CN118306392A - 基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制方法。该方法通过获取前方路段的道路信息以及车辆状态信息，所述前方道路信息包括：最高限速、最低限速以及道路曲率；根据所述道路曲率确定所述车辆的过弯参考车速；建立动态规划控制模型，并通过所述动态规划控制模型对所述最高限速、所述最低限速、所述过弯参考车速以及所述车辆状态信息进行分析处理，得到所述车辆通过所述前方路段时的目标车速，并在驾驶员授权按照该目标车速行驶时，控制所述车辆按照所述目标车速通过所述前方路段。该方法解决了行车过程中开启定速巡航导致的燃油消耗、无意识超速、侧滑或侧倾的问题，在满足驾驶员优先的原则上实现安全、经济、舒适的行驶。
Description
技术领域
本申请涉及驾驶辅助技术领域，尤其涉及一种基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制方法。
背景技术
定速巡航，又称为速度控制系统、自动驾驶系统等，其原理是由巡航控制组件读取车速传感器发来的脉冲信号与设定的速度进行比较，从而发出指令由伺服器机械来调整节气门的开度，保证车辆一直保持在所设定的速度。
传统的定速巡航技术普遍利用PID控制或PI控制方法对车辆的加速度进行正向控制进而反馈到发动机输出正向扭矩，即仅对车辆的加速和匀速进行控制，不会控制车辆的主动减速。
但是高速道路往往存在不同的限速区间，比如通过桥梁或者隧道等路段以及曲率较小的急弯，当驾驶员开启定速巡航时，会出现无意识的超速，经过曲率较小的弯道出现车辆侧滑或侧倾以及横向加速度过大产生身体不舒适现象，或者临近测速点与急弯时急踩刹车进行降速，此时车辆的燃油消耗率提高，定速巡航退出，对车辆行驶的安全性、舒适性、经济性都有较差的影响。
发明内容
本申请提供一种基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制方法，用以解决行车过程中开启定速巡航导致的燃油消耗、无意识超速、侧滑或侧倾的问题。
一方面，本申请提供一种基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制方法，包括：
获取前方路段的道路信息以及车辆状态信息，所述前方道路信息包括：最高限速、最低限速以及道路曲率；
根据所述道路曲率确定所述车辆的过弯参考车速；
建立动态规划控制模型，并通过所述动态规划控制模型对所述最高限速、所述最低限速、所述过弯参考车速以及所述车辆状态信息进行分析处理，得到所述车辆通过所述前方路段时的目标车速，并将所述目标车速发送至用户；
在获取到所述用户发送的授权信息后，控制所述车辆按照所述目标车速通过所述前方路段，所述授权信息用于指示所述用户同意按照所述目标车速进行行驶。
可选的，所述根据所述道路曲率确定所述车辆的过弯参考车速，满足如下公式：
其中，a为向心加速度，R为曲率半径。
可选的，所述车辆状态信息包括：车辆车速、发动机扭矩、发动机转速、变速箱挡位和制动力矩，建立动态规划控制模型，并通过所述动态规划控制模型对所述最高限速、所述最低限速、所述过弯参考车速以及所述车辆状态信息进行分析处理，得到所述车辆通过所述前方路段时的目标车速，包括：
建立发动机的燃油消耗模型以及车辆的纵向动力学模型，所述燃油消耗模型用于确定所述车辆处于不同参数时的燃油消耗值，所述纵向动力学模型用于确定所述发动机转速、所述发动机扭矩以及所述目标车速之间的关联关系；
将所述前方路段分为N个阶段，并确定动态规划控制时的状态方程，将所述目标车速作为动态规划控制的状态变量，将所述发动机扭矩作为动态规划控制的控制变量；
将燃油消耗量、参考车速偏差、加速度大小作为优化目标，构造第k阶段的目标函数，并确定所述目标函数的参数约束条件，其中，N≥k，N和k均为正整数；
根据所述目标函数确定N个阶段中每个阶段对应的目标车速。
可选的，所述车辆的纵向动力学模型，满足如下公式：
Ft＝∑F＝Ff+Fw+Fi+Fj
其中，Ft为发动机的驱动力，Ff为车辆的滚动阻力，Fw为空气阻力，Fi为坡道阻力，Fj为加速阻力；
其中，Ttq为发动机扭矩，ig为变速箱的传动比，i0为主减速器的传动比，ηt传动机构的传动效率，r为轮胎半径，f为滚动摩擦阻力，α为坡度，CD空气阻力系数，A为迎风截面积，ρ为空气密度，v为实时车速，δ为旋转质量换算系数；
发动机转速满足如下公式：
发动机扭矩满足如下公式：
其中，m为整车质量，g为重力加速度，Iw为车轮转动惯量，If为飞轮转动惯量，ΔS为路程变化量。
可选的，所述根据所述目标函数确定N个阶段中每个阶段对应的目标车速，包括：
确定第N阶段对应的最小目标函数值以及所述第N阶段对应的控制变量，其中，所述第N阶段的状态变量为所述车辆车速；
根据所述第N阶段对应的控制变量，确定第N-1阶段对应的控制变量，并根据所述第N-1阶段对应的控制变量，确定第N-2阶段对应的控制变量；
重复上述过程，直至根据第2阶段对应的控制变量确定第1阶段对应的控制变量；
针对所述N个阶段中的任意一个阶段，根据所述阶段对应的控制变量，采用所述纵向动力学模型确定所述阶段的状态变量；
将所述N个阶段的状态变量作为所述目标车速。
可选的，所述目标函数包括：燃油消耗的目标函数、参考车速偏差的目标函数以及加速度大小的目标函数，
所述目标函数为：
J＝AfuerJfuel(k)+AvrefJvref(k)+AaccJacc(k)
