一种面向履带车辆的越野循环工况协同设计方法

本发明属于履带车辆越野循环工况构建，具体涉及一种面向履带车辆的越野循环工况协同设计方法，适用于履带车辆整车仿真、动力系统匹配、制动能量回收潜力评估、热负荷评估、能耗/功率标定，也可作为试验台架工况、部件耐久工况和能量管理策略验证工况的设计输入。

背景技术：

1、循环工况是描述车辆速度、时间和道路载荷变化过程的基础输入。在普通道路车辆领域，循环工况通常重点关注速度-时间曲线的统计代表性；而对于履带车辆，特别是越野行驶场景，仅有速度统计特征是不够的。履带车辆整备质量大、滚动阻力高、坡度敏感性强，并且在越野道路中经常出现连续上坡、连续下坡、坡度交替、低速大负荷、短时制动和驱动制动频繁切换等状态。

2、因此，面向履带车辆的越野循环工况应当同时表达三类信息：一是速度统计结构，包括均速、高速占比、低速占比、加速度和减速度分布；二是道路载荷结构，包括正坡、负坡、非零坡度比例以及坡度变化连续性；三是工况在车辆上的可执行性，包括功率、转矩、加速度和加加速度边界。现有短行程法或聚类法通常偏重速度统计特征，难以完整表达上述三类信息。现有技术主要通过实测数据聚类、短行程组合、部件工况派生或分布检验生成循环工况，能够改善普通道路工况的统计代表性，但尚未系统解决越野履带车辆的连续纵坡表达、坡度-速度联动、制动特征保留及多约束闭环修正问题。

3、现有技术主要存在以下四方面不足：

4、（1）现有基于短行程或微行程的工况构建方案通常将工况总时长作为主导硬约束，容易为满足总时长要求而反复引入低速、怠速、停车或长制动片段，使合成工况出现低速堆积、有效运行不足、平均速度偏低等问题。

5、（2）现有方法多以速度-时间特征为核心，对坡度处理通常采用离散标签或片段附加量等方式，既难以形成覆盖全程的连续纵坡序列，也未充分考虑上坡降速、下坡加速及其与功率需求之间的联动。

6、（3）现有方案对制动、整车减速度或负加速度的关注不足，常将制动片段视作普通减速段或低速段处理，难以形成适合驱动制动一体化匹配、制动能量回收评估和能量管理策略验证的工况输入。

7、（4）片段拼接和后处理阶段往往只保证速度连续，缺少对加速度、加加速度、功率和制动结构的联合校核；采用全局缩放或全局重积分时，还容易造成车速曲线失真，并与车辆实际运行规律不符。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种面向履带车辆的越野循环工况协同设计方法，该方法不以总时长作为主导硬约束，同时控制平均车速、速度分布、正坡/负坡/非零坡比例、制动特征以及功率、加速度和加加速度边界，并使车速变化、道路纵坡及二者之间的关系符合车辆实际运行规律，将制动或负加速度特征贯穿片段选择、特征评价和候选优选，可为驱动制动一体化匹配、制动能量回收分析和能量管理策略验证提供统一工况输入。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

3、本发明提供了一种面向履带车辆的越野循环工况协同设计方法，该设计方法包括以下步骤：

4、步骤一，输入典型工况片段库、坡度片段库、连续制动片段库、履带车辆参数及约束条件；典型工况片段库包括减速制动片段、停车或制动至零速片段、匀速片段以及加速片段；坡度片段库包括带坡度片段；连续制动片段库包括连续制动片段；

