硬件在環(huán)測(cè)試與實(shí)車測(cè)試是用來(lái)驗(yàn)證和優(yōu)化自動(dòng)駕駛感知、控制算法的主要技術(shù)。自動(dòng)駕駛汽車引入了大量新技術(shù)，在這些技術(shù)完全成熟之前需要進(jìn)行大量測(cè)試對(duì)自動(dòng)駕駛算法進(jìn)行預(yù)先評(píng)估。傳統(tǒng)的實(shí)車測(cè)試是一種費(fèi)時(shí)費(fèi)力且成本高的測(cè)試方法，且只能進(jìn)行有限數(shù)量的場(chǎng)景測(cè)試。相比之下，硬件在環(huán)測(cè)試可以使用和實(shí)際車輛高度一致的仿真傳感器、車輛模型和豐富的交通場(chǎng)景，為自動(dòng)駕駛算法提供了一種經(jīng)濟(jì)效益和測(cè)試效果更加均衡的測(cè)試條件。因此，硬件在環(huán)測(cè)試逐漸成為了自動(dòng)駕駛汽車研發(fā)的強(qiáng)制性步驟。

本自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試平臺(tái)搭載駕駛模擬器、自動(dòng)駕駛與整車控制器、傳感器與整車動(dòng)力系統(tǒng)等硬件設(shè)備，以及遠(yuǎn)程通信設(shè)備接口，為后續(xù)實(shí)車實(shí)景測(cè)試、遠(yuǎn)程遙控駕駛、云控駕駛、數(shù)字孿生等功能的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。本平臺(tái)的虛擬模型構(gòu)建主要通過(guò)Prescan&Matlab聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)。平臺(tái)整體架構(gòu)可劃分七個(gè)部分，包括駕駛場(chǎng)景構(gòu)建、車輛模型構(gòu)建、傳感器與紅綠燈仿真、環(huán)境/仿真通信接口、控制器快速開(kāi)發(fā)、以及駕駛模擬器等模塊。

// 駕駛場(chǎng)景構(gòu)建 //

駕駛場(chǎng)景可分為靜態(tài)駕駛場(chǎng)景與動(dòng)態(tài)駕駛場(chǎng)景。其中，靜態(tài)駕駛場(chǎng)景可通過(guò)以下三種方式實(shí)現(xiàn)：1.根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，直接拖動(dòng)Prescan道路模塊構(gòu)建理想狀態(tài)下的靜態(tài)駕駛場(chǎng)景；2.導(dǎo)入現(xiàn)有地圖數(shù)據(jù)，生成普適性駕駛場(chǎng)景；3.根據(jù)自車運(yùn)行軌跡構(gòu)建個(gè)性化駕駛場(chǎng)景。動(dòng)態(tài)駕駛場(chǎng)景構(gòu)建則通過(guò)Prescan&Matlab聯(lián)合仿真生成高逼真的虛擬交通參與者和行為風(fēng)格、天氣變化等。

圖1卓越工程師學(xué)院仿真場(chǎng)景（大曲率彎道和大坡度環(huán)境）

圖2大學(xué)城周邊仿真場(chǎng)景（城市環(huán)境）

圖3重慶大學(xué)虎溪校區(qū)周邊仿真場(chǎng)景（城市環(huán)境）

在人機(jī)駕駛混合交通環(huán)境下，人機(jī)相互作用關(guān)系、交通流呈現(xiàn)的狀態(tài)，以及交通控制技術(shù)的適應(yīng)性等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題是亟需探討、研究的。因此，本平臺(tái)還支持交通流仿真，可研究交通干擾信息對(duì)本車駕駛行為的影響，以及協(xié)同式駕駛策略。所搭建的交通流仿真場(chǎng)景如下視頻所示。

// 車輛模型構(gòu)建 //

車輛模型是自動(dòng)駕駛算法測(cè)試的重要基礎(chǔ)，主要包含車輛動(dòng)力學(xué)模型、動(dòng)力系統(tǒng)模型、動(dòng)力電池及電池管理模型、車載空調(diào)及熱管理模型等多個(gè)系統(tǒng)。將這些被控對(duì)象模型參數(shù)化后，即可將真實(shí)的駕駛控制、能量管理、熱管理等系統(tǒng)集成到仿真平臺(tái)中進(jìn)行測(cè)試。