Jacc(k)＝(vk+1-vk)2
其中，Afuer为以燃油消耗量为优化目标的权重系数，Avref为以参考车速偏差为优化目标的权重系数，Aacc为以加速度大小作为优化目标的权重系数；Q为单位路程内的发动机燃油消耗量，Ts为单位路程内的发动机扭矩，Ns为单位路程内的发动机转速，Bs为单位路程内的发动机燃油消耗率，Vs为单位路程内的车速，Vs为单位路程内的车速，Δs为路程变化量，vk为第k阶段的实时车速，vk+1为第k+1阶段的实时车速，vref为过弯参考车速；
所述参数约束条件，包括：
发动机转速约束：
Ne∈[Nmin,Nmax]
其中，Nmin为发动机转速最小值，Nmax为发动机转速最大值；
车速约束：
v∈[vmin,vmax]
其中，Vmin为最低限速，Vmax为最高限速，vref为过弯参考车速；
发动机扭矩约束约束：
Ttq∈[Tmin,Tmax]
其中，Tmin为发动机最小扭矩，Tmax为发动机最大扭矩；
加速度约束：
a∈[amin,amax]
其中，amin为控制系统的标定的加速度最小值，amax为控制系统的标定的加速度最大值。
第二方面，本申请提供一种基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制装置，该装置包括：
获取模块，用于获取前方路段的道路信息以及车辆状态信息，所述前方道路信息包括：最高限速、最低限速以及道路曲率；
处理模块，用于根据所述道路曲率确定所述车辆的过弯参考车速；
处理模块，用于建立动态规划控制模型，并通过所述动态规划控制模型对所述最高限速、所述最低限速、所述过弯参考车速以及所述车辆状态信息进行分析处理，得到所述车辆通过所述前方路段时的目标车速，并将所述目标车速发送至用户；
执行模块，用于在获取到所述用户发送的授权信息后，控制所述车辆按照所述目标车速通过所述前方路段，所述授权信息用于指示所述用户同意按照所述目标车速进行行驶。
可选的，所述处理模块，具体用于采用如下公式确定所述车辆的过弯参考车速：
其中，a为向心加速度，R为曲率半径。
可选的，所述车辆状态信息包括：车辆车速、发动机扭矩、发动机转速、变速箱挡位、制动力矩，所述处理模块，具体用于：
建立发动机的燃油消耗模型以及车辆的纵向动力学模型，所述燃油消耗模型用于确定所述车辆处于不同参数时的燃油消耗值，所述纵向动力学模型用于确定所述发动机转速、所述发动机扭矩以及所述目标车速之间的关联关系；
将所述前方路段分为N个阶段，并确定动态规划控制时的状态方程，将所述目标车速作为动态规划控制的状态变量，将所述发动机扭矩作为动态规划控制的控制变量；
将燃油消耗量、参考车速偏差、加速度大小作为优化目标，构造第k阶段的目标函数，并确定所述目标函数的参数约束条件，其中，N≥k，N和k均为正整数；
根据所述目标函数确定N个阶段中每个阶段对应的目标车速。
可选的，所述处理模块，具体用于采用如下公式表示所述车辆的纵向动力学模型：
Ft＝∑F＝Ff+Fw+Fi+Fj
其中，Ft为发动机的驱动力，Ff为车辆的滚动阻力，Fw为空气阻力，Fi为坡道阻力，Fj为加速阻力；
其中，Ttq为发动机扭矩，ig为变速箱的传动比，i0为主减速器的传动比，ηt传动机构的传动效率，r为轮胎半径，f为滚动摩擦阻力，α为坡度，CD空气阻力系数，A为迎风截面积，ρ为空气密度，v为实时车速，δ为旋转质量换算系数；
发动机转速满足如下公式：
发动机扭矩满足如下公式：
其中，m为整车质量，g为重力加速度，Iw为车轮转动惯量，If为飞轮转动惯量，ΔS为路程变化量。
可选的，所述处理模块，具体用于：
确定第N阶段对应的最小目标函数值以及所述第N阶段对应的控制变量，其中，所述第N阶段的状态变量为所述车辆车速；
根据所述第N阶段对应的控制变量，确定第N-1阶段对应的控制变量，并根据所述第N-1阶段对应的控制变量，确定第N-2阶段对应的控制变量；
重复上述过程，直至根据第2阶段对应的控制变量确定第1阶段对应的控制变量；
针对所述N个阶段中的任意一个阶段，根据所述阶段对应的控制变量，采用所述纵向动力学模型确定所述阶段的状态变量；
将所述N个阶段的状态变量作为所述目标车速。
可选的，所述目标函数包括：燃油消耗的目标函数、参考车速偏差的目标函数以及加速度大小的目标函数，所述处理模块，具体用于采用如下公式表示所述目标函数：
J＝AfuerJfuel(k)+AvrefJvref(k)+AaccJacc(k)
Jacc(k)＝(vk+1-vk)2
其中，Afuer为以燃油消耗量为优化目标的权重系数，Avref为以参考车速偏差为优化目标的权重系数，Aacc为以加速度大小作为优化目标的权重系数；Q为单位路程内的发动机燃油消耗量，Ts为单位路程内的发动机扭矩，Ns为单位路程内的发动机转速，Bs为单位路程内的发动机燃油消耗率，Vs为单位路程内的车速，Δs为路程变化量，vk为第k阶段的实时车速，vk+1为第k+1阶段的实时车速，vref为过弯参考车速；
所述参数约束条件，包括：
发动机转速约束：
Ne∈[Nmin,Nmax]
其中，Nmin为发动机转速最小值，Nmax为发动机转速最大值；
车速约束：
v∈[vmin,vmax]
其中，Vmin为最低限速，Vmax为最高限速，vref为过弯参考车速；
发动机扭矩约束约束：
Ttq∈[Tmin,Tmax]
其中，Tmin为发动机最小扭矩，Tmax为发动机最大扭矩；
加速度约束：
a∈[amin,amax]
其中，amin为控制系统的标定的加速度最小值，amax为控制系统的标定的加速度最大值。
