基于無人駕駛單流傳動(dòng)的中型履帶車輛大坡道起步控制

張瑞增，龔建偉，陳慧巖，王博洋，劉海鷗

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

0 引言

履帶車輛多工作于越野環(huán)境，工作環(huán)境較于普通輪式車輛更加復(fù)雜。國家軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，履帶式多用途工程車縱向爬坡度應(yīng)不小于46%(24.2°)[1]。由于履帶車輛一般自重較大，且工作環(huán)境特殊，履帶車輛坡道起步性能一直都是履帶車輛定型試驗(yàn)的重要考核項(xiàng)目，對(duì)于車輛的使用性能也有著重要影響。由于履帶車輛傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較普通輪式車輛有較大的區(qū)別，因此起步方式也有比較大的差異。

大坡道起步是有人車輛駕駛過程中最困難也是最危險(xiǎn)的內(nèi)容之一，要求駕駛員對(duì)制動(dòng)器、離合器和油門等機(jī)構(gòu)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制[2]。有人駕駛車輛可以依據(jù)駕駛員感知和駕駛者的駕駛經(jīng)驗(yàn)獲得較好的起步效果，而無人駕駛履帶車輛的坡道起步對(duì)于車輛的起步過程自動(dòng)控制提出了更高的要求。履帶車輛的起步方式主要有主離合器起步和操縱桿起步兩種，在運(yùn)動(dòng)阻力較大的地段上，要求使用行星轉(zhuǎn)向機(jī)或轉(zhuǎn)向離合器起步(即操縱桿起步)[3]。文獻(xiàn)[4]提出了根據(jù)離合器接合過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降程度來確定駐車制動(dòng)釋放時(shí)機(jī)的方法，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。文獻(xiàn)[5]基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，建立了基于離合器結(jié)合速度的起步過程分段控制模型。文獻(xiàn)[4-5]分別針對(duì)主離合器起步的駐車制動(dòng)釋放時(shí)機(jī)和主離合器的接合過程進(jìn)行了研究，但是其主要針對(duì)有人駕駛過程的坡道起步，發(fā)動(dòng)機(jī)通過駕駛員根據(jù)道路情況和車輛反饋進(jìn)行控制，無法滿足無人駕駛履帶車輛自動(dòng)起步的要求。文獻(xiàn)[6]基于輕型無人駕駛履帶車輛的坡道起步控制進(jìn)行了研究，建立模糊控制策略，但是其采用主離合器起步的控制方式控制雙側(cè)轉(zhuǎn)向離合器，沒有考慮兩側(cè)操縱桿的協(xié)同問題。文獻(xiàn)[7-8]分別針對(duì)履帶車輛起步過程中離合器摩擦力矩和起步加速過程進(jìn)行了分析。目前，國內(nèi)外針對(duì)車輛坡道起步的研究主要是圍繞起步阻力估計(jì)[9-11]和控制策略(PID控制[4-6]、最優(yōu)控制[12-13]、Bang-Bang控制[14]等)進(jìn)行的。

單流傳動(dòng)履帶車輛具有價(jià)格低廉、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，但是其特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)決定其運(yùn)動(dòng)控制不同于普通道路車輛。本文為提高無人駕駛履帶車輛的適用性，針對(duì)二級(jí)行星轉(zhuǎn)向機(jī)的履帶車輛特點(diǎn)，結(jié)合駕駛員經(jīng)驗(yàn)，提出了一種無人駕駛大坡道起步控制策略。

1 試驗(yàn)平臺(tái)起步過程分析

本文試驗(yàn)所研究的無人駕駛履帶車為履帶工程車輛，是由某型單流傳動(dòng)中型履帶車輛改造而成。車輛在原車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)電控化改造、自動(dòng)變速改造、轉(zhuǎn)向伺服控制系統(tǒng)改造(圖1中虛線部分)以及上裝作業(yè)裝置改造。

如圖1所示，轉(zhuǎn)向伺服控制系統(tǒng)的液壓泵安裝于傳動(dòng)箱取力口，轉(zhuǎn)向伺服液壓缸通過連桿和轉(zhuǎn)向機(jī)操縱機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)，對(duì)二級(jí)行星轉(zhuǎn)向機(jī)進(jìn)行控制。根據(jù)不同的道路情況，可選擇車輛的主離合器或二級(jí)行星轉(zhuǎn)向機(jī)用于車輛的起步控制。

