模拟驾驶员的控制装置及汽车仿真系统

1.一种模拟驾驶员的控制装置，其特征在于，包括：
加速踏板控制模块，用于根据车速偏差和需求加速度，获得加速踏板控制信号并输出，其中，所述车速偏差为驾驶员的需求车速与当前车速之差；
制动踏板控制模块，用于根据车速偏差和需求加速度，获得制动踏板控制信号并输出；
控制切换模块，用于根据车速偏差和需求加速度，切换并调用所述加速踏板控制模块或制动踏板控制模块工作；
其中，所述加速踏板控制模块包括：
加速开环控制单元，用于接收需求加速度，获得与所述需求加速度对应的第一加速转矩；
加速闭环控制单元，用于接收车速偏差，获得与所述车速偏差对应的第二加速转矩；
第一转矩转换单元，用于在所述控制切换模块发送的控制信号的触发作用下，接收所述第一加速转矩和第二加速转矩，将所述第一加速转矩和第二加速转矩转换为加速踏板控制信号，并输出。
2.根据权利要求1所述的模拟驾驶员的控制装置，其特征在于，所述第一转矩转换单元包括：
加速接收子单元，用于在所述控制信号的触发作用下，接收所述第一加速转矩、第二加速转矩和汽车阻力力矩；
加速计算子单元，用于将所述第一加速转矩、第二加速转矩和汽车阻力力矩相加得到总加速力矩，并将所述总加速力矩除以设定档位传动比得到加速控制力矩；
加速转矩转换子单元，用于将所述加速控制力矩转换为相应的加速踏板控制信号，并输出。
3.根据权利要求1所述的模拟驾驶员的控制装置，其特征在于，所述制动踏板控制模块包括：
制动开环控制单元，用于接收需求加速度，获得与所述需求加速度对应的第一制动转矩；
制动闭环控制单元，用于接收车速偏差，获得与所述车速偏差对应的第二制动转矩；
第二转矩转换单元，用于在所述控制切换模块发送的控制信号的触发作用下，接收所述第一制动转矩和第二制动转矩，将所述第一制动转矩和第二制动转矩转换为制动踏板控制信号，并输出。
4.根据权利要求3所述的模拟驾驶员的控制装置，其特征在于，所述第二转矩转换单元包括：
制动接收子单元，用于在所述控制信号的触发作用下，接收所述第一制动转矩、第二制动转矩和汽车阻力力矩；
制动计算子单元，用于将所述第一制动转矩、第二制动转矩和汽车阻力力矩相加得到总制动力矩；
制动转矩转换子单元，用于将所述总制动力矩转换为相应的制动踏板控制信号，并输出。
5.一种汽车仿真系统，包括：模拟驾驶员的控制装置和汽车模型，其特征在于，所述模拟驾驶员的控制装置为采用上述权利要求1～4任一所述的模拟驾驶员的控制装置。

模拟驾驶员的控制装置及汽车仿真系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及汽车仿真技术，尤其涉及一种模拟驾驶员的控制装置及汽车仿真系统。\n背景技术\n[0002] 利用计算机技术对汽车的各组成部件及控制策略进行建模与仿真，可起到预测相关部件及整车性能的作用，通过对汽车的各系统进行仿真测试，可测试汽车系统性能是否满足要求，以便为汽车的设计和生产提供参考。由于前向仿真与后向仿真相比，前向仿真系统更接近于真实的车辆行驶过程，可实现控制信号与能量流的正向传递，并且在各部件间可传递实际的工作转矩、功率与转速，其仿真过程与真实汽车控制过程类似，从而通过仿真可对汽车的控制策略进行高效的测试及调整。\n[0003] 汽车前向仿真系统主要包括：模拟驾驶员的控制装置和汽车模型两大部分，其中，模拟驾驶员的控制装置是作为前向仿真系统区别于后向仿真系统的典型特征部件，用于模拟真实驾驶员的实际操作行为；同时，模拟驾驶员的控制装置也是整个仿真过程的起始环节，在汽车仿真系统中起着关键作用，因此，也称为驾驶员模型，其可以根据车辆行驶需求，发送控制信号给汽车模型中的执行机构，从而对需求车速进行较好的跟踪。