用于全车速范围定速巡航的车速控制方法及系统与流程

本发明涉及车辆定速巡航控制领域，特别是涉及用于全车速范围定速巡航的车速控制方法及系统。

背景技术：

名词解释：

pid控制器：全称proportionintegrationdifferentiationcontroller，比例-积分-微分控制器，由比例单元p、积分单元i和微分单元d组成，根据pid控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。

定速巡航系统要求车速能够迅速、平滑的根据驾驶员的意图进行调整。现有在纯电动汽车上的常见做法多为先测量车速，计算车速与设定的巡航速度之差，经过滤波器后，应用pid控制器调节电机扭矩。这种方式需要车辆在一定车速(如30km/h)以上才可以进入定速巡航系统。滤波器和pid控制器的主要缺点包括响应速度不高，控制器参数整定困难等。各种高阶滤波器和改进形式的pid控制器虽有助于改善控制系统的非线性，但是其设计整定方法更加复杂，往往需要更多的工程经验。总的来说，由于pid控制器和滤波器的设计多依靠人工经验整定，耗时长，若参数匹配不好，定速巡航系统可能出现振荡等不稳定现象，影响用户体验和安全性。

技术实现要素：

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供用于全车速范围定速巡航的车速控制方法，本发明的另一目的是提供用于全车速范围定速巡航的车速控制系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

用于全车速范围定速巡航的车速控制方法，包括以下步骤：

实时判断是否接收到驾驶员设定巡航速度的控制指令；

响应于接收到设定巡航速度的控制指令的情况，解析获得所设定的巡航速度，并获取车辆当前的车速和加速度；

根据车速、加速度和设定的巡航速度，计算获得车辆的加速度变化曲线，进行车辆的速度规划；

计算车辆当前的坡度，进而结合速度规划结果，计算并输出电机转矩，对车辆实现速度控制。

进一步，所述根据车速、加速度和设定的巡航速度，设计车辆的加速度变化曲线，进行车辆的速度规划的步骤，其具体为：

根据车速、加速度和设定的巡航速度，响应于驾驶人选定的加速度变化模式或者根据该车速、加速度和设定的巡航速度匹配获得对应的加速度变化模式后，计算获得车辆的加速度变化曲线，进行车辆的速度规划，使得车速平滑过渡到设定的巡航速度。

