路面识别算法在汽车制动控制中的应用_杨鸿福.pdf
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1、湖北汽车工业学院学报Journal of Hubei University of Automotive Technology第 37 卷第 1 期2023 年 3 月Vol.37 No.1Mar.2023doi:10.3969/j.issn.1008-5483.2023.01.006路面识别算法在汽车制动控制中的应用杨鸿福,周红妮,冯樱(湖北汽车工业学院 汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室,湖北 十堰 442002)摘 要:为了使车辆充分利用路面附着力,提出了实时路面识别算法。以车轮滑移率为控制目标,建立逻辑门限值控制器和典型路面曲线指数模型。在CarSim中建立整车模型,设定不同工况下的
2、制动模拟试验,以左前轮为研究对象,估算当前路面的峰值附着系数和最优滑移率。结果表明:建立的逻辑门限值控制器有效提高了汽车的制动性和安全性,算法可以较为精确地估算出行驶过程中的路面附着系数和最优滑移率。关键词:制动防抱死系统;路面识别算法;路面附着系数;滑移率中图分类号:U462.3文献标识码:A文章编号:1008-5483(2023)01-0029-05Application of Road Recognition Algorithm inVehicle Braking ControlYang Hongfu,Zhou Hongni,Feng Ying(Hubei Key Laboratory
3、of Automotive Power Train and Electronic Control,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China)Abstract:In order to make full use of the road adhesion,a real-time road recognition algorithm wasproposed.A logic threshold controller and typical road curve index model were established w
4、ith wheelslip rate as the control target.The vehicle model was established in CarSim,and braking simulationtests were carried out under different working conditions.The peak adhesion coefficient and optimalslip rate of the current road surface were estimated by taking the left front wheel as the res
5、earch object.The results show that the logic threshold controller can effectively improve the vehicle braking and safety.And the algorithm can accurately estimate the road adhesion coefficient and the optimal slip rate inthe driving process.Key words:anti-lock braking system;roadrecognitionalgorithm
6、;roadadhesioncoefficient;sliprate收稿日期:2022-07-09;修回日期:2022-11-21基金项目:湖北省教育厅科研计划优秀中青年项目(Q20191805);汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室创新基金(2015XTZX0414)第一作者:杨鸿福(1998-),男,硕士生,从事汽车系统动力学仿真与控制方面的研究。E-mail:通信作者:周红妮(1981-),女,副教授,从事汽车动力学仿真及控制方面的研究。E-mail:汽车在不同路面上行驶时所对应的最优滑移率不同,为了使车辆在制动过程中可以充分发挥现有路面的附着条件,必须对道路状况加以辨识,并根据辨识结果
7、迅速地对控制器的目标滑移率进行调整1。目前国内外学者在道路识别方法上进行了许多深入研究。何中正2利用多传感器数据融合的方法来测量路面附着系数,识别精度高,但硬件成本增加,识别系统过于复杂。武洪强3采用了视觉与动力学信息相结合的方法对道路状态进行识别,有效解决了附着系数波动对识别效果的影2023年3月湖北汽车工业学院学报响,具有较高的识别精度,但易受天气的影响。文献 4-6 介绍了基于RBF神经网络路面识别算法、卡尔曼滤波算法和车辆震动响应估算法,但由于计算复杂,大多用于理论研究中。文中在Burckhardt轮胎-道路模型7基础上,以路面附着系数和滑移率为参数指标,在汽车制动工况下,对滑移率和路
