CN110893853A - 一种基于前方坡度信息的车辆控制方法以及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于前方坡度信息的车辆控制方法以及系统,属于车辆驾驶领域,包括:获取车辆前方的坡道信息,所述坡道信息至少包括坡度θ和坡长度L;确定所述车辆的节能参数;根据所述车辆的节能参数,计算第一阶段加速度a1、第二阶段加速度a2和第三阶段加速度a3,其中,所述第一阶段指车辆入坡前的阶段,所述第二阶段是指车辆入坡后出坡前的阶段,所述第三阶段指车辆出坡后的阶段;当车辆进入第一阶段时,控制车辆以加速度a1行驶距离x1;当车辆进入第二阶段时,控制车辆以加速度a2行驶距离x2,然后保持匀速行驶距离L‑x2;当车辆进入第三阶段时,控制车辆以加速度a3行驶距离x3。本发明能够解决在车辆过坡过程中因缺乏实时准确的行驶参数预测而导致的过坡能耗高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及车辆驾驶领域,具体涉及一种基于前方坡度信息的车辆控制方法以及系统。
背景技术
电子地平线技术是指依靠高精度地图数据和GPS信号,为车辆提供前方道路准确的信息,使得车辆具有预测前方道路状况的能力的一种技术。电子地平线技术能为车辆动力系统或其他电子控制系统提供可预见性的道路信息,帮助车辆实现预见性控制,实现节能效果。坡道是道路的最主要信息,根据前方坡道情况,可以对车辆的动力系统进行相关的调节控制,控制车辆的速度分配,以达到整车能耗更为经济的目的。根据驾驶常识,与前方坡道结合的节油优化控制有两类:上坡前加速和下坡前减速。上坡前加速可以利用平路以较小的代价获取动能,在上坡过程中逐渐减速自然消耗这些动能,减少发动机或发电机在上坡过程中进入高功率耗能区间的时间占比,当车辆爬坡结束重新进入平路后,再加回上坡前的原速度;下坡前减小功率,车辆自然减速节省能耗,利用前方下坡的地形,在重力作用帮助下,以较小的能耗代价使车辆在下坡时自然加回下坡前的原速度。
以上所述的都是司机经验式的概念,在自动控制应用中,车辆的速度控制器(如巡航系统)需要精确的知道(以上坡为例),在前方坡道前多长距离开始加速,如何设置加速度值,进入坡道后要在多长的距离缓慢减速,减速时如何设置加速度值,减速完后再维持匀速行驶,以及出坡后用多长的距离以多少的加速度匀加速恢复到原车速,才是最经济最省油的。由于司机的原始车速、前方坡道、车载载荷情况不尽相同,因此必须是根据当前车况和前方路况进行动态获取上述车辆驾驶时的节能参数,然后根据这些节能参数值控制车辆的行驶。
发明内容
为了克服如上所述的技术问题,本发明提出一种基于前方坡度信息的车辆控制方法,能够解决在车辆过坡过程中因缺乏实时准确的行驶参数预测指导而导致的过坡能耗高的问题。本发明所采用的技术方案为:
第一方面,提出一种基于前方坡度信息的车辆控制方法,包括:
获取车辆前方的坡道信息,所述坡道信息至少包括坡度θ和坡长度L;
确定所述车辆的节能参数;
根据所述车辆的节能参数,计算第一阶段加速度a1、第二阶段加速度a2和第三阶段加速度a3,其中,所述第一阶段指车辆入坡前的阶段,所述第二阶段是指车辆入坡后出坡前的阶段,所述第三阶段指车辆出坡后的阶段;
当车辆进入第一阶段时,控制车辆以加速度a1行驶距离x1;
当车辆进入第二阶段时,控制车辆以加速度a2行驶距离x2,然后保持匀速行驶距离L-x2;
当车辆进入第三阶段时,控制车辆以加速度a3行驶距离x3。
进一步地,所述坡包括上坡或下坡。
进一步地,所述确定所述车辆的节能参数,包括:
已知车辆前方的坡道信息,所述坡道信息至少包括坡度θ和坡长度L;
确定第一阶段车辆油耗与第一阶段行驶距离x1和第一阶段末速度V1之间的关系,;
