CN112874502A - 一种智能交通环境下的线控底盘信息物理系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能交通环境下的线控底盘信息物理系统及控制方法，系统包括：SoS级CPS、系统级CPS和单元级CPS；多个单元级CPS与一个系统级CPS之间实现数据传输，多个系统级CPS与一个SOS级CPS之间实现数据传输；本发明将轮毂电机与悬架进行集成，取消发动机、离合器等传统结构，简化了底盘的结构，并且电机可直接驱动车辆运转，并通过四个轮毂电机对不同车轮施加不同驱动、制动或转矩满足车轮的独立控制，提高了主动安全性和操作稳定性。

Description

一种智能交通环境下的线控底盘信息物理系统及控制方法

技术领域

本发明属于车辆底盘控制技术领域，具体指代一种智能交通环境下的线控底盘信息物理系统及控制方法。

背景技术

随着汽车智能化、电动化、电子化的发展，线控技术在汽车上得到普遍的应用。线控技术中执行机构和操作机构两者没有机械联结也没有机械能量的传递，汽车驾驶员的操作指令通过传感器感知，采用电信号的形式通过互联网传递给执行机构与电子控制器。

传统汽车底盘控制的执行机构主要靠复杂的机械或液压系统实现，驾驶员仍是控制系统的关键组成部分。由于各种物理因素，驾驶员作出的以车辆安全行驶为目标的各种决策会受到一定的影响，车辆的行驶存在一定的安全隐患。线控底盘则通过传感器采集驾驶员操作信息、车辆行驶信息、交通环境信息等，将采集的信息转换为电信号通过传递给电子控制单元，进而控制执行机构工作。通过驾驶员意图，结合实时路况，在智能交通环境下根据实时路况对驾驶员的驾驶决策进行调整和修正，为驾驶员提供安全的辅助驾驶。

中国发明专利申请号为CN201510882930.9，名称为“一种车辆转向控制装置、控制方法及汽车”中提出转向控制器与转角信号采集器连接，根据方向盘转角信号生成车轮转向控制信号，转向驱动电机将根据车轮转向控制信号控制车轮的转向，但由于方向盘转向仍由驾驶员控制，若驾驶员操作出现偏差，则车辆的行驶存在一定隐患。中国专利发明申请号为CN201810733593.0，名称为“一种驾驶员驾驶意图识别及控制方法”中通过采集的驾驶员信息、车辆行驶信息和交通环境信息初步识别驾驶员意图，根据驾驶员初步的意图改变车辆行驶状态，再根据驾驶员调整的操作以及车辆的行驶数据，进一步识别驾驶员意图，该专利只对驾驶员操作意识进行识别，未通过车辆行驶信息和交通环境信息对驾驶员操作行为进行修正，驾驶员的操作仍关系到驾驶的安全性。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种智能交通环境下的线控底盘信息物理系统及控制方法，以解决现有技术中难以通过驾驶员操作意识和环境信息实现理想驾驶操作的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种智能交通环境下的线控底盘信息物理系统，包括：SoS级CPS、系统级CPS和单元级CPS；多个单元级CPS与一个系统级CPS之间实现数据传输，多个系统级CPS与一个SoS级CPS之间实现数据传输；

单元级CPS为线控底盘，包括：驾驶员输入模块、基本控制模块、执行模块和环境感知模块；

所述驾驶员输入模块包括：油门踏板及其行程和力传感器、制动踏板及其行程和力传感器、方向盘及其转角和转矩传感器、车轮转角传感器，用于感知驾驶员对车辆输入的驱动、制动、转向信息，实现驾驶员操作意图的提取；

所述基本控制模块对各传感器采集的数据进行处理，根据当前工况制定最优行驶策略，并传递给执行模块；

所述执行模块用于接收上述基本控制模块的最优行驶策略，并对车辆进行操控；

所述环境感知模块，包括：探测设备、定位设备和通信设备；所述探测设备用于感知车辆外部的信息和前方路况信息；定位设备用于对车辆位置进行定位；通信设备用于车辆与车辆之间通讯、车辆与基站之间通讯，以获取车辆行驶过程中实时工况信息；

系统级CPS为监管平台，包括：协同控制模块、实时监控和诊断模块；用于监管同一道路上装载线控底盘的车辆的驾驶行为；

所述协同控制模块用于获取监管的线控底盘的传感器数据和执行模块发出的执行信息，通过信息交互和实时分析获得当前工况下的局部最优方案，对基本控制模块发出控制信号；所述实时监控和诊断模块用于监控和诊断装载线控底盘的车辆的驾驶情况；

SoS级CPS为大数据平台，包括：数据存储单元、数据交互模块、数据分析模块，并通过互联网与各监管平台进行数据传输；

所述数据存储单元用于存储传输至大数据平台的数据；所述数据交互模块用于实现线控底盘、监管平台之间传感器数据、执行信息的传输；所述数据分析模块用于分析传输至大数据平台的数据，得出线控底盘理想操作，并判断线控底盘的驾驶操作是否为理想操作。

