基于縱向滑移率均衡的車道偏離輔助控制研究

黃智+劉劍+吳乙萬

摘要：提出了一種無壓力閉環(huán)的差動制動實現(xiàn)車道偏離輔助的控制方法.根據(jù)車輛和駕駛員參考模型確定糾正車道偏離所需的目標橫擺角速度.采用滑模算法設計橫擺角速度跟蹤控制器，確定附加橫擺力矩.基于縱向滑移率均衡設計車輪制動壓力調(diào)節(jié)策略，限制車輪最大滑移率，以提高車輛橫向穩(wěn)定性.設計模糊控制器對壓力建立過程進行伺服控制.在Carsim/Labview-RT聯(lián)合仿真平臺上對提出的方法進行硬件在環(huán)仿真試驗，試驗結果表明，所提出方法能有效避免車輛偏離車道，魯棒性強，且車輛橫向穩(wěn)定性好.

關鍵詞：車道偏離輔助；差動制動；縱向滑移率；滑模

中圖分類號：U461.91 文獻標識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）02-0001-07

隨著人們對交通安全的日益關注，近十年來，通過主動干預車輛的縱橫向動力學以避免車道偏離事故的車道偏離輔助系統(tǒng)（LDAS）成為先進駕駛輔助技術的研究熱點.目前車道偏離輔助控制的實現(xiàn)途徑主要有3種：主動轉(zhuǎn)向控制[1-3]， 差動制動控制[4-5]， 以及基于輪邊驅(qū)動的驅(qū)動控制[6-7].主動轉(zhuǎn)向通過向轉(zhuǎn)向機構提供額外轉(zhuǎn)向力或位移糾正車輛行駛方向.差動制動利用車輛裝備的ABS/ESP制動系統(tǒng)，主動產(chǎn)生制動壓力，對單個或多個車輪制動，通過差動制動力產(chǎn)生附加橫擺力矩，糾正車輛行駛方向.差動制動方式無需增加額外執(zhí)行部件，且對駕駛員轉(zhuǎn)向操作無干擾，簡化了人機協(xié)同控制方法，近年來引起研究者的關注.

湖南大學學報（自然科學版）2016年第2期黃智等：基于縱向滑移率均衡的車道偏離輔助控制研究差動制動控制中，準確、快速地建立制動壓力并保持車輛橫向穩(wěn)定性是研究者關注的重點.李劍鋒等[6]、余卓平等[7]通過電機制動力分配以達到橫擺角速度準確跟蹤的目的，但只適用于輪邊驅(qū)動電動汽車的制動力分配.楊濤等[8]通過預測控制，疊加差動制動力矩提高車輛橫向穩(wěn)定性，在低附著路面具有較好的控制性能，但預測控制性能依賴于建模精度.丁能根等[9]通過實驗分析了ABS系統(tǒng)的響應特性，提出制動壓力的精細調(diào)節(jié)方法.馬國成等[10]提出改進PID的液壓制動壓力伺服控制，控制性能好，但需要制動壓力反饋，增加了系統(tǒng)成本.李亮等[11]通過對ESP液壓單元試驗，得到了ESP液壓制動系統(tǒng)特性，根據(jù)液壓模型與反模型進行壓力估算并進行制動壓力調(diào)節(jié).液壓模型的準確性受電壓、溫度等因素影響，且使用過程中閥芯磨損將導致模型誤差增加.

本文提出一種基于差動制動的車道偏離輔助控制方法，設計了滑移率均衡的制動力分配策略，無需制動壓力反饋，并將所有車輪滑移率控制在接近范圍，避免車輪出現(xiàn)較大滑移率而導致側向附著能力降低，算法實現(xiàn)了對車道偏離輔助目標橫擺角速度的穩(wěn)定、準確跟蹤，可有效避免車道偏離事故.

1車道偏離輔助控制

1.1控制系統(tǒng)結構

車道偏離輔助控制系統(tǒng)結構如圖1所示.車道、轉(zhuǎn)向力及車輛動力學信息輸入到輔助決策控制模塊，當條件滿足時啟動差動制動.期望橫擺角速度模塊計算車道偏離輔助所需的橫擺角速度，橫擺角速度跟蹤控制器確定附加橫擺力矩方向并選擇制動車輪，基于縱向滑移率均衡約束確定制動增減壓，驅(qū)動液壓制動單元產(chǎn)生期望制動力.

1.2輔助控制決策

采用文獻[12]提出的車輛偏離車道時間（Time to Lane Crossing， TLC）的決策方法.

TLC=（D/2-DLC）/Vy. （1）

式中：D為車道寬度；Vy為車輛橫向速度；DLC （Distance to Lane Center）為車輛至車道中心的橫向距離.

綜合考慮車速及駕駛員反應時間，制定控制決策，見表1[13].

