[发明专利]一种基于道路地形信息的卡车预测节能系统及控制方法

权利要求书

1.一种基于道路地形信息的卡车预测节能控制方法，实现基于道路地形信息的卡车预测节能控制方法的系统包括GPS卫星(12)、GPS信号接收器(4)、定位模块(5)、路径规划模块(2)、地图数据存储模块(3)、传感器(6)、坡度信息存储单元(8)、预测节能控制器(9)、油门踏板(10)、制动器(11)和离合换挡机构(7)；

所述的地图数据存储模块(3)用来存储地图数据；

所述的坡度信息存储单元(8)用来存储坡度信息；

所述的预测节能控制器(9)用来计算控制信号；

所述的路径规划模块(2)用来规划前往目的地的路径；

所述的定位模块(5)用来处理GPS信号以确定车辆位置坐标；

所述的GPS信号接收器(4)通过串口与定位模块(5)连接；所述的定位模块(5)连接到路径规划模块(2)的GPS信号传输针脚上；所述的地图数据存储模块(3)连接到路径规划模块(2)的SATA接口上；所述的路径规划模块(2)、地图数据存储模块(3)、GPS信号接收器(4)和定位模块(5)构成车辆导航系统；所述的车辆导航系统通过CAN总线与预测节能控制器(9)相连；所述的传感器(6)通过信号线与预测节能控制器(9)的传感器信号接口相连；所述的坡度信息存储单元(8)连接到预测节能控制器(9)的SATA接口上；所述的预测节能控制器(9)的油门接口通过信号线与油门踏板(10)连接；所述的预测节能控制器(9)的制动接口通过信号线与制动器(11)连接；所述的预测节能控制器(9)的换挡接口通过信号线与离合换挡机构(7)相连；所述的GPS信号接收器(4)、定位模块(5)、路径规划模块(2)、地图数据存储模块(3)、传感器(6)、坡度信息存储单元(8)、预测节能控制器(9)、油门踏板(10)、制动器(11)和离合换挡机构(7)均通过电源线与车辆蓄电池连接实现供电；所述的地图数据存储模块(3)采用的是车载级存储卡；所述的坡度信息存储单元(8)采用的是车载级存储卡；所述的预测节能控制器(9)采用的是汽车电控单元ECU；所述的路径规划模块(2)采用的是带有中央处理器CPU的主板；所述的定位模块(5)，采用的是带有中央处理器CPU的主板；

其特征在于，该控制方法包括以下步骤：

步骤一、建立车辆纵向动力学模型；

步骤二、建立燃油消耗率模型；

步骤三、建立约束条件；

步骤四、离散化速度区间；

步骤五、建立目标函数；

步骤六、动态规划逆推算法；

步骤七、最优状态求解最优控制动作算法；

所述的步骤一的具体方法如下：

根据车辆驱动力-行驶阻力建立平衡方程如下式(1)：

F_t＝F_f+F_i+F_w+F_j (1)

可得车辆加速度如下式(2)：

其中，F_t是车轮上的驱动力；F_f是滚动阻力；F_i是坡度阻力；F_w是空气阻力；F_j是加速阻力；

δ是车辆旋转质量换算系数；m是整车质量，单位是kg；

F_f＝fmg cosα (4)

F_i＝mg sinα (5)

其中，T是发动机输出转矩；i_g是变速器传动比；i_f主减速器传动比；η_t是传动系统机械效率；r是车轮半径，单位是m；

f是滚动阻力系数；g是重力加速度常数，单位是m/s²；α是道路坡度；c_d是空气阻力系数；A是迎风面积，单位是m²；ρ是空气密度，单位是kg/m³；v是车速；

所述的步骤二的具体方法如下：

发动机的燃料消耗率近似为发动机输出转矩T和发动机转速N的二阶函数，形式如下：

其中，l_i，j是拟合系数，发动机输出转矩T近似为发动机转速N和节气门开度P的二阶函数：

其中，k_i，j是拟合系数，发动机转速由车速v和挡位G的传动比参数i_g确定：

运用动态规划的方法实现最优控制，因此将控制问题离散为N步，每一步车辆的状态为x(k)，k＝0，1，...，N，x(k)中包含的主要车辆参数有车速v(k)，加速度燃油消耗率档位G(k)；由状态x(k)到状态x(k+1)的控制动作为u(k)＝(P(k)B(k)G(k))；

其中，P(k)为油门踏板水平，P(k)∈[0 1]；B(k)为制动水平，B(k)∈[0 1]；G(k)为将档位变换到g(k)；

所述的步骤三中的约束包括速度约束和挡位约束，具体如下：

速度约束：参考速度为v_ref；车辆速度随着v_dec而降低，并且随着v_inc而增加；将对车速v的约束表示为：

v_ref-v_dec≤v≤v_ref+v_inc (11)

