萬遠(yuǎn)航, 邵毅明, 胡廣雪, 徐 進(jìn)

(1.重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院, 重慶 400074； 2.重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引言

公路運(yùn)輸是交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，在西部地區(qū)承擔(dān)干線運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)。據(jù)統(tǒng)計，我國貨運(yùn)車輛逐步呈現(xiàn)大型化趨勢[1]。不同于乘用車，大型車輛在長大下坡路段存在換檔困難、制動器易失效等問題，是引發(fā)交通事故的主要車輛?，F(xiàn)有研究多關(guān)注于長大下坡制動器溫升變化[2-5]、速度預(yù)測模型[6-8]和事故路段特征[9]，缺乏對駕駛?cè)笋{駛行為與行車安全耦合特性的研究。然而駕駛?cè)俗鳛檐囕v操縱主體，其操縱行為與行車安全存在高度相關(guān)性，尤其在重載貨車長下坡行駛過程中，合理的檔位決策不但能夠減少制動器使用頻率、緩解制動器工作負(fù)荷，還能最大程度地保證運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性[10]。

由于駕駛?cè)嗽谡鎸?shí)長下坡駕駛過程中難以長時間感知細(xì)小的坡度變化，故可采用車輛動力學(xué)軟件進(jìn)行先期道路安全仿真，通過道路警示標(biāo)識、人機(jī)交互層面來降低長下坡對駕駛?cè)说鸟{駛要求，保障行車安全。近年來，TruckSim軟件、Adams軟件的逐步完善使實(shí)現(xiàn)人-車-路協(xié)同仿真成為可能。不少學(xué)者[11-12]在駕駛?cè)祟A(yù)瞄模型基礎(chǔ)上通過設(shè)置期望車速對車輛臨界或危險工況開展研究，在評價道路平面線形安全等方面取得了一定成果，但這并不能反映駕駛?cè)碎L下坡掛擋決策對行車安全的影響，進(jìn)而難以為長下坡道路安全措施改進(jìn)提供有效依據(jù)。

本研究通過構(gòu)建重載貨車整車模型、轉(zhuǎn)向控制器和踏板控制器，基于TruckSim軟件和Matlab軟件，聯(lián)合設(shè)計駕駛?cè)藪鞊鯖Q策對行車安全的控制策略，最后引入1條真實(shí)長下坡路段驗(yàn)證該控制策略有效性，并研究車輛長下坡不同檔位的掛擋行車安全。

1 車-路仿真系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 整車動力學(xué)模型

車輛數(shù)據(jù)源于國內(nèi)某款重載貨車，整車模型建模均在TruckSim車輛模型庫完成。動力系統(tǒng)采用 8×4驅(qū)動，各輪間軸距分別為1.95，4.55，1.35 m，整備質(zhì)量為11 t，額定載重為19 t，車輛其他主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 車輛主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of vehicle

1.2 道路模型

實(shí)例路段數(shù)據(jù)來源于四川省某長下坡路段。道路建模流程見圖1，其步驟如下：

(1)首先通過設(shè)計文件和CAD電子文件獲取道路水平特征參數(shù)參數(shù)，通過空間三維軟件求解道路平面線形、縱面線形、橫斷面數(shù)據(jù)。

(2)利用平面線形數(shù)據(jù)在x，y坐標(biāo)平面中規(guī)劃出1條漸變連續(xù)性的水平線，采用畢達(dá)哥拉斯原理計算行駛里程s，按行駛里程等距分割道路，并賦予每個路段單元車道寬度L。

(3) 構(gòu)造平面垂直高度函數(shù)z(L,s)完成對長大縱坡和傾斜路面的設(shè)計，為保證各路段單元間的平順性，采用樣條插值方法進(jìn)行過渡。

(4)分別賦予各路段單元附著系數(shù)，以此模擬不同路面環(huán)境。

圖1 道路建模流程Fig.1 Road modeling process

長下坡實(shí)際道路平縱面線形見圖2，路段行駛里程全程長為56 km，前半段21 km里程為長上下坡交替路段，21～52 km里程路段屬于典型長下坡路段，最小轉(zhuǎn)彎半徑為383 m，平均坡度為3%，其高低起伏差大，有利于開展重載貨車長下坡路段仿真。

