CN109080500A - 一种分布式驱动越野车辆的自适应驻车与辅助起步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分布式驱动越野车辆的自适应驻车与辅助起步控制方法，当判断驾驶员有缓慢驻车意图时，以电机实时转速与期望转速的误差作为控制目标，通过PID控制器调节轮毂电机转速指令；根据车辆行驶状态量测装置反馈的信息判断车速为0，则将各个轮毂电机的转速指令维持为0，实现自动驻坡；当判断驾驶员有起步加速行驶意图时，利用二阶滑模控制器计算得到整车控制器的转矩指令；计算各个车轮垂直载荷在总垂直载荷中所占的比例，对整车控制器的转矩指令按该比例分配给对应车轮的轮毂电机。本发明可运用于装备轮毂电机分布式驱动系统、爬坡性能要求较高的越野车辆，实现自适应缓速驻车和辅助起步的功能。

Description

一种分布式驱动越野车辆的自适应驻车与辅助起步控制方法

技术领域

本发明属于轮毂电机分布式驱动汽车控制技术领域，具体涉及一种分布式驱动越野车辆的自适应驻车与辅助起步控制方法。

背景技术

现有的关于电动汽车的自适应驻车与辅助起步控制方法的研究方向主要集中在坡道起步功能的实现上，比如Feedback Closed-loop Starting Controller(基于反馈闭环的起步控制器)、基于电机堵转特性的坡道起步控制、基于轮毂电机驱动系统的防溜坡控制器等等。上述方法利用了电驱动系统响应精确、快速的优点，也考虑了防止溜坡等危险现象的发生，但在驾驶意图识别、自适应驻车、驾驶员操纵方法的简化、车辆加速度波动、驱动电机转速控制等方面关注较少。采用轮毂电机的分布式驱动车辆与传统集中式驱动车辆相比，可以对轮毂电机的转速、力矩进行精确控制，由此可以代替驾驶员对车辆速度、加速度进行更加精确的控制。因此，轮毂电机分布式驱动系统在自适应驻车、辅助起步等方面有巨大的优化空间。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种分布式驱动越野车辆的自适应驻车与辅助起步控制方法，能够有效识别驾驶员的多种驾驶意图，实现自适应缓速驻车和辅助起步的功能。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种分布式驱动越野车辆的自适应驻车与辅助起步控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、驾驶员意图判断：以电子踏板开度信号、换挡面板信号、实时车速作为输入信号，对驾驶员的驾驶意图进行判断；

S2、自适应驻车控制策略：

2.1、当判断驾驶员有缓慢驻车意图时，以电机实时转速与期望转速的误差作为控制目标，通过PID控制器调节整车控制器发出轮毂电机转速指令；

2.2、根据车辆行驶状态量测装置反馈的信息判断车速为0，则将各个轮毂电机的转速指令维持为0，在驾驶员不操纵行车制动、驻车制动装备的前提下实现自动驻坡；同时根据道路坡度、道路附着条件、轮毂电机峰值力矩，对自适应驻车控制策略适用的道路坡度范围进行计算；

S3、辅助起步控制策略：

3.1、当判断驾驶员有起步加速行驶意图时，将道路坡度θ、车厢侧倾角φ、轮毂电机实时反馈力矩、实时车速作为反馈信号，利用二阶滑模控制器计算得到整车控制器的转矩指令；

3.2、根据车身姿态量测装置反馈的道路坡度θ和车厢侧倾角φ计算各个车轮垂直载荷在总垂直载荷中所占的比例，对3.1计算得到的整车控制器的转矩指令按该比例分配给对应车轮的轮毂电机，坡道起步过程中，驾驶员只操纵加速踏板即可实现防溜坡起步、控制车辆的加速度。

按上述方法，S1具体为：

当驾驶员选择越野模式行驶，整车控制器启动本方法；

当实时车速V≤V_min且电子加速踏板实时开度α_acc＞0，则判断驾驶员有起步加速行驶意图；其中V_min是最低稳定行驶车速，为预设值；

当V≤V_min、α_acc＝0且电子制动踏板实时开度α_brk＝0，则判断驾驶员有缓慢驻车意图。

按上述方法，2.1具体为：

V_d＝V_0P-a_dt

式中V_d表示自适应驻车控制策略工作过程中的期望车速；V_0P表示自适应驻车控制策略介入工作时刻的初始车速；a_d表示自适应驻车控制策略工作过程中车辆的期望加速度；R_d表示车轮的滚动半径；W_d表示电机的期望转速；W_r表示轮毂电机系统反馈的电机实时转速；e表示电机实时转速与期望转速的误差；t为时间；