进一步，所述加速度变化模式包括以下十种：

模式一、当车速小于设定的巡航速度时，加速度以设定的第一跃度逐渐增大到车辆允许的最大加速度，在该最大加速度持续一段时间后，再以设定的第一跃度逐渐减小到0；

模式二、当车速小于设定的巡航速度时，加速度以设定的第一跃度逐渐增大到第一加速度阈值后，再以设定的第一跃度逐渐减小到0；

模式三、当车速小于设定的巡航速度时，加速度以设定的第一跃度逐渐减小到第二加速度阈值后，再以设定的第二跃度逐渐减少到0；

模式四、当车速小于设定的巡航速度时，加速度以设定的第二跃度逐渐减小到0后，执行模式六或模式七；

模式五、当车速小于设定的巡航速度时，加速度以设定的第二跃度逐渐增大到0后，执行模式一或模式二；

模式六、当车速大于设定的巡航速度时，加速度以设定的第一跃度逐渐减小到车辆允许的最大减速度在该最大减速度持续一段时间后，再以设定的第一跃度逐渐增大到0；

模式七、当车速大于设定的巡航速度时，加速度以设定的第一跃度逐渐减小到第一减速度阈值后，再以设定的第一跃度逐渐增大到0；

模式八、当车速大于设定的巡航速度时，加速度以设定的第一跃度逐渐减小到第二减速度阈值后，再以设定的第二跃度逐渐增大到0；

模式九、当车速大于设定的巡航速度时，加速度以设定的第二跃度逐渐增大到0后，执行模式一或模式二；

模式十、当车速大于设定的巡航速度时，加速度以设定的第二跃度逐渐减小到0后，执行模式六或模式七。

进一步，所述模式一所对应的加速度变化曲线如下：

上式中，t11、t12和t13均表示加速度变化过程中的时间节点值，且满足：

所述模式六所对应的加速度变化曲线如下：

上式中，t61、t62和t63均表示加速度变化过程中的时间节点值，且满足：

其中，a表示加速度，a0表示车辆当前的加速度，amax表示车辆允许的最大加速度，amin表示车辆允许的最大减速度，j1表示第一跃度，t表示实时时间，δt1和δt6均表示加速度变化过程中的时间差值，vs表示给定的巡航速度，v0表示车辆当前的车速。

进一步，所述模式二所对应的加速度变化曲线如下：

上式中，t21和t22均表示加速度变化过程中的时间节点值，且满足：

所述模式七所对应的加速度变化曲线如下：

上式中，t71和t72均表示加速度变化过程中的时间节点值，且满足：

其中，a表示加速度，a0表示车辆当前的加速度，j1表示第一跃度，t表示实时时间，a2^*表示第一加速度阈值，a7^*表示第一减速度阈值，vs表示给定的巡航速度，v0表示车辆当前的车速。

进一步，所述模式三所对应的加速度变化曲线如下：

上式中，t31和t32均表示加速度变化过程中的时间节点值，且满足：

所述模式八所对应的加速度变化曲线如下：

上式中，t81和t82均表示加速度变化过程中的时间节点值，且满足：

其中，a表示加速度，a0表示车辆当前的加速度，a3^*表示第二加速度阈值，a8^*表示第二减速度阈值，j1表示第一跃度，j2表示第二跃度，t表示实时时间，vs表示给定的巡航速度，v0表示车辆当前的车速。

进一步，所述模式四所对应的加速度变化曲线如下：

所述模式九所对应的加速度变化曲线如下：

其中，a表示加速度，a0表示车辆当前的加速度，j2表示第二跃度，t表示实时时间，t41和t91均表示加速度变化过程中的时间节点值。

进一步，所述模式五所对应的加速度变化曲线如下：

所述模式十所对应的加速度变化曲线如下：

其中，a表示加速度，a0表示车辆当前的加速度，j2表示第二跃度，t表示实时时间，t51和t101均表示加速度变化过程中的时间节点值。

进一步，所述计算车辆当前的坡度，进而结合速度规划结果，计算并输出电机转矩，对车辆实现速度控制的步骤，其具体为：

通过安装在车辆上的坡度传感器或惯性传感器所采集的传感数据，计算获得车辆当前的坡度；

结合速度规划结果，根据下式，计算并输出电机转矩，对车辆实现速度控制：

t＝[a+(i+f0+f1×u+f2×u²)×g]×k

上式中，t表示电机转矩，a表示计算所获得的车辆的加速度，i表示车辆当前的坡度，f0、f1、f2和k均表示车辆性能的相关系数，u表示车速，通过对a积分所获得，g表示重力加速度。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

用于全车速范围定速巡航的车速控制系统，包括：

指令获取模块，用于实时判断是否接收到驾驶员设定巡航速度的控制指令；

数据获取模块，用于响应于接收到设定巡航速度的控制指令的情况，解析获得所设定的巡航速度，并获取车辆当前的车速和加速度；

速度规划模块，用于根据车速、加速度和设定的巡航速度，计算获得车辆的加速度变化曲线，进行车辆的速度规划；

车速控制模块，用于计算车辆当前的坡度，进而结合速度规划结果，计算并输出电机转矩，对车辆实现速度控制。

本发明的有益效果是：本发明的用于全车速范围定速巡航的车速控制方法，包括以下步骤：实时判断是否接收到驾驶员设定巡航速度的控制指令；响应于接收到设定巡航速度的控制指令的情况，解析获得所设定的巡航速度，并获取车辆当前的车速和加速度；根据车速、加速度和设定的巡航速度，计算获得车辆的加速度变化曲线，进行车辆的速度规划；计算车辆当前的坡度，进而结合速度规划结果，计算并输出电机转矩，对车辆实现速度控制。本方法可以实现稳定的车速自动控制，对人工经验的依赖性低，自动计算速度快，控制过程耗时时间短，不存在pid控制器所带来的振荡问题，稳定性高，安全性高，可以满足用户体验。