圖2 仿真路段平縱面線性Fig.2 Horizontal/vertical alignment of simulation road

1.3 發(fā)動機(jī)仿真模型

車輛長大下坡掛檔自行過程中，利用發(fā)動機(jī)內(nèi)部摩擦和空氣泵氣損失產(chǎn)生的反拖力矩來鉗制驅(qū)動輪速增長。為獲取各時刻驅(qū)動輪力矩的變化，需給出發(fā)動機(jī)各轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的制動扭矩。本研究車輛發(fā)動機(jī)功率為225 kW，最大轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，其各轉(zhuǎn)速下的制動扭矩見表2。

2 駕駛?cè)朔抡嫦到y(tǒng)構(gòu)建

駕駛?cè)瞬倏v行為是對道路條件的具體響應(yīng)，當(dāng)相鄰路段之間道路線形或坡度發(fā)生改變時，會采取不同的響應(yīng)措施，體現(xiàn)為駕駛?cè)朔较虮P轉(zhuǎn)向特性和油門/制動踏板操縱幅頻特性。為準(zhǔn)確模擬重載貨車的長下坡行駛特性，依次建立轉(zhuǎn)向控制器、踏板控制器并定義駕駛?cè)诉吔缂s束。

表2 發(fā)動機(jī)制動指標(biāo)Tab.2 Engine brake indicators

2.1 駕駛?cè)宿D(zhuǎn)向控制器

根據(jù)車輛實(shí)際路徑與所建道路中心線的偏差，采用最優(yōu)控制理論求解方向盤轉(zhuǎn)角控制量[13]?？刂品匠虨椋?/p>

(1)

式中，x為狀態(tài)變量；u為控制輸入；v為車輛行駛過程中的干擾；y為輸出變量；A，B，C，D，E，H為帶常系數(shù)矩陣。

設(shè)置仿真步長為0.001 s，由于仿真步長小，單位周期內(nèi)可假設(shè)控制量和外界干擾恒定，故方程可忽略矩陣D和E：

(2)

采用車輛二自由度模型表征車輛運(yùn)動狀態(tài)變化，該模型能夠較好地表征駕駛?cè)似谕旭偺匦?，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)算量小，能保證控制的實(shí)時性要求[14-16]。依次選取側(cè)向位移、航向角、側(cè)向速度、橫擺角速度作為狀態(tài)變量，其各狀態(tài)矩陣為:

(3)

(4)

C=[1a0 0]，

(5)

(6)

式中，cf為前軸輪胎剛度系數(shù)；cr為后軸輪胎剛度系數(shù)；m為整車質(zhì)量；vx為縱向速度；f(vx)為后輪轉(zhuǎn)向到前輪轉(zhuǎn)向角比的函數(shù)；Izz車輛繞質(zhì)心z軸的轉(zhuǎn)動慣量；a為車輛質(zhì)心到前軸的距離；b為車輛質(zhì)心到后軸的距離。

2.2 駕駛?cè)颂ぐ蹇刂破?/h3>

基于期望速度差，采用PI模型控制踏板控制器，并在其基礎(chǔ)上引入非線性立方反饋，以實(shí)現(xiàn)駕駛?cè)擞烷T加速、制動減速踏板操縱間的相互轉(zhuǎn)換，其期望加速度計算式為:

(7)

式中，Ax為期望加速度；kp為比例增益系數(shù)；Ve為期望速度與實(shí)際速度間的誤差；ki為積分增益系數(shù)；le為期望速度與實(shí)際速度間誤差的積分；kp3為立方增益系數(shù)。

2.3 駕駛?cè)诉吔缂s束

車輛加速度是車輛面對不同道路線形的具體表現(xiàn)參數(shù)[17-18]。與國外貨車不同，國內(nèi)重載貨車比功率低，整體動力性能較弱，故采用國外重載貨車加速度數(shù)值標(biāo)定并不適用于國內(nèi)重載貨車行駛安全仿真。本研究依托重載貨車駕駛?cè)俗匀获{駛數(shù)據(jù)[19]，采用所測數(shù)據(jù)中加速度最大值的95th分位值作為駕駛?cè)诉吔缂s束進(jìn)行求解，即縱向加速度區(qū)間設(shè)置為-0.5～0.4 m/s2，側(cè)向加速度區(qū)間設(shè)置為-0.5～0.5 m/s2。

