朱青松，李軍偉，曹學自，王玉海，李興坤

（1.255049 山東省 淄博市 山東理工大學 交通與車輛工程學院；2.266041 山東省 青島市 吉林大學青島汽車研究院；3.266043 山東省 青島市 中寰衛(wèi)星導航通信有限公司青島分公司）

0 引言

卡車的預見性巡航是以提高燃油經濟性以及駕駛員駕駛的舒適性為目標開發(fā)的一種新型輔助駕駛技術，其主要作用是當卡車行駛在高速公路上時，預見性巡航策略根據車輛前方道路狀況，通過相應的預測算法規(guī)劃好卡車在前方道路行駛時的目標節(jié)油扭矩，以該目標扭矩驅動卡車在前方道路上行駛，達到省油的目的，同時實現卡車的自動駕駛。

目前，國內學者對車輛預見性巡航技術進行了較多的研究。文獻[1]推出了一款主動預見性巡航控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用GPS 定位確定高速公路上的車輛位置，根據車載電子地圖數據預測前方道路的路況。當卡車行駛到上坡或者下坡時，通過調節(jié)卡車的巡航車速來控制卡車行駛，在整個行駛過程中可節(jié)省高達3%的燃油；文獻[2]設計了基于自適應巡航的預見性巡航策略。策略不僅能夠判斷前方道路中行駛車輛的車速，控制卡車的車速來保持車輛間的安全距離，而且還能基于預測的前方道路路況預設車輛在前方道路行駛的經濟巡航車速。設計的預見性巡航策略將測試車輛的節(jié)油率提高到3%；文獻[3]根據車載地圖數據中的前方道路路況信息，通過分層控制策略規(guī)劃了卡車以最佳燃油經濟性行駛時的車速曲線，通過控制車輛的行駛車速達到節(jié)約燃油的目的。從這些文獻提供的數據來看，雖然都有節(jié)油效果，但效果不明顯，有待進一步提高。本文采用具有自主知識產權的中寰衛(wèi)星導航通信有限公司的高精電子地圖，以一汽解放青島生產的JH6重型卡車作為開發(fā)平臺，開發(fā)了基于高精地圖的卡車預見性巡航系統(tǒng)，該系統(tǒng)使卡車的節(jié)油率超過7%。

1 預見性巡航節(jié)油方法分析

1.1 卡車的行駛動力學模型

在卡車行駛的過程中，燃油消耗最小是預見性巡航的巡航目標，因此，完整、準確的車輛縱向動力學模型在策略的優(yōu)化過程中起到至關重要的作用[4-5]。對卡車進行動力學受力分析時將卡車看作一個整體，當卡車在坡道上行駛時，在行駛方向上對其進行受力分析，如圖1 所示[6-7]。根據受力分析得到卡車的動力學公式為

圖1 重型卡車坡道方向上的受力分析Fig.1 Force analysis of heavy trucks on ramp direction

式中：Fe——卡車的驅動力，N；Fz——卡車在坡道上行駛的阻力，N；m——卡車的質量，kg；a——卡車的加速度，m/s2。

卡車在道路上行駛的阻力主要有風阻、坡道阻力、滾動阻力等，其中，坡道阻力在下坡時為驅動力。將式（1）進行阻力拆分，可得卡車在高速公路上行駛的動力學方程為

式中：Ff——卡車受到的滾動阻力，N；Fi——卡車受到的坡道阻力，N；Fw——卡車風阻，N。

其中，

當道路的坡度值非常小時，坡度余弦值近似為1，因此式（2）可寫為

式中：Ttq——卡車的需求扭矩，N·m；α——道路坡度，v——卡車的當前車速，km/h；r——卡車的車輪半徑，m；g——卡車的重力加速度，m/s2；ig,i0,η,λ,μ——常數，分別為變速器的傳動比、主減速器的傳動比、傳動系統(tǒng)的機械效率、總的風阻系數以及輪胎與地面的摩擦系數。

卡車在進行預見性巡航行駛時，巡航策略對每段道路給予的扭矩值基本穩(wěn)定，并且卡車在道路上行駛時受到的風阻相比于其它阻力值數量級較小，因此，卡車可以近似看作為勻加速、勻減速或者勻速運動[8]。由此可以得出卡車在某段道路上行駛的車速與加速度之間的關系式：