相比于主離合器起步，在操縱桿起步過程中，二級(jí)行星轉(zhuǎn)向機(jī)處于加力狀態(tài)，車輛傳動(dòng)比增加；且發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的主動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量更大，有利于減小起步過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降。整車負(fù)載經(jīng)由兩側(cè)轉(zhuǎn)向機(jī)先后施加于發(fā)動(dòng)機(jī)，減少了發(fā)動(dòng)機(jī)由于瞬時(shí)負(fù)載過大導(dǎo)致熄火情況的出現(xiàn)。因此，操縱桿起步更能夠適應(yīng)車輛大坡道起步的需求，避免了主離合器的磨損。

1.1 人工駕駛操縱桿坡道起步過程

單流傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2所示，變速箱B兩側(cè)虛線框內(nèi)分別為左側(cè)和右側(cè)二級(jí)行星轉(zhuǎn)向機(jī)。

圖2 單流傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of a single circulating dynamic system

在人工操縱桿坡道起步過程中，初始時(shí)兩側(cè)操縱桿均處于第二位置(制動(dòng)狀態(tài)，操縱桿位置100%)，兩側(cè)停車制動(dòng)器TL、TR抱死，轉(zhuǎn)向制動(dòng)器ZL、ZR與閉鎖離合器LL、LR分離，此時(shí)太陽輪自由轉(zhuǎn)動(dòng)，車輛靜止于坡道上。當(dāng)車輛開始起步時(shí)，駕駛員掛擋并確定油門控制量，將一側(cè)操縱桿(以左側(cè)為例)推到第一位置(定傳動(dòng)比加力狀態(tài))。這個(gè)過程中，機(jī)械操縱裝置先后控制停車制動(dòng)器TL松開，轉(zhuǎn)向制動(dòng)器ZL接合，主動(dòng)輪獲得牽引力。當(dāng)一側(cè)履帶有動(dòng)力傳遞時(shí)，快速將另一側(cè)操縱桿推到第一位置，此時(shí)車輛兩側(cè)履帶均有動(dòng)力傳輸。而后駕駛員根據(jù)車輛實(shí)際狀態(tài)分別將兩側(cè)操縱桿推到原始位置(操縱桿位置0%)，此時(shí)兩側(cè)閉鎖離合器LL、LR接合，行星轉(zhuǎn)向機(jī)以傳動(dòng)比為1輸出動(dòng)力，車輛起步成功。

根據(jù)坡道大小和車輛狀態(tài)合理判斷兩側(cè)操縱桿動(dòng)作的時(shí)機(jī)是試驗(yàn)車輛協(xié)調(diào)起步的重點(diǎn)之一。

1.2 電子調(diào)速柴油發(fā)動(dòng)機(jī)特性分析

原有的12150L柴油機(jī)為機(jī)械式操控，無法滿足無人駕駛的要求，故需要進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)電控化改造，發(fā)動(dòng)機(jī)電子調(diào)速控制系統(tǒng)如圖3所示。將機(jī)械離心式全程調(diào)速器替換為電子調(diào)速器，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)期望轉(zhuǎn)速指令，依據(jù)反饋信息，改變柴油機(jī)的供油量，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)電子調(diào)速控制系統(tǒng)Fig.3 Electronic speed control system of engine

施加于發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)載荷對(duì)車輛起步性能有很大的影響[15]。在坡道起步之前，發(fā)動(dòng)機(jī)處于空載或者低負(fù)載狀態(tài)，以部分負(fù)荷特性運(yùn)轉(zhuǎn)，供油量較小，輸出功率低。在高負(fù)荷的起步條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載快速增加。為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，一方面需要發(fā)動(dòng)機(jī)電子調(diào)速控制系統(tǒng)依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化，迅速增加供油量；另一方面需要合理控制操縱桿接合速度，避免對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊過大。同時(shí)，坡道起步時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)初始轉(zhuǎn)速也對(duì)車輛起步成功率有很大的影響。表1為發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛動(dòng)力參數(shù)。