其中，v_dec是参考速度下偏差；v_inc是参考速度上偏差；

下限表示为v_min＝v_ref-v_dec，上限表示为v_max＝v_ref+v_inc；

挡位约束：通过对发动机转速N的约束，可以在一种状态下选择一组挡位，在速度为v(k)的状态下，该组挡位被定义为：

其中，N_min是该速度档位下的最小允许转速；N_max是该速度档位下的最大允许转速；

因为道路坡度信息中的道路坡度α与位置相关而不是时间相关，所以控制过程离散形成N+1个状态x(k)，k＝0，1，...，N，相邻两状态间的阶段网格设置为S米，该算法每S米计算一次，每当车辆行驶了S米时，执行一次计算出的最佳控制信号；

所述的步骤四的具体方法如下：

对于固定的初始速度和挡位，很明显在最大油门踏板水平P＝1时，且在合适的挡位下得到下一阶段最高速度v⁺；

在油门踏板水平P＝0的情况下，根据建模可知阻力矩与发动机转速线性相关，具有最高传动比的挡位提供最高的发动机转速，因此具有最大的阻力矩和最低的车辆速度；因此如果假设不使用制动器，则在油门踏板水平P＝0且使用最高传动比挡位的情况下可以获得最低速度v^-；

因此，可达速度的集合是[v^-，v⁺]，然后结合对公式(11)中规定的速度约束，表示要考虑的速度集为[v_low，v_high]，上限v_high是：

v_high＝min{v⁺，v_max} (13)

下限设置为：

v_low＝max{v^-，v_min} (14)

从初始状态开始向后计算，这样每个阶段都计算出一组速度约束[v_low，v_high]；为保证v(k)不始终低于v_ref，令最终状态的v_low＝v_ref，然后从最终状态开始向前进行二次计算，当两次的计算结果出现重叠时终止二次计算

将状态x(k)的速度v(k)可取的连续型集合[v_low，v_high]以δ的恒定步长离散化，便组成了离散型集合V_δ：

V_δ＝{v_low，v_low+δ，v_low+2δ，...，v_high} (15)

则状态x(k)的速度：v(k)∈{v_low，v_low+δ，v_low+2δ，...，v_high}；

所述的步骤五的具体方法如下：

该控制系统的主要目的是使车辆保持在允许的速度范围内，同时最少使用燃料，并考虑车辆的舒适性和制动的使用情况；令从状态x(k)到状态x(k+1)的成本函数表示为a_k：

a_k＝κ₁m_f(k)+κ₂(v(k)-v_ref)²+κ₃(v(k)-v(k-1))²+κ₄B(k) (16)

令从状态x(i)到状态x(N)的成本函数表示为J[x(i)]，则：

由此得到目标成本函数：

其中，κ₁为燃油经济性惩罚系数，该项的含义为在保证预测巡航的同时尽量减少燃油使用量；κ₂为车速跟踪水平惩罚系数，该项的含义为保证预测巡航的跟踪车速；κ₃为舒适性惩罚系数，该项的含义为为保证舒适性，不平滑的车速变化将受到惩罚；κ₄制动应用情况惩罚系数，该项的含义为卡车预测巡航过程中尽量减少制动的应用，若应用制动将受到惩罚；

所述的步骤六的具体方法如下：

该算法每S米执行一次，利用给定的初始状态和约束条件从k＝N开始从后向前逆推基本方程，最后算出最优成本J^*[x(0)]时就得到了从初始状态x(0)到最终状态x(N)的最优状态序列：

X^*＝{x^*(k)|k＝0，1，...，N} (19)

逆推运算过程为：

1.因为终端状态x(N)自由，所以令J^*[x(N)]＝a_N＝0

2.令i＝N-1

3.令J^*[x(i)]＝min{a_i+J^*[x(i+1)]}

4.对i＝N-2，N-3，...，1重复步骤3

5.最后求得最优成本为J^*[x(0)]，最优状态序列为X^*；

所述的步骤七的具体方法如下：

因为道路坡度信息中的道路坡度α与位置相关而不是时间相关，所以将车辆状态参数由时间相关转换成位置相关来求解计算：

因为为与(v P B G α)相关的函数，为与(v P G)相关的函数，所以得到以下状态描述：

在控制动作u(k)＝(P(k) B(k) G(k))的作用下，由状态x(k)到状态x(k+1)，将该转换过程建立离散模型，将阶段网格S米分成M个部分，设并表示vi＝v(ih)，假设控制动作u(k)和道路坡度α(k)在阶段S期间是恒定的，则：

由此，在已知{v(k)，G(k)}和{v(k+1)，G(k+1)}的情况下，便可求得m_f(k)和u(k)；

U＝{u(k)|k＝0，1，...，N-1} (25)

集合U则构成了从初始状态x(0)到最终状态x(N)的控制动作序列；

根据最优状态x^*(k)中的{v^*(k)，G^*(k)}，由公式(23)便可求得从初始状态x(0)到最终状态x(N)的最优控制动作序列：

U^*＝{u^*(k)|k＝0，1，...，N-1} (26)。