用于汽車駕駛機(jī)器人的車輛性能自學(xué)習(xí)方法

陳 剛 張為公 龔宗洋 孫 偉

東南大學(xué),南京,210096

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,人類對(duì)汽車的性能要求越來(lái)越高,需要借助于大量的試驗(yàn)來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)。由于汽車試驗(yàn)重復(fù)性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、工作環(huán)境惡劣,因此更適合由機(jī)器人來(lái)操作[1-2]。國(guó)外駕駛機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)還處在保密階段,目前擁有該項(xiàng)技術(shù)的主要有德國(guó) SCHENCK、ST ?HLE,美國(guó)的 LBECO,英國(guó)的MIRA 、Froude Consine,日本的 HORIBA 、Nissan Motor、AUTOMAX 等。國(guó)內(nèi)主要有東南大學(xué)與南京汽車研究所聯(lián)合研制成功的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DNC—1型、DNC—2型和DNC—3型駕駛機(jī)器人[3-4]。采用駕駛機(jī)器人進(jìn)行汽車試驗(yàn)不僅可以降低試驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用,提高試驗(yàn)效率,而且能消除人為因素的影響,保證汽車試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和有效性。

車輛性能自學(xué)習(xí)是汽車駕駛機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù),國(guó)內(nèi)鮮見(jiàn)報(bào)道。不同類型的車輛,甚至同型號(hào)的不同車輛或者同一車輛在不同的運(yùn)行時(shí)刻,其動(dòng)力學(xué)參數(shù)是不同的。為了縮短在不同車況下以及更換車型之后的控制參數(shù)調(diào)整時(shí)間,本文提出了一種用于駕駛機(jī)器人的車輛性能自學(xué)習(xí)方法,對(duì)影響駕駛機(jī)器人駕駛行為的車輛尺寸和汽車性能參數(shù)進(jìn)行自學(xué)習(xí)、自校正、自補(bǔ)償,提高了駕駛機(jī)器人駕駛的準(zhǔn)確性和精度,以及駕駛機(jī)器人的適應(yīng)速度和能力,從而提高了駕駛機(jī)器人對(duì)不同車型的自適應(yīng)性以及駕駛動(dòng)作的自學(xué)習(xí)能力。

1 汽車排放耐久性試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

汽車排放耐久性試驗(yàn)系統(tǒng)主要由底盤測(cè)功機(jī)和駕駛機(jī)器人組成,其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示[5-6]。底盤測(cè)功機(jī)配置功率吸收裝置和慣性飛輪,模擬汽車在平直道路上行駛過(guò)程中所受的各種阻力,以使汽車的試驗(yàn)環(huán)境與在道路上行駛盡可能保持一致。駕駛機(jī)器人在不改造被試車輛的基礎(chǔ)上代替試驗(yàn)人員駕駛汽車,完成汽車油門、制動(dòng)器、離合器及換擋機(jī)械手的協(xié)調(diào)配合操作,跟蹤預(yù)先設(shè)定的各種循環(huán)行駛工況曲線。駕駛機(jī)器人應(yīng)能無(wú)破損地快速安裝,應(yīng)能輕巧方便地安裝于駕駛室的有限空間內(nèi),并適應(yīng)于各種車型,安裝時(shí)不得損壞車內(nèi)設(shè)備。

2 駕駛機(jī)器人系統(tǒng)

2.1 駕駛機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

駕駛機(jī)器人主要由換擋機(jī)械手、油門機(jī)械腿、制動(dòng)器機(jī)械腿、離合器機(jī)械腿、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成。駕駛機(jī)器人采用純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方式,使機(jī)器人的操作能夠具有人類試驗(yàn)人員肌肉的快速性和柔順性,滿足了汽車駕駛動(dòng)作快速(如換擋、制動(dòng))、快慢結(jié)合(如離合器)、慢速(如油門)等運(yùn)動(dòng)要求。汽車駕駛機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示[3-4,7]。

2.2 駕駛機(jī)器人系統(tǒng)工作過(guò)程

駕駛機(jī)器人系統(tǒng)工作過(guò)程如圖3所示。工作中,系統(tǒng)不斷地讀取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速及循環(huán)行駛工況等數(shù)據(jù),并根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算出所需的車輛驅(qū)動(dòng)功率,然后與底盤測(cè)功機(jī)的吸收功率相比,以判斷是需要加速還是需要減速。若吸收功率小于所需的驅(qū)動(dòng)功率,就需要加速,然后查表獲得所需的油門踏板行程;若吸收功率大于所需的驅(qū)動(dòng)功率,就需要減速,通過(guò)查表獲得所需的制動(dòng)踏板行程。這里,車輛驅(qū)動(dòng)功率為

