[发明专利]一种网联汽车队列的节能型稳定性运动控制方法

权利要求书

1.一种网联汽车队列的节能型稳定性运动控制方法，适用于以内燃机为动力源的车辆，该方法包括建立以车辆速度和加速度为状态变量的单个车辆动力学模型，计算各车辆分别处于加速阶段和滑行阶段的加速度；并通过建立网联汽车队列中以相邻两车组成的跟车子系统的相对速度Δv_i和相对车间距离误差ΔR_i为状态变量的跟车子系统模型，确定跟车子系统所有的四种行驶模式，得到在Δv-ΔR平面上的自车状态轨迹；针对前车加速或滑行两种情况，分别得到自车Δv-ΔR状态平面分区图，确定分区图内各区间的自车加速度；最后将前车加速和滑行分别得到的自车Δv-ΔR状态平面分区图合成，得到自车的切换控制图及控制律；以此实现网联汽车队列各车辆的节能型运动控制；其特征在于，具体包括以下步骤：

1)建立单个车辆动力学模型；

以单个车辆的速度和加速度为状态变量，建立网联汽车队列中单个车辆动力学模型的状态方程，表达式如式(1)所示：

其中，s为车辆行驶距离，v为速度，η_T为传动系传动总效率，C_A＝0.5C_Dρ_aA_v，C_D为风阻系数，ρ_a为空气密度，A_v为车辆迎风面积，M为整车质量，g为重力系数，f为摩擦系数，δ为旋转质量系数；为距离对时间的导数，即速度；代表速度对时间的导数，即加速度；

2)队列中每辆车都采用周期性切换控制，根据步骤1)建立的单个车辆动力学模型分别计算每辆车在加速阶段和滑行阶段的加速度：具体步骤如下：

2-1)计算单个车辆加速阶段的加速度；

车辆的最优变速器速比i_g，表达式如式(2)：

其中，i₀为主减速器速比，r_w为车辆轮胎半径，c为系数；设发动机按照万有特性图BSFC上的经济性曲线控制变速器，发动机经济性曲线服从式(3)：

T_eco(w_eco)＝k_eco(w_eco-b)^γ (3)

其中T_eco(w_eco)表示为BSFC的经济性曲线上的发动机的转矩，w_eco为BSFC的经济性曲线上的发动机转速，k_eco、γ及b分别为拟合系数；

当转矩T_eco的导数为0即时，此时发动机工作点为最小油耗点，此时发动机功率如式(4)所示：

其中，T_eco-P、w_eco-P、P_e-P分别表示发动机工作在最小油耗点处的转矩、转速和功率，此时，当发动机处于最小油耗点时车辆处于加速阶段的加速度如式(5)所示：

2-2)计算单个车辆滑行阶段的加速度；

当车辆处于怠速点时，汽车处于滑行阶段，发动机工作在怠速点处的功率P_e-G＝0，车辆在滑行阶段的加速度如式(6)所示：

3)建立网联汽车队列中跟车子系统模型；

设网联汽车队列中有车号从0到N共N+1辆车，其中，0号车辆为引导车，其余1号到N+1号车辆为后续跟随车辆；其中自车与相邻前车组成跟车子系统，记自车为第i辆车，前车为第i-1辆车，自车获取自车速度v_i、自车行驶加速度a_i、前车速度v_i-1、自车与前车的车间距离R_i和前车行驶加速度a_i-1；

以自车与前车相邻两车相对速度Δv_i和相对车间距离误差ΔR_i为状态变量，建立周期切换控制的网联汽车队列跟车子系统模型，该模型的状态方程表达式如式(7)所示：

式中，a_(i-1)pls和a_(i-1)gld分别表示前车加速阶段的加速度和前车滑行阶段的加速度；a_ipls和a_igld分别表示自车加速阶段的加速度和自车滑行阶段的加速度；Δv_i为自车与前车的相对车速，为Δv_i对时间的导数；

设定队列车辆的巡航速度V_des、时距常数τ_h和车间距离误差ΔR的误差边界ΔR_bnd，得到期望车间距R_ides和车间距ΔR，表达式如式(8)所示：

式中，d₀为静态期望车间距；

4)确定跟车子系统在Δv-ΔR平面上的状态轨迹；

每个跟车子系统一共有四种模式：前车加速-自车加速模式记为P-P，前车加速-自车滑行模式记为P-G，前车滑行-自车加速模式记为G-P和前车滑行-后车滑行模式记为G-G；

根据式(7)和式(8)确定自车在在Δv-ΔR状态平面上的状态轨迹：当自车与前车的相对加速度a_rel＝0时，在Δv-ΔR状态平面上自车状态轨迹是垂直线；而当a_rel≠0时，在Δv-ΔR状态平面上的自车状态轨迹为抛物线，表达式如式(9)所示：

其中，a_rel＝a_P-a_F表示自车与前车的相对加速度，a_P表示前车的加速度，a_F表示自车的加速度，Δv₀和ΔR₀表示初始时刻自车与前车的相对车速和相对车间距的初始值，且第二项和第三项ΔR₀都为常数；

5)根据前车处于加速阶段或滑行阶段，分别得到两个阶段下的自车Δv-ΔR状态平面分区图，确定分区图内各区间的自车加速度；

自车Δv-ΔR状态平面分区图包括：Glide区、Pulse区、change1区、change2区、Hold区和follow区；其中，Glide区表示前车加速或滑行时自车滑行；Pulse区表示前车加速或滑行时自车加速；change1区表示前车加速或滑行时自车变化加速；change2区表示前车加速或滑行时自车变化滑行加速度滑行；Hold区表示无论前车加速或滑行时，自车都保持原有加速度；follow区表示自车与前车行驶模式一致，即：前车加速时自车加速，前车滑行时自车滑行；

6)将步骤5)得到的两个阶段下的自车Δv-ΔR状态平面分区图进行合成，得到自车的切换控制图及控制律；

将步骤5)得到的前车在加速阶段和滑行阶段的自车Δv-ΔR状态平面分区图以Δv与ΔR轴的交点圆为中心进行合并，得到自车的切换控制图；以自车加速度作为控制量u(t)，根据切换控制图得到相应的自车切换控制律如式(10)所示：

其中，k为大于0的常数；当自车状态(Δv,ΔR)处于Pulse区，自车加速度控制量为a_ipls，由式(5)计算得到；当自车状态(Δv,ΔR)处于Glide区，自车加速度控制量为a_igld，由式(6)计算得到；当自车状态(Δv,ΔR)处于Follow区，前车加速时自车加速度控制量为a_ipls，前车滑行时自车加速度控制量为a_igld；当自车状态(Δv,ΔR)处于Hold区，自车加速度控制量与上一时刻的控制量一致；当自车状态(Δv,ΔR)处于change1区，自车加速度控制量为大于前车加速阶段加速度的数值，即为a_(i-1)pls+k，其中a_(i-1)pls由式(5)计算得到；自车状态(Δv,ΔR)处于change2区，自车加速度控制量为小于前车滑行阶段加速度的数值，即为a_(i-1)gld-k，其中a_(i-1)gld由式(6)计算得到；以此实现网联汽车队列各车辆的节能型运动控制。