1、 （）年 第 卷 第 期 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）作者简介：杨铭菲，女，硕士研究生，主要从事无人驾驶相关技术研究，-：；通信作者 田杰，女，博士，副教授，主要研究车辆系统动力学控制、无人驾驶等相关研究，-：。本文引用格式：杨铭菲，田杰 纯电动汽车自适应巡航控制研究 重庆理工大学学报（自然科学），（）：，（），（）：（）纯电动汽车自适应巡航控制研究杨铭菲，田杰（南京林业大学 汽车与交通工程学院，南京 ）摘要：选择四轮轮毂电机驱动电动汽车为研究对象，运用 和 对自适应巡航控制系统进行研究。制定了纯电动汽车自适应巡航控制系统整体架构，并对纯电动汽车的纵向动力学进行了分析，随后选择
2、了一种合适的安全距离模型以保证车辆行驶的安全性，运用 搭建了所必需的雷达和轮毂电机模型。采用 搭建自车与前车的车辆模型以及仿真环境。基于 控制算法和线性二次型调节器（，）分别搭建出定速巡航和距离保持的上层控制器，再通过车辆纵向动力学搭建下层控制器。通过 和 搭建联合仿真模型，在加减速工况下对定速巡航和距离保持控制器进行仿真研究。仿真结果表明：所设计的控制系统能够较好地实现定速巡航和距离保持功能，具有良好的实用性和有效性。关键词：纯电动汽车；安全距离模型；自适应巡航控制；定速巡航；距离保持中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言随着全球汽车数量的增加，能源短缺和道路安全问题越来越被人们所重视
3、。在提倡环保节能和实现工业智能化的背景下，纯电动汽车的开发研究受到社会各界的广泛关注。为了解决车辆数量的增加和交通安全等问题之间的矛盾，关于车辆自适应巡航控制的研究得到快速发展，且取得了一定的成果，但在许多方面还需要进行深入地研究 。随着全球能源短缺的问题日益凸显，电动汽车开始有成为汽车市场主流的趋势。所以，电动汽车上也开始安装自适应巡航控制系统。-等 研究了一种用于智能绿色自主车辆（）的纵向控制器，在自动驾驶中可以最大程度地减少能量的消耗，实现绿色出行。在新能源汽车行业中，特斯拉在 系统的研发上有巨大的投入，其系统已经有多次更新，融入了较多的安全性设计 。其系统不仅可以在空旷路面上根据驾驶员
4、所设定好的车速进行定速巡航，还可以在复杂路况对环境进行分析，通过改变速度来控制安全车距。李韧等 提出一种新的 跟车间距控制方法，低速时以固定距离作为跟车间距，高速时以车辆制动距离作为跟车间距，这样既可以保证行驶过程中的舒适性，又可以保证车辆的行驶安全。张振军 利 用 和 结合的方式，搭建纯电动汽车 系统仿真平台，并开发纯电动汽车 系统的控制算法，通过分析 种常见工况来验证所提出的控制策略和算法的有效性和正确性。郝克宇 通过 和 建立车辆仿真模型，然后基于实际情况建立车辆的安全距离模型，采用分层控制对 系统进行研究，分别采用了模糊控制和 控制理论对上下层控制器进行设计，仿真结果验证了所设计控制器
5、的有效性。对于距离保持功能而言，采用 控制并不是很好的选择。只关注当前时刻的误差，不关注未来时间段内的误差，没有预见性。可以在多个约束条件下得到最优性能指标，十分适合 系统的多目标控制。吴利军等 提出了一种以控制车间距离和相对车速为目标的 控制算法。仿真结果验证了基于 所设计的 控制器的有效性。同时，李想等 基于 设计了 控制系统，采用变权重系数的方法计算出优化后的期望加速度，增加了控制目标。仿真结果表明所设计的控制策略的有效性。由于 具有限制和优化加速度的能力，并且可以计算未来固定时间段内的最优，因此采用 来设计距离保持上层控制器。系统基本功能及整体架构为研究纯电动汽车自适应巡航控制，首先要
