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詳解ADAS系統(tǒng)的不同車型控制模型
2020-02-27 00:37:42· 來源：焉知自動(dòng)駕駛
原創(chuàng)焉知汽車 昨天知圈 |進(jìn)ISO26262社群，請(qǐng)加微13636581676，備注ISOADAS系統(tǒng)中的舒適性系統(tǒng)控制原理是在汽車行駛過程中，通過安裝在汽車前部的車距傳感器持續(xù)
ADAS系統(tǒng)中的舒適性系統(tǒng)控制原理是在汽車行駛過程中，通過安裝在汽車前部的車距傳感器持續(xù)掃描前方道路，同時(shí)輪速傳感器采集車速信息，當(dāng)前汽車與前方車輛之間的距離小于或大于安全車距時(shí)，ADAS控制單元通過與制動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)動(dòng)作，改變制動(dòng)力矩和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，對(duì)汽車行駛速度進(jìn)行控制，以保證安全舒適性駕駛。對(duì)于電動(dòng)汽車而言，發(fā)動(dòng)機(jī)更換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過改變制動(dòng)力矩和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率，控制電動(dòng)汽車的行駛速度。
不同車型的ADAS系統(tǒng)控制方法
燃油汽車ADAS系統(tǒng)控制方法如下圖，它分為兩端控制，前端根據(jù)雷達(dá)、車速和加速度傳感信號(hào)控制車速和加速度，獲得期望的車速和期望的加速度信號(hào)；后端接收第一層信號(hào)輸入，并對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出節(jié)氣門開度和制動(dòng)壓力命令，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓制動(dòng)系統(tǒng)裝置。
電動(dòng)汽車ADAS系統(tǒng)控制方法如下圖，它分為三段控制：前端根據(jù)雷達(dá)和傳感器信號(hào)控制加速度及轉(zhuǎn)矩，獲得期望加速度與期望轉(zhuǎn)矩信號(hào)；中端對(duì)第一層輸出的期望轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分配，獲得期望電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩、期望電機(jī)制動(dòng)力矩和期望液壓制動(dòng)力矩；后端接收中端信號(hào)協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)，輸出電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩指令、電機(jī)制動(dòng)扭矩指令和液壓制動(dòng)力矩，分別控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)和液壓制動(dòng)裝置。
ADAS駕駛輔助系統(tǒng)是基于人-車-環(huán)境的閉環(huán)系統(tǒng)，需要合理的控制策略來保證基本功能的實(shí)現(xiàn)，駕駛員可以通過開關(guān)控制ADAS系統(tǒng)的工作狀態(tài)、設(shè)置車速、車距及加速和制動(dòng)踏板對(duì)汽車縱向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行干預(yù)。
其中包含如下三個(gè)方面的控制策略：
1、定速巡航與跟車切換策略以獲得期望的車速和加速度；
2、制動(dòng)力矩分配策略的驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)切換策略，以獲得期望驅(qū)動(dòng)力矩和期望制動(dòng)力矩；
3、駕駛員主動(dòng)干預(yù)控制策略；
如下以新能源電動(dòng)車為例說明ADAS舒適性系統(tǒng)縱向控制整體結(jié)構(gòu)原理；其中Vh為實(shí)際車速，Vr為相對(duì)車速，dr為相對(duì)車距，Ve為期望車速，ae為期望加速度，Te為期望驅(qū)動(dòng)扭矩，Tz為期望制動(dòng)力矩；電動(dòng)車通常采用電機(jī)再生制動(dòng)為主、機(jī)械制動(dòng)為輔的制動(dòng)形式，再生制動(dòng)時(shí)電機(jī)輸出負(fù)扭矩，通過機(jī)械傳動(dòng)將制動(dòng)力矩作用于車輪，實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，這部分機(jī)械能一部分變成熱量消失，一部分通過傳動(dòng)裝置反傳給電機(jī)，電機(jī)充當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)蓄電池充電，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換。因此，電機(jī)在產(chǎn)生制動(dòng)力矩的同時(shí)會(huì)向蓄電池回饋能量（也即制動(dòng)能量回收）。故，為了實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)和高效回收制動(dòng)能量的雙重目標(biāo)，需要制定合理的制動(dòng)力矩分配策略，當(dāng)期望輸出扭矩增大到正值且制動(dòng)踏板沒有動(dòng)作時(shí)，切換到驅(qū)動(dòng)模式，避免切換時(shí)發(fā)生沖突，確保行車安全。