进一步地，所述基本控制模块包括：中央控制单元、转向控制单元、制动控制单元、驱动控制单元；所述中央控制单元用于监测和控制转向控制单元、制动控制单元和驱动控制单元，接收各传感器信号，用于计算车速，分配转向、制动和驱动力。

进一步地，所述最优行驶策略为符合当前工况的执行模块的执行状态，最优行驶策略包括：最优转向策略、最优制动策略、最优驱动策略、最优复合行驶策略；所述最优转向策略、最优制动策略、最优驱动策略分别在转向、制动、驱动单一工况下制定；所述最优复合行驶策略为最优转向策略与最优制动策略或最优驱动策略的组合；所述最优转向策略包括转向执行电机实际能耗最小、车轮转角无需驾驶员修正；所述最优制动策略包括制动电机能耗最小、制动执行机构执行时间最短、制动执行机构执行过程中无需驾驶员修正；所述最优驱动策略包括轮毂电机能耗最小且驱动执行机构执行时间最短、驱动执行机构执行过程中无需驾驶员修正。

进一步地，所述执行模块包括：车轮、轮毂电机、转向执行电机、转向控制器、转向轴、传动轴、齿轮齿条转向器、转向拉杆、制动控制器、制动执行机构、制动电机、驱动控制器、驱动执行机构。

进一步地，所述车辆外部的信息包括：道路车道线、路面箭头标志、路旁交通标志牌、交通红绿灯的信息。

进一步地，所述前方路况信息包括前方的凹凸障碍物、车辆、行人。

进一步地，所述局部最优方案为同一监管平台的所有线控底盘的行驶行为，包括转向、制动、驱动、转向且制动、转向且驱动。

进一步地，所述传输至大数据平台的数据包括：传感器数据、执行信息、车辆外部信息、前方路况信息、位置信息、车辆与车辆通讯信息、车辆与基站通讯信息、监管平台生成的局部最优方案。

进一步地，所述线控底盘理想操作为理想操作数据库中数据，包括理想方向盘转角、理想制动踏板开度、理想加速踏板开度；所述理想方向盘转角为数据分析模块规划的期望路径所需的方向盘转角大小；所述理想制动踏板开度为数据分析模块规划的与前方和周围障碍物保持交通安全距离且保证驾驶员驾驶舒适度的制动踏板开度；所述理想加速踏板开度为数据分析模块规划的保证驾驶员驾驶舒适度且与周围障碍物保持交通安全距离的符合交通环境速度要求的加速踏板开度。

进一步地，所述理想操作数据库为离线同步数据库，由车辆工程师经验数据、汽车动力学和运动学模型数据、交通环境中汽车行驶数据离线同步组成；理想操作数据库中数据均处于安全驾驶且保证驾驶员舒适度范围；所述车辆工程师经验数据包括驾驶员转向、制动、驱动、转向与制动或驱动情况下驾驶舒适度数据，驾驶员转向、制动、驱动的操作力与车速、加速度的非线性数学模型数据；所述汽车动力学和运动学模型包括由牛顿运动定律计算的转向、制动、驱动执行时的动力学和运动学方程，由基尔霍夫定律计算的转向、制动、驱动执行时的转向执行电机、制动电机、驱动电机、轮毂电机的电流方程；所述交通环境中汽车行驶数据为联网线控底盘汽车在联网情况下储存的驾驶信息数据。进一步地，所述驾驶员输入模块、基本控制模块、执行模块之间的转向连接关系为：方向盘转角和转矩传感器集成于与方向盘，方向盘通过转向轴与传动轴连接，传动轴连接齿轮齿条转向器，齿轮齿条转向器与转向拉杆连接；转向执行电机固定在传动轴上，当方向盘转动时转角和转矩传感器工作，转向控制器将采集方向盘转角和转矩、车轮转角信息传送至转向控制单元，转向控制单元根据传感器信息控制转向执行电机的电流输出，进而控制传动轴的转向；转向控制器与轮毂电机连接，控制四个车轮的转动。

进一步地，所述驾驶员输入模块、基本控制模块、执行模块之间的制动连接关系为：踩下制动踏板时，制动踏板的行程和力传感器工作，制动控制器将采集制动踏板的行程和力传感器信息传送至制动控制单元，制动控制单元根据传感器信息控制制动电机的电流输出，进而控制制动执行机构的执行状态，实现对车辆的制动；制动控制器与轮毂电机连接，控制车轮制动时的转动状态。

进一步地，所述驾驶员输入模块、基本控制模块、执行模块之间的驱动连接关系为：踩下油门踏板时，油门踏板的行程和力传感器工作，驱动控制器将采集油门踏板的行程和力传感器信息传送至驱动控制单元，驱动控制单元根据传感器信息控制驱动执行机构的执行状态，实现对车辆的驱动；驱动控制器与车轮的轮毂电机连接，控制车轮加速时的转动状态。

