CN109367537A - 一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制***及方法，如附图所示，包括：车联网车用装置，其设置于电动汽车内部，通过无线通信获取外界道路和其他车辆信息；车联网道路装置，其设置于道路路侧，与云端服务器连接，其与所述车联网车用装置无线连接并传输信息；电动汽车自适应巡航控制器，其与所述车联网车用装置连接，接收其从外界获取的信息并控制电动汽车自适应巡航功能。本发明扩大交通信息传输范围与信息量，降低无线传输延迟。本发明还提供一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制方法，制定动态规划策略在再生制动减速跟随前车速度时根据前车车速实时更新本车制动策略，使电动汽车再生制动效果达到最佳。

Description

一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制***及方法
技术领域
本发明属于智能交通车联网设施以及电动汽车制动能量回收技术领域，具体涉及一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制***及方法。
背景技术
现有的电动汽车再生制动技术主要目的是在电动汽车进行制动的过程中利用电机作为发电机运转产生行驶阻力矩，产生的电能存储在电动汽车的动力电池中。现有的汽车自适应巡航***有定速巡航和跟车两种模式，在特定工况下对汽车纵向行驶动力学进行控制，是一种驾驶员辅助驾驶技术。现有的车联网技术能够实现道路交通中车辆信息的实时共享，并且能够实时更新道路路况信息，是一种车—车之间以及车—路之间实时共享信息的技术。
目前对于传统燃油汽车的自适应巡航***发展较为成熟，对于电动汽车的自适应巡航***正处于研究阶段，且与电动汽车独有的行驶控制模式例如电力再生制动等结合不紧密；对于路况信息的获取主要通过电子导航***和车载雷达传感器，电子导航***的信息更新不及时和车载雷达传感器的成本过高导致路况信息的获取效果不理想。
发明内容
为了克服现有技术中对于路况信息获取效果不理想和自适应巡航***与电动汽车独有的行驶控制模式例如电力再生制动等结合不紧密的缺点，本发明提供一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制***及方法，该***中车联网无线通讯装置采取基于IEEE802.15.4标准的ZigBee无线通信协议(以下称为ZigBee协议)，实现道路上车辆的车牌号，车速，位置等信息和道路限速，坡度等信息在道路和车辆与车辆和车辆之间的共享，电动汽车的自适应巡航***以这些信息为依据，在巡航过程中调节定速和跟车模式切换，确定最佳的制动时机，使制动能量回收效果达到最佳。车辆在行驶过程中路侧向车辆传递道路坡度，限速和其他车辆的车速，位置，行驶车道等信息，车辆向路侧传递车速，电池荷电状态(以下称为SOC值)，位置，行驶方向，行驶车道等信息。车辆根据自身位置与路侧反馈的前方车辆位置得到自身与前车的车距，根据自身车速，SOC值，车距与路侧反馈的前车车速确定巡航模式是定速还是跟车，以及这两种状态切换的时机。在跟车模式或者定速模式切换巡航速度过程中，车辆能够根据从车联网无线通讯装置中获取的信息和自身的状态信息，按照设定的策略得到能够使再生制动效果达到最佳的行驶方案。
在本发明中，对于所述背景技术的改进有：所述能够实现车联网功能的装置为全球定位***(以下简称为GPS)模块使用ZigBee无线通信协议的XBee通讯模块(以下简称为XBee模块)，使用这套装置实现车联网功能，从而使由于电子导航***的信息更新不及时和车载雷达传感器的成本过高导致路况信息的获取效果不理想的缺点被规避。本发明提供的车辆自适应巡航控制***面向电动汽车进行设计，针对电动汽车的再生制动***和电池等与传统燃油汽车不同的部件进行考虑，能够在考虑到驾驶员驾驶舒适性的基础上有效节省电动汽车能耗，延长电动汽车续驶里程。
结合说明书附图，本发明的技术方案如下：