3 掛檔下坡行駛控制策略

真實(shí)長下坡駕駛過程中，道路坡度并不是固定不變的，駕駛?cè)穗y以長時間感知細(xì)小的道路坡度變化，僅根據(jù)儀表盤和主觀感受信息決策操縱存在相對滯后性。其次，為減少制動器使用頻率，緩解制動器工作負(fù)荷，駕駛?cè)藭谝欢ㄜ囁傧虏扇鞊趸写胧?，車輛期望車速不再符合單一固定值，而是呈現(xiàn)區(qū)間波動的特點(diǎn)。因此，本研究在TruckSim現(xiàn)有駕駛?cè)四Ｐ突A(chǔ)上，通過聯(lián)合Simulink軟件中的Stateflow控制循環(huán)對駕駛?cè)四Ｐ瓦M(jìn)行擴(kuò)展。通過油門踏板觸發(fā)車速Vmin、空檔滑行觸發(fā)車速Vc、制動踏板觸發(fā)車速Vmax對掛擋下坡行駛控制策略展開設(shè)計，具體控制流程見圖3。

圖3 控制流程圖Fig.3 Flowchart of control

當(dāng)重載貨車進(jìn)入長下坡路段時，在各控制時刻根據(jù)不同的掛擋檔位確定對應(yīng)的加速區(qū)間[Vmin，Vc]、掛擋滑行區(qū)間[Vc，Vmax]、制動區(qū)間[Vmax，+∞]，并結(jié)合車速判定情況進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。隨后，在下一控制時刻重復(fù)該流程，最后通過對輸出的車輛動力學(xué)響應(yīng)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，判斷車輛行車安全，進(jìn)而為該路段同類貨車掛擋決策優(yōu)化提供依據(jù)。

4 典型駕駛模式仿真及結(jié)果分析

為驗(yàn)證擋下坡行駛控制策略的有效性，引入實(shí)際長下坡道路進(jìn)行仿真，并與通用預(yù)瞄定速仿真模式進(jìn)行對比，研究不同掛擋決策下車輛行車安全。

4.1 預(yù)瞄定速模式仿真及結(jié)果分析

期望車速設(shè)定為80 km/h (道路設(shè)計車速)，車輛居中行駛，掛擋檔位不固定。圖4示出預(yù)瞄定速模型長下坡仿真結(jié)果，包括車輛速度、道路高程值、發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度、車輪制動壓力變化曲線。

從圖4(a)中可以看出，重載貨車在進(jìn)入長下坡路段(21～52 km)后,車輛行駛車速逐步穩(wěn)定在80 km/h，如果僅從車輛速度幅頻特性變化層面來評價當(dāng)前道路車輛行車安全，重載貨車能夠保證在該路段安全通行。

圖4 預(yù)瞄定速模式仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result of preview and fixed speed mode

然而從圖5(b)示出的車輛節(jié)氣門、制動壓力仿真結(jié)果可以看出，重載貨車單輪制動壓力隨路段變化呈現(xiàn)出不同幅度波動且數(shù)值長期處于零刻度線以上，說明定速巡航模式并未考慮車輛制動器長時間制動所產(chǎn)生的熱衰退影響。其次，車輛節(jié)氣門開度和單輪制動壓力曲線呈現(xiàn)相互交替的態(tài)勢，與駕駛?cè)苏鎸?shí)長下坡駕駛過程操縱不符，故難以為駕駛?cè)藪鞊鯖Q策優(yōu)化及道路后設(shè)計提供有效判定依據(jù)。

4.2 掛檔下坡控制模式仿真及結(jié)果分析4.2.1 駕駛?cè)藪鞕n檔位選取

根據(jù)汽車?yán)碚摷败囕v動力傳遞原理，車輛長大下坡掛低檔位行駛時，低檔位下行雖然緩解了車輛制動器的工作負(fù)荷，但會造成車速下降，一定程度上犧牲了運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益。真實(shí)駕駛過程中，駕駛?cè)藶樽非蟾叩倪\(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益，多拉快跑已成常態(tài)。該路段重載貨車駕駛?cè)藛柧碚{(diào)查顯示，類似重載貨車掛檔下坡時，駕駛?cè)诉x取7～8檔位掛檔下行。因此本研究仿真將對重載貨車7～9檔位掛檔下行工況進(jìn)行研究。