其中，能量管理策略模塊、換擋策略模塊涉及到動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略，需要單獨(dú)考慮，由核心層的控制邏輯部分來(lái)設(shè)計(jì)完成。而動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，加上電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、電池等動(dòng)力源在內(nèi)，模型采用模塊化的建模方法，按照動(dòng)力或者能量傳遞環(huán)節(jié)，將其劃分為各個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子模塊。根據(jù)每個(gè)環(huán)節(jié)的物理過(guò)程（如動(dòng)力傳遞過(guò)程、能量轉(zhuǎn)換過(guò)程），建立子模塊的模型，再由這些子模塊有機(jī)連接形成一個(gè)完整的模型，如圖4所示。

圖4子模塊連接示意圖

圖5系統(tǒng)閉環(huán)仿真模型

— —車輛動(dòng)力學(xué)模型

在自動(dòng)駕駛與動(dòng)力系統(tǒng)控制中，車輛模型的建立和分析是進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

（1）車輛縱向行駛方程如下：

其中，

為滾動(dòng)阻力，

為空氣阻力，

為坡度阻力，加速阻力。式中，M為汽車質(zhì)量，為坡度，為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，A為汽車迎風(fēng)面積，空氣阻力系數(shù)，為空氣密度。

圖6車輛縱向運(yùn)動(dòng)仿真模型

（2）車輛橫向采用二自由度動(dòng)力學(xué)模型，具體可參閱公眾號(hào)相關(guān)文章（車輛二自由度動(dòng)力學(xué)模型建模及其離散化應(yīng)用），在此就不再贅述。

圖7車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型

（3）輪胎模型

在進(jìn)行車輛動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，輪胎所受的垂直力、縱向力、側(cè)向力和回正力矩對(duì)汽車的平順性、操縱穩(wěn)定性和安全性起著重要作用。由于輪胎結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動(dòng)力學(xué)性能呈非線性，選擇符合實(shí)際又便于使用的輪胎模型是建立車輛模型并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真的關(guān)鍵。主要的輪胎模型可以分為理論輪胎模型、經(jīng)驗(yàn)輪胎模型和物理輪胎模型等。

其中，Pacejka提出的以魔術(shù)公式( Magic Formula,MF)為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)輪胎模型，運(yùn)用三角函數(shù)的組合公式擬合輪胎試驗(yàn)數(shù)據(jù)，描述輪胎的縱向力F1、側(cè)向力Fe、回正力矩Mz、翻轉(zhuǎn)力矩Mx、阻力矩My與側(cè)偏角α、滑移率s之間的定量關(guān)系，以及縱向力、側(cè)向力的聯(lián)合作用工況，能夠表達(dá)不同驅(qū)動(dòng)情況時(shí)的輪胎特性。魔術(shù)公式的一般表達(dá)式為:

式中，系數(shù)B、C、D依次由輪胎的垂直載荷和外傾角確定，B為剛度因子，C為形狀因子，D為峰值因子，E為曲率因子。Y為輸出變量，可以是縱向力F1、側(cè)向力Fe、回正力矩Mz。x為輸入變量，在不同的情況下分別表示輪胎的側(cè)偏角α或縱向滑移率s。

圖8 基于魔術(shù)公式的輪胎模型

在側(cè)偏角及縱向滑移率較小時(shí)，輪胎力可以用線性函數(shù)近似描述。這在側(cè)向加速度ay?0.4g的情況下對(duì)常規(guī)輪胎具有較高的擬合精度。在這個(gè)線性區(qū)內(nèi)，可用以下算式得到輪胎的縱向力和側(cè)向力：

式中，Cl為輪胎縱向剛度，Ce為輪胎側(cè)偏剛度。

圖9輪胎仿真模型

——變速器模型

主減速器傳遞著車輪/車軸和變速器之間的功率，在傳遞的過(guò)程由于摩擦的存在，有一定的機(jī)械效率，從而造成一定的功率損失。主減速器模塊的框圖如圖10所示。

圖10主減速器模塊框圖

主減速器模塊的輸入轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速為通過(guò)車輪車軸模塊計(jì)算得到請(qǐng)求轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速，輸出為主減速器需要從變速器得到的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速。首先根據(jù)傳動(dòng)比計(jì)算轉(zhuǎn)速，公式如下：