一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制***，其中基于车联网的无线通信装置使用基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee无线通信协议，在硬件结构上由车用装置和道路装置组成，车用装置安装在汽车内，道路装置安装在交通道路路边；
所述车用装置由第一主控板，第一XBee模块，摄像头模块以及GPS模块组成，摄像头模块拍摄车辆当前行驶的道路并识别出当前行驶的车道并将其发送给第一主控板，GPS模块将车辆定位确定并传送给第一主控板，第一主控板与车辆CAN总线和电动汽车自适应巡航控制器连接，能够将汽车CAN总线上的车辆识别号信息，车速信息，SOC值信息，踏板开度信息等进行读取，并通过与第一主控板连接的第一XBee模块将这些信息发送到道路装置上的第二XBee模块，同时车用装置的第一XBee模块也能够接收道路第二XBee模块发送来的相关信息，并将其通过第一主控板发送到电动汽车自适应巡航控制器中；
所述道路装置由第二主控板，第二XBee模块组成，第二主控板当中存储有限速，道路坡度等道路相关信息，能够通过道路装置上的第二XBee模块发送给来往车辆上的第一XBee模块，同时道路装置上的第二XBee模块也能够接收来自车辆第一XBee模块发送的相关信息，道路装置还与云端服务器相连，可以实时更新向外广播的信息并上传自身接收到的信息，云端服务器与第二主控板连接，在实际应用中，车联网里存在多个车联网道路装置，云端服务器与每个车联网道路装置的第二主控板均建立连接并互相传输信息。
所述电动汽车自适应巡航控制器与电动汽车底盘上的制动***，驱动***和转向***的控制器相连，在汽车行驶的过程中可以根据车联网内传输的信息调节电动汽车的行驶状态与模式。
一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制方法，其中电动汽车的自适应巡航过程存在定速巡航和跟车巡航两种模式。如果车用装置的第一XBee模块接收到道路装置发送来的其他车辆信息中，与本车当前车道相同的前方最近车辆与本车的距离大于设定值L时，电动汽车自适应巡航控制器就认为本车道前方无障碍，进入定速巡航模式，以事先确定好的巡航速度vc保持匀速行驶。如果车用装置的第一XBee模块接收到道路装置发送来的其他车辆信息中，与本车当前车道相同的前方最近车辆与本车的距离小于或者等于设定值L(可以进行调节)时，此时为了节省信号传输的时间，缩短信号传输的延迟，采取的办法是道路装置分别向两车上面的第一XBee模块发送另外一车的车辆识别号，然后这两辆车的第一XBee模块配对并建立无线连接，这样由两车之间直接向对方发送自身的状态信息，省去了由道路装置作为中转的步骤，保证了信号传输的低延迟。此时电动汽车自适应巡航控制器比较本车设定的巡航速度vc与前车的行驶速度vf的大小，若vc≤vf，说明前车与本车车距不会再减小，此时仍然保持定速巡航模式，如果vc＞vf，说明如果继续按照此速度行驶，本车与前车车距会不断缩小直至相撞，此时切换进入跟车模式，本车减速到vc＝vf且同时两车距离减小为安全距离s(s＜L)。
所述跟车模式中，在本车减速阶段，为保证再生制动减速过程中能量回收效果最佳，同时保证驾驶员驾驶舒适性，不出现过大的制动减速度，使用动态规划和最优控制策略确定再生制动的电机制动过程。具体过程为：将再生制动过程划分为若干个步骤，前车速度每发生一次变化率超过限值，则本车制动过程进入下一个步骤，直至两车车速达到一致，设总共经历了N个这样的步骤，设定车辆在第k步(0＜k≤N)中的状态变量其中v代表该状态下的初始车速，a代表制动减速度，由踏板开度获得，p代表制动踏板的位移，上角标i代表这一步的第i种状态，i＝1,2,...,M，ai＝amaxi/M，M为一正整数，M越大代表可供选择的状态越多，区间划分越精细；k＝1代表初始状态，k＝N代表制动完成之后在安全距离s下两车速度达到相同时的状态，这两个状态下的状态变量是已知的，控制策略为在中间的步骤里，每一步向下一步进行的过程中，计算到所回收的能量其中i,j＝1,2,...,M，取其中的最大值，目标函数设置为
为了保证驾驶员的舒适性，要求制动减速度存在一个阈值，同时也是这个优化问题的约束条件，表示为