4.2.2期望速度區(qū)間設(shè)置

根據(jù)重載貨車不同檔位匹配的動力性能，設(shè)置對應(yīng)期望速度區(qū)間，詳細(xì)參數(shù)見表3。

表3 期望速度區(qū)間設(shè)置Tab.3 Setting of expected speed range

4.2.3掛擋控制模式結(jié)果分析

圖5為駕駛?cè)瞬煌瑱n位掛檔下坡行駛仿真結(jié)果，包括車輛速度、單輪制動壓力、節(jié)氣門開度變化曲線?？梢钥闯觯囕v節(jié)氣門開度和車輪制動壓力呈現(xiàn)互不交替的特點(diǎn)，能夠在設(shè)立的速度區(qū)間完成加速、掛擋滑行、制動操作，較好地表征了駕駛?cè)碎L下坡行駛過程中的操縱行為。

為進(jìn)一步分析車輛行駛安全，實(shí)現(xiàn)該路段重載貨車駕駛?cè)藪鞊鯖Q策優(yōu)化，分別對各類仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

從圖5(a)可以看出，車輛7檔位掛擋車速波動于52～66 km/h，8檔位波動于75～80 km/h，9檔位穩(wěn)定于80 km/h，說明該路段9檔位運(yùn)輸效率最優(yōu)，8檔位次優(yōu)，7檔位最差。

從圖5(b)可以看出，9檔位車輛車輪制動壓力幾乎全程處于零刻度線以上，頻繁的制動勢必會導(dǎo)致制動器產(chǎn)生熱衰退現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)車輛失控；8檔位所對應(yīng)的單輪制動壓力幅度較小，其制動波動頻率也呈現(xiàn)出較好的分隔性，為制動器預(yù)留了足夠的散熱時間，一定程度保證了行車安全；而7檔位掛檔下行所對應(yīng)的單輪制動壓力曲線全程停留在零刻度線，說明車輛制動踏板處于閑置狀態(tài)，重載貨車僅憑發(fā)動機(jī)制動就能保證車輛安全下行，行駛安全性最優(yōu)。

圖5 掛檔控制模式仿真結(jié)果Fig.5 Simulation result of gear shift control mode

從圖5(c)可以看出，相較于其他兩個檔位，7檔位節(jié)氣門開度無論幅值還是頻域，其波動變化最為劇烈，說明該檔位燃油經(jīng)濟(jì)性最差。因此，在保證行駛安全性的前提下，同時兼顧車輛運(yùn)輸時效及燃油經(jīng)濟(jì)性，該路段同類重載貨車掛擋下行時8檔位最優(yōu)、7檔位次優(yōu)。

此外，現(xiàn)有避險車道位置設(shè)計缺乏統(tǒng)一量化指標(biāo)。制動器失效是導(dǎo)致交通事故的主要誘因，而頻繁制動是導(dǎo)致制動器失效的關(guān)鍵因素，因此從駕駛?cè)酥苿臃底兓筒▌宇l域?qū)用鎭頌楸茈U車道位置參數(shù)設(shè)計提供依據(jù)顯然更具意義。圖5(b)中，車輛8檔位掛檔下行過程中，重載貨車在行駛里程28.3～35.5 km路段單輪制動壓力呈現(xiàn)了較高的頻域及幅值波動。故可認(rèn)為車輛在該路段最易發(fā)生車輛失控，道路設(shè)計者和管理部門應(yīng)在此路段根據(jù)相應(yīng)情況添設(shè)避險車道。

5 結(jié)論

(1)在TruckSim環(huán)境下聯(lián)合Simulink軟件設(shè)計了掛檔下坡行駛控制仿真模式，相較于傳統(tǒng)預(yù)瞄定速模式，其仿真結(jié)果更加切合重載貨車駕駛?cè)碎L下坡操縱過程，能夠反映不同掛擋決策對長下坡車輛行車安全的影響。

(2)不論是擬建造道路設(shè)計方案，還是在建和已運(yùn)行的長大復(fù)雜下坡路段，在生成三維道路模型后都可采用本研究模式進(jìn)行仿真，通過分析不同檔位下的車輛行駛速度、單輪制動壓力幅值變化和波動頻域特性，以此優(yōu)化該路段駕駛?cè)藪鞕n決策，進(jìn)行避險車道設(shè)計，進(jìn)而提升車輛長大復(fù)雜下坡路段的行駛安全。

(3)由于本研究目前尚未考慮制動性能衰減作用，但提供了能夠反映駕駛?cè)藪鞕n決策對車輛長下坡路段行駛安全影響的一種仿真新思路，進(jìn)一步的研究擬結(jié)合制動器溫升模型進(jìn)行，以期更真實(shí)地反映長大下坡重載貨車的行駛特性。