本發(fā)明涉及汽車速度優(yōu)化控制領域，特別是考慮道路坡度和曲率信息的四驅電動車速度優(yōu)化控制方法。

背景技術：

自環(huán)境和能源問題受到關注以來，汽車的經(jīng)濟性一直都是國內外的一個研究重點。汽車的經(jīng)濟性除了與車輛本身的性能有關，還受行駛道路和工況的影響。因此，近年來有學者研究考慮道路坡度信息的預測巡航控制，對于重型卡車在坡度變化較大、較為頻繁的路段，經(jīng)濟性提升效果非常明顯。daimlerchrysler公司基于傳統(tǒng)的自適應巡航系統(tǒng)，根據(jù)gps導航，結合3d數(shù)字地圖，提前獲取前方道路坡度的信息，進行預測巡航控制，運行優(yōu)化算法，優(yōu)化車輛的速度變化軌跡，從而提高車輛經(jīng)濟性。

同時電動汽車目前被認為是解決環(huán)境和能源問題的一個重要途徑，四輪驅動電動汽車由于其更好的動力學可控性，近年來越來越受到關注。利用電動化和線控化的驅動系統(tǒng)，考慮道路和工況，研究四輪驅動電動汽車的速度優(yōu)化控制，降低行駛路徑上的能量消耗，對于提高四輪驅動電動汽車的經(jīng)濟性具有重要意義。除了道路的坡度對于車輛的經(jīng)濟性有影響，當車輛在彎道上行駛時，車速對于車輛的側向穩(wěn)定性能有較大影響，因此有必要考慮道路的曲率信息進行速度優(yōu)化控制，以提高車輛的行駛安全性和經(jīng)濟性。目前國內外針對道路信息的速度優(yōu)化控制和預測巡航控制，主要是考慮道路的坡度信息，對于道路的曲率信息考慮較少，尤其是對四輪驅動電動汽車的研究更少。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是：提供一種四驅電動汽車速度優(yōu)化控制方法，該方法綜合考慮道路坡度和曲率信息，在保證彎道行駛安全性的條件下，使電動汽車在給定行駛路徑上的能量消耗最小，能夠顯著提高汽車的經(jīng)濟性和安全性。

本發(fā)明為解決上述技術問題，采用以下技術方案：

一種基于道路坡度和曲率的四驅電動車速度優(yōu)化控制方法，其特征在于包括如下步驟：

1)車輛在具有彎道和坡度的路況下保持行駛狀態(tài)，ecu通過gps和gis獲得道路信息和車輛狀態(tài)信息；其中，車輛狀態(tài)信息包括車輛的位置、速度、加速度，道路信息包括前方道路的坡度、曲率；

2)ecu根據(jù)獲得的道路坡度、曲率信息和車輛狀態(tài)信息建立縱向動力學模型以及系統(tǒng)狀態(tài)方程，在此基礎上結合行駛過程中的能量計算方法，建立關于消耗能量和行駛時間的優(yōu)化目標函數(shù)；同時，ecu根據(jù)獲得的道路曲率信息設定道路側向極限穩(wěn)定條件，并且根據(jù)道路坡度信息設定彎道行駛過程中的安全車速，實現(xiàn)安全車速約束；

3)在步驟2)的基礎上進行模型預測控制優(yōu)化，根據(jù)總能量需求最小化的目標，將行駛路程離散化，設置預測域和預測周期找到每一個預測周期內所達到的目標車速以及所需要的目標轉矩，并考慮彎道上的安全車速范圍，得到汽車的最優(yōu)車速軌跡。

上述技術方案中，步驟2)在等速圓周行駛條件下，通過道路曲率得到轉彎半徑，根據(jù)路面附著條件得到地面所能提供的最大側向力，進而得到最高車速限制實現(xiàn)安全車速約束。

上述技術方案中，步驟2)道路側向極限穩(wěn)定條件為：考慮道路的曲率和附著條件，根據(jù)車輛的側向狀態(tài)，以保證彎道行駛的安全性為前提，設計車輛的安全限制車速，使車輛不發(fā)生側向失穩(wěn)，即需要滿足：

其中各參數(shù)如下，ay為汽車的側向加速度，為路面附著系數(shù)。

上述技術方案中，步驟2)建立的縱向動力學模型為：

式中：α為道路坡度角，通過gps和gis信息系統(tǒng)獲得，ttotal為電驅動系統(tǒng)總輸出轉矩，v為車輛行駛速度，是優(yōu)化控制方法要求解的變量；式中包括的車輛參數(shù)有：m為汽車質量，δ為汽車旋轉質量換算系數(shù)，f為汽車滾動阻力系數(shù)，cd為空氣阻力系數(shù)，a為迎風面積，ρ為空氣密度，r為車輪滾動半徑，ft為車輛行駛的驅動力，ff為車輛行駛的滾動阻力，fi為車輛行駛的坡度阻力，fw為車輛行駛的空氣阻力，fj為車輛行駛的加速阻力，g為汽車重量；