然后根據(jù)主減速器的效率，計(jì)算輸出的轉(zhuǎn)矩，公式如下：

變速器在混合動(dòng)力系統(tǒng)中要完成的任務(wù)是根據(jù)汽車行駛的需要，以不同的速比改變發(fā)動(dòng)機(jī)到車輪上的扭矩和轉(zhuǎn)速，使其滿足汽車行駛的動(dòng)力要求，并調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)。變速器模塊框圖如圖11所示。

圖11變速器模塊框圖

其中k為變速器的擋位信息，包括變速器各擋的傳動(dòng)比和機(jī)械效率等，由換擋策略決定。通過(guò)主減速器模塊計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩請(qǐng)求輸入至變速器模塊，變速器模塊根據(jù)轉(zhuǎn)速請(qǐng)求計(jì)算其輸出轉(zhuǎn)速即從動(dòng)力總成得到的轉(zhuǎn)速，公式如下：

其中為變速器在該擋位的機(jī)械效率

然后根據(jù)該擋位的效率，計(jì)算輸出的轉(zhuǎn)矩，在驅(qū)動(dòng)工況下，輸出的轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：

在制動(dòng)工況下，輸出的轉(zhuǎn)矩公式為：

其中為變速器在該擋位的機(jī)械效率，為變速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

——發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)總成模塊包括離合器模塊、附件模塊和發(fā)動(dòng)機(jī)模塊。其中離合器模塊傳遞扭矩的特性與動(dòng)力總成控制邏輯的設(shè)定有關(guān)；附件模塊取決于附件功率損耗的形式，一種是恒定功率的附件功率損耗，這種情況通常發(fā)生在車載電子設(shè)備消耗發(fā)動(dòng)機(jī)功率的情形，如空調(diào)壓縮機(jī)，另一種是功率損耗隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升而上升的情形；發(fā)動(dòng)機(jī)模塊指的是通常意義下的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。

發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)疑是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，建立完整體現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)原理的數(shù)學(xué)模型是非常困難的。對(duì)于整車能耗和排放而言，發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能體現(xiàn)在其穩(wěn)態(tài)MAP圖中，因此發(fā)動(dòng)機(jī)模塊采用穩(wěn)態(tài)MAP圖為核心，反映其穩(wěn)態(tài)特性，并加入一定的動(dòng)態(tài)延遲環(huán)節(jié)，反映發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

仿真模型中，發(fā)動(dòng)機(jī)模塊接收來(lái)自上一級(jí)模塊輸出端提出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速請(qǐng)求，并在其扭矩輸出特性圖中插值尋找滿足這一動(dòng)態(tài)需求的工作點(diǎn)，通過(guò)插值計(jì)算此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和排放。模塊框圖如圖12所示。

圖12發(fā)動(dòng)機(jī)總成模塊框圖

其中，分別代表發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率和排放。另一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)模塊中還需要建立相應(yīng)的熱模型，來(lái)評(píng)估工作過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度變化。 電機(jī)是一種雙向能量轉(zhuǎn)換裝置，它能工作為電動(dòng)機(jī)模式將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，也能工作為發(fā)電機(jī)模式將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，從而為電池充電。電機(jī)模塊的功能為接受上一級(jí)模塊傳遞的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩請(qǐng)求，并在其扭矩輸出特性圖中插值尋找滿足這一動(dòng)態(tài)需求的工作點(diǎn)，并根據(jù)效率計(jì)算電機(jī)的消耗的功率或者產(chǎn)生的功率。若是在電動(dòng)機(jī)模式下，則

若是在發(fā)電機(jī)模式下，則

電機(jī)的模塊框圖如圖13所示。

圖13電機(jī)模塊框圖

與發(fā)動(dòng)機(jī)建模類似，電機(jī)模塊同樣基于電機(jī)特性圖。電機(jī)模塊中同樣需要建立相應(yīng)的熱模型，來(lái)評(píng)估工作過(guò)程中電機(jī)的溫度變化。

——電池模型

電池是混合動(dòng)力系統(tǒng)中的電能存儲(chǔ)裝置。電池模塊在仿真模型中接受由電機(jī)模塊傳輸過(guò)來(lái)的功率請(qǐng)求，然后返回一個(gè)電池組可以提供的實(shí)際功率值，并計(jì)算電池充放電過(guò)程中的內(nèi)阻和庫(kù)侖效率導(dǎo)致的功率損失、電池電壓、電流和荷電狀態(tài)SOC。電池模塊框圖如圖14所示。