6、确定所设计的控制系统可以实现的功能。在本文中设计的自适应巡航控制系统主要有 种功能：定速巡航和距离保持。定速巡航驾驶员根据自身需要设定合适的巡航车速后，自车进行加速或者减速，最后以巡航车速继续向前行驶。在车辆处于定速巡航模式时，车辆以恒定的速度前进。当驾驶员踩下制动踏板或加速踏板时，定速巡航工作模式将自动取消，由驾驶员自身控制车辆的运动状态，保证了驾驶员第一原则。理论上，定速巡航模式只能用于高速公路、封闭道路和空旷无人且长直的郊区道路。事实上，如果交通情况良好且前方道路的行驶车辆较少时，驾驶员也可以使用定速巡航控制系统，使车辆以驾驶员所设定的恒定速度前进。距离保持驾驶员根据自身需要设定合适的安
7、全距离模型后，自车上的雷达实时对前车的间距进行检测。若发现自车与前车的距离小于设定距离时，自车减速；若检测距离过大或者超出了雷达检测范围，则自车开始加速。通过距离保持控制器使车辆加速或减速，从而达到距离保持控制的效果。在实际工作环境中，距离保持控制模式适用于高速公路、封闭道路和交通状况良好的郊区道路。如果交通情况良好但需要跟随前车行驶时，驾驶员为保证自车与前车保持在一定的安全距离，可以选择开启距离保持控制系统，以便自车能够在保持驾驶员所设定的安全距离情况下对前车跟踪行驶。在行车过程中，驾驶员可以通过根据自身需要和道路交通环境选择不同的控制模式，从而满足驾驶员对车辆控制的不同需求。这些功能的实现
8、可以有效增强车辆的主动安全性，减缓驾驶员在车辆行驶中的疲劳程度，提高了自动巡航系统的工作效率。纯电动汽车自适应巡航控制系统的 种不同控制器从启动到实现控制效果的整个过程如图 所示。图 纯电动汽车自动巡航过程框图 车辆纵向动力学模型建立为了更好地分析纯电动汽车在行驶时的受力情况，建立了纯电动汽车的纵向动力学模型，并直观地表示出车辆在运动过程中的受力分析，包括轮胎滚动阻力、纵向力、空气阻力和重力等，如图 所示。图 车辆纵向受力分析示意图图 中：是车辆的质量；为坡道角度；为重力加速度；是车辆质心的纵向加速度；和 分别是前后车轮的纵向力；和 分别是前后车轮的垂直载荷；和 分别是前后车轮的滚动阻力；为空
9、气阻力，是空气阻力距离地面的高度；为质心高度；和 为质心距离前后两轴的距离。根据牛顿第二定律，车辆在纵向上可以得到以下关系式：（）车辆在行驶过程中会受到空气阻力的影响，尤其在高速行驶时，车辆受到空气阻力的影响特别明显，是因为它与车辆迎风面积和相对风速有关，可表示为：（）式中：为空气阻力系数；为行驶车辆迎风面积；为空气密度，一般情况下为 ；为车辆与风速的相对速度，在无风情况下等于车速。车辆除了受到空气阻力外，轮胎和支承路面的变形也会产生滚动阻力，通常可表述为：（）（）式中：为滚动阻力系数，车辆的滚动阻力系数与自车车速成正比关系，一般推荐的公式是：（）（）根据受力情况的转矩平衡，可以得出前后车轮的
10、垂直载荷，表达式如下：（）上层控制器设计上层控制器根据驾驶员自身需要选择不同的控制模式，最后输出期望加速度给下层控制器，从而控制自车的运动状态。安全距离模型建立考虑到驾驶员反应时间和制动装置发挥作用时间的存在，将选择可变车间时距模型来确定自动巡航系统的安全距离。一般情况下，前后两车停止时的间距在 左右，驾驶员的反应时间在 ，制动装置的响应时间在 ，车辆的加速度为 。考虑到行车安全和乘车舒适性，选择停车间距为 ，驾驶员反应时间与制动装置响应时间之和为 ，车辆的最小制动减速度为 ，将各项数值代入式（）中，得出本文的安全距离数学模型：（）根据我国的 道路交通安全法实施条例 规定 ：对于行驶在高速公路
11、的车辆，当车速超过 时，与同车道的前车的安全距离要保持 以上。当 时，小于规定的 ，所以本文设计的安全距离模型符合国家标准，可以在本文中使用。基于 的定速巡航上层控制器设计定速巡航控制模式是行驶车辆最基础的一种工作模式，它可以通过接收驾驶员设定好的巡航车速，使自车加速或者减速，直至达到驾驶员所预期的目标车速后，一直保持巡航车速行驶。定速巡航控制器的控制算法的实现相对较容易，所以采用 控制算法来设计定速巡航控制器。假设驾驶员预先设置好的巡航车速为 ，而自车的当前车速为 ，两者作差为：（）（）根据 控制算法，定速巡航的上层控制器的表达式为：（）（）（）?（）（）式中：、以及 分别是比例、积分和微分
