基于駕駛模擬的汽車(chē)ABS仿真研究

熊登,熊堅(jiān),陳啟帆

(昆明理工大學(xué)交通工程學(xué)院,云南昆明 650500)

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基于駕駛模擬的汽車(chē)ABS仿真研究

熊登,熊堅(jiān),陳啟帆

(昆明理工大學(xué)交通工程學(xué)院,云南昆明 650500)

摘要:采用一種汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)雙邏輯門(mén)限值控制策略,通過(guò)駕駛模擬器程序控制和駕駛員在環(huán)仿真試驗(yàn),比較分析程序控制和駕駛員控制對(duì)ABS算法的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,在給定控制算法下,程序駕駛控制和駕駛員在環(huán)駕駛控制都能使車(chē)輪的滑移率控制在20%左右,但駕駛員控制下車(chē)輪滑移率的波動(dòng)更大,其原因?yàn)樵摥h(huán)境下駕駛員可根據(jù)自己的判斷實(shí)時(shí)調(diào)整操作,操作數(shù)據(jù)隨機(jī)性更強(qiáng),更符合實(shí)際情況。

關(guān)鍵詞:汽車(chē);防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS);駕駛模擬器;雙邏輯門(mén)限值控制;程序控制仿真;駕駛員在環(huán)仿真

汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)常用控制方法有模糊控制、PID(比例、積分、微分)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑動(dòng)模態(tài)結(jié)構(gòu)控制和邏輯門(mén)限值控制等,其中邏輯門(mén)限值控制應(yīng)用最普遍,其優(yōu)點(diǎn)是在沒(méi)有具體系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型下就能對(duì)ABS系統(tǒng)進(jìn)行有效的非線性控制。使用該控制方法時(shí),只需利用汽車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中車(chē)輪角減速度門(mén)限值控制就能實(shí)現(xiàn)基本的防抱死制動(dòng)循環(huán),若再附加車(chē)輪滑移率門(mén)限值作為輔助門(mén)限則會(huì)產(chǎn)生更佳的控制效果。

在以往的仿真研究中,駕駛輸入都是采用程序控制的方法,該方法方便、簡(jiǎn)單,通過(guò)仿真研究,基本能檢驗(yàn)ABS的控制算法。但汽車(chē)的ABS最終是要安裝在實(shí)際車(chē)輛上,并且是在特殊環(huán)境下由人來(lái)操縱控制,這與傳統(tǒng)仿真研究的程序控制是有區(qū)別的。該文采用ABS雙邏輯門(mén)限值控制算法,通過(guò)駕駛模擬器,對(duì)汽車(chē)ABS在程序控制和駕駛員在環(huán)仿真控制下的該算法進(jìn)行仿真試驗(yàn),分析兩種方法的差異及產(chǎn)生原因。

1 車(chē)輛模型的建立

為了方便ABS建模,選用雙輪三自由度車(chē)輛模型。該模型的特點(diǎn)在于忽略了側(cè)向力的變化,同時(shí)利用縱向魔術(shù)公式可準(zhǔn)確描述單一工況下制動(dòng)過(guò)程中輪胎的受力及運(yùn)動(dòng)狀況。

1.1 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型

車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程中的受力如圖1所示。

車(chē)輛運(yùn)動(dòng)方程為:

圖1 制動(dòng)過(guò)程中車(chē)輛受力示意圖

式中:m為汽車(chē)質(zhì)量;t為制動(dòng)時(shí)間。

垂直載荷為:

車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)方程為:

式中:J為車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;dω/d t為車(chē)輪減速度。

滑移率S的計(jì)算公式為:

1.2 輪胎模型

采用魔術(shù)公式輪胎模型,該模型只用一套公式即可完整地表達(dá)純工況下輪胎的力學(xué)特性。

根據(jù)魔術(shù)公式的一般表達(dá)式,在純制動(dòng)單一工況下,輪胎縱向力F與縱向滑移率S和垂直載荷Fz的關(guān)系為:

式中:D1為峰值因子;C1為曲線形狀因子;B1為剛度因子;E1為曲線曲率因子;a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8均為曲線擬合參數(shù)。