圖14電池池模塊框圖 電池中存在復(fù)雜的熱力電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，因此建立精確地模型非常復(fù)雜，在此以最常用的內(nèi)阻模型進(jìn)行仿真。如圖15所示：

圖15電池內(nèi)阻模型圖

蓄電池內(nèi)阻模型的等效電路，由一個(gè)開(kāi)路電壓和一個(gè)內(nèi)阻串連而成。開(kāi)路電壓和內(nèi)阻均為SOC、溫度和充放電電流的函數(shù)。因此模型需要電池的開(kāi)路電壓和內(nèi)阻變化的相關(guān)特性曲線進(jìn)行插值計(jì)算。

根據(jù)功率請(qǐng)求即外部負(fù)載功率，可以采用以下公式計(jì)算電流值：

根據(jù)電流值能夠計(jì)算電池的SOC，公式如下：

其中為初始SOC，Q為額定電量。

電池模塊中，由于開(kāi)路電壓和電池充放電電阻和電池的溫度密切相關(guān)，因而相較于發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)而言，電池的熱模型尤為重要。

圖16電池仿真模型

// 傳感器仿真 //

傳感器仿真即在虛擬環(huán)境中對(duì)自動(dòng)駕駛車輛的傳感系統(tǒng)進(jìn)行重建，主要對(duì)象有攝像頭、Radar、LiDAR、GPS、IMU、超聲雷達(dá)等。本平臺(tái)借助建立的理想傳感器及誤差模型模擬傳感器在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的不確定狀態(tài)，使接收到的傳感器數(shù)據(jù)更接近真實(shí)狀態(tài)。

本文應(yīng)用CAN通信功能模塊其目的主要是為了接收攝像頭的檢測(cè)數(shù)據(jù)以及車輛動(dòng)力系統(tǒng)信息，然后利用所采集到信息，完成智能車在結(jié)構(gòu)化道路上進(jìn)行智能駕駛和動(dòng)力系統(tǒng)控制算法的設(shè)計(jì)，并求解車輛行駛過(guò)程中所需的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、電機(jī)扭矩、變速箱檔位等控制指令，最后利用已開(kāi)發(fā)CAN通信的發(fā)送功能，再回傳給駕駛模擬器來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛的自主行駛控制，其傳感器在環(huán)測(cè)試子平臺(tái)如圖17所示。

圖17 傳感器與控制器在環(huán)測(cè)試平臺(tái)

// 紅綠燈仿真 //

基于車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的智能紅綠燈控制實(shí)現(xiàn)車輛即時(shí)獲取紅綠燈狀態(tài)信息，并設(shè)計(jì)十字路口紅綠燈場(chǎng)景下車輛的行為決策和速度規(guī)劃控制算法，保證車輛通過(guò)十字路口時(shí)的安全性與通行效率。所搭建的仿真場(chǎng)景與紅綠燈硬件在環(huán)測(cè)試示意圖如下圖所示。

圖18智能網(wǎng)聯(lián)紅綠燈仿真場(chǎng)景

圖19紅綠燈硬件在環(huán)仿真測(cè)試

紅綠燈在環(huán)功能測(cè)試結(jié)果如下所示，子平臺(tái)詳細(xì)介紹可參閱公眾號(hào)文章（智能紅綠燈搭建和網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下的交叉路口車輛速度規(guī)劃）。

（1）紅燈停車，綠燈行車（真實(shí)場(chǎng)景中的紅綠燈與仿真場(chǎng)景中的紅綠燈同步切換）

圖20 紅燈停車，綠燈行車

（2）長(zhǎng)時(shí)綠燈加速通過(guò)（真實(shí)場(chǎng)景中的紅綠燈與仿真場(chǎng)景中的紅綠燈同步切換），可觀察車輛即將通過(guò)路口并加速時(shí)的俯仰運(yùn)動(dòng)。

圖21 長(zhǎng)時(shí)綠燈加速通過(guò)