在整个制动过程中车辆行驶过的距离为
如此，在满足约束条件的目标函数达到最优时，目标函数获取过程中每一步确定的状态变量就决定了在制动过程中汽车所行驶的距离d，确定是否变更自适应巡航策略所依据的同车道前方最近车辆离本车的车距值L被设定为
L＝d+s
s为两车之间的最小安全车距。也就是说L能够根据本车与前车的车速，加速度及位置信息等在确定跟车策略后在车联网环境中进行在线更新。根据以上描述，所述跟车模式中，本车减速阶段再生制动的电机制动算法可以按照以下算法过程归纳：
(1)输入距离L的初始值，离散化状态数量M，最大再生制动减速度amax，安全车距s；
(2)再生制动过程进入第一个步骤，令计数器k＝1，对离散化状态1到状态M，依次计算对应的状态变量其中v代表该状态下的初始车速，a代表制动减速度，p代表制动踏板的位移，上角标i代表这一步的第i种状态，i＝1,2,...,M；
(3)检测前车的车速变化率是否超过给定限值，如是则进入(4)，否则进入(10)；
(4)计数器k自增1；
(5)对离散化状态1到状态M，依次计算对应的状态变量其中v代表该状态下的初始车速，a代表制动减速度，p代表制动踏板的位移，上角标j代表这一步的第j种状态，j＝1,2,...,M；
(6)计算从状态到状态理论所回收的能量
(7)取(6)中计算的最大值为ek，返回(3)；
(8)令N＝k；
(9)计算此过程理论回收最大能量
(10)k自增1，N＝k，ak-1＝amax，vk等于前车车速；
(11)此过程中本车行驶距离为
(12)令L＝d+s并更新(1)中L的取值；
一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制方法，其中道路装置能够向车用装置发送道路限速和坡度信息，具体还包括发送道路限速改变或者出现坡道的具***置信息，车用装置在接收到这些信息之后能够确定本车距离道路限速改变位置或者起坡位置的距离。如果车联网***感知到前方存在道路限速的改变且新的限速vd小于当前的巡航速度vc，则在距离限速改变处距离为处以amax减速度减速至vd后以vd进行定速巡航。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制***及方法采用车联网对交通信息进行传递，该方法区别于传统的仅以驾驶员视觉信息作为判断的手段，信息传输的范围更广，可供决策的信息更多；与现有的通过电子地图和车用雷达传感器进行交通信息传递的方式相比，由于电子导航***的信息更新不及时和车载雷达传感器的成本过高导致路况信息的获取效果不理想的缺点被规避。
2.本发明所述的一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制***及方法中，车辆自适应巡航控制***面向电动汽车进行设计，针对电动汽车的再生制动***和电池等与传统燃油汽车不同的部件进行考虑，能够在考虑到驾驶员驾驶舒适性的基础上有效节省电动汽车能耗。
3.在实现车联网功能的模块中，自适应巡航跟车模式下需要对前后两车进行协同匹配，道路装置在完成对前后两车的匹配之后，考虑到信息传输的及时性，之后的信息传输在两车的车用装置之间直接进行，道路装置只起到监管作用，这样省去了由道路装置作为中转的步骤，可以降低无线装置信息传输的延迟。
4.跟车模式在本车车速大于前车的条件下，需要在保证安全车距的前提下减速至两车车速相同，这一阶段中考虑到电动汽车能量回收效果，同时考虑到前车车速的实时变化，制定的动态规划策略能够实时更新并跟随前车车速的变化。
5.是否变更自适应巡航策略所依据的同车道前方最近车辆离本车的车距值L能够根据本车与前车的车速，加速度及位置信息等在确定跟车策略后在车联网环境中进行在线更新。
6.本发明所述的一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制***及方法中，道路装置与云端服务器相连，因此可以对道路装置对外无线广播的道路信息进行实时更新。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制***及方法车用装置与道路装置组成结构与相互之间连接的示意框图；
