基于模糊控制的智能車輛縱向加速度跟蹤控制器設(shè)計(jì)

朱增輝，徐友春，馬育林，李建市，李永樂(lè)

(1.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津300161;2.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津300161)

縱向控制是智能車輛技術(shù)的重要組成部分，是智能車輛實(shí)現(xiàn)自主駕駛最基礎(chǔ)、也是最關(guān)鍵的技術(shù)之一［1］。目前，常用的智能車輛縱向控制決策變量有車間距離、車輛速度和加速度3 種。其中，加速度相對(duì)于其他兩項(xiàng)對(duì)車輛狀態(tài)變化的反饋要快得多，因此，本文選取加速度作為控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)期望加速度的跟蹤控制［2］。

1 實(shí)車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介

智能車輛縱向控制系統(tǒng)包括油門控制、制動(dòng)控制和換擋控制3 個(gè)部分。

1.1 油門控制

油門控制器的接口為5 個(gè)TTL 電平的I/O 口，分別定義為ACC_INC(加油)、ACC_DEC(減油)和BM1、BM2、BM3。其中，BM1、BM2、BM3 端口用來(lái)控制單次加、減油動(dòng)作。執(zhí)行器實(shí)施油門控制時(shí)，離合器結(jié)合，直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器和離合器帶動(dòng)油門拉線運(yùn)動(dòng);需要解除油門控制時(shí)，電磁離合器斷電分離，油門拉線回歸零位。

1.2 制動(dòng)控制

制動(dòng)控制器由DMC 三軸運(yùn)動(dòng)控制卡、驅(qū)動(dòng)器、三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以及電磁離合器構(gòu)成。運(yùn)動(dòng)控制卡為PCI 接口，將其安裝在工控機(jī)的相應(yīng)插槽內(nèi)，調(diào)用運(yùn)營(yíng)商提供的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)，通過(guò)外部接口卡將控制信號(hào)傳送至驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。當(dāng)電磁離合器通電結(jié)合時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)拉動(dòng)與制動(dòng)踏板相連的鋼絲拉繩，達(dá)到制動(dòng)效果。

1.3 換擋控制

換擋操作采用的是直線運(yùn)動(dòng)的直流電動(dòng)機(jī)推桿，通過(guò)電動(dòng)機(jī)的伸縮運(yùn)動(dòng)拉動(dòng)換擋桿。同時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)不斷檢測(cè)擋位信號(hào)，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)擋位時(shí)立即停止電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，完成換擋動(dòng)作。直流電動(dòng)機(jī)的雙向運(yùn)動(dòng)通過(guò)兩個(gè)繼電器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)切換來(lái)完成。

2 縱向加速度跟蹤控制器設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模糊控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通常情況下，考慮車輛乘坐舒適性的需要，駕駛員通常將車輛縱向加速度限制在-2 ～1 m/s2的范圍內(nèi)［3］，目標(biāo)加速度一般不大于1 m/s2，因此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的控制采用經(jīng)典的模糊控制器。

2.1.1 輸入輸出語(yǔ)言變量的選取

發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模糊控制器以上位機(jī)決策的目標(biāo)加速度與車輛當(dāng)前的加速度的差值e和差值的變化率ec為輸入變量，以油門踏板行程增量u作為控制器的輸出。

2.1.2 輸入輸出語(yǔ)言變量論域與隸屬度函數(shù)的選取

由于車輛在加速過(guò)程中，加速度一般不大于1.5 m/s2，因此取偏差e的基本論域?yàn)椋?1.5，1.5］，模糊輸入量E的論域?yàn)閧-1.5，-1.0，-0.5，0.0，0.5，1.0，1.5};取偏差變化率ec的基本論域?yàn)椋?3.0，3.0］，模糊輸入量EC的論域?yàn)閧-3. 0，-2. 0，-1.0，0.0，1.0，2.0，3.0};取輸出控制量u的基本論域?yàn)椋?3，3］，模糊輸出量U的論域?yàn)閧-3，-2，-1，0，1，2，3}。因此，輸入量e和ec的量化因子Ke、Kec以及輸出量的比例因子Ku均為1。e、ec和u的語(yǔ)言變量E、EC和U選取7 個(gè)語(yǔ)言值{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，分別對(duì)應(yīng)負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。語(yǔ)言變量E、EC和U的隸屬度函數(shù)均采用三角形函數(shù)(如圖1、2 所示)。

圖1 輸入偏差E 的隸屬度函數(shù)

圖2 輸入偏差變化率EC 與輸出控制量U 的隸屬度函數(shù)

2.1.3 模糊推理規(guī)則的設(shè)計(jì)