确定第二阶段车辆油耗与均变速阶段行驶距离x2、第一阶段末速度V1、第二阶段末速度V2和坡度θ之间的关系;
确定第三阶段车辆油耗与第三阶段行驶距离x3和第二阶段末速度V2之间的关系,其中,;
计算车辆平均能耗最小时所对应的车辆节能参数的取值,所述车辆节能参数包括:第一阶段行驶距离x1、第一阶段末速度V1、均变速阶段行驶距离x2、第二阶段末速度V2、第三阶段行驶距离x3,其中,x2≤L,
其中,车辆平均能耗=车辆总能耗/车辆总行驶距离,所述车辆总能耗=第一阶段车辆油耗+第二阶段车辆油耗+第三阶段车辆油耗,所述车辆总行驶距离=第一阶段行驶距离x1+坡长度L+第三阶段行驶距离x3。
进一步地,采用梯度下降法、牛顿法、遗传算法、蚁群算法以及粒子群算法中的一种获取车辆平均能耗最小时所对应的车辆节能参数的取值。
第二方面,提出一种计算机可读存储介质,所述存储器存储有至少一段程序,所述程序由所述处理器执行以实现如第一方面所述的车辆控制方法。
第三方面,提出一种车辆控制系统,包括控制器、存储介质和采集装置,所述采集装置用于采集车辆前方的坡道信息,所述坡道信息至少包括坡度θ和坡长度L,所述存储介质存储有至少一段程序,所述程序由所述处理器执行以实现如第一方面所述的车辆控制方法。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是:
本发明首先通过获取的车辆视野前方的坡度信息,主要包括坡度和坡长度,并结合车辆自身车况以及当前行驶车速,根据车辆在行驶过程中所遵循的物理规律,确定车辆节能参数,包括:第一阶段行驶距离、第一阶段末速度、均变速阶段行驶距离、第二阶段末速度、第三阶段行驶距离。然后采用梯度下降法、牛顿法、遗传算法、蚁群算法或粒子群算法等优化算法对上述车辆能耗的预测方程进行优化求解,获取车辆平均能耗最小时所对应的车辆节能参数的取值,实现动态实时预测车辆过坡时能耗最小的节能参数,接下来根据所述车辆的节能参数,计算第一阶段加速度a1、第二阶段加速度a2和第三阶段加速度a3,从而当车辆进入第一阶段时,控制车辆以加速度a1行驶距离x1;当车辆进入第二阶段时,控制车辆以加速度a2行驶距离x2,然后保持匀速行驶距离L-x2;当车辆进入第三阶段时,控制车辆以加速度a3行驶距离x3,以控制车辆以该节能参数行驶,最大限度降低车辆过坡的能耗。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于前方坡度信息的车辆控制方法的实施流程图;
图2所示为一种确定所述车辆的节能参数的流程图;
图3所示为坡道为上坡的车辆过坡过程图;
图4示出了坡道为下坡时的车辆过坡过程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方案作进一步地详细描述。
如图1为本发明提出的一种基于前方坡度信息的车辆控制方法的实施流程图,示出了该方法的具体实施步骤,包括:
容易理解的是,在车辆上坡过程中,由于要克服车辆自身的重力向上爬坡,如果不注意适当减速,将耗费较大的能源,而在车辆下坡过程中,由于车辆本身的重力可以对行驶有一定程度的动力作用,如果在下坡过程中,注意适当的减小自身的动力,将能降低车辆的能耗。上述定性地分析了如何降低车辆过坡能耗,下面将通过图1中的具体实施步骤详细说明如何科学定量地基于前方坡度信息进行车辆控制,实现经济绿色出行的目的。
在步骤101中,获取车辆前方的坡道信息,所述坡道信息至少包括坡度θ和坡长度L;
在一种可能的实现中,采用电子地平线设备实时获取车辆视野前方的坡道信息,可选的,所述坡道信息至少包括坡度θ和坡长度L。车辆视野前方一般为两公里左右,当然能够越早检测到前方坡度信息是越好的,可以为车辆节能参数预测以及驾驶员调整驾驶参数预留更多的时间,所以本发明所公布的方案并不以此为限。