进一步地，所述轮毂电机包括：左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机；四个轮毂电机分别集成在相应的四个车轮轮毂中，用于驱动车轮。

线控底盘、监管平台、大数据平台通过互联网完成数据传输；

所述数据传输过程为：线控底盘在驾驶员完成驾驶操作后获取驾驶员操作信息和环境信息，并传输至监管平台；监管平台的实时监控和诊断模块对线控底盘传输的驾驶员操作信息和环境信息进行实时监控和诊断，将诊断结果传输至大数据平台；大数据平台完成信息存储和交互，通过数据分析模块获得线控底盘的操作行为信息，传输至监管平台；监管平台的协同控制模块根据大数据平台传输的信息生成局部最优方案，传输至线控底盘；线控底盘的基本控制模块根据局部最优方案形成最优行驶策略，执行模块根据最优行驶策略对车辆进行控制。本发明的一种智能交通环境下的线控底盘信息物理系统的控制方法，步骤如下：

1)驾驶员发出操作信号；

2)获取线控底盘的环境感知模块的信息和驾驶员输入模块的传感器信息；

3)基本控制模块根据驾驶员输入模块的传感器信息判断驾驶员的操作，将驾驶员操作信息和环境感知模块的信息传输至监管平台；

4)监管平台对线控底盘的信息进行实时监控和诊断，判断当前驾驶员的操作是否符合当前工况；若符合工况将监管平台获取的驾驶员操作和环境感知模块的信息传送至大数据平台；若不符合工况，监管平台根据环境感知模块的信息调整驾驶员操作以符合当前工况，将环境感知模块的信息和调整后的驾驶员操作信息传送至大数据平台；

5)大数据平台对监管平台传送的操作信息进行存储；

6)大数据平台对监管平台传送的驾驶员操作信息进行分析；若监管平台中的驾驶员操作信息分析结果为理想驾驶操作，则将驾驶员操作信息反馈至监管平台；若驾驶员操作信息分析结果与理想驾驶操作信息存在误差，则将数据分析得到的理想驾驶操作信息反馈至监管平台；

7)监管平台根据反馈信息形成车辆实时的局部最优方案，将局部最优方案反馈给当前监管平台所监管的线控底盘；

8)中央控制单元将生成对应局部最优方案的最优行驶策略，并传递给转向控制单元、制动控制单元、驱动控制单元，来控制执行模块中电机的输出电流，从而使控制器对执行模块中其他执行机构进行控制，完成对车辆的输出。

进一步地，所述步骤1)中驾驶员发出的操作信号包括：转向、制动、驱动、复合操作信号，其中复合操作信号为转向与制动或驱动的组合。

进一步地，所述步骤2)中通过传感器获取车辆当前方向盘转角和转矩、车轮转角、制动踏板行程、油门踏板行程，通过环境感知模块中的探测设备、定位设备和通讯设备获取当前工况下车辆外部的信息、前方路况信息、位置信息、车辆与车辆之间通讯信息、车辆与基站之间通讯信息。

进一步地，所述步骤3)中驾驶员操作包括转向、制动、驱动、复合操作，其中复合操作包括转向与制动或驱动的组合。

进一步地，所述步骤4)中若任一道路的监管平台出现故障，则由其他任一道路的监管平台接管出现故障的监管平台的数据信息，对当前道路内及出现故障的监管平台对应道路的线控底盘进行实时监控和诊断，保证交通环境信息的稳定。

进一步地，所述步骤4)的当前工况包括转向工况、制动工况、加速工况、转向工况与制动工况或加速工况的组合工况；其中转向工况包括通过弯道、超车、变道；制动工况包括前方车辆减速且与前方车辆距离小于交通安全距离、紧急避障停车、车速高于限速时通过限速路段；其中加速工况包括车辆起步、车速低于限速路段时通过限速路段、超车。

进一步地，所述步骤6)中当前驾驶员的操作与理想驾驶操作存在误差，则由中央控制单元控制转向、制动、驱动控制单元以驱动轮毂电机、转向执行电机、制动电机输出附加控制量，以最小化驾驶员的操作与理想驾驶操作的误差；其中所利用的控制算法为H∞反馈控制算法，具体包括以下内容：

61)驾驶员输出的方向盘转角θ_sw和理想方向盘转角

的偏差表示为e₁；驾驶员输出的制动踏板开度p和理想制动踏板开度p^*的偏差表示为e₂；驾驶员输出的加速踏板开度q和理想加速踏板开度q^*的偏差表示为e₃；

62)偏差e₁，e₂，e₃为H∞反馈控制器K(s)的输入，反馈控制器K(s)根据输入偏差e₁，e₂，e₃计算出转向执行电机、制动电机和轮毂电机需要输出的附加转角θ₁，θ₂，θ₃，则中央控制单元和转向控制单元、制动控制单元、驱动控制单元分别控制转向执行电机、制动电机、轮毂电机输出相应的附加转角θ₁，θ₂，θ₃；