不同車型的ADAS系統(tǒng)動(dòng)力控制模型
要精確分析ADAS系統(tǒng)相關(guān)控制邏輯，我們需要充分掌握其動(dòng)力控制模型狀態(tài)，下面專門區(qū)分燃油汽車和電動(dòng)汽車動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行原理說明。以自動(dòng)變速器控制的車型為例說明燃油汽車ADAS系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，其中主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)模型或電機(jī)模型、自動(dòng)變速器模型、汽車行駛模型及執(zhí)行器模型等。
1）發(fā)動(dòng)機(jī)模型
發(fā)動(dòng)機(jī)模型分為穩(wěn)態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型。發(fā)動(dòng)機(jī)工作情況比較復(fù)雜，影響因素較多，一般認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)輸出扭矩是節(jié)氣門開度和轉(zhuǎn)速的函數(shù)，即：
上式中，Ms穩(wěn)態(tài)輸出扭矩，θ為發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度，n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，a0-3為擬合系數(shù)。
穩(wěn)態(tài)模型一般采用實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停磳l(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)獲得的每個(gè)節(jié)氣門開度下的輸出扭矩與轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)用三次多項(xiàng)式擬合后得到發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩。發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門調(diào)節(jié)既與穩(wěn)態(tài)特性有關(guān)，又與動(dòng)態(tài)特性有關(guān)，所以應(yīng)該建立發(fā)動(dòng)機(jī)的的動(dòng)態(tài)模型，一般將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)輸出扭矩簡化為一階線性模型，用傳遞函數(shù)表示為：
上式中，te表示為發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)滯后時(shí)間，s為拉式算子。從該式中不難看出響應(yīng)滯后時(shí)間越大，其動(dòng)態(tài)輸出的扭矩值在同一時(shí)刻將會(huì)越小，我們?cè)谠O(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)模型的時(shí)候要充分考慮其響應(yīng)時(shí)間滯后性。
此外，我們將動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)ADAS性能響應(yīng)跟隨示意圖表示如下：
從圖中可看出，Ms表示穩(wěn)態(tài)特性曲線由轉(zhuǎn)速n決定，Me表示動(dòng)態(tài)特性曲線，由轉(zhuǎn)速n和響應(yīng)遲滯時(shí)間te決定，要更快更好地響應(yīng)ADAS系統(tǒng)性能，需要將動(dòng)態(tài)特性曲線Me性能做提升，從如上公式可看出，提升動(dòng)態(tài)特性曲線Me的策略是通過優(yōu)化三次方轉(zhuǎn)速曲線（找出極點(diǎn)值），這時(shí)可以通過聯(lián)調(diào)匹配中找準(zhǔn)轉(zhuǎn)速最優(yōu)極值點(diǎn)nopt，也可以通過提升響應(yīng)時(shí)間te來進(jìn)行優(yōu)化。
2）自動(dòng)變速器模型
自動(dòng)變速器的主要作用是減速和增距。變速器輸入軸和液力變矩器的渦輪相連接，其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩分別為渦輪轉(zhuǎn)速和渦輪轉(zhuǎn)矩。變速器輸出軸角度和扭矩分別為
