孟凡婧，金 輝

前言

我國山地、高原面積廣大，山區(qū)面積占國土總面積的69%，因此山區(qū)道路成為我國道路交通系統(tǒng)的重要組成部分。下坡是典型的較危險工況，當(dāng)重力沿坡道方向的分力大于車輛所受的阻力時，車輛就會不斷加速，采用通常換擋規(guī)律的自動變速車輛其擋位也會相應(yīng)地不斷增加，直至最高擋。在實際行駛時，為了避免車速過高，駕駛員不得不頻繁地使用行車制動以使車輛減速。據(jù)相關(guān)研究表明，轎車在山區(qū)行駛時，制動器連續(xù)制動引起的熱衰退可能使制動距離增加多達(dá)50%，倘若不及時采取有效的應(yīng)急措施，將會導(dǎo)致制動器完全失效，極有可能釀成交通事故[1-2]。若采用發(fā)動機(jī)制動，既能減少對行車制動器的磨損，又能避免制動過程的沖擊感，提高了行駛的舒適性，同時還可降低對制動踏板的操作頻率，減輕駕駛員的工作強(qiáng)度[3-4]。因而在下坡路段合理地利用發(fā)動機(jī)的牽阻作用進(jìn)行制動是十分必要的。

道路因素是換擋策略制定中的一個重要影響因素。針對道路坡度的識別，研究較為成熟的方法主要有基于傳感器的識別方法和基于動力學(xué)模型的識別方法。前者需要在車輛上加裝額外的傳感器，如利用加速度傳感器測得縱向加速度進(jìn)而對坡道進(jìn)行估計[5]。后者利用CAN總線和通用傳感器獲取的數(shù)據(jù)，分析車輛在不同坡道路面行駛狀態(tài)參數(shù)的差異來實現(xiàn)對坡度的識別[6-8]。然而上述識別方法的可預(yù)見性較差，給其實際應(yīng)用帶來了一定的困難。而地圖傳感器(map sensor)作為一種特殊的傳感器融入車輛系統(tǒng)，可提供道路的先驗知識。隨著先進(jìn)輔助駕駛技術(shù)(advanced driver assistance system，ADAS)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和云技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，目前有很多研究機(jī)構(gòu)和地圖廠商如美國的ED Map項目[9]、歐洲的 HERE[10]、OpenRouteService[11]和我國的四維圖新[12]等，均已著手開發(fā)包含道路坡度和曲率等信息在內(nèi)的可用于汽車實時控制的高精度電子地圖。這些成果使基于道路坡度信息的換擋策略研究成為可能。

在此基礎(chǔ)上，近年來國內(nèi)外也有眾多針對下坡?lián)Q擋策略問題的研究。文獻(xiàn)[13]中分析了發(fā)動機(jī)輔助制動作用產(chǎn)生的機(jī)理及其對整車制動性能的影響。文獻(xiàn)[14]中將制動工況進(jìn)行分類，提出了依據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號來識別不同制動工況的方法，并制定了相應(yīng)的換擋控制策略。文獻(xiàn)[15]中定義了輔助制動的等效制動強(qiáng)度，在分析實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上提出了基于制動強(qiáng)度和車速的主動降擋輔助換擋策略。文獻(xiàn)[16]中通過分析不同擋位發(fā)動機(jī)制動效果的差別，提出了計算各坡度下合適擋位的方法，為AMT下坡控制策略的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[17]中通過對加速和制動踏板操縱行為的識別，對一般換擋曲線進(jìn)行修正，通過縮小或擴(kuò)大擋位作用范圍來滿足駕駛員的需求。文獻(xiàn)[18]中采用模糊推理的方法制定了下坡?lián)Q擋策略，文獻(xiàn)[19]中采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法學(xué)習(xí)駕駛員的駕駛行為，從而解決自動變速車輛下坡行駛時所存在的問題。

通過對上述文獻(xiàn)的歸納和分析發(fā)現(xiàn)，對下坡?lián)Q擋策略的研究仍然存在局限，主要表現(xiàn)為:在制定下坡?lián)Q擋策略時大多基于駕駛經(jīng)驗，未能從理論上充分平衡安全性與行駛效率之間的關(guān)系。因此本文中從對下坡工況的動力學(xué)分析出發(fā)，基于道路坡度信息，結(jié)合公路的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，以安全性為基礎(chǔ)充分考慮行駛效率，確定了各工況的目標(biāo)參考車速和約束擋位，從理論上制定了下坡?lián)Q擋控制策略。通過駕駛員在環(huán)仿真，證明了該換擋策略既能反映駕駛員的駕駛意圖，又能提高車輛的行駛效率，還能在必要時有效發(fā)揮發(fā)動機(jī)的制動特性。