為了適應(yīng)不同附著系數(shù)的路面,將附著系數(shù)通過(guò)曲線擬合的方式引入魔術(shù)公式,通過(guò)MATLAB進(jìn)行擬合,得到a2與附著系數(shù)φ的關(guān)系為:

2 ABS雙邏輯門(mén)限值控制流程

ABS雙邏輯門(mén)限值控制算法中需參考的門(mén)限值只有2個(gè),即車(chē)輪角減速度門(mén)限值a1和滑移率門(mén)限值S1,比傳統(tǒng)邏輯門(mén)控制算法的4個(gè)控制參數(shù)少,因而這種控制算法邏輯簡(jiǎn)單,控制步驟較少,更適合于仿真分析。其邏輯關(guān)系如圖2所示。

圖2 ABS雙邏輯門(mén)限值控制算法的控制邏輯

該算法的控制流程為:

第一次循環(huán)過(guò)程中,制動(dòng)初期,ABS不工作,當(dāng)檢測(cè)到車(chē)輪角減速度a＜a1時(shí),ABS開(kāi)始工作,駕駛員制動(dòng)不再起作用,系統(tǒng)進(jìn)入保壓階段。在保壓階段進(jìn)行兩次判斷,如果車(chē)輪角減速度a≥a1且滑移率S≤S1,則ABS不工作,系統(tǒng)進(jìn)入第二次循環(huán)中的駕駛員制動(dòng)狀態(tài);如果不滿足前面的情況,但滑移率S＞S1,則說(shuō)明處于低附著系數(shù)路面,ABS系統(tǒng)進(jìn)入第二次循環(huán)中的減壓狀態(tài);如果兩種情況都不滿足,則維持保壓狀態(tài),直到出現(xiàn)兩種情況中的一種,再進(jìn)入ABS系統(tǒng)的第二次循環(huán)。

第二次循環(huán)過(guò)程中,如果以駕駛員制動(dòng)作為循環(huán)的起始點(diǎn),需先對(duì)制動(dòng)力和車(chē)速進(jìn)行判斷。如果腳制動(dòng)力為零或車(chē)速小于4 m/s,則退出ABS,返回未進(jìn)入ABS時(shí)的初始階段。若不滿足上面的情況,則維持駕駛員制動(dòng)狀態(tài),直到車(chē)輪角減速度a＜a1或滑移率S＞S1時(shí),ABS系統(tǒng)進(jìn)入減壓狀態(tài)。在減壓狀態(tài)過(guò)程中,當(dāng)檢測(cè)到車(chē)輪角減速度a≥a1或滑移率S≤S1時(shí),則返回駕駛員制動(dòng)狀態(tài),接著繼續(xù)循環(huán),直到車(chē)輛停止。

3 駕駛模擬仿真試驗(yàn)

駕駛模擬仿真試驗(yàn)在小型模擬器上完成(如圖3所示)。先在MATLAB中建立式(1)～(6)的車(chē)輛模型和圖2所示邏輯控制模塊,其中車(chē)輛模型中的參數(shù)設(shè)定參考捷達(dá)車(chē)的各項(xiàng)參數(shù),然后將所建ABS控制模塊生成C語(yǔ)言程序源代碼,最后將C語(yǔ)言程序代碼導(dǎo)入KMRTS車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型中進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

圖3 小型駕駛模擬器

駕駛模擬仿真試驗(yàn)分為駕駛模擬器的程序控制仿真試驗(yàn)和駕駛員在環(huán)ABS仿真試驗(yàn)。駕駛模擬器程序控制仿真試驗(yàn)則是在動(dòng)力學(xué)模型中設(shè)置一定的程序信號(hào)(如制動(dòng)踏板行程、制動(dòng)開(kāi)始時(shí)間、制動(dòng)停止時(shí)間、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角等)控制整個(gè)仿真過(guò)程,最后將各控制參數(shù)依次輸入駕駛模擬器的動(dòng)力學(xué)模型中;駕駛員在環(huán)ABS仿真試驗(yàn)則是通過(guò)駕駛員在模擬器上實(shí)際駕駛,采集操縱信號(hào)來(lái)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)分析。

3.1 程序控制仿真試驗(yàn)

