混合动力履带车辆速度与能量协同优化方法、介质、设备技术

本发明专利技术属于车辆协同优化驾驶技术领域，公开了一种混合动力履带车辆速度与能量协同优化方法、介质、设备，包括：设计一种坐标变换方法将原有既定轨迹的GPS坐标转换为车辆局部坐标系坐标，以方便之后的算法应用；构建混动履带车辆速度与能量协同优化模型；利用强化学习方法，充分考虑跟踪误差与能耗，以减少车辆对路径跟随过程中可能出现的滑转、侧移、过度转向等行为，实现混动履带车辆路径跟随过程中速度与能量的协同优化。本发明专利技术通过优化履带车两侧履带运行速度序列进而改善车辆在路径跟随过程中的滑转、滑移、过度转向等行为，从而实现履带车辆速度与能量的协同优化。履带车辆速度与能量的协同优化。履带车辆速度与能量的协同优化。

【技术实现步骤摘要】
混合动力履带车辆速度与能量协同优化方法、介质、设备


[0001]本专利技术属于车辆协同优化驾驶
，尤其涉及一种混合动力履带车辆速度与能量协同优化方法、介质、设备。

技术介绍

[0002]目前，结合速度规划的能量管理技术不断发展，尝试通过优化混动车辆运行速度曲线以提高车辆能源利用率，即面向混动车辆的生态驾驶技术，这可以显着降低车辆的能耗。现阶段，相关技术通常采用分层优化的方法，通常将控制器分层分为两层：1)车辆层(也称为外层)，目标车辆根据特定的驾驶环境自主规划车辆速度；2)动力总成层(内层)，基于规划的速度曲线实现各动力模块间的最优能量分配。分层优化虽然可以降低控制过程中的计算成本，但是优化过程中没有很好地处理车速与扭矩分配之间的耦合关系，无法实现速度规划和扭矩分配的协同优化。而美国能源部相关研究表明：如果可以同时优化车辆级和动力系统级控制，则可以预期更多的燃料节省。因此如何实现速度规划与能量管理的协同是亟需考虑的一大难点。
[0003]当前关于如何实现速度规划和能源管理的协同优化以进一步促进混动车辆节能的研究仍较少，且研究对象主要集中于民用轮式车辆方面，面向履带车辆的协同优化问题亟待解决。基于阿克曼转向的民用轮式车辆转向过程通常视为无能量损耗，因此现有方案通常将速度和能量协同优化问题解耦为纵向速度规划与转向跟踪控制两个问题，从而简化问题难度实现有效应用。然而，与基于阿克曼转向的民用轮式车辆不同，履带车辆采用速差转向，转向功率消耗在整体能量消耗中难以忽略，因此在协同优化过程中除了考虑车辆的纵向特性，还需要协调考虑车辆的横向动力学特性，这些都对现有技术提出了更高的挑战。
[0004]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术方案主要集中于民用轮式车辆，通常将速度与能量的协同优化问题简单解耦为纵向速度规划和转向跟踪两个维度实现，无法适用于采用速差转向的履带车辆。而现有面向履带车辆的跟踪技术中通常未考虑轨迹跟踪时的能量优化问题，导致车辆在路径跟随过程中产生不必要的能量损耗，无法实现履带车辆速度与能量的协同优化严重影响车辆的燃油经济性，在跟踪时不考虑能耗，导致的结果就是车辆的不必要的能量损耗大，燃油经济性差，从而导致资源浪费。。
[0005]解决以上问题及缺陷的难度为：需综合考虑履带车辆动力学与传动系统能量流动特性，涉及参数多且各参数耦合性强，所构建优化问题自由度多，求解难度较大。
[0006]解决以上问题及缺陷的意义为：使得混合动力履带车辆在保证一定精度的路径跟随前提下，能够充分考虑跟踪时的能量损耗，达到高精度跟踪与高节能跟踪的权衡最优。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种混合动力履带车辆速度与能量协同优化方法。
[0008]本专利技术是这样实现的，一种混合动力履带车辆速度与能量协同优化方法，所述混
合动力履带车辆速度与能量协同优化方法，包括：
