一种分布式电驱动汽车拥堵跟随控制系统和方法与流程

本发明属于分布式电驱动汽车技术，涉及一种分布式电驱动汽车控制系统和方法。

背景技术：

随着我国汽车保有量增加，高速公路堵车工况时有发生、城市中红绿灯密集路段延缓车流；驾驶员需要频繁操作来控制汽车，从而实现对前车的跟随，这种频繁切换使得整车的能耗和驾驶员的精力消耗均偏高。目前，针对城市拥堵工况下的跟随系统，绝大部分只针对燃油汽车和普通电动车，燃油汽车碍于本身的限制，虽然有自动启停技术可以适当降低能耗，但效果不明显；普通电动车在控制技术层面较为复杂，影响驾驶舒适性和经济性。

技术实现要素：

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明提出了一种分布式电驱动汽车拥堵跟随控制系统和方法，实现在交通拥堵路段跟车行驶，解放驾驶员全部或部分操作，缓解驾驶员疲劳。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种分布式电驱动汽车拥堵跟随控制系统，包括：

数据采集系统，用于采集汽车在行驶过程中的环境信息和汽车状态信息，并输入到整车控制系统中；

人车交互系统，用于感知驾驶员的驾驶操作信息，其中包括驾驶员的跟车意图，并输入到整车控制系统中；

整车控制系统，用于接收数据采集系统和人车交互系统的数据，并将处理结果输入到安全预警系统和执行机构系统中；

安全预警系统，用于接收整车控制系统的数据，并据此执行相应的预警任务；

执行机构系统，用于接收整车控制系统的数据，并据此执行相应的操纵任务，实现分布式电驱动汽车的主动跟随控制。

进一步地，所述数据采集系统包括环境感知系统和汽车状态感知系统；

所述环境感知系统包括但不限于：

雷达传感器，设置于汽车的两侧，用于采集相邻车道行驶车辆的位置信息和车道边界信息；

激光传感器，设置于汽车的前部，用于采集自车和前方车辆的距离；

视觉识别传感器，设置于汽车的顶部，用于采集车道线信息；

所述汽车状态感知系统包括但不限于：

方向盘转角传感器，设置于方向盘下方，用于采集方向盘转角信息；

四个车速传感器，分别设置于轮毂电机的输出端，用于采集车速信息；

陀螺仪、横向加速度传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器，均设置于车内，依次用于采集航向角、横向加速度、侧向加速度、横摆角速度信息。

进一步地，所述人车交互系统包括：

设置于方向盘下方的转角传感器，用于采集驾驶员的转向输入；

设置于中控台上的跟随按钮，用于采集驾驶员的跟车意图；

设置于加速踏板和制动踏板下的转角传感器，用于采集驾驶员的加速和制动意图。

进一步地，所述整车控制系统包括上层控制系统和下层控制系统；

所述上层控制系统用于接收和处理数据采集系统和人车交互系统的数据，并将处理结果传送给安全预警系统和下层控制系统；在上层控制系统中设定纵向安全距离模型，根据汽车的相对距离和相对速度计算纵向安全距离；在上层控制系统中设定横向安全距离模型，根据汽车的行驶状态和环境信息计算横向安全距离；将数据采集系统的数据输入到两个模型中，将得到结果与实际距离进行对比，判断是否需要预警；

所述下层控制系统用于控制执行机构系统；当汽车进入跟车状态，下层控制系统在保证车距不变的情况下控制执行机构系统执行跟车任务。

进一步地，所述安全预警系统包括：

语音告警单元，通过车内音响输出；

闪烁告警单元，通过车内显示屏输出；

振动告警单元，通过驾驶员座椅振动输出。

进一步地，所述执行机构系统包括纵向控制器和横向控制器，其中，纵向控制器包括制动执行器和轮毂电机执行器，横向控制器包括转向执行器。

一种分布式电驱动汽车拥堵跟随控制方法，包括以下步骤：

(1)利用数据采集系统采集汽车正常行驶中的汽车状态信息和环境信息；

(2)通过人车交互系统采集到驾驶员具有跟车意图；

(3)整车控制系统根据汽车状态信息和环境信息，判断汽车是否处于安全状态以及驾驶员是否存在跟车意图，若判断出汽车处于非安全状态，整车控制系统控制安全预警系统报警；

(4)当驾驶员存在跟车意图，整车控制系统向执行机构系统发出控制指令，调整汽车行驶速度、方向和驱动模式，在保持车距不变的情况下跟车行驶，此时驾驶员能够根据实际情况调节方向盘；

(5)当驾驶员踩下加速踏板或制动踏板或手动关闭跟车功能时，主动跟随控制解除，汽车恢复正常行驶状态。

进一步地，在步骤(1)中，汽车状态信息和环境信息包括纵向车速v1、侧向速度v2、纵向加速度a1、横向加速度a2、与前车距离la、与左车距离l1、与左侧相邻车道线的距离l2、与右车距离l3、与右侧相邻车道线的距离l4。

