一種基于意圖識別的電動車轉(zhuǎn)向制動控制方法

王正家 孫楚杰 翟海祥 吳順堯

(1.湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.現(xiàn)代制造質(zhì)量工程重點實驗室，湖北 武漢 430068)

0 引言

在轉(zhuǎn)向制動意圖和制動強度的識別及控制策略方面，李海青等[1]綜合考慮行駛車速、方向盤轉(zhuǎn)角以及側(cè)翻評價指標(biāo)，在轉(zhuǎn)向控制駕駛員模型基礎(chǔ)上建立了速度控制駕駛員模型，當(dāng)側(cè)翻評價指標(biāo)超過安全閾值時利用制動踏板降低車速，有效降低了緊急避障時的側(cè)翻風(fēng)險。劉劍開等[2]基于制動踏板位移對應(yīng)的電壓和電壓變化率，設(shè)計了模糊邏輯控制器，識別出駕駛員的制動意圖和對應(yīng)的制動強度變化。李壽濤等[3]基于制動踏板位置和踏板行程進(jìn)行模糊推理，實現(xiàn)了駕駛員緊急制動意圖的識別，縮短了緊急制動的時間。張元才等[4]將駕駛員制動意圖分為3類，應(yīng)用模糊算法對其進(jìn)行了識別。文獻(xiàn)[5]中對車輛在行駛時前方突然出現(xiàn)障礙物時駕駛員的操作特性進(jìn)行了研究，在車速較低時，駕駛員會采取制動和轉(zhuǎn)向同時作用控制汽車，最大程度躲避障礙物；在車速較高時，駕駛員會先采用制動來降低車速，防止車輛側(cè)翻。

本文在分析制動意圖和無刷直流電機制動控制方法的基礎(chǔ)之上，結(jié)合各種制動方式的優(yōu)勢，提出了一種基于意圖識別的電動車轉(zhuǎn)向制動控制方法，該方法是基于轉(zhuǎn)向角位移對應(yīng)的輸出電壓及電壓變化率，設(shè)計了一個模糊控制器，識別駕駛員的轉(zhuǎn)向制動意圖和對應(yīng)的制動強度變化，通過轉(zhuǎn)向制動意圖確定制動方式，實現(xiàn)電動車無刷直流電機制動系統(tǒng)的快速性和可控性，縮短了轉(zhuǎn)向制動的響應(yīng)時間，控制轉(zhuǎn)向速度，避免側(cè)翻，保護(hù)駕駛員安全。

1 轉(zhuǎn)向制動意圖分析

對電動車的轉(zhuǎn)向制動進(jìn)行控制，首先要對駕駛員的轉(zhuǎn)向制動意圖進(jìn)行分析。本文是通過對電動車的轉(zhuǎn)向角度以及行駛速度來識別駕駛員的轉(zhuǎn)向制動控制意圖。根據(jù)轉(zhuǎn)向制動的實際情況，將轉(zhuǎn)向制動行為分為3種：緩慢制動、中等制動和緊急制動。這是利用實際情況中電動車的轉(zhuǎn)向的急緩程度以及當(dāng)前的行駛速度快慢來確定駕駛員的轉(zhuǎn)向制動強度，再以此判斷當(dāng)前應(yīng)該采用的轉(zhuǎn)向制動行為。轉(zhuǎn)向制動行為意圖和轉(zhuǎn)向制動強度的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)向制動意圖與制動強度的對應(yīng)關(guān)系

2 轉(zhuǎn)向制動意圖和制動強度模糊控制器

2.1 輸入變量與輸出變量的模糊化

本文設(shè)計的輸入變量是轉(zhuǎn)向角輸出電壓(U)及轉(zhuǎn)向角輸出電壓變化率(dU)，其論域分別為[0，5]，[0，100]；輸出變量是轉(zhuǎn)向制動強度(Z)，其論域為[0，1]。轉(zhuǎn)向角輸出電壓的子集為{VS、S、M、B、VB}，其隸屬度函數(shù)選擇如圖1所示。轉(zhuǎn)向角輸出電壓變化率的子集為{VS、S、M、B、VB}，其隸屬度函數(shù)選擇如圖2所示。轉(zhuǎn)向制動強度的子集為{VS、S、M、B、VB}，其隸屬度函數(shù)選擇如圖3所示。

圖1 轉(zhuǎn)向角輸出電壓隸屬度函數(shù)

圖2 轉(zhuǎn)向角輸出電壓變化率隸屬度函數(shù)

圖3 制動強度隸屬度函數(shù)