在步骤102中,确定所述车辆的节能参数;
在一种可能的实际操作中,如图2所示为一种确定所述车辆的节能参数的流程图,包括:
在步骤201中,已知车辆视野前方的坡道信息;
这里的坡度信息应至少包括坡度θ和坡长度L,在一种可能的实际操作中,将采用电子地平线设备获取车辆视野前方的坡道信息作为已知信息,用于后续确定节能参数的基础数据。需要说明的是,考虑到实际的道路环境,这里的坡度θ为平均坡度角。
下述步骤将结合图3,即坡道为上坡的车辆过坡过程图为例进行详细描述。如图3所示,包括车辆301,第一阶段302,第二阶段303,第三阶段304,车辆以原始车速V0行驶到某上坡前x1米时,以a1加速度加速到V1入坡。第二阶段:在上坡过程中,可用比维持以当前速度匀速行驶稍小的功率输出,使车辆逐渐以加速度a2,经过一段路程x2,减速到V2,之后保持V2匀速直到出坡。第三阶段:出坡后,出坡速度一般小于初始速度,所以,以加速度a3加回原车速V0,对应的第三阶段的距离为x3。
在步骤202中,确定第一阶段车辆油耗与第一阶段行驶距离x1和第一阶段末速度V1之间的关系;
需要说明的是,这里的第一阶段是指车辆入坡前的阶段。
在入坡前的平路阶段,为匀加速运动,根据经典力学公式,计算这一段的加速度a1为:
从原速度V0开始控制加速和到达入坡点的时间间隔T1为:
根据力学原理,车辆合力:
其中T表示车辆发动机(普通燃油车)或是电动机(电动车)输出的扭矩。V是表示将来某一时刻的预测速度,与初始速度V0和时间t相关的量:V=V0+a1t。m为车辆当前质量,由载重传感器得到。Cd是风阻系数是与大汽空气密度相关的常数,μ是道路摩擦系数常数。Ig表示车辆传动系统的传动参数,r为车辆轮胎半径,δ为车辆转动惯量参数,H为车辆迎风面积,这些都是车辆的固定参数,可从车型参数表查到。
将式(1)和(2)代入上式(3),整理得:车辆在第一阶段未来每秒的输出扭矩为:
根据扭矩与油耗关系,如果是普通燃油汽车,行驶每一米的油耗为:
其中,b是发动机比油耗,可从发动机万有特性中查出,n是发动机转速,由于转速和车速有对应关系,可从速度中反推出来。g是重力加速度,p是燃油密度,是常数。V即为预测速度。如果是电动汽车,(5)式可替换为相应的扭矩与电机耗电量的关系式。这里以燃油车为例,下同。
在预测速度行驶时,每秒行驶距离d(单位m)为:
将(1),(4)式代入上式,整理得:
可以看出,F1是一个只与当前车速度V0,以及第一阶段节能参数x1,V1相关的量。
在步骤203中,确定第二阶段车辆油耗与均变速阶段行驶距离x2、第一阶段末速度V1、第二阶段末速度V2和坡度θ之间的关系;
需要说明的是,所述第二阶段是指车辆入坡后,出坡前的阶段。
入坡时速度为V1。计算在入坡后的减速阶段,减速度a2为:
从开始减速到进入匀速点时间T2为:
根据力学原理,车辆合力:
其中,V是与本段初始速度V1和时间t相关的量:V=V1+a2t。θ为从电子地平线得到的平均坡度值。
将式(8)和(9)代入上式(10),整理得:车辆在第二阶段的前半段非匀速阶段每秒的扭矩为:
参照式(5)因此第二阶段前半段非匀速阶段的总油耗F21为:
第二阶段的后半段为匀速行驶,因此
根据力学原理,车辆合力:
整理得:车辆在第二阶段后半段的扭矩为:
每秒行驶距离d为:d=V2
因此第二阶段后半段的总油耗F22为:
可得到第二阶段总油耗为F2=F21+F22。可以看出,第二阶段油耗F2是一个只与入坡车速V1,以及第二阶段节能参数x2,V2相关的量。
在步骤204中,确定第三阶段车辆油耗与第三阶段行驶距离x3和第二阶段末速度V2之间的关系;
