車輛行駛環(huán)境模糊識(shí)別方法的研究與實(shí)現(xiàn)

徐超

摘要：如何根據(jù)采集的車載傳感器信息快速識(shí)別車輛行駛的各種復(fù)雜路況，是智能化自動(dòng)變速器領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，目前國(guó)外高檔汽車已經(jīng)推出多路況適應(yīng)系統(tǒng)，而我國(guó)智能變速器的開(kāi)發(fā)研究還處于起步階段。針對(duì)這種情況，提出了基于模糊控制理論的智能路況識(shí)別方法，以車速、油門開(kāi)度和前后輪轉(zhuǎn)速差作為模糊控制器輸入?yún)?shù)，并在MATLAB/Simulink平臺(tái)上建立了系統(tǒng)模糊識(shí)別仿真模型，在實(shí)現(xiàn)了算法的程序設(shè)計(jì)及仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，完成了基于自主研發(fā)的新型8速TCU系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)，以及基于江淮賓悅車型實(shí)車實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)均能識(shí)別常規(guī)、顛簸、上坡、下坡、濕滑和冰雪六種路況，為實(shí)現(xiàn)基于環(huán)境條件下的智能變速器的研制奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：智能變速器；模糊控制；車速；油門開(kāi)度；前后輪轉(zhuǎn)速差；實(shí)車實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U461.91；U467.1+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）21-0219-03

隨著電子技術(shù)與控制理論不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的使用一個(gè)控制策略的變速器換擋方式由于不能適應(yīng)不同路況而逐漸被能夠根據(jù)不同的行駛環(huán)境采取不同的控制策略實(shí)現(xiàn)基于環(huán)境條件下的智能控制變速器取代。因此，建立一種行駛環(huán)境的路況識(shí)別系統(tǒng)是變速器進(jìn)行智能換擋控制的先決條件和基礎(chǔ)。目前，國(guó)外的包括Jeep、捷豹在內(nèi)的高檔汽車變速器都先后使用了實(shí)時(shí)的路況識(shí)別系統(tǒng)[1]，保證了車輛在各種路況行駛換擋過(guò)程中的平穩(wěn)性和安全性。而我國(guó)智能變速器的開(kāi)發(fā)研究還處于起步階段，目前國(guó)產(chǎn)汽車上還沒(méi)有搭載此類系統(tǒng)[2]。針對(duì)這種情況，本文研究了基于現(xiàn)有車輛標(biāo)配傳感器信號(hào)進(jìn)行行駛環(huán)境識(shí)別的方法，建立了基于模糊控制理論的智能路況識(shí)別系統(tǒng)，并完成了自主研發(fā)的新型8速變速器TCU系統(tǒng)，智能路況識(shí)別實(shí)驗(yàn)臺(tái)架在環(huán)實(shí)驗(yàn)，江淮賓悅車實(shí)車實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)均能識(shí)別常規(guī)、顛簸、上坡、下坡、濕滑和冰雪等六種復(fù)雜路況行駛環(huán)境。

1 行駛環(huán)境的識(shí)別方法及參數(shù)確定

在路況識(shí)別系統(tǒng)中，根據(jù)處理方法的不同主要的分為兩大類：一類是圖像處理。該方法主要是通過(guò)攝像頭拍攝的圖像并對(duì)其處理得到路況信息，如文獻(xiàn)[3]中，作者就是通過(guò)增加車載攝像頭來(lái)獲取路況信息?；趫D像處理的方法，一方面在車速較低、沒(méi)有緊急情況下是能夠較好地應(yīng)用于車輛的路況識(shí)別，但是由于圖像處理實(shí)時(shí)性差，在高速、轉(zhuǎn)彎的情況下無(wú)法實(shí)時(shí)獲取、處理當(dāng)前的路況信息，使得變速器換擋過(guò)程中的平穩(wěn)性和安全性差。另一類是基于車載傳感器信號(hào)分析。這種方法是通過(guò)實(shí)時(shí)采集車載傳感器的數(shù)據(jù)并分析與車輛行駛規(guī)律之間的關(guān)系進(jìn)行路況識(shí)別，如文獻(xiàn)[5]中，作者使用輪速提取的側(cè)向加速度和車速來(lái)對(duì)彎道工況的急緩程度進(jìn)行模糊識(shí)別。由于傳感器的信號(hào)是實(shí)時(shí)的，所以這種方法能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)車輛的行駛路況進(jìn)行識(shí)別。

