商用車自適應航行控制系統(tǒng)的開發(fā)與應用

商用車自適應航行控制系統(tǒng)的開發(fā)與應用

0電控輔助制動裝置作為車輛輔助系統(tǒng)的重要組成部分之一，自適應駕駛控制（acc）系統(tǒng)具有減少駕駛員操作強度、提高汽車安全性能等優(yōu)點，引起了各汽車廠和研究機構的廣泛關注。ACC系統(tǒng)中,為實現(xiàn)自動跟車等功能,其主控制器須自動調(diào)節(jié)發(fā)動機的輸出力矩和制動系的制動壓力,從而實現(xiàn)ACC車輛按照前車的運行狀態(tài)進行加速行駛或制動減速。ACC系統(tǒng)對制動壓力進行主動調(diào)節(jié)的關鍵在于具備一套可自動調(diào)節(jié)制動壓力的電控輔助制動裝置。目前用于乘用車的電控輔助制動裝置發(fā)展較為成熟,有多種類型的裝置得以實際應用,如電子真空助力器(EVB)、液壓電控輔助制動裝置(EHB)等。而對于采用氣壓制動系的商用車,電控輔助制動裝置的研制則比較緩慢?，F(xiàn)階段,針對商用車開發(fā)的電控輔助制動系統(tǒng)主要包括德克薩斯A&M大學的基于電動缸控制制動踏板式和五十鈴公司的氣頂液式2種。然而,前者具有結構復雜、安裝不便的缺點;后者由于采用電控比例閥,成本偏高,并且采用梭閥實現(xiàn)人工制動與電控制動的切換,可靠性不夠高。ACC實現(xiàn)發(fā)動機力矩調(diào)節(jié)的關鍵在于具備一套可自動控制油門開度的電子油門控制裝置。目前,在ACC系統(tǒng)的開發(fā)中,對發(fā)動機油門開度進行控制的方案主要有2種:①以原車電子油門結構為基礎,通過對原車發(fā)動機電控單元(ECU)程序的修改,實現(xiàn)油門開度的主動控制,但該方案一般只有整車或發(fā)動機生產(chǎn)廠商能夠?qū)嵤?而且修改原車發(fā)動機ECU代碼必將涉及發(fā)動機控制邏輯的改動,可能影響發(fā)動機的正常工作,不適用于在用車ACC功能的實現(xiàn),也不利于科研院所對ACC系統(tǒng)的研究與開發(fā);②在原車油門閥體上加裝另外一套電機執(zhí)行機構,通過附加電機拖動油門閥體開閉,實現(xiàn)油門開度的調(diào)節(jié),但附加電機和油門閥體的機械連接往往導致ACC與原車的執(zhí)行機構發(fā)生沖突,駕駛員操作和ACC常常會相互干涉,無法實現(xiàn)二者的自由切換。本文中以應用于氣壓制動商用車的自適應巡航控制系統(tǒng)為研究對象,針對上述氣壓電控輔助制動裝置以及油門自動控制裝置存在的問題,設計一種基于高速開關閥的雙模式商用車氣壓電控輔助制動裝置以及一種基于原車油門執(zhí)行機構的雙模式電子油門(Double-modeElectronicThrottle,DMET)自動控制裝置。這2個裝置具有結構簡單、能夠?qū)崿F(xiàn)ACC模式和駕駛員操作模式無縫切換的特點?；谏鲜?個執(zhí)行裝置,本文中對氣壓制動商用車的ACC系統(tǒng)方案進行設計,并對其控制算法進行研究,構建了基于雙模式執(zhí)行器的商用車ACC系統(tǒng)試驗平臺。1車輛信息采集模塊針對某型號重型商用車,設計了ACC系統(tǒng)總體技術方案,如圖1所示。ACC系統(tǒng)包括5個部分:①氣壓電控輔助制動裝置;②雙模式油門自動控制裝置;③中央控制模塊;④車輛信息采集模塊;⑤雷達傳感器模塊。氣壓電控輔助制動裝置從CAN總線上接收期望制動壓力信號,通過運行制動壓力控制算法輸出脈寬調(diào)制(PWM)信號對高速開關閥進行控制,進而控制氣壓制動系的制動壓力。