纯电动城市客车弓充自动入位决策系统设计

费栋梁

(上海汽车集团 商用车技术中心， 上海 200438)

由于城市客车的路况和时间比较固定，所以很多纯电动城市客车在运营过程中利用停车进站，上、下乘客的时间间隙进行快速充电补充电能[1-2]。常规采用顶部集电弓快充和双充电桩充电快充的方式补充电能。集电弓快充的方式具有不占用道路资源，操作方便，充电电流大，支持高压充电等优势。

但是弓式快充也存在缺点，对驾驶员停车纵向和横向定位要求都比较高，一般要采用物理限位或者定位标示线。容易引起驾驶员操作疲劳，如果停车位置不准确，会影响充电效果，甚至造成电弧拉电而伤人伤车。

因此，本文针对入位难点，在对整车系统改动很小的情况下，增加惯导定位系统，开发出顶部弓充自动入位系统[3]。

1 顶部弓充自动入位系统介绍

顶部弓充自动入位系统分为几个部分：感知模块-惯导系统RTK、决策模块-上位机CAN-WIFI控制系统、整车控制模块VCU、执行模块、动力模块PT和底盘电子制动模块EBS[4]，构成简图如图1所示。

图1 自动入位控制系统简图

这些模块组成整车网络拓扑结构，并将CAN总线工具(如维克多公司的CAN工具1630)作为模拟网关，组成整个自动入位系统，其中模拟网关是进行不同CAN网段之间报文路由和交互作用。

各个模块在纯电动城市客车快充自动入位中的作用是：惯导定位系统RTK作为感知模块，用于整车入位；CAN-WIFI模块通过上位机软件发送入位停车的命令和定位目标；整车控制模块VCU通过CAN-WIFI模块的上位机软件发送整车控制的命令进行起步、加速、匀速、制动和停车等；EBS模块和动力模块PT执行VCU发送的命令来实现纯电动城市客车的快充停车入位。其网络拓扑架构见图2。

图2 整车系统网络拓扑架构图

图2中，感知模块RTK在单独的智能网联CAN通道，通过网关Gateway发送信息给决策系统，上位机CAN-WIFI和整车控制模块VCU在车身CAN通道，同时整车控制系统VCU也在动力CAN通道。通过决策后,发送报文信息给动力CAN通道上的PT执行系统。底盘控制模块EBS在单独的底盘CAN通道上，VCU也需要通过网关Gateway发送决策报文给EBS系统进行执行。

2 自动入位系统控制策略开发

本文重点论述顶部弓充自动入位系统的控制策略，分为3个步骤：自动入位行为执行判断、自动入位行为过程决策和自动入位行为失败决策。整个系统的控制模型就是按照这个框架搭建。

2.1 自动入位行为执行判断

入位停车控制要标定好目标位置的经纬度，然后将其输入到CAN-WIFI上位机内存中进行目标定位[5-6]。此时由VCU收到目标定位经纬度后，计算识别入位停车的距离及方向，同时VCU通过CAN总线把系统状态发送给CAN-WIFI上位机用作判断。

系统状态包括：处于入位停车距离范围内(目前距离目标10～100 m都可以满足要求)；CAN-WIFI正常连接；车辆挡位在D挡；车辆手刹处于工作状态；车辆存在大于0的车速；车辆动力模块PT无严重故障；EBS模块无严重故障；RTK模块无识别故障；PT动力模块处于就绪状态。如果上述条件都满足，CAN-WIFI就发送允许入位停车的命令给VCU，系统处于入位停车就绪状态。

当驾驶员启动自动入位停车的命令后，上位机界面会显示已经进入自动入位停车工作模式。如果拒绝执行该命令不进入，则会显示由于何种原因不满足自动入位停车的要求。

CAN-WIFI上位机界面如图3所示。

图3 CAN-WIFI上位机界面

2.2 自动入位行为过程决策

驾驶员通过CAN-WIFI上位机操作发送入位停车的指令，如果此时处于入位停车就绪状态，CAN-WIFI就发送入位停车命令给VCU执行。同时感知模块RTK实时识别车辆经纬度并发送给VCU以计算实时到目标位置的距离。VCU接收到入位停车命令后，开始自动控制整个车辆进行入位停车工作模式。

首先VCU输出目标扭矩给动力模块PT控制车辆起步，起步扭矩可以根据车重状态动态调节。起步后进入加速阶段，目标车速不超过5 km/h，这是安全入位停车的车速要求。当满足车速要求后进入匀速阶段，通过PID调节输出扭矩，满足车速稳定状态。

当车辆进入一级减速区域时(该区域的阈值也是根据应用调节，一般在1～3 m距离以内)，VCU输出一个较小的减速度，请求给制动模块EBS，EBS执行该减速度自动减速。当车辆进入二级减速区域(该区域的阈值也是可调节，一般在0.3～1 m以内)，VCU输出一个较大的减速度，请求给制动模块EBS，进行二级减速制动到停止在目标停车位置。在二级减速区域，由于目标距离很近，较大的减速度有利于消除入位目标距离上的静态误差。

在入位停车过程中，驾驶员发现任何安全风险时，可以通过CAN-WIFI上位机发送停止命令给VCU，VCU就会发送紧急制动命令给EBS用于车辆停止；或者可以通过踩制动踏板来终止入位停车的工作模式，进入正常驾驶模式。

2.3 自动入位行为失败决策

自动入位控制行为会存在以下失败情况：停车入位不到位置；停车入位超过位置；停车入位过程中发生严重动力系统故障；停车入位过程中遇到移动物体紧急停车等。

无论是通过哪种情况失败而退出了自动入位停车充电功能，如果要再次进入，需要驾驶员通过CAN-WIFI上位机发送入位停车的指令，才能再次进入自动入位停车的工作模式。需要注意的是，本文设定开始自动入位停车的最小距离为10 m。如果中间停止自动入位停车时目标距离小于这个范围，则无法再次启动自动入位停车充电的功能。

当最后入位停车在某个位置时，上位机软件可以通过VCU计算上传的距离来判断入位停车是否成功，并且把最后自动入位停车是否成功通过上位机界面显示，来帮助驾驶员判断是否可以进行下一步的充电操作。

如果CAN-WIFI上位机界面自动入位停车失败，必须挂倒车挡位退到合理的停车距离外，才可以再次操作进入自动入位停车。

3 测试结果

根据顶部弓充城市客车的充电入位场景设计相关测试用例，测试场景包括封闭的试验场地、改制后的自动入位纯电动城市客车、顶部弓充系统、假人模拟闯入系统以及交通地面标识系统等[7]。最大程度模拟停车入位充电实际工况仿真。测试结果见表1。

表1 自动入位场景测试结果

4 结束语

本文设计的顶部弓充自动入位系统实现了纵向入位判断、决策、执行以及入位失败管理等，可以基本满足纵向停车入位的功能和安全要求，有效地解决了入位充电停车要求高的难题，且不影响其他功能正常使用。但目前仅能实现纵向控制入位，横向控制还需要驾驶员操作调整，后续需要对横向控制入位进行开发设计。