上式中，w0為自動(dòng)變速器輸出軸角度，wt為液力變矩器渦輪角速度，M0為自動(dòng)變速器輸出軸轉(zhuǎn)矩，Mt為液力變矩器渦輪轉(zhuǎn)矩，ig為自動(dòng)變速器擋位傳動(dòng)比。
由于自動(dòng)變速器輸出扭矩作用于輪端，從該式中可看出，對(duì)于自動(dòng)變速器而言其直接作用端是輪端，故其變速器傳動(dòng)比以及液力變矩器渦輪轉(zhuǎn)矩均會(huì)不同程度的影響自動(dòng)變速器輸出軸轉(zhuǎn)矩，最終體現(xiàn)在對(duì)輪端驅(qū)動(dòng)扭矩的影響上。
3）汽車行駛模型
由于汽車最終汽車行駛需要的是具備牽引力，故需要將生成的力矩轉(zhuǎn)化通過一定的公式轉(zhuǎn)化為牽引力。通常情況下，汽車行駛模型中包含不同道路工況下的行駛狀態(tài)，其一是在平坦路面上，其二是在帶有坡度的道路工況下的行駛情況下，行駛方程中的汽車滾動(dòng)阻力Ff，加速阻力Fj會(huì)比平坦路面大，其變化規(guī)律滿足平坦路面乘以相應(yīng)的坡度正弦函數(shù)。
相應(yīng)的行駛方程可表示為如下：
其中，F(xiàn)t為汽車驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)f為汽車滾動(dòng)阻力，F(xiàn)w為汽車空氣阻力，F(xiàn)b為汽車制動(dòng)力，m表示汽車質(zhì)量，δ表示旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，a0表示在該驅(qū)動(dòng)力Ft下產(chǎn)生的加速度。
汽車驅(qū)動(dòng)力與自動(dòng)變速器輸出軸轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為：
式中，i0為主減速器傳動(dòng)比；
為傳動(dòng)系效率；R為車輪半徑。汽車滾動(dòng)阻力Ff、空氣阻力Fw以及汽車制動(dòng)力分別表示為：
其中，f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，CD為空氣阻力系數(shù)，A為汽車迎風(fēng)面積，u為汽車行駛速度，pb為制動(dòng)壓力。
綜合如上幾個(gè)公式可得出相應(yīng)的行駛減速度為：
從如上公式中可看出，在一定環(huán)境條件及汽車自身?xiàng)l件穩(wěn)定時(shí)，其公式中相應(yīng)的影響因子包含旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)δ、變速比i0、傳動(dòng)效率、制動(dòng)壓力比例系數(shù)Kb、滾動(dòng)摩擦系數(shù)f、空氣阻力Fw均保持不變。而由此得到其加速度影響因子主要表示為如下表格內(nèi)容，其與ADAS系統(tǒng)相應(yīng)的影響狀態(tài)如下：
4）驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型
電動(dòng)汽車ADAS系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型主要包括汽車行駛模型和驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型，其中電機(jī)是電動(dòng)汽車的核心部件，其作用是接收ADAS系統(tǒng)發(fā)出的實(shí)際驅(qū)動(dòng)扭矩并解析成相應(yīng)的電機(jī)扭矩與發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，最終輸出給變速箱進(jìn)行輸出扭矩控制。如下圖表示了一種典型的電動(dòng)汽車控制框圖。
電動(dòng)汽車行駛模型與燃油車大體一致，但也存在一定的差異性，表示為驅(qū)動(dòng)力表達(dá)式不一致。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)力表示為：
式中，Tt為電機(jī)輸出扭矩，it為傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比，η為傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率，R為車輪半徑。由此，如果不考慮再生制動(dòng)或稱制動(dòng)能量回收的影響，則電動(dòng)汽車行駛減速度為：
總 結(jié)
本文從兩種不同的車型控制講述了如何在ADAS系統(tǒng)中進(jìn)行動(dòng)力邏輯控制原理，其中包含實(shí)際的動(dòng)力控制邏輯圖，動(dòng)力控制模型，相關(guān)的影響參數(shù)因子等，對(duì)于在ADAS系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化調(diào)節(jié)中起到了很好的示范作用，特別是針對(duì)動(dòng)力響應(yīng)過程中可能存在響應(yīng)不到位或者響應(yīng)超調(diào)的情況，這里可以完全參照公式中的影響參數(shù)因子進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。
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