（3）短時(shí)綠燈提前剎車（真實(shí)場(chǎng)景中的紅綠燈與仿真場(chǎng)景中的紅綠燈同步切換）

圖22 短時(shí)綠燈提前剎車

// 環(huán)境仿真通信接口 //

平臺(tái)內(nèi)部各模塊間的通信主要以CAN通信為主，駕駛模擬器上的各類硬件開(kāi)關(guān)或按鈕通過(guò)控制器采集信號(hào)后與平臺(tái)通信。GUI實(shí)時(shí)監(jiān)控界面通信和實(shí)車數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸通過(guò)虛擬CAN模塊/真實(shí)CAN通信工具（OBU、Kvaser等）實(shí)現(xiàn)，駕駛模擬器數(shù)據(jù)輸入和算法輸入/輸出通過(guò)控制器或CAN數(shù)據(jù)解析模塊實(shí)現(xiàn)。此外，在平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中，Simulink數(shù)據(jù)處理模塊將會(huì)在多個(gè)數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高算法穩(wěn)定性及有效性。

圖23 上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面

仿真測(cè)試過(guò)程視頻如下：

// 控制器快速開(kāi)發(fā)驗(yàn)證 //

控制算法嵌入模塊集成于Simulink內(nèi)部并預(yù)留了車輛模型不同系統(tǒng)全部接口，開(kāi)發(fā)者將相關(guān)算法與對(duì)應(yīng)接口進(jìn)行連接即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的多項(xiàng)功能，例如：動(dòng)力模型構(gòu)型優(yōu)化及內(nèi)部能量流展示分析與優(yōu)化，電池狀態(tài)SOX聯(lián)合估計(jì)，電機(jī)、電池及空調(diào)多源協(xié)同熱管理控制，駕駛場(chǎng)景分析與交通流預(yù)測(cè)和車速規(guī)劃與能量管理協(xié)同優(yōu)化等。此外，平臺(tái)內(nèi)部已嵌入多種基礎(chǔ)算法，可保證開(kāi)發(fā)者單獨(dú)測(cè)試某項(xiàng)自動(dòng)駕駛功能的需求，也可以利用快速原型實(shí)現(xiàn)控制器在環(huán)測(cè)試。

——?jiǎng)恿ο到y(tǒng)智能控制

該測(cè)試平臺(tái)是針對(duì)某插電式混合動(dòng)力汽車搭建的，動(dòng)力系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)-電機(jī)混聯(lián)驅(qū)動(dòng)構(gòu)型，插電式混合動(dòng)力整車控制器具有以下功能：

（1）具有整車轉(zhuǎn)矩管理、變速箱協(xié)調(diào)管理、發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)管理、電機(jī)電池協(xié)調(diào)管理、充電管理、故障診斷等功能；

（2）能夠?qū)ι?下電時(shí)的高/低壓控制邏輯進(jìn)行管理，能夠根據(jù)駕駛員輸入對(duì)需求轉(zhuǎn)矩做出準(zhǔn)確判斷，能夠?qū)囕v當(dāng)前工況進(jìn)行判斷，能夠?qū)崿F(xiàn)扭矩請(qǐng)求和扭矩限制功能；

（3）可以實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)功能，并且協(xié)調(diào)制動(dòng)能量回收過(guò)程電機(jī)制動(dòng)與ABS系統(tǒng)，保證制動(dòng)安全；

（4）同時(shí)整車控制可以控制附件，如電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、空調(diào)、打氣泵等；

（5）故障診斷功能，能夠識(shí)別零部件及系統(tǒng)功能故障，并采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略，提供系統(tǒng)故障保護(hù)下的跛行功能；

具體的插電式混合動(dòng)力汽車整車控制器功能示意圖如圖24所示，所搭建的動(dòng)力系統(tǒng)智能控制策略如圖25所示。

圖24整車控制器功能示意圖

圖25動(dòng)力系統(tǒng)智能控制策略示意圖

插電式混合動(dòng)力汽車有發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)兩個(gè)動(dòng)力源，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，燃油和電池組成的多能源系統(tǒng)需要整車控制器進(jìn)行協(xié)調(diào)管理，在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，在低速低扭矩請(qǐng)求下整車控制器控制電機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)扭矩，速度高于一定門(mén)限后整車控制器控制發(fā)動(dòng)機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)扭矩，在發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中整車控制器會(huì)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)控制電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)，進(jìn)而進(jìn)入混合驅(qū)動(dòng)模式或者進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)充電模式。同樣在制動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板，整車控制器會(huì)根據(jù)駕駛員減速意圖計(jì)算需求的制動(dòng)扭矩，并控制電機(jī)系統(tǒng)和氣壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)安全的同時(shí)保證制動(dòng)能量回收最大化。整個(gè)控制邏輯實(shí)現(xiàn)了多能源系統(tǒng)的優(yōu)化控制。