5、步骤二，对输入片段进行基于加速度边界的校正，并提取速度、坡度、功率及减速特征；

6、步骤三，根据已选片段组合与目标速度结构、坡度结构及减速结构之间的偏差进行片段选取；

7、步骤四，对相邻片段进行加加速度受限的速度过渡和坡度连续连接；

8、步骤五，构建连续纵坡序列，并根据道路坡度对基准车速进行有界联合修正；

9、步骤六，对车速进行加速度、加加速度及驱动功率约束下的局部修正，并在满足恢复条件的区段进行平均车速恢复；

10、步骤七，工况校核、评分与优选。

11、更进一步地，步骤一具体包括：

12、典型工况片段的原始数据包括时间和车速；坡度片段包括时间、车速和坡度百分比；连续制动片段包括时间、各时刻车速、制动起止时刻、制动起始速度、终止速度及减速度信息；各类片段按照统一采样步长进行重采样和字段标准化；对于原始数据中不含坡度信息的典型工况片段，不因坡度数据缺失而将其坡度直接设为零，而是由坡度片段库提供相应的坡度参考信息；经标准化后形成供后续特征提取和片段选取使用的时间、车速、坡度参考信息、片段类型、首末速度、片段时长及数据来源；

13、对任一原始片段，其基础数据表示为：

14、(1)

15、上式中，为第个片段中第个采样点的时间，单位为s；为对应车速，单位为km/h；为第个标准化片段中第个采样点对应的坡度参考值；对于包含坡度记录的片段，采用其原始坡度数据；对于原始数据中不含坡度信息的典型工况片段，其坡度参考信息由坡度片段库提供；仅对于能够确定为平路的片段，；

16、对所有片段，统一按步长

dt重采样后，得到标准化片段序列；

17、对任一时刻

t，车辆纵向合外力由滚动阻力、空气阻力、坡道阻力和惯性阻力组成：

18、(2)

19、(3)

20、(4)

21、(5)

22、(6)

23、上式中，

m为整车质量，单位为kg；为重力加速度，单位为；为滚动阻力系数；为空气密度，单位为；为空气阻力系数；为迎风面积，单位为；为以计的车速；为加速度，单位为；为质量增加系数；由坡度百分比换算得到的坡度倾角；为坡度百分比；

24、车辆总驱动/制动功率、驱动轮侧转矩和电机侧转矩分别表示为：

25、(7)

26、(8)

27、(9)

28、上式中，为主动轮半径，单位为m；为侧传动比；为电机减速排传动比；为机电复合传动装置效率；为机电传动装置效率；为行动系统效率；

29、当时，车辆处于驱动状态；当时，表明轮端存在负功率需求，此时车辆具有制动或能量回收需求；当且车速不为0时，表明车辆处于减速状态，用于识别减速事件；

30、通过减速事件、有效减速时间占比和制动能量代理量为驱动制动一体化匹配和能量管理验证提供工况基础，制动能量代理量定义为：

31、(10)

32、(11)

33、其中，为轮端驱动/制动功率，驱动时为正，制动时为负；为负功率需求的绝对值；为制动能量代理量，用于表征循环工况中负功率需求的持续时间和能量规模，不直接等同于实际可回收电能；

34、约束条件包括加速度、加加速度、驱动功率、制动功率及有效减速比例；工况生成阶段需满足约束条件的约束：

35、(12)

36、(13)

37、车辆最大允许驱动功率为；最大允许制动功率为；为驱动功率安全裕度系数，对应安全驱动功率上限；为制动功率安全裕度系数，对应安全制动功率上限：

38、(14)

39、(15)

40、上式中，加速度边界分别用于片段修复和最终工况校核；加加速度上限用于限制拼接尖峰；有效制动时间占比用于统计明显减速事件，为参与统计的总采样点数；为示性函数，当采样点满足时取1，否则取0；为有效减速判定阈值；为有效减速采样点占比，表示满足有效减速判定条件的采样点数与总采样点数之比；为有效减速采样点占比的允许下限，为有效减速采样点占比的允许上限。

41、更进一步地，步骤二具体包括：

42、读取片段后，首先检查加速度是否超出设定范围；对于超限点，先对加速度进行限幅，加速度裁剪公式为：

43、(16)

44、其中，表示对变量进行上下限裁剪；为原片段加速度；为裁剪后的加速度；为片段修复阶段所采用的物理下限；为片段修复阶段所采用的物理上限；

45、对裁剪后的加速度进行梯形积分，得到积分速度序列：

46、(17)