式中：v——卡車行駛完某段距離后的末速度，m/s；v0——卡車進入某段道路時的初速度，m/s；s——行駛的道路長度，m。

選擇卡車的初始車速作為風阻計算的車速值，并根據式（7）和式（8），得到卡車在當前路段需要的發(fā)動機輸出扭矩值為

根據式（9）求得的驅動扭矩值Ttq即為預見性巡航策略計算的目標行駛扭矩。其中，v0——卡車入坡時的初始車速；v——預見性巡航策略在當前道路選取的目標經濟車速。

1.2 卡車節(jié)油行駛方式

卡車在高速公路上行駛時，“高擋低速”相比于“低擋高速”能夠節(jié)約更多燃油，并且卡車的行駛車速越低，發(fā)動機用于維持車速的輸出扭矩就越低，因此“高擋低速”并且使發(fā)動機的運行工況盡可能地保持在最優(yōu)工作區(qū)間內是卡車預見性巡航的節(jié)油基礎。本文的預見性巡航策略是針對通過手動換擋的卡車設計的，由于卡車不能實現自主換擋，所以，卡車的巡航擋位為最高擋，當卡車不在最高擋時，不能進行預見性巡航。高速公路上的路況根據坡度的大小分為平緩坡、大上坡和大下坡3 種類型，其中，平緩坡分為緩上坡和緩下坡2 種類型。巡航策略結合全局路段的路況，合理控制發(fā)動機扭矩來實現對車速的控制。以平路穩(wěn)、上坡沖、下坡滑等行駛方式為基礎，合理利用車輛慣性從而降低油耗[9]?？ㄜ囋谶M行預見性巡航時節(jié)油行駛方式如圖2 所示。

圖2 卡車預見性巡航節(jié)油行駛方式Fig.2 Foreseeable cruise fuel-efficient driving mode of truck

在平緩坡道路上，預見性巡航策略會根據卡車在最高擋位下發(fā)動機的最優(yōu)工作區(qū)間來確定車輛的行駛車速，根據式（9）求得車輛保持勻速行駛時的行駛扭矩，以達到節(jié)油的效果。

對于大上坡，巡航策略會在上坡前根據上坡路段的平均坡度和坡道長度進行預測，然后在滿足卡車動力性的前提下盡可能地使卡車以較低車速爬坡?？ㄜ囋谂榔聲r以保證動力性為前提盡可能減少發(fā)動機的扭矩輸出，提高燃油經濟性。

對于大下坡，巡航策略的目標為控制卡車在擋滑行，以滑行的方式行駛到坡底。通過精確的預測判斷，保證卡車滑行下坡的安全性，同時，也避免了卡車在下坡時因不必要的發(fā)動機動力輸出而造成燃油消耗。

2 預見性巡航策略研究

卡車在高速公路上行駛時，在沒有遇到特殊情況時，駕駛員一般會在卡車的最高擋位上駕駛卡車向前行駛。對于手動擋卡車，當卡車需要升降擋時，駕駛員腳踩離合器踏板，此時，會導致卡車退出預見性巡航?？ㄜ囶A見性巡航行駛的目的是在提高卡車運輸經濟性的同時，減少駕駛員對卡車的駕駛操作來緩解駕駛壓力，所以，本文以卡車的最高擋位為目標擋位來執(zhí)行相應的巡航策略，這也符合巡航策略“高擋低速”的省油方式。

卡車在進行預見性巡航時，首先會對預見性巡航策略相關的參數進行計算處理，例如，巡航策略中最優(yōu)車速的設置以及卡車變速箱的相關參數和發(fā)動機的相關參數的讀取處理等，然后巡航策略根據卡車當前的定位坐標，獲取前方2 km的道路數據，再后按照道路路況的不同會執(zhí)行不同的扭矩預測方法，利用策略求出卡車在前方每一段道路的經濟行駛扭矩，當卡車行駛到該段道路上時會按照預測的扭矩結果進行驅動[10]。

2.1 初始化巡航參數

2.1.1 默認最優(yōu)車速

巡航策略的最優(yōu)車速用于平緩道路或者某些陡坡的目標行駛車速，同時也是卡車巡航時默認的節(jié)油車速，駕駛員可以在啟動預見性巡航時操作多功能桿來設置默認的最優(yōu)車速。多功能桿實物圖如圖3 所示。

圖3 多功能桿實物圖Fig.3 Physical picture of multi-function lever

本文針對不同客戶的需求設計了兩種最優(yōu)車速選擇模式。最優(yōu)車速的第1 種設置方式是將多功能桿開關從“OFF”撥到“ON”，然后按下“SET-”開關可以將策略事先保存的車速值設置為卡車巡航時的默認最優(yōu)節(jié)油車速?？ㄜ囋诟咚俟飞闲旭倳r，一般在最高擋行駛，根據發(fā)動機外特性曲線在發(fā)動機最優(yōu)轉速區(qū)間內取一個發(fā)動機最優(yōu)工作轉速，然后根據選取的轉速值和卡車的最高擋位傳動比求得卡車巡航時的默認最優(yōu)車速。選取的發(fā)動機最優(yōu)工作轉速值可以通過標定的方式進行調整。第2 種設置方式是將多功能桿開關從“OFF”撥到“ON”，然后按下“SET+”開關將卡車巡航的最優(yōu)車速設置為自定義車速。駕駛員通過腳踩油門加速到自己想要的車速，然后操縱多功能桿進入預見性巡航，巡航策略就會記錄當前的車速值作為目標最優(yōu)車速。

