純電動(dòng)汽車自動(dòng)駕駛功能設(shè)計(jì)

李小潤(rùn)　鐘日敏　黃祖朋　趙小羽　沈陽(yáng)

摘 要：針對(duì)純電動(dòng)車自動(dòng)駕駛功能，設(shè)計(jì)一種利用PID算法對(duì)車輛的驅(qū)動(dòng)扭矩進(jìn)行控制的系統(tǒng)，使得車輛的實(shí)際速度與駕駛員的期望速度一致，實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)駕駛的功能。通過實(shí)車驗(yàn)證和調(diào)試，該控制系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)精度。相較于傳統(tǒng)汽車通過控制噴油量的多少來(lái)控制車速，具有更好的魯棒性和實(shí)時(shí)性。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)車 自動(dòng)駕駛 PID控制

1 引言

在節(jié)能減排的法規(guī)日益嚴(yán)格及智能駕駛不斷興起的背景下，全球汽車行業(yè)關(guān)于純電動(dòng)車的關(guān)注和投入火速增加。美國(guó)學(xué)者麥肯錫預(yù)測(cè)，到2025年無(wú)人駕駛汽車可以產(chǎn)生2000億～1.9萬(wàn)億美元的產(chǎn)值;市場(chǎng)研究公司IHS預(yù)測(cè)， 2035年4級(jí)完全無(wú)人駕駛車每年銷量可達(dá)480萬(wàn)輛。對(duì)任何一個(gè)行業(yè)而言，這都具有足夠的市場(chǎng)誘惑。[1]當(dāng)前各主機(jī)廠都投入了大量的人才及資源進(jìn)行開發(fā)。

無(wú)人駕駛，是指通過給車輛裝備智能軟件和多種感應(yīng)設(shè)備，包括車載傳感器、雷達(dá)、GPS以及攝像頭等，實(shí)現(xiàn)車輛的自主安全駕駛，安全高效地到達(dá)目的地并達(dá)到完全消除交通事故的目標(biāo)。[2]無(wú)人駕駛的一大核心功能是實(shí)現(xiàn)汽車自動(dòng)駕駛功能，能實(shí)現(xiàn)脫離油門踏板，以駕駛員通過上位機(jī)發(fā)出的任何期望速度行駛。并使得駕駛員能脫離轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、換擋裝置和油門踏板等，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)車輛的起步、換擋、加減速、停車等功能。如圖1。

鑒于傳統(tǒng)車在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的PID模塊中，通過控制噴油量來(lái)調(diào)節(jié)車速，固然有一定的可靠性。然而出現(xiàn)不同工況或路況時(shí)，相同的噴油量輸出的扭矩也必然不一樣。會(huì)使得控制器缺乏精準(zhǔn)的魯棒性和實(shí)時(shí)性。文章對(duì)于純電動(dòng)車，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)，直接輸出對(duì)電機(jī)的扭矩請(qǐng)求值驅(qū)動(dòng)車輛，具有更好的響應(yīng)精度。

2 自動(dòng)駕駛功能結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)

自動(dòng)駕駛功能控制系統(tǒng)的硬件模塊主要包括：1、整車控制器（Vehicle Control Unit，簡(jiǎn)稱VCU）;2、電機(jī)控制器（Motor Control Unit，簡(jiǎn)稱MCU）;3、驅(qū)動(dòng)控制器（Drive Control Unit，簡(jiǎn)稱DCU）;4、車速傳感器;5、驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

由車速傳感器采集當(dāng)前的車速信號(hào)，DCU通過道路的實(shí)時(shí)工況，對(duì)整車提出相應(yīng)的期望車速信號(hào)，兩者通過整車的CAN（Controller Area Network）總線傳輸給VCU。VCU采集二者信號(hào)后，通過內(nèi)部的PID算法，轉(zhuǎn)化為對(duì)MCU相應(yīng)的扭矩輸出請(qǐng)求。MCU控制電機(jī)輸出期望的扭矩值，使得車輛能實(shí)時(shí)地以DCU發(fā)出的期望車速行駛，達(dá)到自動(dòng)駕駛的目的。控制模塊如圖2所示。

3 PID控制模塊設(shè)計(jì)

3.1 PID簡(jiǎn)介

在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。[3]

其控制框圖如圖3所示

其中，控制偏差e（t）=r（t）-y（t），比例、積分和微分的線性組合式為：

式中Kc為比例系數(shù)，T1為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。理想PID控制器的傳遞函數(shù)為：

其中，

U（t）：為輸出信號(hào);

e（t）：為偏差信號(hào);

