节点；所述车辆控制器包括接收模块、控制器模块、时间触发器、调度表存储模块、调度器模块和发送模块；
所述接收模块的输入端通过CAN协议网络与车辆的各个传感器节点连接，并接收驾驶员指令，接收模块的输出端与控制器模块连接；所述调度器模块的输入端分别与调度表存储模块和时间触发器连接，用于在时间触发器的管理下，根据调度表存储模块中保存的调度表，计算得到调度命令，调度器模块的输出端分别与控制器模块和发送模块连接；所述控制器模块，在调度命令下，根据来自接收模块的驾驶员指令信息和车辆各个传感器节点采集到的车辆/车轮状态信息，计算产生力矩控制命令；所述控制器模块的输出端与发送模块连接，发送模块通过CAN协议网络与车辆的各执行器节点连接。
2.根据权利要求1所述的分布式驱动电动汽车的实时同步网络化控制装置，其特征在于：所述时间触发器通过产生周期性触发信号的方式对调度器模块进行管理。
3.如权利要求1或2所述的分布式驱动电动汽车的实时同步网络化控制装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.车辆的多个传感器节点实时采集车辆/车轮状态信息，通过CAN协议网络传输给接收模块；
S2.接收模块将实时的车辆/车轮状态信息与驾驶员指令一起传输给控制器模块；
S3.在时间触发器的信号下，调度器模块根据调度表计算调度命令，传输给控制器模块和发送模块；
S4.在调度器模块的调度命令下，控制器模块利用驾驶员指令信息和车辆各个传感器节点采集到的车辆/车轮状态信息，计算产生力矩控制命令，传输给发送模块；
S5.在调度器模块的调度命令下，发送模块通过CAN协议网络将力矩控制命令实时同步传输给车辆的各个执行器节点，控制电动汽车动作。
4.如权利要求3所述的分布式驱动电动汽车的实时同步网络化控制装置的控制方法，其特征在于：所述调度表包括多个基本周期，所述基本周期负责管理信息的发送。
5.如权利要求4所述的分布式驱动电动汽车的实时同步网络化控制装置的控制方法，其特征在于：所述基本周期长度Tbase-cycle应满足如下调度不等式：
Tbase-cycle＞max[∑(Tmessage)]；
其中，Tmessage表示基本周期内的信息传输时间，∑()表示求和运算，max[]表示求取最大值运算。
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