2.2 模糊控制規(guī)則的制定

制動強度是控制系統(tǒng)制動能力的體現(xiàn)，根據(jù)前面選擇的輸入變量和輸出變量，針對轉(zhuǎn)向制動強度的確定，制定了相應(yīng)的模糊控制規(guī)則表，如表2所示。

表2 制動強度控制規(guī)則

3 基于意圖識別的轉(zhuǎn)向制動控制方法

本文采用的轉(zhuǎn)向制動控制方法是通過電動車轉(zhuǎn)向角輸出電壓和轉(zhuǎn)向角輸出電壓變化率的模糊控制器來確定轉(zhuǎn)向制動強度，再通過當(dāng)前行駛速度的大小，確定轉(zhuǎn)向制動意圖，選擇轉(zhuǎn)向制動方式控制電機，控制電動車的轉(zhuǎn)向。具體的控制邏輯框圖如圖4所示。

圖4 制動控制邏輯框圖

4 制動控制系統(tǒng)建模及仿真分析

4.1 制動意圖識別仿真

4.1.1 制動意圖識別模型

通過MATLAB建立制動意圖識別的模型，轉(zhuǎn)向角輸出電壓作為一路輸入信號，轉(zhuǎn)向角輸出電壓變化率作為另一路輸入信號，然后轉(zhuǎn)向制動強度為模糊控制器的輸出信號。具體的制動意圖識別模型如圖5所示。

圖5 制動意圖識別模型

4.1.2 制動意圖仿真結(jié)果及分析

運行仿真，結(jié)合圖6(a)和(b)，轉(zhuǎn)向角輸出電壓增大，轉(zhuǎn)向角輸出電壓變化率在零點上方為正，轉(zhuǎn)向角輸出電壓減小，轉(zhuǎn)向角輸出電壓變化率在零點下方為負(fù)，圖6(c)則表示轉(zhuǎn)向制動強度的變化。

圖6 制動意圖識別仿真

通過仿真結(jié)果分析，轉(zhuǎn)向角輸出電壓和轉(zhuǎn)向角輸出電壓變化率很小時，轉(zhuǎn)向制動強度曲線水平，基本無變化或變化很小，這屬于緩慢制動；轉(zhuǎn)向角輸出電壓和轉(zhuǎn)向角輸出電壓變化率平滑變化，轉(zhuǎn)向制動強度曲線平滑變化，這屬于中等制動，這種是電動車在實際路況中最多的；轉(zhuǎn)向角輸出電壓和轉(zhuǎn)向角輸出電壓變化率很大時，轉(zhuǎn)向制動強度曲線有一個陡降，變化很大，這屬于緊急制動。可以看出利用模糊控制的方法能夠達(dá)到預(yù)期的轉(zhuǎn)向意圖識別的目的。

4.2 制動控制系統(tǒng)建模及仿真

轉(zhuǎn)向制動控制系統(tǒng)的仿真模型如圖7所示[6]。

圖7 轉(zhuǎn)向制動控制系統(tǒng)的仿真模型

圖8是在Matlab/Simulink環(huán)境下仿真出的轉(zhuǎn)向角輸出電壓曲線。3條曲線對應(yīng)3種制動意圖，初始階段，都沒有轉(zhuǎn)向角輸出電壓輸出；之后隨著時間的增大轉(zhuǎn)向角輸出電壓逐漸增大，相同的時間轉(zhuǎn)向角輸出電壓增量不同，反映著不同的制動意圖以及制動效果。

圖8 轉(zhuǎn)向角輸出電壓對比曲線

圖9是不同制動意圖下的電機轉(zhuǎn)速曲線變化。從圖中對比可以看出，3種制動意圖下，電機轉(zhuǎn)速下降的速率各不相同，保證了轉(zhuǎn)向制動時的速度控制，證明了基于意圖識別的轉(zhuǎn)向制動控制方法的可行性。

圖9 電機轉(zhuǎn)速仿真對比曲線

5 結(jié)語

本文針對電動車在轉(zhuǎn)向時不能根據(jù)駕駛員的轉(zhuǎn)向要求及時有效地控制電動車轉(zhuǎn)向制動的速度問題，對轉(zhuǎn)向制動控制方法展開研究，構(gòu)建了轉(zhuǎn)向制動意圖識別模型，根據(jù)轉(zhuǎn)向角輸出電壓及轉(zhuǎn)向角輸出電壓變化率，設(shè)計了模糊控制器來識別轉(zhuǎn)向制動意圖，確定轉(zhuǎn)向制動控制方法，控制電動車的轉(zhuǎn)向制動速度，提高了電動車轉(zhuǎn)向制動的快速性和安全性。