2 大坡道起步控制策略的制定方法

由于試驗(yàn)車輛為越野路面上行駛的無人駕駛履帶工程車，所以在制定車輛起步策略時(shí)將起步成功率和零部件使用壽命作為首要考慮因素。以下為主要考慮因素：

1)需要保證在不同坡道上車輛起步的成功率；

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛動(dòng)力參數(shù)Tab.1 Engine and vehicle power parameters

2)避免過大的沖擊，延長(zhǎng)零部件使用壽命，兩側(cè)制動(dòng)帶均勻磨損；

3)盡量避免“倒溜”和起步跑偏等問題出現(xiàn)；

4)如果車輛起步失敗，應(yīng)迅速采取制動(dòng)措施，避免發(fā)動(dòng)機(jī)憋熄火乃至倒爆現(xiàn)象的發(fā)生。

2.1 大坡道起步控制流程

通過對(duì)駕駛員控制車輛坡道起步的流程分析，制定了坡道起步控制軟件流程圖，如圖4所示，車輛開始處于坡道駐車狀態(tài)。

圖4 車輛起步控制流程圖Fig.4 Flow chart of vehicle starting

啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)之后，車載系統(tǒng)自動(dòng)獲取車輛位置，當(dāng)前道路性質(zhì)與坡道角度等信息，根據(jù)(1)式進(jìn)行車輛起步阻力的估算。然后掛1擋，接合主離合器。根據(jù)坡道阻力進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，確保起步時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載快速增加的過程中發(fā)動(dòng)機(jī)不熄火。在發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到適合起步的轉(zhuǎn)速時(shí)，控制一側(cè)操縱桿以快速運(yùn)動(dòng)至第一位置，待達(dá)到預(yù)設(shè)條件后，控制另一側(cè)操縱桿運(yùn)動(dòng)至第一位置，進(jìn)行車輛轉(zhuǎn)速的調(diào)整，待車輛發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后兩側(cè)操縱桿先后恢復(fù)原始位置。

如果車輛起步過程中任一時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)熄火或者發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速則認(rèn)為車輛起步失敗，車輛采取制動(dòng)措施，松離合器，掛空擋。在操縱桿接合過程中還需要根據(jù)起步狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)控制參數(shù)，避免由于起步負(fù)荷過大導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)憋熄火。

2.2 道路環(huán)境信息的獲取與計(jì)算

試驗(yàn)采用了實(shí)驗(yàn)室采集制作的具有路面性質(zhì)的電子地圖[16]，基于車輛實(shí)時(shí)衛(wèi)星定位信息進(jìn)行路網(wǎng)匹配和解算，直接獲取道路類型、阻力系數(shù)和附著系數(shù)等信息。

如圖5所示，道路環(huán)境信息通過環(huán)境信息接收模塊、處理模塊和發(fā)送模塊3個(gè)層面實(shí)現(xiàn)。

圖5 道路信息獲取概況Fig.5 Road information acquisition

定位信息通過車載差分GPS獲取，定位精度小于0.2 m，慣性導(dǎo)航航向角、俯仰角和側(cè)傾角等通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)獲取。工控機(jī)根據(jù)GPS定位信息進(jìn)行路網(wǎng)的匹配與解算，獲得當(dāng)前的車輛位置、道路性質(zhì)信息，查表獲取當(dāng)前道路的阻力系數(shù)、附著系數(shù)并且計(jì)算當(dāng)前道路的起步阻力，圖6為電子地圖軟件實(shí)現(xiàn)流程。

圖6 電子地圖軟件實(shí)現(xiàn)流程Fig.6 Implementation process of electronic map software

圖7 履帶車縱向坡道受力簡(jiǎn)圖Fig.7 Force of tracked vehicle on longitudinal ramp

圖7為履帶車縱向坡道受力簡(jiǎn)圖，將車輛受力轉(zhuǎn)換到質(zhì)心。圖7中：F為地面支持力的合力；Fv為履帶車驅(qū)動(dòng)力；Fb為坡道起步開始之前受到的制動(dòng)力；Fa為起步開始后受到的加速阻力；G為重力；Fr為履帶車行駛時(shí)的地面阻力，且Fr=fGcosα，f為履帶車行駛時(shí)的運(yùn)動(dòng)阻力系數(shù)，α為坡度。如要滿足車輛順利起步的條件，應(yīng)當(dāng)有

(1)

