純電動城市客車弓充自動入位決策系統設計

費棟梁

(上海汽車集團 商用車技術中心， 上海 200438)

由于城市客車的路況和時間比較固定，所以很多純電動城市客車在運營過程中利用停車進站，上、下乘客的時間間隙進行快速充電補充電能[1-2]。常規采用頂部集電弓快充和雙充電樁充電快充的方式補充電能。集電弓快充的方式具有不占用道路資源，操作方便，充電電流大，支持高壓充電等優勢。

但是弓式快充也存在缺點，對駕駛員停車縱向和橫向定位要求都比較高，一般要采用物理限位或者定位標示線。容易引起駕駛員操作疲勞，如果停車位置不準確，會影響充電效果，甚至造成電弧拉電而傷人傷車。

因此，本文針對入位難點，在對整車系統改動很小的情況下，增加慣導定位系統，開發出頂部弓充自動入位系統[3]。

1 頂部弓充自動入位系統介紹

頂部弓充自動入位系統分為幾個部分：感知模塊-慣導系統RTK、決策模塊-上位機CAN-WIFI控制系統、整車控制模塊VCU、執行模塊、動力模塊PT和底盤電子制動模塊EBS[4]，構成簡圖如圖1所示。

圖1 自動入位控制系統簡圖

這些模塊組成整車網絡拓撲結構，并將CAN總線工具(如維克多公司的CAN工具1630)作為模擬網關，組成整個自動入位系統，其中模擬網關是進行不同CAN網段之間報文路由和交互作用。

各個模塊在純電動城市客車快充自動入位中的作用是：慣導定位系統RTK作為感知模塊，用于整車入位；CAN-WIFI模塊通過上位機軟件發送入位停車的命令和定位目標；整車控制模塊VCU通過CAN-WIFI模塊的上位機軟件發送整車控制的命令進行起步、加速、勻速、制動和停車等；EBS模塊和動力模塊PT執行VCU發送的命令來實現純電動城市客車的快充停車入位。其網絡拓撲架構見圖2。

圖2 整車系統網絡拓撲架構圖

圖2中，感知模塊RTK在單獨的智能網聯CAN通道，通過網關Gateway發送信息給決策系統，上位機CAN-WIFI和整車控制模塊VCU在車身CAN通道，同時整車控制系統VCU也在動力CAN通道。通過決策后,發送報文信息給動力CAN通道上的PT執行系統。底盤控制模塊EBS在單獨的底盤CAN通道上，VCU也需要通過網關Gateway發送決策報文給EBS系統進行執行。

2 自動入位系統控制策略開發

本文重點論述頂部弓充自動入位系統的控制策略，分為3個步驟：自動入位行為執行判斷、自動入位行為過程決策和自動入位行為失敗決策。整個系統的控制模型就是按照這個框架搭建。

2.1 自動入位行為執行判斷

入位停車控制要標定好目標位置的經緯度，然后將其輸入到CAN-WIFI上位機內存中進行目標定位[5-6]。此時由VCU收到目標定位經緯度后，計算識別入位停車的距離及方向，同時VCU通過CAN總線把系統狀態發送給CAN-WIFI上位機用作判斷。

系統狀態包括：處于入位停車距離范圍內(目前距離目標10～100 m都可以滿足要求)；CAN-WIFI正常連接；車輛擋位在D擋；車輛手剎處于工作狀態；車輛存在大于0的車速；車輛動力模塊PT無嚴重故障；EBS模塊無嚴重故障；RTK模塊無識別故障；PT動力模塊處于就緒狀態。如果上述條件都滿足，CAN-WIFI就發送允許入位停車的命令給VCU，系統處于入位停車就緒狀態。

當駕駛員啟動自動入位停車的命令后，上位機界面會顯示已經進入自動入位停車工作模式。如果拒絕執行該命令不進入，則會顯示由于何種原因不滿足自動入位停車的要求。

CAN-WIFI上位機界面如圖3所示。

圖3 CAN-WIFI上位機界面

2.2 自動入位行為過程決策

駕駛員通過CAN-WIFI上位機操作發送入位停車的指令，如果此時處于入位停車就緒狀態，CAN-WIFI就發送入位停車命令給VCU執行。同時感知模塊RTK實時識別車輛經緯度并發送給VCU以計算實時到目標位置的距離。VCU接收到入位停車命令后，開始自動控制整個車輛進行入位停車工作模式。

首先VCU輸出目標扭矩給動力模塊PT控制車輛起步，起步扭矩可以根據車重狀態動態調節。起步后進入加速階段，目標車速不超過5 km/h，這是安全入位停車的車速要求。當滿足車速要求后進入勻速階段，通過PID調節輸出扭矩，滿足車速穩定狀態。

當車輛進入一級減速區域時(該區域的閾值也是根據應用調節，一般在1～3 m距離以內)，VCU輸出一個較小的減速度，請求給制動模塊EBS，EBS執行該減速度自動減速。當車輛進入二級減速區域(該區域的閾值也是可調節，一般在0.3～1 m以內)，VCU輸出一個較大的減速度，請求給制動模塊EBS，進行二級減速制動到停止在目標停車位置。在二級減速區域，由于目標距離很近，較大的減速度有利于消除入位目標距離上的靜態誤差。

在入位停車過程中，駕駛員發現任何安全風險時，可以通過CAN-WIFI上位機發送停止命令給VCU，VCU就會發送緊急制動命令給EBS用于車輛停止；或者可以通過踩制動踏板來終止入位停車的工作模式，進入正常駕駛模式。

2.3 自動入位行為失敗決策

自動入位控制行為會存在以下失敗情況：停車入位不到位置；停車入位超過位置；停車入位過程中發生嚴重動力系統故障；停車入位過程中遇到移動物體緊急停車等。

無論是通過哪種情況失敗而退出了自動入位停車充電功能，如果要再次進入，需要駕駛員通過CAN-WIFI上位機發送入位停車的指令，才能再次進入自動入位停車的工作模式。需要注意的是，本文設定開始自動入位停車的最小距離為10 m。如果中間停止自動入位停車時目標距離小于這個范圍，則無法再次啟動自動入位停車充電的功能。

當最后入位停車在某個位置時，上位機軟件可以通過VCU計算上傳的距離來判斷入位停車是否成功，并且把最后自動入位停車是否成功通過上位機界面顯示，來幫助駕駛員判斷是否可以進行下一步的充電操作。

如果CAN-WIFI上位機界面自動入位停車失敗，必須掛倒車擋位退到合理的停車距離外，才可以再次操作進入自動入位停車。

3 測試結果

根據頂部弓充城市客車的充電入位場景設計相關測試用例，測試場景包括封閉的試驗場地、改制后的自動入位純電動城市客車、頂部弓充系統、假人模擬闖入系統以及交通地面標識系統等[7]。最大程度模擬停車入位充電實際工況仿真。測試結果見表1。

表1 自動入位場景測試結果

4 結束語

本文設計的頂部弓充自動入位系統實現了縱向入位判斷、決策、執行以及入位失敗管理等，可以基本滿足縱向停車入位的功能和安全要求，有效地解決了入位充電停車要求高的難題，且不影響其他功能正常使用。但目前僅能實現縱向控制入位，橫向控制還需要駕駛員操作調整，后續需要對橫向控制入位進行開發設計。