\n[0004] 目前，模拟驾驶员的控制装置，即驾驶员模型的输入信号一般为驾驶员的需求车速与当前车速之间的车速偏差，模拟驾驶员的控制装置可根据该车速偏差，利用传统的比例-积分(PI)或比例-微分(PD)控制器产生并输出控制信号到汽车模型，以控制汽车模型中的各部件工作，使车速运行在驾驶员的需求车速。可以看出，现有模拟驾驶员的控制装置中的控制回路是一个闭环控制，其PI或PD控制器对于强非线性、时变的复杂系统和模型不清楚的系统难以达到很好的控制效果，并没有考虑汽车实际运行中驾驶员操作加速/制动踏板的加速或减速过程。\n[0005] 综上，现有模拟驾驶员的控制装置仅以车速偏差作为输入信号，并采用常规PI或PD控制器，但由于常规PI或PD控制器对于汽车及其各重要部件，作为非线性的、时变的和延迟的复杂系统难以达到很好的控制效果，致其输出的控制信号不准确，与驾驶员实际操作控制差异较大，从而无法满足模拟汽车实际运行中，汽车系统的强非线性、时变形和延迟特性，使得整个仿真系统的仿真性能较低，仿真效果较差。\n发明内容\n[0006] 本发明提供一种模拟驾驶员的控制装置及汽车仿真系统，可有效模拟驾驶员的实际操作行为，提高仿真效果。\n[0007] 本发明提供一种模拟驾驶员的控制装置，包括：\n[0008] 加速踏板控制模块，用于根据车速偏差和需求加速度，获得加速踏板控制信号并输出，其中，所述车速偏差为驾驶员的需求车速与当前车速之差；\n[0009] 制动踏板控制模块，用于根据车速偏差和需求加速度，获得制动踏板控制信号并输出；\n[0010] 控制切换模块，用于根据车速偏差和需求加速度，切换并调用所述加速踏板控制模块或制动踏板控制模块工作。\n[0011] 其中，所述加速踏板控制模块包括：\n[0012] 加速开环控制单元，用于接收需求加速度，获得与所述需求加速度对应的第一加速转矩；\n[0013] 加速闭环控制单元，用于接收车速偏差，获得与所述车速偏差对应的第二加速转矩；\n[0014] 第一转矩转换单元，用于在所述控制切换模块发送的控制信号的触发作用下，接收所述第一加速转矩和第二加速转矩，将所述第一加速转矩和第二加速转矩转换为加速踏板控制信号，并输出。\n[0015] 所述第一转矩转换单元包括：\n[0016] 加速接收子单元，用于在所述控制信号的触发作用下，接收所述第一加速转矩、第二加速转矩和汽车阻力力矩；\n[0017] 加速计算子单元，用于将所述第一加速转矩、第二加速转矩和汽车阻力力矩相加得到总加速力矩，并将所述总加速力矩除以设定档位传动比得到加速控制力矩；\n[0018] 加速转矩转换子单元，用于将所述加速控制力矩转换为相应的加速踏板控制信号，并输出。\n[0019] 所述制动踏板控制模块包括：\n[0020] 制动开环控制单元，用于接收需求加速度，获得与所述需求加速度对应的第一制动转矩；\n[0021] 制动闭环控制单元，用于接收车速偏差，获得与所述车速偏差对应的第二制动转矩；\n[0022] 第二转矩转换单元，用于在所述控制切换模块发送的控制信号的触发作用下，接收所述第一制动转矩和第二制动转矩，将所述第一制动转矩和第二制动转矩转换为制动踏板控制信号，并输出。\n[0023] 所述第二转矩转换单元包括：\n[0024] 制动接收子单元，用于在所述控制信号的触发作用下，接收所述第一制动转矩、第二制动转矩和汽车阻力力矩；\n[0025] 制动计算子单元，用于将所述第一制动转矩、第二制动转矩和汽车阻力力矩相加得到总制动力矩；\n[0026] 制动转矩转换子单元，用于将所述总制动力矩转换为相应的制动踏板控制信号，并输出。\n[0027] 本发明提供一种汽车仿真系统，模拟驾驶员的控制装置和汽车模型，所述模拟驾驶员的控制装置为采用上述本发明提供的模拟驾驶员的控制装置。