具有預(yù)見性巡航功能的卡車巡航控制系統(tǒng)開發(fā)

朱青松，李軍偉，宋振斌，李興坤，鄭旭光

（1.255049 山東省 淄博市 山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院；2.266043 山東省 青島市 中寰衛(wèi)星導(dǎo)航通信有限公司青島分公司）

0 引言

隨著汽車電子技術(shù)的高速發(fā)展[1-4]，為了緩解卡車駕駛?cè)藛T在高速公路運(yùn)輸中的駕駛壓力，減輕駕駛員的疲勞程度，定速巡航系統(tǒng)以及自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)等先進(jìn)的輔助駕駛系統(tǒng)在卡車上的應(yīng)用已經(jīng)普及[5-7]。傳統(tǒng)的卡車定速巡航系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩實(shí)現(xiàn)卡車以設(shè)定的車速為目標(biāo)進(jìn)行勻速行駛[8-13]，在一定程度上能夠減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)，不需要駕駛員進(jìn)行過多的駕駛操作，并且在平緩道路上通過勻速行駛能夠減少卡車行駛的油耗。但由于中國的道路狀況錯(cuò)綜復(fù)雜，一些多山地區(qū)的道路較陡，卡車在較陡的坡道上通過定速巡航系統(tǒng)控制行駛時(shí)，會(huì)加大卡車的燃油消耗，增加運(yùn)輸成本[14-15]。

預(yù)見性巡航控制（Predictive Cruise Control,PCC）系統(tǒng)是以定速巡航系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以提高燃油經(jīng)濟(jì)性、安全性和舒適性為目標(biāo)開發(fā)的一種新的高級(jí)自動(dòng)輔助駕駛系統(tǒng)[16-18]。該系統(tǒng)能夠根據(jù)卡車行駛前方道路的狀況，通過相應(yīng)的控制方法規(guī)劃出卡車在前方道路行駛時(shí)的最佳節(jié)油扭矩，以該目標(biāo)扭矩驅(qū)動(dòng)卡車在前方道路上行駛，以達(dá)到省油的控制目標(biāo)。

為了在減輕駕駛員駕駛負(fù)擔(dān)的同時(shí)減少卡車的燃油消耗，降低卡車的運(yùn)輸成本，增加卡車駕駛的安全性和舒適性，針對(duì)傳統(tǒng)卡車輔助駕駛系統(tǒng)的不足，本文開發(fā)出一種具有預(yù)見性巡航功能的卡車巡航控制系統(tǒng)，通過模糊PID 實(shí)現(xiàn)對(duì)卡車巡航車速的控制。通過在巡航系統(tǒng)中集成預(yù)見性巡航的扭矩和擋位執(zhí)行功能，擴(kuò)展了定速巡航系統(tǒng)的功能，進(jìn)一步提高了巡航控制系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性。最后通過硬件在環(huán)測(cè)試，驗(yàn)證了巡航系統(tǒng)的控制效果。

1 卡車巡航系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

卡車傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為如圖1 所示，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、主減速器和車輪等部分組成。

圖1 卡車傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Simplified structure diagram of truck transmission system

巡航系統(tǒng)主要涉及對(duì)卡車傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的控制，實(shí)現(xiàn)卡車的定速巡航和預(yù)見性巡航。巡航系統(tǒng)控制策略根據(jù)多功能桿狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器（ECU）、變速器控制器（TCU）、預(yù)見性巡航控制器（PCC）以及整車工作狀態(tài)等信息，控制定速巡航激活，并跳轉(zhuǎn)進(jìn)入勻速、加速、減速、從退出狀態(tài)恢復(fù)車速和進(jìn)入預(yù)見性巡航等巡航模式。若出現(xiàn)卡車故障、駕駛員介入巡航等巡航退出條件時(shí)，則退出巡航；若故障排除重新恢復(fù)巡航時(shí)，則需控制定速巡航系統(tǒng)恢復(fù)到設(shè)定的車速?；谝陨戏治?，將巡航系統(tǒng)劃分為：巡航模式識(shí)別模塊、巡航退出條件判斷模塊和巡航車速管理模塊3 部分。巡航系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 巡航系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of cruise system

