越野汽車(chē)差速鎖自動(dòng)控制策略展望

摘要：電子差速鎖是提高越野車(chē)通過(guò)性和機(jī)動(dòng)性的有效手段之一，研究差速鎖自動(dòng)控制策略對(duì)推動(dòng)車(chē)輛智能化發(fā)展具有重要意義?；诖?，對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外電子差速鎖控制策略研究進(jìn)行了分類(lèi)闡述，同時(shí)歸納了各類(lèi)控制策略的特點(diǎn)并指出其存在的問(wèn)題。針對(duì)目前存在的一些問(wèn)題，提出了汽車(chē)電子差速鎖控制策略，即應(yīng)該向多信息融合方向發(fā)展，開(kāi)發(fā)控制策略的多工況實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)和驗(yàn)證，同時(shí)提出了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：車(chē)輛通過(guò)性；車(chē)輛狀態(tài)；差速鎖；控制策略

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.3" 收稿日期：2023-10-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.12.007

1 前言

差速鎖是一種解決車(chē)輛脫困的機(jī)構(gòu)。傳統(tǒng)機(jī)械式差速鎖的使用一直存在兩方面的問(wèn)題：a.駕駛員操作不熟練差速鎖鎖止不及時(shí)，不利于脫困或者鎖止得過(guò)早，會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛輪胎磨損加大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞傳動(dòng)系統(tǒng)[1-2]。b.解鎖不及時(shí)[3-4]，若車(chē)輛已處于正常行駛和轉(zhuǎn)向狀態(tài)，差速鎖鎖止?fàn)顟B(tài)未解除時(shí)，同樣會(huì)造成車(chē)輛輪胎磨損加大和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力流失增加油耗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞傳動(dòng)部件[5-6]。

由于傳統(tǒng)機(jī)械式差速鎖存在上述問(wèn)題，所以采用電子差速鎖自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)提高越野車(chē)通過(guò)性和機(jī)動(dòng)性[7]。電子差速鎖自動(dòng)控制系統(tǒng)[8-9]主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制器三大部分組成，其工作原理是控制器接收傳感器檢測(cè)的車(chē)輛狀態(tài)信息[4，10-11]，即車(chē)速、輪速、轉(zhuǎn)向角等。若控制器判斷車(chē)輛趴窩，則發(fā)出信號(hào)。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)施加驅(qū)動(dòng)力給執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)車(chē)輛差速器進(jìn)行鎖止和解鎖，不需要人為判斷和操作，所以車(chē)輛狀態(tài)信息對(duì)差速鎖的控制策略尤為重要。越野車(chē)電子差速鎖控制策略的關(guān)鍵目標(biāo)是使車(chē)輛能適應(yīng)各種路況[12]。由于越野汽車(chē)行駛的路況極其復(fù)雜，因此越野車(chē)差速鎖的自動(dòng)控制策略也相應(yīng)變得復(fù)雜[10，13]。深入研究電子差速鎖的自動(dòng)控制策略對(duì)于推動(dòng)車(chē)輛智能化發(fā)展具有重要意義[6]。因此，越野車(chē)差速鎖自動(dòng)控制策略成為當(dāng)前電子差速鎖控制系統(tǒng)研究的主要關(guān)注方向[11]。

根據(jù)差速鎖控制策略對(duì)輸入?yún)?shù)信息的處理方式不同，越野車(chē)電子差速鎖控制策略大致分為以下三類(lèi)（見(jiàn)表1）。對(duì)此我們用三個(gè)維度對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)[14-15][41]：實(shí)施響應(yīng)性、系統(tǒng)魯棒性、控制的精準(zhǔn)性。