\n[0028] 本发明提供的模拟驾驶员的控制装置及汽车仿真系统，通过在模拟驾驶员的控制装置中设置控制切换模块，可有效根据车速偏差，以及需求加速度控制加速控制模块或制动控制模块工作，以便对汽车进行加速或制动控制，可有效模拟汽车行驶过程中真实驾驶员的实际操作过程，满足汽车系统的强非线性、时变性和延迟特性，提高使用该模拟驾驶员的控制装置的汽车仿真系统的仿真效果。\n附图说明\n[0029] 图1为本发明模拟驾驶员的控制装置实施例一的结构示意图；\n[0030] 图2为本发明模拟驾驶员的控制装置实施例二中加速踏板控制模块的结构示意图；\n[0031] 图3为本发明模拟驾驶员的控制装置实施例二中第一转矩转换单元的结构示意图；\n[0032] 图4为本发明模拟驾驶员的控制装置实施例二中制动踏板控制模块的结构示意图；\n[0033] 图5为本发明模拟驾驶员的控制装置实施例二中第二转矩转换单元的结构示意图；\n[0034] 图6为本发明模拟驾驶员的控制装置实施例三的结构示意图；\n[0035] 图7为本发明模拟驾驶员的控制装置实施例三中加速踏板控制回路的仿真结构示意图；\n[0036] 图8为本发明模拟驾驶员的控制装置实施例三中制动踏板控制回路的仿真结构示意图；\n[0037] 图9为本发明汽车仿真系统实施例的结构示意图。\n具体实施方式\n[0038] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。\n[0039] 图1为本发明模拟驾驶员的控制装置实施例一的结构示意图。如图1所示，本实施例控制装置包括加速踏板控制模块11、制动踏板控制模块12和控制切换模块13，其中，加速踏板控制模块11用于根据车速偏差和需求加速度，获得加速踏板控制信号并输出，该车速偏差为驾驶员的需求车速与当前汽车的实际车速之差，其中驾驶员的需求车速在仿真模型中为某一循环工况下的速度，并以数据文件的方式导入仿真模型中；制动踏板控制模块12用于根据车速偏差和需求加速度，获得制动踏板控制信号并输出；控制切换模块13与加速踏板控制模块11和制动踏板控制模块12连接，用于根据车速偏差和需求加速度，切换并调用加速踏板控制模块11或制动踏板控制模块12工作。本实施例中，可根据车速偏差，以及驾驶员的需求加速度，确定对汽车进行加速或制动控制，其中需求加速度和需求车速一样，在仿真模型中为某一循环工况下的加速度，并以数据文件的方式导入仿真模型中，当需要加速时，利用加速踏板控制模块输出加速控制信号；当需要制动时，利用制动踏板控制模块输出制动控制信号，从而可有效模拟汽车实际运行中驾驶员踩动加速/制动踏板时的加速、制动过程，提高输出的控制信号的准确性，从而可有效提高应用该模拟驾驶员的控制装置的汽车仿真系统的仿真效果。\n[0040] 本实施例中，可通过实时采集汽车的当前车速，获得需求车速与当前车速之间的车速偏差，车速偏差为正值，即需求车速大于当前车速时，可通过加速踏板控制模块来输出加速控制信号，以控制汽车加速行驶；而当车速偏差为负值，即需求车速小于当前车速时，可通过制动踏板控制模块来输出制动控制信号，以控制汽车制动行驶；同时，还可通过需求加速度，来控制汽车加速或制动，当需求加速度为正值，意味着驾驶员需踩下加速踏板加速，该过程可通过加速踏板控制模块控制，当需求加速度为负值，意味着驾驶员需踩下制动踏板减速，该过程可通过制动踏板控制模块进控制。可以看出，区别于常规控制器中仅以车速偏差作为输入的闭环控制，本发明同时以车速偏差和需求加速度作为输入来对汽车行驶进行闭环和开环复合控制，从而可有效提高汽车驾驶员模型的控制信号的准确性和实时性。