需要说明的是,所述第三阶段为车辆出坡后的阶段。
出坡时速度为V2,计算在出坡后的加速阶段,加速度a3为:
从开始加速到达原始速度的V0所花时间为:
根据力学原理,车辆合力:
其中V是与本段初始速度V2和时间t相关的量:V=V2+a3t
代入上式,整理得:车辆在第一阶段每秒的扭矩为:
参照式(5)因此第三阶段加回原速度的总油耗F3为:
因此,在过坡过程中的车辆总能耗=第一阶段车辆油耗+第二阶段车辆油耗+第三阶段车辆油耗为
F=F1+F2+F3 (21)
过坡过程中的车辆总行驶距离=第一阶段行驶距离x1+坡长度L+第三阶段行驶距离x3,平均每米油耗为
M=F/(x1+L+x3) (22)
可以看出,M是只与介入控制时的初始速度V0以及节能参数x1,V1,x2,V2,x3相关的函数,
所述车辆节能参数包括:第一阶段行驶距离x1、第一阶段末速度V1、均变速阶段行驶距离x2、第二阶段末速度V2、第三阶段行驶距离x3。
需要说明的是,上述步骤102、103和104并没有先后顺序的要求,这三者顺序可以任意调换,并不以本文描述的顺序为限,只要是能够得到(21)式所述的过坡过程中的车辆总能耗即可。
在步骤205中,获取车辆平均能耗最小时所对应的车辆节能参数的取值;
根据上述步骤202、203和204结合车辆视野前方的坡道信息,车辆自身的车况以及当前的车速,分别根据车辆在过坡过程中所遵循的物理规律进行分析,得到(22)式所述的车辆平均油耗与节能参数之间的关系。容易理解的是,节能参数的不同取值所对应的平均油耗M也会不同,而车辆平均能耗最小时所对应的车辆节能参数值便是我们所需要的目标值。
求解(22)式这一目标方程所对应的节能参数值,实际上是一个最优化问题。需要说明的是,该问题在求解过程中还需要添加约束条件x2≤L,也就是说在搜寻最优参数时应限定x2≤L,这是因为,第二阶段的距离不可能超过坡道长度L。另外,容易理解的是,x1≤当前车辆离坡道的距离。
在实际操作中,可以采用梯度下降法、牛顿法、遗传算法、蚁群算法或粒子群算法等优化算法对上述车辆能耗的预测方程进行优化求解,获取车辆平均能耗最小时所对应的车辆节能参数的取值。
在一种可能的实际操作中,对于某载重40吨卡车,以80km/h匀速行驶时,遇到前方一个平均坡度为2.0度,长为200米的坡时,采用本发明所述步骤得到(22)式所述的车辆平均油耗与节能参数之间的关系,最后采用梯度下降法可求得,在距离坡度x1=95米时进行匀加速,入坡速度V1达到90km/h,进入坡道后,在x2=133米的距离中,匀减速到V2=65km/h,之后匀速行驶,直到出坡后,经105米匀加速回80km/h,此时这段x1+L+x3路程的平均每米油耗最小为2.1×10-4L/m。而车辆按照原来80km/h速度匀速经过这段x1+L+x3路程的平均每米油耗为2.3×10-4L/m。因此,采用本发明所述的方法进行车辆控制,能够有效降低车辆在上坡过程中的油耗。
上述步骤结合图3,详细描述了坡道为上坡时,确定车辆过坡的节能参数。而图4示出了坡道为下坡时的过坡过程,包括车辆401,第一阶段402:车辆以速度V0行驶到某下坡前x1米时,减少功率输出以a1加速度降速到V1入坡。第二阶段403:在下坡过程中,经过距离x2使车辆逐渐在重力的参与下以较小的能耗用加速度a2加速到V2,之后因为安全考虑,不能无限制加速,保持V2匀速直到出坡。第三阶段404:出坡后,出坡速度一般大于初始速度,所以经过距离x3以加速度a3降速回到原车速V0。
上述车辆下坡过程中的节能参数的求解过程与步骤202、203和204中所述分析方法一致,这里就不再赘述。