8、面利用附着系数进行估算,结合路面识别算法,对制动过程中的道路进行识别。1整车模型由于CarSim软件能够较为准确地分析汽车的操纵稳定性、动力性以及各种重要性能,且能通过汽车响应参数的特性曲线或动画来表达汽车的仿真结果,所以文中选取CarSim平台搭建整车模型和轮胎模型。以CarSim软件中的Hatchback B 级车作为研究对象,4个车轮的轮缸压力为整车输入参数,汽车车速、4个车轮的轮速、左前轮纵向力以及左前轮垂向力为整车输出参数。以初始车速为100 kmh-1、制动主缸压强分别为6 MPa和10 MPa,在不同典型路面上进行仿真实验。汽车轮胎模型可以较好地反映出不同道路上的车轮附着状况,其
9、参数特性和力学特性也对车辆在非线性行驶状态中有着非常重要的影响。而Burckhardt等研究学者利用大量试验数据,得到了各典型路面的附着系数-滑移率曲线关系,从而建立了切实可行的轮胎-路面数学模型8,文中选用Burckhardt轮胎模型作为研究对象。整车基本参数如表1所示。表1 汽车基本参数参数整车质量/kg质心至前轴距离/m质心至后轴距离/m轴距/m横摆转动惯量/(kgm2)前轮总侧偏刚度/(Nrad-1)后轮总侧偏刚度/(Nrad-1)值12301.0401.5602.601343.1-93500-770002路面识别算法1)车轮滑移率和利用附着系数车轮的利用附着系数和滑移率公式为=Fxb
10、Fz,S=v-rwv 100%(1)式中:为附着系数;S为滑移率;Fxb为轮胎纵向制动力;Fz为轮胎垂向力;w为轮胎角速度;r为车轮半径;v为车速。2)Burckhardt轮胎-道路模型Burckhardt等研究学者提出了常用的轮胎利用附着系数与滑移率间的函数关系式9:(S)=a1(1-e-a2S)-a3S(2)式中:a1、a2、a3为路面拟合参数。对式(2)求导可得路面最优滑移率以及路面峰值附着系数:Sopt=-1a2lna3a1a2(3)max=a3a2(lna3a1a2-1)+a1(4)式中:Sopt和max分别为最优滑移率和路面峰值附着系数。当算法识别出当前路面类型后,根据a1、a2、
11、a3计算出max和Sopt。表2列出了干沥青、干水泥、湿沥青、湿鹅卵石、雪、冰路面拟合参数以及对应的max和Sopt。结合表2中的a1、a2、a3和式(2)得到不同路面的-S路面曲线如图1所示。3)路面识别算法当汽车制动时,由式(1)计算出当前的车轮利用附着系数和当前车轮实际滑移率,6条典型路面对应的车轮利用附着系数记为i(i=0,1,2,5)。采用n次拉格朗日差值法10求得拉格朗日插值基函数,并将其记为当前路面与第i条典型路面的接近率:表2 Burckhardt轮胎-道路模型参数路面类型干沥青干水泥湿沥青湿鹅卵石雪冰a11.2801.1970.8570.4000.1950.050a223.9
12、9025.17033.82033.7194.130306.39a30.5200.5400.3500.1200.0640.001Sopt0.1700.1600.1310.1400.0600.031max1.171.0900.8010.3800.1910.050冰雪湿鹅卵石湿沥青干水泥干沥青1.21.00.80.60.40.20路面附着系数滑移率00.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0图1 典型路面-S曲线 30第37卷 第1期i()=(-0)(-i-1)(i-0)(i-i-1)(-i+1)(-s)(i-i+1)(i-s)(5)根据当前路面与典型路面的相似度
13、、各典型路面的最优滑移率Sopt1、Sopt2、Sopt3、Sopt4、Sopt5、Sopt6以及峰值附着系数max1、max2、max3、max4、max5、max6,对当前路面的峰值附着系数和车轮的最优滑移率进行估算。估算公式为max=1()max1+2()max2+3()max3+4()max4+5()max5+6()max6(6)Sopt=1()Sopt1+2()Sopt2+3()Sopt3+4()Sopt4+5()Sopt5+6()Sopt6(7)3ABS逻辑门限值控制汽车在急刹或低路面附着系数行驶等工况下,能确保车轮滑移率在当前路面最理想的范围内波动11。由于冰、雪路面的最优滑移率
14、数值较小,且与其他典型路面相差较大,所以文中按典型路面的最优滑移率作为参考目标,将滑移率控制在0.030.1(湿滑路面)和0.10.2(其他典型路面)范围内,以提高车轮的制动性和横向稳定性。结合路面识别算法,以左前轮为研究对象,建立整车ABS系统控制流程图,如图2所示。汽车开始制动时,由于汽车制动力不断增加,车轮转速持续减小,车轮开始出现滑移现象。当在冰、雪路面车轮滑移率増加到0.1或其他4种典型路面车轮滑移率増加到0.2时,为了确保车轮滑移率在理想范围内波动,此时系统开始减小该轮缸制动压力。随着制动压力持续减小,车轮转速随之增加,车轮滑移率开始下降,当在冰、雪路面车轮滑移率降低到0.03 或
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