考慮車輛行駛過程中的能力損耗，和時間消耗轉化為的物質代價，結合能量與時間的權重綜合建立綜合能耗評價表達式如下：

式中，s為車輛行駛距離；λ為行駛時間的權重系數(shù)，反映了時間消耗相對于系統(tǒng)能耗的權重；p為電池的輸出功率tcmd為單個電機的輸出轉矩，ωm為電機轉動的角速度；η為電機效率。

上述技術方案中，步驟3)進行安全車速約束時，將車輛行駛過程中的總路程劃分為若干段子路程，認定足夠小的一段路程的坡度和曲率為定值，對于道路有曲率的彎道行駛工況，在等速圓周行駛條件下，利用轉彎半徑和車速表達出車輛的側向力，在保證側向力不超過路面附著力的條件下，求得車速的范圍，即安全車速范圍。

上述技術方案中，步驟3)通過將行駛過程離散化，根據(jù)離散動態(tài)規(guī)劃算法，得到每一階段路程行駛的目標車速與轉矩，于是求解優(yōu)化問題如下：

式中δs為求解的路程的步長，上式可以求得一段路程的綜合能耗，在求解的過程中通過遍歷滿足要求范圍的車速，尋求滿足目標函數(shù)的最優(yōu)化車速，得到一段路程的車速軌跡。

本發(fā)明利用多傳感器信息融合技術，ecu可以獲得車輛和道路信息，建立縱向動力學模型以及系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過能量管理構建目標函數(shù)，并且根據(jù)道路坡度信息設計彎道行駛過程中的安全車速。將行駛路程離散化，建立離散動態(tài)規(guī)劃算法，優(yōu)化計算得到目標車速與轉矩。與現(xiàn)有技術相比具有以下主要的優(yōu)點：

其一，綜合道路坡度和曲率信息，通過模型預測控制方法，得到最優(yōu)車速和轉矩，以提高汽車的經(jīng)濟性和安全性。更加符合實際道路情況，實用性更大，在減小能量消耗的同時，保證彎道行駛的極限穩(wěn)定性，提高車輛的安全性和經(jīng)濟性。

其二，將行駛路程所消耗的時間疊加到能耗中，可以避免僅考慮系統(tǒng)的能量消耗會使優(yōu)化結果傾向于使車輛以很低的速度行駛，糾正了目標函數(shù)，獲得的目標車速更能保證汽車經(jīng)濟性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于道路坡度和曲率的四驅電動車速度優(yōu)化控制方法的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明gps和gis采集信息圖；

圖3是本發(fā)明仿真車輛行駛示意圖；

圖4是本發(fā)明中的總路程劃分離散簡易圖。

具體實施方式

本發(fā)明公開了一種基于道路坡度和曲率的四驅電動車速度優(yōu)化控制方法，也是基于行駛路徑范圍內的坡度、曲率等道路信息的目標車速和轉矩的優(yōu)化決策算法，方法流程如圖1所示，包括信息處理、能量管理和車速優(yōu)化算法。其中，信息處理是基于多傳感器信息融合技術，獲得車輛和道路信息，車輛信息包括位置、速度、加速度等，道路信息包括前方道路的坡度、曲率等；并根據(jù)獲得的道路信息和車輛狀態(tài)建立縱向動力學模型以及系統(tǒng)狀態(tài)方程。能量管理包括建立行駛過程中的能量計算方法，建立關于消耗能量和行駛時間的優(yōu)化目標函數(shù)。車速優(yōu)化算法就根據(jù)總能量需求最小化的目標，將行駛路程離散化，對于每一階段通過離散動態(tài)規(guī)劃算法，并考慮彎道上的安全車速范圍，得到汽車的最優(yōu)車速軌跡。

所述的信息處理是通過gps和gis進行信息獲取，獲取流程如圖2所示，ecu(electroniccontrolunit)負責接收并處理傳感器實時采集得到的所有數(shù)據(jù)，并從中提取出車輛信息以及前方道路信息，根據(jù)車輛基本參數(shù)建立縱向動力學模型如下式：

式中：α為道路坡度角，通過gps和gis信息系統(tǒng)獲得，ttotal為電驅動系統(tǒng)總輸出轉矩，v為車輛行駛速度，是優(yōu)化控制方法要求解的變量。式中包括的車輛參數(shù)有：m為汽車質量，δ為汽車旋轉質量換算系數(shù)，f為汽車滾動阻力系數(shù)，cd為空氣阻力系數(shù)，a為迎風面積，ρ為空氣密度，r為車輪滾動半徑。

所述的能量管理，作為控制算法的目標，由于單獨考慮消耗的能量必然導致車輛以較低的車速行駛，為了重視時間的價值，綜合能量與時間的權重建立能耗評價系統(tǒng)，實時控制巡航目標，使其最優(yōu)化，

