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详解ADAS系统的不同车型控制模型
2020-02-27 00:37:42· 来源：焉知自动驾驶
原创焉知汽车 昨天知圈 |进ISO26262社群，请加微13636581676，备注ISOADAS系统中的舒适性系统控制原理是在汽车行驶过程中，通过安装在汽车前部的车距传感器持续
ADAS系统中的舒适性系统控制原理是在汽车行驶过程中，通过安装在汽车前部的车距传感器持续扫描前方道路，同时轮速传感器采集车速信息，当前汽车与前方车辆之间的距离小于或大于安全车距时，ADAS控制单元通过与制动系统，发动机控制系统协调动作，改变制动力矩和发动机输出功率，对汽车行驶速度进行控制，以保证安全舒适性驾驶。对于电动汽车而言，发动机更换为驱动电机，通过改变制动力矩和驱动电机的输出功率，控制电动汽车的行驶速度。
不同车型的ADAS系统控制方法
燃油汽车ADAS系统控制方法如下图，它分为两端控制，前端根据雷达、车速和加速度传感信号控制车速和加速度，获得期望的车速和期望的加速度信号；后端接收第一层信号输入，并对驱动系统和制动系统进行调节，输出节气门开度和制动压力命令，从而控制发动机和液压制动系统装置。
电动汽车ADAS系统控制方法如下图，它分为三段控制：前端根据雷达和传感器信号控制加速度及转矩，获得期望加速度与期望转矩信号；中端对第一层输出的期望转矩进行分配，获得期望电机驱动扭矩、期望电机制动力矩和期望液压制动力矩；后端接收中端信号协调驱动系统和制动系统，输出电动机驱动扭矩指令、电机制动扭矩指令和液压制动力矩，分别控制驱动电机和液压制动装置。
ADAS驾驶辅助系统是基于人-车-环境的闭环系统，需要合理的控制策略来保证基本功能的实现，驾驶员可以通过开关控制ADAS系统的工作状态、设置车速、车距及加速和制动踏板对汽车纵向运动进行干预。
其中包含如下三个方面的控制策略：
1、定速巡航与跟车切换策略以获得期望的车速和加速度；
2、制动力矩分配策略的驱动与制动切换策略，以获得期望驱动力矩和期望制动力矩；
3、驾驶员主动干预控制策略；
如下以新能源电动车为例说明ADAS舒适性系统纵向控制整体结构原理；其中Vh为实际车速，Vr为相对车速，dr为相对车距，Ve为期望车速，ae为期望加速度，Te为期望驱动扭矩，Tz为期望制动力矩；电动车通常采用电机再生制动为主、机械制动为辅的制动形式，再生制动时电机输出负扭矩，通过机械传动将制动力矩作用于车轮，实现电能转化为机械能，这部分机械能一部分变成热量消失，一部分通过传动装置反传给电机，电机充当发动机对蓄电池充电，实现机械能向电能的转换。因此，电机在产生制动力矩的同时会向蓄电池回馈能量（也即制动能量回收）。故，为了实现安全制动和高效回收制动能量的双重目标，需要制定合理的制动力矩分配策略，当期望输出扭矩增大到正值且制动踏板没有动作时，切换到驱动模式，避免切换时发生冲突，确保行车安全。
不同车型的ADAS系统动力控制模型
要精确分析ADAS系统相关控制逻辑，我们需要充分掌握其动力控制模型状态，下面专门区分燃油汽车和电动汽车动力学模型进行原理说明。以自动变速器控制的车型为例说明燃油汽车ADAS系统动力学模型，其中主要包括发动机模型或电机模型、自动变速器模型、汽车行驶模型及执行器模型等。
1）发动机模型
发动机模型分为稳态模型和动态模型。发动机工作情况比较复杂，影响因素较多，一般认为发动机稳态输出扭矩是节气门开度和转速的函数，即：
上式中，Ms稳态输出扭矩，θ为发动机节气门开度，n为发动机转速，a0-3为拟合系数。
稳态模型一般采用实验模型，即将发动机稳态实验获得的每个节气门开度下的输出扭矩与转速数据用三次多项式拟合后得到发动机稳态输出转矩。发动机节气门调节既与稳态特性有关，又与动态特性有关，所以应该建立发动机的的动态模型，一般将发动机的动态输出扭矩简化为一阶线性模型，用传递函数表示为：
