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詳解ADAS系統(tǒng)的不同車型控制模型

2020-02-27 00:37:42·  來源：焉知自動駕駛  
　
原創(chuàng)焉知汽車 昨天知圈 |進ISO26262社群，請加微13636581676，備注ISOADAS系統(tǒng)中的舒適性系統(tǒng)控制原理是在汽車行駛過程中，通過安裝在汽車前部的車距傳感器持續(xù)
ADAS系統(tǒng)中的舒適性系統(tǒng)控制原理是在汽車行駛過程中，通過安裝在汽車前部的車距傳感器持續(xù)掃描前方道路，同時輪速傳感器采集車速信息，當前汽車與前方車輛之間的距離小于或大于安全車距時，ADAS控制單元通過與制動系統(tǒng)，發(fā)動機控制系統(tǒng)協(xié)調動作，改變制動力矩和發(fā)動機輸出功率，對汽車行駛速度進行控制，以保證安全舒適性駕駛。對于電動汽車而言，發(fā)動機更換為驅動電機，通過改變制動力矩和驅動電機的輸出功率，控制電動汽車的行駛速度。

不同車型的ADAS系統(tǒng)控制方法

燃油汽車ADAS系統(tǒng)控制方法如下圖，它分為兩端控制，前端根據雷達、車速和加速度傳感信號控制車速和加速度，獲得期望的車速和期望的加速度信號；后端接收第一層信號輸入，并對驅動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)進行調節(jié)，輸出節(jié)氣門開度和制動壓力命令，從而控制發(fā)動機和液壓制動系統(tǒng)裝置。


電動汽車ADAS系統(tǒng)控制方法如下圖，它分為三段控制：前端根據雷達和傳感器信號控制加速度及轉矩，獲得期望加速度與期望轉矩信號；中端對第一層輸出的期望轉矩進行分配，獲得期望電機驅動扭矩、期望電機制動力矩和期望液壓制動力矩；后端接收中端信號協(xié)調驅動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)，輸出電動機驅動扭矩指令、電機制動扭矩指令和液壓制動力矩，分別控制驅動電機和液壓制動裝置。


ADAS駕駛輔助系統(tǒng)是基于人-車-環(huán)境的閉環(huán)系統(tǒng)，需要合理的控制策略來保證基本功能的實現，駕駛員可以通過開關控制ADAS系統(tǒng)的工作狀態(tài)、設置車速、車距及加速和制動踏板對汽車縱向運動進行干預。

其中包含如下三個方面的控制策略：

1、定速巡航與跟車切換策略以獲得期望的車速和加速度；

2、制動力矩分配策略的驅動與制動切換策略，以獲得期望驅動力矩和期望制動力矩；

3、駕駛員主動干預控制策略；

如下以新能源電動車為例說明ADAS舒適性系統(tǒng)縱向控制整體結構原理；其中Vh為實際車速，Vr為相對車速，dr為相對車距，Ve為期望車速，ae為期望加速度，Te為期望驅動扭矩，Tz為期望制動力矩；電動車通常采用電機再生制動為主、機械制動為輔的制動形式，再生制動時電機輸出負扭矩，通過機械傳動將制動力矩作用于車輪，實現電能轉化為機械能，這部分機械能一部分變成熱量消失，一部分通過傳動裝置反傳給電機，電機充當發(fā)動機對蓄電池充電，實現機械能向電能的轉換。因此，電機在產生制動力矩的同時會向蓄電池回饋能量（也即制動能量回收）。故，為了實現安全制動和高效回收制動能量的雙重目標，需要制定合理的制動力矩分配策略，當期望輸出扭矩增大到正值且制動踏板沒有動作時，切換到驅動模式，避免切換時發(fā)生沖突，確保行車安全。


不同車型的ADAS系統(tǒng)動力控制模型

要精確分析ADAS系統(tǒng)相關控制邏輯，我們需要充分掌握其動力控制模型狀態(tài)，下面專門區(qū)分燃油汽車和電動汽車動力學模型進行原理說明。以自動變速器控制的車型為例說明燃油汽車ADAS系統(tǒng)動力學模型，其中主要包括發(fā)動機模型或電機模型、自動變速器模型、汽車行駛模型及執(zhí)行器模型等。

1）發(fā)動機模型

發(fā)動機模型分為穩(wěn)態(tài)模型和動態(tài)模型。發(fā)動機工作情況比較復雜，影響因素較多，一般認為發(fā)動機穩(wěn)態(tài)輸出扭矩是節(jié)氣門開度和轉速的函數，即：


上式中，Ms穩(wěn)態(tài)輸出扭矩，θ為發(fā)動機節(jié)氣門開度，n為發(fā)動機轉速，a0-3為擬合系數。

穩(wěn)態(tài)模型一般采用實驗模型，即將發(fā)動機穩(wěn)態(tài)實驗獲得的每個節(jié)氣門開度下的輸出扭矩與轉速數據用三次多項式擬合后得到發(fā)動機穩(wěn)態(tài)輸出轉矩。發(fā)動機節(jié)氣門調節(jié)既與穩(wěn)態(tài)特性有關，又與動態(tài)特性有關，所以應該建立發(fā)動機的的動態(tài)模型，一般將發(fā)動機的動態(tài)輸出扭矩簡化為一階線性模型，用傳遞函數表示為：