雙模式油門自動控制裝置從CAN總線上接收期望油門開度信號,通過油門控制算法輸出期望加速踏板電壓,控制油門開度。ACC主控制器根據(jù)車輛狀態(tài)信息和車輛環(huán)境信息,運行ACC算法,輸出期望油門開度和期望制動壓力。雷達信號采集模塊通過毫米波雷達采集前方車輛信息,并將信息發(fā)送給雷達ECU,雷達ECU運行目標選取及跟蹤算法,選取有效跟蹤目標;車輛信息采集模塊通過共享原車CAN總線信息,獲取車輛縱向運動狀態(tài),如車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等。本文中主要對ACC系統(tǒng)的前3部分,即氣壓電控輔助制動裝置、雙模式油門自動控制裝置及中央控制模塊進行研究。2自動實現(xiàn)2種模式可自由切換的acc執(zhí)行裝置對油門和制動的自動控制是實現(xiàn)汽車ACC功能的基本要求。針對采用氣壓制動系的商用車,無論是對制動的控制,還是對于油門的控制,都存在2種工作模式,即駕駛員操作模式和ACC模式,2種模式必須能夠根據(jù)駕駛員的操作意愿快速切換,兩者之間不能相互干擾,為此,需要設計能夠自動實現(xiàn)2種模式可自由切換的ACC執(zhí)行裝置。2.1基于高速開關流的電壓試器設計2.1.1壓車式變槳恒頻和電控輔助制動裝置氣壓制動系統(tǒng)廣泛應用于商用車,主要由壓力源、壓力調(diào)節(jié)機構、執(zhí)行機構組成。由于壓力調(diào)節(jié)機構是控制制動效能的主要部分,因此,本文中所設計的電控輔助制動裝置的基本原理是:對原車氣壓制動系的壓力調(diào)節(jié)機構進行改進,通過增設3個電磁閥,實現(xiàn)對制動的主動控制,并保證不干涉駕駛員的制動行為。氣壓電控輔助制動裝置與原車制動系共用壓力源和執(zhí)行機構。電控壓力調(diào)節(jié)機構與原車制動系的壓力調(diào)節(jié)機構采用并聯(lián)結構,如圖2所示。電控壓力調(diào)節(jié)機構主要由3個高速開關閥、2個單向節(jié)流閥和3個壓力傳感器組成。其具體結構為:在儲氣罐后引出1條氣體回路,與常閉高速開關閥相連,之后分為2條氣路,一條經(jīng)一單向節(jié)流閥到快放閥,進入前制動氣室,與原車前制動回路并聯(lián);另一條經(jīng)一單向節(jié)流閥到繼動閥控制氣壓輸入口,控制后制動氣室的進氣壓力與原車后制動回路并聯(lián)。此外,原車前制動回路在制動閥與快放閥之間安裝一常開高速開關閥,原車后制動回路在制動閥與繼動閥控制氣壓輸入口之間安裝另一常開高速開關閥。其中,單向閥的作用是使得原車前、后制動回路不相通,從而不影響原車的雙回路氣壓制動系的結構,保證行車制動安全性。氣壓電控輔助制動裝置包括人工制動和電控制動2種工作模式。如果駕駛員踩下制動踏板,制動ECU通過制動踏板觸發(fā)開關檢測到駕駛員制動信號,進而控制3個電磁閥均斷電,此時制動系統(tǒng)結構與普通制動系統(tǒng)等效,切入人工制動模式。當駕駛輔助系統(tǒng)判斷出車輛具有追尾危險時,若駕駛員沒有及時踩下原車上的制動踏板,則電控輔助制動裝置根據(jù)控制器發(fā)出的控制指令,切入電控制動模式,對車輛實行主動制動,保證車輛的行車安全性。電控制動過程包括3種狀態(tài):(1)增壓。此時,高速開關閥11通電打開,高速開關閥13、15通電關閉,實現(xiàn)增壓。(2)保壓。