基于路面動態(tài)識別的ASR仿真研究

張曉龍，孫仁云，葛恒勇，原杰

（1.西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院，四川成都610039；2.西安優(yōu)耐特容器制造有限公司，陜西西安710201）

要使汽車在驅(qū)動過程中能夠充分利用當(dāng)前路面的附著條件，特別是在急加速時能夠獲得最大的驅(qū)動力，同時保持橫向穩(wěn)定性，需要將車輪的滑轉(zhuǎn)率控制在當(dāng)前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率附近，ASR系統(tǒng)即可實現(xiàn)這一功能[1]。

傳統(tǒng)的ASR系統(tǒng)通常將車輪的滑轉(zhuǎn)率控制在固定范圍內(nèi)[2]，而不同路面的最佳滑轉(zhuǎn)率往往不同，這樣車輛在不同路面行駛時，無法充分利用當(dāng)前路面的附著條件。一些高檔汽車的ASR系統(tǒng)中設(shè)有特殊的運行模式，例如汽車行駛中冰雪路面時，駕駛員可以通過設(shè)置調(diào)整ASR系統(tǒng)控制的目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率[3]，從而充分利用路面的附著條件，但是如果汽車在行駛過程中路面突然發(fā)生躍變，駕駛員來不及設(shè)置，同時反復(fù)設(shè)置也給駕駛帶來不便。

如果ASR系統(tǒng)能夠根據(jù)當(dāng)前路面狀態(tài)的不同，實時調(diào)整系統(tǒng)控制的目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率，始終將當(dāng)前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率作為系統(tǒng)的目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率，將提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，這就需要對當(dāng)前路面進(jìn)行識別。利用附著系數(shù)—滑轉(zhuǎn)率曲線斜率進(jìn)行路面識別的研究比較廣泛[4]，但是該方法需要的數(shù)據(jù)量大，實時性不強(qiáng)；通過模糊控制理論進(jìn)行路面最佳滑轉(zhuǎn)率識別也是一種重要方法[5]。文中以路面附著系數(shù)為參數(shù)指標(biāo)，在實時滑轉(zhuǎn)率下實現(xiàn)路面的動態(tài)識別，識別快速、準(zhǔn)確，而且實現(xiàn)了躍變路面的識別，同時根據(jù)識別結(jié)果實時調(diào)整ASR系統(tǒng)的目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率，確保車輛在不同路面行駛時均可按照駕駛員要求獲得最大的驅(qū)動力，同時保持橫向穩(wěn)定。

1 輪胎模型

Kiencke等人在大量路面試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出了一種實用的μ(s)（附著系數(shù)—滑轉(zhuǎn)率）曲線，曲線方程如下[6]：

式中：k為μ(s)曲線斜率，一般取30；各路面的p1、p2值見表1。采用求極值的方法可以求出各路面最佳滑轉(zhuǎn)率s0，見表1。

根據(jù)表1中p1、p2的值得到6種典型路面的μ(s)曲線，如圖1所示。計算機(jī)仿真時利用此模型產(chǎn)生路面信號。

表1 輪胎模型中各典型路面參數(shù)值及s0

圖1 6種典型路面的μ(s)曲線

2 路面狀態(tài)動態(tài)識別方法

干瀝青路面和干水泥路面特性相似，可合二為一，各典型路面的附著系數(shù)曲線沒有出現(xiàn)交叉重疊，可以根據(jù)路面附著系數(shù)在實時滑轉(zhuǎn)率下進(jìn)行路面識別，即每一個滑轉(zhuǎn)率下都有一個對應(yīng)的識別區(qū)間，于是便得到了各典型路面的識別區(qū)間—滑轉(zhuǎn)率曲線，如圖2所示。根據(jù)動態(tài)識別區(qū)間實現(xiàn)實時滑轉(zhuǎn)率下的路面識別[7]。一旦出現(xiàn)錯誤識別或路面發(fā)生躍變，下一時刻會立即作出調(diào)整。

圖2 6種典型路面的識別區(qū)間—滑轉(zhuǎn)率曲線

2.1 建立動態(tài)識別區(qū)間

6種典型路面的識別區(qū)間隨著滑轉(zhuǎn)率的變化而變化，這樣便得到5條識別區(qū)間曲線，如圖2所示，其定義如下：

式中：μi(s)為5種典型路面的附著系數(shù)曲線；路面編號如表2所示。

由式（1）～（3）和表1中的參數(shù)值可以計算出各典型路面實時滑轉(zhuǎn)率下對應(yīng)的識別區(qū)間，即得到典型路面的動態(tài)識別區(qū)間，如表2所示。

表2 典型路面動態(tài)識別區(qū)間

2.2 識別過程

考慮到汽車大部分時間行駛在干瀝青（水泥）路面，將系統(tǒng)的目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率的初始值設(shè)為0.17，即默認(rèn)當(dāng)前路面為干瀝青（水泥）路面。車輛行駛過程中系統(tǒng)實時估算當(dāng)前路面實時滑轉(zhuǎn)率下的附著系數(shù)，同時判斷其落入哪個識別區(qū)間，從而完成路面識別，同時將ASR系統(tǒng)的目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率調(diào)整為當(dāng)前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率。

3 ASR系統(tǒng)設(shè)計

3.1 車輛行駛狀態(tài)判斷

當(dāng)車輪的實際滑轉(zhuǎn)率小于等于當(dāng)前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率時，說明驅(qū)動輪沒有出現(xiàn)過度滑轉(zhuǎn)，車輛行駛狀況穩(wěn)定，正在按照駕駛員的意圖正常行駛，ASR系統(tǒng)無需工作。