47、为避免重新积分后车速曲线整体上移或下移，以原始片段速度作为参考基线，在有效行驶区间内对积分速度进行均值回正：

48、(18)

49、其中，有效行驶区间为满足预设车速阈值的采样点集合；表示原始参考速度在有效行驶区间上的均值；表示积分速度在有效行驶区间上的均值；为进一步保持起止边界，只在起点后的预设时间窗口/前个采样点以及终点前的预设时间窗口/后个采样点对起止段进行局部校正；

50、完成片段修复后，对每个修复后的片段构建特征向量，定义第个片段的完整特征向量为：

51、(19)

52、其中，为片段时长；为平均速度；为平均加速度；为正加速度均值；为负加速度均值；为平均坡度；为平均绝对坡度；为平均功率；为最大功率；和分别为首速度与末速度，为片段内有效减速比例。

53、更进一步地，步骤三具体包括：

54、根据已选片段与目标工况之间的偏差逐步选片；每次选片段时，同时检查当前片段组合的平均车速、正坡比例、负坡比例、非零坡比例、高速占比、有效减速比例、功率需求和片段重复情况，使目标偏差函数随片段选择过程减小，或者使所述片段组合向目标结构范围收敛；

55、设已选片段集合为s，其当前状态由上述指标共同表示；

56、为量化当前片段组合与目标工况之间的差异，定义目标偏差函数为：

57、(20)

58、其中，为已选片段集合；为集合平均速度；为目标平均速度；为正坡比例；为负坡比例；为非零坡度比例；为高速占比；为有效减速比例；为目标正坡比例；为目标负坡比例；为目标非零坡比例；为目标高速占比；为目标有效减速比例；为平均车速的允许偏差尺度；为坡度结构的允许偏差尺度；为高速占比的允许偏差尺度；为有效减速比例的允许偏差尺度；、、、、、和分别为各项权重；为功率可行性惩罚项；为片段多样性惩罚项；

59、目标偏差函数用于评价当前已选片段集合与目标工况之间的整体偏差；综合选片权重用于根据当前目标结构缺口确定下一候选片段的选择概率；

60、对任一候选片段，定义其综合选片权重为：

61、(21)

62、其中，为基础权重；为坡度反馈权重；为动力学可行性权重；为制动结构权重；

63、基础权重用于使候选片段的平均速度靠近目标均速，表示为：

64、(22)

65、其中，为速度选择尺度，为低速片段惩罚系数；为片段类型修正系数；对于停车、怠速或连续制动片段，与设置为低于普通运行片段对应系数的值，能够从源头抑制低速片段堆积；

66、定义当前目标结构缺口为：

67、(23)

68、(24)

69、(25)

70、则坡度反馈权重为：

71、(26)

72、其中，为正坡度反馈增益；为负坡度反馈增益；为非零坡度反馈增益；当正坡比例不足时，正坡片段权重提高；当负坡比例不足时，负坡片段权重提高；当非零坡度比例不足时，非零坡度片段整体权重提高；当非零坡比例已经达到目标比例时，提高平路状态或绝对坡度不超过预设阈值的片段权重，以抑制非零坡比例继续增加；

73、动力学可行性权重为：

74、(27)

75、其中，为车辆最大允许驱动功率，对应当前片段内车辆最大功率，为功率安全裕度系数，为功率惩罚增益；

76、候选片段的选择概率为：

77、(28)

78、制动结构权重为：

79、(29)

80、上式中，为制动结构反馈增益，为候选片段的有效减速比例，为判定片段是否具有明显减速特征的比例阈值。

81、更进一步地，步骤四具体包括：

82、设前一片段末速度为，后一片段首速度为，速度差和方向定义为：

83、(30)

84、速度变化方向定义为：

85、(31)

86、其中，为符号函数；当时，，表示加速过渡；当时，，表示减速过渡；

87、设过渡段允许加加速度上限为，允许峰值加速度为；当加速过渡时，受加速度上限约束；当减速过渡时，受减速度下限绝对值约束；

88、过渡峰值加速度为：

89、(32)

90、其中：

91、(33)

