純電動(dòng)汽車(chē)自適應(yīng)巡航控制研究

純電動(dòng)汽車(chē)自適應(yīng)巡航控制研究對(duì)自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。制定了純電動(dòng)汽車(chē)自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)整體架構(gòu)，并對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的縱向動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析，隨后選擇了一種合適的安全距離模型以保證車(chē)輛行駛的安全性，運(yùn)用Simulink搭建了所必需的雷達(dá)和輪轂電機(jī)模型。采用CarSim2020搭建自車(chē)與前車(chē)的車(chē)輛模型以及仿真環(huán)境?；赑ID控制算法和線性二次型調(diào)節(jié)器(linearquadraticregulator,LQR)分別搭建出定速巡航和距離保持的上層控制器，再通過(guò)車(chē)輛縱向動(dòng)力學(xué)搭建下層控制器。持控制器進(jìn)行仿真研究。仿真結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)定速巡航和距離保持功能，具有良好的實(shí)用性和有效性。隨著全球汽車(chē)數(shù)量的增加，能源短缺和道路安全問(wèn)題越來(lái)越被人們所重視[1-3]。在提倡環(huán)保節(jié)能和實(shí)現(xiàn)工業(yè)智能化的背景下，純電動(dòng)汽車(chē)的開(kāi)發(fā)研究受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。為了解決車(chē)輛數(shù)量的增加和交通安全等問(wèn)題之間的矛盾，關(guān)于車(chē)輛自適應(yīng)巡航控制的研究得到快速發(fā)展，且取得了一定的成果，但在許多方面還需要進(jìn)行深入地研究[4-7]。隨著全球能源短缺的問(wèn)題日益凸顯，電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)始有成為汽車(chē)市場(chǎng)主流的趨勢(shì)。所以，電動(dòng)汽車(chē)上也開(kāi)始安裝自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)。Akhega-[8]研究了一種用于智能綠色自主車(chē)輛(SAGA)的縱向控制器，在自動(dòng)駕駛中可以最大程度地減少能量的消耗，實(shí)現(xiàn)綠色出行。在新能源汽車(chē)行業(yè)中，特斯拉在ACC系統(tǒng)的研發(fā)上有巨大的投入，其系統(tǒng)已經(jīng)有多次更新，融入了較多的安全性設(shè)計(jì)[9]。其系統(tǒng)不僅可以在空曠路面上根據(jù)駕駛員所設(shè)定好的車(chē)速進(jìn)行定速巡航，還可以在復(fù)雜路況對(duì)環(huán)境進(jìn)行分析，通過(guò)改變速度來(lái)控制安全車(chē)距。李韌等[10]提出一種新的ACC跟車(chē)間距控制方法，低速時(shí)以固定距離作為跟車(chē)間距，高速時(shí)以車(chē)輛制動(dòng)距離作為跟車(chē)間距，這樣既可以保證行駛過(guò)程中的舒適性，又可以保證車(chē)輛的真平臺(tái)，并開(kāi)發(fā)純電動(dòng)汽車(chē)ACC系統(tǒng)的控制算法，通過(guò)分析5種常見(jiàn)工況來(lái)驗(yàn)證所提出的控制策略和算法的有效性和正確性。郝克宇[12]通過(guò)基于實(shí)際情況建立車(chē)輛的安全距離模型，采用分層控制對(duì)ACC系統(tǒng)進(jìn)行研究，分別采用了模糊控制和PID控制理論對(duì)上下層控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制器的有效性。對(duì)于距離保持功能而言，采用PID控制并不是很好的選擇。PID只關(guān)注當(dāng)前時(shí)刻的誤差，不關(guān)注未來(lái)時(shí)間段內(nèi)的誤差，沒(méi)有預(yù)見(jiàn)性。LQR可以在多個(gè)約束條件下得到最優(yōu)性能指標(biāo)，十分適合ACC系統(tǒng)的多目標(biāo)控制。吳利軍等[13]提出了一種以控制車(chē)間距離和相對(duì)車(chē)速為目標(biāo)的LQR控制算法。