基于以上分析本文選擇了通過(guò)采集車輛傳感器信號(hào)并進(jìn)行分析、處理實(shí)現(xiàn)路況識(shí)別。鑒于路況環(huán)境的復(fù)雜性和駕駛員操作的不確定性，反映車輛行駛狀態(tài)的傳感器信號(hào)包括節(jié)氣門開(kāi)度、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、方向盤轉(zhuǎn)角、前后輪轉(zhuǎn)速差和制動(dòng)踏板開(kāi)度等，這些傳感器信號(hào)與車輛行駛規(guī)律之間的關(guān)系無(wú)法用明確的數(shù)學(xué)模型描述，屬于經(jīng)驗(yàn)型模型，而模糊控制理論在經(jīng)驗(yàn)型模型的處理上具有較大的優(yōu)勢(shì)，因此，本文提出使用基于模糊識(shí)別的算法識(shí)別路況。

2 基于模糊控制的智能路況識(shí)別算法研究

根據(jù)模糊控制理論，模糊識(shí)別算法主要包含三部分：首先是確定輸入、輸出變量；其次對(duì)變量進(jìn)行模糊量化設(shè)計(jì)，得到各個(gè)變量的隸屬度函數(shù)并設(shè)計(jì)、建立輸入變量和輸出變量之間的模糊規(guī)則表；最后，完成解模糊化，得到最終結(jié)果[6]。因此，首先要確定路況識(shí)別模糊控制器的輸入、輸出變量。本文定義采集的車載傳感器信號(hào)為輸入變量，路況為輸出變量。

2.1 模糊識(shí)別參數(shù)的確定

反應(yīng)車輛行駛狀態(tài)的傳感器信號(hào)包括節(jié)氣門開(kāi)度、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、方向盤轉(zhuǎn)角、前后輪轉(zhuǎn)速差和制動(dòng)踏板開(kāi)度等，對(duì)于模糊控制器來(lái)說(shuō)，輸入變量越多控制越復(fù)雜、產(chǎn)生的模糊規(guī)則庫(kù)越龐大，同時(shí)，輸入變量越多并不意味著識(shí)別效果越好。所以本文確定使用車速、油門開(kāi)度和前后輪轉(zhuǎn)速差的三個(gè)參數(shù)作為模糊識(shí)別模型的輸入。

基于對(duì)車輛行駛環(huán)境的調(diào)研分析，總結(jié)得到影響車輛檔位變化的主要有道路本身的狀況和路面上的狀況兩種影響因素。當(dāng)兩種影響因素都較好時(shí)，此時(shí)定義為最基本的常規(guī)路況；根據(jù)道路本身的因素影響時(shí)，將路況分為顛簸、上坡和下坡；根據(jù)路面的影響因素，將路況分為濕滑路面和冰雪路面。所以，本文確定將這六種路況作為模糊識(shí)別模型的輸出。

2.2 輸入?yún)?shù)的模糊量化

由于本文討論的路況識(shí)別是在基于符合交通法律法規(guī)的情況下，駕駛員是正常理性下遵守交通規(guī)則的操作，因此根據(jù)我國(guó)交通法的規(guī)定，車輛在高速公路上行駛最高車速不得高于120km/h[8]，所以確定車速的論域范圍為[0，120]，量化論域?yàn)閇0，1]。而車輛在不同路況下會(huì)有不同的車速表現(xiàn)，為了使模型能夠更好地識(shí)別，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)的法律法規(guī)規(guī)定，我們將車速的模糊子集分為五級(jí)：[VS S M B VB]。其中，VS表示車速很小，車輛基本處于蠕行甚至是走走停停，范圍為0～15km/h；S表示車速小，車輛處于慢速行駛，車速范圍為15～30km/h；M表示車速中等，屬于正常的行駛范圍，車速區(qū)間為30～60km/h；B表示車速大，車速區(qū)間為60～90km/h；VB表示車速很大，此時(shí)已到達(dá)了法律法規(guī)規(guī)定的高速最大車速了，車速區(qū)間為90～120km/h。