92、在加加速度限值作用下的加速度线性上升或下降阶段持续时间为：

93、(34)

94、当根据公式(35)计算得到的恒加速度段持续时间时，则设置中间恒加速度段，恒加速度段持续时间为：

95、(35)

96、过渡总时长为：

97、(36)

98、其中，为在加加速度限值作用下的加速度线性上升或下降阶段持续时间；

99、在过渡区间内，加速度曲线定义为：

100、(37)

101、对应加加速度为：

102、(38)

103、对应速度为：

104、(39)

105、过渡完成后，对过渡段终点速度进行边界校正，使其满足：

106、(40)

107、对于坡度变量，设前一片段末坡度为，后一片段首坡度为，则过渡段坡度采用连续插值：

108、(41)

109、对坡度采用连续插值，避免坡度在片段连接处发生跳变。

110、更进一步地，步骤五具体包括：

111、设片段拼接后的初始坡度序列为，其来源于片段库中的坡度记录及片段间坡度过渡结果；

112、首先，采用滑动平均对该坡度序列进行平滑处理，得到平滑后的道路坡度参考序列：

113、(42)

114、其中，表示时间窗口长度为的滑动平均算子；为坡度参考平滑时间尺度；为片段拼接后的初始坡度；为平滑后的参考坡度；

115、沿时间轴构造道路控制点序列：

116、(43)

117、对每个控制点定义道路坡度状态：

118、(44)

119、其中，表示正坡状态；表示负坡状态；表示平路或近似平路状态；根据目标正坡比例、目标负坡比例和目标非零坡比例设置正坡、负坡以及平路或近零坡状态的生成概率，生成概率满足：：

120、(45)

121、其中，为负坡的生成概率；为正坡的生成概率；为平路或近零坡状态的生成概率；

122、若正坡和负坡统计阈值与非零坡阈值相同，则还应满足：

123、(46)

124、为保证道路状态具有连续性，不使坡度符号频繁跳变，引入坡度状态延续性，使当前控制点坡度状态以道路状态保持概率继承前一控制点状态：

125、(47)

126、其中，为道路状态保持概率；若不继承前一道路状态，根据、和随机确定当前道路状态；控制点的状态坡度幅值根据道路坡度状态确定；当时，在预设正坡幅值范围内取值；当时，在预设负坡幅值范围内取值；当时，在平路或近零坡幅值范围内取值；pr()表示概率算子；表示第个道路控制点的坡度状态；表示第个道路控制点的坡度状态；表示当前控制点坡度状态与前一控制点坡度状态相同的概率；若当前控制点的坡度状态未按所述道路状态保持概率继承前一控制点状态，则根据、和对应的状态生成概率随机确定当前道路坡度状态。

127、结合片段坡度参考和随机生成的坡度状态，得到控制点坡度值：

128、(48)

129、上式中，控制点坡度由原始片段参考、道路状态幅值和坡度偏置量共同确定，融合系数用于调节实测片段信息与随机道路结构之间的占比；其中，为第个道路控制点的坡度值；为控制点时刻对应的坡度参考值；为由道路坡度状态确定的状态坡度幅值；为随控制点序列缓慢变化的坡度偏置量；为坡度融合系数，用于调节坡度参考信息和道路状态坡度幅值对控制点坡度值的影响；

130、获得所有控制点坡度值后，采用保形插值生成连续坡度曲线：

131、(49)

132、其中，表示分段三次hermite保形插值；在连续插值得到的坡度曲线上叠加经低通平滑和幅值限制的随机道路扰动，以形成局部坡度起伏，叠加经平滑处理的小幅随机扰动：

133、(50)

134、其中，为经过低通平滑的小尺度道路扰动；

135、对坡度幅值进行约束：

136、(51)

137、设基准速度为，其来源于片段选择、s型过渡拼接和考虑连续纵坡影响后的初始车速曲线；采用下式计算坡度与车速联动修正量：

138、(52)

139、坡度与车速联合后的速度为：

140、(53)