\n[0041] 本实施例中，控制切换模块13具体可通过车速偏差值以及需求加速度值与设定的参考值进行比较，切换并调用加速踏板控制模块11或制动踏板控制模块12，以便对汽车进行加速或减速。本领域技术人员可以理解的是，由于驾驶员实际操作过程中，会根据需求车速，通过加速/制动踏板来对车速进行跟踪，以便将汽车行驶速度提高或降低到一个所要达到的需求车速，本发明实施例中所述的驾驶员的需求车速和需求加速度可以是某一循环行驶工况下的速度和加速度，因此，本实施例通过根据车速偏差和需求加速度而在加速或制动间切换，可有效模拟真实驾驶员的实际操作过程。\n[0042] 综上，本实施例模拟驾驶员的控制装置通过设置控制切换模块，可有效根据车速偏差，以及需求加速度控制加速控制模块或制动控制模块工作，以便对汽车进行加速或制动控制，可有效模拟汽车行驶过程中真实驾驶员的实际操作过程，满足汽车系统的强非线性、时变性和延迟特性，提高使用该模拟驾驶员的控制装置的汽车仿真系统的仿真效果。\n[0043] 图2为本发明模拟驾驶员的控制装置实施例二中加速踏板控制模块的结构示意图。在上述图1所示实施例技术方案的基础上，如图2所示，本实施例加速踏板控制模块\n11具体可包括加速开环控制单元111、加速闭环控制单元112和第一转矩转换单元113，其中，加速开环控制单元111用于接收需求加速度，获得与需求加速度对应的第一加速转矩；\n加速闭环控制单元112用于接收车速偏差，获得与车速偏差对应的第二加速转矩；第一转矩转换单元113与加速开环控制单元111和加速闭环控制单元112连接，用于接收第一加速转矩和第二加速转矩，并将第一加速转矩和第二加速转矩转换为加速踏板控制信号，并输出。\n[0044] 本实施例加速踏板控制模块11中，加速开环控制单元111作为主控制单元，可根据需求加速度获得实现该需求加速度所需的由发动机提供的第一加速转矩，其中第一加速转矩的值与需求加速度的关系可由公式 J＝JR+JM·JA2·iG2+JA·iA2\n和 确定，同时，加速闭环控制单元112可根据车速偏差，得到用于调整该车速偏差所需的由发动机提供的第二加速转矩，其中第二加速转矩的值与车速偏差的关系可由公式 和 确定，并对该第一加速转矩进行修\n正，可以看出，本实施例中驾驶员对踏板的调整是以转矩的行式体现，并可通过第一转矩转换单元113对加速开环控制单元111的输出转矩和加速闭环控制单元112输出的转矩进行叠加后，按公式 转换成与实现叠加后的转矩所需的加速踏板控制信\n号，即加速控制信号，对汽车的行驶进行加速控制。\n[0045] 图3为本发明模拟驾驶员的控制装置实施例二中第一转矩转换单元的结构示意图。本实施例中，由于汽车行驶过程中会存在阻力力矩，因此，上述的第一转矩转换单元113在对第一加速转矩和第二加速转矩进行叠加时，需要考虑汽车的阻力力矩，可使得输出的加速控制信号更加准确。具体地，如图3所示，本实施例第一转矩转换单元113可包括加速接收子单元1131、加速计算子单元1132和加速转矩转换子单元1133，其中，加速接收子单元1131用于在控制切换模块发送的控制信号的触发作用下，接收第一加速转矩、第二加速转矩和汽车阻力力矩；加速计算子单元1132与加速接收子单元1131连接，用于将第一加速转矩、第二加速转矩和汽车阻力力矩相加得到总加速力矩，并将该总加速力矩除以设定档位传动比得到加速控制力矩；加速转矩转换子单元1133与加速计算子单元1132连接，用于将加速控制力矩转换为相应的加速踏板控制信号，并输出。\n[0046] 图4为本发明模拟驾驶员的控制装置实施例二中制动踏板控制模块的结构示意图。