2 巡航模式識(shí)別模塊

通過分析巡航系統(tǒng)的功能，將巡航系統(tǒng)的工作模式分為：定速巡航速度保持、定速巡航加速、定速巡航減速、定速巡航恢復(fù)車速（從較高車速恢復(fù)車速、從較低車速恢復(fù)車速）和預(yù)見性巡航模式?；诙ㄋ傺埠焦ぷ髂Ｊ街g的跳轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)卡車定速巡航的功能，并能夠在滿足預(yù)見性進(jìn)入條件的情況下（車輛GPS 定位和前方道路坡度已知），跳轉(zhuǎn)進(jìn)入預(yù)見性巡航模式。各模式之間的遷移邏輯如圖3 所示。

圖3 巡航模式識(shí)別模塊狀態(tài)遷移Fig.3 Cruise mode recognition module state transition

巡航模式識(shí)別模塊通過識(shí)別多功能桿輸入和整車狀態(tài)輸入，控制巡航系統(tǒng)進(jìn)入對(duì)應(yīng)巡航狀態(tài)，在對(duì)應(yīng)巡航狀態(tài)下輸出不同的期望巡航車速、巡航初始控制扭矩和巡航模式，為車速管理模塊提供車速和初始扭矩輸入。巡航模式識(shí)別模塊的功能如圖4 所示。

圖4 巡航模式識(shí)別模塊功能示意圖Fig.4 Function diagram of cruise mode recognition module

巡航識(shí)別模塊中，各個(gè)巡航狀態(tài)的切換邏輯為：定速巡航初始狀態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)，多功能桿開關(guān)打開后，巡航系統(tǒng)進(jìn)入定速巡航空閑狀態(tài)，等待巡航激活；在空閑狀態(tài)下，駕駛員按SET 鍵（加速或減速鍵）激活定速巡航，將當(dāng)前車速設(shè)置為期望巡航車速，巡航系統(tǒng)進(jìn)入速度保持模式；駕駛員按加速鍵，巡航系統(tǒng)進(jìn)入定速巡航加速狀態(tài)，在加速狀態(tài)中，按照固定斜率提高期望巡航車速，引導(dǎo)車速管理模塊提高輸出扭矩，控制車輛加速；駕駛員按減速鍵，巡航系統(tǒng)進(jìn)入定速巡航減速狀態(tài)，在減速狀態(tài)中，按照固定斜率降低期望巡航車速，引導(dǎo)車速管理模塊降低輸出扭矩，控制車輛減速；在發(fā)生退出條件后，巡航系統(tǒng)切換回空閑狀態(tài)，此時(shí)，駕駛員通過按多功能桿恢復(fù)鍵，控制巡航系統(tǒng)恢復(fù)至退出之前的期望巡航車速。

在滿足預(yù)見性巡航進(jìn)入條件的情況下，巡航系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)見性巡航模式。在預(yù)見性巡航模式下，通過執(zhí)行預(yù)見性巡航控制模塊的控制扭矩和目標(biāo)擋位，巡航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)車速和擋位的控制。該模式下的擋位和扭矩由預(yù)見性巡航控制器計(jì)算得出，本文開發(fā)的巡航系統(tǒng)僅涉及在預(yù)見性巡航狀態(tài)下對(duì)其輸出擋位和扭矩信息的解析和執(zhí)行。為實(shí)現(xiàn)預(yù)見性巡航模式，制定了與預(yù)見性巡航控制器的通信協(xié)議，通過4 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)預(yù)見性巡航控制關(guān)鍵信息的解析，包括預(yù)見性巡航扭矩、目標(biāo)擋位和激活狀態(tài)。預(yù)見性巡航數(shù)據(jù)的具體結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 預(yù)見性巡航控制器輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.5 Predictive cruise controller output data structure