為了通過(guò)程序控制仿真達(dá)到驗(yàn)證汽車(chē)ABS有效性的目的,設(shè)定緊急制動(dòng)避障場(chǎng)地(如圖4所示)。車(chē)輛以一定的初始速度從起始處出發(fā),當(dāng)距離障礙物30 m時(shí),緊急制動(dòng)并給方向盤(pán)一定的轉(zhuǎn)角來(lái)避開(kāi)障礙物,根據(jù)前后輪的滑移率和車(chē)速變化情況及行駛狀態(tài)俯覽圖,分析車(chē)輛ABS的有效性。

圖4 緊急制動(dòng)避障試驗(yàn)場(chǎng)景俯覽示意圖(單位:m)

程序控制仿真試驗(yàn)在高附著系數(shù)(0.8)路面上進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí),初始車(chē)速為80 km/h,仿真步長(zhǎng)為0.01 s。圖5為程序控制下的仿真曲線。

從圖5(a)可以看出:在ABS程序控制的情況下,車(chē)輛突然進(jìn)行緊急制動(dòng),車(chē)輪沒(méi)有完全抱死,成功避開(kāi)了障礙物,進(jìn)入草地中,沒(méi)有發(fā)生甩尾現(xiàn)象,整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中車(chē)輛保持了良好的操縱穩(wěn)定性。

從圖5(b)可以看出:車(chē)輪速度均勻波動(dòng)下降,變化趨勢(shì)較好,沒(méi)有發(fā)生抱死現(xiàn)象。

從圖5(c)可以看出:左前輪、左后輪滑移率均穩(wěn)定在0.2左右,前后車(chē)輪均未抱死,說(shuō)明該控制策略有效,能滿足汽車(chē)ABS的控制需求。

3.2 駕駛員在環(huán)ABS仿真試驗(yàn)

圖5 緊急制動(dòng)避障過(guò)程中ABS程序控制仿真曲線

圖6 駕駛員在環(huán)仿真車(chē)輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)曲線

駕駛員在環(huán)仿真試驗(yàn)所用試驗(yàn)場(chǎng)景與程序控制仿真試驗(yàn)場(chǎng)景相同,不同的是試驗(yàn)過(guò)程由程序控制改為駕駛員實(shí)際操作,通過(guò)采集駕駛員的相關(guān)操縱信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。圖6為駕駛員操控在高附著系數(shù)路面進(jìn)行仿真試驗(yàn)所采集的部分車(chē)輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

從圖6可以看出:在駕駛員控制的情況下,在仿真時(shí)間為16 s時(shí),車(chē)輪速度開(kāi)始均勻波動(dòng)下降,前后輪滑移率開(kāi)始急劇上升,且在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中兩車(chē)輪滑移率控制在0.2左右,車(chē)輪都沒(méi)有抱死,說(shuō)明這套ABS控制系統(tǒng)在駕駛員實(shí)際操作時(shí)能滿足控制需要。

3.3 程序控制仿真與駕駛員在環(huán)仿真對(duì)比分析

程序控制仿真試驗(yàn)與駕駛員在環(huán)仿真試驗(yàn)在實(shí)際操作過(guò)程及仿真結(jié)果中存在一定的區(qū)別,下面對(duì)高附著系數(shù)路面上兩試驗(yàn)的滑移率和操作行為參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

兩個(gè)試驗(yàn)在高附著系數(shù)路面下的滑移率變化分別如圖5(c)、圖6(b)所示。從中可以看出:無(wú)論是程序控制還是駕駛員操作,在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中車(chē)輪滑移率均穩(wěn)定在0.2左右,處于良好控制范圍內(nèi),說(shuō)明采用的雙邏輯門(mén)限值控制策略能滿足汽車(chē)ABS的控制需求,在駕駛模擬器仿真中是有效的;但程序控制下滑移率的振動(dòng)頻率和幅度較小,過(guò)于理想化,而駕駛員操控下得到的滑移率變化幅度更大,更符合實(shí)際制動(dòng)過(guò)程。