如图4所示，本实施例的制动踏板控制模块12包括制动开环控制单元121、制动闭环控制单元122和第二转矩转换单元123，其中，制动开环控制单元121用于接收需求加速度，获得与需求加速度对应的由汽车制动装置提供的第一制动转矩，其中第一制动转矩的\n2 2 2\n值与需求加速度的关系可由公式 和J＝JR+JM·JA·iG+JA·iA\n确定；制动闭环控制单元122用于接收车速偏差，获得与车速偏差对应的由汽车制动装置提供的第二制动转矩；其中第二制动转矩的值与车速偏差的关系可由公式确定，第二转矩转换单元123与制动开环控制单元121和制\n动闭环控制单元122连接，用于接收第一制动转矩和第二制动转矩，将第一制动转矩和第\n3 2\n二制动转矩按公式Sig_Br＝A·M_Br+B·M_Br+C·M_Br转换为制动控制信号，并输出。其中系数A＝3,3245e-009，B＝-1,2129e-005，C＝0,0203，且系数是由台架测试数据经拟合后获得。\n[0047] 本领域技术人员可以理解的是，相对于用于加速控制的需求加速度而言，用于制动的需求加速度为负值，本实施例制动开环控制单元121可根据该制动需求加速度，计算得到与该需求加速度相对应的第一制动转矩，并可根据车速偏差计算得到的第二制动转矩对其进行修正，将修正后的制动转矩转换为相应的制动踏板控制信号，以便利用该制动踏板控制信号对汽车进行制动控制。\n[0048] 图5为本发明模拟驾驶员的控制装置实施例二中第二转矩转换单元的结构示意图。具体地，如图5所示，本实施例第二转矩转换单元123包括制动接收子单元1231、制动计算子单元1232和制动转矩转换子单元1233，其中，制动接收子单元1231用于在控制切换模块发送的控制信号的触发作用下，接收第一制动转矩、第二制动转矩和汽车阻力力矩；制动计算子单元1232与制动接收子单元1231连接，用于将第一制动转矩、第二制动转矩和汽车阻力力矩相加得到总制动力矩；制动转矩转换子单元1233与制动计算子单元1232连接，用于将总制动力矩转换为相应的制动踏板控制信号，并输出。可以看出，本实施例制动转矩转换单元在进行制动控制信号输出时，是将第一制动转矩、第二制动转矩以及汽车的阻力力矩进行叠加后得到，从而保证制动的准确性，更加符合汽车实际制动过程。\n[0049] 本实施例中，可通过采用比较简单、直观的控制规则和控制逻辑，通过非线性的传递函数就可实现对非线性的汽车的控制，而且非线性的传递函数的系数仅与车辆的结构参数有关，易于确定，从而可有效提高控制装置输出的控制信号的准确性，提高利用该控制装置的仿真系统的仿真效果。\n[0050] 图6为本发明模拟驾驶员的控制装置实施例三的结构示意图；图7为本发明模拟驾驶员的控制装置实施例三中加速踏板控制回路的仿真结构示意图；图8为本发明模拟驾驶员的控制装置实施例三中制动踏板控制回路的仿真结构示意图。如图6、图7和图8所示，为本发明模拟驾驶员的控制装置具体实现的结构示意图，具体地，如图6所示，该模拟驾驶员的控制装置包括：加速踏板控制回路、制动踏板控制回路，以及加速回路逻辑切换模块和制动回路逻辑切换模块，其中，加速踏板控制回路包括有加速回路开环控制器、加速回路闭环控制器、加速回路转矩转换函数块，制动踏板控制回路包括有制动回路开环控制器、制动回路闭环控制器、制动回路转矩转换函数块。本实施例中，所述的加速踏板控制回路即为上述本发明所述的加速踏板控制模块，制动踏板控制回路即为上述本发明所述的制动踏板控制模块，加速回路逻辑切换模块和制动回路逻辑切换模块即为上述本发明所述的控制切换模块，可以看出，根据驾驶员的需求车速V_Set、当前速度V_Curr以及需求加速度a_Set，加速回路逻辑切换模块和制动回路逻辑切换模块可触发加速踏板控制回路、制动踏板控制回路工作，以输出加速控制信号Sig_AccPed或制动控制信号Sig_Brake，从而实现对汽车模型的控制。