3 巡航退出條件判斷模塊

為確保巡航系統(tǒng)不會(huì)影響駕駛員對(duì)車輛的操作，保證駕駛員對(duì)車輛的優(yōu)先控制，巡航退出條件判斷模塊會(huì)檢查所有與巡航退出相關(guān)的條件，導(dǎo)致巡航退出的情況共有3 種，分別為車輛狀態(tài)異常、駕駛員干預(yù)巡航和巡航狀態(tài)異常。巡航退出策略如圖6 所示。

圖6 巡航退出模型策略Fig.6 Cruise exit model strategy

根據(jù)發(fā)生退出原因的嚴(yán)重程度不同，將退出狀態(tài)分為不可恢復(fù)直接退出和可恢復(fù)退出2 種。當(dāng)不可恢復(fù)退出原因發(fā)生后，巡航直接退出，當(dāng)可恢復(fù)退出原因發(fā)生后，巡航暫時(shí)退出進(jìn)入空閑模式，待退出原因消失后巡航恢復(fù)至正常狀態(tài)。

不可恢復(fù)的退出原因有：（1）車輛狀態(tài)異常，包括多功能桿模式錯(cuò)誤、剎車失效、加速踏板失效、離合器失效、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)失效、車速檢測(cè)失效、增壓裝置失效、高壓共軌失效、整車加速度過大；（2）駕駛員操作退出巡航，包括駕駛員關(guān)閉多功能桿、駕駛員踩剎車。

可恢復(fù)的退出原因有：駕駛員踩油門加速超車、駕駛員手動(dòng)換擋、車速不在巡航允許范圍內(nèi)、變速器不在合適擋位、司機(jī)手動(dòng)操作排氣制動(dòng)等。

在退出條件發(fā)生后，將巡航模式切換到巡航關(guān)閉模式，以等待駕駛員按恢復(fù)鍵重新進(jìn)入定速巡航。

4 巡航車速管理模塊

巡航車速管理模塊的功能為協(xié)調(diào)定速巡航和預(yù)見性巡航的扭矩輸出，實(shí)現(xiàn)巡航系統(tǒng)對(duì)車速和擋位的控制。

首先，巡航車速管理模塊基于模糊PID 實(shí)現(xiàn)控制扭矩的實(shí)時(shí)計(jì)算輸出，車速管理模塊的模糊PID 控制原理如圖7 所示。圖中，當(dāng)前車速（V）與期望車速（Vd）的差值為車速誤差（e），在單位步長(zhǎng)中車速誤差的變化量為車速誤差變化率（ec）。將車速誤差和車速誤差變化率加到模糊控制器的輸入端，將其轉(zhuǎn)化為模糊輸入語言變量，由模糊推理器根據(jù)模糊推理規(guī)則推導(dǎo)出模糊輸出量，最后經(jīng)過解模糊過程輸出精確的控制量Kp'，Ki'，Kd'，它們的值被轉(zhuǎn)化為0～1 之間的值，為了減少浮點(diǎn)運(yùn)算，對(duì)其值乘以固定比例系數(shù)進(jìn)行了放大。在實(shí)際PID 控制器的應(yīng)用中需要乘以適當(dāng)?shù)谋壤蜃覩p，Gi，Gd以得到真正的PID 參數(shù)Kp，Ki，Kd。

圖7 模糊PID 車速管理器控制原理圖Fig.7 Schematic diagram of fuzzy PID speed manager control

車速管理模塊的PID 控制算法原理如式（1）所示。

式中：Trq——控制扭矩；k——采樣序號(hào)；T——采樣時(shí)間；Kp——比例系數(shù)；Ki——積分系數(shù)；Kd——微分系數(shù)。