63)附加转角θ₁，θ₂，θ₃作用到线控底盘系统，进而影响车辆的行驶状态，同时驾驶员根据当前车辆状态进行相应地驾驶操作，则得到一组新的偏差e₄，e₅，e₆；

64)重复步骤61)—63)，直至偏差e_i(i＝1,2,3,...)消除。

进一步地，所述步骤8)中电机包括转向执行电机，制动电机，轮毂电机；控制器包括转向控制器，制动控制器，驱动控制器；其他执行机构为执行模块中除执行电机，制动电机，轮毂电机，转向控制器，制动控制器，驱动控制器的执行机构。

本发明的有益效果：

本发明将轮毂电机与悬架进行集成，取消发动机、离合器等传统结构，简化了底盘的结构，并且电机可直接驱动车辆运转，并通过四个轮毂电机对不同车轮施加不同驱动、制动或转矩满足车轮的独立控制，提高了主动安全性和操作稳定性。

本发明融合智能交通环境，将线控底盘作为信息物理系统的组成部分，集成感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术，同时能够结合物理空间和信息空间中人、机、物、环境、信息等要素，构成智能车辆“感知-分析-决策-执行”的闭环。

本发明通过线控底盘的传感器和探测、定位通信设备获得驾驶员意图以及环境信息，通过信息物理系统获取道路行驶车辆的信息，基于智能交通环境获取更多的实时交通工况信息，改善了传统技术对车辆的安全控制的信息获取只基于本车传感器读取的驾驶信息及激光、雷达获取的周围实时工况信息，缺少对路面其他车辆驾驶行为信息的读取的不足。

本发明能够分析当前工况下车辆的理想驾驶操作动作，线控底盘的中央控制单元根据理想驾驶操作得到最优行驶策略，线控底盘将根据监管平台的分析结果对驾驶员意图进行诊断，并进行转向或制动的误差进行修正，通过线控底盘各模块的控制，提高了车辆行驶的安全性。改善了现有技术中驾驶员误操作时，驾驶员监控系统只对驾驶员发出警示，严重时对车辆进行强制降速或锁车的不足。

本发明线控底盘信息物理系统中的监管平台在大数据平台的支持下能够互通、互联、互操作，通过线控底盘信息物理系统可以将路面上所有行驶车辆的信息进行监控、诊断和数据分析，提高了交通环境预测的准确性。此外，若其中一个监管平台存在故障，其他监管平台能够及时接管该故障监管平台，保证智能交通环境信息输入的稳定。

附图说明

图1为本发明线控底盘信息物理系统结构示意图。

图2为本发明线控底盘结构图。

图3为本发明方法具体实施流程。

图4为H∞反馈控制结构图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1所示，本发明的一种智能交通环境下的线控底盘信息物理系统，包括：SoS级CPS、系统级CPS和单元级CPS；通过网络，多个单元级CPS与一个系统级CPS之间实现数据传输，多个系统级CPS与一个SoS级CPS之间实现数据传输；

单元级CPS为线控底盘，参照图2所示，包括：驾驶员输入模块、基本控制模块、执行模块和环境感知模块；

所述驾驶员输入模块包括：油门踏板及其行程和力传感器、制动踏板及其行程和力传感器、方向盘及其转角和转矩传感器、车轮转角传感器，用于感知驾驶员对车辆输入的驱动、制动、转向信息，实现驾驶员操作意图的提取；

所述基本控制模块对各传感器采集的数据进行处理，根据当前工况制定最优行驶策略，并传递给执行模块；

所述执行模块用于接收上述基本控制模块的最优行驶策略，并对车辆进行操控；

其中，所述执行模块包括：车轮、轮毂电机、转向执行电机、转向控制器、转向轴、传动轴、齿轮齿条转向器、转向拉杆、制动控制器、制动执行机构、制动电机、驱动控制器、驱动执行机构。

其中，所述最优行驶策略为符合当前工况的执行模块的执行状态，最优行驶策略包括：最优转向策略、最优制动策略、最优驱动策略、最优复合行驶策略；所述最优转向策略、最优制动策略、最优驱动策略分别在转向、制动、驱动单一工况下制定；所述最优复合行驶策略为最优转向策略与最优制动策略或最优驱动策略的组合；所述最优转向策略包括转向执行电机实际能耗最小、车轮转角无需驾驶员修正；所述最优制动策略包括制动电机能耗最小、制动执行机构执行时间最短、制动执行机构执行过程中无需驾驶员修正；所述最优驱动策略包括轮毂电机能耗最小且驱动执行机构执行时间最短、驱动执行机构执行过程中无需驾驶员修正。

所述环境感知模块，包括：探测设备、定位设备和通信设备；所述探测设备用于感知车辆外部的信息和前方路况信息；定位设备用于对车辆位置进行定位；通信设备用于车辆与车辆之间通讯、车辆与基站之间通讯，以获取车辆行驶过程中实时工况信息；

