汽车节能驾驶实时控制模型的构建与实验方法研究

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国家十二五”产业规划将新能源汽车与节能环保同时纳入到未来重点发展七大新兴产业的行列中，充分体现了汽车节能的重要性1。随着我国汽车保有量的逐年递增，驾驶人员的成分更加复杂，公路交通呈现出车流密集化和驾驶员非职业化的特点，提高汽车运行的燃油经济陛对于实现汽车节能势在必行 汽车运行时的燃油经济性除了与汽车自身特陛、道路交通状况有关外，还和驾驶员的操纵水平及习惯有关，据统计，专业运输企业汽车驾驶员之间的燃油消耗水平相差7.146--22.135% ，而驾驶员的驾驶行为对汽车燃油消耗的影响，可在不增加旅途时间的前提下节油 1 4v/d。所以，研究汽车节能控制模型，规范驾驶行为，实现节能驾驶，对于减少汽车运行燃油消耗具有积极的现实意义。面向汽车节能驾驶，提出了汽车节能驾驶实时控制模型，主要研究以下内容：1从典型工况下的汽车能耗模型人手，提出汽车节能运行计算模型的构建方法；2围绕在线优化、预测控制等环节，建立汽车节能驾驶实时控制模型；3针对所建立的模型，研究虚拟实验和实车实验技术，以评价、修改和完善所建立的模型。这里的方法旨在为汽车节能控制模型提供可借鉴的思路，以实现汽车节能驾驶。

2汽车节能运行计算模型的构建汽车驾驶控制是-个典型的非线性、多约束 、多目标的复杂时变过程；汽车节能控制模型 可按照汽车节能运行计算模型和汽车节能驾驶实时控制模型两个环节进行构建，是根据汽车运行的实时状态数据，实现汽车节能驾驶过程的预测和实时控制，以达到对驾驶行为规范和校正的目的。

汽车节能运行计算模型是构建汽车节能驾驶实时控制模型的前提，是面向汽车节能而建立的多工况下能耗最优模型，该模型的建立须从分析汽车运行中的能耗入手，汽车节能运行计算模型中的优化结果作为输入变量约束，可为汽车节能驾驶实时控制模型的在线优化提供参照，因而，构建汽车节能运行计算模型首先必须建立能耗模型。具体步骤如下：来稿日期：2012-1 1-04基金项目：湖北省高校优秀中青年科技创新团队T201014；湖北省自然科学基金面上项目201CDC107；湖北侍育厅科研项目B20114401作者简介：何 彬 ，1970-，男，湖北人，工学博士，副教授，主要研究方向：产品数字化机械设计，虚拟制造；尹念东，1963-，男 ，四川人，工学博士，教授，主要研究方向：车辆工程，虚拟实验技术238 何 彬等：汽车节能驾驶实时控制模型的构建与实验方法研究 第9期2.1分析汽车行驶工况汽车能耗总是和特定行驶工况联系在-起的，汽车典型工况主要有等速行驶 、加速行驶、减速行驶 、怠速停车、换道 、刹车等，不同工况下燃油或燃气消耗区别较大；因此，对于汽车节能驾驶而言，可选择能耗较大的工况建立能耗模型。

2-2建立典型工况下的能耗模型参照百里燃油消耗量来构建典型汽车行驶工况下的能耗模型 ，如表 1所示。

表 1典型汽车行驶工况下的百里能耗燃油消耗模型Tab.1 50 km Energy ConsumptionFuel Consumptionof Typical Running Conditions序号 行驶T况 燃油模型 模型描述l 等速行驶 Qe--1
.0 2 u
.
p-g2 加速行驶 Q ：3 减速行驶4 怠速停车P发动机输出功率，为燃油消耗率 ，燃油密度，为汽车行驶速度。

at 符号 同上U
，
a 2 -Ua3Q 0.Q ts 为怠速停车时间5 循环工况 Q
- Q ± L 二 整个循环的行驶距离
。

2.3分析约束约束是构建汽车节能运行计算模型的必要条件，从安全陛、平稳生、准时生以及其它边界条件分析汽车行驶中约束类型，可以进-步得到限速约束、限时约束、停车约束、工况转换约束和其它约束。