此時,高速開關閥11斷電關閉,高速開關閥13、15通電關閉,實現(xiàn)壓力的保持。(3)卸壓。此時,高速開關閥11斷電關閉,高速開關閥13、15斷電打開,實現(xiàn)卸壓。上述方案通過幾個電磁閥的協(xié)同控制,既可實現(xiàn)制動壓力的自動調(diào)節(jié),又不干涉駕駛員對原車制動系的制動行為,且該裝置不破壞原車的氣壓雙回路制動系結構,從而保證行車安全。2.1.2氣體流動數(shù)學模型的建立精確的數(shù)學模型是電控輔助制動裝置控制器設計及評價的基礎,因此本文中首先采用直接物理建模的方法對安裝氣壓電控輔助制動裝置的制動系進行建模,所建立的模型包括電磁閥動態(tài)模型和氣體流動動力學模型2個部分。忽略磁路中的磁漏以及電路中溫度變化等因素對電磁閥中各元件磁阻值、電阻值的影響,建立電磁閥模型,如式(1)、(2)所示。該模型的輸入為電磁閥的電壓U,輸出為電磁閥的動閥芯位移x。d?dt=-RΝ2δ0-xμ0A?+UΝ(1)¨x+cm˙x+km=1m(?22μ0A-kxp)(2)d?dt=?RN2δ0?xμ0A?+UN(1)x¨+cmx˙+km=1m(?22μ0A?kxp)(2)式中:?為磁通量;t為時間;R為線圈電阻;N為線圈匝數(shù);δ0為動閥芯與固定鐵芯的最大氣隙長度;μ0為空氣的磁導率,μ0=4π×10-7H·m-1;A為氣隙處的橫截面積;x為動閥芯位移;U為輸入到電磁閥的電壓;c為動閥芯運動時的等效阻尼;m為動閥芯質(zhì)量;k為回位彈簧剛度;xp為彈簧預緊量。將電磁閥看做收縮噴管,并認為氣壓制動系統(tǒng)中的氣體流動過程為一維等熵過程,另外,儲氣罐的容積很大,認為其中的氣流速度為0。在以上假設的基礎上將氣體流經(jīng)電磁閥的過程簡化為氣體通過收縮噴管流動的模型,如圖3所示?；诖四Ｐ徒鈮弘娍剌o助制動裝置的氣體流動數(shù)學模型,如式(3)所示。該模型的輸入為電磁閥的動閥芯位移x,輸出為制動氣室氣體壓力pb。聯(lián)立式(1)～(3),構成氣壓電控輔助制動裝置的整體模型,該模型的輸入為電磁閥電壓U,輸出為制動氣室氣體壓力pb。圖4為在相同的輸入下,模型的輸出和實車試驗數(shù)據(jù)的對比結果,從圖4可看出所建立的氣壓電控輔助制動裝置模型能較為準確地反映系統(tǒng)的動態(tài)特性,能夠作為氣壓電控輔助制動裝置控制算法設計及仿真驗證的基礎。1γ˙pbVbRΤb={Asp0(2γ+1)γ+12(γ-1)√γRΤ0sgn(p0-pb)pbp0≤(2γ+1)γγ-1Asp0√2γRΤ0(γ-1)|(pbp0)2γ-(pbp0)γ+1γ|?sgn(p0-pb)pbp0>(2γ+1)γγ-1(3)1γp˙bVbRTb=???????????????????????????????Asp0(2γ+1)γ+12(γ?1)γRT0???√sgn(p0?pb)pbp0≤(2γ+1)γγ?1Asp02γRT0(γ?1)|(pbp0)2γ?(pbp0)γ+1γ|????????????????????√?sgn(p0?pb)pbp0>(2γ+1)γγ?1(3)式中:γ為等熵指數(shù),對于空氣,γ=1.4;pb為制動氣室氣體壓力;Vb為制動氣室容積;Tb為制動氣室中的氣體溫度;As為電磁閥閥口截面積,As=2πrsx,rs為電磁閥閥口半徑;p0在進氣時為儲氣罐的壓力,在排氣時為大氣壓力;R為氣體常數(shù),對于空氣,R=287J·(kg·K)-1;T0在進氣時為儲氣罐的溫度,在排氣時為大氣溫度?；谏鲜鏊⒌臍鈮弘娍剌o助制動裝置模型進行控制算法設計,并進行仿真及實車試驗驗證。