汽車防滑控制系統(tǒng)道路識(shí)別技術(shù)的研究
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汽車防滑控制系統(tǒng)能夠提高車輛的牽引性和操縱穩(wěn)定性，減少輪胎磨損和事故風(fēng)險(xiǎn)，增加行駛安全性和駕駛輕便性，使得汽車在附著狀況不好的路面上能順利起步和行駛并安全制動(dòng)[1]。眾所周知，防滑系統(tǒng)的控制效果主要取決于該系統(tǒng)的控制策略和控制算法等核心內(nèi)容。目前大多數(shù)防滑控制系統(tǒng)都采用基于最佳滑移率為目標(biāo)的控制方法，由傳感器采集車輪轉(zhuǎn)速及車身的加速度信號(hào)，由此獲得車輛的滑移率的信息；并以車輛滑移率門(mén)限值為主、車輪加減速度門(mén)限值為輔的控制方法和控制邏輯算法對(duì)車輛的執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行控制以優(yōu)化驅(qū)動(dòng)力（制動(dòng)力）的分配，保證車輛能夠充分地利用地面的附著力[2]。但應(yīng)該注意的是，門(mén)限值的確定要考慮汽車的各種參數(shù)、驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的各種工況、外界條件及可能的變化等極其復(fù)雜的因素，在不同的道路條件下作為控制邏輯中重要參量的車輛的目標(biāo)滑移率及地面的峰值附著系數(shù)都不是一個(gè)固定的量[3]，如圖1 所示。因此在防滑控制系統(tǒng)中應(yīng)該根據(jù)車輛所處的道路狀況采取不同的控制門(mén)限值及控制算法。在以最佳滑移率為控制目標(biāo)的防滑系統(tǒng)中，目前大多數(shù)的系統(tǒng)都是用一個(gè)固定的、人為設(shè)定的最佳滑移率作為控制目標(biāo)參量，并以此為根據(jù)將車輪的實(shí)際滑移率與之對(duì)比來(lái)確定出車輛的穩(wěn)定區(qū)域和非穩(wěn)定區(qū)域[4]，沒(méi)有考慮到道路狀況對(duì)目標(biāo)滑移率、車輪速度及角加速度等參量變化的影響。而要從根本上改變這一狀況的關(guān)鍵，便是要能夠?qū)囕喫幍穆访孢M(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和識(shí)別，根據(jù)路面狀況采用不同的控制門(mén)限值并采取不同的控制算法和控制邏輯。
圖1 不同路況下的滑移率與附著系數(shù)
由于基于路況評(píng)價(jià)的控制算法和策略對(duì)車輛的自適應(yīng)控制效果能夠起到明顯的改進(jìn)作用，提高車輛的動(dòng)力學(xué)性能并改善其操縱穩(wěn)定性，所以近年來(lái)國(guó)外實(shí)時(shí)道路識(shí)別技術(shù)的發(fā)展很快。道路狀況的評(píng)價(jià)方法總體上可以分為直接儀器測(cè)量、數(shù)字特征參量測(cè)量識(shí)別和采用車輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)解析辨識(shí)三類。
通過(guò)試驗(yàn)儀器來(lái)對(duì)路面附著系數(shù)進(jìn)行測(cè)量是一種最簡(jiǎn)單的方法，20 世紀(jì)70 年代在英、美、瑞典等國(guó)就已有了可以測(cè)量路面附著系數(shù)的設(shè)備[5]；國(guó)內(nèi)的科技工作者在道路附著系數(shù)的檢測(cè)儀器研究方面也開(kāi)展了一定的工作，提出了可行的測(cè)量與計(jì)算方法。但由于測(cè)定附著系數(shù)的試驗(yàn)存在可重復(fù)性差、影響因素多等問(wèn)題，從而給精確確定附著系數(shù)造成了一定困難[6～8]。