所以結合能量與時間的權重綜合建立綜合能耗評價表達式如下：

式中，s為車輛行駛距離；λ為行駛時間的權重系數(shù)，反映了時間消耗相對于系統(tǒng)能耗的權重；p為電池的輸出功率，p由電機轉矩和角速度求得，如下式所示：

上式中，tcmd為單個電機的輸出轉矩；ωm為電機轉動的角速度；η為電機效率。

所述的行駛策略，將車輛行駛過程中的總路程劃分為若干段子路程，認定足夠小的一段路程的坡度和曲率為一定值，對于道路有曲率的彎道行駛工況，在等速圓周行駛條件下，計算出對應的方向盤轉角，再根據(jù)車輛的側向響應特性，利用方向盤轉角和車速表達出車輛的側向力，在保證側向力不超過路面附著力的條件下，求得車速的范圍，即安全車速范圍。

本發(fā)明提到的離散動態(tài)規(guī)劃算法，動態(tài)規(guī)劃往往可以用遞歸程序來實現(xiàn)，通過遞推可以充分利用前面保存的子問題的解來減少重復計算，其用途是找到每一階段路程所達到的目標車速以及所需要的目標轉矩，通過線控化和電動化的執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)行駛路程中的速度軌跡。圖4將行駛路程離散化，設置預測域和預測周期(圖4中的預測域長度是需要大于預測周期長度，所以有重合部分)，找到每一個預測周期內所達到的目標車速以及所需要的目標轉矩，并考慮彎道上的安全車速范圍，得到汽車的最優(yōu)車速軌跡。

接下來結合附圖1-4對本發(fā)明進一步說明：

該車輛配置gps和gis系統(tǒng)，并且設置轉速傳感器、橫擺角速度傳感器，在一定路況下行駛，示意圖參考附圖3，通過gps和gis獲得道路信息和交通信息，ecu獲得并處理信息，而得到具體參數(shù)值。

建立汽車縱向動力學模型：

式中，α為道路坡度角由gis提供，ttotal為電驅動系統(tǒng)總輸出轉矩，v為車輛行駛速度。

基于車輛動力學模型可以得到系統(tǒng)的狀態(tài)方程：

代入輸入x＝[vt]^t得：

v(k+1)＝v(k)+akδt

t(k+1)＝t(k)+δt

而動力學模型是以時間為自變量的，由于本發(fā)明針對路程將其離散化，因此以路程作為自變量，換算公式為：

式中，系統(tǒng)狀態(tài)輸入x包括車輛速度v與時間t，即x＝[vt]^t，可以獲得系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：

式中，tcmd為控制輸入的轉矩，α為道路坡度角由gis提供，v為車輛行駛速度。

當?shù)缆酚星?，即汽車在彎道行駛時，需要保證行駛的安全性。在等速圓周行駛條件下，通過道路曲率得到轉彎半徑，根據(jù)轉彎半徑和車速可以表達出車輛的側向加速度：

式中ay為汽車的側向加速度，r為轉彎半徑。

此時汽車的側向加速度ay受路面附著條件的限制：

式中為路面附著系數(shù)。

從而得到車速的安全范圍為：

最后建立離散的動態(tài)規(guī)劃算法，通過將路程離散化，對每一小段路程進行最優(yōu)化求解，得到目標車速和轉矩，具體算法詳細實行分以下幾個步驟：

1)劃分階段：

將總路程長度s分段求解，即分成路程預測周期為sy來進行求解，對于其中一段預測域長度sp(sp>sy)，設定離散化步長為δs，路程具體劃分見附圖4，

則：

sp＝nδs

2)確定狀態(tài)，狀態(tài)變量以及狀態(tài)轉移方程：

系統(tǒng)狀態(tài)輸入包括x包括車輛速度v與時間t，即x＝[vt]^t，可將上面的系統(tǒng)狀態(tài)方程變形為：

ak是車輛縱向加速度，表示為：

系統(tǒng)狀態(tài)輸出y＝tcmd，而

3)確定決策：

對于預測域長度為sp，則目標函數(shù)變?yōu)椋?/p>

式中，λ為行駛時間的權重系數(shù)，反映了時間消耗相對于系統(tǒng)能耗的權重，增大λ會使車輛趨向于更高的目標速度行駛，反之導致目標車速降低，因此λ是目標車速的函數(shù)，即

λ＝f(vtarg)

p為電池的輸出功率，p由電機轉矩和角速度求得，表達式如下：

上式中，tcmd為單個電機的輸出轉矩；ωm為電機轉動的角速度；η為電機效率，可利用電機效率測量數(shù)據(jù)，通過查表獲得。

將預測域長度離散化后得到目標函數(shù)表達為：

而對于每一個步長滿足

4)尋找邊界條件：

系統(tǒng)初始狀態(tài)即為車輛此時的速度和時間，為計算方便，每次求解一段路程sp中的目標速度優(yōu)化問題時，將距離和時間置零，即

最終通過編程求解得到每一段δs中的目標車速vk和tcmd,k。

此預測域sp優(yōu)化完成后計算下一個預測域，直至達到總路程s則完成優(yōu)化。