張曉龍，孫仁云，李鋒，林小龍

（西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院，四川成都610039）

基于動態(tài)識別區(qū)間的路面識別方法研究

張曉龍，孫仁云，李鋒，林小龍

（西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院，四川成都610039）

以路面附著系數(shù)為參數(shù)指標，在Burckhardt輪胎—路面數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上設(shè)計了7種典型路面的動態(tài)識別區(qū)間，同時根據(jù)附著系數(shù)和附著系數(shù)曲線斜率之差對干鵝卵石和濕瀝青路面作進一步區(qū)分，據(jù)此在制動時完成路面狀態(tài)的動態(tài)識別。使用雙輪模型進行仿真試驗，結(jié)果表明：該方法能夠準確快速地完成路面狀態(tài)識別，實現(xiàn)了實時滑移率下的動態(tài)識別，對不同路面附著條件的利用明顯改善，同時該方法具備自動糾錯功能。

路面識別；附著系數(shù)；動態(tài)識別；識別區(qū)間

要使車輛在制動時能夠充分利用當(dāng)前路面的附著條件，需要把車輪實時的滑移率調(diào)整到當(dāng)前路面的最佳滑移率。而不同路面的最佳滑移率往往不同，這就需要在制動過程中對當(dāng)前路面的狀態(tài)進行識別，同時將當(dāng)前路面的最佳滑移率作為ABS系統(tǒng)控制的目標滑移率。

目前國內(nèi)外關(guān)于路面識別的研究很多。有通過μ(s)曲線斜率進行識別的方法，但需要的數(shù)據(jù)量大，系統(tǒng)的實時性不強［1-2］；有通過傳感器對路面參數(shù)進行測量的識別方法［3］，識別準確，但硬件成本較高；有通過路面狀態(tài)特征值進行識別的方法［4］，識別準確率高，但是對躍變路面的識別存在局限性。還有一些運用卡爾曼濾波、模型估算等方法進行識別［5］。

筆者提出一種在實時滑移率下進行動態(tài)識別的方法，以路面附著系數(shù)為參數(shù)指標，在Burck?hardt輪胎—路面數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上設(shè)計7種典型路面的動態(tài)識別區(qū)間，同時根據(jù)附著系數(shù)和附著系數(shù)曲線斜率之差對干鵝卵石和濕瀝青路面作進一步區(qū)分，實現(xiàn)7種典型路面的動態(tài)識別，最后通過仿真實驗驗證了該方法的可行性。

1 車輛動力學(xué)模型

為了簡化問題，只考慮車輛的縱向運動，假設(shè)路面平直，采用雙輪車輛模型（圖1）進行分析。式（1）為整車運動方程，式（2）～（3）分別是前、后輪運動方程。

圖1 雙輪車輛模型

式中：M為整車質(zhì)量；V?為車輛的加速度；μ為路面附著系數(shù)；N1、N1分別是前、后輪受到來自地面的法向作用力；J為車輪的轉(zhuǎn)動慣量；R為車輪的滾動半徑；ω?1、ω?2分別是前、后車輪角減速度；Tb1、Tb2分別是前、后車輪的制動力矩；FW為空氣阻力［6］。

2 輪胎模型

Burckhardt等人通過大量試驗擬合出了7種典型路面的μ(s)（附著系數(shù)—滑移率）曲線，給出了一個實用的輪胎—路面數(shù)學(xué)模型，在汽車動力學(xué)研究中應(yīng)用廣泛。其表達式如式（4）所示［7］：

表1 輪胎模型中各典型路面參數(shù)值及最佳滑移率

式中：c1、c2、c3為各典型路面的參數(shù)值，如表1所示。通過求極值的方法得到7種典型路面的最佳滑移率s0，見表1。

根據(jù)表1中不同路面下c1、c2、c3的值得到7種典型路面的 μ(s)曲線，如圖2所示，仿真時利用此模型產(chǎn)生路面信號。

圖2 7種典型路面的μ(s)曲線

3 路面狀態(tài)動態(tài)識別方法

觀察圖2可以看出，各典型路面的附著系數(shù)曲線出現(xiàn)交叉重疊，個別滑移率下不同路面的附著系數(shù)出現(xiàn)相等。如果以附著系數(shù)為識別參數(shù)，只有當(dāng)不同路面的附著系數(shù)差距明顯時才能完成路面的識別，不能在整個滑移率區(qū)間上進行識別，給識別帶來不便。