1 下坡工況動力學(xué)分析

1.1 發(fā)動機(jī)制動特性研究

發(fā)動機(jī)處于制動工況時，加速踏板應(yīng)完全松開，此時節(jié)氣門幾乎處于完全關(guān)閉的狀態(tài)，怠速油道會給氣缸提供少量的燃料，而這部分燃料燃燒所產(chǎn)生的能量有限，一般僅供發(fā)動機(jī)怠速使用。此時若踩下離合器踏板使傳動系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)斷開，則發(fā)動機(jī)處于怠速狀態(tài)，產(chǎn)生的功率主要用于克服自身內(nèi)部機(jī)件的摩擦阻力等。若此時傳動系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)處于接合狀態(tài)，在車輛的帶動下發(fā)動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速高于其怠速轉(zhuǎn)速時，燃料燃燒所產(chǎn)生的功率將不足以克服發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的各種阻力，此時發(fā)動機(jī)就變成了一個耗能負(fù)載。發(fā)動機(jī)的這種特性稱為發(fā)動機(jī)的制動特性。

本研究利用某款125kW發(fā)動機(jī)反拖實驗數(shù)據(jù)作為研究的基礎(chǔ)，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 125kW發(fā)動機(jī)反拖實驗數(shù)據(jù)

采用Smoothing Spline方法對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到發(fā)動機(jī)制動特性曲線，如圖1所示。

從圖中可以直觀地看出，反拖轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的增加而不斷增大，即發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越高，發(fā)動機(jī)制動效果越明顯。

圖1 發(fā)動機(jī)制動特性曲線

1.2 帶擋滑行車輛動力學(xué)分析

為定量分析車輛動力學(xué)特性，本文中選用某款搭載該125kW發(fā)動機(jī)的B級轎車來進(jìn)行研究，其主要參數(shù)如表2所示。

表2 某125k W B-Class車型主要參數(shù)

車輛在下坡過程中帶擋滑行時，行駛方程為

式中:Fi為重力沿坡道方向的分量；Ff為滾動阻力；Fw為空氣阻力；Fft為等效發(fā)動機(jī)阻力；Fj為加速阻力。

將式(1)展開可得

式中:m為整車整備質(zhì)量；g為重力加速度；θ為坡道角；f為滾動阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為車輛的迎風(fēng)面積；ρ為空氣密度；v為車輛行駛的速度；Tft為發(fā)動機(jī)的反拖力矩；ig為變速器傳動比；i0為主減速比；η為傳動效率；Rw為車輪的有效作用半徑；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；a為車輛行駛加速度。

車輛在下坡行駛過程中，等效的外部驅(qū)動力Fex可表示為

由此可繪制出各擋位下等效發(fā)動機(jī)制動力和等效外部驅(qū)動力隨車速的變化曲線，如圖2所示。圖中實線與虛線的交點為對應(yīng)坡度下的穩(wěn)定車速點，當(dāng)虛線位于實線之上時，車輛在重力作用下處于加速狀態(tài)，反之車輛處于減速狀態(tài)。圖3為僅在發(fā)動機(jī)制動的情況下各擋位所能達(dá)到的穩(wěn)定車速。

圖2 帶擋滑行動力特性曲線

圖3 各擋位穩(wěn)定車速與道路坡度關(guān)系曲線

由圖2可以看出:在14%的坡道上下坡行駛時只有在1擋帶擋滑行時發(fā)動機(jī)能起到控制車速的作用，當(dāng)車速較低時發(fā)動機(jī)的制動效果并不明顯，此時車輛處于加速狀態(tài)，隨著車速的增加，若變速器的擋位不發(fā)生改變，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速將隨車速一起增加，最終達(dá)到平衡，使車速穩(wěn)定在46km/h；在10%的坡道上下坡行駛時，雖然各擋位均能達(dá)到穩(wěn)定車速，但隨著擋位的升高，穩(wěn)定車速越來越大，在高擋位時雖然也達(dá)到了平衡，但車速早已超出了安全車速，此時發(fā)動機(jī)的制動效果并不明顯，沒有起到其應(yīng)有的作用。

由以上分析可知，要想充分利用發(fā)動機(jī)的制動效果，不僅要使發(fā)動機(jī)處于較高的轉(zhuǎn)速，同時還應(yīng)使用盡可能低的擋位。

2 下坡?lián)Q擋策略的制定

基于對車輛本身及路面交通狀況的考慮，下坡?lián)Q擋策略的制定需要遵循以下幾個原則:

(1)以行駛的安全性為基礎(chǔ)，充分考慮行駛工況及道路參與者的實際感受；

(2)杜絕意外升擋，并能根據(jù)駕駛員的駕駛意圖實現(xiàn)主動降擋及推遲升擋；

(3)對于危險系數(shù)較小的坡段應(yīng)更注重行駛效率，對于危險系數(shù)較大的坡段需充分發(fā)揮發(fā)動機(jī)的制動作用。

2.1 坡道行駛環(huán)境信息提取

高精度電子地圖可提供道路形狀、拓?fù)浜推渌呒墝傩缘刃畔?，如道路坡度、彎道曲率、車道?shù)或限速數(shù)值等。為了實現(xiàn)地圖信息在車輛各個子系統(tǒng)中的傳輸，消除各圖商、車廠、ADAS零部件供應(yīng)商之間協(xié)議的差異，ADASIS Forum制定了地圖與ADAS系統(tǒng)之間的通信協(xié)議ADASIS(advanced driver assistance systems interface specifications)，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。目前ADASIS已經(jīng)發(fā)布了v1和v2兩個版本，其中ADASISv2[20]已經(jīng)被多家車廠采用。

圖4 ADASIS系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

如圖4所示，電子地圖供應(yīng)商可提取詳細(xì)的地形、道路相關(guān)數(shù)據(jù)和車輛的位置信息，生成ADAS Horizon所需要的數(shù)據(jù)，并向車輛的CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。車輛系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)重構(gòu)單元可從CAN總線上提取相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂茊卧梢灾苯邮褂玫臄?shù)據(jù)。而地圖信息的傳輸均遵循ADASISv2協(xié)議。

基于上述分析，隨著高精度電子地圖的不斷發(fā)展和普及，今后只需要利用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，便可實現(xiàn)變速器控制單元(TCU)對車輛前方道路坡度、坡長信息和相關(guān)車輛狀態(tài)信息的提取。

2.2 目標(biāo)車速與擋位約束

國外對于連續(xù)下坡的交通安全問題已有較為系統(tǒng)的研究，較具代表性的是美國道路坡度嚴(yán)重度分級體 系(grade severity rating system， GSRS)[21]。GSRS針對不同載質(zhì)量的貨車在下坡路段行駛時，根據(jù)坡度和坡長的不同組合提出合理的控制擋位和車速建議，以保證行車安全。我國交通部門對《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行了修正[22]，并開展了公路縱坡坡度與坡長限制方面的研究[23-25]，詳細(xì)分析了坡度、坡長對交通安全的影響。標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)不同的公路等級對公路的坡度、坡長、設(shè)計速度等做出了規(guī)定，同時規(guī)定了轎車各設(shè)計車速下不同縱坡的最大坡長，如表3所示。

表3 不同縱坡的最大坡長

公路的設(shè)計車速是指在氣候良好、交通密度低的條件下，一般駕駛員在路段上能保持安全、舒適行駛的最大車速。因此可將各路段對應(yīng)的設(shè)計車速作為車輛下坡行駛過程中的目標(biāo)參考車速。

針對確定的路段，提取其坡度和坡長信息，依據(jù)我國工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對公路的設(shè)計要求，可得到該路段的目標(biāo)參考車速。根據(jù)目標(biāo)參考車速和坡度值由圖3可得到滿足車輛行駛安全要求的所有擋位(當(dāng)某擋位對應(yīng)的穩(wěn)定車速高出設(shè)計車速不超過5km/h時，行車制動系統(tǒng)可有效發(fā)揮制動作用，可認(rèn)為此擋位也屬于安全擋位。以長800m的5%的坡道為例，其目標(biāo)參考車速為60km/h，根據(jù)圖3各擋位坡度下的穩(wěn)定車速曲線可知，1擋、2擋均能充分發(fā)揮發(fā)動機(jī)的制動作用將車速控制在60km/h以內(nèi)，為了保證車輛在安全行駛的前提下有較高的行駛效率，因此可選擇滿足條件的最高擋位(2擋)作為其約束擋位。按照上述方法可確定各道路工況下的目標(biāo)參考車速和約束擋位，如表4所示。

表4 各道路工況下目標(biāo)參考車速和約束擋位

2.3 下坡工況換擋規(guī)律

前文所得出的目標(biāo)參考車速和約束擋位已能保證車輛的安全性和行駛效率，但換擋策略還須反映駕駛員的駕駛意圖。駕駛意圖可簡單地從對加速和制動踏板的操縱進(jìn)行區(qū)分:

(1)若駕駛員松開加速或踩下制動踏板其意圖為控制車速下坡，此時換擋策略應(yīng)能充分發(fā)揮發(fā)動機(jī)的制動作用；

(2)若駕駛員踩下加速踏板，則其意圖為加速，這時應(yīng)充分考慮行駛安全(車速不能超過目標(biāo)參考車速、擋位低于約束擋位)，結(jié)合此時的車速，換擋策略應(yīng)盡量保持擋位，推遲升擋。

在實車控制中，既可以用車速也可以用變速器輸出軸轉(zhuǎn)速作為換擋決策參數(shù)，本文中在制定換擋策略時選用后者作為決策參數(shù)。

下坡工況的換擋策略是根據(jù)各擋位純發(fā)動機(jī)制動工況下所能達(dá)到的穩(wěn)定車速制定的。為了抑制車輛在下坡過程中的連續(xù)升擋，并在需要制動時可有效降擋，充分發(fā)揮發(fā)動機(jī)的制動特性，設(shè)計降擋曲線略低于高擋平衡曲線，升擋曲線位于降擋曲線與高擋平衡曲線之間。在大坡度時為使車輛能夠盡快地識別駕駛員的意圖，充分利用發(fā)動機(jī)牽阻進(jìn)行制動，采用收斂型的降擋曲線。因此下坡工況的換擋規(guī)律曲線如圖5所示。

圖5 下坡工況換擋曲線

該車在平路上行駛時使用的雙參數(shù)動力性換擋曲線如圖6所示。

當(dāng)車輛在平路上行駛達(dá)到60km/h的車速時遇到5%的下坡路段，此時松開加速踏板直至節(jié)氣門完全關(guān)閉，在節(jié)氣門近乎完全關(guān)閉時，車輛處于圖6所示A點狀態(tài)，擋位為5擋，當(dāng)節(jié)氣門完全關(guān)閉后，進(jìn)入純發(fā)動機(jī)制動工況，車輛處于圖5所示A點狀態(tài)，此時受降擋曲線的控制車輛將很快降為3擋，并使車速穩(wěn)定在65km/h。若駕駛員認(rèn)為此工況可以以更高的車速行駛，則可踩下加速踏板進(jìn)行加速，此時車輛離開平衡位置開始加速，并在接近4擋平衡車速時才可進(jìn)行升擋，這從一定程度上達(dá)到了保持擋位，推遲升擋的效果，在此期間若松開加速踏板車輛依然能夠自主利用發(fā)動機(jī)進(jìn)行制動。若駕駛員認(rèn)為此工況需要以更低的車速進(jìn)行行駛則可輕踩制動踏板，在制動力的作用下，車輛離開平衡位置開始減速，由于降擋曲線臨近高擋平衡曲線，因此僅需施加不大的制動力就可穿越降擋曲線掛入低擋，此后則無須再施加行車制動力，車輛便可自主利用發(fā)動機(jī)的制動作用繼續(xù)進(jìn)行減速。

圖6 平路換擋曲線

根據(jù)2.2節(jié)的分析，車輛在小于3%的坡道上下坡行駛時，安全車速較高并不需要利用發(fā)動機(jī)進(jìn)行牽阻制動，因此出于對車輛行駛效率的考慮，在小于3%的坡段選用平路動力性換擋曲線，其余下坡路段選用更利于發(fā)揮發(fā)動機(jī)牽阻作用的下坡工況換擋曲線。

3 下坡工況仿真分析

為驗證制定的換擋策略能否達(dá)到期望的效果，選擇3種工況進(jìn)行對比實驗，分別為長緩坡(3%，1 000m)、中長坡(6%，600m)和急陡坡(9%，300m)。同時為了驗證制定的換擋策略能否反映駕駛員的駕駛意圖，使仿真結(jié)果更逼近真實情況，試驗設(shè)計在模擬駕駛儀上進(jìn)行，實時采集駕駛員對加速踏板及制動踏板的操作信號。

實驗過程首先利用制定的下坡?lián)Q擋策略在Matlab/Simulink環(huán)境中進(jìn)行駕駛員在環(huán)仿真實驗，仿真過程實時顯示目標(biāo)參考車速提示駕駛員，駕駛員根據(jù)顯示信息及道路情況控制加速和制動踏板。再以同樣的工況，采用與上述仿真完全相同的油門及制動控制信號，利用平路換擋策略在Matlab/Simulink中進(jìn)行對比實驗。仿真結(jié)果如圖7～圖9所示。

(1)長緩坡(3%，1 000m)實驗，車輛先在平路行駛一段距離后，以低于設(shè)計車速的速度進(jìn)入下坡路段，此坡道的設(shè)計車速為100km/h，推薦擋位為5擋。