2.1.2 車輛配置參數

策略中所需的車輛參數包括發(fā)動機的相關參數、變速箱的相關參數，以及車輪半徑、主減速器傳動比等車輛的其他參數信息等，巡航在啟動時可以實時提取相關的車輛參數值。其中，發(fā)動機參數包括發(fā)動機允許工作以及正常工作時的最高轉速和最低轉速值，此外，還有不同發(fā)動機轉速下對應的外特性扭矩值和制動特性扭矩值。巡航策略會對發(fā)動機轉速對應的外特性扭矩值及制動特性扭矩值進行處理，模擬出該發(fā)動機對應的外特性曲線和制動特性曲線以便于在策略中使用。變速箱相關參數包括變速箱的相關擋位及每個擋位對應的傳動比。

2.2 巡航扭矩值預測

本文通過高精度電子地圖的道路數據獲取前方2 km 道路的路況，根據道路坡度數據對前方道路的路型進行劃分。以圖2 為例，若圖中所示的道路總長為2 km，根據地圖中的道路坡度數據將道路劃分成5 段，分別為緩下、大上、緩上、大下以及大上，那么圖中存在的道路組合路型為緩下大上、大上緩上、緩上大下、大上大下，策略針對不同的道路路型有著不同的扭矩預測策略。對巡航扭矩值進行預測時，策略會根據后一段的道路預測前一段道路的扭矩，巡航策略將2 km 的道路按照順序依次預測。從定位位置開始，將卡車在當前定位位置的實時車速作為卡車巡航預測時的初始車速，根據策略預測出第1 段道路的行駛扭矩和行駛至段尾的車速，然后，將第1 段道路預測的末尾車速作為第2 段道路的預測初始車速來預測第2 段道路的行駛扭矩，根據順序以此類推，直至2 km 道路預測完全。圖2 中所示路型的扭矩預測策略如下：

（1）緩下大上。為了滿足卡車在后一段大上坡路的動力性，在緩下坡時給車輛提供大的扭矩，讓卡車在入坡前提前加速沖坡。首先計算車輛在大上坡道路行駛時滿足上坡條件的最低車速，將上坡的最低車速與默認最優(yōu)車速作比較。如果最低車速值小于最優(yōu)車速，那么默認最優(yōu)車速值作為緩下坡的行駛目標車速；如果最低車速值大于最優(yōu)車速，為了讓卡車一直保持預見性巡航，策略在計算行駛扭矩時會以損失一定的油耗為代價將最低車速值作為緩上坡或者緩下坡的行駛目標車速，保證后一段大上坡路的動力性。

（2）大上緩上。為了保證卡車在后一段緩上坡道路上行駛的動力性，本文將大上坡坡頂的目標車速設置為巡航默認最優(yōu)車速，然后計算卡車行駛到默認最優(yōu)車速的扭矩值。如果扭矩值超過發(fā)動機外特性，那么將設置的坡頂車速依次遞減直至發(fā)動機允許工作的最低轉速值限制的最低車速，尋找合適的扭矩。

（3）緩上大下。當路型為緩上大下時，在滿足大下坡滑行到坡底的車速小于安全車速的前提下,讓卡車在緩上坡行駛時盡量采用小的驅動扭矩，將加速重心轉移到大下坡上。首先計算卡車在下段大下坡安全滑行到坡底的初始車速，并與默認最優(yōu)車速值比較。如果最優(yōu)車速值小于或者等于安全滑行的初始車速，策略會計算出一個扭矩值，使卡車在當前緩上坡以默認最優(yōu)車速保持勻速行駛，如果扭矩值超外特性就以外特性扭矩行駛；如果最優(yōu)車速值大于安全滑行的初始車速，此時，在緩上坡加速到最優(yōu)車速已經不合適，因此，本文計算一個需求扭矩使卡車在本段行駛至段尾的車速為卡車能夠在大下坡安全滑行的初始車速，如果該扭矩為負值，那么在本段巡航策略會讓卡車滑行以減少動力損失。

（4）大下大上。當出現一個大下坡路段連接著一個大上坡路段時，巡航策略首先預測車輛在下一段大上坡道路上以最高擋行駛時能夠爬坡的最低限制車速，然后卡車以滑行為前提保證卡車滑行到坡底的車速大于爬坡最低限制車速，但小于安全車速限速值。