式中,P為所需的車輛驅(qū)動(dòng)功率;v為車速,km/h;k為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);m為汽車質(zhì)量,kg;ΔW為轉(zhuǎn)動(dòng)部分的微小慣性當(dāng)量;μr為滾動(dòng)阻力系數(shù);Cd為空氣阻力系數(shù);ρ為空氣密度,kg/m3;A為車輛迎風(fēng)面積;g為重力加速度,9.8m/s2;a為加速度,m/s2。

底盤測(cè)功機(jī)的吸收功率為

式中,Pα為底盤測(cè)功機(jī)的吸收功率,kW;W為轉(zhuǎn)動(dòng)部分慣性當(dāng)量;v1為初始車速;v2為跟隨速度變化的車速;t為速度變化所需要的時(shí)間。

功率測(cè)量由駕駛機(jī)器人自動(dòng)執(zhí)行。發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩為

式中,ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

T、ne與油門開(kāi)度α之間存在一非線性關(guān)系:T=f(ne,α),它由發(fā)動(dòng)機(jī)廠商提供,作為查詢表供控制程序調(diào)用。通過(guò)制動(dòng)器產(chǎn)生制動(dòng)力F,計(jì)算方法為

3 車輛尺寸和性能自學(xué)習(xí)方法

現(xiàn)代汽車是一個(gè)復(fù)雜的、具有強(qiáng)大非線性特性的系統(tǒng),故建立汽車控制數(shù)學(xué)模型的難度較大。利用自學(xué)習(xí)方法獲得描述汽車控制特性的近似模型,可以避開(kāi)復(fù)雜的汽車動(dòng)力學(xué)建模過(guò)程,縮短駕駛機(jī)器人控制參數(shù)對(duì)不同車型的適應(yīng)性調(diào)整時(shí)間。從駕駛機(jī)器人安裝到試驗(yàn)車輛上,再到能夠跟蹤車速循環(huán)進(jìn)行汽車速度的自動(dòng)駕駛,需經(jīng)過(guò)兩個(gè)方面的自學(xué)習(xí),即幾何尺寸的自學(xué)習(xí)和性能參數(shù)的自學(xué)習(xí)。

3.1 車輛幾何尺寸自學(xué)習(xí)

駕駛機(jī)器人安裝到試驗(yàn)車輛上后,示教控制程序按照試驗(yàn)人員的指令自動(dòng)控制油門、制動(dòng)器、離合器機(jī)械腿下踩、回收,利用安裝在各個(gè)機(jī)械腿上的傳感器獲得三條腿的起始位置、最終位置和行程。擋位位置的自學(xué)習(xí)由試驗(yàn)人員使用示教盒示教完成,程序獲得各個(gè)擋位對(duì)應(yīng)的位置,并在再現(xiàn)環(huán)節(jié)中自動(dòng)調(diào)整換擋機(jī)械手的位置定位控制參數(shù)。

由于離合器開(kāi)始接合時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)下降,因此,離合器接合區(qū)的位置自學(xué)習(xí)方法可以利用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)離合器機(jī)械腿的位置作為開(kāi)始接合的標(biāo)志。采用緩慢接合離合器的方式,在某個(gè)擋位下接合完成后,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne和車速v滿足:

式中,i0為主傳動(dòng)比;ig為變速器各個(gè)擋位下的速比;r為輪胎半徑。

因此,通過(guò)捕捉接合過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車速的對(duì)應(yīng)關(guān)系,便能夠得到接合區(qū)的結(jié)束點(diǎn)。

3.2 汽車性能參數(shù)自學(xué)習(xí)

3.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)性能自學(xué)習(xí)

發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出特性通過(guò)學(xué)習(xí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩來(lái)完成油門執(zhí)行器位移,此即控制參數(shù)的學(xué)習(xí)過(guò)程。學(xué)習(xí)過(guò)程包括了發(fā)動(dòng)機(jī)工作所采用的試驗(yàn)循環(huán)行駛工況的全部情況。學(xué)習(xí)過(guò)程如圖4所示。通過(guò)油門執(zhí)行器位移s1獲取車輛速度v1。把油門以階躍方式從s1釋放到s2,同時(shí)測(cè)量車輛速度變化量Δv和產(chǎn)生這種變化所需要的時(shí)間Δt。在測(cè)量 v、Δv、Δ t的過(guò)程中 ,通過(guò)平均車速計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)功率,然后,由功率和同一時(shí)刻的發(fā)動(dòng)機(jī)速度計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩。