仿真結(jié)果驗(yàn)證了基于LQR所設(shè)計(jì)的ACC控制器的有效性。同時(shí)，李想等[14]基于LQR設(shè)計(jì)了ACC控制系統(tǒng)，采用變權(quán)重系數(shù)的方法計(jì)算出優(yōu)化后的期望加速度，增加了控制目標(biāo)。仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制策略的有效性。由于LQR具有限制和優(yōu)化加速度的能力，并且可以計(jì)算未來(lái)固定時(shí)間段內(nèi)的最優(yōu)，因此采用LQR來(lái)設(shè)計(jì)距離保持上層控制器。1ACC系統(tǒng)基本功能及整體架構(gòu)為研究純電動(dòng)汽車(chē)自適應(yīng)巡航控制，首先要確定所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的功能。在本文中設(shè)計(jì)的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)主要有2種功能：定速巡航和距離保持。駕駛員根據(jù)自身需要設(shè)定合適的巡航車(chē)速后，自車(chē)進(jìn)行加速或者減速，最后以巡航車(chē)速繼續(xù)向前行駛。在車(chē)輛處于定速巡航模式時(shí)，車(chē)輛以恒定的速度前進(jìn)。當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板或加速踏板時(shí)，定速巡航工作模式將自動(dòng)取消，由駕駛員自身控制車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，保證了駕駛員第一原則。理論上，定速巡航模式只能用于高速公路、封閉道路和空曠無(wú)人且長(zhǎng)直的郊區(qū)道路。事實(shí)上，如果交通情況良好且前方道路的行駛車(chē)輛較少時(shí)，駕駛員也可以使用定速巡航控制系統(tǒng)，使車(chē)輛以駕駛員所設(shè)定的恒定速度前進(jìn)。駕駛員根據(jù)自身需要設(shè)定合適的安全距離模型后，自車(chē)上的雷達(dá)實(shí)時(shí)對(duì)前車(chē)的間距進(jìn)行檢測(cè)。若發(fā)現(xiàn)自車(chē)與前車(chē)的距離小于設(shè)定距離時(shí)，自車(chē)減速；若檢測(cè)距離過(guò)大或者超出了雷達(dá)檢測(cè)范圍，則自車(chē)開(kāi)始加速。通過(guò)距離保持控制器使車(chē)輛加速或減速，從而達(dá)到距離保持控制的效果。在實(shí)際工作環(huán)境中，距離保持控制模式適用于高速公路、封閉道路和交通狀況良好的郊區(qū)道路。如果交通情況良好但需要跟隨前車(chē)行駛時(shí)，駕駛員為保證自車(chē)與前車(chē)保持在一定的安全距離，可以選擇開(kāi)啟距離保持控制系統(tǒng)，以便自車(chē)能夠在保持駕駛員所設(shè)定的安全距離情況下對(duì)前車(chē)跟蹤行駛。在行車(chē)過(guò)程中，駕駛員可以通過(guò)根據(jù)自身需要和道路交通環(huán)境選擇不同的控制模式，從而滿(mǎn)足駕駛員對(duì)車(chē)輛控制的不同需求。這些功能的實(shí)現(xiàn)可以有效增強(qiáng)車(chē)輛的主動(dòng)安全性，減緩駕駛員在車(chē)輛行駛中的疲勞程度，提高了自動(dòng)巡航系統(tǒng)的工作效率。純電動(dòng)汽車(chē)自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的2種不同控制器從啟動(dòng)到實(shí)現(xiàn)控制效果的整個(gè)過(guò)程如圖1所示。圖1純電動(dòng)汽車(chē)自動(dòng)巡航過(guò)程框圖2車(chē)輛縱向動(dòng)力學(xué)模型建立為了更好地分析純電動(dòng)汽車(chē)在行駛時(shí)的受力情況，建立了純電動(dòng)汽車(chē)的縱向動(dòng)力學(xué)模型，并直觀地表示出車(chē)輛在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力分析，包括所示。圖2車(chē)輛縱向受力分析示意圖分別是前后車(chē)輪的縱向力；Fzf和Fzr分別是前后車(chē)輪的垂直載荷；Rxf和Rxr分別是前后車(chē)輪的滾動(dòng)阻w為空氣阻力，haero是空氣阻力距離地面的高center為質(zhì)心高度；lf和lr為質(zhì)心距離前后兩軸的距離。