第三方面，本申请提供一种基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制设备，包括：
存储器；
处理器；
其中，所述存储器存储计算机执行指令；
所述处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令，以实现如上述第一方面及第一方面各种可能的实现方式所述的基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制方法。
第四方面，本申请提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机执行指令，所述计算机执行指令被处理器执行以实现如上述第一方面及第一方面各种可能的实现方式所述的基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制方法。
本申请提供的基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制方法通过获取前方路段的道路信息以及车辆状态信息，所述前方道路信息包括：最高限速、最低限速以及道路曲率；根据所述道路曲率确定所述车辆的过弯参考车速；建立动态规划控制模型，并通过所述动态规划控制模型对所述最高限速、所述最低限速、所述过弯参考车速以及所述车辆状态信息进行分析处理，得到所述车辆通过所述前方路段时的目标车速，并在驾驶员授权按照该目标车速行驶时，控制所述车辆按照所述目标车速通过所述前方路段。该方法解决了行车过程中开启定速巡航导致的燃油消耗、无意识超速、侧滑或侧倾的问题，在满足驾驶员优先的原则上实现安全、经济、舒适的行驶。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1为本申请实施例提供的基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制方法流程图一；
图2为本申请实施例提供的基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制方法流程图二；
图3为本申请实施例提供的整车控制流程示意图；
图4为本申请实施例提供的控制规划流程图；
图5是本申请实施例提供的基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制装置的结构示意图；
图6是本申请实施例提供的基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制设备的结构示意图。
通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示例子、例证或说明。本申请中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
车辆定速巡航技术采用PID控制或PI控制方法对车辆的加速度进行正向控制，进而反馈到发动机输出正向扭矩，实现对车辆的加速和匀速的控制。然而，在面对高速道路中不同限速区间和复杂路况时，这种控制方法存在局限性。
例如，当驾驶员在桥梁、隧道或曲率较小的急弯等路段开启定速巡航时，可能会出现无意识的超速情况；在通过曲率较小的弯道时，如果车辆速度过快，可能会产生侧滑或侧倾的风险，同时过大的横向加速度也会给乘客带来不舒适的感觉，以上都是定速巡航系统无法直接控制的问题。
此外，当车辆临近测速点或急弯时，驾驶员可能会急踩刹车进行降速，不仅会导致定速巡航系统退出，还会增加车辆的燃油消耗率，对车辆行驶的经济性产生负面影响。
针对现有技术中存在的上述问题，本申请提供了一种基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制方法。该方法利用驾驶辅助地图实时获取前方的道路限速信息和曲率信息，再通过动态规划控制算法针对性地规划车辆的最佳速度变化轨迹，在驾驶员确认后，充分利用自车滑行、合理加减速，减少换挡过程，以确保行车安全和经济性。
下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。
图1是本申请实施例提供的基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制方法流程图一。如图1所示，本实施例提供的基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制方法，包括：
S101：获取前方路段的道路信息以及车辆状态信息。
其中，前方路段的道路信息包括最高限速、最低限速以及道路曲率，车辆状态信息包括车辆车速、发动机扭矩、发动机转速、变速箱挡位以及制动力矩。
可以理解的，利用驾驶辅助地图获取前方道路的限速信息，比如区间限速信息或者定点限速信息，是智能车辆导航和驾驶辅助系统中的重要环节。驾驶辅助地图集成了道路的详细信息，包括限速标志、道路类型、曲率、坡度等。当车辆行驶时，车载系统会实时与驾驶辅助地图进行交互，根据车辆的行驶方向和当前位置，查询并获取前方道路的限速信息。对于区间限速，系统会提供特定路段的最高或最低限速要求，驾驶员或自动驾驶系统可以根据这些信息调整车速，确保在限速范围内行驶。对于定点限速，系统会在接近限速点时发出提醒，提醒驾驶员注意降低车速，以避免超速行驶。与此同时，利用全球卫星定位系统(如GPS或北斗卫星导航系统)车载设备获取车辆当前的位置信息，是确保驾驶辅助系统精确运行的关键。全球卫星定位系统通过接收来自卫星的信号，可以精确计算出车辆的经度、纬度和高度等位置信息，与驾驶辅助地图中的道路数据相结合，可以实现车辆位置的实时定位和导航。