在一种可能的实际操作中,对于某载重40吨卡车,以80km/h匀速行驶时,遇到前方一个平均坡度为3.0度,长为1000米的坡时,采用本发明所述步骤得到(22)式所述的车辆平均油耗与节能参数之间的关系,最后采用梯度下降法可求得,在距离坡度x1=200米时进行匀加速,入坡速度V1达到60km/h,进入坡道后,在x2=700米的距离中,匀加速到V2=100km/h,之后匀速行驶,直到出坡后,经250米匀加速回80km/h,此时这段x1+L+x3路程的平均每米油耗最小为1.8×10-4L/m。而车辆按照原来80km/h速度匀速经过这段x1+L+x3路程的平均每米油耗为2.1×10-4L/m。因此,采用本发明所述的方法进行车辆控制,能够有效降低车辆在下坡过程中的油耗。
在步骤103中,根据所述车辆的节能参数,计算第一阶段加速度a1、第二阶段加速度a2和第三阶段加速度a3,其中,所述第一阶段指车辆入坡前的阶段,所述第二阶段是指车辆入坡后出坡前的阶段,所述第三阶段指车辆出坡后的阶段;
根据车辆节能参数第一阶段行驶距离x1、第一阶段末速度V1、均变速阶段行驶距离x2、第二阶段末速度V2、第三阶段行驶距离x3,结合(1)、(8)和(16)式,容易依次得到图2所对应的实施例的各阶段的加速度a1、a2和a3。
在步骤104中,当车辆进入第一阶段时,控制车辆以加速度a1行驶距离x1;
在步骤105中,当车辆进入第二阶段时,控制车辆以加速度a2行驶距离x2,然后保持匀速行驶距离L-x2;
在步骤106中,当车辆进入第三阶段时,控制车辆以加速度a3行驶距离x3。
本实施例首先通过获取的车辆视野前方的坡度信息,主要包括坡度和坡长度,并结合车辆自身车况以及当前行驶车速,根据车辆在行驶过程中所遵循的物理规律,确定车辆节能参数,包括:第一阶段行驶距离、第一阶段末速度、均变速阶段行驶距离、第二阶段末速度、第三阶段行驶距离。然后采用梯度下降法、牛顿法、遗传算法、蚁群算法或粒子群算法等优化算法对上述车辆能耗的预测方程进行优化求解,获取车辆平均能耗最小时所对应的车辆节能参数的取值,实现动态实时预测车辆过坡时能耗最小的节能参数,接下来根据所述车辆的节能参数,计算第一阶段加速度a1、第二阶段加速度a2和第三阶段加速度a3,从而当车辆进入第一阶段时,控制车辆以加速度a1行驶距离x1;当车辆进入第二阶段时,控制车辆以加速度a2行驶距离x2,然后保持匀速行驶距离L-x2;当车辆进入第三阶段时,控制车辆以加速度a3行驶距离x3,以控制车辆以该节能参数行驶,最大限度降低车辆过坡的能耗。
在一种可能的实现中,上述车辆控制方式为PID控制,但这里的控制方式意指车辆的可行控制方式,虽然目前车辆的主要控制方式采用的仍然是经典的PID控制原理,但以后可能出现新的控制方式,本发明所公布的技术方案并不以此为限。
本发明还公布一种车辆控制系统,包括控制器、存储介质和采集装置,所述采集装置用于采集车辆前方的坡道信息,所述坡道信息至少包括坡度θ和坡长度L,所述存储介质存储有至少一段程序,所述程序由所述处理器执行以实现上述方法实施例提供的基于前方坡度信息的车辆控制方法。
本发明还提供一种计算机可读存储介质,所述存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集,所述至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现上述方法实施例提供的基于前方坡度信息的车辆控制方法。