圖7 長緩坡工況仿真結(jié)果

圖8 中長坡工況仿真結(jié)果

分析:一般換擋策略和坡道換擋控制策略在此情況下具有同樣的仿真效果，原因是在下坡坡度較緩的路段，此時坡道對車速影響并不大，不會造成車輛的失控，因此在制定坡道換擋控制策略時出于對行駛效率的考慮緩坡仍選用平路的換擋規(guī)律進(jìn)行換擋，且不對擋位進(jìn)行限制。

圖9 急陡坡工況仿真結(jié)果

(2)中長坡(6%，600m)試驗，車輛先在平路行駛一段距離后，以略高于設(shè)計車速的速度進(jìn)入下坡路段，此坡道的設(shè)計車速為60km/h，推薦擋位為2擋。

分析:采用坡道換擋策略時，當(dāng)對車輛采取制動即駕駛員有減速需求時，換擋策略能實現(xiàn)主動降擋來滿足駕駛員的需求，降到推薦擋位后，即便駕駛員不再進(jìn)行行車制動，車輛也能充分利用發(fā)動機(jī)的牽阻作用進(jìn)行制動，并逐漸趨近于該擋的穩(wěn)定車速(45km/h)。

采用一般換擋策略時，在同樣的路段采取同樣的控制輸入后，首先在行車制動時，同樣的制動意圖卻不能使車輛發(fā)生主動降擋來滿足駕駛員的減速需求；其次在施加行車制動的過程中車速的降低明顯小于采用坡道換擋策略時車速的降低；最后在撤掉行車制動后，車輛選擇的擋位(5擋)并不能有效發(fā)揮發(fā)動機(jī)的牽阻作用，而且還會使車速進(jìn)一步升高，并向更危險的方向遠(yuǎn)離道路的設(shè)計車速。若要實現(xiàn)對車速的有效控制必須施加更大強(qiáng)度的制動，給行車制動系統(tǒng)帶來更大的負(fù)擔(dān)。

(3)急陡坡(9%，300m)實驗，車輛先在平路行駛一段距離后，以略高于設(shè)計車速的速度進(jìn)入下坡路段，此坡道的設(shè)計車速為20km/h，推薦擋位為1擋。

分析:采用坡道換擋策略時，車輛能夠在下坡過程中保持在1擋，最大程度地利用發(fā)動機(jī)進(jìn)行制動，僅需施加較小的行車制動就可使車輛穩(wěn)定在推薦車速附近。

采用一般換擋策略時，在同樣的路段采取同樣的控制輸入后，車速和擋位均不斷升高，原有的換擋策略并不能滿足駕駛員的減速意圖實現(xiàn)主動降擋，反而在不斷地升擋。擋位的增加不僅弱化了發(fā)動機(jī)的牽阻作用，同時還會使行駛工況進(jìn)一步惡化。若要實現(xiàn)對車速的有效控制必須施加更大強(qiáng)度的制動，給行車制動系統(tǒng)帶來更大的負(fù)擔(dān)，更易引起制動器的熱失效。

從上述各仿真結(jié)果可以看出，一般換擋策略在大部分下坡工況特別是危險工況下存在巨大的安全隱患，會使車輛產(chǎn)生意外升擋，使車速不斷提高，隨著坡道的增長車輛的實際行駛車速將遠(yuǎn)高于安全車速。而本文中針對下坡路段提出的坡道換擋控制策略可有效地根據(jù)坡道的坡度、坡長、車速和駕駛員的意圖合理地調(diào)整擋位，使車輛在危險系數(shù)小的長緩坡行駛時更注重行駛效率，選擇中高擋，而在危險系數(shù)較大的急陡坡行駛時更注重行駛的安全性，充分發(fā)揮發(fā)動機(jī)的制動作用，選擇中低擋。

4 結(jié)論

本文中從發(fā)動機(jī)的制動特性出發(fā)，根據(jù)車輛行駛方程，對下坡工況帶擋滑行時車輛動力學(xué)進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上結(jié)合我國公路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，確定了目標(biāo)參考車速和約束擋位，制定了下坡工況的換擋控制策略，并運(yùn)用Matlab/Simulink和模擬駕駛儀進(jìn)行仿真實驗，仿真結(jié)果表明，本文中制定的換擋策略能有效解決下坡時意外升擋的問題，可有效地根據(jù)坡道的坡度、坡長、車速和駕駛員的意圖合理地調(diào)整擋位，使車輛在危險系數(shù)小的長緩坡行駛時更注重行駛效率，而在危險系數(shù)較大的急陡坡行駛時更注重行駛的安全性，充分發(fā)揮發(fā)動機(jī)的制動作用。

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