进一步地，在步骤(3)中，采用纵向安全距离模型和横向安全距离模型判断汽车是否处于安全状态，两个模型如下：

上式中，d1和d2分别为纵向安全距离和横向安全距离，t为安全制动时间，t＝a0v1+b0，a0和b0为安全制动时间常数；

若d1>la且d2＞min{l1,l2,l3,l4}，则表明汽车处于安全状态，否则汽车处于非安全状态。

进一步地，在步骤(4)中，根据当前车速进行驱动模式的选择：当车速小于某预设值时，采用前轮驱动；当车速大于等于该预设值时，采用四轮驱动。

采用上述技术方案带来的有益效果：

(1)本发明通过在交通拥堵路段实现跟车行驶，解放了驾驶员全部或部分操作，缓解驾驶员疲劳，提高驾驶舒适性；

(2)在城市中红绿灯较多的路段，通过本发明增加了汽车的通过率；

(3)本发明利用前驱和四驱相结合的驱动模式改善汽车的经济性。

附图说明

图1是本发明的系统组成框图；

图2是本发明中判断汽车是否处于安全状态流程图；

图3是本发明控制方法流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明设计了一种分布式电驱动汽车拥堵跟随控制系统，如图1所示，包括：

数据采集系统，用于采集汽车在行驶过程中的环境信息和汽车状态信息，并输入到整车控制系统中；

人车交互系统，用于感知驾驶员的驾驶操作信息，其中包括驾驶员的跟车意图，并输入到整车控制系统中；

整车控制系统，用于接收数据采集系统和人车交互系统的数据，并将处理结果输入到安全预警系统和执行机构系统中；

安全预警系统，用于接收整车控制系统的数据，并据此执行相应的预警任务；

执行机构系统，用于接收整车控制系统的数据，并据此执行相应的操纵任务，实现分布式电驱动汽车的主动跟随控制。

上述系统的一种优选实时方案如下：

所述数据采集系统包括环境感知系统和汽车状态感知系统；

所述环境感知系统包括但不限于：

雷达传感器，设置于汽车的两侧，用于采集相邻车道行驶车辆的位置信息和车道边界信息；

激光传感器，设置于汽车的前部，用于采集自车和前方车辆的距离；

视觉识别传感器，设置于汽车的顶部，用于采集车道线信息；

所述汽车状态感知系统包括但不限于：

方向盘转角传感器，设置于方向盘下方，用于采集方向盘转角信息；

四个车速传感器，分别设置于轮毂电机的输出端，用于采集车速信息；

陀螺仪、横向加速度传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器，均设置于车内，依次用于采集航向角、横向加速度、侧向加速度、横摆角速度信息。

上述系统的一种优选实施方案如下：

所述人车交互系统包括：

设置于方向盘下方的转角传感器，用于采集驾驶员的转向输入；

设置于中控台上的跟随按钮，用于采集驾驶员的跟车意图；

设置于加速踏板和制动踏板下的转角传感器，用于采集驾驶员的加速和制动意图。

上述系统的一种优选实施方案如下：

所述整车控制系统包括上层控制系统和下层控制系统；

所述上层控制系统用于接收和处理数据采集系统和人车交互系统的数据，并将处理结果传送给安全预警系统和下层控制系统；在上层控制系统中设定纵向安全距离模型，根据汽车的相对距离和相对速度计算纵向安全距离；在上层控制系统中设定横向安全距离模型，根据汽车的行驶状态和环境信息计算横向安全距离；将数据采集系统的数据输入到两个模型中，将得到结果与实际距离进行对比，判断是否需要预警；

所述下层控制系统用于控制执行机构系统；当汽车进入跟车状态，下层控制系统在保证车距不变的情况下控制执行机构系统执行跟车任务。

上述系统的一种优选实施方案如下：

所述安全预警系统包括：

语音告警单元，通过车内音响输出；

闪烁告警单元，通过车内显示屏输出；

振动告警单元，通过驾驶员座椅振动输出。

上述系统的一种优选实施方案如下：

所述执行机构系统包括纵向控制器和横向控制器，其中，纵向控制器包括制动执行器和轮毂电机执行器，横向控制器包括转向执行器。

本发明还包括一种分布式电驱动汽车拥堵跟随控制方法，包括以下步骤：

步骤1：利用数据采集系统采集汽车正常行驶中的汽车状态信息和环境信息；

步骤2：通过人车交互系统采集到驾驶员具有跟车意图；

步骤3：整车控制系统根据汽车状态信息和环境信息，判断汽车是否处于安全状态以及驾驶员是否存在跟车意图，若判断出汽车处于非安全状态，整车控制系统控制安全预警系统报警；

步骤4：当驾驶员存在跟车意图，整车控制系统向执行机构系统发出控制指令，调整汽车行驶速度、方向和驱动模式，在保持车距不变的情况下跟车行驶，此时驾驶员能够根据实际情况调节方向盘；

步骤5：当驾驶员踩下加速踏板或制动踏板或手动关闭跟车功能时，主动跟随控制解除，汽车恢复正常行驶状态。

上述方法的一种优选实施方案如下：

在步骤1中，汽车状态信息和环境信息包括纵向车速v1、侧向速度v2、纵向加速度a1、横向加速度a2、与前车距离la、与左车距离l1、与左侧相邻车道线的距离l2、与右车距离l3、与右侧相邻车道线的距离l4。

上述方法的一种优选实施方案如下：

如图2所示，在步骤3中，采用纵向安全距离模型和横向安全距离模型判断汽车是否处于安全状态，两个模型如下：

上式中，d1和d2分别为纵向安全距离和横向安全距离，t为安全制动时间，t＝a0v1+b0，a0和b0为安全制动时间常数；

若d1>la且d2＞min{l1,l2,l3,l4}，则表明汽车处于安全状态，否则汽车处于非安全状态。

上述方法的一种优选实施方案如下：

如图3所示，在步骤4中，根据当前车速进行驱动模式的选择：当车速v1小于等于预设值v时，采用前轮驱动；当车速v1大于预设值v时，采用四轮驱动。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。