车辆经济性辅助驾驶的最优操作与协同控制研究

For ground vehicles, fuel economy-centered assistant driving technique is becoming a promising approach to further increase fuel economy and reduce green house gas(GHG) emission. The related fuel-optimized problem is inherently singular and discrete, which largely limits its development and application. This expression of interest will focus on three critical scientific questions: modeling of mixed plants, identification of optimal operations, and design of cooperative controllers. The research will develop the semi-analytical modeling method of such mixed nonlinear plants as vehicle longitudinal dynamics; explore the fuel-optimized action of throttle, brake and gear ratio in constrained dynamic traffic conditions, and meanwhile study the multi-actuator based coordinated driving assistant controller with functionality of matching driver manipulation behaviors. The overall solution will clarify the affecting mechanism of road conditions, traffic flow and powertrain structure on optimal driving operations, and address both fossil fuel conservation and GHG emission alleviation by using distributed driving decision for individual ground vehicles.

以最小化油耗为目标的车辆经济性辅助驾驶是道路交通系统节能、减排的一个最新的发展方向。其控制问题本质上奇异离散，是制约其应用发展的主要瓶颈。本课题拟围绕经济性辅助驾驶所涉及的混合对象建模、最优策略辨识、协同辅助控制三个关键科学问题，发展以车辆动力系为代表的混合对象半解析化建模方法；探索约束性动态交通工况下，具有油耗最优特性的油门、制动和挡位操作规律；研究多执行器联合作动，且匹配驾驶人操作习惯的协同驾驶控制理论。本课题将进一步揭示道路条件、交通流特征、传动系构造等因素对节油型驾驶模式的影响机制，为中国道路交通的节能、减排任务提供新的技术手段与理论支撑。

经济性辅助驾驶是道路交通系统节能减排的一个新的发展方向。围绕汽车经济性驾驶的最优操作和协同控制这一主题，研究了节油策略的辨识理论及框架、典型工况的节油规律以及“车-车”和“人-车”协同等核心问题，为汽车节油驾驶辅助系统的设计提供新的理论支撑与技术手段。. 项目首次提出将“节油驾驶策略辨识”归结为“最优控制问题求解”的学术思想，将节油策略辨识引入最优设计阶段。设计了车辆最优操作策略的最优控制辨识框架，建立了车辆动力系的半解析化模型，提出了以伪谱法为基础的数值求解策略，解决了对象强非线性、海森矩阵奇异、控制输入离散、存在模式切换等难题，实现了节油策略的谱精度求解。. 建立了典型工况（含加速、跟车和巡航等）和不同车型（含内燃机型车辆、混合动力车辆）的发动机、变速器、制动系的节油操作准则，并揭示了其内在的节油机理。针对内燃机型车辆，发现了加速过程的“阶梯下降型”节油操作模式，跟车工况的周期型“加速-滑行”策略，量化了发动机功率和变速器挡位的控制规则。针对并联式混合动力车辆，阐明了包含车身动能和电池化学能的双储能特征，提出了“车辆速度波动"和“电池SOC波动”两类节能操作模式。. 借鉴一维多智能体的视角，建立了汽车队列的四元素分析构架，研究了上述节油策略对队列性能的影响，探索了队列构成与稳定性/鲁棒性的关联性。建立了驾驶员行为模式的分析构架，研究了驾驶风格（含险态及分心）的量化评估手段，开发了具有触觉交互功能的主动式油门踏板装置和速度引导策略。针对坡道工况设计了两类瞬时反馈型节油巡航控制器，即稳态引导型控制器和动能转换型控制器；与匀速巡航控制器相比，典型坡道工况节油10%以上。. 受本基金项目支持，发表学术论文40篇。SCI检索22篇，含IEEE汇刊长文12篇；EI检索26篇。另2篇SCI源刊在审。授权软件著作权1项。授权专利1项，公开申请2项。参编英文学术专著1部（Springer）。国外特邀报告2次。荣获2013年国家技术发明二等奖（第4），2013年教育部高等学校科学研究优秀成果一等奖（第4）；2013年北京市优秀人才支撑计划。荣获2次NSK机械工学优秀论文奖，1次IEEE国际会议的Best Student Paper Award，1次亚太智能交通会议Best Paper Award。