CN110792762A - 一种巡航模式下商用车前瞻换挡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种巡航模式下商用车前瞻换挡控制方法包括步骤1：获取车辆当前行驶位置、坡道信息，并根据行驶目的地获取车辆未来一段行驶路径中的道路坡道信息，将其按距离长度h离散为N段；步骤2：从初始状态和/或结束状态方向上进行动态规划，并获取最优换挡控制序列；步骤3：结合车辆初始状态及所述最优换挡控制序列，确定车辆最优状态轨迹，得到循环工况下最佳换挡点。本发明设计开发的巡航模式下商用车前瞻换挡控制方法，能够根据车辆预计行驶路段的坡道信息，以总油耗和总行驶时间作为综合性能指标优化获得预计行驶路段的最优换挡控制序列，并确定车辆最优状态轨迹。

Description

一种巡航模式下商用车前瞻换挡控制方法

技术领域

本发明涉及换挡控制技术领域，更具体的是，本发明涉及一种巡航模式下商用车前瞻换挡控制方法。

背景技术

商用车在我国的经济建设事业中发挥着重大作用，是公路交通的重要组成部分。由于载荷大，燃油消耗量是乘用车的数倍，在使用成本上，燃油消耗成本约占使用周期内各项成本支出的1/3。因而，减小燃油消耗对于实现节能减排目标，降低运输成本具有现实意义。自动变速器可根据人-车-路环境需求自动切换挡位，调节发动机运行工况点，将动力高效、平稳传递，是实现汽车节能的关键总成，在商用车领域应用广泛。

以长途运输为主的商用车多行驶在高速路况，在法规限速范围内驾驶员操纵车辆以一定车速巡航，搭载有巡航控制装置的车辆可在驾驶员设定操作下自动控制油门和制动从而实现车速控制。对于商用车而言巡航行驶状态占其车辆行驶状态比例较高，改善该状态下的燃油经济性对实现经济运输目标尤为重要。在巡航模式下，自动变速器挡位的改变仍基于换挡规律MAP。换挡控制策略(挡位决策)作为影响整车经济性水平的重要因素，经历了由单参数(车速或节气门开度)、两参数(车速、节气门开度)、动态三参数(车速、节气门开度、加速度)到智能化的过渡。智能化挡位决策是在两参数或三参数换挡规律基础上通过行驶环境识别、驾驶员意图识别、车辆状态参数辨识对换挡点进行修正，可将人-车-路系统作为一个整体，实现满足驾驶员动力需求和当前行驶环境、兼顾车辆状态的换挡。

尽管智能化换挡控制策略在一定程度上提高了变速器的控制性能，但在某些特殊行驶工况或状态下与经验型驾驶员相比仍有一定差距，其中一个重要原因是系统不具有人的前瞻道路、交通状况等扰动因素并基于知识进行决策的能力，仅以当前行驶环境信息作为挡位决策输入无法保证换挡对未来短时行驶环境变化的适应性。随着全球定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS)在汽车领域的广泛应用以及ITS、智能网联汽车环境感知技术的发展，可为包括变速器在内的动力总成提供更加精确的行驶环境与交通信息，使得基于前瞻道路信息进行挡位决策成为可能。

道路坡度变化是影响商用车巡航状态下燃油经济性的主要因素，有经验的驾驶员往往基于预见性坡度信息主动调节挡位及车速，避免发动机低效运行和制动导致的动能耗费。

发明内容

本发明设计开发了一种巡航模式下商用车前瞻换挡控制方法，能够根据车辆预计行驶路段的坡道信息，以总油耗和总行驶时间作为综合性能指标优化获得预计行驶路段的最优换挡控制序列，并确定车辆最优状态轨迹。