其中，所述基本控制模块包括：中央控制单元、转向控制单元、制动控制单元、驱动控制单元；所述中央控制单元用于监测和控制转向控制单元、制动控制单元和驱动控制单元，接收各传感器信号，用于计算车速，分配转向、制动和驱动力。

系统级CPS为监管平台，包括：协同控制模块、实时监控和诊断模块；用于监管同一道路上装载线控底盘的车辆的驾驶行为；

所述协同控制模块用于获取监管的线控底盘的传感器数据和执行模块发出的执行信息，通过信息交互和实时分析获得当前工况下的局部最优方案，对基本控制模块发出控制信号；所述实时监控和诊断模块用于监控和诊断装载线控底盘的车辆的驾驶情况；

SoS级CPS为大数据平台，包括：数据存储单元、数据交互模块、数据分析模块，并通过互联网与各监管平台进行数据传输；

所述数据存储单元用于存储传输至大数据平台的数据；所述数据交互模块用于实现线控底盘、监管平台之间传感器数据、执行信息的传输；所述数据分析模块用于分析传输至大数据平台的数据，得出线控底盘理想操作，并判断线控底盘的驾驶操作是否为理想操作；

此外，所述车辆外部的信息包括：道路车道线、路面箭头标志、路旁交通标志牌、交通红绿灯的信息。

所述前方路况信息包括前方的凹凸障碍物、车辆、行人。

所述局部最优方案为同一监管平台的所有线控底盘的行驶行为，包括转向、制动、驱动、转向且制动、转向且驱动。

所述传输至大数据平台的数据包括：传感器数据、执行信息、车辆外部信息、前方路况信息、位置信息、车辆与车辆通讯信息、车辆与基站通讯信息、监管平台生成的局部最优方案。

所述线控底盘理想操作为理想操作数据库中数据，包括理想方向盘转角、理想制动踏板开度、理想加速踏板开度；所述理想方向盘转角为数据分析模块规划的期望路径所需的方向盘转角大小；所述理想制动踏板开度为数据分析模块规划的与前方和周围障碍物保持交通安全距离且保证驾驶员驾驶舒适度的制动踏板开度；所述理想加速踏板开度为数据分析模块规划的保证驾驶员驾驶舒适度且与周围障碍物保持交通安全距离的符合交通环境速度要求的加速踏板开度。

所述理想操作数据库为离线同步数据库，由车辆工程师经验数据、汽车动力学和运动学模型数据、交通环境中汽车行驶数据离线同步组成；理想操作数据库中数据均处于安全驾驶且保证驾驶员舒适度范围；所述车辆工程师经验数据包括驾驶员转向、制动、驱动、转向与制动或驱动情况下驾驶舒适度数据，驾驶员转向、制动、驱动的操作力与车速、加速度的非线性数学模型数据；所述汽车动力学和运动学模型包括由牛顿运动定律计算的转向、制动、驱动执行时的动力学和运动学方程，由基尔霍夫定律计算的转向、制动、驱动执行时的转向执行电机、制动电机、驱动电机、轮毂电机的电流方程；所述交通环境中汽车行驶数据为联网线控底盘汽车在联网情况下储存的驾驶信息数据。进一步地，所述驾驶员输入模块、基本控制模块、执行模块之间的转向连接关系为：方向盘转角和转矩传感器集成于与方向盘，方向盘通过转向轴与传动轴连接，传动轴连接齿轮齿条转向器，齿轮齿条转向器与转向拉杆连接；转向执行电机固定在传动轴上，当方向盘转动时转角和转矩传感器工作，转向控制器将采集方向盘转角和转矩、车轮转角信息传送至转向控制单元，转向控制单元根据传感器信息控制转向执行电机的电流输出，进而控制传动轴的转向；转向控制器与轮毂电机连接，控制四个车轮的转动。

所述驾驶员输入模块、基本控制模块、执行模块之间的制动连接关系为：踩下制动踏板时，制动踏板的行程和力传感器工作，制动控制器将采集制动踏板的行程和力传感器信息传送至制动控制单元，制动控制单元根据传感器信息控制制动电机的电流输出，进而控制制动执行机构的执行状态，实现对车辆的制动；制动控制器与轮毂电机连接，控制车轮制动时的转动状态。

所述驾驶员输入模块、基本控制模块、执行模块之间的驱动连接关系为：踩下油门踏板时，油门踏板的行程和力传感器工作，驱动控制器将采集油门踏板的行程和力传感器信息传送至驱动控制单元，驱动控制单元根据传感器信息控制驱动执行机构的执行状态，实现对车辆的驱动；驱动控制器与车轮的轮毂电机连接，控制车轮加速时的转动状态。