上式中，te表示為發(fā)動機響應滯后時間，s為拉式算子。從該式中不難看出響應滯后時間越大，其動態(tài)輸出的扭矩值在同一時刻將會越小，我們在設計發(fā)動機響應模型的時候要充分考慮其響應時間滯后性。

此外，我們將動力系統(tǒng)對ADAS性能響應跟隨示意圖表示如下：


從圖中可看出，Ms表示穩(wěn)態(tài)特性曲線由轉速n決定，Me表示動態(tài)特性曲線，由轉速n和響應遲滯時間te決定，要更快更好地響應ADAS系統(tǒng)性能，需要將動態(tài)特性曲線Me性能做提升，從如上公式可看出，提升動態(tài)特性曲線Me的策略是通過優(yōu)化三次方轉速曲線（找出極點值），這時可以通過聯(lián)調匹配中找準轉速最優(yōu)極值點nopt，也可以通過提升響應時間te來進行優(yōu)化。

2）自動變速器模型

自動變速器的主要作用是減速和增距。變速器輸入軸和液力變矩器的渦輪相連接，其轉速和轉矩分別為渦輪轉速和渦輪轉矩。變速器輸出軸角度和扭矩分別為
上式中，w0為自動變速器輸出軸角度，wt為液力變矩器渦輪角速度，M0為自動變速器輸出軸轉矩，Mt為液力變矩器渦輪轉矩，ig為自動變速器擋位傳動比。

由于自動變速器輸出扭矩作用于輪端，從該式中可看出，對于自動變速器而言其直接作用端是輪端，故其變速器傳動比以及液力變矩器渦輪轉矩均會不同程度的影響自動變速器輸出軸轉矩，最終體現在對輪端驅動扭矩的影響上。

3）汽車行駛模型

由于汽車最終汽車行駛需要的是具備牽引力，故需要將生成的力矩轉化通過一定的公式轉化為牽引力。通常情況下，汽車行駛模型中包含不同道路工況下的行駛狀態(tài)，其一是在平坦路面上，其二是在帶有坡度的道路工況下的行駛情況下，行駛方程中的汽車滾動阻力Ff，加速阻力Fj會比平坦路面大，其變化規(guī)律滿足平坦路面乘以相應的坡度正弦函數。

相應的行駛方程可表示為如下：


其中，Ft為汽車驅動力，Ff為汽車滾動阻力，Fw為汽車空氣阻力，Fb為汽車制動力，m表示汽車質量，δ表示旋轉質量換算系數，a0表示在該驅動力Ft下產生的加速度。


汽車驅動力與自動變速器輸出軸轉矩之間的關系為：


式中，i0為主減速器傳動比；為傳動系效率；R為車輪半徑。
 

汽車滾動阻力Ff、空氣阻力Fw以及汽車制動力分別表示為：
其中，f為滾動阻力系數，CD為空氣阻力系數，A為汽車迎風面積，u為汽車行駛速度，pb為制動壓力。

綜合如上幾個公式可得出相應的行駛減速度為：


從如上公式中可看出，在一定環(huán)境條件及汽車自身條件穩(wěn)定時，其公式中相應的影響因子包含旋轉質量換算系數δ、變速比i0、傳動效率、制動壓力比例系數Kb、滾動摩擦系數f、空氣阻力Fw均保持不變。而由此得到其加速度影響因子主要表示為如下表格內容，其與ADAS系統(tǒng)相應的影響狀態(tài)如下：


 4）驅動電機模型

電動汽車ADAS系統(tǒng)動力學模型主要包括汽車行駛模型和驅動電機模型，其中電機是電動汽車的核心部件，其作用是接收ADAS系統(tǒng)發(fā)出的實際驅動扭矩并解析成相應的電機扭矩與發(fā)動機扭矩，最終輸出給變速箱進行輸出扭矩控制。如下圖表示了一種典型的電動汽車控制框圖。


電動汽車行駛模型與燃油車大體一致，但也存在一定的差異性，表示為驅動力表達式不一致。電動汽車驅動力表示為：


式中，Tt為電機輸出扭矩，it為傳動系統(tǒng)總傳動比，η為傳動系統(tǒng)機械效率，R為車輪半徑。由此，如果不考慮再生制動或稱制動能量回收的影響，則電動汽車行駛減速度為：


總 結

本文從兩種不同的車型控制講述了如何在ADAS系統(tǒng)中進行動力邏輯控制原理，其中包含實際的動力控制邏輯圖，動力控制模型，相關的影響參數因子等，對于在ADAS系統(tǒng)參數優(yōu)化調節(jié)中起到了很好的示范作用，特別是針對動力響應過程中可能存在響應不到位或者響應超調的情況，這里可以完全參照公式中的影響參數因子進行調節(jié)和控制。
 
 
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