[0009]步骤一，设计一种坐标变换方法将原有既定轨迹的GPS坐标转换为车辆局部坐标系坐标，以方便之后的算法应用；将GPS采集的数据转化为便于算法应用的数据。
[0010]步骤二，构建混动履带车辆速度与能量协同优化模型；构建高精度的包含混动履带车辆动力学及能量流动特性的模型，为后续控制算法的设计提供被控对象。
[0011]步骤三，利用强化学习方法，充分考虑跟踪误差与能耗，以减少车辆对路径跟随过程中可能出现的滑转、侧移、过度转向等行为，实现混动履带车辆路径跟随过程中速度与能量的协同优化。解决混动履带车辆路径跟随过程中速度与能量的协同优化问题。
[0012]进一步，所述步骤一中，将原有既定轨迹的GPS坐标转换为车辆局部坐标系坐标，具体过程为：
[0013]GPS经纬度—二维平面坐标系—车辆局部坐标系的坐标变换，首先对路径的GPS坐标通过高斯
‑
克吕格投影法进行转化，将路径的GPS经纬度坐标信息进行处理，得到对应的二维平面坐标信息，完成GPS经纬度向二维平面坐标系的坐标变换。
[0014]进一步，所述GPS经纬度—二维平面坐标系—车辆局部坐标系的坐标变换，具体为：
[0015]设XOY为二维平面坐标系，X
*
O
*
Y
*
为局部坐标系，为局部坐标系原点在二维平面坐标系下的坐标；A点在二维平面坐标系下的坐标为(x
A
,y
A
),转化到局部坐标系后坐标为(x
A*
,y
A*
)；局部坐标系相对二维平面坐标系的旋转角度为φ，以逆时针方向旋转为正，则A的平面坐标转换可表示如下：
[0016][0017]在路径跟踪问题中，局部坐标系的原点固定于无人履带车形心，且车头方向为局部坐标系X
*
轴正向，则公式(1)中和表征车辆在全局价值系中实际位置与目标位置的误差，(x
′
,y
′
)即为车辆局部坐标系下的误差，将二维平面坐标系下的误差转换到车辆局部坐标系下，方便对车辆进行踪迹跟踪控制。
[0018]进一步，所述步骤二中，构建混动履带车辆速度与能量协同优化模型，包括：车辆运动学建模、动力学建模以及能量管理模型。
[0019]进一步，所述车辆运动学建模具体为：
[0020]履带车辆的运动动力学建模相对复杂，纵向动力学中阻力包括滚动阻力F
g
、上坡阻力F
p
和空气阻力F
w
，三者可以分别计算得到并计算总阻力F
r
，如下：
[0021][0022]式中，θ'为坡度，C
d
为空气阻力系数，A为迎风面积；
[0023]履带车辆的动力学建模考虑了履带滑转滑移的影响，首先基于整车动力学方程分
别在直驶方向和旋转方向基于式建立数学模型；由于计算履带接地面的细节，会使模型的计算量急剧上升，因此将整个接触面的滑转滑移效果集中到两个履带的中心；
[0024]直线行驶方向：
[0025][0026]式中，m和I
z
分别表示履带车的整备质量和航向转动惯量，v和分别表示履带车形心位置的速度和加速度；为地面附着系数，F
N
为地面给履带车辆的支持力，此处等于车重；F
t
为地面所能提供的最大附着力，当F
drive
≤F
t
时车辆不发生滑转；F1和F2分别表示两侧驱动电机提供的轮边驱动力，T1和T2分别表示两侧电机的输出转矩、i0表示轮边传动比、r是驱动轮半径，η
T
是电机轴到履带的效率，即为车辆行驶时的纵向需求功率；
[0027]旋转方向：
[0028][0029]其中，f1和f2则分别表示左、右侧履带的滚动阻力，f表示两侧履带的滚阻系数；B表示两侧履带中心距，M
veh