3 巡航策略實車測試及結果分析

對預見性巡航策略進行實車測試時，本文選取青島一汽解放的JH6 重型卡車作為實驗車型。圖4 為實驗測試車輛。表1 為測試車輛的部分實車參數。

圖4 測試車輛Fig.4 Test vehicle

表1 車輛實車參數Tab.1 Vehicle parameters

實車測試時，讓多位駕駛經驗豐富的卡車司機按照測試路線駕駛車輛，從T-BOX 終端數據中獲取卡車行駛車速、里程以及油耗等數據，然后對比卡車預見性巡航與司機手動駕駛時的行駛油耗。車輛的測試路線為從青島城陽南高速入口出發(fā)，經龍青高速-榮濰高速-青新高速行駛一圈，行駛路線如圖5 所示。

圖5 卡車測試路線Fig.5 Truck test route

從測試路線內選取大約10 km 的路段，比較司機駕駛與卡車預見性巡航的行駛數據結果。圖6 為司機駕駛和卡車預見性巡航的發(fā)動機扭矩對比圖。根據仿真結果可以看出，預見性巡航的道路分段策略能夠將前方道路劃分成段，每段都能對應一個平均坡度值和行駛扭矩值。相比于司機駕駛扭矩的波動性，預見性巡航策略能夠在每一段給予一個穩(wěn)定的扭矩值，保持發(fā)動機工作時的穩(wěn)定性。

圖6 扭矩對比Fig.6 Torque comparison

圖7 為司機駕駛和預見性巡航駕駛的行駛車速對比圖。從圖7 中的對比結果看，卡車預見性巡航行駛時在大部分的測試里程內要小于司機駕駛的車速，但是巡航車速也能維持在一個較高車速，既能保證卡車的動力性，也符合預見性巡航“高擋低速”的省油方式。

圖7 車速對比Fig.7 Speed comparison

圖8 為選取路段的平均坡度和扭矩劃分對比結果。根據圖8 的測試結果看，預見性巡航策略在每一段道路都能夠根據道路分段后的平均坡度值給卡車提供一個合適的驅動扭矩。當平緩坡前方為大上坡時，在平緩坡路段給卡車提供一個大扭矩來提前沖坡；當平緩坡前方為大下坡或者前方依然為平緩坡時，在平緩坡路段給卡車一個小扭矩以維持車速。當卡車行駛到大上坡時，給卡車一個大扭矩來滿足卡車爬坡時的動力性；當卡車行駛到大下坡時，給卡車一個0 扭矩來實現卡車的滑行。

圖8 平均坡度與扭矩對比Fig.8 Comparison of average slope and torque

在測試路線內進行多次實車測試，驗證巡航策略的節(jié)油效果。節(jié)油效果的驗證方式為讓多位駕駛經驗豐富的卡車司機按照測試路線駕駛車輛，從T-BOX 終端數據中獲取卡車行駛車速、里程以及油耗等數據，然后對比卡車預見性巡航與司機手動駕駛時的行駛油耗。按照相同的測試路線，對司機駕駛的3 次油耗數據和卡車預見性巡航的3 次油耗數據進行對比分析，結果如表2所示。

表2 卡車實車油耗對比數據Tab.2 Comparison of fuel consumption of trucks

在測試結果中，由于定位精度的影響以及T-BOX 對卡車行駛里程計數的誤差，再加上實車測試時偶爾會去服務區(qū)停留休息，因此，會導致每次實車測試完的行駛里程會有所誤差。由于本文在計算卡車的行駛油耗時計算的是卡車行駛的百公里平均油耗，因此行駛里程的計數誤差可以忽略不計。結果表明，卡車預見性巡航時的平均油耗均小于司機駕駛的油耗，并且行駛的平均車速差別很小，節(jié)油率達到7.6%?？ㄜ囘M行預見性巡航時，相比于人為駕駛卡車來說，能夠節(jié)約更多的燃油，預見性巡航策略的燃油經濟性符合設計要求。

4 結論

（1）基于高精度電子地圖的卡車預見性巡航策略，通過獨特的預測算法，實現了卡車的預見性巡航功能。根據前方道路的路況，對前方道路進行分割規(guī)劃，卡車行駛到每段道路時都能夠結合卡車的節(jié)油行駛方式執(zhí)行相應的巡航策略，以預測的巡航扭矩值驅動卡車向前行駛。

（2）通過對預見性巡航策略的實車控制效果以及節(jié)油效果進行實車測試，表明了本文所設計的預見性巡航策略能夠根據前方道路的路況合理規(guī)劃卡車的行駛方式，實現卡車的自動節(jié)油行駛，節(jié)油率超過7%。預見性巡航策略在提高卡車燃油經濟性的同時，減輕了駕駛員的勞動強度，卡車的預見性巡航策略符合設計要求。