本发明的另一有益效果是：本发明的用于全车速范围定速巡航的车速控制系统，包括：指令获取模块，用于实时判断是否接收到驾驶员设定巡航速度的控制指令；数据获取模块，用于响应于接收到设定巡航速度的控制指令的情况，解析获得所设定的巡航速度，并获取车辆当前的车速和加速度；速度规划模块，用于根据车速、加速度和设定的巡航速度，计算获得车辆的加速度变化曲线，进行车辆的速度规划；车速控制模块，用于计算车辆当前的坡度，进而结合速度规划结果，计算并输出电机转矩，对车辆实现速度控制。本系统可以实现稳定的车速自动控制，对人工经验的依赖性低，自动计算速度快，控制过程耗时时间短，不存在pid控制器所带来的振荡问题，稳定性高，安全性高，可以满足用户体验。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的用于全车速范围定速巡航的车速控制方法的流程图；

图2是本发明的用于全车速范围定速巡航的车速控制方法的加速度变化模式一的加速度和速度变化曲线图；

图3是本发明的用于全车速范围定速巡航的车速控制方法的加速度变化模式二的加速度和速度变化曲线图；

图4是本发明的用于全车速范围定速巡航的车速控制方法的加速度变化模式三的加速度和速度变化曲线图；

图5是本发明的用于全车速范围定速巡航的车速控制方法的具体试验过程中的加速度和速度变化曲线图；

图6是本发明的用于全车速范围定速巡航的车速控制方法的一具体巡航控制过程的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例就本发明的技术方案做进一步的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，本发明提供了一种用于全车速范围定速巡航的车速控制方法，包括以下步骤：

实时判断是否接收到驾驶员设定巡航速度的控制指令；

响应于接收到设定巡航速度的控制指令的情况，解析获得所设定的巡航速度，并获取车辆当前的车速和加速度；

根据车速、加速度和设定的巡航速度，计算获得车辆的加速度变化曲线，进行车辆的速度规划；

计算车辆当前的坡度，进而结合速度规划结果，计算并输出电机转矩，对车辆实现速度控制。

进一步作为优选的实施方式，所述根据车速、加速度和设定的巡航速度，设计车辆的加速度变化曲线，进行车辆的速度规划的步骤，其具体为：

根据车速、加速度和设定的巡航速度，响应于驾驶人选定的加速度变化模式或者根据该车速、加速度和设定的巡航速度匹配获得对应的加速度变化模式后，计算获得车辆的加速度变化曲线，进行车辆的速度规划，使得车速平滑过渡到设定的巡航速度。跃度是指加速度的变化速度，为加速度的导数。

正常情况下，响应于驾驶人选定的加速度变化模式，匹配获得对应的加速度变化模式，进行车速自动控制。但是，根据该车速、加速度和设定的巡航速度，计算获得无法满足用户选定的模式时，自动匹配获得对应的模式进行控制。例如，当车速小于设定的巡航速度，且加速度大于0时，此时，加速度以设定的跃度逐渐减小到0后，如果车速超过设定的巡航速度，还需要进行减速，因此，这种情况，采用最大的设定跃度进行加速度减小控制，然后再对应执行减速模式。例如，本实施例中，设定跃度分第一跃度和第二跃度，第二跃度比第一跃度大，用于实现更为快速的加减速，针对这里提到的情况，则需要用第二跃度进行加速度控制。

