純電動(dòng)客車加速踏板防誤踩控制研究

李文皓, 黃玉鵬, 陳振國(guó), 張 剛, 楊傳開

(1.中通客車股份有限公司, 山東 聊城 252000;2.山東省新能源客車安全與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 聊城 252000)

相較于傳統(tǒng)機(jī)械操縱車輛,純電動(dòng)客車動(dòng)力響應(yīng)速度快,一旦發(fā)生加速踏板被誤踩的情況,從理論上講,造成事故的嚴(yán)重程度會(huì)更高。因此,研究可以準(zhǔn)確識(shí)別加速踏板誤踩行為與在誤踩行為下切斷動(dòng)力傳輸?shù)姆椒?對(duì)安全駕駛具有重要意義。

1 駕駛員誤踩行為特征分析

誤踩加速踏板的原因主要分為兩種:一是由于駕駛員心理緊張或疏忽大意,錯(cuò)把加速踏板當(dāng)成制動(dòng)踏板;二是由于不當(dāng)?shù)鸟{駛姿勢(shì)或其他因素導(dǎo)致加速踏板踩踏力度異常增加。通過設(shè)置閾值的方式可部分有效避免誤踩行為,但不同駕駛員具有不同的駕駛行為特征,部分駕駛員在正常急加速時(shí)踩下加速踏板的開度和開度變化率與另外一些駕駛員誤踩加速踏板時(shí)的特征不具備顯著性差異[1-2],因此,僅通過設(shè)置踏板閾值的方式容易造成行為誤判。

經(jīng)過對(duì)實(shí)際駕駛案例的調(diào)查與研究,部分激進(jìn)型駕駛員會(huì)通過急踩加速踏板的方式實(shí)現(xiàn)換道超車。因此,當(dāng)加速踏板輸入超過所設(shè)閾值時(shí),有必要設(shè)法區(qū)分是駕駛員的主動(dòng)操作或是踏板誤踩行為。

通過對(duì)多名駕駛員正常駕駛與快速超車的行為進(jìn)行實(shí)際測(cè)試,結(jié)果見表1。將數(shù)據(jù)以50 ms為基準(zhǔn)劃分為不同階段,計(jì)算出不同階段的加速踏板最大開度變化值。通過數(shù)據(jù)分析可得,多名駕駛員在正常駕駛時(shí),50 ms內(nèi)的加速踏板最大開度值分布在12%～21%,快速超車時(shí)的加速踏板最大開度值分布在25%～51%。

表1 加速踏板50 ms內(nèi)開度值變化測(cè)試結(jié)果

通過以上分析,本文將加速踏板開度變化率閾值設(shè)置為50 ms內(nèi)變化50%。

2 電動(dòng)客車加速踏板防誤踩控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)方案

本文設(shè)計(jì)的加速踏板防誤踩系統(tǒng)包括交互層、感知層、控制層、執(zhí)行層,如圖1所示。駕駛員通過踩踏加速踏板與車輛進(jìn)行交互,通過車載高精度、高性能雷達(dá)、攝像頭、車速傳感器等實(shí)時(shí)感知車輛前方障礙物距離[3]、駕駛員頭部轉(zhuǎn)動(dòng)角度、車速等信號(hào),并通過CAN通信的方式將融合與處理后的信號(hào)傳遞到整車控制器,通過整車控制器內(nèi)嵌的控制策略將控制指令傳遞至電機(jī)控制器,最終由電機(jī)執(zhí)行動(dòng)力抑制指令。

圖1 加速踏板防誤踩系統(tǒng)架構(gòu)

如圖2所示,純電動(dòng)客車采用的電子加速踏板為雙通道冗余設(shè)計(jì)[4],一路模擬量電壓為基準(zhǔn)值,另一路為校驗(yàn)值,在正常情況下,兩路通道輸出電壓呈兩倍關(guān)系。通過踏板位置傳感器對(duì)兩通道模擬量電壓進(jìn)行檢測(cè),然后將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為踏板位置信號(hào)并線性對(duì)應(yīng),同時(shí)在CAN網(wǎng)絡(luò)廣播加速踏板開度信號(hào)。如系統(tǒng)判斷出加速踏板處于誤踩時(shí)的異常狀態(tài),整車控制器不再向電機(jī)控制器發(fā)出轉(zhuǎn)矩請(qǐng)求,此時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為0。

圖2 加速踏板電壓輸出特性圖

2.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

純電動(dòng)客車加速踏板防誤踩系統(tǒng)的觸發(fā)時(shí)機(jī)由風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型決定。本文基于TTC算法設(shè)計(jì)了防誤踩系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,TTC指駕駛員通過控制車速避免與前方障礙物發(fā)生碰撞的時(shí)間[5],具體公式如下:

式中:Δs為車輛與障礙物相對(duì)距離;Δv為相對(duì)速度;Δa為相對(duì)加速度。

TTC閾值指加速踏板防誤踩系統(tǒng)開始系統(tǒng)介入時(shí)的TTC臨界值。本文依據(jù)避撞測(cè)試工況相關(guān)研究成果,制定了不同車速下的防誤踩系統(tǒng)介入閾值,詳見表2。

表2 不同車速下防誤踩系統(tǒng)介入的TTC閾值

以車速小于20 km/h為例,TTC>2.7 s時(shí)為安全行駛等級(jí),防誤踩系統(tǒng)不介入,車輛正常行駛,系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)值為0。當(dāng)TTC≤2.7 s時(shí),雷達(dá)傳感器探測(cè)到車輛存在潛在碰撞風(fēng)險(xiǎn),屆時(shí)正確駕駛操作應(yīng)為踩踏制動(dòng)踏板或換道避障,而非踩踏加速踏板。因此,將該值設(shè)置為防誤踩系統(tǒng)的介入閾值,防誤踩系統(tǒng)激活,發(fā)出信號(hào)值1。

3 純電動(dòng)客車加速踏板防誤踩控制策略

3.1 駕駛員非誤踩行為識(shí)別

僅設(shè)置加速踏板閾值容易造成行為誤判,為解決這一問題,提升加速踏板誤踩行為識(shí)別的準(zhǔn)確率,引入駕駛員換道超車意圖的判別,即非誤踩行為的識(shí)別。

相關(guān)研究表明[6],意圖換道階段與車道保持階段駕駛?cè)祟^部轉(zhuǎn)動(dòng)角度具備顯著性差異。此外,在意圖換道超車階段,駕駛?cè)说淖⒁饬膶?duì)車輛的操控轉(zhuǎn)移到對(duì)周圍環(huán)境的觀察,通過調(diào)整車速以獲得有利的換道超車條件,從而導(dǎo)致車輛行駛速度的波動(dòng)。

本文選取駕駛員頭部轉(zhuǎn)動(dòng)角度與車輛速度的標(biāo)準(zhǔn)差作為駕駛員換道超車意圖的表征。當(dāng)駕駛員單側(cè)頭部轉(zhuǎn)動(dòng)角度大于10°且車速標(biāo)準(zhǔn)差大于6 km/h時(shí)判定為換道超車意圖,若此時(shí)加速踏板的輸入超過所設(shè)閾值,認(rèn)定為駕駛員主動(dòng)操作而非誤踩行為。

3.2 防誤踩控制系統(tǒng)的時(shí)間窗

時(shí)間窗是指駕駛員表現(xiàn)出意圖換道駕駛行為特征的時(shí)間寬度[6-7],時(shí)間窗寬度大小對(duì)換道意圖的辨識(shí)有較大影響,且尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),寬度值過小則時(shí)間窗內(nèi)包含的信息不足以對(duì)換道超車意圖進(jìn)行判定,寬度過大則會(huì)導(dǎo)致識(shí)別精度偏低。已有學(xué)者通過對(duì)比換道之前8 s與換道之前3 s的行為特性,得出在換道之前3 s,駕駛?cè)藭?huì)表現(xiàn)出典型的注視及操作行為特性的結(jié)論[8]?；谠擁?xiàng)研究成果,考慮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與連續(xù)性,采用連續(xù)識(shí)別的方法,設(shè)定時(shí)間窗寬度參考值為3 s。

3.3 防誤踩控制邏輯

如圖3所示,通過計(jì)算車輛與障礙物相對(duì)距離、相對(duì)速度與相對(duì)加速度等參數(shù)判斷車輛是否進(jìn)入TTC的預(yù)警范圍。若未進(jìn)入預(yù)警范圍,則依據(jù)加速踏板位置信號(hào)發(fā)出轉(zhuǎn)矩請(qǐng)求,響應(yīng)動(dòng)力輸出。若進(jìn)入預(yù)警范圍,防誤踩控制系統(tǒng)則被激活,在系統(tǒng)激活狀態(tài)下,整車控制器實(shí)時(shí)計(jì)算加速踏板開度及其變化率。若開度及開度變化率未超過所設(shè)閾值,執(zhí)行動(dòng)力輸出。當(dāng)計(jì)算出加速踏板開度及其變化率超過所設(shè)閾值后,計(jì)算前3 s駕駛員單側(cè)頭部轉(zhuǎn)動(dòng)角度以及車速標(biāo)準(zhǔn)差,判斷駕駛員是否具備換道超車意圖。若系統(tǒng)判斷駕駛員具備換道超車意圖,則判定為非誤踩行為,執(zhí)行動(dòng)力輸出。反之,則判定為誤踩行為,整車控制器將加速踏板輸入作無效處理,不再發(fā)出轉(zhuǎn)矩請(qǐng)求,動(dòng)力輸出為0。當(dāng)加速踏板開度置為0且重新采集到有效的加速踏板開度值時(shí),則依據(jù)當(dāng)前踏板位置信號(hào)請(qǐng)求轉(zhuǎn)矩,恢復(fù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出。