通过结合驾驶辅助地图和全球卫星定位系统的数据，车辆可以实时了解前方的道路限速情况，并根据当前位置进行智能导航和速度控制，提高驾驶的安全性和舒适性。
S102：根据所述道路曲率确定所述车辆的过弯参考车速。
其中，过弯参考车速代表车辆通过的该弯道时的安全舒适车速。
可以理解的，一般将车辆过弯时产生的向心加速度作为过弯时的舒适性与安全性的评价指标，其中向心加速度、车速、曲率半径之间的关系为a＝V2/R，在干燥柏油路面，轮胎磨损正常的条件下，向心加速度满足过弯舒适性的取值范围为0.1g-0.3g，其中g＝9.8m/s2，道路曲率和曲率半径互为倒数。
在本实施例中，根据道路曲率确定车辆的过弯参考车速，满足如下公式：
其中，a为向心加速度，R为曲率半径。
此外，为了降低车辆控制器的运算率，还可采用插值查表的形式确定车辆的过弯参考车速，例如，采用曲率半径间隔25m的插值查表来确定车辆的过弯参考车速。
S103：建立动态规划控制模型，并通过所述动态规划控制模型对所述最高限速、所述最低限速、所述过弯参考车速以及所述车辆状态信息进行分析处理，得到所述车辆通过所述前方路段时的目标车速，并将所述目标车速发送至用户。
其中，动态规划控制模型能够根据实时获取的道路信息和车辆状态信息，为车辆提供最优的行驶策略。
可以理解的，建立动态规划控制模型，需要考虑多个因素，包括但不限于道路的几何特性、交通状况、限速要求、车辆的动力学特性、当前速度、加速度、位置等，并将上述因素转化为模型的参数和约束条件。
动态规划控制模型会基于当前的车辆状态信息和道路信息，计算出车辆在未来一段时间内通过前方路段时的最优速度轨迹。且最优速度轨迹会考虑到多种因素，如安全性、经济性、舒适性等，并且会遵循道路的限速要求。
在动态规划控制模型构建完成后，可以将实时获取的道路信息和车辆状态信息输入到模型中进行分析处理，模型根据道路信息和车辆状态信息，结合其内部的算法和规则，计算出车辆通过前方路段时的目标车速，并将计算得出的目标车速发送给用户。该目标车速是动态规划控制模型根据当前情况和约束条件得出的最优解，能够帮助车辆实现安全、高效、舒适的行驶。
通过动态规划控制模型得到的目标车速，可以进一步用于车辆的控制系统，实现车辆的自动驾驶或辅助驾驶功能，提高车辆的行驶安全性。
S104：在获取到所述用户发送的授权信息后，控制所述车辆按照所述目标车速通过所述前方路段。
其中，授权信息用于指示用户同意按照目标车速进行行驶。
在该步骤中，可以通过视觉和听觉的形式提示驾驶员是否同意车辆自主进行动态规划控制，如若获取到驾驶员对车辆确认按键的点击操作，则表明驾驶员同意并授权按照该目标车速行驶，此时车辆将按照控制器给出的车速进行动态控制；如若在对驾驶员进行提示后，3s内未获取到驾驶员对车辆确认按键的点击操作，则默认驾驶员不同意进行动态规划控制，车辆依旧以原设定的车速进行定速巡航控制。
可以理解的，如若需要加速，则控制发动机输出正向扭矩，匹配变速箱增加挡位；如若需要减速，则控制发动机不输出扭矩，且控制车辆的缓速器或EBS进行输出反向扭矩，匹配变速箱降低挡位。
本申请实施例提供的基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制方法，该方法通过获取前方路段的道路信息以及车辆状态信息，并通过动态规划控制模型对前方路段的道路信息以及车辆状态信息进行分析处理，得到通过前方路段的目标车速。该方法解决了行车过程中开启定速巡航导致的燃油消耗、无意识超速、侧滑或侧倾的问题，在满足驾驶员优先的原则上实现安全、经济、舒适的行驶。
图2为本申请实施例提供的基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制方法流程图二。本实施例是在图1实施例的基础上，对基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制方法进行详细说明。图3为本申请实施例提供的整车控制流程示意图，图4为本申请实施例提供的控制规划流程图。如图2所示，本实施例提供的基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制方法，包括：
S201：获取前方路段的道路信息以及车辆状态信息，所述前方道路信息包括：最高限速、最低限速以及道路曲率。
S202：根据所述道路曲率确定所述车辆的过弯参考车速。
其中，步骤S201-S202与上述步骤S101-S102类似，在此不再赘述。
S203：建立发动机的燃油消耗模型以及车辆的纵向动力学模型。
其中，燃油消耗模型用于确定车辆处于不同参数时的燃油消耗值，纵向动力学模型用于确定发动机转速、发动机扭矩以及目标车速之间的关联关系。
可以理解的，发动机的燃油消耗模型是评估车辆燃油经济性的关键，需要综合考虑多种因素，包括发动机的特性、驾驶风格、道路条件以及车辆的负载等。发动机的特性，如热效率、功率输出等，会直接影响燃油的消耗。而驾驶风格，如加速、减速、巡航等模式，也会对燃油消耗产生显著影响。此外，道路条件，如坡度、曲线等，以及车辆的负载情况，如乘客和货物的重量，都会间接影响发动机的燃油消耗。通过建立精确的燃油消耗模型，可以评估不同驾驶条件下的燃油经济性，为优化驾驶策略提供依据。
