电动汽车信息物理融合自动紧急制动控制系统及设计方法

摘要

本发明涉及电动汽车自动紧急制动技术领域，具体为一种电动汽车信息物理融合自动紧急制动控制系统及设计方法，该系统运用信息物理融合结构，通过各模块的连接配合，巧妙结合了自动紧急制动策略系统的分层结构。以路面附着变化与网络诱导延时扰动为例，对自动紧急制动过程中物理空间和信息空间中的扰动进行估计和抑制，减少其对自动紧急制动性能的影响，从而提高自动紧急制动过程的实时性、安全性与稳定性。本发明也提供了系统的设计方法，分为多扰动估计与多扰动抑制两步骤，并针对网络系统网络诱导延时扰动处理问题，提出了通过延时分析和延时鲁棒控制算法两步，给自动紧急制动系统扰动处理问题提供了可靠的方法论。

说明书

技术领域

本发明涉及电动汽车自动紧急制动技术领域，具体为电动汽车信息物理融合自动紧急制动控制系统及设计方法。

背景技术

自动驾驶技术作为未来汽车的主流发展方向获得了人们的极大重视，作为L1级别的自动驾驶技术，自动紧急制动技术属于涉及自动驾驶最基本的行车安全保证功能的强实时性要求技术，同时随着对汽车自动驾驶安全技术稳定性与实时性要求的不断提高，研究物理空间与网络空间中影响自动紧急制动性能的扰动因素已经成为主动安全技术发展趋势和迫切要求。并且，由于物理空间与网络空间中扰动会对自动紧急制动系统造成不同类型的影响，产生不同类型的恶劣结果，因此，单独考虑物理空间与网络空间中的扰动都十分片面，必须将物理空间与网络空间中的扰动统一考虑。

以物理空间中路面附着系数扰动与网络空间中网络诱导延时两扰动为例，物理空间中路面附着系数扰动可能会使自动紧急制动过程中轮胎的附着力达到饱和，很难获得正确的制动门限时间与门限制动减速度，而网络空间中延时扰动则可能会引起系统中信号的不稳定，影响车辆制动效果，两种扰动都可能会导致造成紧急制动失败，甚至可能会出现车辆打滑和轮胎抱死等恶劣工况。I. Koglbaue等在文献(Autonomous emergency brakingsystems adapted to snowy road conditions improve drivers' perceived safetyand trust，Traffic injury prevention，2018.）中指出：在具有附着系数扰动的高低两种路面情况下，测试驾驶员认为非自适应路面情况的自动紧急制动策略不够安全，而自适应路面情况的自动紧急制动系统可以提高测试驾驶员的安全感和信任度。Z. Shuai等在文献(Combined AFS and DYC control of four-wheel- independent-drive electricvehicles over CAN network with time-varying delays, IEEE transactions onvehicular technology, 2014.)中指出了网络诱导延时会使直接横摆力偶矩控制输入信号抖动、振荡，甚至会使车辆失稳，他们通过鲁棒控制方法抑制了系统中延时扰动对系统控制的影响。然而，对于自动紧急制动系统，物理空间中路面附着系数扰动与网络空间中延时两种扰动并没有得到统一考虑，其相应的综合处理方案仍然是一项技术空缺。

申请号为CN 104670191 A的发明专利公开了一种可以随路面附着系数变化的自动紧急制动方法与装置，其可以根据路面附着系数来改变目标减速度。虽然其将环境中路面附着扰动的影响做了抑制处理，但没有将物理空间中路面附着扰动和网络空间中延时扰动综合考虑，在汽车电子电气架构越来越完善和复杂的情况下，仍旧无法在系统中网络延时扰动影响下达到比较理想的自动紧急制动效果。

发明内容

在对汽车自动紧急制动系统实时性与安全性要求越来越高的背景下，本发明的目的是提供一种电动汽车信息物理融合自动紧急制动控制系统及设计方法，不同于传统的自动紧急制动系统，该控制系统考虑了自动紧急制动过程中物理空间与信息空间中多扰动耦合特征，以路面附着系数扰动与网络诱导延时为例，将自动紧急制动过程的物理空间与信息空间中多种扰动统一考虑，综合抑制多方面扰动对自动紧急制动系统的恶劣影响，提高自动紧急制动过程对物理空间与信息空间的稳定性与适应性。此外，本发明也提出了多扰动抑制自动紧急制动控制系统的设计方法，分成了物理空间和信息空间多扰动估计与物理空间和信息空间多扰动抑制两大步骤，并详细介绍了信息空间中延时扰动的估计与抑制方法。

本发明技术方案如下：

一种电动汽车信息物理融合自动紧急制动控制系统，所述的控制系统包括自动紧急制动控制装置，传感器，执行器和信息系统。所述的自动紧急制动控制装置包括自动紧急制动策略系统与扰动处理系统；所述自动紧急制动策略系统包括自适应决策层和鲁棒运动控制层；所述的扰动处理系统包括物理空间扰动处理功能模块和信息空间扰动处理功能模块；