歸納分析輸出控制量在各個(gè)階段相對(duì)于不同的偏差和偏差變化率的規(guī)則，建立模糊推理規(guī)則(見(jiàn)表1)。

表1 模糊推理規(guī)則

2.1.4 系統(tǒng)輸出量模糊規(guī)則與反模糊化

根據(jù)輸出控制量U的隸屬度函數(shù)(圖2)和模糊推理規(guī)則(表1)，建立u的模糊規(guī)則(見(jiàn)表2)。

表2 系統(tǒng)輸出量u 模糊規(guī)則

模糊控制器輸出量的反模糊化方法有最大隸屬度法、重心法、面積平分法等，本文采用重心法。輸出量u的計(jì)算公式為

式中:uij為u在模糊規(guī)則表中第i行、第j列輸出量的值;μECi和μEj分別為輸入量ec和e對(duì)應(yīng)于ECi、Ej的隸屬度值。

油門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出控制量為整數(shù)，因此進(jìn)行取整運(yùn)算得到最終的輸出控制量，即u=［u］。由此，得到油門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量u通過(guò)車輛加速度傳感器反饋的信息，依此過(guò)程不斷對(duì)油門執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制調(diào)整，控制車輛達(dá)到上位機(jī)決策的期望加速度。

2.2 制動(dòng)系統(tǒng)變論域模糊控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

車輛在制動(dòng)減速的過(guò)程中，制動(dòng)減速度可能會(huì)有較大的變化，為了能夠快速而又準(zhǔn)確地對(duì)車輛制動(dòng)減速度進(jìn)行控制，制動(dòng)系統(tǒng)控制器采用基于模糊推理的變論域模糊控制方法。

2.2.1 輸入輸出語(yǔ)言變量的選取

制動(dòng)系統(tǒng)模糊控制器以上位機(jī)決策的期望加速度與車輛當(dāng)前的實(shí)際加速度的差值e和差值的變化率ec為輸入變量，以制動(dòng)踏板行程增量u作為控制器的輸出。

2.2.2 輸入輸出語(yǔ)言變量論域與隸屬度函數(shù)的選取

由于車輛在制動(dòng)減速過(guò)程中，最大制動(dòng)減速度約為-7 m/s2，因此取偏差e的基本論域?yàn)椋?7.0，7.0］，模糊輸入量E的論域?yàn)閧-7.0，-4.0，-2.0，0.0，2.0，4.0，7.0};取偏差變化率ec的基本論域?yàn)椋?7.0，7.0］，模糊輸入量EC的論域?yàn)閧-7.0，-4.0，-2.0，0.0，2.0，4.0，7.0};取輸出控制量u的基本論域?yàn)椋?400，400］，模糊輸出量U的論域?yàn)閧-400，-230，-115，0. 0，115，230，400}。因此，輸入量e和ec的量化因子Ke、Kec以及輸出量u的比例因子Ku均為1。e、ec和u的語(yǔ)言變量E、EC和U選取7 個(gè)語(yǔ)言值{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，分別對(duì)應(yīng)負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。語(yǔ)言變量E、EC和U的隸屬度函數(shù)均采用三角形函數(shù)(如圖3、4 所示)。

圖3 輸入偏差E 和偏差變化率EC 的隸屬度函數(shù)

圖4 輸出控制量U 的隸屬度函數(shù)

2.2.3 模糊推理規(guī)則的設(shè)計(jì)

(1)伸縮因子模糊控制器［4-5］。模糊控制器的輸入誤差e和誤差變化率ec論域伸縮因子的模糊劃分為B、M、S、Z，對(duì)應(yīng)峰值點(diǎn)為1、0. 75、0. 5和0.25，隸屬函數(shù)采用三角形函數(shù)(如圖5 所示)。輸出論域的模糊劃分為B、M、S、Z，對(duì)應(yīng)峰值點(diǎn)為1、0.833 3、0.666 7、0.5，隸屬函數(shù)采用三角形函數(shù)(如圖6 所示)。

圖5 誤差和誤差變化率伸縮因子的隸屬度函數(shù)

圖6 控制器輸出量伸縮因子的隸屬度函數(shù)

(2)系統(tǒng)模糊控制器。制動(dòng)系統(tǒng)控制車輛加速度的響應(yīng)過(guò)程與發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)控制車輛加速度的響應(yīng)過(guò)程類似，其模糊推理規(guī)則見(jiàn)表1。

2.2.4 模糊規(guī)則表與反模糊化

(1)伸縮因子模糊控制器。根據(jù)模糊推理規(guī)則(表1)和隸屬度函數(shù)圖(圖5、6)，可以得到α1、α2、β 的模糊規(guī)則(表3—5)。

表3 伸縮因子α1 的模糊規(guī)則

表4 伸縮因子α2 的模糊規(guī)則

表5 伸縮因子β 的模糊規(guī)則

伸縮因子α1、α2、β 的反模糊化過(guò)程采用重心法，其計(jì)算公式如下:

式中:α1ij、α2ij、βij分別為α1、α2、β 在相應(yīng)的模糊規(guī)則表中第i行、第j列的輸出量的值;μECi和μEj分別為ec、e對(duì)應(yīng)于ECi、Ej的隸屬度值。

