[发明专利]一种驱动制动优化切换的电动汽车自适应巡航控制方法

摘要

本发明公开了一种驱动制动优化切换的电动汽车自适应巡航控制方法，包括如下步骤：上层控制器计算出理想的驱动及制动力矩以及驱动与制动的切换规则；下层控制器将理想的驱动/制动力矩分配到四个车轮。本发明的上层控制器根据当前道路环境以及行驶需求，将驱动制动优化切换的自适应巡航控制策略设计转化为一个实时的混合整数非线性规划命题，并通过基于改进遗传算法的双层嵌套求解算法对该命题进行求解，得到驱动与制动的切换规则以及对应的控制驱动/制动力矩。下层控制器根据上层控制器计算出的理想驱动/制动力矩按垂直载荷大小分配力矩至轮毂电机使得车轮协调运转。减少了驱动执行器与制动执行器的动作次数，并使车轮趋于最佳的工作状态。

主权项

1.一种驱动制动优化切换的电动汽车自适应巡航控制方法，其特征在于：包括如下步骤：A、上层控制器计算出理想的驱动及制动力矩以及驱动与制动的切换规则上层控制器根据本车及前车的状态计算出理想的驱动及制动力矩以及驱动与制动的切换规则，包括以下步骤：A1、基于逻辑变量的驱动制动动力学建模为更好的反映汽车的驱动及制动特性，提高上层控制器的设计精度，采取如下的驱动和制动动力学方程驱动方程：制动方程：其中m为汽车质量，表示汽车加速度，v为汽车车速，R_g为有效减速比，T_e为轮毂电机驱动力矩，h_r为有效转动半径，K_roll为转动阻力系数，g为重力加速度，K_air为空气阻力系数，S_front为车辆前部分与空气接触有效面积，ρ_air为空气密度，θ为道路倾斜角，T_b为轮毂电机制动力矩；引入逻辑二进制变量将驱动及制动动力方程统一到一个方程，同时为了表述驱动动作和制动动作不能同时工作，加入关于逻辑变量的不等式约束：其中ξ1和ξ2为逻辑二进制变量，1代表工作状态，0代表空闲状态，ξ1+ξ2≤1不等式约束代表驱动动作或制动动作不能同时进行；A2、结合驱动制动优化切换的车间相互纵向运动学建模根据自适应巡航控制系统的本车及前车的相互纵向运动学特性，结合驱动制动切换的动力学模型，得到如下离散状态方程：其中：Δx(k)为第k时刻前车与本车的车间距，vrel(k)为第k时刻前车与本车的相对速度，ap(k)为第k时刻前车的加速度，a(k)为第k时刻本车的加速度，τ表征下层控制器的时间常数，Ts表征自适应巡航控制策略的采样时间，j(k)为第k时刻本车加速度的变化率；选取前车与本车的车间距、本车车速、前车与本车的相对速度、本车加速度及本车加速度变化率作为预测方程的状态变量，将前车加速度作为扰动量，经过推导得到驱动执行器和制动执行器特性和前车与本车间相互纵向运动学特性的非线性综合方程：x(k+1)＝f(x(k))+B1ξ1(k)u1(k)+B2ξ2(k)u2(k)+Gw(k)+Z   (6)其中x(k)＝[Δx(k),v(k),vrel(k),a(k),j(k)]T，考虑到综合方程表达式存在二次项x22(k)，呈现非线性，为提高方程预测控制的实时性，对(6)式进行线性化处理得到线性综合方程：x(k+1)＝A(x(k))x(k)+B1ξ1(k)u1(k)+B2ξ2(k)u2(k)+Gw(k)+Z1   (7)其中矩阵A、Z1为：A3、建立状态空间方程选取前车与本车间距误差δ(k)、前车与本车的相对速度vrel(k)、本车加速度a(k)和本车加速度变化率j(k)作为优化性能指标，自适应巡航控制策略的输出方程如下：y(k)＝Cx(k)‑Z2   (8)其中y(k)＝[δ(k) vrel(k) a(k) j(k)]Tth为车头时距值，d0为最小前车与本车间距；最终形成的离散状态方程如下：x(k+1)＝A(x(k))x(k)+B1ξ1(k)u1(k)+B2ξ2(k)u2(k)+Gw(k)+Z1   (9)y(k)＝Cx(k)‑Z2   (10)A4、建立预测方程根据所建立的驱动制动优化切换的前车与本车间相互纵向运动学综合模型，对预测时域内的状态变量进行预测：其中p为预测时域，m_c为控制时域，为在第k时刻对预测时域内每一步的状态变量的预测矩阵，为在第k时刻对预测时域内每一步的输出量的预测矩阵，U₁(k+m_c)和U₂(k+m_c)为待求的控制量，w(k+p)为第k时刻预测时域内每一步扰动量的预测矩阵，所述的扰动量为前车的加速度，x(k)为第k时刻的状态变量，为在第k‑1时刻对第k时刻状态变量的预测值，e_x(k)为k时刻实际检测到的状态变量与预测值的误差，Λ₁、Λ₂为状态方程和输出方程相应项的预测矩阵；A5、建立混合整数非线性规划方程对于汽车自适应巡航控制系统来说，无论采取何种控制策略，安全跟车为基本的道路行驶目标，即通过调整车速保证一个安全的前车与本车间距行驶，并且在此过程中避免本车与前车碰撞；也即在任何时间应使前车与本车间距误差趋于0、前车与本车的相对速度也趋于零，如下式所示：δ(k)→0,vrel(k)→0 as k→∞   (13)Δx(k)≥dc   (14)为改善乘坐舒适度，在行驶过程中对本车的舒适度性能指标‑加速度及加速度变化率进行优化：根据汽车自身能力的限制，对本车速度、本车加速度和本车加速度变化率进行相应的优化：以上对自适应巡航车辆在道路行驶过程中满足的多个控制目标进行分析，在满足这些行驶目标的同时，需要对车辆自身的驱动制动特性进行优化，尽可能减小驱动、制动执行器的切换次数；也就是说，如果当前时刻汽车的驱动执行器处于工作状态，即ξ1(k)＝1,ξ1(k)＝0，应尽量避免下一时刻切换到制动执行器工作，即ξ1(k)＝0,ξ1(k)＝1)，故对车辆自身的驱动制动特性进行优化，表示如下：此外，对于驱动执行器和制动执行器，其控制输入量存在如下约束：其中u1min、u1max分别为轮毂电机输入转矩的最小值和最大值，u2min、u2max分别为输入制动踏板位置的最小值和最大值；故得到自适应巡航控制系统约束为：在模型预测控制MPC框架下，将行驶过程中需要优化的多个性能指标以加权的方式写成如下方程：其中Q为性能向量的权系数矩阵，R1和R2为控制向量权系数，S1、S2分别为驱动执行器、制动执行器惩罚系数；将式(11)、(12)分别代入(19)、(20)，并忽略目标函数中与待优化变量无关的项，整理得到：其中：式(21)所表示为混合整数非线性规划MINLIP方程，K₂＝[M₅ M₆]，Φ、I_w、U_1max、U_1min、U_2min、U_2max为约束条件的约束矩阵；A6、求解混合整数非线性规划方程针对式(21)中的混合整数非线性规划MINLIP方程，固定整数变量后，对应的优化命题转化为：其中f(Λ₁,Λ₂)为固定整数变量后对应项在目标函数的值，矩阵K₃、K₄、的公式如下：K₄＝[M₅Λ₁ M₆Λ₂]，由此可见，这是一个标准的二次规划方程；直接利用有效集算法对二次规划方程进行求解，得到理想的驱动/制动力矩和驱动/制动的切换规则；B、下层控制器将理想的驱动/制动力矩合理的分配到四个车轮；下层控制器根据上层控制器计算出理想的驱动/制动力矩，并将该力矩合理的分配到四个车轮，包括以下步骤：为了提高四轮独立驱动电动汽车的驱动能力，根据车轮所受的垂直载荷的大小进行力矩分配：其中T1、T2、T3、T4为最终分配到左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的驱动/制动力矩，Fz1、Fz2、Fz3、Fz4为作用在左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的垂直载荷，Fz表示汽车所受到的总的垂直载荷。