根據(jù)牛頓第二定律，車(chē)輛在縱向上可以得到以下關(guān)系式：Fxfxr-Rxf-Rxr-Fw-mgsinθ=ma(1)車(chē)輛在行駛過(guò)程中會(huì)受到空氣阻力的影響，尤其在高速行駛時(shí)，車(chē)輛受到空氣阻力的影響特別明顯，是因?yàn)樗c車(chē)輛迎風(fēng)面積和相對(duì)風(fēng)速有2Fw2D為空氣阻力系數(shù)；A為行駛車(chē)輛迎風(fēng)面r為車(chē)輛與風(fēng)速的相對(duì)速度，在無(wú)風(fēng)情況下等于車(chē)速。車(chē)輛除了受到空氣阻力外，輪胎和支承路面的變形也會(huì)產(chǎn)生滾動(dòng)阻力，通?？杀硎鰹椋篟xfxr=f(Fzf+Fzr)(3)式中：f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，車(chē)輛的滾動(dòng)阻力系數(shù)與自車(chē)車(chē)速成正比關(guān)系，一般推薦的公式是：根據(jù)受力情況的轉(zhuǎn)矩平衡，可以得出前后車(chē)輪EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up12(center),ghce)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up15(s),n)tθ(5)3上層控制器設(shè)計(jì)上層控制器根據(jù)駕駛員自身需要選擇不同的控制模式，最后輸出期望加速度給下層控制器，從而控制自車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。3.1安全距離模型建立考慮到駕駛員反應(yīng)時(shí)間和制動(dòng)裝置發(fā)揮作用時(shí)間的存在，將選擇可變車(chē)間時(shí)距模型來(lái)確定自動(dòng)巡航系統(tǒng)的安全距離。一般情況下，前后兩車(chē)停止時(shí)的間距在3m左右，駕駛員的反應(yīng)時(shí)間在考慮到行車(chē)安全和乘車(chē)舒適性，選擇停車(chē)間距為3m,駕駛員反應(yīng)時(shí)間與制動(dòng)裝置響應(yīng)時(shí)間之和為0.7s,車(chē)輛的最小制動(dòng)減速度為5m/s2,將各項(xiàng)數(shù)值代入式(6)中，得出本文的安全距離數(shù)學(xué)模型：根據(jù)我國(guó)的《道路交通安全法實(shí)施條例》規(guī)定[15]：對(duì)于行駛在高速公路的車(chē)輛，當(dāng)車(chē)速超過(guò)100km/h時(shí)，與同車(chē)道的前車(chē)的安全距離要保持小于規(guī)定的100m,所以本文設(shè)計(jì)的安全距離模型符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，可以在本文中使用。3.2基于PID的定速巡航上層控制器設(shè)計(jì)定速巡航控制模式是行駛車(chē)輛最基礎(chǔ)的一種工作模式，它可以通過(guò)接收駕駛員設(shè)定好的巡航車(chē)速，使自車(chē)加速或者減速，直至達(dá)到駕駛員所預(yù)期的目標(biāo)車(chē)速后，一直保持巡航車(chē)速行駛。定速巡航控制器的控制算法的實(shí)現(xiàn)相對(duì)較容易，所以采用PID控制算法來(lái)設(shè)計(jì)定速巡航控制器。假設(shè)駕駛員預(yù)先設(shè)置好的巡航車(chē)速為vhum,而自車(chē)的當(dāng)前車(chē)速為v,兩者作差為：-v(7)根據(jù)PID控制算法，定速巡航的上層控制器的表達(dá)式為：(8)I系數(shù)。定速巡航控制器的PID參數(shù)通過(guò)試湊法，最I(lǐng)=0。為考慮到實(shí)際情況，需要對(duì)期望加速度的輸出做限幅處理。采用3.3基于LQR的距離保持上層控制器設(shè)計(jì)距離保持控制器是自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的重要部分之一，在設(shè)計(jì)距離保持上層控制器時(shí)可以運(yùn)用線性二次型調(diào)節(jié)器的方法，進(jìn)行期望加速度的求解［16，17］。首先，對(duì)跟車(chē)行駛過(guò)程進(jìn)行分析。假設(shè)兩車(chē)間距和相對(duì)速度是可以測(cè)量的，為了簡(jiǎn)化過(guò)程，在此不考慮摩擦力等影響較小的因素。所以在本文中，設(shè)定安全距離模型為自車(chē)與前車(chē)的期望車(chē)間間距，由安全距離模型可以得到，自車(chē)期望車(chē)間間距與自車(chē)的實(shí)時(shí)速度、最小車(chē)間距有關(guān)。