當(dāng)車輪的實際滑轉(zhuǎn)率大于當(dāng)前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率時，驅(qū)動輪出現(xiàn)過度滑轉(zhuǎn)，車輛行駛狀況不穩(wěn)定，后輪驅(qū)動的汽車將可能甩尾，前輪驅(qū)動的汽車則容易方向失控，導(dǎo)致汽車向一側(cè)偏移。同時可以判斷出駕駛員當(dāng)前的駕駛意圖是要求車輛獲得最大的驅(qū)動力，但是由于車輪的實際滑轉(zhuǎn)率大于路面的最佳滑轉(zhuǎn)率，車輛并未充分利用當(dāng)前路面的附著條件，沒有獲得最大的驅(qū)動力。

3.2 驅(qū)動防滑控制

4 仿真試驗

4.1 單輪車輛模型

為了簡化問題，只考慮車輛的縱向運動，假設(shè)路面平直，忽略側(cè)向力、空氣阻力以及車輪滾動阻力的影響，采用單輪車輛模型（圖3）進(jìn)行分析。式（4）為整車運動方程，式（5）為車輪運動方程。

式中：M為整車質(zhì)量；V為車輛的加速度；μ為路面附著系數(shù)；N是車輪輪受到來自地面的法向作用力；J為車輪的轉(zhuǎn)動慣量；R為車輪的滾動半徑；是車輪角減速度；Tb是車輪的制動力矩，T是車輪的驅(qū)動力矩[6]。

圖3 單輪車輛模型

4.2 大功率起步

預(yù)設(shè)車輛在路面4（濕瀝青）上大功率起步，如圖4a所示，車輛開始行駛后，系統(tǒng)根據(jù)實時估算的附著系數(shù)，在實時滑轉(zhuǎn)率下快速準(zhǔn)確地對當(dāng)前路面完成識別。

如圖4b所示，車輛大功率起步時，驅(qū)動力矩過大，ASR系統(tǒng)將當(dāng)前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率作為系統(tǒng)實時控制的目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率，1 s 前車輪的實時滑轉(zhuǎn)率基本保持在當(dāng)前路面最佳滑轉(zhuǎn)率，控制效果良好，1 s后由于輪速的迅速增大，驅(qū)動力矩減小，車輪的實時滑轉(zhuǎn)率小于最佳滑轉(zhuǎn)率，ASR系統(tǒng)停止工作，整個過程中，車輪沒有出現(xiàn)過度滑轉(zhuǎn)，車輛能夠保持橫向穩(wěn)定；無ASR系統(tǒng)作用時，由于驅(qū)動力矩過大，車輪的實際滑轉(zhuǎn)率明顯大于路面的最佳滑轉(zhuǎn)率，車輛橫向穩(wěn)定性差。

如圖4c所示，在ASR系統(tǒng)作用過程中，路面的附著系數(shù)明顯增大，基本保持在當(dāng)前路面的峰值附著系數(shù)，充分利用了當(dāng)前路面的附著條件，確保車輛獲得最大的驅(qū)動力，滿足駕駛員的要求。結(jié)合圖4d～4 e可以看出，在ASR系統(tǒng)的作用下，車輛的起步加速能力明顯提升，相等時間內(nèi)獲得速度更大，行駛的路程更長。

綜上所述，當(dāng)車輛大功率起步時，基于路面識別的ASR系統(tǒng)能夠使車輪的滑轉(zhuǎn)率基本保持在當(dāng)前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率，在保證車輛橫向穩(wěn)定的同時，使車輛按照駕駛員要求獲得最大的驅(qū)動力。

4.3 躍變路面持續(xù)加速

預(yù)設(shè)車輛在路面5（干瀝青）上起步后持續(xù)加速行駛，1s 后路面躍變?yōu)槁访?（濕瀝青），如圖5a所示，系統(tǒng)對躍變路面的識別快速準(zhǔn)確。如圖5b所示，整個加速過程中，在ASR系統(tǒng)作用下，車輪的實際滑轉(zhuǎn)率基本保持在當(dāng)前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率，控制效果良好，同時能夠保持橫向穩(wěn)定。結(jié)合圖

當(dāng)車輪的滑轉(zhuǎn)率大于當(dāng)前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率時，說明車輪的驅(qū)動力矩過大，要使車輛的實際滑轉(zhuǎn)率保持在當(dāng)前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率，需要減小車輪的驅(qū)動力矩，此時可以給車輪增加一個制動力矩同時以當(dāng)前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率作為ASR系統(tǒng)控制的目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率，通過調(diào)整制動力矩Tb的大小，確保車輪的實際滑轉(zhuǎn)率在驅(qū)動力矩過大時仍能保持在當(dāng)前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率，車輛能夠按照駕駛員的要求獲得最大的驅(qū)動力，同時保持橫向穩(wěn)定。5 c可以看出，車輛在不同路面加速時附著系數(shù)基本保持在當(dāng)前路面的峰值附著系數(shù)，充分利用了當(dāng)前路面的附著條件確保車輛在不同路面上行駛都能獲得最大的驅(qū)動力。

圖4 大功率起步時各參數(shù)曲線圖

圖5 持續(xù)加速時路面識別仿真及各參數(shù)曲線圖

5 結(jié)論

以路面附著系數(shù)為識別參數(shù)，建立了6種典型路面的動態(tài)識別區(qū)間，車輛在行駛過程中對當(dāng)前路面實時進(jìn)行識別，同時將當(dāng)前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率作為ASR系統(tǒng)的目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率，當(dāng)驅(qū)動力矩過大時通過實時調(diào)整制動力矩，使車輪的實時滑轉(zhuǎn)率基本保持在當(dāng)前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率，有效避免了車輛出現(xiàn)過度滑轉(zhuǎn)，確保車輛能夠獲得最大的驅(qū)動力，同時能夠保持橫向穩(wěn)定。

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