2.4构建汽车节能运行计算模型面向能耗最小设置优化目标函数和约束，建立类似如下形式的能耗最小优化模型，即为汽车节能运行计算模型。

minQf ，q。，Q ，Q s.t UC，TC，SC，GC，OC 1式中：UC，TC，SC，GC，0G-限速约束、限时约束、停车约束、工况转换约束和其它约束。在建立汽车节能驾驶实时控制模型时，根据汽车节能运行计算模型所得到的最小能耗可作为参照，并构成汽车能耗在线优化的约束变量，不仅可提高预测模型的精度，也使得汽车节能驾驶的控制更具鲁棒性。

3汽车节能驾驶实时控制模型的建立汽车节能驾驶实时控制模型主要功能是在线优化和预测，构建节能驾驶实时控制模型的步骤如下。

3.1分析汽车驾驶行为与能耗影响因素的关联性结合汽车运行状态和道路因素，分析加速、停车、车速变化、换档时机不当、发动机转速过大等因素对燃油消耗的影响，从驾驶人员加速、减速、换向、换道和刹车等驾驶行为中提取影响汽车节能的性能指标，通过寻求驾驶行为与汽车节能l生能指标之间的关联，确立在线优化和预测模型中关键变量特性以及输入输出数据的类型。

3.2建立燃油消耗燃气的在线优化模型根据汽车驾驶行为与燃油消耗之间的关联，综合考虑汽车节能性能指标和仿真数据的类型，建立燃油消耗的在线优化模型，可设当前t时刻的燃油量Qn，及其后Ⅳ步的燃油量系列为Q ，Q -，Q ，其后 Ⅳ步的速度或加速度系列为A ，A -，A ，以二次型目标函数最小为指标 ，建立如下在线优化模型 ：min， ∑W 4 Vti-ru ∑W。Q -Q -。 2s.t AQ/aV->b，c Ct，AV->d 3其中，式2为考虑行驶安全性 、平稳性以及交通规则等因素而建立的约束，AQ 为参照式 1理论最小能耗而得到的差值，且minQQ。

3.3构建预测模型的神经网络结构针对预测模型的特点 ，选取 BP或 RDF网络191作为预测模型，由当前 t时刻的燃油量 Q1及其后 Ⅳ步的燃油量系列Q ，Q -，Qf 构建当前时刻后 N步的预测模型为：A AV ，，A - ，Q ，Q -，，Q - 4其中，0≤ ≤Ⅳ。

根据式4，以汽车行驶的实时状态数据作为样本 ，其中燃油量或燃油消耗量作为输入，速度或加速度作为输出，并设计包括神经元层次、数量等在内的网络性能参数；选认适的样本进行训练和仿真，确定预测模型的神经网络结构。

3.4建立汽车节能驾驶的反馈校正模型利用仿真结果与实际输出相关数据之间的对照，根据上-时刻实际输出与模型输出之间的差值来建立汽车节能驾驶的反馈校正模型，可参照以下公式：6f1 × 1 V㈤ 5通过仿真和实验，确定出修正系数，从而汽车节能驾驶的反馈校正模型。

3.5构建汽车节能驾驶实时控制器图 1汽车节能驾驶实时控制器框图Fig.1 A Frame of the Real Time Controller forVehicle Energy-Saving Driving针对汽车行驶控制问题 ，设计面向节能运行的实时控制器，如图 1所示∝制器以仿真计算为基川立系统输入输出模型，通过推理决策和现实约束条件分析获得运行控制输入域，选取优秀个体作为参考控制量在滚动时域内进行前推预测，再根据预测控制性能评价指标确定当前时刻的控制输入，能耗差值是当前实际能耗与理论最小能耗相比而得到的差值。