可选的,本发明还提供了一种包含指令的计算机程序产品,当其在计算机上运行时,使得计算机执行上述各方面所述的基于前方坡度信息的车辆控制方法。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成,也可以通过程序来指令相关的硬件完成,所述的程序可以存储与一种计算机可读存储介质中,上述提到的存储介质可以是只读存储器,磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用于以限制发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于前方坡度信息的车辆控制方法,包括:
获取车辆前方的坡道信息,所述坡道信息至少包括坡度θ和坡长度L;
确定所述车辆的节能参数;
根据所述车辆的节能参数,计算第一阶段加速度a1、第二阶段加速度a2和第三阶段加速度a3,其中,所述第一阶段指车辆入坡前的阶段,所述第二阶段是指车辆入坡后出坡前的阶段,所述第三阶段指车辆出坡后的阶段;
当车辆进入第一阶段时,控制车辆以加速度a1行驶距离x1;
当车辆进入第二阶段时,控制车辆以加速度a2行驶距离x2,然后保持匀速行驶距离L-x2;
当车辆进入第三阶段时,控制车辆以加速度a3行驶距离x3。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述确定所述车辆的节能参数,包括:
已知车辆前方的坡道信息,所述坡道信息至少包括坡度θ和坡长度L;
确定第一阶段车辆油耗与第一阶段行驶距离x1和第一阶段末速度V1之间的关系,;
确定第二阶段车辆油耗与均变速阶段行驶距离x2、第一阶段末速度V1、第二阶段末速度V2和坡度θ之间的关系;
确定第三阶段车辆油耗与第三阶段行驶距离x3和第二阶段末速度V2之间的关系,其中,;
计算车辆平均能耗最小时所对应的车辆节能参数的取值,所述车辆节能参数包括:第一阶段行驶距离x1、第一阶段末速度V1、均变速阶段行驶距离x2、第二阶段末速度V2、第三阶段行驶距离x3,其中,x2≤L,
其中,车辆平均能耗=车辆总能耗/车辆总行驶距离,所述车辆总能耗=第一阶段车辆油耗+第二阶段车辆油耗+第三阶段车辆油耗,所述车辆总行驶距离=第一阶段行驶距离x1+坡长度L+第三阶段行驶距离x3。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述计算车辆平均能耗最小时所对应的车辆节能参数的取值,包括:
采用梯度下降法、牛顿法、遗传算法、蚁群算法以及粒子群算法中的一种来计算得到车辆平均能耗最小时所对应的车辆节能参数的取值。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述车辆前方的坡道信息为范围两公里内的坡道信息。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述坡包括上坡或下坡。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述获取车辆视野前方的坡道信息,包括:
采用电子地平线设备获取车辆视野前方的坡道信息。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述控制车辆方法为PID控制方式。
8.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述存储器存储有至少一段程序,所述程序由所述处理器执行以实现如权利要求1至7任一所述的车辆控制方法。
9.一种车辆控制系统,其特征在于,包括控制器、存储介质和采集装置,所述采集装置用于采集车辆前方的坡道信息,所述坡道信息至少包括坡度θ和坡长度L,所述存储介质存储有至少一段程序,所述程序由所述处理器执行以实现如权利要求1至7任一所述的车辆控制方法。
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