能量管理策略為整車控制器控制策略核心功能，控制器通過(guò)駕駛員駕駛意圖判別結(jié)合典型城市交通工況流量統(tǒng)計(jì)信息，得到對(duì)應(yīng)的控制策略，針對(duì)不同的工況路況以及駕駛員油門(mén)踏板制動(dòng)踏板的變化采用相對(duì)最優(yōu)的控制策略，以獲得更高的燃油經(jīng)濟(jì)性。具體示意圖如圖26所示。

圖26 核心控制策略構(gòu)架示意圖

——基于道路信息的瞬時(shí)能量?jī)?yōu)化控制

針對(duì)混合動(dòng)力汽車能量分配策略效率低、適應(yīng)性差、無(wú)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)性等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于國(guó)內(nèi)典型城市道路信息的能量?jī)?yōu)化控制方法及控制器實(shí)現(xiàn)，對(duì)國(guó)內(nèi)典型城市典型交通信息流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄，形成擁有一定統(tǒng)計(jì)規(guī)律的與時(shí)間、線路地點(diǎn)有關(guān)的交通流量信息，配合GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)出具有實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)性的優(yōu)化能量分配算法，在經(jīng)常擁堵的時(shí)刻或地段適時(shí)調(diào)整電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛策略，而路況較為暢通的時(shí)刻或地段采用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛策略。所開(kāi)發(fā)控制算法具有自學(xué)習(xí)功能，隨著控制策略的循環(huán)往復(fù)運(yùn)行，能夠在線調(diào)節(jié)分配系數(shù)，實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和混合驅(qū)動(dòng)三種模式的動(dòng)態(tài)切換、變速器換擋點(diǎn)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)以及制動(dòng)能量回收幅度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。綜合油耗、電耗、充電時(shí)間間隔、電池成本等多個(gè)性能指標(biāo)和約束條件，以達(dá)到更高的整車燃油經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)一步提升動(dòng)力系統(tǒng)的節(jié)油率。所開(kāi)發(fā)算法內(nèi)容結(jié)構(gòu)如圖27所示。

圖27 基于自學(xué)習(xí)的PHEV能量?jī)?yōu)化控制方法結(jié)構(gòu)圖

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—— 制動(dòng)能量回饋控制

傳統(tǒng)汽車在制動(dòng)過(guò)程中，其動(dòng)能除克服風(fēng)阻和滾阻外，絕大部分能量則通過(guò)制動(dòng)器摩擦生熱而消耗掉?；仞佒苿?dòng)技術(shù)（又稱制動(dòng)能量回收技術(shù)）是指汽車減速或制動(dòng)時(shí)將其中一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，并加以再利用的技術(shù)。由于回饋制動(dòng)能將行駛車輛的一部分動(dòng)能回收起來(lái)并加以再利用，因此，研究回饋制動(dòng)技術(shù)對(duì)于提高新能源汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性、緩解能源危機(jī)、改善環(huán)境壓力具有及其重要的戰(zhàn)略意義。在制動(dòng)能量回饋控制中，整車控制器根據(jù)加速踏板和制動(dòng)踏板的開(kāi)度以及動(dòng)力電池的SOC值來(lái)判斷車輛此時(shí)能否進(jìn)行制動(dòng)能量回饋，并向電機(jī)控制器發(fā)出制動(dòng)指令，回收能部分能量。制動(dòng)能量回收目前是提高整車節(jié)油率的重要方式之一，怎樣利用機(jī)電耦合系統(tǒng)的特性最大限度回饋制動(dòng)能量仍是目前需要解決的技術(shù)難題。同時(shí)，在回饋制動(dòng)過(guò)程中遇到車輪抱死的情況，整車控制器怎樣與底層ABS系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，依然是該領(lǐng)域亟待解決的難題。因此，本測(cè)試平臺(tái)也對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。

為了保證整車的制動(dòng)安全性，回饋制動(dòng)系統(tǒng)常配合ABS系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。對(duì)于插電式混合動(dòng)力商用車，回饋制動(dòng)系統(tǒng)需要和氣壓ABS制動(dòng)系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，才可以既保證制動(dòng)安全性以及良好的能量回饋效率。其制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖28所示。