图2为本发明所述的一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制***及方法中自适应巡航控制策略流程框图；
图3为本发明所述的一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制***及方法跟车模式中本车车速大于前车车速时的再生制动减速策略流程框图；
图4为本发明所述的一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制***及方法具体实施方式中实施例1所述场景的***连接关系框图；
图5为本发明所述的一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制***及方法具体实施方式中实施例1所述场景的示意图。
具体实施方式
为了进一步说明本发明的技术方案，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：
【实施例1】
如图4所示的基于车联网的电动汽车自适应巡航过程再生制动控制***，车辆1和车辆2均在道路上进行自适应巡航行驶，且起初都处在自适应巡航下的定速巡航模式，两车在同一车道上行驶，车辆2在前，车辆1在后。如图5所示的场景中，上方表示的是同一车道在距离本车(车辆1)前方L处存在有前车(车辆2)，且前车的速度v2大于后车的速度v1，即v2＞v1。
车辆1上放置有车用装置110，车辆2上放置有车用装置120，车用装置110上的第一主控板111分别与摄像头模块113，第一XBee模块112，GPS模块114，CAN总线和电动汽车自适应巡航控制器310相连，车用装置120上的第一主控板121分别与摄像头模块123，第一XBee模块122，GPS模块124，CAN总线和电动汽车自适应巡航控制器320相连，两车上的CAN总线正常工作，车辆1上的电动汽车自适应巡航控制器310底盘上的制动***和驱动***的控制器相连，车用装置110上的GPS模块114向第一主控板111发送定位信息，摄像头模块113向第一主控板111发送拍摄的汽车行驶道路信息，由此判断出汽车当前行驶的车道，车辆1上的CAN总线向第一主控板111发送电动汽车当前的车速，电池状态信息，踏板开度等信息，第一主控板111获得这些信息之后，将其通过第一XBee模块112发送给道路装置210上的第二XBee模块212；同时第一XBee模块112向第一主控板111发送其接收到的外界传送来的信息，对于本例而言外界传送来的信息为道路装置210中第二XBee模块212发送的道路限速，坡度等信息和其他车辆的车用装置中第一XBee模块发送来的车速，CAN总线上的相关信息等。
道路装置210设置在路边，其上的第二主控板211与云端服务器相连，云端服务器向第二主控板211发送当前道路上的限速信息，第二主控板211将限速信息通过第二XBee模块212对过往车辆1上的车用装置110中第一XBee模块112发送，同时，第二XBee模块212接收过往车辆1上车用装置110中第一XBee模块112发送来的车辆相关信息，存储在第二主控板211中。道路装置220设置在路边，其上的第二主控板221与云端服务器相连，云端服务器向第二主控板221发送当前道路上的限速信息，第二主控板221将限速信息通过第二XBee模块222对过往车辆2上车用装置120上的第一XBee模块122发送，同时，第二XBee模块222接收过往车辆2上车用装置120中第一XBee模块122发送来的车辆相关信息，存在第二主控板221中。第二主控板211和第二主控板221在能够向云端服务器发送存储的车辆信息，并通过云端服务器与其他道路装置的第二主控板共享这些信息。