本发明提供的技术方案为：

一种巡航模式下商用车前瞻换挡控制方法，包括如下步骤：

步骤1：获取车辆当前行驶位置、坡道信息，并根据行驶目的地获取车辆行驶路径中的道路坡道信息，将其按距离长度h离散为N段；

步骤2：从初始状态和/或结束状态方向上进行动态规划，并获取最优换挡控制序列，其包括：

从初始阶段0和/或结束阶段N出发，根据该阶段车辆所有可能状态及换挡控制指令获取各对应阶段指标函数值，并确定该阶段最优挡位及对应换挡控制指令；

依次递增和/或递减，根据各个阶段满足状态转移关系的车辆状态，获取不同控制指令时对应的阶段指标函数值，根据状态转移关系分别累加当前阶段和已经获得的所有阶段指标函数值得到过程指标函数值，并确定最优换挡指令；

直至结束阶段N和/或初始阶段0，确定最优换挡控制序列；

其中，阶段指标函数为：

和/或

过程指标函数J_k为：

J_k＝J_k-1+Δm_f(x(k),u(k))；和/或

J_k＝J_k+1+Δm_f(x(k),u(k))；

其中，是发动机的瞬时燃油消耗率，v是车速，J_k是到达阶段k时的过程指标函数，Δm_f(x(k),u(k))是阶段k的阶段指标函数，α是过程中行驶时间的权重；β过程中耗油量的权重，d_s是路段的离散长度，x(k)为车辆状态，u(k)是换挡控制指令；

步骤3：结合车辆初始状态及所述最优换挡控制序列，确定车辆最优状态轨迹，得到循环工况下最佳换挡点。

优选的是，在步骤2和步骤1之间，还包括对全局进行车速规划，采用离散规划获取全局最优速度轨迹。

优选的是，所述车辆状态为：

x(k)＝[g(k),v(k)]^T；

其中，1≤g(k)≤12；

0≤v(k)≤v_sikmax；

g(k)为挡位；v(k)为车速；u(k)为换挡指令，为0时代表不换挡，为1时代表升档，为-1时代表降档；

为车辆起始和终端状态约束，v_sikmax是最优速度轨迹中阶段k的车速轨迹中的最大值。

优选的是，所述车速为：

其中，T_e为发动机扭矩，i_g为当前挡位传动比，i₀为主减速比，η_T为整个系统传动效率，m为汽车质量，g为重力加速度，f为滚动阻力系数，i为坡道系数，C_D为迎风阻力系数，A为迎风面积，ρ为空气密度，r为车轮滚动半径，J_w为车轮的转动惯量，J_e为发动机转动惯量。

优选的是，所述发动机扭矩为：

其中，a为油门开度；k_(p,q)为系数；ω_e为发动机转速。

优选的是，所述发动机的瞬时燃油消耗率为：

其中，P_e为发动机瞬时功率；α₁、α₂、α₃是系数。

优选的是，所述步骤2中，从初始状态和结束状态两个方向上进行动态规划，并获取最优换挡控制序列。

优选的是，所述步骤3中，所述车辆最优状态轨迹采用顺序递推方法确定。

优选的是，根据所述最优换挡控制序列和车辆初始状态，顺序递推一次确定对应换挡时刻对应的车速及节气门开度信息，获得整个循环工况对应的最优换挡序列。

本发明所述的有益效果：

本发明设计开发的巡航模式下商用车前瞻换挡控制方法，能够根据车辆预计行驶路段的坡道信息，以总油耗和总行驶时间作为综合性能指标优化获得预计行驶路段的最优换挡控制序列，并确定车辆最优状态轨迹。

附图说明

图1为本发明所述巡航模式下商用车前瞻换挡控制方法的流程图。

图2为本发明实施例所述分层前瞻换挡控制器的示意图。

图3为本发明实施例所述全局车速规划流程图。

图4为本发明实施例所述动态规划算法对目标挡位优化的流程图。

图5为本发明实施例所述坡道对挡位的影响示意图。

图6为本发明实施例所述坡道对车速的影响示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供一种巡航模式下商用车前瞻换挡控制方法，包括如下步骤：

步骤1：车辆解析建模

车辆的解析化建模主要包括发动机油耗模型和整车纵向动力学模型，发动机油耗模型为静态油耗模型，以发动机功率为参数的二次多项式来拟合发动机瞬时油耗，可表达为式(1)的形式，