141、上式中，正坡项用于在坡度超过正坡触发阈值时降低基准车速；负坡项用于在坡度低于负坡触发阈值且功率和制动条件允许时，使基准车速向设定的下坡参考车速调整。

142、更进一步地，步骤六具体包括：

143、步骤6.1，在保留原车速趋势下重新计算车速：

144、首先，对经过加速度和加加速度限制后的加速度序列进行积分，得到初步车速；随后计算参考车速与初步车速之间的速度误差，并对该速度误差进行滑动平均，以提取其变化较缓的部分；利用该部分速度误差对初步车速进行校正，使重新计算后的车速保留原车速曲线的主要变化趋势；

145、(54)

146、其中，为工况起始时刻；，代表以m/s表示的参考车速；为经加速度限幅和加加速度限制后、用于车速积分计算的加速度序列；为由积分得到的初步车速；

147、为了避免积分误差导致重新计算后的车速整体偏离原车速曲线，定义速度误差为：

148、(55)

149、按原车速趋势进行平滑校正后的速度为：

150、(56)

151、其中，表示以为窗口长度的滑动平均；表示经滑动平均处理后的速度误差；为原车速趋势保留系数；

152、重构速度为：

153、(57)

154、其中，为重构后的速度；

155、对重构后的速度进行限幅：

156、(58)

157、其中，为允许最大车速；表示限幅函数，当速度低于0时取0，当速度高于时取，在上下限之间保持原值；

158、步骤6.2，功率超限点的局部降速与均速恢复：

159、设车辆最大允许驱动功率为，功率安全裕度系数为，则功率安全上限为：

160、(59)

161、设为局部降速后的车速；为局部速度削减量；

162、同时，局部降速量应满足：

163、(60)

164、(61)

165、局部降速后的车速为：

166、(62)

167、设目标平均速度为，当前平均速度为，则平均速度误差为：

168、(63)

169、当时，表示当前工况平均速度偏低，需要恢复速度；当当前平均车速低于目标平均车速时，仅在均速恢复控制系数的采样点提高车速；均速恢复控制系数由功率余量限制系数、坡度限制系数、起止段限制系数和制动段保护系数共同确定；

170、定义功率裕度：

171、(64)

172、其中，越大，表示该时刻可用于速度恢复功率余量越充足；

173、定义均速恢复控制系数：

174、(65)

175、其中，为均速恢复控制系数；为功率余量限制系数；为坡度限制系数，正坡越大恢复越受抑制；为起止段限制系数；为制动段保护系数，用于防止有效制动段被均速恢复抹平；为单次均速恢复幅值；

176、其中，坡度限制系数为：

177、(66)

178、制动段保护系数为：

179、(67)

180、在启用制动段保护的情况下：当时，制动段保护系数，该采样点不实施均速恢复；其他情况下；

181、得到恢复后的车速为：

182、(68)

183、步骤6.3，修正结束条件：

184、当满足以下条件时，闭环修正结束：

185、(69)

186、其中，为加加速度上限；为加加速度容许裕度；为平均速度容许误差。

187、更进一步地，步骤七具体包括：

188、步骤7.1，候选工况综合评分：

189、外层搜索生成的多个候选工况采用加权评分进行排序，评分项由速度结构偏差、坡度结构偏差、驱动/制动功率、加速度及加加速度超限、制动结构偏差和片段多样性惩罚组成；其中，外层搜索是指重复执行片段选择、工况构造及约束修正以获得多个候选工况的过程；

190、定义综合评分为：

191、(70)

192、其中，为综合评分；为各指标权重；为各惩罚项；惩罚项分别对应速度结构偏差、坡度结构偏差、功率约束偏差、加速度/加加速度约束偏差、减速结构偏差和片段多样性偏差；

193、步骤7.2，候选工况判定与结果输出：

194、候选工况接受准则为：

195、(71)

196、(72)

197、上式中，为驱动功率超限采样点数；为制动功率超限采样点数；

198、候选工况应同时满足平均车速偏差、正坡/负坡/非零坡比例、低速占比、驱动与制动功率超限点数、最大加加速度、有效减速比例、加速度上下界；若多个候选工况均满足上述条件时，则选取根据公式（70）计算得到的综合评分最小的候选工况作为最终循环工况；最终输出

y为：

199、(73)