式中：φ為地面附著力系數(shù)。即：該車起步阻力應(yīng)當(dāng)小于或等于該車的最大許用起步阻力Fp，且總驅(qū)動(dòng)力小于地面能夠提供的最大附著力。

3 起步操縱桿位置聚類分析與協(xié)調(diào)控制

3.1 操縱桿位置聚類分析

由于二級(jí)行星轉(zhuǎn)向機(jī)的特性，以及不可避免的操縱機(jī)構(gòu)磨損，轉(zhuǎn)向機(jī)第一位置不僅僅是一個(gè)確定的點(diǎn)，而是在一定區(qū)間內(nèi)都有其作用范圍。為了避免車輛“倒溜”，減少起步?jīng)_擊，需要控制操縱桿在非敏感區(qū)間內(nèi)快速移動(dòng)，而在敏感區(qū)間內(nèi)以較慢速度移動(dòng)。在機(jī)械上很難直接獲得敏感區(qū)間與非敏感區(qū)間的分界面，且缺乏劃分依據(jù)。在工程應(yīng)用中大多采用基于經(jīng)驗(yàn)的劃分方式。

本文使用高斯混合模型(GMM)對(duì)車輛左、右兩側(cè)操縱桿位置進(jìn)行聚類分析，通過統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)操縱桿工作區(qū)間進(jìn)行概率的描述，表征車輛操縱桿的功能范圍，劃分操縱桿敏感與非敏感區(qū)間。

多變量GMM如(2)式所示。

(2)

(3)

式中：G(x)為變量x的高斯分布；g(x，μi，εi)為概率密度函數(shù)；k為高斯分量的數(shù)目；pi為各高斯分量的先驗(yàn)概率值；μi為各高斯分量的中心點(diǎn)矩陣；εi為各高斯分量的協(xié)方差矩陣；d為變量x的數(shù)據(jù)維度。

本文利用車輛所搭載的同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)車輛轉(zhuǎn)向過程中左、右操縱桿位置信息和車輛輪速信息進(jìn)行采集，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。去除車輛直行和原地轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)，然后利用極大似然估計(jì)結(jié)合期望最大化(EM)算法，可求得表征操縱桿全區(qū)間概率密度分布的GMM參數(shù)。限于篇幅問題，本文只針對(duì)起步過程左側(cè)操縱桿的聚類結(jié)果進(jìn)行討論，并設(shè)定控制分界面。

車輛左側(cè)操縱桿的GMM如圖8所示，其中μ、σ分別為均值與方差，縱坐標(biāo)表示概率密度值，橫坐標(biāo)表示操縱桿動(dòng)作區(qū)間。每個(gè)區(qū)間代表操縱桿的一類動(dòng)作,Ⅰ區(qū)間對(duì)應(yīng)操縱桿第一位置和原始位置之間的切換，Ⅱ區(qū)間為第一位置，Ⅲ區(qū)間對(duì)應(yīng)操縱桿第一位置和第二位置之間的切換。模型的概率區(qū)間體現(xiàn)了操縱桿的作用范圍。

圖8 左側(cè)操縱桿高斯混合模型Fig.8 Gauss mixture model of left joystick

以高斯分布中置信度為95.4%的區(qū)間分界作為操縱桿第一位置敏感區(qū)域和非敏感區(qū)域的劃分依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)已經(jīng)離線訓(xùn)練得到的操縱桿GMM聚類模型，以及依據(jù)聚類模型得到的分界面判定邏輯，輸出控制切換面。

(4)

式中：u(t)為操縱桿執(zhí)行器的輸出速度，s為操縱桿實(shí)際位置，當(dāng)u(t)=vmax時(shí)，對(duì)應(yīng)操縱桿執(zhí)行器的最大輸出速度vmax；N為控制切換面，當(dāng)實(shí)際位置在分界面內(nèi)時(shí)，則轉(zhuǎn)入?yún)^(qū)間內(nèi)模糊PI控制邏輯。

3.2 操縱桿協(xié)調(diào)起步過程受力分析

由于兩側(cè)操縱桿先后動(dòng)作，若兩側(cè)操縱桿動(dòng)作時(shí)間間隔過小，一側(cè)驅(qū)動(dòng)力較小，而另一側(cè)又過早失去制動(dòng)力，會(huì)導(dǎo)致車輛嚴(yán)重“倒溜”。當(dāng)兩側(cè)操縱桿動(dòng)作時(shí)間間隔過長(zhǎng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致車輛起步不協(xié)調(diào)，航向側(cè)偏，甚至車輛轉(zhuǎn)向阻力過大而熄火。