圖3 防誤踩控制邏輯流程

3.4 制動(dòng)控制

當(dāng)加速踏板狀態(tài)被判定為誤踩,執(zhí)行動(dòng)力輸出為0的同時(shí)執(zhí)行制動(dòng)操作[9]。車輛制動(dòng)所需的減速度由車輛與障礙物縱向距離Δs及車輛與障礙物縱向相對(duì)速度ΔV決定。本文采用模糊控制算法對(duì)車輛制動(dòng)進(jìn)行模糊控制,輸入量為縱向相對(duì)距離Δs,縱向相對(duì)速度ΔV,輸出量為車輛減速度aout。

如圖4和圖5所示,考慮傳感器的探測(cè)范圍,將ΔV的論域設(shè)置為[0,80],模糊語言變量為V1、V2、V3、V4、V5;Δs的論域設(shè)置為[0,100],模糊語言變量為S1、S2、S3、S4、S5、S6。如圖6所示,將aout的論域設(shè)置為[-10,0],模糊語言變量為N1、N2、N3、N4、N5、N6。利用MATLAB Fuzzy Toolbox建立模糊控制器,如圖7所示,模糊關(guān)系法則為Mamdani,解模糊法為重心法。在隸屬度函數(shù)中,縱坐標(biāo)[0,1]表示輸入變量的隸屬度,指輸入數(shù)據(jù)與該模糊集合的匹配程度。

圖4 縱向相對(duì)速度隸屬度函數(shù)曲線

圖5 縱向相對(duì)距離隸屬度函數(shù)曲線

圖6 輸出減速度隸屬度函數(shù)曲線

圖7 模糊控制輸入輸出變量曲面

純電動(dòng)客車制動(dòng)力來源于電機(jī),通過模糊控制器輸出的減速度值,依據(jù)車輛在道路上制動(dòng)時(shí)的力學(xué)平衡方程[10],則可以得出不同減速度情況下的制動(dòng)需求扭矩Btq:

式中:δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);m為整車載重;a0為車輛需求減速度;g為重力加速度;f為滾動(dòng)阻力系數(shù);α為坡度角;CD為風(fēng)阻系數(shù);A為迎風(fēng)面積;V為車速;r為半徑;i0為后橋速比;ηT為傳動(dòng)效率。

4 加速踏板防誤踩控制策略仿真

基于上述控制策略,采用MATLAB/Simulink搭建了防誤踩控制系統(tǒng)仿真模型。如圖8和圖9仿真工況所示,設(shè)置相對(duì)加速度為0,加速踏板開度及其變化率超過閾值且未判定為換道超車意圖。

圖8 相對(duì)距離變化曲線

圖9 相對(duì)速度變化曲線

如圖10和圖11仿真結(jié)果所示,當(dāng)沒有進(jìn)入TTC的預(yù)警范圍時(shí),防誤踩系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)值0,系統(tǒng)未介入,正常響應(yīng)加速踏板輸入。當(dāng)進(jìn)入TTC的預(yù)警范圍后,系統(tǒng)正確發(fā)出信號(hào)值1,防誤踩控制介入,車輛進(jìn)行制動(dòng),且在車輛與障礙物相對(duì)距離越小、相對(duì)速度越大的情況下其輸出減速度越大,滿足控制要求。不同距離與速度下的車輛減速度曲線變化平滑,未出現(xiàn)大幅度波動(dòng)。

圖10 TTC的預(yù)警信號(hào)變化曲線

圖11 輸出減速度變化曲線

5 結(jié)束語

本文提出了一種純電動(dòng)客車加速踏板防誤踩控制方法,將TTC的閾值設(shè)置為防誤踩控制系統(tǒng)的觸發(fā)時(shí)機(jī)?；隈{駛員頭部轉(zhuǎn)動(dòng)角度信號(hào)以及車速標(biāo)準(zhǔn)差區(qū)分了駕駛員主動(dòng)急踩加速踏板進(jìn)行超車與誤踩加速踏板的行為,提升了防誤踩控制識(shí)別的準(zhǔn)確率。最后,設(shè)計(jì)了誤踩加速踏板情況下的車輛制動(dòng)模型,并采用MATLAB/Simulink進(jìn)行了仿真,結(jié)果表明設(shè)計(jì)的控制策略及模型滿足控制要求。