PID控制器将e作为控制目标，以附加转速指令ΔW_c作为输出变量：

式中k_P表示PID控制器的比例环节特征系数；k_I表示PID控制器的积分环节特征系数；k_D表示PID控制器的微分环节特征系数；

W_c＝W_d+ΔW_c

式中W_c表示整车控制器发送至轮毂电机系统的轮毂电机转速指令。

按上述方法，2.2中自适应驻车控制策略适用的道路坡度范围满足以下公式：

F_max≥mgfcosθ+mgsinθ

式中F_max表示车辆能够提供的最大驱动/制动力；T_max表示轮毂电机驱动系统的最大驱动/制动力矩；θ表示估计道路坡度；i表示轮端减速器减速比；η表示轮端减速器的传动效率；μ表示路面的附着系数；m为整车质量；g表示重力加速度；f表示滚动阻力系数。

按上述方法，3.1具体为：

选取车速V作为状态向量x；选取自适应驻坡控制策略介入时轮毂电机反馈的总力矩T与车身姿态量测装置反馈的道路坡度信息[T sinθ]^T作为输入向量u；选取整车控制器发出的起步补偿力矩指令ΔT作为附加控制向量；选取轮毂电机实时转速W_r作为量测向量y；状态空间方程如下：

其中，A＝0，Q为过程噪声；R为量测噪声；

控制目标如下：

当时，将车速维持在辅助起步控制介入时的初始值V_0S；当且V≤V_min时，将车辆期望加速度维持在a_d；当V＞V_min时，辅助起步控制自动退出，车辆速度由驾驶员操纵加速踏板进行控制；目标加速度函数、误差函数如下：

为目标加速度，表示状态空间方程计算得到的车辆实际加速度，s为加速度误差；

得到控制目标函数后，设计二阶滑模控制器，实现对ΔT的实时修正：

a和b为特征常数。

按上述方法，3.2具体为：

根据车身姿态量测装置反馈的道路坡度θ和车厢侧倾角φ计算各个车轮垂直载荷在总垂直载荷中所占的比例[Z₁ Z₂ Z₃ Z₄]^T：

其中，h_g为整车质心高度；h_r为车身侧倾中心高度；C_r为悬架系统侧倾阻尼；K_r为悬架系统侧倾角刚度；m为整车质量；g为重力加速度；L为轴距；b为轮距；l_r为后轴中心位置至车辆质心的纵向距离，l_f为前轴中心位置至车辆质心的纵向距离；

根据[Z₁ Z₂ Z₃ Z₄]^T，对3.1计算得到的总力矩T+ΔT进行分配：

本发明的有益效果为：结合实时车速对驾驶员意图进行实时判断以实现轮毂电机驱动系统转速控制与转矩控制的自适应切换；同时，整车控制器根据车身姿态量测装置、实时轮荷估计系统反馈的轮荷转移状态自动调节驱动力矩；下层轮毂电机-轮毂电机控制器系统实时接收并执行上层整车控制器的驱动系统控制信号；本发明可运用于装备轮毂电机分布式驱动系统、爬坡性能要求较高的越野车辆，实现自适应缓速驻车和辅助起步的功能。

附图说明

图1为本发明一实施例的方法流程图。

图2为是自适应驻车实车试验车速、道路坡度量测值变化图。

图3为自适应驻车实车试验车速、加速踏板开度变化图。

图4为辅助起步实车试验车速、道路坡度量测值变化图。

图5为辅助起步实车试验车速、加速踏板开度变化图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明提供一种分布式驱动越野车辆的自适应驻车与辅助起步控制方法，包括以下步骤：

S1、驾驶员意图判断：以电子踏板开度信号、换挡面板信号、实时车速作为输入信号，对驾驶员的驾驶意图进行判断。

在换挡面板信号中，当驾驶员选择越野模式行驶，整车控制器启动本方法。

当实时车速V≤V_min且电子加速踏板实时开度α_acc＞0，则判断驾驶员有起步加速行驶意图；其中V_min是最低稳定行驶车速，为预设值；当V≤V_min、α_acc＝0且电子制动踏板实时开度α_brk＝0，则判断驾驶员有缓慢驻车意图。

具体的，若V＞V_min(V是实时观测得到的车速、V_min是最低稳定行驶车速)，说明驾驶员意图控制车辆以高于最低稳定行驶车速的速度实现多种行车需求(比如定速巡航、跟车行驶)。