圖28 制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

整個(gè)回饋制動(dòng)系統(tǒng)如圖28所示。其中，該制動(dòng)踏板為行程踏板，它可以將制動(dòng)踏板位置信號(hào)實(shí)時(shí)的傳送給制動(dòng)控制器，以便制動(dòng)控制器根據(jù)制動(dòng)踏板行程信號(hào)來(lái)協(xié)調(diào)機(jī)械制動(dòng)和回饋制動(dòng)?；仞佒苿?dòng)控制閥選用現(xiàn)行氣壓ABS系統(tǒng)常用的ABS調(diào)壓閥，該調(diào)壓閥為成熟的ABS產(chǎn)品部件，具有動(dòng)作迅速、可靠性高的優(yōu)良特性。整個(gè)回饋制動(dòng)控制框圖如圖29所示。

圖29回饋制動(dòng)控制框圖

——整車控制策略

根據(jù)插電式混合動(dòng)力整車控制器功能需求，所設(shè)計(jì)控制器軟件模塊示意圖如圖30所示。

圖30 整車控制器軟件模塊示意圖

如圖30所示，整車控制器輸入信號(hào)包括駕駛員點(diǎn)火信號(hào)、車速信號(hào)、加速踏板和制動(dòng)踏板信號(hào)、充電請(qǐng)求信號(hào)、停車/空擋/前進(jìn)/倒擋信號(hào)、電機(jī)反饋信號(hào)、適合擋位信號(hào)、混合動(dòng)力禁止開(kāi)關(guān)信號(hào)、怠速停機(jī)使能信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)充電模式開(kāi)關(guān)信號(hào)、EV模式開(kāi)關(guān)信號(hào)及上電信號(hào)等。輸出信號(hào)主要包括水泵控制信號(hào)、風(fēng)扇控制信號(hào)、啟動(dòng)使能信號(hào)及CAN輸出信號(hào)。具體控制流程如下步驟：

1）控制器在基礎(chǔ)信號(hào)處理層的信號(hào)采集模塊、信號(hào)分類模塊和信號(hào)處理模塊里將輸入信號(hào)進(jìn)行采集、分類、處理；

2）在狀態(tài)識(shí)別層進(jìn)行整車狀態(tài)識(shí)別和駕駛意圖判斷，判斷此時(shí)車是在驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、滑行等狀態(tài)，以及駕駛員需求加速減速等；

3）整車控制器在模式選擇層選擇整車運(yùn)行模式，即純電驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、混合驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)充電及制動(dòng)能量回收。

4）結(jié)合當(dāng)前車輛實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)和駕駛員輸入決定進(jìn)入具體相應(yīng)的上層功能模塊，包括目標(biāo)扭矩計(jì)算模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊、啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、附件控制模塊、SOC均衡控制模塊、充電管理模塊及輔助換擋模塊等；

5）經(jīng)過(guò)上層各功能模塊的運(yùn)算處理，上層將對(duì)執(zhí)行層進(jìn)行調(diào)用同時(shí)根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，執(zhí)行層包括發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池控制模塊，輔助換擋調(diào)用模塊，ABS協(xié)調(diào)控制模塊及故障診斷與故障保護(hù)模塊；

6）各模塊程序的完成還需要對(duì)底層驅(qū)動(dòng)集成，因此進(jìn)入底層驅(qū)動(dòng)層，包括系統(tǒng)上下電管理、底層驅(qū)動(dòng)與上層策略接口、信號(hào)采集與信號(hào)輸出、CAN驅(qū)動(dòng)及收發(fā)策略、軟件標(biāo)定及底層接口檢測(cè)。