電控輔助制動裝置的控制器包括狀態(tài)切換模塊和比例-積分控制(PI控制)模塊2個部分?？刂破鹘邮掌谕苿訅毫π盘?并采集實際制動壓力信號,由制動狀態(tài)切換模塊判斷當前制動狀態(tài),PI控制算法根據(jù)期望制動壓力pbrkdes、實際制動壓力pbrk和制動狀態(tài),輸出控制量U控制電磁閥的通斷,進而調(diào)節(jié)實際制動壓力,如圖5所示。當制動氣室內(nèi)pbrkdes>pbrk時,處于增壓過程;當pbrkdes=pbrk時,處于保壓過程;當pbrkdes<pbrk時,處于卸壓過程。然而,實際控制中,保壓過程的上述判斷條件過于苛刻,pbrkdes準確等于pbrk的過程幾乎不存在,當pbrkdes近似等于pbrk時,氣壓電控輔助制動系統(tǒng)會在增壓狀態(tài)和減壓狀態(tài)頻繁切換,從而造成電磁閥的連續(xù)不斷開關,導致系統(tǒng)的震蕩。為避免系統(tǒng)在增壓和卸壓過程的頻繁切換造成系統(tǒng)震蕩,可放寬系統(tǒng)的保壓條件。為此,制動狀態(tài)切換模塊將pbrkdes和pbrk的偏差e不超過5%的范圍均定為保壓狀態(tài),這樣,既可保證系統(tǒng)具有較高的控制精度,又能解決系統(tǒng)震蕩的問題。各制動狀態(tài)Ystate的切換邏輯為Ystate={1e≥0.05pbrkdes0-0.05pbrkdes<e<0.05pbrkdes-1e≤-0.05pbrkdes(4)e=pbrkdes-pbrk(5)Ystate=?????1e≥0.05pbrkdes0?0.05pbrkdes<e<0.05pbrkdes?1e≤?0.05pbrkdes(4)e=pbrkdes?pbrk(5)式中:1表示增壓狀態(tài),0表示保壓狀態(tài),-1表示卸壓狀態(tài)。圖6(a)、(b)分別為加入制動狀態(tài)切換模塊前的階躍響應仿真試驗和加入制動狀態(tài)切換模塊后的階躍響應仿真試驗結果。可以看出,改進后的控制器能夠有效消除系統(tǒng)的震蕩。在駐車環(huán)境下進行氣壓電控輔助制動裝置試驗,以驗證其功能和控制器的性能,采用試驗方案如下:(1)試驗1包括3個過程,階躍制動過程(階躍增壓)、保持過程(保壓)、階躍解除制動過程(階躍卸壓),以模擬緊急制動工況;在此過程中期望制動壓力以脈沖方波的形式輸入。(2)試驗2的設計是一個重復的增壓和卸壓的過程,此過程的期望制動壓力的輸入信號是周期性的正弦波。(3)試驗3的設計是電控制動和駕駛員制動的切換,此過程分別采用電控制動和駕駛員制動實現(xiàn)對制動的控制。試驗1、2、3的實車試驗結果分別見圖7～9(圖9中信號為1表示執(zhí)行操作,信號為0表示未執(zhí)行,后圖同)。從圖7、8階躍響應和正弦響應試驗結果可看出,雖然本裝置的安裝位置靠近制動氣室,縮短了制動延遲時間,但卻存在小于0.3s的延遲。然而盡管延遲存在,控制效果仍比較理想,系統(tǒng)具有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能,穩(wěn)態(tài)誤差小于期望的5%,響應時間小于0.5s,并且能夠較為有效地消除震動。圖9中制動模式切換試驗結果顯示,前10s為電控制動,實際壓力能夠快速準確地跟蹤期望壓力;在14～18s的時間內(nèi),上位機并沒有發(fā)出期望制動壓力信號,此時駕駛員通過踏板對制動進行控制。由此可看出,所設計的電控輔助制動裝置及其控制器能夠滿足自動控制和駕駛員控制之間的自由切換。