200、其中，为时间序列，为速度序列，为加速度序列，为加加速度序列，为坡度序列，为功率序列，为驱动轮端转矩，为电机侧转矩，为诊断指标集合。

201、更进一步地，在步骤五与步骤六之间还包括步骤八，车速局部波动构造，具体包括：

202、首先，定义车速扰动启用系数：

203、(74)

204、其中，为车速扰动启用系数；为低速抑制阈值；为车速调整尺度；

205、同时，定义坡度限制系数：

206、(75)

207、其中，为坡度限制系数；为坡度抑制系数；为坡度归一化尺度；

208、综合限制系数为：

209、(76)

210、为表示实际行驶中车速波动时强时弱的现象，将工况划分为若干时间段，并为每个时间段设置不同的扰动强度；在各时间段内生成幅值由加速度扰动强度和分时段波动强度限定的随机加速度扰动，经平滑和加加速度限制后积分为车速扰动；

211、设第个波动强度区间为，其持续时间满足：

212、(77)

213、该区间内波动强度系数为：

214、(78)

215、其中，为第个波动强度区间的持续时间；和为波动强度区间时间范围；为区间波动强度系数；为波动强度下限；为波动强度上限；为随机数；为波动强度分布参数；

216、随机加速度扰动定义为：

217、(79)

218、其中，为第个采样点处的随机加速度扰动；为加速度扰动强度；为分时段波动强度；为零均值随机变量；

219、为避免随机加速度引入高频抖动，对其进行低通平滑处理：

220、(80)

221、其中，为车速波动加速度的低通平滑时间尺度；

222、对加速度扰动施加加加速度约束：

223、(81)

224、其中，为车速波动构造阶段允许的加加速度上限；

225、对受限加速度扰动积分，得到由加速度扰动引起的速度扰动：

226、(82)

227、系数3.6用于将m/s转换为km/h；

228、通过短时车速扰动用于模拟真实驾驶中的用于形成局部有限持续时间车速波动的脉冲扰动；

229、第个短时车速扰动表示为：

230、(83)

231、其中，为脉冲幅值；为脉冲起始时刻；为脉冲持续时间；

232、所有脉冲叠加后得到：

233、(84)

234、速度扰动总量为：

235、(85)

236、为减小局部车速波动对工况总体平均车速的影响，对速度扰动进行整体均值校正：

237、(86)

238、定义允许施加车速扰动的采样点集合为：

239、(87)

240、其采样点数量为：

241、(88)

242、为进行局部扰动均值校正所需的最小有效采样点数量；

243、当时，根据允许施加车速扰动的采样点进行均值校正；当时，基于全部采样点进行均值校正：

244、(89)

245、之后，对速度扰动进行限幅：

246、(90)

247、其中，为车速扰动允许最大幅值；

248、为避免起止段扰动破坏零速过渡，设置起止段平滑系数：

249、(91)

250、其中，为起止段逐渐减弱时间；

251、最终速度曲线为：

252、(92)

253、其中，为加入局部车速波动后的车速；为允许最大车速。

254、与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

255、相对于以总时长为中心的短行程组合方案，本发明从结构层面抑制低速堆积，并将制动/负加速度纳入工况构建目标，因此输出工况更适合用于驱动、制动和能量管理联合验证。

256、相对于仅围绕速度统计量构建候选工况的方案，本发明单独构建连续纵坡序列，并进一步建立坡度与车速联动约束，使上坡、下坡和速度变化之间的关系更符合越野行驶实际。

257、相对于采用全局缩放或全局积分消除超限的方法，本发明只在功率超限位置附近降低车速，并依据原车速曲线的整体趋势进行平滑校正；局部降速导致平均车速下降时，再在功率余量充足且坡度、制动状态允许的区段适当恢复车速。由此可以在满足功率、加速度和加加速度要求的同时，避免整条车速曲线整体偏低或过于平直。