式中，

是发动机的瞬时燃油消耗率；P_e为发动机瞬时功率；α₁、α₂、α₃是拟合系数，采用最小二乘法对发动机万有特性曲线拟合得到。

通过对驾驶员扭矩需求拟合可以得到发动机扭矩与油门开度、发动机转速的拟合关系如式(2)，考虑对应挡位速比可获得车速与发动机转速的对应关系，最终获得发动机瞬时油耗与油门开度、发动机转速的映射关系。

其中，T_e为发动机扭矩，a为油门开度；k_(p,q)为拟合的多项式系数；ω_e为发动机转速。

在车辆纵向动力学建模中在保证准确性的前提下进行适当简化，忽略发动机和传动系高阶动态特性，机械间隙和扭转变形等非线性因素，不考虑离合器滑磨，假设换挡过程在瞬间完成、忽略换挡冲击，即根据汽车行驶中驱动力与阻力平衡关系得到整车纵向动力学模型解析化表达，如式(3)所示。

式中，v为车速；i_g为当前挡位传动比；i₀为主减速比；η_T为整个系统传动效率；m为汽车质量；g为重力加速度；f为滚动阻力系数；i为坡道系数；C_D为迎风阻力系数；A为迎风面积；ρ为空气密度；r为车轮滚动半径；J_w为车轮的转动惯量；J_e为发动机转动惯量。

步骤2：利用高精度地图及导航信息，获取车辆当前行驶位置、当前坡道以及根据车辆行驶目的地获取车辆未来一段距离内的行驶路径中道路的坡道信息，并将其按距离长度h离散为N段，输入到系统中

步骤3：在全局路径信息已知条件下，预测换挡的主要扰动量为车速，因此，对初始地到目的地的全局进行车速规划，在巡航工况下采用离散规划方式(即根据每一段的路况信息，再分段通过公式(3)求解)数值求解全局最优速度轨迹，将该速度轨迹作为前瞻换挡求解中速度终端约束条件，这样就可实现对巡航速度和变速器挡位的双重优化，进一步从全局角度提高控制策略节能效果；

步骤4：采用动态规划算法对有限控制时域内目标挡位滚动优化，从初始状态和/或结束状态方向上进行动态规划，并获取最优换挡控制序列，其包括：

从初始阶段0和/或结束阶段N出发，根据该阶段车辆所有可能状态及换挡控制指令获取各对应阶段指标函数值，并确定该阶段最优挡位及对应换挡控制指令；

随着阶段依次递增和/或递减，根据各个阶段满足状态转移关系的车辆状态，获取不同控制指令时对应的阶段指标函数值，根据状态转移关系分别累加当前阶段和已经获得的所有阶段指标函数值得到过程指标函数值，并确定最优换挡指令；

直至结束阶段N和/或初始阶段0，确定最优换挡控制序列；

其中，阶段指标函数为：

和/或

过程指标函数J_k为：

J_k＝J_k-1+Δm_f(x(k),u(k))；和/或

J_k＝J_k+1+Δm_f(x(k),u(k))；

其中，

是发动机的瞬时燃油消耗率，v是车速，J_k是到达阶段k时的过程指标函数，Δm_f(x(k),u(k))是阶段k的阶段指标函数，α是过程中行驶时间的权重；β过程中耗油量的权重，d_s是路段的离散长度，x(k)为车辆状态，u(k)是换挡控制指令；

所述车辆状态为：

x(k)＝[g(k),v(k)]^T；

其中，1≤g(k)≤12；

0≤v(k)≤v_sikmax；

g(k)为挡位；v(k)为车速；u(k)为换挡指令，为0时代表不换挡，为1时代表升档，为-1时代表降档；

为车辆起始和终端状态约束，v_sikmax是最优速度轨迹中阶段k的车速轨迹中的最大值。

步骤5：结合车辆初始状态及所述最优换挡控制序列，顺序递推确定车辆最优状态轨迹，即根据最优换挡控制序列和车辆初始状态，顺序递推一次确定对应换挡时刻对应的车速及节气门开度信息，获得整个循环工况对应的最优换挡序列。进而得到循环工况下最佳换挡点。