若V≤V_min，说明驾驶员基于实际工况与行车需求产生了停车的意图(比如上坡驻车、下坡驻车、短暂驻车)，同时，自适应驻车控制模块根据电子踏板系统对驾驶员意图进行深度判断：

α_acc＝0 (1)，

α_brk＝0 (2)，

式(1)中α_acc表示电子加速踏板的实时开度，若加速踏板的实时开度满足式(1)，则判断驾驶员决定停车。

式(2)中α_brk表示电子制动踏板的实时开度，在驾驶员决定停车的情况下，若制动踏板的实时开度满足式(2)，则判断驾驶员有缓慢驻车的意图，自适应驻车控制策略介入工作；反之，若制动踏板的实时开度不满足式(2)，则判断驾驶员意图主动操纵制动踏板而快速停车，自适应驻车控制策略不介入工作。

S2、自适应驻车控制策略：

2.1、当判断驾驶员有缓慢驻车意图时，以电机实时转速与期望转速的误差作为控制目标，通过PID控制器调节整车控制器发出轮毂电机转速指令，有效减小各个轮毂电机之间的转速差以及车辆减速度的波动。

V_d＝V_0P-a_dt (3)，

式(3)中V_d表示自适应驻车控制策略工作过程中的期望车速(V_d≥0,m/s)；V_0P表示自适应驻车控制策略介入工作时刻的初始车速(V_0P≤V_min,m/s)；a_d表示自适应驻车控制策略工作过程中车辆的期望加速度(a_d≥0,m/s²)；式(4)中R_d表示车轮的滚动半径(m)；W_d表示电机的期望转速。

式(5)中W_r表示轮毂电机系统反馈的电机实时转速(rad/s)；e表示电机实时转速与期望转速的误差。

PID控制器将e作为控制目标，以附加转速指令ΔW_c作为输出变量：

式(6)中k_P表示PID控制器的比例环节特征系数；k_I表示PID控制器的积分环节特征系数；k_D表示PID控制器的微分环节特征系数。

W_c＝W_d+ΔW_c (7)，

式(7)中W_c表示整车控制器发送至轮毂电机系统的转速指令。

2.2、根据车辆行驶状态量测装置反馈的信息判断车速为0，则将各个轮毂电机的转速指令维持为0，在驾驶员不操纵行车制动、驻车制动装备的前提下实现自动驻坡；同时根据道路坡度、道路附着条件、轮毂电机峰值力矩，对自适应驻车控制策略适用的道路坡度范围进行计算。

自适应驻车控制策略适用的道路坡度范围满足以下公式：

F_max≥mgfcosθ+mgsinθ

式中F_max表示车辆能够提供的最大驱动/制动力；T_max表示轮毂电机驱动系统的最大驱动/制动力矩；θ表示估计道路坡度；i表示轮端减速器减速比；η表示轮端减速器的传动效率；μ表示路面的附着系数；m为整车质量；g表示重力加速度；f表示滚动阻力系数。

S3、辅助起步控制策略：

3.1、若加速踏板的实时开度不满足S1中式(1)所述状态，则判断驾驶员有起步加速行驶的意图，辅助起步控制策略介入工作以防止车辆在不同道路上起步出现溜坡、车轮飞转等问题。此时，将道路坡度θ、车厢侧倾角φ、轮毂电机实时反馈力矩、实时车速作为反馈信号，利用二阶滑模控制器计算得到整车控制器的转矩指令。

选取车速V作为状态向量x；选取自适应驻坡控制策略介入时(转速控制)轮毂电机反馈的总力矩T与车身姿态量测装置反馈的道路坡度信息[T sinθ]^T作为输入向量u；选取整车控制器发出的起步补偿力矩指令ΔT作为附加控制向量；选取轮毂电机实时转速W_r作为量测向量y。状态空间方程如下：

其中，A＝0，Q为过程噪声；R为量测噪声。

该控制器的控制目标如下：

当时，将车速维持在辅助起步控制介入时的初始值V_0S；当且V≤V_min时，将车辆期望加速度维持在a_d；当V＞V_min时，辅助起步控制自动退出，车辆速度由驾驶员操纵加速踏板进行控制。目标加速度函数、误差函数如下：