3.2.2 制動(dòng)性能自學(xué)習(xí)

汽車制動(dòng)性能包括發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)性能和腳制動(dòng)性能。學(xué)習(xí)發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)性能是為了判斷車輛減速控制是由油門控制的結(jié)果,還是由制動(dòng)踏板控制的結(jié)果。學(xué)習(xí)過(guò)程采用梯度下降法。某時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)性能取決于該時(shí)刻車輛所需驅(qū)動(dòng)功率和底盤吸收功率的差異,將差異結(jié)果轉(zhuǎn)化成表格,以顯示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)性能之間的關(guān)系,并存入內(nèi)存中。腳制動(dòng)性能的學(xué)習(xí)過(guò)程與發(fā)動(dòng)機(jī)性能學(xué)習(xí)過(guò)程相似。制動(dòng)踏板開(kāi)度以階躍方式變化,同時(shí)測(cè)量車速變化,確定減速性能。用式(4)計(jì)算通過(guò)腳制動(dòng)產(chǎn)生的制動(dòng)力。

3.3 控制參數(shù)在線優(yōu)化

在實(shí)際的汽車試驗(yàn)過(guò)程中,汽車各個(gè)組成部件的磨損會(huì)導(dǎo)致自學(xué)習(xí)得到的車輛特性擬合表發(fā)生變動(dòng),因此有必要通過(guò)一定的補(bǔ)償方法對(duì)擬合表進(jìn)行在線優(yōu)化和補(bǔ)償,通過(guò)比較系統(tǒng)輸出結(jié)果與理想值的偏差,采用遞推最小二乘算法對(duì)擬合表進(jìn)行修正。遞推最小二乘算法是自適應(yīng)濾波中的一種常用算法,具有收斂時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)[8]。設(shè)輸入信號(hào)為控制參數(shù)插值中相鄰的4個(gè)點(diǎn):

輸入量的權(quán)系數(shù)為

誤差信號(hào)為控制輸出量和學(xué)習(xí)的位置之間的偏差:

式中,d(k)為實(shí)際的控制輸出量;wT(k)x(k)為由學(xué)習(xí)得到的位置信息。

最小化誤差信號(hào)的平方和J(k),

當(dāng)w(k)的導(dǎo)數(shù)為零時(shí),得到控制參數(shù)權(quán)系數(shù)的最優(yōu)向量:

從而推出權(quán)系數(shù)的遞推關(guān)系式:

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證提出的駕駛機(jī)器人車輛性能自學(xué)習(xí)方法的有效性和可行性,在南京汽車集團(tuán)技術(shù)中心BOCO NJ 150/80型水冷式電渦流底盤測(cè)功機(jī)上,由駕駛機(jī)器人進(jìn)行80 000km排放耐久性V型試驗(yàn),試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。十五工況車速循環(huán)跟蹤試驗(yàn)曲線如圖6所示。試驗(yàn)車為 FIAT Siena 1.5L,五擋手動(dòng)變速器各擋速比為3.5、1.952、1.322、0.972、0.769,主減速比為 4.294,具體的車輛尺寸及汽車性能參數(shù)如表1所示。從安裝到試驗(yàn)車完成自學(xué)習(xí)過(guò)程的時(shí)間在1h內(nèi),更換車型之后PID整定時(shí)間約為45min,經(jīng)自學(xué)習(xí)所得到的尺寸和位置信息如表2所示。學(xué)習(xí)得到的離合接合區(qū)起點(diǎn)位置為3515mm,離合接合區(qū)終點(diǎn)位置為3576mm,自學(xué)習(xí)得到的車速與油門行程之間的關(guān)系如圖7所示。

表1 FIAT Siena 1.5 L車輛參數(shù)表

表2 車輛尺寸自學(xué)習(xí)位置參數(shù) mm

由圖6可以看出,駕駛機(jī)器人能合理協(xié)調(diào)控制油門、制動(dòng)器、離合器和換擋機(jī)械手實(shí)現(xiàn)汽車的起步、加速、換擋、等速、減速等操作,車速跟蹤精度滿足試驗(yàn)的要求,并且穩(wěn)速工況階段車速變化柔和、波動(dòng)小。加速—等速以及減速—等速工況變化階段車速雖然有一定的“過(guò)沖”和下降,但是得到了及時(shí)的控制,駕駛機(jī)器人具有良好的車速跟蹤性能。

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