***的连接关系如图4所示，车辆1和车辆2都是配备了所述车用装置的电动汽车，车辆1配备车用装置110，车辆2配备车用装置120，且都处于自适应巡航的定速巡航模式下，车辆2的定速巡航速度小于车辆1的定速巡航速度，两车都在同一车道上行驶，车辆1由于速度比车辆2快，因此逐渐接近车辆2。某一时刻道路装置210与车辆1上的车用装置110通过ZigBee无线通讯方式建立无线连接，道路装置220与车辆2上的车用装置120通过ZigBee无线通讯方式建立无线连接，道路装置210和220由于实时接收了车用装置110和120中第一XBee模块112和122发送来的车辆位置信息和行驶车道信息，而且这两个道路装置通过云端服务器在车联网环境内实现了信息共享，因此能够得到车辆1和车辆2之间的距离，并判断出两车行驶在同一车道上。在两车之间的距离缩小为一定值时，道路装置210上的第二主控板211控制第二XBee模块212向车辆1上车用装置110上的第一XBee模块112发出信号，告知车辆2的识别号；道路装置220上的第二主控板221控制第二XBee模块222向车辆2上车用装置120的第一XBee模块122发出信号，告知车辆1的识别号，车辆1和车辆2上的车用装置得到对方车辆的识别号之后，两辆车上的第一XBee模块112和122实现配对并互相传送自己的车速和位置信息。此时车辆2速度较小，车辆2继续保持定速巡航模式不变，而车辆1的电动汽车自适应巡航控制器310控制车辆1的驱动和制动***进入自适应巡航跟车模式，并且按照流程图2和图3所示的过程，考虑到驾驶员的驾驶舒适性，设定减速度的极限值。此时若前车速度继续减小，由于本车能够持续接收到前车发送来的速度信号，前车速度每减少一个固定比例，本车制动过程进入下一个步骤，计数器自增1，同时更新一次本车的状态变量，跟随前车的实际速度做出控制制动的指令，在每一步过程中都保证制动能量回收效率最佳。这样的过程持续到两车速度保持一致，这时两车之间的距离为安全车距s，再加上制动过程本车行驶过的距离d得到新的L值，完成两车之间距离为L时提醒切换自适应巡航模式这一状态中L值的更新。

Claims (9)

1.一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制***，其特征在于，包括：
车联网车用装置，其设置于电动汽车内部，能够将车辆的车牌号，车速，位置，电池荷电状态等信息进行读取，并通过ZigBee无线通讯协议对外广播；
车联网道路装置，其设置于道路路侧，能够将道路限速，坡度等信息通过ZigBee无线通讯协议对外广播；
电动汽车自适应巡航控制器，其设置于电动汽车内部，与车联网车用装置连接，能够接收车联网车用装置从外界获取的信息并控制电动汽车的自适应巡航功能。
2.如权利要求1所述的一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制***，其特征在于，所述车联网车用装置包括：
第一主控板，其与电动汽车自适应巡航控制器通过有线方式相连，与电动车辆的CAN总线通过有线方式相连；
第一XBee模块，其与第一主控板通过有线方式相连，能够读取第一主控板上需要对外发送的信息并通过基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee无线通信协议对外广播，同时能够接收外界通过同一无线通信协议发来的信息；
摄像头模块，其与第一主控板通过有线方式连接，拍摄获取车辆当前所行驶的车道，第一主控板判断获得当前车辆行驶的车道；
GPS模块，其与第一主控板通过有线方式连接，获取当前车辆的位置信息，并将其传输到第一主控板中。
3.如权利要求1所述的一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制***，其特征在于，所述车联网道路装置包括：
第二主控板，将道路限速，坡度等信息存储于其中，与云端服务器连接，能够实时更新道路限速等道路信息；
第二XBee模块，其与所述第二主控板通过有线方式连接，能够读取所述第二主控板中存储的道路信息，并通过基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee无线通信协议对外广播，同时能够接收外界通过同一无线通信协议发来的信息，具体地，第二XBee模块与所述车联网车用装置上的第一XBee模块能够进行配对并通过无线通信方式互相发送信息。