实施例

为了降低算法时间复杂度，本实施例采用用双向动态规划方法，求解最优序列过程中从初始状态和结束状态两个方向上进行扩展，减少需计算的状态总数从而提高算法时间效率。

并采用分层前瞻换挡控制器，其结构如图2所示，分层控制器主要包括上层控制器和下层控制器，两层控制器具有不同的实时运行周期，其中上层控制器用来规划全局车速轨迹，下层控制器则根据整车状态实时求解控制时域内最优换挡决策序列。

全局车速规划层控制流程如图3所示，根据全局路径信息，同时采集当前状态、终端状态，根据公式(3)，以整车解析模型为基础，进行全局车速规划求解，求解方法采用动态规划，分段求解最终得到的为全局最优车速。

即按距离长度h离散为N段，每h段细分为n段，并根据公式(3)得到最优速度值，平滑过渡得到光滑速度轨迹图。

首先，以结束状态出发为例，对动态规划求解过程进行阐述，如图4所示，x(k)代表每个阶段状态变量，u(k)代表每个阶段从状态变量x(k)出发的决策变量，Δm_f(x(k),u(k))为阶段指标函数，J_k(x(k),u(k))为过程指标函数。从阶段N出发，首先根据该阶段所有可能状态(挡位和速度)及换挡控制指令计算各状态对应阶段指标函数值，以阶段指标函数最优为原则确定最佳挡位及对应换挡控制指令；

然后，随着阶段k依次递减，针对各个阶段满足状态转移关系的状态变量，计算采用不同控制指令时对应的阶段指标函数值，根据状态转移关系累加当前阶段和已经计算的所有阶段指标函数值得到过程指标函数值，通过对比确定最优的过程指标函数值及挡位状态与换挡控制序列；依次类推，直至k＝0，使过程指标函数取最优值时的决策序列

为最优换挡控制序列；

最后，结合初始状态变量取值及最优换挡控制序列，采用顺序递推可以确定最优状态轨迹，即可得到循环工况下最佳换挡点。递推具体过程可以简述为以下步骤：

第一步，k＝N时，

第二步，k＝N-1时，计算各状态对应的阶段指标函数值，通过与上一阶段指标函数值累加确定

第三步，依次取k＝N-2,N-3,…,2,1,0，并重复第二步；

第四步，k＝0时，获得全局最优过程指标函数值及其对应的最优换挡控制指令序列根据初始状态取值，顺序递推一次确定对应换挡时刻对应的车速及节气门开度信息，最终获得整个循环工况对应的最优换挡序列。

双向动态规划方法是从初始状态和结束状态两个方向同时出发进行求解，其原理相同，即在每个方向上不需要计算值终点，只需计算至在两个方向对接上即可。

同时考虑到在一定时域内，车辆的挡位决策还受坡道的影响，坡道会造成车辆不必要地换挡过程。

以图5、6为例，搭载有级式自动变速器的车辆在坡道行驶过程中，由于其驱动力大于行驶阻力，车辆一直处于加速爬坡状态，达到换挡车速后，不具备坡道识别功能的车辆会进行升挡，升挡后由于驱动力不足，车辆减速行驶，车辆将会进行降挡，降挡后驱动力变大，后续会继续重复上述升-降档过程，导致整车动力性及驾驶性恶化。若车辆可实时获知道路信息，并具备坡道识别功能，将在坡道行驶工况中抑制升挡动作，以保证车辆坡道行驶的动力性，同时能够避免循环换挡现象的发生。