进一步作为优选的实施方式，所述加速度变化模式包括以下十种：

模式一、当车速小于设定的巡航速度时，加速度以设定的第一跃度逐渐增大到车辆允许的最大加速度，在该最大加速度持续一段时间后，再以设定的第一跃度逐渐减小到0；

模式二、当车速小于设定的巡航速度时，加速度以设定的第一跃度逐渐增大到第一加速度阈值后，再以设定的第一跃度逐渐减小到0；

模式三、当车速小于设定的巡航速度时，加速度以设定的第一跃度逐渐减小到第二加速度阈值后，再以设定的第二跃度逐渐减少到0；

模式四、当车速小于设定的巡航速度时，加速度以设定的第二跃度逐渐减小到0后，执行模式六或模式七；

模式五、当车速小于设定的巡航速度时，加速度以设定的第二跃度逐渐增大到0后，执行模式一或模式二；

模式六、当车速大于设定的巡航速度时，加速度以设定的第一跃度逐渐减小到车辆允许的最大减速度在该最大减速度持续一段时间后，再以设定的第一跃度逐渐增大到0；

模式七、当车速大于设定的巡航速度时，加速度以设定的第一跃度逐渐减小到第一减速度阈值后，再以设定的第一跃度逐渐增大到0；

模式八、当车速大于设定的巡航速度时，加速度以设定的第一跃度逐渐减小到第二减速度阈值后，再以设定的第二跃度逐渐增大到0；

模式九、当车速大于设定的巡航速度时，加速度以设定的第二跃度逐渐增大到0后，执行模式一或模式二；

模式十、当车速大于设定的巡航速度时，加速度以设定的第二跃度逐渐减小到0后，执行模式六或模式七。

进一步作为优选的实施方式，参照图2，所述模式一所对应的加速度变化曲线如下：

上式中，t11、t12和t13均表示加速度变化过程中的时间节点值，且满足：

所述模式六所对应的加速度变化曲线如下：

上式中，t61、t62和t63均表示加速度变化过程中的时间节点值，且满足：

其中，a表示加速度，a0表示车辆当前的加速度，amax表示车辆允许的最大加速度，amin表示车辆允许的最大减速度，j1表示第一跃度，t表示实时时间，δt1和δt6均表示加速度变化过程中的时间差值，vs表示给定的巡航速度，v0表示车辆当前的车速。

进一步作为优选的实施方式，参照图3，所述模式二所对应的加速度变化曲线如下：

上式中，t21和t22均表示加速度变化过程中的时间节点值，且满足：

所述模式七所对应的加速度变化曲线如下：

上式中，t71和t72均表示加速度变化过程中的时间节点值，且满足：

其中，a表示加速度，a0表示车辆当前的加速度，j1表示第一跃度，t表示实时时间，a2^*表示第一加速度阈值，a7^*表示第一减速度阈值，vs表示给定的巡航速度，v0表示车辆当前的车速。

进一步作为优选的实施方式，参照图4，所述模式三所对应的加速度变化曲线如下：

上式中，t31和t32均表示加速度变化过程中的时间节点值，且满足：

所述模式八所对应的加速度变化曲线如下：

上式中，t81和t82均表示加速度变化过程中的时间节点值，且满足：

其中，a表示加速度，a0表示车辆当前的加速度，a3^*表示第二加速度阈值，a8^*表示第二减速度阈值，j1表示第一跃度，j2表示第二跃度，t表示实时时间，vs表示给定的巡航速度，v0表示车辆当前的车速。