在本实施例中，建立发动机的燃油消耗模型，满足如下公式：
其中，Qs为单位路程内的发动机燃油消耗量，Ts为单位路程内的发动机扭矩，Ns为单位路程内的发动机转速，Bs为单位路程内的发动机燃油消耗率，Vs为单位路程内的车速。
车辆的纵向动力学模型是描述车辆纵向运动规律的基础，主要关注车辆在纵向上的受力情况和运动状态。在建立车辆的纵向动力学模型的过程中，需要考虑车辆的重力、空气阻力、轮胎与地面之间的摩擦力等因素，进而通过车辆的纵向动力学模型描述车辆在加速、减速、巡航等状态下的运动特性。
在本实施例中，车辆的纵向动力学模型，满足如下公式：
Ft＝∑F＝Ff+Fw+Fi+Fj
其中Ft为发动机的驱动力，Ff为车辆的滚动阻力，Fw为空气阻力，Fi为坡道阻力，Fj为加速阻力；
其中，Ttq为发动机扭矩，ig为变速箱的传动比，i0为主减速器的传动比，ηt传动机构的传动效率，r为轮胎半径，f为滚动摩擦阻力，α为坡度，CD空气阻力系数，A为迎风截面积，ρ为空气密度，v为实时车速，δ为旋转质量换算系数；
发动机转速满足如下公式：
发动机扭矩满足如下公式：
其中，m为整车质量，g为重力加速度，Iw为车轮转动惯量，If为飞轮转动惯量，ΔS为路程变化量。
通过建立发动机的燃油消耗模型以及车辆的纵向动力学模型，有利于后续步骤中根据上述模型确定车辆通过限速和弯道工况区间的最优轨迹值。
S204：将所述前方路段分为N个阶段，并确定动态规划控制时的状态方程，将所述目标车速作为动态规划控制的状态变量，将所述发动机扭矩作为动态规划控制的控制变量。
其中，状态方程描述了车辆在每个阶段的状态变化，控制变量是系统可以调整以改变状态变量的量，发动机扭矩直接影响车辆的加速度和速度变化，通过调整发动机扭矩，可以控制车辆在每个阶段内的加速或减速，以更好地匹配目标车速。
可以理解的，为了更精确地控制车辆按照目标车速通过前方路段，可以将所述前方路段细分为N个阶段，每个阶段代表一段特定的道路或行驶条件。确定每个阶段动态规划控制时的状态方程，有助于根据不同路段的特性和需求，优化控制策略。
通过将前方路段分为N个阶段，并确定动态规划控制时的状态方程和控制变量，可以更精确地控制车辆按照目标车速通过前方路段。
S205：将燃油消耗量、参考车速偏差、加速度大小作为优化目标，构造第k阶段的目标函数，并确定所述目标函数的参数约束条件。
在智能驾驶系统中，为了优化车辆的性能和效率，通常会考虑多个优化目标，如燃油消耗量、参考车速偏差以及加速度大小。
在第k阶段，可以构造一个目标函数来综合考虑上述优化目标，目标函数通常是一个数学表达式，用于描述系统希望最小化的性能指标。
在本实施例中，目标函数满足如下公式：
J＝AfuerJfuel(k)+AvrefJvref(k)+AaccJacc(k)
Jacc(k)＝(vk+1-vk)2
其中，Afuer为以燃油消耗量为优化目标的权重系数，Avref为以参考车速偏差为优化目标的权重系数，Aacc为以加速度大小作为优化目标的权重系数；Q为单位路程内的发动机燃油消耗量，Ts为单位路程内的发动机扭矩，Ns为单位路程内的发动机转速，Bs为单位路程内的发动机燃油消耗率，Vs为单位路程内的车速。
除了构造目标函数外，还需要确定目标函数的参数约束条件，约束条件包括：
(1)发动机转速约束：
Ne∈[Nmin,Nmax]
其中，Nmin为发动机转速最小值，Nmax为发动机转速最大值。
(2)车速约束：
v∈[vmin,vmax]
其中，Vmin为最低限速，Vmax为最高限速，vref为过弯参考车速。
(3)发动机扭矩约束约束：
Ttq∈[Tmin,Tmax]
其中，Tmin为发动机最小扭矩，Tmax为发动机最大扭矩。
(4)加速度约束：
a∈[amin,amax]
其中，amin为控制系统的标定的加速度最小值，amax为控制系统的标定的加速度最大值。
约束条件确保了优化过程在实际操作中的可行性和安全性，在动态规划控制中，系统会在满足这些约束条件的前提下，寻找能够最小化目标函数值的最优控制策略。
S206：确定第N阶段对应的最小目标函数值以及所述第N阶段对应的控制变量，其中，所述第N阶段的状态变量为所述车辆车速。
其中，最小目标函数值代表了在第N阶段综合考虑燃油消耗量、参考车速偏差、加速度大小以及约束条件得到的最优值，对应的控制变量值代表该最优值下的发动机扭矩，车辆车速是反映车辆在该阶段运动状态的关键参数。
可以理解的，面对一个包含N个阶段的决策问题时，首先关注的是第N阶段，即最终阶段，根据该阶段的约束条件和目标函数，确定能够使该阶段目标函数值最小的控制值，这个控制值就是第N阶段的最优控制值，从最终的目标阶段开始，逆向地逐步确定每个阶段的最优决策，以确保整个过程的总目标函数值达到最小。
S207：根据所述第N阶段对应的控制变量，确定第N-1阶段对应的控制变量，并根据所述第N-1阶段对应的控制变量，确定第N-2阶段对应的控制变量。
可以理解的，得到第N阶段的最优控制值后，将其作为已知条件，回溯到第N-1阶段，在第N-1阶段，同样根据该阶段的约束条件和目标函数，并考虑到第N阶段的最优控制值对前一阶段的影响，确定第N-1阶段的最优控制值。
S208：重复上述过程，直至根据第2阶段对应的控制变量确定第1阶段对应的控制变量。