油門開(kāi)度使用百分比來(lái)表示，由于油門開(kāi)度不會(huì)為油門不踩時(shí)為0%，油門全開(kāi)為100%。本文采取的油門開(kāi)度的論域范圍為[0，100%]，量化論域?yàn)閇0，1]。根據(jù)8速DCT的動(dòng)力性換擋曲線[9]，車速為本文最大為120km/h的時(shí)候，在不考慮特殊工況下，升檔時(shí)影響較大的點(diǎn)為20%、40%；降檔時(shí)影響較大的點(diǎn)為80%、40%。所以，我們將油門開(kāi)度的模糊子集也分為五個(gè)等級(jí)[VS，S，M，B，VB]。其中，VS表示油門開(kāi)度很小，油門開(kāi)度范圍為[0，20%]，S表示油門開(kāi)度小，范圍在[20%，40%]，M表示油門開(kāi)度中等，范圍是[40%，60%]，B表示開(kāi)度很大，范圍為[60%，80%]，VB表示油門開(kāi)度很大，范圍是[80%，100%]。

前后輪轉(zhuǎn)速差是由驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)產(chǎn)生的。車輛在平直路面上設(shè)計(jì)的最高滑轉(zhuǎn)比為15%[10]，而本文考慮的最高車速為120 km/h，因此在路面狀況較好的情況下極限的轉(zhuǎn)速差為18 km/h。在路面狀況較差的情況下，我國(guó)交通法規(guī)定最高車速不得超過(guò)30 km/h，所以車輛最高轉(zhuǎn)速差不會(huì)大于30 km/h。因此確定轉(zhuǎn)速差的論域范圍為[0，30]，量化論域同樣為[0，1]，此時(shí)模糊子集分為三個(gè)等級(jí)[S，M，B]，S表示轉(zhuǎn)速差小，代表的范圍為[0，10]；M表示轉(zhuǎn)速差處于中等，代表的范圍為[10，20]；B表示轉(zhuǎn)速差大，代表的范圍為[20，30]。

2.3 輸出參數(shù)的模糊量化

輸出的結(jié)果就是包括常規(guī)路況、顛簸路況、上坡、下坡、濕滑路面和冰雪路面的六種路況。其中常規(guī)路況是變速器換擋的標(biāo)準(zhǔn)，本文使用修正系數(shù)來(lái)描述其他五種路況，將量化論域規(guī)定為[-1，1]。在顛簸路況下容易頻繁換擋，對(duì)換擋策略要有一定的延時(shí)，但是修正的強(qiáng)度較小，設(shè)置為0.1為中心；在上坡時(shí)為了得到充足的動(dòng)力，對(duì)于升檔要延時(shí)，修正強(qiáng)度稍大，設(shè)置為0.3左右；下坡與上坡是一個(gè)對(duì)應(yīng)相反的過(guò)程，，所以設(shè)置修正系數(shù)為-0.3左右；在濕滑路面和冰雪路面下，車輛都存在打滑的問(wèn)題需要高掛一檔，同時(shí)又要防止車速過(guò)高，檔位不能升得太高，修正強(qiáng)度較大，修正系數(shù)分別設(shè)定為-0.6和0.6。圖4所示為本文根據(jù)上述分析建立的輸出路況隸屬度函數(shù)圖。

2.4 路況分析及路況識(shí)別表的建立

為了建立輸入、輸出的識(shí)別模型，需要對(duì)輸入輸出的參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析，并以此建立相應(yīng)的識(shí)別表。

2.4.1 常規(guī)路況

常規(guī)路況（C：Common road）是指路面平整、附著性較好以及行駛流暢沒(méi)有擁堵的路況。在常規(guī)路況下，車速會(huì)包含從低速到最高速的區(qū)間。而由于車速、行駛條件以及駕駛員習(xí)慣等會(huì)使得油門開(kāi)度也會(huì)包含著從很小到很大的一個(gè)廣泛的區(qū)間。車輛在行駛時(shí)雖然與路面之間存在一定的滑轉(zhuǎn)比，但由于路況較好，據(jù)汽車設(shè)計(jì)的傳動(dòng)比不同，前后輪轉(zhuǎn)速差包含的范圍也很大。

2.4.2 顛簸路況

顛簸路況（B：Bump road）是指路面相對(duì)于常規(guī)路況來(lái)說(shuō)路面高低不平，存在很多的坑坑洼洼。由于這些坑坑洼洼的存在，車輛在行駛的時(shí)候會(huì)使得其重心不斷地起伏，也就使其受到的阻力方向和大小都不斷地變化。因此，駕駛員會(huì)將車速控制的較低，此時(shí)檔位較低，根據(jù)自動(dòng)變速器的換擋曲線，此時(shí)的油門開(kāi)度應(yīng)該是處于中低開(kāi)度。前后輪轉(zhuǎn)速差基本可以忽略不計(jì)。