为履带车转向阻力矩，g为重力加速度，L为履带接地长度，为车本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混合动力履带车辆速度与能量协同优化方法，其特征在于，所述混合动力履带车辆速度与能量协同优化方法包括：步骤一，采用坐标变换方法将原有既定轨迹的GPS坐标转换为车辆局部坐标系坐标；步骤二，构建混动履带车辆速度与能量协同优化模型；步骤三，利用强化学习方法，实现混动履带车辆路径跟随过程中速度与能量的协同优化。2.如权利要求1所述的混合动力履带车辆速度与能量协同优化方法，其特征在于，所述步骤一中，将原有既定轨迹的GPS坐标转换为车辆局部坐标系坐标的具体过程为：GPS经纬度—二维平面坐标系—车辆局部坐标系的坐标变换，对路径的GPS坐标通过高斯
‑
克吕格投影法进行转化，将路径的GPS经纬度坐标信息进行处理，得到对应的二维平面坐标信息，完成GPS经纬度向二维平面坐标系的坐标变换。3.如权利要求2所述的混合动力履带车辆速度与能量协同优化方法，其特征在于，所述GPS经纬度—二维平面坐标系—车辆局部坐标系的坐标变换，具体为：XOY为二维平面坐标系，X
*
O
*
Y
*
为局部坐标系，为局部坐标系原点在二维平面坐标系下的坐标；A点在二维平面坐标系下的坐标为(x
A
,y
A
),转化到局部坐标系后坐标为(x
A*
,y
A*
)；局部坐标系相对二维平面坐标系的旋转角度为φ，以逆时针方向旋转为正，则A的平面坐标转换表示如下：在路径跟踪问题中，局部坐标系的原点固定于无人履带车形心，且车头方向为局部坐标系X
*
轴正向，则和表征车辆在全局价值系中实际位置与目标位置的误差，(x
′
,y
′
)为车辆局部坐标系下的误差。4.如权利要求1所述的混合动力履带车辆速度与能量协同优化方法，其特征在于，所述步骤二中，构建混动履带车辆速度与能量协同优化模型，包括：车辆运动学建模、动力学建模以及能量管理模型。5.如权利要求4所述的混合动力履带车辆速度与能量协同优化方法，其特征在于，所述车辆运动学建模具体为：履带车辆的运动动力学建模相对复杂，纵向动力学中阻力包括滚动阻力F
g
、上坡阻力F
p
和空气阻力F
w
，分别计算得到并计算总阻力F
r
，如下：式中，θ'为坡度，C
d
为空气阻力系数，A为迎风面积；直线行驶方向：
式中，m和I
z
分别表示履带车的整备质量和航向转动惯量，v和v.分别表示履带车形心位置的速度和加速度；为地面附着系数，F
N
为地面给履带车辆的支持力，此处等于车重；F
t
为地面所能提供的最大附着力，当F
drive
≤F
t
时车辆不发生滑转；F1和F2分别表示两侧驱动电机提供的轮边驱动力，T1和T2分别表示两侧电机的输出转矩、i0表示轮边传动比、r是驱动轮半径，η
T
是电机轴到履带的效率，为车辆行驶时的纵向需求功率；旋转方向：其中，f1和f2则分别表示左、右侧履带的滚动阻力，f表示两侧履带的滚阻系数；B表示两侧履带中心距，M
veh
为履带车转向阻力矩，g为重力加速度，L为履带接地长度，为车辆转弯所需的转向功率；为转向阻力系数，用经验公式计算得到：式中，表示履带车最大转向阻力系数，R表示履带车转向半径，转向半径计算公式：式中，v
i
和v
o
分别代表转向时内外侧履带的速度；车辆运行的总需求功率P
dem
等于纵向行驶所需功率和转向所需功率之和，由两侧电机提供。6.如权利要求4所述的混合动力履带车辆速度与能量协同优化方法，其特征在于，所述履带车辆跟踪过程运动学建模：根据履带车的运动过程，其运动状态方程表示如下：式中，x，y，θ分别表示履带车形心在大地坐标系中的坐标及相对与大地坐标系的转角；
根据两侧履带速度得到车辆形心线速度和旋转角速度：初始时刻车辆位于全局坐标系原点，经过时间t后其位于全局坐标系(x,y)处，并用P(x,y,θ)表征；所需跟踪目标的位置在全局坐标系下表示为P
target
(x
target
,y
target
,θ
target
)，无人履带车路径跟踪误差表示为：...

【专利技术属性】
技术研发人员：项昌乐，郭凌雄，刘洋，刘辉，韩立金，徐丽丽，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：