伸縮因子模糊控制器得到伸縮因子α1、α2、β的清晰化量后，將系統(tǒng)模糊控制器輸入變量E和EC的論域調(diào)整為α1E、α2EC，輸出變量U的論域調(diào)整為βU。

(2)系統(tǒng)模糊控制器。根據(jù)系統(tǒng)輸出量的模糊推理規(guī)則(表1)和輸出量U的隸屬度函數(shù)(圖4)，以及伸縮因子模糊控制器計(jì)算得到的輸出量U的伸縮因子β，得到系統(tǒng)模糊控制器輸出量u的模糊規(guī)則(見(jiàn)表6)。

表6 系統(tǒng)輸出量u 模糊規(guī)則

輸出量u的反模糊化采用重心法，其計(jì)算公式為

式中:uij為u在模糊規(guī)則表中第i行、第j列的輸出量的值;μECi和μEj分別為輸入量ec和e對(duì)應(yīng)于ECi、Ej的隸屬度值。

制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出控制量步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的步數(shù)為整數(shù)，因此進(jìn)行取整運(yùn)算得到最終的輸出控制量，即u=［u］。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試算法對(duì)各種不同期望加速度的跟蹤效果。車輛以5 km/h 左右的速度行駛，設(shè)定車輛的目標(biāo)加速度為1. 0 m/s2，當(dāng)車速達(dá)到80 km/h 時(shí)，保持2.5 s 后，設(shè)定車輛的目標(biāo)加速度為-0.5 m/s2，車速減至50 km/h 時(shí)，設(shè)定車輛目標(biāo)減速度為-1.5 m/s2，車速減至30 km/h 時(shí)，設(shè)定車輛目標(biāo)減速度為-3.0 m/s2，直至停車，設(shè)定目標(biāo)加速度為0 。程序控制周期和數(shù)據(jù)采集周期均設(shè)置為100 ms，記錄整個(gè)過(guò)程中車輛的加速度和速度以及油門踏板和制動(dòng)踏板的行程變化情況。

實(shí)驗(yàn)中記錄的車輛加速度和速度變化情況如圖7 所示，油門控制與制動(dòng)控制曲線如圖8 所示。

圖7 車輛速度和加速度變化曲線

圖8 油門控制與制動(dòng)控制曲線

由圖7、8 可知，速度在上升過(guò)程中加速度基本穩(wěn)定在目標(biāo)加速度1.0 m/s2。在此過(guò)程中，通過(guò)對(duì)油門的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的跟蹤，車輛在80 km/h 定速巡航階段，對(duì)油門的控制有小幅波動(dòng)，當(dāng)設(shè)定加速度為-0.5 m/s2時(shí)，油門控制解除，此時(shí)油門的踏板位置為0。當(dāng)車速減至60 km/h 左右時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖無(wú)法提供足夠的阻力矩使車輛的加速度達(dá)到-0.5 m/s2，此時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)始工作。從圖中制動(dòng)控制曲線可以看出，隨著目標(biāo)加速度的增大，為了提供足夠大的制動(dòng)力，制動(dòng)踏板位置在不斷增大。

4 結(jié) 語(yǔ)

由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大滯后、時(shí)變、非線性的復(fù)雜特點(diǎn)，本文選用對(duì)非線性系統(tǒng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性的模糊控制作為車輛縱向加速度控制算法。根據(jù)車輛在加速和減速過(guò)程中的特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)了節(jié)氣門執(zhí)行機(jī)構(gòu)模糊控制器和基于模糊推理的制動(dòng)系統(tǒng)變論域模糊控制器。實(shí)車實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的基于模糊控制器的縱向加速度跟蹤控制器能夠滿足車輛對(duì)不同加速度進(jìn)行跟蹤控制的要求。

［1］ 譙艷娟，李以農(nóng)，李應(yīng)全. 模糊控制在汽車制動(dòng)縱向控制中的應(yīng)用［J］.汽車研究與開(kāi)發(fā)，2003(3):25-29.

［2］ 馬育林，吳青，張蕊，等.模擬自治車隊(duì)行駛過(guò)程變工況速度跟蹤控制［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47(7):140-147.

［3］ 李洪興.非線性系統(tǒng)的變論域穩(wěn)定自適應(yīng)模糊控制器［J］.中國(guó)科學(xué):E 輯，2004，32(2):211-223.

［4］ 高振海，朱永強(qiáng)，田雷. 汽車自適應(yīng)巡航系統(tǒng)的模糊自校正控制算法［C］//中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)汽車電子技術(shù)分會(huì)第七屆(2006)年會(huì)暨學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2006:29-33.

［5］ Naranjo J E，González C，Reviejo J. Adaptive fuzzy control for inter-vehicle gap keeping［J］. IEEE Trans. Intell. Transp.Syst.Special Issue on ACC，2003，4(3):132-142.