上式中，te表示为发动机响应滞后时间，s为拉式算子。从该式中不难看出响应滞后时间越大，其动态输出的扭矩值在同一时刻将会越小，我们在设计发动机响应模型的时候要充分考虑其响应时间滞后性。
此外，我们将动力系统对ADAS性能响应跟随示意图表示如下：
从图中可看出，Ms表示稳态特性曲线由转速n决定，Me表示动态特性曲线，由转速n和响应迟滞时间te决定，要更快更好地响应ADAS系统性能，需要将动态特性曲线Me性能做提升，从如上公式可看出，提升动态特性曲线Me的策略是通过优化三次方转速曲线（找出极点值），这时可以通过联调匹配中找准转速最优极值点nopt，也可以通过提升响应时间te来进行优化。
2）自动变速器模型
自动变速器的主要作用是减速和增距。变速器输入轴和液力变矩器的涡轮相连接，其转速和转矩分别为涡轮转速和涡轮转矩。变速器输出轴角度和扭矩分别为
上式中，w0为自动变速器输出轴角度，wt为液力变矩器涡轮角速度，M0为自动变速器输出轴转矩，Mt为液力变矩器涡轮转矩，ig为自动变速器挡位传动比。
由于自动变速器输出扭矩作用于轮端，从该式中可看出，对于自动变速器而言其直接作用端是轮端，故其变速器传动比以及液力变矩器涡轮转矩均会不同程度的影响自动变速器输出轴转矩，最终体现在对轮端驱动扭矩的影响上。
3）汽车行驶模型
由于汽车最终汽车行驶需要的是具备牵引力，故需要将生成的力矩转化通过一定的公式转化为牵引力。通常情况下，汽车行驶模型中包含不同道路工况下的行驶状态，其一是在平坦路面上，其二是在带有坡度的道路工况下的行驶情况下，行驶方程中的汽车滚动阻力Ff，加速阻力Fj会比平坦路面大，其变化规律满足平坦路面乘以相应的坡度正弦函数。
相应的行驶方程可表示为如下：
其中，Ft为汽车驱动力，Ff为汽车滚动阻力，Fw为汽车空气阻力，Fb为汽车制动力，m表示汽车质量，δ表示旋转质量换算系数，a0表示在该驱动力Ft下产生的加速度。
汽车驱动力与自动变速器输出轴转矩之间的关系为：
式中，i0为主减速器传动比；
为传动系效率；R为车轮半径。汽车滚动阻力Ff、空气阻力Fw以及汽车制动力分别表示为：
其中，f为滚动阻力系数，CD为空气阻力系数，A为汽车迎风面积，u为汽车行驶速度，pb为制动压力。
综合如上几个公式可得出相应的行驶减速度为：
从如上公式中可看出，在一定环境条件及汽车自身条件稳定时，其公式中相应的影响因子包含旋转质量换算系数δ、变速比i0、传动效率、制动压力比例系数Kb、滚动摩擦系数f、空气阻力Fw均保持不变。而由此得到其加速度影响因子主要表示为如下表格内容，其与ADAS系统相应的影响状态如下：
4）驱动电机模型
电动汽车ADAS系统动力学模型主要包括汽车行驶模型和驱动电机模型，其中电机是电动汽车的核心部件，其作用是接收ADAS系统发出的实际驱动扭矩并解析成相应的电机扭矩与发动机扭矩，最终输出给变速箱进行输出扭矩控制。如下图表示了一种典型的电动汽车控制框图。
电动汽车行驶模型与燃油车大体一致，但也存在一定的差异性，表示为驱动力表达式不一致。电动汽车驱动力表示为：
式中，Tt为电机输出扭矩，it为传动系统总传动比，η为传动系统机械效率，R为车轮半径。由此，如果不考虑再生制动或称制动能量回收的影响，则电动汽车行驶减速度为：
总 结
本文从两种不同的车型控制讲述了如何在ADAS系统中进行动力逻辑控制原理，其中包含实际的动力控制逻辑图，动力控制模型，相关的影响参数因子等，对于在ADAS系统参数优化调节中起到了很好的示范作用，特别是针对动力响应过程中可能存在响应不到位或者响应超调的情况，这里可以完全参照公式中的影响参数因子进行调节和控制。
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