(5)

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圖9 坡道原地轉(zhuǎn)向過程受力分析Fig.9 Force analysis of slope turning

(7)

(8)

4 起步過程的發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略

發(fā)動(dòng)機(jī)控制是車輛坡道起步的關(guān)鍵之一，合理的發(fā)動(dòng)機(jī)初始轉(zhuǎn)速設(shè)置能夠提高車輛起步成功率。為了便于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析，將兩側(cè)轉(zhuǎn)向機(jī)看作一個(gè)離合器。如圖10所示：曲線nD1和nD2分別為不同初始轉(zhuǎn)速下離合器主動(dòng)部分的轉(zhuǎn)速,且曲線nD2的初始轉(zhuǎn)速大于nD1的初始轉(zhuǎn)速；曲線nP1和nP2分別為不同負(fù)載下被動(dòng)部分的轉(zhuǎn)速，且曲線nP2對(duì)應(yīng)的負(fù)載大于nP1對(duì)應(yīng)的負(fù)載；nmin為發(fā)動(dòng)機(jī)最小穩(wěn)定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的離合器主動(dòng)部分轉(zhuǎn)速,當(dāng)主動(dòng)部分在轉(zhuǎn)速nD1時(shí)開始接合離合器，車輛負(fù)載為曲線nP1對(duì)應(yīng)的負(fù)載時(shí)，主動(dòng)、從動(dòng)部分在n2處同步，n2>nmin，車輛起步成功；而當(dāng)車輛負(fù)載為曲線nP2對(duì)應(yīng)的負(fù)載時(shí)，主動(dòng)、從動(dòng)部分在n1處同步，n1nmin，車輛起步需要隨著坡道阻力的增加，適當(dāng)提高發(fā)動(dòng)機(jī)初始轉(zhuǎn)速。

圖10 起步過程離合器轉(zhuǎn)速變化Fig.10 Speed change of clutch during starting

根據(jù)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，確定操縱桿起步過程中發(fā)動(dòng)機(jī)初始轉(zhuǎn)速的設(shè)定值，如表2所示。

表2 不同負(fù)載下發(fā)動(dòng)機(jī)初始轉(zhuǎn)速期望值Tab.2 Expected values of initial engine speed underdifferent loads

改裝后發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)現(xiàn)有的雙層PID控制參數(shù)設(shè)置更多地考慮正常駕駛工況下發(fā)動(dòng)機(jī)控制的穩(wěn)定性,響應(yīng)性較差。在車輛起步過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載變化大，容易熄火。由于現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)PID參數(shù)無法在線修改，試驗(yàn)中通過模糊控制下發(fā)期望轉(zhuǎn)速的變化量，以期獲得更快的發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)。

5 實(shí)車驗(yàn)證分析

結(jié)合試驗(yàn)車輛的硬件條件和圖4中的軟件控制流程，編寫了試驗(yàn)控制程序?？刂撇呗越?jīng)試驗(yàn)車輛分別在硬質(zhì)土路面的15.5°、17.0°、19.0°、20.0°坡道上進(jìn)行了多次試驗(yàn)，試驗(yàn)均取得成功。為了對(duì)自動(dòng)控制軟件的控制水平進(jìn)行衡量，在相近工況環(huán)境下，引入駕駛員人工駕駛車輛的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

試驗(yàn)中采集的人工駕駛起步和自動(dòng)駕駛起步的一組數(shù)據(jù)如圖11～圖14所示，航向角、俯仰角數(shù)據(jù)由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)采集，沖擊度由計(jì)算獲取。表3為試驗(yàn)平臺(tái)部分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖11 人工駕駛17.0°(31%)坡道實(shí)車起步數(shù)據(jù)Fig.11 Starting data of real car on a ramp with slope of 17.0°(31%) during manual driving

圖12 自動(dòng)駕駛15.5°(28%)坡道實(shí)車起步數(shù)據(jù)Fig.12 Starting data of real car on a ramp with slope of 15.5° (28%) during automatic driving