2.4.3 上坡

上坡（U：Up road）是指路面存在一定的坡度、由坡上向坡下行駛的路況。車輛的車速波動(dòng)范圍比較大，但是阻力的作用會(huì)使得車速又不會(huì)非常大，所以處于低速到高速的范圍[11]。爬坡時(shí)，由于阻力較大，油門開(kāi)度也會(huì)較大。由于上坡的時(shí)候的車速本身就不大，路面的附著性也沒(méi)有明顯的減小，滑轉(zhuǎn)率較小，因此前后輪的轉(zhuǎn)速差不會(huì)很大。

2.4.4 下坡

下坡（D：Down road）是上坡的一個(gè)逆過(guò)程。此時(shí)，重力沿路面方向的力則由阻力變成了推力，相當(dāng)于多了一個(gè)驅(qū)動(dòng)力。下坡時(shí)車車速也是在低速到高速范圍內(nèi)波動(dòng)，但在路況較好的高速路段，坡度不大的情況下，車速可能會(huì)很大，油門開(kāi)度會(huì)在很小到較大的范圍區(qū)間內(nèi)。踩制動(dòng)踏板又會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)輪車速小于從動(dòng)輪車速，所以存在一定的前后輪轉(zhuǎn)速差，此時(shí)轉(zhuǎn)速差也會(huì)隨著車速大小而存在較大的變化區(qū)間。

2.4.5 濕滑路況

濕滑路面（S：Slipy road）是指路面存在主要是水的介質(zhì)，使得路面與輪胎之間的摩擦系數(shù)較低，容易出現(xiàn)滑水現(xiàn)象的路面[12]。車速一般處于中低速，此時(shí)節(jié)氣門開(kāi)度就會(huì)保持在中高開(kāi)度以維持車速。車輛在水膜的影響下打滑會(huì)使得前后輪之間存在一定的轉(zhuǎn)速差，但是由于車速不是很高轉(zhuǎn)速差也不會(huì)很大，處于中等轉(zhuǎn)速差。

2.4.6 冰雪路況

冰雪路況（F：Freeze road）是指路面在溫度低至0度時(shí)路面積雪或者是積水被凍而形成冰狀的路面。因此對(duì)于正常理性的駕駛員來(lái)說(shuō)，車速會(huì)保持較低，一般處于中低速。由于冰雪路面與輪胎之間摩擦系數(shù)降低，汽車的驅(qū)動(dòng)力會(huì)存在損失，所以理性的駕駛員需要加深油門來(lái)保持車速，因此油門開(kāi)度一般處于中高開(kāi)度。冰雪路面下的摩擦系數(shù)降低，甚至打滑空轉(zhuǎn)，所以前后輪轉(zhuǎn)速差很大。

2.4.7 模糊識(shí)別規(guī)則表的建立

本文根據(jù)以上對(duì)理性駕駛員在不同路況下路況與車速、油門開(kāi)度和前后輪轉(zhuǎn)速差之間關(guān)系的分析，總結(jié)出車速（V）、油門開(kāi)度（Tp）和前后輪轉(zhuǎn)速差（Nd）與路況之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立了模糊識(shí)別推理表。

3 結(jié)論與展望

本文在不增加車輛現(xiàn)有傳感器的情況下，進(jìn)行行駛環(huán)境識(shí)別的方法研究，基于模糊控制理論，在MATLAB/Simulink平臺(tái)上。提出以車速、油門開(kāi)度和前后輪轉(zhuǎn)速差作為輸入，建立了只能路況識(shí)別系統(tǒng)模糊控制器仿真模型，為實(shí)現(xiàn)基于環(huán)境條件下的智能變速器的研制奠定了基礎(chǔ)。

由于本文所做的實(shí)驗(yàn)是基于六種路況，實(shí)際道路環(huán)境可能更加復(fù)雜，在一些特殊路況下的識(shí)別結(jié)果有待進(jìn)一步加入。另外，本文的實(shí)驗(yàn)也是基于駕駛員的理性駕駛行為，不同駕駛員意圖也是進(jìn)一步研究的內(nèi)容，使得模型更加完善，能更準(zhǔn)確、快速地識(shí)別出車輛行駛路況。

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