所述轮毂电机包括：左前轮轮毂电机、右前轮轮毂电机、左后轮轮毂电机、右后轮轮毂电机；四个轮毂电机分别集成在相应的四个车轮轮毂中，用于驱动车轮。

线控底盘、监管平台、大数据平台通过互联网完成数据传输；

所述数据传输过程为：线控底盘在驾驶员完成驾驶操作后获取驾驶员操作信息和环境信息，并传输至监管平台；监管平台的实时监控和诊断模块对线控底盘传输的驾驶员操作信息和环境信息进行实时监控和诊断，将诊断结果传输至大数据平台；大数据平台完成信息存储和交互，通过数据分析模块获得线控底盘的操作行为信息，传输至监管平台；监管平台的协同控制模块根据大数据平台传输的信息生成局部最优方案，传输至线控底盘；线控底盘的基本控制模块根据局部最优方案形成最优行驶策略，执行模块根据最优行驶策略对车辆进行控制。

本发明的一种智能交通环境下的线控底盘信息物理系统的控制方法，步骤如下：

1)驾驶员发出操作信号；所述驾驶员发出的操作信号包括：转向、制动、驱动、复合操作信号，其中复合操作信号为转向与制动或驱动的组合。

2)获取线控底盘的环境感知模块的信息和驾驶员输入模块的传感器信息；

所述步骤2)中通过传感器获取车辆当前方向盘转角和转矩、车轮转角、制动踏板行程、油门踏板行程，通过环境感知模块中的探测设备、定位设备和通讯设备获取当前工况下车辆外部的信息、前方路况信息、位置信息、车辆与车辆之间通讯信息、车辆与基站之间通讯信息。

3)基本控制模块根据驾驶员输入模块的传感器信息判断驾驶员的操作，将驾驶员操作信息和环境感知模块的信息传输至监管平台；驾驶员操作包括转向、制动、驱动、复合操作，其中复合操作包括转向与制动或驱动的组合。

4)监管平台通过网络对线控底盘的信息进行实时监控和诊断，判断当前驾驶员的操作是否符合当前工况；若符合工况将监管平台获取的驾驶员操作和环境感知模块的信息传送至大数据平台；若不符合工况，监管平台根据环境感知模块的信息调整驾驶员操作以符合当前工况，将环境感知模块的信息和调整后的驾驶员操作信息传送至大数据平台；

所述步骤4)中若任一道路的监管平台出现故障，则由其他任一道路的监管平台接管出现故障的监管平台的数据信息，对当前道路内及出现故障的监管平台对应道路的线控底盘进行实时监控和诊断，保证交通环境信息的稳定；

所述步骤4)的当前工况包括转向工况、制动工况、加速工况、转向工况与制动工况或加速工况的组合工况；其中转向工况包括通过弯道、超车、变道；制动工况包括前方车辆减速且与前方车辆距离小于交通安全距离、紧急避障停车、车速高于限速时通过限速路段；其中加速工况包括车辆起步、车速低于限速路段时通过限速路段、超车；

5)大数据平台对监管平台传送的操作信息进行存储；

6)大数据平台对监管平台传送的驾驶员操作信息进行分析；若监管平台中的驾驶员操作信息分析结果为理想驾驶操作，则将驾驶员操作信息反馈至监管平台；若驾驶员操作信息分析结果与理想驾驶操作信息存在误差，则将数据分析得到的理想驾驶操作信息反馈至监管平台；

所述步骤6)中当前驾驶员的操作与理想驾驶操作存在误差，则由中央控制单元控制转向、制动、驱动控制单元以驱动轮毂电机、转向执行电机、制动电机输出附加控制量，以最小化驾驶员的操作与理想驾驶操作的误差；其中所利用的控制算法为H∞反馈控制算法，参照图4所示，具体包括以下内容：

61)驾驶员输出的方向盘转角θ_sw和理想方向盘转角

的偏差表示为e₁；驾驶员输出的制动踏板开度p和理想制动踏板开度p^*的偏差表示为e₂；驾驶员输出的加速踏板开度q和理想加速踏板开度q^*的偏差表示为e₃；

62)偏差e₁，e₂，e₃为H∞反馈控制器K(s)的输入，反馈控制器K(s)根据输入偏差e₁，e₂，e₃计算出转向执行电机、制动电机和轮毂电机需要输出的附加转角θ₁，θ₂，θ₃，则中央控制单元和转向控制单元、制动控制单元、驱动控制单元分别控制转向执行电机、制动电机、轮毂电机输出相应的附加转角θ₁，θ₂，θ₃；

63)附加转角θ₁，θ₂，θ₃作用到线控底盘系统，进而影响车辆的行驶状态，同时驾驶员根据当前车辆状态进行相应地驾驶操作，则得到一组新的偏差e₄，e₅，e₆；

64)重复步骤61)—63)，直至偏差e_i(i＝1,2,3,...)消除。

7)监管平台根据反馈信息形成车辆实时的局部最优方案，将局部最优方案通过互联网反馈给当前监管平台所监管的线控底盘；

8)中央控制单元将生成对应局部最优方案的最优行驶策略，并传递给转向控制单元、制动控制单元、驱动控制单元，来控制执行模块中电机的输出电流，从而使控制器对执行模块中其他执行机构进行控制，完成对车辆的输出；