圖13 人工駕駛19.0°(34%)坡道實(shí)車起步數(shù)據(jù)Fig.13 Starting data of real car on a ramp with slope of 19.0°(34%) during manual driving

圖14 自動(dòng)駕駛20.0°(36%)坡道實(shí)車起步數(shù)據(jù)Fig.14 Starting data of real car on a ramp with slope of 20.0°(36%)during automatic driving

由圖11～圖14數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)駕駛起步過程較人工駕駛起步過程耗時(shí)短，且運(yùn)用了發(fā)動(dòng)機(jī)模糊控制策略和操縱桿協(xié)調(diào)控制策略，轉(zhuǎn)速控制更加平穩(wěn)。由于原車助力機(jī)構(gòu)的設(shè)置，人工駕駛操縱桿接合速度為先慢、后快，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向制動(dòng)帶快速抱死，起步過程發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降較多。人工駕駛在大坡道上起步時(shí)間較長(zhǎng)主要是由于起步過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降過多，駕駛員在加力擋維持了較長(zhǎng)時(shí)間等待轉(zhuǎn)速恢復(fù)導(dǎo)致的。由于起步方式的特殊性，自動(dòng)駕駛起步與人工駕駛起步過程中車輛均出現(xiàn)了不同程度的航向偏差。特別是自動(dòng)駕駛起步過程中，由于操縱桿動(dòng)作最大速度的限制，出現(xiàn)了較大的航向角波動(dòng)。兩側(cè)操縱桿的交替動(dòng)作補(bǔ)償了航向的偏差，最終航向偏差1°左右，對(duì)于起步過程低速的駕駛影響不大，能夠滿足坡道起步的要求。

同時(shí)，本文還針對(duì)上述坡道各進(jìn)行了多次起步試驗(yàn)，均取得成功，具體試驗(yàn)結(jié)果見表4. 由于兩側(cè)操縱桿先后動(dòng)作，車輛兩側(cè)“倒溜”的程度并不一致，這里“倒溜”距離通過霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器反饋的雙側(cè)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)計(jì)算后取兩側(cè)平均值得到。人工駕駛起步耗時(shí)和航向偏差變化較大，而自動(dòng)駕駛起步表現(xiàn)更加穩(wěn)定。

在硬質(zhì)土路面17°坡道人工駕駛起步時(shí)，在操縱桿動(dòng)作較長(zhǎng)時(shí)間后兩側(cè)輪速才開始響應(yīng)，是由于轉(zhuǎn)向機(jī)出現(xiàn)打滑、駕駛員操縱不到位導(dǎo)致的。

通過上述試驗(yàn)可以看出，在試驗(yàn)坡道中，自動(dòng)駕

表3 試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)表Tab.3 Structural parameters of test platform

表4 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Statistical table of test results

駛起步過程相比于人工駕駛起步過程在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制、車輛“倒溜”控制、起步時(shí)間和沖擊度的控制中有更好的表現(xiàn)。由于試驗(yàn)場(chǎng)地的限制，同一測(cè)試坡道上坡度有起伏，也沒能進(jìn)行更大角度坡道的試驗(yàn),但是目前的試驗(yàn)?zāi)軌蜃C明本方法對(duì)較大坡道有較好的效果。

6 結(jié)論

1)對(duì)人工駕駛過程進(jìn)行分析，確定操縱桿起步的關(guān)鍵在于操縱桿動(dòng)作速度和時(shí)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性控制，并且根據(jù)駕駛員操作規(guī)范制定了車輛坡道自動(dòng)起步過程的控制策略。

2)對(duì)起步過程中操縱桿動(dòng)作進(jìn)行GMM聚類分析，確定操縱桿第一位置敏感區(qū)域和非敏感區(qū)域的分界面，并且對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性控制。

3)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)電調(diào)系統(tǒng)的特性進(jìn)行了分析，討論了發(fā)動(dòng)機(jī)起步過程熄火的關(guān)鍵因素，制定了坡道起步過程的發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略。

4)根據(jù)車輛自動(dòng)起步策略和發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略編寫了自動(dòng)坡道起步控制軟件，并且應(yīng)用到無人駕駛車輛上，在多種坡道上進(jìn)行了驗(yàn)證，相比于人工駕駛起步過程有較好的效果。