圖7、圖8分別為程序控制和駕駛員控制下的操作行為參數(shù)曲線。

圖7 程序控制下的操作行為參數(shù)曲線

從圖7來(lái)看,在程序控制下,方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與腳踏板行程都非常穩(wěn)定,不存在抖動(dòng)現(xiàn)象。從圖8來(lái)看,方向盤(pán)轉(zhuǎn)角比較穩(wěn)定,偶爾會(huì)有小幅度的變化,在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中,制動(dòng)踏板行程變化也較平穩(wěn),屬于穩(wěn)定踩死剎車(chē)之后松開(kāi)剎車(chē)的制動(dòng)過(guò)程。對(duì)比兩圖可以發(fā)現(xiàn),在駕駛員控制下,駕駛員可根據(jù)自己的判斷實(shí)時(shí)調(diào)整操作,操作數(shù)據(jù)隨機(jī)性更強(qiáng),更符合實(shí)際情況,更適合用來(lái)檢測(cè)ABS的控制效果。

圖8 駕駛員控制下的操作行為參數(shù)曲線

4 結(jié)論

該文在傳統(tǒng)邏輯門(mén)限值控制策略的基礎(chǔ)上提出了一種雙邏輯門(mén)限值的汽車(chē)ABS控制策略,采用駕駛模擬器對(duì)該控制策略分別進(jìn)行程序控制仿真試驗(yàn)和駕駛員在環(huán)ABS仿真試驗(yàn),通過(guò)滑移率和操作行為參數(shù)對(duì)比兩種仿真試驗(yàn)的區(qū)別。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)仿真結(jié)果的分析,主要得到以下結(jié)論:

(1)在汽車(chē)ABS雙邏輯門(mén)限值控制算法下,程序駕駛控制和駕駛員在環(huán)駕駛控制都能使車(chē)輪的滑移率控制在0.2左右,但在駕駛員控制下車(chē)輪滑移率的波動(dòng)范圍更大,更符合實(shí)際的制動(dòng)過(guò)程。

(2)駕駛員在環(huán)駕駛控制時(shí),駕駛員可根據(jù)自身判斷實(shí)時(shí)調(diào)整操作,操作數(shù)據(jù)隨機(jī)性更強(qiáng),更符合實(shí)際情況,更適合用來(lái)檢測(cè)汽車(chē)ABS的控制效果。

參考文獻(xiàn):

[1]李韶華,黃宏偉,李燦.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的重型汽車(chē)ABS模糊控制研究[J].科技導(dǎo)報(bào),2013,31(4).

[2]席本強(qiáng),何毅,丘文森.汽車(chē)ABS的模糊自適應(yīng)PID控制[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,33(11).

[3]劉鑫偉,谷正氣,楊易,等.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽車(chē)輔助制動(dòng)控制系統(tǒng)的研究[J].汽車(chē)工程,2010,32(12).

[4]潘輝,李禮夫.基于路面識(shí)別的汽車(chē)ABS滑模控制方法的研究[J].現(xiàn)代制造工程,2011(2).

[5]王偉達(dá),丁能根,張為,等.ABS邏輯門(mén)限值自調(diào)整控制方法研究與試驗(yàn)驗(yàn)證[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2010,46(22).

[6]鄭太雄,馬付雷.汽車(chē)ABS邏輯門(mén)限值控制方法研究[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào),2011,23(4).

[7]鄭太雄,馬付雷.基于邏輯門(mén)限值的汽車(chē)ABS控制策略[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2010,10(2).

[8]田晶晶,陽(yáng)冬波,李梟.基于遺傳算法的魔術(shù)公式輪胎模型參數(shù)辨識(shí)方法研究[J].交通節(jié)能與環(huán)保,2014(4).

[9]Pacejka H B.Tyre and vehicle dynamics[M].Oxford: Butterworth-Heinemann,2006.

[10]梁春蘭,盛鵬程,劉衛(wèi)澤.基于“魔術(shù)公式”輪胎模型的MATLAB仿真研究[J].邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2013,30(1).

[11]陳啟帆.駕駛員在環(huán)汽車(chē)ABS仿真實(shí)驗(yàn)研究[D].昆明:昆明理工大學(xué),2014.

收稿日期:2015-12-09

中圖分類(lèi)號(hào):U463.52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1671-2668(2016)02-0011-04