2 基于邏輯門(mén)限控制的差速鎖控制策略

運(yùn)用邏輯門(mén)限來(lái)控制差速鎖的鎖止和解鎖，主要依靠檢測(cè)車(chē)輛速度和車(chē)輪側(cè)滑角等參數(shù)來(lái)判斷車(chē)輛是否趴窩，進(jìn)而控制器發(fā)出指令控制差速鎖的鎖止和解鎖。文獻(xiàn)[2]通過(guò)建立四軸的越野汽車(chē)的汽車(chē)模型、運(yùn)用simulink等仿真軟件，確立了各個(gè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速隨車(chē)輛轉(zhuǎn)向角和車(chē)速的變化規(guī)律，并確定了車(chē)輛差速鎖的鎖止門(mén)限，分析了車(chē)輛差速鎖的鎖止和解鎖的參數(shù)門(mén)限高低對(duì)車(chē)輛行駛性能的影響。該策略需要獲取較為精確的車(chē)輛轉(zhuǎn)向角和車(chē)輛速度值，受硬件的影響較大，系統(tǒng)魯棒性較差。文獻(xiàn)[19]運(yùn)用邏輯門(mén)限控制方法提出了一種差速鎖的控制方法，如圖1所示。這種控制過(guò)程主要依據(jù)傳感器檢測(cè)兩邊車(chē)輪的轉(zhuǎn)速信號(hào)并計(jì)算其轉(zhuǎn)速差、油門(mén)信號(hào)、制動(dòng)信號(hào)、車(chē)速信號(hào)等。當(dāng)車(chē)速低于某個(gè)極限值（經(jīng)驗(yàn)判斷）并且轉(zhuǎn)速差高于某個(gè)極限值（自己設(shè)定）時(shí)，對(duì)兩邊車(chē)輪進(jìn)行制動(dòng)，然后按照預(yù)設(shè)時(shí)間，通過(guò)解除車(chē)輪制動(dòng)狀態(tài)來(lái)達(dá)到差速鎖的鎖止目標(biāo)。首先解除轉(zhuǎn)速低的車(chē)輪制動(dòng)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速高（打滑）的車(chē)輪保持制動(dòng)狀態(tài)，然后車(chē)速高于某個(gè)極限值，解除輪速高的車(chē)輪制動(dòng)，來(lái)達(dá)到車(chē)輛脫困的目的[20]。該算法所需要的車(chē)輛狀態(tài)信息較多，分別為其設(shè)立了狀態(tài)極限值，該極限值主要通過(guò)試驗(yàn)、仿真和經(jīng)驗(yàn)獲取。該方法所需成本較低且響應(yīng)速度較快，但很難適應(yīng)復(fù)雜路況，自適應(yīng)能力較差。

據(jù)上述分析該控制策略存在一些局限性：

a.依賴(lài)傳感器精度。邏輯門(mén)限控制策略依賴(lài)于傳感器對(duì)車(chē)輛的轉(zhuǎn)向、速度、輪胎滑動(dòng)等參數(shù)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。傳感器的精度和可靠性會(huì)對(duì)控制策略的準(zhǔn)確性和可靠性產(chǎn)生影響。

b.難以適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境。在某些復(fù)雜路況下，僅僅根據(jù)幾個(gè)參數(shù)的邏輯門(mén)限判斷可能無(wú)法很好地控制差速鎖。例如，對(duì)于光滑且崎嶇的路面，傳感器的數(shù)據(jù)可能無(wú)法準(zhǔn)確判斷差速鎖的開(kāi)啟與關(guān)閉。

c.適用性有限?；谶壿嬮T(mén)限控制的差速鎖控制策略更適用于一般路況和日常駕駛中的需求。在極端情況下，如高速行駛、滑冰路面等特殊情況下，可能需要其他類(lèi)型的控制策略來(lái)更好地應(yīng)對(duì)。

根據(jù)上述分析，基于邏輯門(mén)限控制的差速鎖控制策略在一定的條件下可以提供有效的控制，但需要結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮，并根據(jù)需要進(jìn)行定制化的控制策略設(shè)計(jì)。

3 基于模糊控制理論的差速鎖控制策略

模糊控制主要是對(duì)車(chē)輪滑移率的控制，其大致思想是把車(chē)輪滑移率和滑移率變化率模糊化，確定滑移率和滑移率變化率的隸屬度曲線[21]。然后對(duì)車(chē)輛的滑移率誤差制定相應(yīng)的模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，給出相應(yīng)的車(chē)輛狀態(tài)結(jié)果反饋給控制器?？刂破鲗?duì)差速鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出信號(hào)對(duì)車(chē)輛差速鎖進(jìn)行鎖止與解鎖。模糊控制理論的差速鎖控制策略簡(jiǎn)圖如圖2所示。