當(dāng)分析兩車(chē)行駛過(guò)程時(shí)，前后兩車(chē)的加速度變量以及傳遞特性有以下關(guān)系：EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up6(·),ζ)1EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up4(…),x)2分別是自車(chē)車(chē)速和前車(chē)車(chē)速，1是自車(chē)實(shí)際加速度，ζ是實(shí)時(shí)車(chē)間間距。設(shè)該系統(tǒng)的狀態(tài)變量為XT=EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up5(·),ζ)dXdEQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up13(·),X)dudXdEQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up2(1),1)B將控制誤差設(shè)為自車(chē)與前車(chē)期望間距與實(shí)際設(shè)計(jì)的控制器的效果是否良好，需要一個(gè)控制標(biāo)準(zhǔn)，本文中距離保持控制器的設(shè)計(jì)問(wèn)題可以被簡(jiǎn)化成控制指標(biāo)求最小值問(wèn)題，即將狀態(tài)反饋增益原理轉(zhuǎn)化成最優(yōu)化的跟蹤問(wèn)題，如式（13）所示。本文選擇最優(yōu)控制的目標(biāo)函數(shù)作為距離保持控制器的度量標(biāo)準(zhǔn)，所以二次型性能指標(biāo)為：2u2u為控制變量的加權(quán)值。根EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up6(·),ζ)2基于此系數(shù)下的距離保持控制器能夠良好地實(shí)現(xiàn)期望車(chē)間間距，加速度變化的波動(dòng)次數(shù)較小，可以滿(mǎn)足駕駛員以及乘客的舒適性要求。將計(jì)算出的狀態(tài)反饋系數(shù)代入式（14）中，可得自車(chē)的期望加速度表達(dá)式：EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up7(·),ζ)1為了符合車(chē)輛實(shí)際的制動(dòng)情況以及舒適性要求，需要對(duì)距離保持控制器輸出的期望加速度作望加速度的輸出進(jìn)行限制，設(shè)定最小值為-5，最4下層控制器設(shè)計(jì)下層控制器接收上層控制器輸出的期望加速度信號(hào)，然后計(jì)算出總力矩，再根據(jù)車(chē)輛縱向動(dòng)力學(xué)方程求解出力矩，并進(jìn)行驅(qū)動(dòng)／制動(dòng)力矩的分配，從而較好地控制自車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。4.1制動(dòng)力矩分配計(jì)算要分析4個(gè)車(chē)輪的力矩，首先要計(jì)算出總力flrfrrrl=Frlrrrrfrrlrr-rl矩表達(dá)式：根據(jù)式（1）和式（5）將前后輪和左右輪的縱向力按照輪胎垂直載荷比例進(jìn)行分配，得出以下方程組：flfrrlxfxrTfrEQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up11(r),r)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up11(a),T)EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up9(xf),Tr)lr求解上述方程組，得出各個(gè)車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)力矩的表達(dá)式：EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up8(zf),mg)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up15(T),T)EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up12(r),r)EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up12(l),r)EQ\*jc3\*hps