以此类推，逐步逆向寻优，直到确定出第一阶段的最优控制值，由此便可得到一个从第一阶段到第N阶段的最优控制值序列。按照正向的顺序，从第一阶段开始，依次应用这些最优控制值，就可以得到整个过程的最优解，即使得整个过程的总目标函数值达到最小的解。
S209：针对所述N个阶段中的任意一个阶段，根据所述阶段对应的控制变量，采用所述纵向动力学模型确定所述阶段的状态变量。
在本实施例中，纵向动力学模型确定了控制变量发动机扭矩与状态变量车辆车速之间的关联关系，因此，在针对任意一个阶段进行求解时，将控制变量代入纵向动力学模型中，通过计算和分析，可以得出该阶段的状态变量。
S210：将所述N个阶段的状态变量作为所述目标车速，并将所述目标车速发送至用户。
可以理解的，N个阶段的状态变量实际上构成了车辆行驶过程中的速度轨迹。每个阶段的状态变量都代表了车辆在该阶段结束时的预期车速，而控制变量的调整则是为了实现这一预期车速。通过将状态变量作为目标车速，可以确保车辆在每个阶段都能按照预定的速度行驶，从而实现整个行驶过程的平稳性和连续性。
将N个阶段的状态变量作为目标车速有助于实现车辆在整个行驶过程中的平稳、高效和安全行驶，通过精确控制每个阶段的控制变量，可以确保车辆按照预定的速度轨迹行驶，从而满足驾驶需求并提高行驶性能。
S211：在获取到所述用户发送的授权信息后，控制所述车辆按照所述目标车速通过所述前方路段。
其中，步骤S211与上述步骤S104类似，在此不再赘述。
本申请实施例提供的基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制方法，该方法通过建立发动机的燃油消耗模型以及车辆的纵向动力学模型，并将前方路段分为N个阶段，确定动态规划控制时的状态方程，将目标车速作为动态规划控制的状态变量，将发动机扭矩作为动态规划控制的控制变量，将燃油消耗量、参考车速偏差、加速度大小作为优化目标，构造目标函数，并确定目标函数的参数约束条件，确定各个阶段对应的最小目标函数值以及对应的控制变量，最后得到各个阶段对应的目标车速，该方法规划出在一定速度范围内的最节油路径。
图5为本申请提供的基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制装置的结构示意图。如图5所示，本实施例提供的基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制装置300，包括：
获取模块301，用于获取前方路段的道路信息以及车辆状态信息，所述前方道路信息包括：最高限速、最低限速以及道路曲率；
处理模块302，用于根据所述道路曲率确定所述车辆的过弯参考车速；
处理模块302，用于建立动态规划控制模型，并通过所述动态规划控制模型对所述最高限速、所述最低限速、所述过弯参考车速以及所述车辆状态信息进行分析处理，得到所述车辆通过所述前方路段时的目标车速，并将所述目标车速发送至用户；
执行模块303，用于在获取到所述用户发送的授权信息后，控制所述车辆按照所述目标车速通过所述前方路段，所述授权信息用于指示所述用户同意按照所述目标车速进行行驶。
可选的，所述处理模块302，具体用于采用如下公式确定所述车辆的过弯参考车速：
其中，a为向心加速度，R为曲率半径。
可选的，所述车辆状态信息包括：车辆车速、发动机扭矩、发动机转速、变速箱挡位、制动力矩，所述处理模块302，具体用于：
建立发动机的燃油消耗模型以及车辆的纵向动力学模型，所述燃油消耗模型用于确定所述车辆处于不同参数时的燃油消耗值，所述纵向动力学模型用于确定所述发动机转速、所述发动机扭矩以及所述目标车速之间的关联关系；
将所述前方路段分为N个阶段，并确定动态规划控制时的状态方程，将所述目标车速作为动态规划控制的状态变量，将所述发动机扭矩作为动态规划控制的控制变量；
将燃油消耗量、参考车速偏差、加速度大小作为优化目标，构造第k阶段的目标函数，并确定所述目标函数的参数约束条件，其中，N≥k，N和k均为正整数；
根据所述目标函数确定N个阶段中每个阶段对应的目标车速。
可选的，所述处理模块302，具体用于采用如下公式表示所述车辆的纵向动力学模型：
Ft＝∑F＝Ff+Fw+Fi+Fj
其中，Ft为发动机的驱动力，Ff为车辆的滚动阻力，Fw为空气阻力，Fi为坡道阻力，Fj为加速阻力；
其中，Ttq为发动机扭矩，ig为变速箱的传动比，i0为主减速器的传动比，ηt传动机构的传动效率，r为轮胎半径，f为滚动摩擦阻力，α为坡度，CD空气阻力系数，A为迎风截面积，ρ为空气密度，v为实时车速，δ为旋转质量换算系数；
发动机转速满足如下公式：
发动机扭矩满足如下公式：
其中，m为整车质量，g为重力加速度，Iw为车轮转动惯量，If为飞轮转动惯量，ΔS为路程变化量。
可选的，所述处理模块302，具体用于：
确定第N阶段对应的最小目标函数值以及所述第N阶段对应的控制变量，其中，所述第N阶段的状态变量为所述车辆车速；
根据所述第N阶段对应的控制变量，确定第N-1阶段对应的控制变量，并根据所述第N-1阶段对应的控制变量，确定第N-2阶段对应的控制变量；
重复上述过程，直至根据第2阶段对应的控制变量确定第1阶段对应的控制变量；
针对所述N个阶段中的任意一个阶段，根据所述阶段对应的控制变量，采用所述纵向动力学模型确定所述阶段的状态变量；
将所述N个阶段的状态变量作为所述目标车速。
可选的，所述目标函数包括：燃油消耗的目标函数、参考车速偏差的目标函数以及加速度大小的目标函数，所述处理模块302，具体用于采用如下公式表示所述目标函数：
J＝AfuerJfuel(k)+AvrefJvref(k)+AaccJacc(k)