4.如权利要求1所述的一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制***，其特征在于，所述电动汽车自适应巡航控制器与电动汽车底盘上的制动***，驱动***和转向***的控制器相连，在汽车行驶的过程中可以根据车联网内传输的信息调节电动汽车的行驶状态与模式。
5.如权利要求1，2，3或4所述的一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制***，该***的控制方法为，所述电动汽车自适应巡航控制器设定定速巡航和跟车两种模式；
所述车联网道路装置实时接收道路上车辆中所述车联网车用装置发送的信息，并向所述车联网车用装置发送其他车辆的信息，当与本车当前车道相同的前方最近车辆与本车的距离大于设定值L时，电动汽车自适应巡航控制器就认为本车道前方无障碍，进入定速巡航模式，以事先确定好的巡航速度保持匀速行驶；
当与本车当前车道相同的前方最近车辆与本车的距离小于或者等于设定值L时，电动汽车自适应巡航控制器比较本车设定的巡航速度vc与前车的行驶速度vf的大小，若vc≤vf，说明前车与本车车距不会再减小，此时仍然保持定速巡航模式，如果vc＞vf，切换进入跟车模式，本车减速到vc＝vf且同时两车距离减小为安全距离s。
6.如权利要求5所述的一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制方法，其特征在于，当与本车当前车道相同的前方最近车辆与本车的距离小于或者等于设定值L时，为节省信号传输的时间，缩短信号传输的延迟，所述车联网道路装置分别向两车上所述车联网车用装置发送另外一车的车辆识别号，然后这两辆车的所述第一XBee模块配对并建立无线连接，这样由两车之间直接向对方发送自身的状态信息，省去由道路装置作为中转的步骤，保证信号传输的低延迟。
7.如权利要求5所述的一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制方法，其特征在于，所述跟车模式中，在本车减速阶段，使用动态规划和最优控制策略确定再生制动的电机制动过程，具体算法过程为：
(1)输入距离L的初始值，离散化状态数量M，最大再生制动减速度amax，安全车距s；
(2)再生制动过程进入第一个步骤，令计数器k＝1，对离散化状态1到状态M，依次计算对应的状态变量其中v代表该状态下的初始车速，a代表制动减速度，p代表制动踏板的位移，上角标i代表这一步的第i种状态，i＝1,2,...,M；
(3)检测前车的车速变化率是否超过给定限值，如是则进入(4)，否则进入(10)；
(4)计数器k自增1；
(5)对离散化状态1到状态M，依次计算对应的状态变量其中v代表该状态下的初始车速，a代表制动减速度，p代表制动踏板的位移，上角标j代表这一步的第j种状态，j＝1,2,...,M；
(6)计算从状态到状态理论所回收的能量
(7)取(6)中计算的最大值为ek，返回(3)；
(8)令N＝k；
(9)计算此过程理论回收最大能量
(10)k自增1，N＝k，ak-1＝amax，vk等于前车车速；
(11)此过程中本车行驶距离为
(12)令L＝d+s并更新(1)中L的取值。
8.如权利要求5所述的一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制方法，其特征在于，在整个制动过程中车辆行驶过的距离为在满足约束条件的目标函数达到最优时，目标函数获取过程中每一步确定的状态变量决定在制动过程中汽车所行驶的距离d，确定是否变更自适应巡航策略所依据的同车道前方最近车辆离本车的车距值L被设定为L＝d+s，其中s为两车之间的最小安全车距，L能够根据本车与前车的车速，加速度及位置信息等在确定跟车策略后在车联网环境中进行在线更新。
9.如权利要求1或3所述的一种基于车联网的电动汽车自适应巡航控制***，其特征在于，所述车联网道路装置与云端服务器相连，云端服务器向车联网道路装置发送信息，可以对道路装置对外无线广播的道路信息进行实时更新；在实际应用中，车联网里存在多个车联网道路装置，云端服务器与每个车联网道路装置的第二主控板均建立连接并互相传输信息。
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