4汽车节能驾驶实时控制模型的实验汽车节能驾驶实时控制模型的特性，须经过反复验证，验证的手段主要通过虚拟实验和实车实验。

4.1搭建汽车节能驾驶虚拟实验平台汽车节能驾驶实时控制模型的虚拟实验是针对预测控制 、No.9Sept.2013 机械 设 计 与 制造 239在线优化和反馈校正模型，通过仿真验证实时l生，在分析影响汽车节能驾驶预测与实时控制模型实时性的关键环节和因素的基础上，编制程序，实现影响实时性的主要拈，并改进汽车节能驾驶预测与实时控制模型的实时性能。由于汽车驾驶控制是复杂非线性控制过程 ，单-驾驶行为模型都有局限性的-面 ，而真实的驾驶任务是人-车-路”车内外环境构成的极其复杂的系统 ，只有构建类似真实的驾驶实现模拟环境才可以取得比较理想的研究效果l0t。因此，构建能够逼真的再现多车、混合复杂交通环境场景，且能实时采集、处理汽车、驾驶员、道路数据的驾驶行为研究平台是汽车节能驾驶虚拟实验的关键 ，平台框架，如图 2所示。

圈 团 圆 圆· l汽车节能驾驶反l l汽车节能驾驶实 预测模型的tl -- 馈校正仿真拈 l l时控制仿真拈 练和仿真拈 l-图2汽车节能驾驶虚拟实验平台的框架Fig.2 A Frame of the Virtual Experiment Platformfor Vehicle Energy-Saving Driving4-2汽车节能驾驶实时控制模型实车实验系统瞬时和累计L .高精度油耗计、手持机H 车载 l 粪 LCD油耗 r 显示屏
塑亘巾行 信 置驾器誓为- -1接触传感器-.1/i 思米粜襞画 ， - -L辇 数 霉 运 据
统
孽 存 襄墓番趸 。 度传感器 -1 储
器 卡道路信息 橐 车载微型号摄像机 玩 囊 -置校番踅令l 数据分析l仪信息组成 系统组成图 3汽车节能驾驶实时控制模型实车实验系统框架Fig.3 A Frame of Real vehicle Tests System of the RealTime Control Model for Vehicle Energy-Saving Driving的实车实验主要包括实车实验测试、汽车节能驾驶实车实验数据与虚拟实验仿真数据的对比、分析与评价，修正策略的制定，通过实车实验进-步验证、评价和完善汽。 结合所建立的模型，构建汽车节能驾驶实时控制模型实车实验系统的基本框架，如图3所示。汽车节能驾驶实时控制模型的实车实验系统主要由：实验车，燃油检测和数据存储装置，驾驶行为信息采集装置、汽车运行状态信息采集装置，汽车节能驾驶行为实时校正系统等构成。其中，实验车选择不同排量、不同配置的燃油类乘用车，并充分考虑虚拟实验仿真平台中模拟的路况特点进行道路的选配。燃油检测和数据存储装置采用TF13AGPRS高精度油耗计，以实时采集瞬时油耗和累计油耗，通过车载 LCD显示屏显示，并使用手持机进行读韧数据存储。

5总结主要研究了汽车节能驾驶实时控制模型的构建过程，面向模型的评价、修改和优化探讨了虚拟实验和实车实验方法，可从以下几个方面做进-步的研究：1基于在线优化的预测模型如何提高预测精度，面向节能驾驶的理论能耗最优值如何同预测模型有机结合，使得在线优化的结果更具可比性和参照性，以此提高预测的准确性，实现最优控制。2根据实时运行数据，如何设计汽车能耗变化预测算法；综合驾驶状态信息、路况信息等，如何建立汽车节能驾驶实时控制与仿真模型，从算法上实现汽车节能驾驶的实时控制。3基于汽车节能驾驶虚拟实验平台，建立类似真实的驾驶模拟环境，逼真地再现多车 、混合复杂交通环境场景，实现对汽车行驶状态、驾驶员行为、道路数据的实时采集、处理与获取，为汽车节能控制模型的仿真提供实验方法。