Jacc(k)＝(vk+1-vk)2
其中，Afuer为以燃油消耗量为优化目标的权重系数，Avref为以参考车速偏差为优化目标的权重系数，Aacc为以加速度大小作为优化目标的权重系数；Q为单位路程内的发动机燃油消耗量，Ts为单位路程内的发动机扭矩，Ns为单位路程内的发动机转速，Bs为单位路程内的发动机燃油消耗率，Vs为单位路程内的车速；
所述参数约束条件，包括：
发动机转速约束：
Ne∈[Nmin,Nmax]
其中，Nmin为发动机转速最小值，Nmax为发动机转速最大值；
车速约束：
v∈[vmin,vmax]
其中，Vmin为最低限速，Vmax为最高限速，vref为过弯参考车速；
发动机扭矩约束约束：
Ttq∈[Tmin,Tmax]
其中，Tmin为发动机最小扭矩，Tmax为发动机最大扭矩；
加速度约束：
a∈[amin,amax]
其中，amin为控制系统的标定的加速度最小值，amax为控制系统的标定的加速度最大值。
图6为本申请提供的基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制设备的结构示意图。如图6所示，本申请提供的基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制设备，该基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制设备400包括：接收器401、发送器402、处理器403以及存储器404。
接收器401，用于接收指令和数据；
发送器402，用于发送指令和数据；
存储器404，用于存储计算机执行指令；
处理器403，用于执行存储器404存储的计算机执行指令，以实现上述实施例中基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制方法所执行的各个步骤。具体可以参见前述基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制方法实施例中的相关描述。
可选地，上述存储器404既可以是独立的，也可以跟处理器403集成在一起。
当存储器404独立设置时，该电子设备还包括总线，用于连接存储器404和处理器403。
本申请还提供一种计算机存储介质，计算机存储介质中存储有计算机执行指令，当处理器执行计算机执行指令时，实现如上述基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制设备所执行的基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制方法。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求书来限制。
Claims (10)
1.基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制方法，其特征在于，所述方法包括：
获取前方路段的道路信息以及车辆状态信息，所述前方道路信息包括：最高限速、最低限速以及道路曲率；
根据所述道路曲率确定所述车辆的过弯参考车速；
建立动态规划控制模型，并通过所述动态规划控制模型对所述最高限速、所述最低限速、所述过弯参考车速以及所述车辆状态信息进行分析处理，得到所述车辆通过所述前方路段时的目标车速，并将所述目标车速发送至用户；
在获取到所述用户发送的授权信息后，控制所述车辆按照所述目标车速通过所述前方路段，所述授权信息用于指示所述用户同意按照所述目标车速进行行驶。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述道路曲率确定所述车辆的过弯参考车速，满足如下公式：
其中，a为向心加速度，R为曲率半径。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述车辆状态信息包括：车辆车速、发动机扭矩、发动机转速、变速箱挡位和制动力矩，建立动态规划控制模型，并通过所述动态规划控制模型对所述最高限速、所述最低限速、所述过弯参考车速以及所述车辆状态信息进行分析处理，得到所述车辆通过所述前方路段时的目标车速，包括：
建立发动机的燃油消耗模型以及车辆的纵向动力学模型，所述燃油消耗模型用于确定所述车辆处于不同参数时的燃油消耗值，所述纵向动力学模型用于确定所述发动机转速、所述发动机扭矩以及所述目标车速之间的关联关系；
将所述前方路段分为N个阶段，并确定动态规划控制时的状态方程，将所述目标车速作为动态规划控制的状态变量，将所述发动机扭矩作为动态规划控制的控制变量；
将燃油消耗量、参考车速偏差、加速度大小作为优化目标，构造第k阶段的目标函数，并确定所述目标函数的参数约束条件，其中，N≥k，N和k均为正整数；
根据所述目标函数确定N个阶段中每个阶段对应的目标车速。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述车辆的纵向动力学模型，满足如下公式：
Ft＝∑F＝Ff+Fw+Fi+Fj
其中，Ft为发动机的驱动力，Ff为车辆的滚动阻力，Fw为空气阻力，Fi为坡道阻力，Fj为加速阻力；
其中，Ttq为发动机扭矩，ig为变速箱的传动比，i0为主减速器的传动比，ηt传动机构的传动效率，r为轮胎半径，f为滚动摩擦阻力，α为坡度，CD空气阻力系数，A为迎风截面积，ρ为空气密度，v为实时车速，δ为旋转质量换算系数；