所述自动紧急制动控制系统中，传感器的信号通过信息系统发送到自动紧急制动控制装置，自动紧急制动控制装置中，自动紧急制动控制策略根据传感器的信号和扰动处理系统发送的扰动信号进行计算与决策，再通过信息系统发送信号给执行器，实现对自动紧急制动过程中物理空间和信息空间多扰动的统一处理。

在本发明较佳实施例的选择中，控制装置中所述的物理空间扰动处理功能模块集成于自动紧急制动策略系统的自适应决策层，自适应决策层包括有环境信息估计模块和自适应制动决策模块。

信息空间扰动处理功能模块集成于自动紧急制动策略系统的鲁棒运动控制层，鲁棒运动控制层包括有网络信息估计模块和鲁棒跟踪控制模块。

自动紧急制动控制装置通过车载网络与传感器和执行器进行信息交互；自适应制动决策模块接收传感器信号和环境扰动信息，发送信号到鲁棒运动控制层；鲁棒运动控制模块收来自自适应决策层的信号、传感器信号和网络扰动信息，算出扰动抑制的制动控制信号并传递到执行器。

在本发明较佳实施例的选择中，所述的环境信息估计模块为路面附着估计模块，接收路面反馈传感信号，估计实时路面附着系数，传给自适应制动决策模块；所述的网络信息估计模块为网络延时估计模块，根据CAN网络链路信息，离线估计当前电动汽车信息物理融合自动紧急制动控制系统延时，并发送给鲁棒运动控制模块；所述车载网络为CAN总线；所述CAN总线信息，是指来自于CAN总线的通信链路信息与连接到CAN总线上的传感器、执行器和自动紧急制动控制装置设定的触发方式信息；所述鲁棒运动控制层还包括逆动力学计算模块；

自适应制动决策模块接收传感器相对距离与相对速度信号，接收路面附着估计模块的实时路面附着系数信号，决定紧急制动时刻，计算期望加速度，并将期望加速度发送给鲁棒运动控制层；

鲁棒跟踪控制模块接收传感器加速度信号与自适应决策层的期望加速度信号，接收网络延时估计模块的系统延时信息，计算加速度控制误差，输出延时鲁棒的控制加速度信号；逆动力学计算模块接收控制加速度信号，计算制动缸压力信号，并通过CAN总线发送制动缸压力给执行器。

本发明还提供一种电动汽车信息物理融合自动紧急制动控制系统设计方法，包括有物理空间和信息空间多扰动估计与物理空间和信息空间多扰动抑制两个步骤；

所述物理空间和信息空间多扰动估计步骤运用扩展卡尔曼滤波方法与离线延时分析方法，估计路面附着系数与网络诱导延时的大小；

所述物理空间和信息空间多扰动抑制步骤运用自适应制动阈值公式与延时鲁棒控制算法，抑制路面附着变化与网络诱导延时对自动紧急制动的不良影响。

所述离线延时分析具体原理如下：

在自动紧急制动控制系统中，延时为一种双路时变延时，并通过以下公式表示：

其中，

则自动紧急制动控制系统中双路时变延时采用上确界算子数学表达如下：

其中，

则离线延时分析所得自动紧急制动控制系统延时区间为：

所述的延时鲁棒控制算法设计步骤如下：

（1）延时扰动凸多面体处理：在延时区间

（2）明确延时扰动可描述集：所述延时扰动凸多面体每一个顶点都看作网络系统 延时扰动的可描述元素，定义其可描述集

（3）确定控制离散方程：在延时扰动可描述集

其中，

（4）确定控制性能指标：对于自动紧急制动控制系统，将加速度跟踪误差和加速度 控制信号的组合作为控制性能指标

其中，

（5）求解目标优化方程：对于延时扰动

其中，

本发明的有益效果为：

1.本发明提出的一种电动汽车信息物理融合自动紧急制动控制系统，其相较于传统的自动紧急制动控制系统，其充分考虑了自动紧急制动过程中多扰动耦合的特点。控制系统运用信息物理融合结构，并巧妙结合自动紧急制动策略系统的分层结构。通过各模块的连接配合，对自动紧急制动过程中物理空间和信息空间中的扰动进行估计和抑制，能够有效提高自动紧急制动过程的实时性、安全性与稳定性。

2.本发明提出的一种电动汽车信息物理融合自动紧急制动控制系统设计方法，分为多扰动估计与多扰动抑制两步骤，并针对网络系统网络诱导延时扰动处理问题，提出了通过延时分析和延时鲁棒控制算法两步，给自动紧急制动系统扰动处理问题提供了可靠的方法论。