所述步骤8)中电机包括转向执行电机，制动电机，轮毂电机；控制器包括转向控制器，制动控制器，驱动控制器；其他执行机构为执行模块中除执行电机，制动电机，轮毂电机，转向控制器，制动控制器，驱动控制器的执行机构。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种智能交通环境下的线控底盘信息物理系统，其特征在于，包括：SoS级CPS、系统级CPS和单元级CPS；多个单元级CPS与一个系统级CPS之间实现数据传输，多个系统级CPS与一个SoS级CPS之间实现数据传输；

单元级CPS为线控底盘，包括：驾驶员输入模块、基本控制模块、执行模块和环境感知模块；

所述驾驶员输入模块包括：油门踏板及其行程和力传感器、制动踏板及其行程和力传感器、方向盘及其转角和转矩传感器、车轮转角传感器，用于感知驾驶员对车辆输入的驱动、制动、转向信息，实现驾驶员操作意图的提取；

所述基本控制模块对各传感器采集的数据进行处理，根据当前工况制定最优行驶策略，并传递给执行模块；

所述执行模块用于接收上述基本控制模块的最优行驶策略，并对车辆进行操控；

所述环境感知模块，包括：探测设备、定位设备和通信设备；所述探测设备用于感知车辆外部的信息和前方路况信息；定位设备用于对车辆位置进行定位；通信设备用于车辆与车辆之间通讯、车辆与基站之间通讯，以获取车辆行驶过程中实时工况信息；

系统级CPS为监管平台，包括：协同控制模块、实时监控和诊断模块；用于监管同一道路上装载线控底盘的车辆的驾驶行为；

所述协同控制模块用于获取监管的线控底盘的传感器数据和执行模块发出的执行信息，通过信息交互和实时分析获得当前工况下的局部最优方案，对基本控制模块发出控制信号；所述实时监控和诊断模块用于监控和诊断装载线控底盘的车辆的驾驶情况；

SoS级CPS为大数据平台，包括：数据存储单元、数据交互模块、数据分析模块，并通过互联网与各监管平台进行数据传输；

所述数据存储单元用于存储传输至大数据平台的数据；所述数据交互模块用于实现线控底盘、监管平台之间传感器数据、执行信息的传输；所述数据分析模块用于分析传输至大数据平台的数据，得出线控底盘理想操作，并判断线控底盘的驾驶操作是否为理想操作。

2.根据权利要求1所述的智能交通环境下的线控底盘信息物理系统，其特征在于，所述基本控制模块包括：中央控制单元、转向控制单元、制动控制单元、驱动控制单元；所述中央控制单元用于监测和控制转向控制单元、制动控制单元和驱动控制单元，接收各传感器信号，用于计算车速，分配转向、制动和驱动力。

3.根据权利要求1所述的智能交通环境下的线控底盘信息物理系统，其特征在于，所述最优行驶策略为符合当前工况的执行模块的执行状态，最优行驶策略包括：最优转向策略、最优制动策略、最优驱动策略、最优复合行驶策略；所述最优转向策略、最优制动策略、最优驱动策略分别在转向、制动、驱动单一工况下制定；所述最优复合行驶策略为最优转向策略与最优制动策略或最优驱动策略的组合；所述最优转向策略包括转向执行电机实际能耗最小、车轮转角无需驾驶员修正；所述最优制动策略包括制动电机能耗最小、制动执行机构执行时间最短、制动执行机构执行过程中无需驾驶员修正；所述最优驱动策略包括轮毂电机能耗最小且驱动执行机构执行时间最短、驱动执行机构执行过程中无需驾驶员修正。

4.根据权利要求1所述的智能交通环境下的线控底盘信息物理系统，其特征在于，所述线控底盘理想操作为理想操作数据库中数据，包括理想方向盘转角、理想制动踏板开度、理想加速踏板开度；所述理想方向盘转角为数据分析模块规划的期望路径所需的方向盘转角大小；所述理想制动踏板开度为数据分析模块规划的与前方和周围障碍物保持交通安全距离且保证驾驶员驾驶舒适度的制动踏板开度；所述理想加速踏板开度为数据分析模块规划的保证驾驶员驾驶舒适度且与周围障碍物保持交通安全距离的符合交通环境速度要求的加速踏板开度。

5.根据权利要求1所述的智能交通环境下的线控底盘信息物理系统，其特征在于，所述理想操作数据库为离线同步数据库，由车辆工程师经验数据、汽车动力学和运动学模型数据、交通环境中汽车行驶数据离线同步组成；理想操作数据库中数据均处于安全驾驶且保证驾驶员舒适度范围；所述车辆工程师经验数据包括驾驶员转向、制动、驱动、转向与制动或驱动情况下驾驶舒适度数据，驾驶员转向、制动、驱动的操作力与车速、加速度的非线性数学模型数据；所述汽车动力学和运动学模型包括由牛顿运动定律计算的转向、制动、驱动执行时的动力学和运动学方程，由基尔霍夫定律计算的转向、制动、驱动执行时的转向执行电机、制动电机、驱动电机、轮毂电机的电流方程；所述交通环境中汽车行驶数据为联网线控底盘汽车在联网情况下储存的驾驶信息数据。