20\o\al(\s\up8(2),2)EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up14(Tto),Tto)EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up12(t),t)EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up12(a),a)EQ\*jc3\*hps11\o\al(\s\up12(l),l)4.2自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)工作模式切換由于車(chē)輛在行駛過(guò)程中，2種工作模式都是駕駛員自主開(kāi)啟，所以必須考慮到駕駛員自身的想法，比如對(duì)2種不同控制器的切換。設(shè)計(jì)了2種控制器的切換方法，原理如圖3所示。圖3上層控制器的切換原理示意圖ades為定速巡航上層控制器的期望加速度，即為定出為距離保持上層控制器的期望加速度，最后的輸出加速度ades為距離保持上層控制器的期望加速度，即為距離保持模式。5聯(lián)合仿真及結(jié)果分析在完成安全距離模型、前車(chē)和自車(chē)的Carsim車(chē)輛模型以及自適應(yīng)巡航控制器模型的建立后，聯(lián)合接口并建立整體的純電動(dòng)汽車(chē)閉環(huán)仿真模型。在彎道工況下對(duì)所設(shè)計(jì)的純電動(dòng)汽車(chē)自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)置路面附著系數(shù)巡航和安全距離保持工況下常見(jiàn)的車(chē)輛行駛狀態(tài)為加速、減速以及勻速。所以在60s內(nèi)設(shè)置了前證自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。5.1前車(chē)變速行駛定速巡航工況仿真結(jié)果穩(wěn)定在65km/h直至仿真結(jié)束。加減速工況下的定速巡航仿真結(jié)果如圖5所示。圖5前車(chē)變速行駛定速巡航工況仿真結(jié)果從圖5(a)可以看出，所設(shè)計(jì)的定速巡航控制器能夠較好地滿(mǎn)足行駛需要，使自車(chē)車(chē)速在3s左右加速到駕駛員所設(shè)置的巡航車(chē)速，并保持穩(wěn)定，且加速過(guò)程相對(duì)平緩，保證了駕駛員的舒適性。圖5(b)為加速巡航下自車(chē)期望加速度與實(shí)際加速度的對(duì)比曲線。從圖中可以看出，自車(chē)實(shí)際加速度的變化趨勢(shì)與期望加速度相同，車(chē)輛實(shí)際最大加速度在4m/s2左右，符合設(shè)計(jì)需求。車(chē)輛在加速時(shí)的加速度變化有小幅度的振蕩，但其震蕩符合預(yù)期效果。圖5(c)和圖5(d)分別為兩車(chē)的速度對(duì)比和距離對(duì)比曲線。從圖中可以看出，車(chē)內(nèi)保持勻速行駛，兩車(chē)一直保持著安全車(chē)距，保證行車(chē)安全性。綜上所述，定速巡航工況下控制器的控制效果良好。5.2前車(chē)變速行駛距離保持工況仿真結(jié)果首先設(shè)置自車(chē)初始車(chē)速為65km/h,兩車(chē)距離設(shè)置為50m,前車(chē)行駛狀態(tài)不變。仿真時(shí)間為工況仿真結(jié)果如圖6所示。從圖6(a)可以看出，距離保持控制器的控制效果良好，前后兩車(chē)的實(shí)際距離與期望距離基本相同，達(dá)到了預(yù)期效果。從圖6(b)可以看出，自車(chē)加速度的變化趨勢(shì)與期望加速度的變化趨勢(shì)相同，存在一點(diǎn)點(diǎn)滯后現(xiàn)象，但是基本符合要求。自車(chē)加速度在前2s內(nèi)有一些振蕩，這是由于自車(chē)初始速度比前車(chē)小，前車(chē)正在減速，同時(shí)初始距離較遠(yuǎn)的緣故。為了在跟上前車(chē)的前提下與其保持安全距離，需要車(chē)輛在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行加速。而且，加2,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期效果。圖6(c)為兩車(chē)速度變化曲線。從圖中可以看出，在保持安全距離的條件下，自車(chē)與前車(chē)的速度變化趨勢(shì)相同，且變化較為平緩，保證了乘車(chē)舒適性。從圖6(d)可以看出，自車(chē)的跟蹤性能良好。綜上所述，距離保持工況下控制器控制效果良好。圖6前車(chē)變速行駛距