进一步作为优选的实施方式，所述模式四所对应的加速度变化曲线如下：

所述模式九所对应的加速度变化曲线如下：

其中，a表示加速度，a0表示车辆当前的加速度，j2表示第二跃度，t表示实时时间，t41和t91均表示加速度变化过程中的时间节点值。

进一步作为优选的实施方式，所述模式五所对应的加速度变化曲线如下：

所述模式十所对应的加速度变化曲线如下：

其中，a表示加速度，a0表示车辆当前的加速度，j2表示第二跃度，t表示实时时间，t51和t101均表示加速度变化过程中的时间节点值。

进一步作为优选的实施方式，所述计算车辆当前的坡度，进而结合速度规划结果，计算并输出电机转矩，对车辆实现速度控制的步骤，其具体为：

通过安装在车辆上的坡度传感器或惯性传感器所采集的传感数据，计算获得车辆当前的坡度；

结合速度规划结果，根据下式，计算并输出电机转矩，对车辆实现速度控制：

t＝[a+(i+f0+f1×u+f2×u²)×g]×k

上式中，t表示电机转矩，a表示计算所获得的车辆的加速度，i表示车辆当前的坡度，f0、f1、f2和k均表示车辆性能的相关系数，u表示车速，通过对a积分所获得，g表示重力加速度。

具体的，f0和f1均表示滚动阻力系数，f0为常数项，f1与车速相关，车速越大，f1越小，f2和k的取值如下：

其中，r表示车轮滚动半径，ig表示传动系统的传动比，η表示传动系效率，cd表示空气阻力系数，a表示迎风面积，ρ表示空气密度，m表示车辆质量，g表示重力加速度。

以下简单说明车辆的电机扭矩的计算过程：

在实际行驶过程中，车辆还受到滚动阻力ff、空气阻力fw和坡度阻力fs的影响，在计算电机转矩时应考虑。计算方法如下：

滚动阻力为

ff＝(f0+f1×u)×m×g

其中，m是车辆质量，g是重力加速度，u是车速，f0、f1是滚动阻力系数。

空气阻力为：

其中，cd是空气阻力系数，a是迎风面积，ρ是空气密度。

坡度阻力度为：

fs＝i×m×g

其中，i是坡度。

因此，需要的电机转矩为

其中，r是车轮滚动半径，a表示计算所获得的车辆的加速度，ig是传动系传动比，η是传动系效率。

令

可以得到，电机转矩t为：

t＝[a+(i+f0+f1×u+f2×u²)×g]×k

上式中，可以看出，f0、f1、f2和k均表示车辆性能的相关系数，u表示车速，通过对a积分所获得，g表示重力加速度，i表示车辆当前的坡度，通过安装在车辆上的坡度传感器或惯性传感器所采集的传感数据，计算获得车辆当前的坡度，就可以根据速度规划，计算出需要的电机转矩。

采用本方法进行车速控制的一具体试验过程中的加速度变化曲线和速度变化曲线如图5所示，图5中，车辆在高附着力路面进行测试，车辆静止5s后进入定速巡航控制，设定的巡航速度为10km/h。由此可见，本方案可以实现速度的快速、平滑控制。

本系统的定速巡航车速控制方法的一具体实例如图6所示，在控制过程中，不断检测是否接收到新设定的巡航速度，进而执行对应的速度规划，进行车速自动控制。

通过本车速控制方法，在不同工况下，可以实现稳定的车速自动控制，对人工经验的依赖性低，自动计算速度快，控制过程耗时时间短，不存在pid控制器所带来的振荡问题，稳定性高，安全性高，可以满足用户体验。

本发明还提供了一种与该车速控制方法对应的用于全车速范围定速巡航的车速控制系统，包括：

指令获取模块，用于实时判断是否接收到驾驶员设定巡航速度的控制指令；

数据获取模块，用于响应于接收到设定巡航速度的控制指令的情况，解析获得所设定的巡航速度，并获取车辆当前的车速和加速度；

速度规划模块，用于根据车速、加速度和设定的巡航速度，计算获得车辆的加速度变化曲线，进行车辆的速度规划；

车速控制模块，用于计算车辆当前的坡度，进而结合速度规划结果，计算并输出电机转矩，对车辆实现速度控制。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。