本发明设计开发的巡航模式下商用车前瞻换挡控制方法，能够根据车辆预计行驶路段的坡道信息，以总油耗和总行驶时间作为综合性能指标优化获得预计行驶路段的最优换挡控制序列，并确定车辆最优状态轨迹。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种巡航模式下商用车前瞻换挡控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：获取车辆当前行驶位置、坡道信息，并根据行驶目的地获取车辆行驶路径中的道路坡道信息，将其按距离长度h离散为N段；

步骤2：从初始状态和/或结束状态方向上进行动态规划，并获取最优换挡控制序列，其包括：

从初始阶段0和/或结束阶段N出发，根据该阶段车辆所有可能状态及换挡控制指令获取各对应阶段指标函数值，并确定该阶段最优挡位及对应换挡控制指令；

依次递增和/或递减，根据各个阶段满足状态转移关系的车辆状态，获取不同控制指令时对应的阶段指标函数，根据状态转移关系分别累加当前阶段和已经获得的所有阶段指标函数值得到过程指标函数，并确定最优换挡指令；

直至结束阶段N和/或初始阶段0，确定最优换挡控制序列；

其中，阶段指标函数为：

和/或

过程指标函数J_k为：

J_k＝J_k-1+Δm_f(x(k),u(k))；和/或

J_k＝J_k+1+Δm_f(x(k),u(k))；

其中，是发动机的瞬时燃油消耗率，v是车速，J_k是到达阶段k时的过程指标函数，Δm_f(x(k),u(k))是阶段k的阶段指标函数，α是过程中行驶时间的权重；β过程中耗油量的权重，d_s是路段的离散长度，x(k)为车辆状态，u(k)是换挡控制指令；

步骤3：结合车辆初始状态及所述最优换挡控制序列，确定车辆最优状态轨迹，得到循环工况下最佳换挡点。

2.如权利要求1所述的巡航模式下商用车前瞻换挡控制方法，其特征在于，在所述步骤2和所述步骤1之间，还包括对全局进行车速规划，采用离散规划获取全局最优速度轨迹。

3.如权利要求2所述的巡航模式下商用车前瞻换挡控制方法，其特征在于，所述车辆状态为：

x(k)＝[g(k),v(k)]^T；

其中，1≤g(k)≤12；

0≤v(k)≤v_sikmax；

g(k)为挡位；v(k)为车速；u(k)为换挡指令，为0时代表不换挡，为1时代表升档，为-1时代表降档；

为车辆起始和终端状态约束，v_sikmax是最优速度轨迹中阶段k的车速轨迹中的最大值。

4.如权利要求2或3所述的巡航模式下商用车前瞻换挡控制方法，其特征在于，所述车速为：

其中，T_e为发动机扭矩，i_g为当前挡位传动比，i₀为主减速比，η_T为整个系统传动效率，m为汽车质量，g为重力加速度，f为滚动阻力系数，i为坡道系数，C_D为迎风阻力系数，A为迎风面积，ρ为空气密度，r为车轮滚动半径，J_w为车轮的转动惯量，J_e为发动机转动惯量。

5.如权利要求4所述的巡航模式下商用车前瞻换挡控制方法，其特征在于，所述发动机扭矩为：

其中，a为油门开度；k_(p,q)为系数；ω_e为发动机转速。

6.如权利要求1、2、3或5所述的巡航模式下商用车前瞻换挡控制方法，其特征在于，所述发动机的瞬时燃油消耗率为：

其中，P_e为发动机瞬时功率；α₁、α₂、α₃是系数。

7.如权利要求1、2、3或5所述的巡航模式下商用车前瞻换挡控制方法，其特征在于，所述步骤2中，从初始状态和结束状态两个方向上进行动态规划，并获取最优换挡控制序列。

8.如权利要求7所述的巡航模式下商用车前瞻换挡控制方法，其特征在于，所述步骤3中，所述车辆最优状态轨迹采用顺序递推方法确定。

9.如权利要求8所述的巡航模式下商用车前瞻换挡控制方法，其特征在于，根据所述最优换挡控制序列和车辆初始状态，顺序递推一次确定对应换挡时刻对应的车速及节气门开度信息，获得整个循环工况对应的最优换挡序列。

Images