为目标加速度，表示状态空间方程计算得到的车辆实际加速度，s为加速度误差。

得到控制目标函数后，设计二阶滑模控制器，实现对ΔT的实时修正：

a＞0和b＞0均为二阶滑模控制器特征常数；as³为二阶滑模控制器的连续部分，可以保证在外部扰动较大的情况下，控制变量能够实现平稳变化，有效抑制了波动误差；为二阶滑模控制器的非连续部分，可以保证在误差超出合理范围的情况下，通过调整控制变量及时改变误差变化率的正负性，即迅速将误差控制在合理范围内。

3.2、根据车身姿态量测装置反馈的道路坡度θ和车厢侧倾角φ计算各个车轮垂直载荷在总垂直载荷中所占的比例，对3.1计算得到的整车控制器的转矩指令按该比例分配给对应车轮的轮毂电机，防止出现各轮滑转率差异较大的问题，即抑制出现车轮飞转。坡道起步过程中，驾驶员只操纵加速踏板即可实现防溜坡起步、控制车辆的加速度。

根据车身姿态量测装置反馈的道路坡度θ和车厢侧倾角φ计算各个车轮垂直载荷在总垂直载荷中所占的比例[Z₁ Z₂ Z₃ Z₄]^T：

其中，h_g为整车质心高度；h_r为车身侧倾中心高度；C_r为悬架系统侧倾阻尼；K_r为悬架系统侧倾角刚度；m为整车质量；g为重力加速度；L为轴距；b为轮距；l_r为后轴中心位置至车辆质心的纵向距离，l_f为前轴中心位置至车辆质心的纵向距离；

根据[Z₁ Z₂ Z₃ Z₄]^T，对3.1计算得到的总力矩T+ΔT进行分配：

本发明涉及轮荷转移状态计算，车身姿态信息量测装置采用动态倾角传感器，本实施例动态倾角传感器型号为SST810。本发明涉及车速检测装置，传感器设备采用全球定位系统(GPS)。本实施例GPS传感器产品型号为Micro Sat R20。本发明涉及轮毂电机转速检测，具体检测方法是依据电机旋变特征信号对电机实时转速进行计算。本实施例中整车控制器采用32位单片机。

利用实车试验验证了本发明方法的控制效果，选取坡度为16.7％的标准坡道作为试验场地，根据图2、图3可以看出在自适应驻车过程中，加速踏板开度始终为0，当车速高于3km/h时车辆主要依靠坡道阻力进行减速，车速在1.5秒左右的时间从13km/h降至3km/h；自适应驻车控制在车速低于3km/h时介入工作，车速在1.5秒左右的时间从3km/h降至0km/h，并且可以近似为线性变化，在实现自适应缓慢驻车的前提下有效抑制了车辆加速度的波动。因此，本发明可以实现舒适度良好的自适应驻车功能。

根据图4、图5可以看出在辅助起步过程中，当加速踏板开度较小时，车速维持在0km/h，说明轮毂电机驱动系统提供的驱动力在车辆起步初期足以克服坡道阻力，有效防止了溜坡问题的发生；当加速踏板开度达到23％左右时，驾驶员施加的驱动指令已经可以提供额外的加速驱动力，二阶滑模转矩指令控制器实时调整轮毂电机驱动系统的驱动力矩，车速在1秒左右的时间从0km/h升至3km/h，并且可以近似为线性变化，有效控制了坡道起步时车辆加速度的波动。因此，本发明可以有效抑制坡道起步过程中的溜坡问题，并且辅助驾驶员在坡道起步初期将车辆平稳加速至最低稳定行驶车速。本发明的应用显著简化了驾驶员在坡道行驶时的操作方法。

根据上述对于实车试验结果的分析，说明本发明的应用显著简化了驾驶员在坡道行驶时的操作方法。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种分布式驱动越野车辆的自适应驻车与辅助起步控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、驾驶员意图判断：以电子踏板开度信号、换挡面板信号、实时车速作为输入信号，对驾驶员的驾驶意图进行判断；

S2、自适应驻车控制策略：

2.1、当判断驾驶员有缓慢驻车意图时，以电机实时转速与期望转速的误差作为控制目标，通过PID控制器调节整车控制器发出轮毂电机转速指令；

2.2、根据车辆行驶状态量测装置反馈的信息判断车速为0，则将各个轮毂电机的转速指令维持为0，在驾驶员不操纵行车制动、驻车制动装备的前提下实现自动驻坡；同时根据道路坡度、道路附着条件、轮毂电机峰值力矩，对自适应驻车控制策略适用的道路坡度范围进行计算；

S3、辅助起步控制策略：

3.1、当判断驾驶员有起步加速行驶意图时，将道路坡度θ、车厢侧倾角φ、轮毂电机实时反馈力矩、实时车速作为反馈信号，利用二阶滑模控制器计算得到整车控制器的转矩指令；