滑移率計(jì)算公式為[22]：

[γij=1?v車(chē)ωijR×100%]

式中，γ為車(chē)輛車(chē)輪滑移率；i、j分別為左右車(chē)輪編號(hào)和前后軸編號(hào)；[v車(chē)]為車(chē)輛行駛車(chē)速；[ω]為每個(gè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速；R為車(chē)輪有效半徑。

滑移率變化率計(jì)算公式為[23]：

[Δγ=γ2?γ1]

式中，[Δγ]為當(dāng)前車(chē)輪滑移率變化率;[γ1]為上一時(shí)刻的滑移率;[γ2]為當(dāng)前時(shí)刻滑移率。

滑移率大（γgt;0.7）時(shí)，車(chē)輛屬于打滑狀態(tài)，需鎖止差速鎖；滑移率適中（0.3lt;γlt;0.7）時(shí)，車(chē)輛屬于半打滑狀態(tài)，需通過(guò)傳感器檢測(cè)每個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速和車(chē)速信息來(lái)確定打滑的車(chē)輪，再控制差速鎖鎖止；滑移率低（γlt;0.3）且車(chē)速高于某個(gè)值時(shí)，差速鎖解鎖[24]。運(yùn)用模糊控制方法對(duì)車(chē)輛差速鎖進(jìn)行控制，比較典型的實(shí)例有：文獻(xiàn)[25]利用針對(duì)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)防滑設(shè)計(jì)了一種基于模糊Kalman濾波算法的純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠有效控制汽車(chē)驅(qū)動(dòng)輪的滑移率，進(jìn)而提高車(chē)輛的安全性[26]。文獻(xiàn)[27]針對(duì)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)輪打滑現(xiàn)象設(shè)計(jì)了一種采用模糊控制的電子差速鎖控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由液壓裝置作為驅(qū)動(dòng)源，當(dāng)車(chē)速為0并且輪速很大也就是滑移率為1時(shí)，控制器控制電磁閥工作鎖止差速器，直到車(chē)速提高到某個(gè)值并且滑移率低于某個(gè)值時(shí)差速器恢復(fù)正常差速功能。該控制系統(tǒng)主要依靠車(chē)輛行駛狀態(tài)信息，即車(chē)速、輪速、滑移率和滑移率變化率來(lái)判斷車(chē)輪的打滑程度，并通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)力的大小，來(lái)完成差速鎖的鎖止與否。該方法主要對(duì)車(chē)輪滑移率進(jìn)行模糊化，制定相應(yīng)的模糊規(guī)則和響應(yīng)區(qū)間，具有較低的硬件要求和一定的自適應(yīng)能力。但該算法只制定了較為簡(jiǎn)單路況的模糊規(guī)則，且控制精度相對(duì)較低。

經(jīng)上述分析可知，該方式需要的信息較少，控制策略相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)硬件要求相對(duì)較低。但需要對(duì)車(chē)輛狀態(tài)信息進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化，根據(jù)車(chē)輛滑移率的大小制定相應(yīng)的模糊規(guī)則。由于車(chē)輛行駛路況復(fù)雜，在制定模糊規(guī)則時(shí)需要大量的路況試驗(yàn)，才能制定更好的模糊規(guī)則。對(duì)于越野路況，模糊控制方法是比較適用的，但是精度不易控制，在各種復(fù)雜工況下想要實(shí)現(xiàn)最佳控制效果時(shí)，對(duì)其模糊的參數(shù)不易調(diào)整，計(jì)算模型相對(duì)復(fù)雜[28-31]。