2.2雙模式油擠出自動控制裝置的設計2.2.1acc油路控制模塊原車電子油門結構及原理如圖10所示。原車發(fā)動機ECU采集加速踏板開度傳感器的電壓信號,獲得駕駛員的加速意圖,通過一定的控制邏輯計算出期望油門開度,進而結合從開度傳感器獲得的實際油門開度,通過驅(qū)動執(zhí)行機構中的電機轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)油門開度的反饋控制。本文中設計的雙模式電子油門自動控制裝置如圖11所示。與原車電子油門機構相比,雙模式油門自動控制裝置主要增加一個油門控制器,而油門控制器主要包括ACC油門控制模塊及電壓比較器。其中,ACC油門控制模塊由單片機、A/D采集、D/A輸出等模塊組成,根據(jù)上位機輸出的期望油門開度和實際油門開度的反饋量計算輸出的控制電壓量。記加速踏板開度傳感器的輸出電壓為Vdriver,代表駕駛員的加速意圖;記ACC油門控制模塊的輸出電壓為Vsystem,代表ACC系統(tǒng)的加速意圖,則電壓比較器輸出到原車發(fā)動機ECU的電壓Vout為Vout=max{Vdriver,Vsystem}(6)當駕駛員踩下加速踏板時,Vdriver>Vsystem,按照式(6),油門系統(tǒng)將首先響應駕駛員的操作指令,以滿足在ACC系統(tǒng)工作過程中駕駛員需要進行超車等意圖;當駕駛員未踩下加速踏板時,Vdriver=0,依據(jù)式(6),油門系統(tǒng)將完全遵循ACC的工作指令。通過以上過程,電壓比較器實現(xiàn)了駕駛員和系統(tǒng)之間的自然切換。相比于用軟件算法比較,本文中采用硬件比較器的優(yōu)點在于:硬件比較的可靠性高,可避免出現(xiàn)軟件算法跑飛等錯誤。2.2.2acc模式下的油路控制由于油門控制器輸出的是對發(fā)動機ECU的輸入電壓,即相當于模擬駕駛員對加速踏板的操作,因而系統(tǒng)的控制對象為發(fā)動機ECU以及油門執(zhí)行機構組成的復雜閉環(huán)系統(tǒng),難以精確建模,且存在較大遲滯,因而在油門控制器的設計上,采用前饋加反饋的比例-積分-微分控制器(PID控制器)結構,實現(xiàn)ACC模式下的油門控制,如圖12所示,其中前饋控制根據(jù)被控對象的開環(huán)特性設計。對該油門開度控制系統(tǒng)的性能進行驗證,分別給出了當期望油門開度為階躍信號和正弦信號時的控制效果,如圖13、14所示?？梢钥闯鱿到y(tǒng)控制效果良好,能夠精確響應期望油門開度指令,穩(wěn)態(tài)誤差小于0.5%,響應時間小于0.3s,可以滿足ACC等縱向駕駛輔助系統(tǒng)對油門控制的要求。圖15為ACC系統(tǒng)和駕駛員的切換試驗結果,當駕駛員需要進行超車等動作時踩下加速踏板,系統(tǒng)能夠迅速切換到駕駛員操縱模式,控制系統(tǒng)停止控制量的積分;駕駛員放松加速踏板后,實際油門開度又能很快實現(xiàn)對ACC系統(tǒng)期望油門開度的跟蹤。該試驗結果表明,本文中所設計的雙模式電子油門能夠?qū)崿F(xiàn)ACC和駕駛員操作2種控制模式的無縫切換。3充放電控制器設計ACC系統(tǒng)控制器一般包括上位控制器和下位控制器。上位控制器根據(jù)傳感裝置獲取的相對車速和相對車間距離等信息,利用一定的控制算法計算期望加速度;下位控制器根據(jù)一定的控制算法計算期望油門開度和制動壓力,進而通過油門自動控制裝置和電控輔助制動裝置實現(xiàn)上位控制器期望的加速度。