3.2、根据车身姿态量测装置反馈的道路坡度θ和车厢侧倾角φ计算各个车轮垂直载荷在总垂直载荷中所占的比例，对3.1计算得到的整车控制器的转矩指令按该比例分配给对应车轮的轮毂电机，坡道起步过程中，驾驶员只操纵加速踏板即可实现防溜坡起步、控制车辆的加速度。

2.根据权利要求1所述的分布式驱动越野车辆的自适应驻车与辅助起步控制方法，其特征在于：S1具体为：

当驾驶员选择越野模式行驶，整车控制器启动本方法；

当实时车速V≤V_min且电子加速踏板实时开度α_acc＞0，则判断驾驶员有起步加速行驶意图；其中V_min是最低稳定行驶车速，为预设值；

当V≤V_min、α_acc＝0且电子制动踏板实时开度α_brk＝0，则判断驾驶员有缓慢驻车意图。

3.根据权利要求2所述的分布式驱动越野车辆的自适应驻车与辅助起步控制方法，其特征在于：2.1具体为：

V_d＝V_OP-a_dt

式中V_d表示自适应驻车控制策略工作过程中的期望车速；V_OP表示自适应驻车控制策略介入工作时刻的初始车速；a_d表示自适应驻车控制策略工作过程中车辆的期望加速度；R_d表示车轮的滚动半径；W_d表示电机的期望转速；W_r表示轮毂电机系统反馈的电机实时转速；e表示电机实时转速与期望转速的误差；t为时间；

PID控制器将e作为控制目标，以附加转速指令ΔW_c作为输出变量：

式中k_P表示PID控制器的比例环节特征系数；k_I表示PID控制器的积分环节特征系数；k_D表示PID控制器的微分环节特征系数；

W_c＝W_d+ΔW_c

式中W_c表示整车控制器发送至轮毂电机系统的轮毂电机转速指令。

4.根据权利要求3所述的分布式驱动越野车辆的自适应驻车与辅助起步控制方法，其特征在于：2.2中自适应驻车控制策略适用的道路坡度范围满足以下公式：

F_max≥mgfcosθ+mgsinθ

式中F_max表示车辆能够提供的最大驱动/制动力；T_max表示轮毂电机驱动系统的最大驱动/制动力矩；θ表示估计道路坡度；i表示轮端减速器减速比；η表示轮端减速器的传动效率；μ表示路面的附着系数；m为整车质量；g表示重力加速度；f表示滚动阻力系数。

5.根据权利要求4所述的分布式驱动越野车辆的自适应驻车与辅助起步控制方法，其特征在于：3.1具体为：

选取车速V作为状态向量x；选取自适应驻坡控制策略介入时轮毂电机反馈的总力矩T与车身姿态量测装置反馈的道路坡度信息[T sinθ]^T作为输入向量u；选取整车控制器发出的起步补偿力矩指令ΔT作为附加控制向量；选取轮毂电机实时转速W_r作为量测向量y；状态空间方程如下：

其中，A＝0，Q为过程噪声；R为量测噪声；

控制目标如下：

当时，将车速维持在辅助起步控制介入时的初始值V_Os；当且V≤V_min时，将车辆期望加速度维持在a_d；当V＞V_min时，辅助起步控制自动退出，车辆速度由驾驶员操纵加速踏板进行控制；目标加速度函数、误差函数如下：

为目标加速度，表示状态空间方程计算得到的车辆实际加速度，s为加速度误差；

得到控制目标函数后，设计二阶滑模控制器，实现对ΔT的实时修正：

a和b为特征常数。

6.根据权利要求5所述的分布式驱动越野车辆的自适应驻车与辅助起步控制方法，其特征在于：3.2具体为：

根据车身姿态量测装置反馈的道路坡度θ和车厢侧倾角φ计算各个车轮垂直载荷在总垂直载荷中所占的比例[Z₁ Z₂ Z₃ Z₄]^T：

其中，h_g为整车质心高度；h_r为车身侧倾中心高度；C_r为悬架系统侧倾阻尼；K_r为悬架系统侧倾角刚度；m为整车质量；g为重力加速度；L为轴距；b为轮距；l_r为后轴中心位置至车辆质心的纵向距离，l_f为前轴中心位置至车辆质心的纵向距离；

根据[Z₁ Z₂ Z₃ Z₄]^T，对3.1计算得到的总力矩T+ΔT进行分配：