6.根据权利要求1所述的智能交通环境下的线控底盘信息物理系统，其特征在于，所述驾驶员输入模块、基本控制模块、执行模块之间的制动连接关系为：踩下制动踏板时，制动踏板的行程和力传感器工作，制动控制器将采集制动踏板的行程和力传感器信息传送至制动控制单元，制动控制单元根据传感器信息控制制动电机的电流输出，进而控制制动执行机构的执行状态，实现对车辆的制动；制动控制器与轮毂电机连接，控制车轮制动时的转动状态。

7.一种智能交通环境下的线控底盘信息物理系统的控制方法，基于权利要求1-6中任意一项所述系统，其特征在于，步骤如下：

1)驾驶员发出操作信号；

2)获取线控底盘的环境感知模块的信息和驾驶员输入模块的传感器信息；

3)基本控制模块根据驾驶员输入模块的传感器信息判断驾驶员的操作，将驾驶员操作信息和环境感知模块的信息传输至监管平台；

4)监管平台对线控底盘的信息进行实时监控和诊断，判断当前驾驶员的操作是否符合当前工况；若符合工况将监管平台获取的驾驶员操作和环境感知模块的信息传送至大数据平台；若不符合工况，监管平台根据环境感知模块的信息调整驾驶员操作以符合当前工况，将环境感知模块的信息和调整后的驾驶员操作信息传送至大数据平台；

5)大数据平台对监管平台传送的操作信息进行存储；

6)大数据平台对监管平台传送的驾驶员操作信息进行分析；若监管平台中的驾驶员操作信息分析结果为理想驾驶操作，则将驾驶员操作信息反馈至监管平台；若驾驶员操作信息分析结果与理想驾驶操作信息存在误差，则将数据分析得到的理想驾驶操作信息反馈至监管平台；

7)监管平台根据反馈信息形成车辆实时的局部最优方案，将局部最优方案反馈给当前监管平台所监管的线控底盘；

8)中央控制单元将生成对应局部最优方案的最优行驶策略，并传递给转向控制单元、制动控制单元、驱动控制单元，来控制执行模块中电机的输出电流，从而使控制器对执行模块中其他执行机构进行控制，完成对车辆的输出。

8.根据权利要求7所述的智能交通环境下的线控底盘信息物理系统的控制方法，其特征在于，所述步骤2)中通过传感器获取车辆当前方向盘转角和转矩、车轮转角、制动踏板行程、油门踏板行程，通过环境感知模块中的探测设备、定位设备和通讯设备获取当前工况下车辆外部的信息、前方路况信息、位置信息、车辆与车辆之间通讯信息、车辆与基站之间通讯信息。

9.根据权利要求7所述的智能交通环境下的线控底盘信息物理系统的控制方法，其特征在于，所述步骤4)中若任一道路的监管平台出现故障，则由其他任一道路的监管平台接管出现故障的监管平台的数据信息，对当前道路内及出现故障的监管平台对应道路的线控底盘进行实时监控和诊断，保证交通环境信息的稳定。

10.根据权利要求7所述的智能交通环境下的线控底盘信息物理系统的控制方法，其特征在于，所述步骤6)中当前驾驶员的操作与理想驾驶操作存在误差，则由中央控制单元控制转向、制动、驱动控制单元以驱动轮毂电机、转向执行电机、制动电机输出附加控制量，以最小化驾驶员的操作与理想驾驶操作的误差；所利用的控制算法为H∞反馈控制算法，具体包括：

61)驾驶员输出的方向盘转角θ_sw和理想方向盘转角

的偏差表示为e₁；驾驶员输出的制动踏板开度p和理想制动踏板开度p^*的偏差表示为e₂；驾驶员输出的加速踏板开度q和理想加速踏板开度q^*的偏差表示为e₃；

62)偏差e₁，e₂，e₃为H∞反馈控制器K(s)的输入，反馈控制器K(s)根据输入偏差e₁，e₂，e₃计算出转向执行电机、制动电机和轮毂电机需要输出的附加转角θ₁，θ₂，θ₃，则中央控制单元和转向控制单元、制动控制单元、驱动控制单元分别控制转向执行电机、制动电机、轮毂电机输出相应的附加转角θ₁，θ₂，θ₃；

63)附加转角θ₁，θ₂，θ₃作用到线控底盘系统，进而影响车辆的行驶状态，同时驾驶员根据当前车辆状态进行相应地驾驶操作，则得到一组新的偏差e₄，e₅，e₆；

64)重复步骤61)—63)，直至偏差e_i消除，i＝1,2,3,...。

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