商用車ACC系統(tǒng)上位控制器的設計與乘用車并無太大區(qū)別,因此本文設計的商用車ACC系統(tǒng)上位控制器直接采用文獻中提出的基于線性最優(yōu)控制理論的上位控制算法。而在商用車ACC系統(tǒng)下位控制器設計中,補償由發(fā)動機的靜態(tài)非線性及擋位切換等因素引起的非線性是其中一個難點。乘用車ACC系統(tǒng)通常采用車輛逆縱向動力學逆模型補償車輛縱向非線性。對于商用車,逆模型雖然也可有效補償消除車輛縱向非線性,但是因為在不同的載荷量下商用車整車質(zhì)量變化較大,并且商用車更易受風阻、道路坡度等因素的干擾影響,因此依靠單純的逆模型對系統(tǒng)進行開環(huán)控制,難以實現(xiàn)加速度的準確跟蹤。另外,重型商用車在驅(qū)動控制和制動控制中都存在較大遲滯,當僅采用反饋校正時,容易導致加速度閉環(huán)控制抖振。因此,本文中采用Smith預估補償器和PI控制器相結合的方法對商用車ACC系統(tǒng)下位控制器進行設計,如圖16所示。其中,Ades為系統(tǒng)輸入,即期望加速度,af為自車(受控車)加速度,afm為模型輸出加速度,ˉaaˉfm為PI控制器的輸出量經(jīng)過一階慣性環(huán)節(jié)后的加速度,τm為延遲時間常數(shù),s為拉普拉斯算子,Gm(s)為傳遞函數(shù)?！澳婺Ｐ图榆囕v”系統(tǒng)構成ACC下位控制器的廣義控制對象;車輛的輸入為油門開度和制動壓力,輸出為實際加速度;而逆模型的輸入為期望加速度,輸出為期望油門開度和制動壓力;因此,“逆模型加車輛”系統(tǒng)的整體輸入為期望加速度,輸出為實際加速度。為實現(xiàn)Smith預估補償器的設計,必須獲取被控對象較準確的數(shù)學模型,因此本文中對所研究的商用車的“逆模型加車輛”系統(tǒng)的模型進行辨識,并將辨識結果作為Gm(s)e-τms的表達式。認為“逆模型加車輛”系統(tǒng)為一階慣性加延遲環(huán)節(jié),采用文獻中提出的階躍響應算法對其模型進行辨識,辨識結果如式(7)及圖17所示。其中,Aact為系統(tǒng)輸出,即實際加速度。Aact(s)=1.0060.4153s+1e-0.5257sAdes(s)(7)Aact(s)=1.0060.4153s+1e?0.5257sAdes(s)(7)圖18為采用Smith預估補償器前后的對比效果。從圖18中可看出,采用Smith預估控制前,系統(tǒng)遲滯造成了較明顯的加速度抖振現(xiàn)象,大大破壞舒適性。采用Smith預估控制后,加速度抖振被很好地抑制,這說明Smith預估控制確實能有效降低輸出加速度抖振的程度,對于重型商用車具有重要的實用意義。4實車試驗結果為了充分驗證本文中所開發(fā)的基于雙模式執(zhí)行器的商用車ACC系統(tǒng)的性能,基于中國產(chǎn)某半掛牽引商用車在城市快速路上進行實車試驗。在該商用車原有電子油門及氣壓制動系統(tǒng)的基礎上對其進行改造,使其具有雙模式執(zhí)行器功能。在試驗中設計3種工況,分別為前車切入工況、前車正弦加減速工況和前車自由駕駛工況。這些工況既反映了城市道路和高速公路交通流的某些特定工況(如前2種工況),又反映了城市道路和高速公路交通流的整體特性(如前車自由駕駛工況)。實車試驗結果如圖19～21所示。圖19為前車切入工況實車試驗結果。在7s時突然有前車切入,此時目標車切換為切入車輛,車間距離下降,新的目標車(即切入車輛)速度較上一個目標車速度下降。從試驗結果可見,自車在有前車突然切入后,能夠迅速減小油門開度,增加制動壓力,使自車車速快速穩(wěn)