仔細分析不難看出各典型路面的附著系數(shù)曲線出現(xiàn)交叉重疊主要是由干鵝卵石路面造成的，如果去掉這條曲線，如圖3所示，其余6種路面的附著系數(shù)曲線差距明顯，易于識別，鑒于此，筆者將干鵝卵石路面與其他路面區(qū)分開進行路面識別。

3.1建立動態(tài)識別區(qū)間

圖3 6種典型路面的μ(s)曲線

如圖3所示，其余6種路面的附著系數(shù)曲線沒有出現(xiàn)交叉重疊，同時考慮到干瀝青、干水泥路面特性相似，可合二為一。以附著系數(shù)為參數(shù)指標，在每個滑移率下都有一個對應(yīng)的識別區(qū)間，即可實現(xiàn)路面狀態(tài)的動態(tài)識別。

識別區(qū)間隨著滑移率的變化而變化，這樣便得到5條識別區(qū)間曲線，如圖4所示，其定義見式（5）～（6）：

式中：μi(s)為5種典型路面的附著系數(shù)曲線，路面編號如表2所示。

由式（4）～（6）和表1中的參數(shù)值可以計算出各典型路面實時滑移率下對應(yīng)的識別區(qū)間，即可得到典型路面的動態(tài)識別區(qū)間，如表2所示。

圖4 6種典型路面的識別區(qū)間—滑移率曲線

表2 典型路面動態(tài)識別區(qū)間

3.2干鵝卵石路面的識別

如圖5所示，當(dāng)0.1

圖5 2種典型路面的識別區(qū)間—滑移率曲線

對式（4）求微分得

令

則

如果當(dāng)前路面為干鵝卵石，c1、c2、c3分別為1.371、6.46、0.67，在滑移率區(qū)間［0.1，0.2］上，c(s)恒小于0。同理，如果當(dāng)前路面為濕瀝青，在滑移率區(qū)間［0.1，0.2］上，c(s)恒大于0。

因此，如果系統(tǒng)根據(jù)動態(tài)識別區(qū)間識別出當(dāng)前路面為路面4，可根據(jù)當(dāng)前路面的c(s)對干鵝卵石和濕瀝青路面作進一步區(qū)分。如果c(s)不小于0，則當(dāng)前路面為濕瀝青路面，否則，當(dāng)前路面為干鵝卵石路面。

3.3識別過程

考慮到汽車大部分時間行駛在干瀝青（水泥）路面，將系統(tǒng)的目標滑移率的初始值設(shè)為0.16，即默認當(dāng)前路面為干瀝青（水泥）路面。制動開始后，實際滑移率立即從0向0.16快速遞增，系統(tǒng)實時估算當(dāng)前路面實時滑移率下的附著系數(shù)，同時判斷其落入哪個識別區(qū)間。如果識別結(jié)果不是濕瀝青路面，系統(tǒng)將識別路面的最佳滑移率作為目標滑移率，同時系統(tǒng)繼續(xù)將當(dāng)前路面的附著系數(shù)與識別區(qū)間進行比較，一旦路面發(fā)生躍變或前一刻的識別出現(xiàn)錯誤，下一時刻立即作出調(diào)整。

如果識別結(jié)果為濕瀝青路面，則表示當(dāng)前路面是濕瀝青和干鵝卵石路面中的一種，系統(tǒng)開始估算當(dāng)前路面的c(s)，如果c(s)小于0，說明當(dāng)前路面為干鵝卵石，目標滑移率調(diào)整為0.4；如果c(s)不小于0，說明當(dāng)前路面為濕瀝青，目標滑移率調(diào)整為0.131。同時在新的滑移率下對當(dāng)前路面進行實時識別。

4 仿真試驗

在雙輪車輛模型的基礎(chǔ)上，以30m·s-1的初速度在典型路面上進行制動仿真試驗。

制動開始時預(yù)設(shè)路面為路面2，2s后躍變?yōu)槁访?。如圖6所示，路面識別仿真結(jié)果與預(yù)設(shè)路面一致，由于該方法能在實時滑移率下實現(xiàn)動態(tài)識別，識別快速準確。