Kp：為PID參數(shù)的比例系數(shù);

Ti：為PID參數(shù)的時(shí)間積分常數(shù);

TD：為PID參數(shù)的微分時(shí)間常數(shù)。

PID控制主要包括三大模塊：

（1）比例P控制

比例控制是最早較為容易且普遍的工具，針對(duì)被控對(duì)象的輸出與輸入之間的差值為正比關(guān)系。即當(dāng)偏差e（t）出現(xiàn)的時(shí)候，比例調(diào)節(jié)器通過運(yùn)算控制，減小偏差的產(chǎn)生，使得系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。比例控制在線性對(duì)象里占著絕大部分的比例。其中關(guān)鍵因素是比例系數(shù)Kp，一般而言，當(dāng)Kp較大時(shí)，誤差會(huì)更快地減小，但是此時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)的振蕩。當(dāng)Kp較小時(shí)，則造成穩(wěn)定調(diào)節(jié)需要很長(zhǎng)的時(shí)間的情況。

（2）積分I控制

我們知道，比例控制難以避免穩(wěn)態(tài)誤差，這時(shí)，引進(jìn)了積分算法。積分的作用是對(duì)累積的偏差調(diào)整，通過內(nèi)部運(yùn)算控制使得偏差慢慢趨近于零。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，積分項(xiàng)隨之變大，這時(shí)，即使誤差比較小，積分項(xiàng)也會(huì)慢慢變大，依此使輸出也慢慢變大，穩(wěn)態(tài)誤差慢慢減小，直至為零。

（3）微分D控制

微分控制的功能是敏感地感知誤差變化的趨向，在偏差值要變得較大的時(shí)候，提前加入具有修正作用的調(diào)整信號(hào)，使得響應(yīng)速度加快，減少調(diào)節(jié)的時(shí)間。因?yàn)橄到y(tǒng)中存在較大的滯后元件，使得變化滯后于誤差的變化。所以此時(shí)若想提高控制精度，必須使用微分控制項(xiàng)以及早預(yù)防誤差的出現(xiàn)。

3.2 自動(dòng)駕駛控制策略

VCU采集當(dāng)前車速V'（t），和駕駛員通過DCU控制器發(fā)出的期望速度V（t），內(nèi)部通過PID算法的控制，輸出對(duì)MCU的扭矩需求Tq。MCU通過需求的扭矩輸出，電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛以期望的速度行走。其控制框圖如圖4所示。

經(jīng)實(shí)車測(cè)試后，可得出控制系統(tǒng)對(duì)DCU期望車速的響應(yīng)圖，如圖5

由圖3可知，在城市路況低速調(diào)試中，實(shí)際車速達(dá)到期望車速的初始時(shí)段，誤差超調(diào)量為±1.5km/h。達(dá)到穩(wěn)態(tài)值后，實(shí)際車速與期望車速基本一致，穩(wěn)態(tài)誤差小于0.5km/h。因此，實(shí)際車速與駕駛員下發(fā)的期望車速有良好的跟隨性，且加速性良好。

4 總結(jié)

以自動(dòng)駕駛為主要功能的無(wú)人駕駛，在智能和環(huán)保的潮流下，如雨后春筍般涌現(xiàn)。與高速環(huán)境研究相比，城市環(huán)境下的無(wú)人駕駛由于速度較慢，因此更安全可靠，應(yīng)用前景更好。短期內(nèi) ，可作為城市大容量公共交通 （如地鐵等 ）的一種補(bǔ)充，解決城市區(qū)域交通問題。在此背景下，提出在純電動(dòng)車中，以PID算法控制，由車速參數(shù)直接轉(zhuǎn)化為對(duì)電機(jī)的扭矩控制，具有良好的魯棒性和實(shí)時(shí)性。實(shí)車驗(yàn)證中表現(xiàn)出良好的響應(yīng)精度，在無(wú)人駕駛市場(chǎng)領(lǐng)域具有很好的推廣性。

基金項(xiàng)目：廣西創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（桂科AA18242039）;柳州市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2019AD10202）

參考文獻(xiàn)：

[1]楊帆. 汽車的發(fā)展現(xiàn)狀和展望[J]. 《上海汽車》，2014（3）：35-40.

[2]孫健，全興.無(wú)人駕駛汽車發(fā)展現(xiàn)狀及建議[J].《科技視界》，2017（6）.

[3]何芝強(qiáng).PID控制器參數(shù)整定方法及其應(yīng)用研究[D].杭州：浙江大學(xué).