\n[0051] 本实施例中，如图7所示，为图6中加速踏板控制回路的仿真结构示意图，当驾驶员的需求车速V_Set与当前车速V_Curr的车速偏差较大时，例如车速偏差大于0.5km/h，或者需求加速度大于设定值，例如大于-0.002g时，加速回路逻辑切换模块即可控制加速控制回路工作，并通过相应的函数关系将车速偏差和参考加速的加速度转换成发动机的输出转矩M_Acc_R和M_Acc_V，最后再转换为与输出转矩相对应的加速踏板开度输出，即加速踏板控制信号，其中，参考加速的加速度即为汽车速度的变化率，且该变化率为正值；发动机输出转矩与加速踏板开度的对应关系由实车测量得到。具体地，如图7所示，可通过关系运算模块以及逻辑运算模块，对车速偏差和需求加速度的大小进行判断，当其中之一符合条件时，就控制相应的选择开关模块，以使得该控制装置中的加速踏板控制回路工作，进行加速控制；此时，比例控制器PID可根据车速偏差(V_Set-V_Curr)的大小输出与该车速偏差对应的输出转矩M_AccPed_R，根据汽车的传动比i_G和需求加速度a_Set，并通过第一自定义函数模块以及乘法运算模块获得与需求加速度对应的输出转矩M_AccPed_V；获得的输出转矩M_AccPed_R、M_AccPed_V以及汽车的阻力矩M_Re相加后，通过除法运算模块，并根据传动比i_G计算得到最终的加速转矩；最后，通过转矩转换模块K输出加速控制信号Sig_AccPed，以对汽车模型进行控制，从而可将车速控制在所需车速。其中，第一自定义函数模块为用户根据仿真需要设置的函数，以满足仿真需要。\n[0052] 本实施例中，如图8所示，为图6中制动踏板控制回路的仿真结构示意图，当驾驶员的需求车速与当前车速的车速偏较大时，例如车速偏差大于-1km/h，且参考制动的加速度大于设定值，例如大于-0.6g时，制动回路逻辑切换模块会控制制动控制回路工作，并通过相应的函数关系将车速偏差和参考制动的加速度转换成制动器的制动转矩，最终再转换为制动踏板开度输出，即制动踏板控制信号，其中，参考制动的加速度为汽车速度的变化率，且该变化率为负值；制动器的制动转矩与制动踏板开度的对应关系由实车测量得到。具体地，如图8所示，可通过关系运算模块以及逻辑运算模块，对需求加速度和车速偏差的大小进行判断，当均符合条件时，控制选择开关模块，以使得该控制装置中的制动踏板控制回路工作，进行制动控制；此时，比例控制器PID即可根据车速偏差(V_Set-V_Curr)的大小输出与该车速偏差对应的输出转矩M_Br_R，根据汽车的需求加速度a_Set，参考第二自定义函数模块及乘法运算模块，获得与需求加速度对应的输出转矩M_Br_V；获得的输出转矩M_Br_R、M_Br_V以及汽车的阻力矩M_Re相加后，即可通过转矩转换模块输出制动控制信号Sig_Br，以对汽车模型进行控制，将车速控制在所需车速。其中，第二自定义函数模块与第一自定义函数模块类似，是根据仿真需要设置的函数，以满足仿真需要。\n[0053] 图9为本发明汽车仿真系统实施例的结构示意图。具体地，如图9所示，本实施例汽车仿真系统包括：模拟驾驶员的控制装置1和汽车模型2，其中，该模拟驾驶员的控制装置1为采用上述本发明实施例提供的模拟驾驶员的控制装置，也即驾驶员模型。\n[0054] 本实施例汽车仿真系统中，模拟驾驶员的控制装置可根据需求加速度、驾驶员的需求车速来模拟驾驶员的操作过程，其输出的控制信号准确、可靠，更加符合真实驾驶员的操作过程，可有效提高汽车仿真系统的仿真效果。\n[0055] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。