12、系数。杨铭菲，等：纯电动汽车自适应巡航控制研究定速巡航控制器的 参数通过试凑法，最终确定为 、。为考虑到实际情况，需要对期望加速度的输出做限幅处理。采用 里的 限幅模块对输出的期望加速度做限幅处理，设定 限幅模块的最大值为 ，最小值为 。基于 的距离保持上层控制器设计距离保持控制器是自适应巡航控制系统的重要部分之一，在设计距离保持上层控制器时可以运用线性二次型调节器的方法，进行期望加速度的求解 ，。首先，对跟车行驶过程进行分析。假设两车间距和相对速度是可以测量的，为了简化过程，在此不考虑摩擦力等影响较小的因素。所以在本文中，设定安全距离模型为自车与前车的期望车间间距，由安全距离模型可以得到，自
13、车期望车间间距与自车的实时速度、最小车间距有关。当分析两车行驶过程时，前后两车的加速度变量以及传递特性有以下关系：?（）（）式中：是自车期望加速度，?和?分别是自车车速和前车车速，是自车实际加速度，是实时车间 间 距。设 该 系 统 的 状 态 变 量 为 ，控制变量为 ，输出量为 ，前车速度变化率为干扰量，根据式（）和式（）建立其状态空间方程：（）式中：各项系数分别为|、|、|、。将控制误差设为自车与前车期望间距与实际间距的差值，表达式如下：（）（）（）（）设计的控制器的效果是否良好，需要一个控制标准，本文中距离保持控制器的设计问题可以被简化成控制指标求最小值问题，即将状态反馈增益原理转化成
14、最优化的跟踪问题，如式（）所示。本文选择最优控制的目标函数作为距离保持控制器的度量标准，所以二次型性能指标为：（）（）（）式中：为控制误差，为控制变量的加权值。根据最优控制问题求解的方法，式（）可以转化为：（）（）式中：为，取值为，得出控制器的状态反馈系数分别为 、。基于此系数下的距离保持控制器能够良好地实现期望车间间距，加速度变化的波动次数较小，可以满足驾驶员以及乘客的舒适性要求。将计算出的状态反馈系数代入式（）中，可得自车的期望加速度表达式：（）（）为了符合车辆实际的制动情况以及舒适性要求，需要对距离保持控制器输出的期望加速度作限幅处理，在 模型中现在 对期望加速度的输出进行限制，设定最小
15、值为 ，最大值为 。下层控制器设计下层控制器接收上层控制器输出的期望加速度信号，然后计算出总力矩，再根据车辆纵向动力学方程求解出力矩，并进行驱动 制动力矩的分配，从而较好地控制自车的运动状态。制动力矩分配计算要分析 个车轮的力矩，首先要计算出总力矩，公式如下：|（）式中：、分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮驱动力或制动力，、分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮驱动或制动力矩，为轮胎滚动半径。结合式（）式（）可得总力矩表达式：()（）根据式（）和式（）将前后轮和左右轮的纵向力按照轮胎垂直载荷比例进行分配，得出以下方程组：（）（）（）（）|（）求解上述方程组，得出各个车轮的驱动或制动力矩的表达式
16、：|（）自适应巡航控制系统工作模式切换由于车辆在行驶过程中，种工作模式都是驾驶员自主开启，所以必须考虑到驾驶员自身的想法，比如对 种不同控制器的切换。设计了 种控制器的切换方法，原理如图 所示。图 上层控制器的切换原理示意图图 中，“”代表定速巡航，“”代表距离保持，常数模块“”和“”同时连接 和 模块。当开关连接“”时，模块输出为 ，这时 模块输出定速巡航上层控制器的期望加速度，同时 模块输出的 减去后，使 模块输出为 ，最后输出的加速度 为定速巡航上层控制器的期望加速度，即为定速巡航模式。当开关连接“”时，模块输出为，这时 模块输出为，同时 模块输出的 先减 后求绝对值，使 模块输出为距离保持上层控制器的期望加速度，最后的输出加速度 为距离保持上层控制器的期望加速度，即为距离保持模式。联合仿真及结果分析在完成安全距离模型、前车和自车的 车辆模型以及自适应巡航控制器模型的建立后，联合接口并建立整体的纯电动汽车闭环仿真模型。在弯道工况下对所设计的纯电动汽车自适应巡航控制系统进行仿真实验，设置路面附着系数为 ，仿真时间为 。在 中搭建了测试场景，如图所示。对于 系统而言，在定速巡航和安全