发动机转速满足如下公式：
发动机扭矩满足如下公式：
其中，m为整车质量，g为重力加速度，Iw为车轮转动惯量，If为飞轮转动惯量，ΔS为路程变化量。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标函数确定N个阶段中每个阶段对应的目标车速，包括：
确定第N阶段对应的最小目标函数值以及所述第N阶段对应的控制变量，其中，所述第N阶段的状态变量为所述车辆车速；
根据所述第N阶段对应的控制变量，确定第N-1阶段对应的控制变量，并根据所述第N-1阶段对应的控制变量，确定第N-2阶段对应的控制变量；
重复上述过程，直至根据第2阶段对应的控制变量确定第1阶段对应的控制变量；
针对所述N个阶段中的任意一个阶段，根据所述阶段对应的控制变量，采用所述纵向动力学模型确定所述阶段的状态变量；
将所述N个阶段的状态变量作为所述目标车速。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述目标函数包括：燃油消耗的目标函数、参考车速偏差的目标函数以及加速度大小的目标函数，
所述目标函数为：
J＝AfuerJfuel(k)+AvrefJvref(k)+AaccJacc(k)
Jacc(k)＝(vk+1-vk)2
其中，Afuer为以燃油消耗量为优化目标的权重系数，Avref为以参考车速偏差为优化目标的权重系数，Aacc为以加速度大小作为优化目标的权重系数；Q为单位路程内的发动机燃油消耗量，Ts为单位路程内的发动机扭矩，Ns为单位路程内的发动机转速，Bs为单位路程内的发动机燃油消耗率，Vs为单位路程内的车速；
所述参数约束条件，包括：
发动机转速约束：
Ne∈[Nmin,Nmax]
其中，Nmin为发动机转速最小值，Nmax为发动机转速最大值；
车速约束：
v∈[vmin,vmax]
其中，Vmin为最低限速，Vmax为最高限速，vref为过弯参考车速；
发动机扭矩约束约束：
Ttq∈[Tmin,Tmax]
其中，Tmin为发动机最小扭矩，Tmax为发动机最大扭矩；
加速度约束：
a∈[amin,amax]
其中，amin为控制系统的标定的加速度最小值，amax为控制系统的标定的加速度最大值。
7.基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制装置，其特征在于，所述装置包括：
获取模块，用于获取前方路段的道路信息以及车辆状态信息，所述前方道路信息包括：最高限速、最低限速以及道路曲率；
处理模块，用于根据所述道路曲率确定所述车辆的过弯参考车速；
处理模块，用于建立动态规划控制模型，并通过所述动态规划控制模型对所述最高限速、所述最低限速、所述过弯参考车速以及所述车辆状态信息进行分析处理，得到所述车辆通过所述前方路段时的目标车速，并将所述目标车速发送至用户；
执行模块，用于在获取到所述用户发送的授权信息后，控制所述车辆按照所述目标车速通过所述前方路段，所述授权信息用于指示所述用户同意按照所述目标车速进行行驶。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述车辆状态信息包括：车辆车速、发动机扭矩、发动机转速、变速箱挡位、制动力矩，所述处理模块，具体用于：
建立发动机的燃油消耗模型以及车辆的纵向动力学模型，所述燃油消耗模型用于确定所述车辆处于不同参数时的燃油消耗值，所述纵向动力学模型用于确定所述发动机转速、所述发动机扭矩以及所述目标车速之间的关联关系；
将所述前方路段分为N个阶段，并确定动态规划控制时的状态方程，将所述目标车速作为动态规划控制的状态变量，将所述发动机扭矩作为动态规划控制的控制变量；
将燃油消耗量、参考车速偏差、加速度大小作为优化目标，构造第k阶段的目标函数，并确定所述目标函数的参数约束条件，其中，N≥k，N和k均为正整数；
根据所述目标函数确定N个阶段中每个阶段对应的目标车速。
9.基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制设备，其特征在于，所述设备包括：
存储器；
处理器；
其中，所述存储器存储计算机执行指令；
所述处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令，以实现如权利要求1-6中任一项所述的基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制方法。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质中存储有计算机执行指令，所述计算机执行指令被处理器执行时用于实现如权利要求1-6任一项所述的基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制方法。
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| CN202410518077.1A Pending CN118306392A (zh) | 2024-04-28 | 2024-04-28 | 基于动态规划控制的重型汽车定速巡航主动限速控制方法 |
Country Status (1)
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