附图说明

图1为实施例提供的电动汽车信息物理融合自动紧急制动控制系统的方框结构示意图。

图2为实施例提供的电动汽车信息物理融合自动紧急制动控制系统的另一方框结构示意图。

图3为实施例提供的电动汽车信息物理融合自动紧急制动控制系统的又一方框结构示意图。

图4为本发明中电动汽车信息物理融合自动紧急制动控制系统设计步骤示意图。

图5为本发明中网络诱导延时扰动的估计与抑制设计方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

本发明提出了一种电动汽车信息物理融合自动紧急制动控制系统，如图1所示，所述的自动紧急制动控制系统包括自动紧急制动控制系统，传感器，执行器和信息系统。所述的自动紧急制动控制装置包括自动紧急制动策略系统与扰动处理系统；所述自动紧急制动策略系统包括自适应决策层和鲁棒运动控制层；所述的扰动处理系统包括物理空间扰动处理功能模块和信息空间扰动处理功能模块；

所述自动紧急制动控制系统中，传感器的信号通过信息系统发送到自动紧急制动控制装置，自动紧急制动控制装置中，自动紧急制动控制策略根据传感器的信号和扰动处理系统发送的扰动信号进行计算与决策，再通过信息系统发送信号给执行器，实现对自动紧急制动过程中物理空间和信息空间多扰动的统一处理。

实际实施时，所述扰动处理系统中处理扰动的数量可以根据自动紧急制动系统设计要求的实际情况进行灵活选择，本实施例对此不做限制。

如图2，本实施例控制装置中所述的物理空间扰动处理功能模块集成于自动紧急制动策略系统的自适应决策层，自适应决策层包括有环境信息估计模块和自适应制动决策模块。

信息空间扰动处理功能模块集成于自动紧急制动策略系统的鲁棒运动控制层，鲁棒运动控制层包括有网络信息估计模块和鲁棒跟踪控制模块。

自动紧急制动控制装置通过车载网络与传感器和执行器进行信息交互；自适应制动决策模块接收传感器信号和环境扰动信息，发送信号到鲁棒运动控制层；鲁棒运动控制模块收来自自适应决策层的信号、传感器信号和网络扰动信息，算出扰动抑制的制动控制信号并传递到执行器。

根据实际需求，如图3所示，所述的环境信息估计模块为路面附着估计模块，接收路面反馈传感信号，估计实时路面附着系数，传给自适应制动决策模块；所述的网络信息估计模块为网络延时估计模块，根据CAN网络链路信息，离线估计当前电动汽车信息物理融合自动紧急制动控制系统延时，并发送给鲁棒运动控制模块；所述车载网络为CAN总线；所述CAN总线信息，是指来自于CAN总线的通信链路信息与连接到CAN总线上的传感器、执行器和自动紧急制动控制装置设定的触发方式信息；所述鲁棒运动控制层还包括逆动力学计算模块；

自适应制动决策模块接收传感器相对距离与相对速度信号，接收路面附着估计模块的实时路面附着系数信号，决定紧急制动时刻，计算期望加速度，并将期望加速度发送给鲁棒运动控制层；

鲁棒跟踪控制模块接收传感器加速度信号与自适应决策层的期望加速度信号，接收网络延时估计模块的系统延时信息，计算加速度控制误差，输出延时鲁棒的控制加速度信号；逆动力学计算模块接收控制加速度信号，计算制动缸压力信号，并通过CAN总线发送制动缸压力给执行器。

本发明还提供一种电动汽车信息物理融合自动紧急制动控制系统设计方法，如图4所示，设计方法包括有物理空间和信息空间多扰动估计与物理空间和信息空间多扰动抑制两个步骤；

所述物理空间和信息空间多扰动估计步骤运用扩展卡尔曼滤波方法与离线延时分析方法，估计路面附着系数与网络诱导延时的大小；

所述物理空间和信息空间多扰动抑制步骤运用自适应制动阈值公式与延时鲁棒控制算法，抑制路面附着变化与网络诱导延时对自动紧急制动的不良影响。

如图5所示，所述离线延时分析具体原理如下：

在自动紧急制动控制系统中，延时为一种双路时变延时，并通过以下公式表示：

其中，

则自动紧急制动控制系统中双路时变延时采用上确界算子数学表达如下：

其中，

则离线延时分析所得自动紧急制动控制系统延时区间为：

如图5所示，所述的延时鲁棒控制算法设计步骤如下：

（1）延时扰动凸多面体处理：在延时区间

（2）明确延时扰动可描述集：所述延时扰动凸多面体每一个顶点都看作网络系统 延时扰动的可描述元素，定义其可描述集

（3）确定控制离散方程：在延时扰动可描述集

其中，

（4）确定控制性能指标：对于自动紧急制动控制系统，将加速度跟踪误差和加速度 控制信号的组合作为控制性能指标

其中，

（5）求解目标优化方程：对于延时扰动

其中，

本发明未尽事宜为公知技术。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。