其次，車速管理模塊基于預(yù)見性巡航控制器的數(shù)據(jù)輸入，結(jié)合整車運(yùn)行狀態(tài)和定速巡航狀態(tài)，適時(shí)輸出預(yù)見性巡航的控制扭矩和擋位，實(shí)現(xiàn)預(yù)見性巡航狀態(tài)下對(duì)卡車車速的控制。

5 實(shí)車測(cè)試

通過Kvaser 調(diào)試工具，將Simulink 下的定速巡航控制模型與實(shí)車連接成一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。Simulink 模型通過Kvaser 連接到整車OBD 接口，接入到整車CAN 總線網(wǎng)絡(luò)。所搭建硬件在環(huán)平臺(tái)如圖8 所示。圖9 為測(cè)試所用車輛。

圖8 硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)Fig.8 HIL test platform

圖9 JH6 實(shí)車測(cè)試Fig.9 JH6 real vehicle test

所用實(shí)驗(yàn)卡車的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)重型卡車的參數(shù)Tab.1 Experimental heavy truck parameters

使用搭建的硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)，在空擋、空車原地進(jìn)行測(cè)試。車速由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，結(jié)合12擋傳動(dòng)比和主減速器傳動(dòng)比以及輪胎半徑等計(jì)算得出。即模擬在卡車巡航過程中最常見的最高擋的巡航狀態(tài)。測(cè)試數(shù)據(jù)由CCP 標(biāo)定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中記錄獲得，CCP 數(shù)據(jù)記錄間隔為100 ms。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析圖的時(shí)間軸（橫軸）由實(shí)際采樣點(diǎn)表示，每個(gè)采樣點(diǎn)間隔時(shí)間為100 ms，即每隔100 ms 記錄一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5.1 定速巡航加速-保持車速測(cè)試

圖10 為定速巡航速度微調(diào)加速車速測(cè)試結(jié)果。從圖10 可以看出，在實(shí)時(shí)車速為93.8 km/h巡航過程中，駕駛員短按加速鍵2 次，每次期望巡航車速提高1 km/h，期望巡航車速由93.8 km/h提高至95.8 km/h。通過定速巡航的較低車速恢復(fù)車速模式，將卡車巡航車速提高至95.8 km/h，并隨后將實(shí)時(shí)車速保持在95.8 km/h。測(cè)試結(jié)果表明巡航執(zhí)行正常，車速調(diào)整符合預(yù)期。

圖10 定速巡航速度微調(diào)加速車速圖Fig.10 Accelerating speed chart of fine-tuning cruise speed at fixed speed

5.2 定速巡航減速測(cè)試

定速巡航持續(xù)減速測(cè)試結(jié)果如圖11 所示。

圖11 定速巡航持續(xù)減速測(cè)試車速圖Fig.11 Speed chart of constant-speed cruise deceleration test

由圖11 可以看出，在車速為84 km/h 巡航過程中，駕駛員長(zhǎng)按減速鍵，期望巡航車速以固定斜率下降，車速管理模塊降低輸出扭矩，使實(shí)時(shí)車速減小，隨后駕駛員松開減速鍵，期望車速更新為74 km/h，定速巡航保持實(shí)時(shí)車速在74 km/h處，進(jìn)入速度保持模式。巡航模式跳轉(zhuǎn)正常，車輛減速符合預(yù)期，激活狀態(tài)符合預(yù)期。

5.3 定速巡航恢復(fù)車速測(cè)試

定速巡航恢復(fù)車速測(cè)試結(jié)果如圖12 所示。該測(cè)試模擬定速巡航退出后，駕駛員按恢復(fù)鍵恢復(fù)定速巡航。由圖12 可以看出，按恢復(fù)鍵后，實(shí)時(shí)車速為60 km/h，小于退出前期望巡航車速62 km/h，巡航應(yīng)進(jìn)入從較低車速恢復(fù)車速模式，在第0.3 s 車速正?；謴?fù)至期望巡航車速。