圖6 路面識別仿真結(jié)果

圖7 滑移率—制動時間曲線

圖8 速度—時間曲線

圖9 法向作用力—時間曲線

圖10 導(dǎo)入誤差后的識別仿真結(jié)果

圖7為前輪的滑移率—時間曲線，2s時路面狀態(tài)發(fā)生變化，完成識別后目標滑移率及時調(diào)整，實際滑移率對目標滑移率的跟蹤快速準確，控制效果良好。

圖8為速度—時間曲線，當(dāng)車速小于3m·s-1后，ABS系統(tǒng)停止工作，輪速迅速減小，4.15 s時車輪抱死，4.57s時制動完成。在ABS系統(tǒng)工作過程中，車輪沒有出現(xiàn)抱死，充分利用了當(dāng)前路面的附著條件，縮短了制動時間，制動效果良好。

如圖9所示，當(dāng)路面發(fā)生躍變后，由于路面附著條件改善，制動強度增大，載荷轉(zhuǎn)移加劇，前輪受到的法向作用力增大，后輪受到的法向作用力減小。

圖10為導(dǎo)入誤差后的識別仿真結(jié)果，在3 s時給系統(tǒng)導(dǎo)入誤差，錯誤識別出當(dāng)前路面為路面3，由于該方法能夠在實時滑移率下實現(xiàn)動態(tài)識別，下一時刻立即糾正了前一時刻的錯誤，可見該方法具備自動糾錯功能。

5 結(jié)論

以路面附著系數(shù)作為參數(shù)指標，設(shè)計了7種典型路面的動態(tài)識別區(qū)間，實現(xiàn)了在實時滑移率下對當(dāng)前路面進行動態(tài)識別，一旦路面發(fā)生躍變或出現(xiàn)錯誤識別，下一時刻會立即作出調(diào)整，系統(tǒng)具備自動糾錯功能。以附著系數(shù)與斜率之差對濕瀝青和干鵝卵石路面作進一步區(qū)分，消除了干鵝卵石路面與其他路面的附著系數(shù)曲線交叉重疊對動態(tài)識別的干擾，增強了該方法的適應(yīng)性。

［1］Fredrik Gutafsson.Slip-based Tire-road Friction Estima?tion［J］.Auromaricu，1997，33：1087－1099.

［2］Hideo Sado，Shin-ichiro Sakai，YoichiHori.Road Condi?tion Estimation for Traction Control in Electric Vehicle［C］.IEEE International Symposium on Industrial Elec?tronics，1999：973－978.

［3］宋健，楊財，李紅志，等.AYC系統(tǒng)基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的路面附著系數(shù)估計算法［J］.清華大學(xué)學(xué)報，2009（5）：101-104.

［4］王博，孫仁云.基于狀態(tài)特征因子的路面識別方法研究［J］.汽車工程，2012，34（6）：506-510.

［5］Mara Tanelli,Luigi Piroddi,Marco Piuri，etal.Real-time identification of tire-road friction conditions［C］//17th IEEE International Conference on Control Applications，2008.

［6］余志生.汽車理論［M］.4版.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［7］Burckhardt M.Fahrwerktechnik.Radschlupf-Regelsys?teme［M］.VogelVerlag，1993.

Research on Road Identification Based on Dynam ic Identification Interval

Zhang Xiaolong,Sun Renyun,LiFeng,Lin Xiaolong
（Schoolof Transportation and Automobile Engineering,Xihua University,Chengdu 610039,China）

Dynamic identification intervals of seven typical roadswere designed with the road adhesion coefficientasparameter index in themathematical tyre-roadmodelof Burckhardt,and the roadsofdrypebble and wet-asphaltwere distinguished according to the D-value of road adhesion coefficientand its corresponding gradient to complete dynamic identification of road condition during braking.Simulation tests based on the double-wheelmodelwere conducted.The results show that thismethod can achieve road identification accurately and quickly,a dynamic recognition under real-time slip ratio,and im?proves theutilization ofadhesion conditionsofdifferent roads,has the function ofself-correction.

road identification;adhesion coefficient;dynamic identification;identification interval

10.3969/j.issn.1008-5483.2014.03.004

U461.5

A

1008-5483（2014）03-0021-04

2014-06-28

四川省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)項目（2012JY0049）；西華大學(xué)人才培養(yǎng)與引進基金項目（R0920301）

張曉龍（1988-），男，陜西蒲城人，碩士，主要從事汽車電控技術(shù)研究。