4 基于PID控制理論的差速鎖控制策略

PID控制算法[32-33]是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，以控制車(chē)輛的滑移率。將車(chē)輛每個(gè)車(chē)輪的實(shí)際滑移率和理想滑移率對(duì)比形成滑移率的誤差，將誤差反饋給控制器，控制器判斷其誤差大小，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩，使實(shí)際滑移率更加接近目標(biāo)滑移率。雖然PID控制方法簡(jiǎn)單實(shí)用，但需要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)情況調(diào)整參數(shù)。由于車(chē)輛行駛時(shí)輪胎處于非線性狀態(tài)，所以系統(tǒng)魯棒性較差，于是科研人員大多把PID控制和模糊控制相結(jié)合來(lái)設(shè)計(jì)模糊PID控制系統(tǒng)[14]，如圖3所示。

文獻(xiàn)[30]提出一種帶有模糊PID控制器的電子差速器，并通過(guò)仿真和試驗(yàn)證明了帶有模糊PID控制器的電子差速器比傳統(tǒng)機(jī)械式差速器具有更好的操作性。該算法采用了模糊PID閉環(huán)控制，但只適用于平緩路況，魯棒性較弱。文獻(xiàn)[13]通過(guò)對(duì)車(chē)輛行駛過(guò)程中車(chē)輪的滑移率進(jìn)行控制，采取“對(duì)滑移率進(jìn)行模糊化-確立了模糊控制規(guī)則-解模糊化-對(duì)滑移率變化率”進(jìn)行PID控制，通過(guò)控制滑移率大小來(lái)控制差速鎖的鎖止與解鎖。該算法對(duì)車(chē)輪滑移率進(jìn)行了模糊規(guī)則制定，具有較強(qiáng)的魯棒性。但該模糊規(guī)則只適用于較為簡(jiǎn)單的路況，在更為復(fù)雜的路況下其魯棒性將會(huì)大大降低[34-37]。

經(jīng)上述分析可知，基于模糊PID控制理論的差速鎖控制策略在普通路況下具有自適應(yīng)性強(qiáng)、抗干擾性強(qiáng)、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。但在較為復(fù)雜路況下行駛時(shí)將會(huì)存在模糊規(guī)則制定困難、計(jì)算復(fù)雜度高、參數(shù)調(diào)整難度大和難以精確建模等局限性，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體情況進(jìn)行綜合考慮[38-41]。

5 結(jié)語(yǔ)及展望

對(duì)越野車(chē)電子差速鎖自動(dòng)控制的關(guān)鍵在于對(duì)車(chē)輛行駛實(shí)時(shí)的車(chē)速和滑移率等參數(shù)的獲取，以及對(duì)車(chē)輛前后軸差速鎖的鎖止順序的控制。邏輯門(mén)限的控制方法更加依賴(lài)于傳感器的精度，而模糊控制和模糊PID控制則需要對(duì)車(chē)輛的滑移率進(jìn)行模糊化處理，制定模糊規(guī)則可能會(huì)相對(duì)困難。然而現(xiàn)有電子差速鎖自動(dòng)控制策略仍存在試驗(yàn)路況單一問(wèn)題，并且一些控制策略缺乏充分的試驗(yàn)驗(yàn)證。

本文分析了現(xiàn)有越野車(chē)電子差速鎖自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制策略。對(duì)此提出以下改進(jìn)建議和改進(jìn)方向：

a.深入研究傳感器的精度和可靠性，以提高邏輯門(mén)限控制方法的準(zhǔn)確性和可靠性。

b.在模糊控制和模糊PID控制中，應(yīng)加強(qiáng)模糊規(guī)則的制定方法研究，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景和滑移情況。

c.擴(kuò)大試驗(yàn)范圍，涵蓋更多不同類(lèi)型路況，以驗(yàn)證和評(píng)估電子差速鎖自動(dòng)控制策略的性能和效果。

d.通過(guò)虛實(shí)結(jié)合、仿真結(jié)合實(shí)驗(yàn)來(lái)提升差速鎖控制策略在更復(fù)雜路況的魯棒性，應(yīng)該發(fā)展多信息檢測(cè)、小型化和智能化的試驗(yàn)平臺(tái)。

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作者簡(jiǎn)介：

楊浩東，男，1997年生，碩士研究生，研究方向?yàn)槠?chē)電子。

何銳波，男，1974年生，副教授，研究方向?yàn)楣こ虦y(cè)試、機(jī)器人、汽車(chē)電子。