具體的整車控制器控制器系統(tǒng)流程圖如下圖所示。

圖31 整車控制器控制系統(tǒng)流程圖

// 駕駛模擬器 //

駕駛模擬器支持人機(jī)共駕功能，可實(shí)現(xiàn)駕駛員在環(huán)測(cè)試、自動(dòng)駕駛功能測(cè)試以及各類循環(huán)工況導(dǎo)入測(cè)試等。當(dāng)采用給定的測(cè)試用例進(jìn)行測(cè)試分析時(shí)，可利用PID構(gòu)建駕駛員模型以跟蹤指定的需求車速，如下圖所示。為了適應(yīng)不同場(chǎng)景需求，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭載了經(jīng)濟(jì)模式、舒適模式、運(yùn)動(dòng)模式三種控制模式。正常行駛時(shí)，三種模式可以自由地進(jìn)行切換，經(jīng)濟(jì)模式下，車輛油門(mén)的響應(yīng)還會(huì)比較柔和，車輛行駛過(guò)程中會(huì)更加節(jié)能；舒適模式是為了獲得更好的乘坐舒適性，此模式下車子的油門(mén)響應(yīng)是最平衡的，操控感更簡(jiǎn)單舒適；運(yùn)動(dòng)模式下，油門(mén)與制動(dòng)的靈敏度會(huì)更高，加速與制動(dòng)響應(yīng)更加快速，這個(gè)時(shí)候汽車的性能能夠很好體現(xiàn)出來(lái)。三種模式下的駕駛員模型參數(shù)有所不同，可通過(guò)標(biāo)定的方式實(shí)現(xiàn)。

圖32 駕駛員模型

駕駛員在車輛行駛過(guò)程中會(huì)根據(jù)車輛運(yùn)行狀態(tài)和周圍環(huán)境以及自己的駕駛習(xí)慣對(duì)加速踏板、制動(dòng)踏板等采取一定的動(dòng)作，這就是駕駛意圖。在“人—車—路”的閉環(huán)系統(tǒng)中，駕駛員可以看作一個(gè)自適應(yīng)智能傳感器，而駕駛員意圖識(shí)別也就是將該傳感器的信號(hào)加以處理得到對(duì)車輛控制有用的信息。在自動(dòng)駕駛時(shí)可以采用上述駕駛員模型進(jìn)行跟蹤控制，當(dāng)人工駕駛時(shí)，駕駛員行為對(duì)車輛燃油經(jīng)濟(jì)性和安全性影響很大，因此，控制策略中應(yīng)該引入駕駛員駕駛意圖識(shí)別，該模塊可根據(jù)基本的邏輯判別得到基于典型城市工況的駕駛員意圖，然后選擇最合適的能量?jī)?yōu)化控制策略，以充分發(fā)掘上層控制策略對(duì)于節(jié)油率提升的潛力。

目前關(guān)于駕駛員意圖識(shí)別進(jìn)行的研究著重于對(duì)典型意圖的分類，例如超車、沖坡、減速、停車等，分析每一種意圖所相應(yīng)的識(shí)別特征，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行模糊貼近度計(jì)算，再根據(jù)綜合判斷，識(shí)別出駕駛員的確切意圖以及相應(yīng)的檔位操作原則。也有學(xué)者針對(duì)人的行為建立模型，提出了基于卡爾曼濾波的預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，將人看作擁有相當(dāng)多的內(nèi)部智力狀態(tài)的馬爾可夫器件，每一個(gè)狀態(tài)都有其特定的控制行為和內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)換概率；將駕駛員的操作與典型動(dòng)作相比較，可以確定駕駛員想要執(zhí)行的動(dòng)作。

針對(duì)行駛環(huán)境的識(shí)別，大多數(shù)控制策略建立了一種遞階的行駛環(huán)境識(shí)別體系，底層由路面附著識(shí)別，行駛區(qū)域識(shí)別，坡道、彎道識(shí)別3個(gè)平行的部分組成，進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別；上層根據(jù)底層的識(shí)別結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)的推理和決策，確定與當(dāng)前行駛環(huán)境相適應(yīng)的駕駛策略。將車輛行駛環(huán)境分為城市道路、擁擠道路、上坡、下坡和快速路五類，提取各類行駛環(huán)境的特征，選用設(shè)定時(shí)間內(nèi)的七個(gè)參數(shù)，制定模糊規(guī)則來(lái)判斷車輛行駛環(huán)境，并設(shè)計(jì)自適應(yīng)模糊判斷模型。并通過(guò)解釋結(jié)構(gòu)模型，將駕駛員模型識(shí)別分為定量子模型和定性子模型兩個(gè)部分，定性子模型包含天氣情況、駕駛時(shí)間、經(jīng)驗(yàn)判斷（道路寬度、彎道大小、路面障礙等）等，通過(guò)模糊推理得到定性的結(jié)果，可以有效地避免彎道及坡道行駛時(shí)的誤升檔或頻繁換檔。

在駕駛員意圖識(shí)別過(guò)程中，駕駛員意圖難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，屬于經(jīng)驗(yàn)型模型，模糊理論在經(jīng)驗(yàn)型模型的處理上有較大的優(yōu)勢(shì)，是駕駛員意圖識(shí)別選用的主要方法。