部分國(guó)外的研究人員將光學(xué)傳感器裝備在汽車上，通過(guò)對(duì)地面反射光進(jìn)行頻譜分析來(lái)對(duì)路面狀況進(jìn)行評(píng)估[9～10]。日本學(xué)者通過(guò)采用一種峰值功率為200W 的激光束掃描的方法來(lái)對(duì)路面進(jìn)行判別，該裝置對(duì)干路面、濕路面以及冰雪路面的正確識(shí)別率可達(dá)98％[11]?；谕瑯拥脑?，超聲波傳感器在路面檢測(cè)中也有一定的應(yīng)用[12]。有些國(guó)外學(xué)者將聲學(xué)傳感器安裝在汽車上來(lái)采集車輪與路面間的摩擦噪聲，并以此來(lái)作為識(shí)別路面的依據(jù)[13]。近年來(lái)在道路識(shí)別系統(tǒng)的研究中采用雷達(dá)波、毫米波等電磁波的方法日益增多[14～16]?；跀?shù)字圖像處理和特征識(shí)別理論的道路判別技術(shù)的研究在最近一段時(shí)期來(lái)也逐漸被一些國(guó)外的科研工作者所采用[17～19]。和采用儀器直接測(cè)量道路附著系數(shù)的方法一樣，采用光學(xué)、聲學(xué)以及微波等傳感器來(lái)對(duì)路面狀況進(jìn)行判別的方法雖然能夠獲得較好的判別效果，但也存在著諸如需要很多附加設(shè)備等缺點(diǎn)，而且它最大的問(wèn)題是無(wú)法使用車輛安全性控制系統(tǒng)本身所固有的如輪速傳感器、加速度傳感器等設(shè)備，不能夠與車輛本身的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成化。
基于上述原因，采用車輛的動(dòng)力學(xué)參數(shù)來(lái)對(duì)路面狀況進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)的研究近來(lái)被越來(lái)越多的學(xué)者提上了日程。作為一項(xiàng)隨著車輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)的發(fā)展而產(chǎn)生的技術(shù)，這種方法能夠直接應(yīng)用ABS（防抱死制動(dòng)系統(tǒng)）等系統(tǒng)固有的傳感器，亦無(wú)需附加其它的任何設(shè)備，從而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本，具有廣闊的實(shí)用前景和潛力。
國(guó)外在車輛主動(dòng)安全性控制系統(tǒng)中采用車輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)來(lái)識(shí)別道路的技術(shù)研究可以追溯至1992 年[20]。美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)的Georg Mauer 在1994 年提出了一種基于ABS 系統(tǒng)道路識(shí)別系統(tǒng)的方案，他利用車輛滑移率及輪缸制動(dòng)壓力的變化來(lái)判別車輛行駛的實(shí)際道路狀況 [21～22]。1996 年，美國(guó)軍方與克萊斯勒公司、ITT 汽車公司等聯(lián)合進(jìn)行了一項(xiàng)針對(duì)美軍4×4 型高機(jī)動(dòng)性多用途輪式車輛（HMMWV）的TCS（驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)）系統(tǒng)的研制項(xiàng)目，該項(xiàng)目采用模糊邏輯的TCS 控制器，根據(jù)不同的道路狀況采取不同的模糊控制規(guī)則[23]。瑞典的Gustafsson Fredrik 和韓國(guó)的Wookug Hwang 等人分別對(duì)車輛正常行駛情況下車輪滑移率與地面作用的切向力之間的關(guān)系進(jìn)行了探討，并提出了采用估計(jì)出的道路附著系數(shù)對(duì)車輪滑移率相對(duì)變化的梯度來(lái)對(duì)路面進(jìn)行分類的理論[13],[24～25]。日本東京大學(xué)的Hideo Sado 和Shin-ichiro Sakai 等人以電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)控制試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)在整個(gè)滑移率變化范圍內(nèi)以非線性化的μ－S 曲線的斜率來(lái)對(duì)路面的附著狀況進(jìn)行評(píng)估進(jìn)行了探討[26～28]。
評(píng)論