2縱向滑移率均衡的制動壓力控制

2.1等效前輪縱向滑移率

文中研究的車輛為前置前驅(qū).在動力傳動系統(tǒng)未斷開情況下，差速器的存在使得未制動一側的驅(qū)動輪將獲得更大的驅(qū)動力，縱向滑移率幅值進一步增大，嚴重時可能出現(xiàn)驅(qū)動打滑工況（縱向滑移率<0）.受制動一側的驅(qū)動輪的縱向滑移率幅值首先減小，當制動力大于驅(qū)動力時，將進入制動狀態(tài)（縱向滑移率>0），縱向滑移率幅值增大.上述現(xiàn)象在中低附著路面時尤為突出.因此本文設計等效前輪縱向滑移率參數(shù)，綜合考慮內(nèi)前輪（施加制動側前輪）和外前輪（未制動側前輪）的縱向滑移率，反映前輪的滑轉(zhuǎn)程度.

由式（9）可知，當Sxfi小于Sxfo時，說明內(nèi)側制動力可以忽略，不影響制動決策，取Sxf=0；當Sxfi與Sxfo相差過大時，取內(nèi)外側前輪的最大絕對滑移率反映前輪滑轉(zhuǎn)程度，以抑制車輪滑轉(zhuǎn).其余情況下取前輪內(nèi)外側滑移率絕對值的加權平均值反映前輪滑轉(zhuǎn)程度.

2.2縱向滑移率均衡的增減壓控制

車輪縱向滑移率是衡量車輛橫向穩(wěn)定性的重要參數(shù).當車輪縱向滑移率超過設定上限值Sd時，車輛的橫向穩(wěn)定性迅速降低.為確保車輛橫向穩(wěn)定性，車輪縱向滑移率應小于上限值Sd.

前后輪制動力的分配不當，可能引起前輪或后輪縱向滑移率過大.為確保車輛具有足夠的橫向穩(wěn)定裕度，采用如下縱向滑移率均衡方法，使所有車輪的縱向滑移率盡可能小：

1）當制動控制側任一車輪滑移率S>Sd時，進行減壓控制；

2）當制動控制側任一車輪滑移率S≤Sd時，分為如下3種控制模式：

①當Sxf-Sxr>SΔ時，前輪的縱向滑移率趨向過大，后輪有較大的橫向穩(wěn)定裕度，此時前輪減壓，后輪增壓.其中Sxr為后輪最大縱向滑移率，SΔ為前后輪縱向滑移率偏差閾值.

②當Sxf-Sxr<-SΔ時，前輪有較大的橫向穩(wěn)定裕度，后輪縱向滑移率趨向過大，前輪增壓，后輪減壓.

③當-SΔ

3差動制動壓力的伺服控制

3.1液壓制動系統(tǒng)的增減壓特性

液壓制動單元結構如圖3所示.通過對泵電機和液壓閥的控制實現(xiàn)輪缸制動壓力調(diào)節(jié).為便于制動伺服控制算法的分析、設計，試驗研究了PWM脈沖驅(qū)動下液壓制動單元的增減壓特性.

PWM增壓有效調(diào)節(jié)范圍為35%～80%，在此范圍內(nèi)，增壓速率隨占空比增大而增加，最大增壓速率為0.03 MPa/ms.

PWM占空比對減壓速率基本無影響.3種閥開關組合下的減壓響應特性如圖5所示，常規(guī)減壓模式（出油閥和回路控制閥開啟，其余關閉）的減壓速率最快，回路控制閥關閉時減壓速率較慢，進油閥開啟時的減壓速率最慢.通過對回路控制閥與進油閥的控制，獲得不同減壓速率.

3.2制動伺服控制算法

制動壓力控制分為增壓、減壓和保壓3種模式.保壓模式由PWM占空比為25%的增壓控制狀態(tài)代替.結合制動系統(tǒng)減壓特性，伺服控制過程分為增壓和減壓2種基本模式.

t/s

1）增壓模式，根據(jù)上一周期的模式確定控制單元當前動作：①上一周期增壓時，高壓閥開啟，回路控制閥關閉，泵電機啟動，由模糊控制器確定當前周期進油閥的PWM占空比.②上一周期減壓時，高壓閥開啟，回路控制閥關閉，泵電機啟動，進油閥全開.

2）減壓模式，根據(jù)上一周期的模式確定控制單元當前動作：①上一周期增壓時，回路控制閥關閉，高壓閥關閉，進油閥開啟，減壓閥開啟，泵電機關閉；②上一周期減壓時，回路控制閥關閉，高壓閥開啟，進油閥關閉，減壓閥打開，泵電機啟動.

基于前述液壓制動系統(tǒng)的工作特性，設計模糊控制器，對增壓過程進行控制.模糊控制的輸入為實際橫擺角速度與目標角速度之差Δγ及其一階微分Δ，輸出為增壓PWM占空比.Δ范圍為[0，50]，Δγ范圍為[0，10]，PWM占空比范圍為[25%，80%].將輸入的論域定義為5個模糊子集：小（TL）、較?。↙）、適中（M）、較大（H）、大（TH）；將輸出變量論域定義為7個模糊子集：極?。═TL）、小（TL）、較小（L）、適中（M）、較大（H）、大（TH）、極大（HH） .得到增壓模糊控制規(guī)則見表2.采用重心法解模糊，得到增壓PWM占空比.