圖12 巡航恢復(fù)車速圖Fig.12 Cruise recovery speed chart

5.4 定速巡航跳轉(zhuǎn)至預(yù)見性巡航模式執(zhí)行測(cè)試

定速巡航跳轉(zhuǎn)至預(yù)見性巡航模式測(cè)試結(jié)果如圖13 所示。由圖13 可以看出，在第1.2 s PCC激活后，定速巡航切換到預(yù)見性巡航模式。在1.3 s定速激活后，此時(shí)的扭矩輸出應(yīng)等于預(yù)見性巡航計(jì)算出的扭矩，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出巡航系統(tǒng)可以正常輸出預(yù)見性巡航控制器扭矩。

圖13 定速巡航跳轉(zhuǎn)至預(yù)見性巡航模式圖Fig.13 Jumping from constant speed cruise to predictive cruise mode map

PCC 退出測(cè)試結(jié)果如圖14 所示。在第0.4 s，PCC 退出，此時(shí)定速巡航需接管車輛控制車輛繼續(xù)行駛，可以看出在第0.6 s 巡航模式變?yōu)榛謴?fù)車速模式，巡航切換至車速恢復(fù)模式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在PCC 退出后，巡航系統(tǒng)能夠切換到定速巡航狀態(tài)控制車輛行駛，模式跳轉(zhuǎn)正常。

圖14 預(yù)見性巡航退出測(cè)試模式圖Fig.14 Diagram of predictive cruise exit test mode

PCC 換擋測(cè)試結(jié)果如圖15 所示。可以看出，在第1.1 s 左右，PCC 擋位變?yōu)?1 擋，定速巡航需要準(zhǔn)確執(zhí)行預(yù)見性巡航所發(fā)送擋位，在接收到預(yù)見性巡航擋位信息后，在第2 s 將變速器選中擋位設(shè)置為目標(biāo)擋位，引導(dǎo)變速器切換至PCC擋位。隨后在第8 s 可以看出，變速器當(dāng)前擋位變?yōu)?1 擋，變速器完成換擋，擋位切換至PCC擋位。實(shí)車測(cè)試結(jié)果表明，換擋執(zhí)行準(zhǔn)確，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)見性巡航下車輛的換擋。

圖15 預(yù)見性巡航換擋測(cè)試圖Fig.15 Predictive cruise shift test chart

6 結(jié)論

本文以一汽解放JH6 為實(shí)車平臺(tái)，設(shè)計(jì)了應(yīng)用預(yù)見性巡航的卡車定速巡航控制系統(tǒng)，由巡航控制模式識(shí)別模塊、退出條件判斷模塊和車速管理模塊3 部分組成。運(yùn)用模糊PID 控制策略對(duì)巡航車速進(jìn)行控制，通過在巡航系統(tǒng)中集成預(yù)見性巡航的扭矩和擋位執(zhí)行策略，擴(kuò)展了定速巡航系統(tǒng)的功能。并對(duì)巡航控制策略進(jìn)行了硬件在環(huán)實(shí)車驗(yàn)證，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得到如下結(jié)論：

（1）所設(shè)計(jì)的卡車巡航控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)各巡航狀態(tài)之間的模式跳轉(zhuǎn)，響應(yīng)速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)卡車的定速巡航和預(yù)見性巡航。

（2）對(duì)卡車巡航控制策略進(jìn)行硬件在環(huán)實(shí)車試驗(yàn)，進(jìn)行了加速-保持車速測(cè)試、減速測(cè)試、巡航恢復(fù)車速測(cè)試和預(yù)見性巡航執(zhí)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：巡航模式間能夠快速切換，巡航激活時(shí)車速穩(wěn)定，能夠達(dá)到期望巡航車速并實(shí)現(xiàn)車輛的換擋。

（3）所提出的卡車巡航控制策略能夠運(yùn)用于實(shí)車，在巡航激活狀態(tài)下，有效提高駕駛員的舒適性，降低駕駛員的負(fù)荷，并且在巡航時(shí)有助于降低燃油的消耗。