4硬件在環(huán)（HIL）仿真試驗

為評估所提出的控制方法，采用基于Carsim/Labview-RT搭建的硬件在環(huán)仿真平臺，進行了仿真試驗研究.HIL仿真軟件平臺由LabviewRT嵌入式實時系統(tǒng)、Carsim車輛動力學模型和控制模型等構成，如圖6所示.

硬件臺架以實車的制動、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為基礎搭建，并包括真空助力和路感模擬系統(tǒng)等，如圖7所示.

車輛參數(shù)見表3.

工況設定：車速100 km/h，道路為直道，路寬為3.5 m，路面附著系數(shù)分別為0.4，0.6和0.8.假定駕駛員在1～5 s內(nèi)未對車輛進行控制，期間方向盤右偏5°.從第1 s開始，由于駕駛員未能糾正方向盤，車輛向右偏離車道，當DLC或TLC達到啟動閾值時，LDAS啟動.系統(tǒng)實時計算車輛的目標橫擺角速度，液壓伺服控制器根據(jù)LDAS給出的控制目標控制液壓單元動作，產(chǎn)生附加橫擺力矩，糾正車輛行駛方向.

圖8給出了差動制動控制下的試驗結果.試驗結果表明在各種路面附著系數(shù)下，都能使車輛回到車道內(nèi).

圖9和圖10為制動壓力和橫擺角速度響應.控制過程中對左側車輪進行制動，右側車輪制動壓力為零，產(chǎn)生附加逆時針橫擺力矩，以糾正車輛右偏趨勢.

以橫擺角速度響應第一次達到目標值至輔助控制結束期間的實際橫擺角速度與目標值之差的平均值Δμ和均方差值Δμ2反映橫擺跟隨性能，以車輪最大縱向滑移率幅值反映車輛的橫向穩(wěn)定性，結果見表4.在縱向滑移率均衡控制下，車輛被糾正回車道，側向加速度小于路面所能提供的最大側向加速度.

本文研究重點是解決惡劣工況下的車輛穩(wěn)定性問題，因此對惡劣工況下的車輛橫向穩(wěn)定性和車道偏離控制性能進行試驗，并以定比例分配的壓力閉環(huán)控制為比較對象，進行極限工況下的對比研究.定比例分配壓力閉環(huán)控制是根據(jù)車輛模型計算出期望附加橫擺力矩，結合前后軸載荷和制動器理論模型將期望附加橫擺力矩轉(zhuǎn)換成前后車輪的制動壓力，通過壓力閉環(huán)控制實現(xiàn)橫擺跟蹤.試驗工況：車速100 km/h，道路為直道，路寬為3.5 m，路面附著系數(shù)為0.4，假定駕駛員在1～5 s內(nèi)未對車輛進行控制，期間方向盤右偏15°.兩種方法的試驗結果如圖11所示.在縱向滑移率均衡約束下，車輪縱向滑移率幅值限制在0.1以內(nèi)（控制參數(shù)Sd=0.1），車輛具有較好的橫向穩(wěn)定性.定比例壓力分配控制時，前后輪滑移率分別達到-0.38和0.32，車輛橫向穩(wěn)定性較差.

如圖12所示，在極限工況下，滑移率均衡約束控制的最大DLC為1.46 m，最大質(zhì)心側偏角β小于2°，車輛部分偏離車道，但車輛沒有出現(xiàn)側滑等危險工況.定比例分配控制的最大DLC為4.65 m，最大質(zhì)心側偏角β為5.9°，車輛已經(jīng)發(fā)生較嚴重的側滑，并完全偏離車道.

5結論

本文研究了一種基于差動制動的車道偏離輔助控制方法，提出了以前后輪縱向滑移率均衡為約束目標的制動壓力增減壓控制策略.根據(jù)液壓制動單元的響應特性，設計了制動壓力伺服控制器.在硬件在環(huán)仿真平臺上對所提出的方法進行了仿真試驗研究，試驗結果表明：

1）在各種設定工況下，基于差動制動的LDAS能有效避免車道偏離事故發(fā)生.

2）與定比例分配的壓力閉環(huán)控制相比，所提出的方法將車輪的最大滑移率控制在設定值以內(nèi)，在最大程度減小道路偏離量的同時改善了車輛橫向穩(wěn)定性.

3）所提出方法的控制性能不依賴于對象模型的精度，具有較高的魯棒性.同時所提出的方法可在現(xiàn)有ABS/ESP系統(tǒng)中集成，無需額外增加傳感器和執(zhí)行器，具有良好的應用前景.

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