徐哲,劉豪,黨威,胡趁義,龍永文

(1. 重慶理工大學(xué) 車輛工程學(xué)院,重慶 400054;2. 東風(fēng)柳州汽車有限公司,廣西柳州 545000)

車輛的制動過程容易產(chǎn)生點頭現(xiàn)象,引起駕乘人員的不適,有經(jīng)驗的駕駛員通過在制動后期松踏板可以實現(xiàn)對制動點頭的抑制。隨著電動制動助力器等關(guān)鍵零部件的應(yīng)用,制動系統(tǒng)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)踏板與制動壓力之間的解耦,通過在電動助力器中使用控制算法可以模擬經(jīng)驗豐富的駕駛員的松踏板操縱動作,實現(xiàn)車輛的舒適停車功能。另外隨著自動駕駛時代的來臨,車輛的制動操縱由駕駛員輸入變?yōu)橛煽刂葡到y(tǒng)給定,對制動過程的控制算法的好壞直接影響對車輛的評價,因此研究舒適停車控制算法具有重要的意義。

制動過程的舒適性優(yōu)化可以由以下幾個方面入手: 1) 單純降低車輛俯仰角,可通過主動/半主動懸架產(chǎn)生主動力來控制車身在制動時的姿態(tài)[1-4],還可以通過調(diào)節(jié)前后軸制動力大小的分配來降低俯仰角從而優(yōu)化制動舒適性[5-6]; 2) 從制動操縱輸入進行控制,重新規(guī)劃速度及加速度,在減小車身沖擊度的同時減小制動俯仰變化程度[7]; 3) 將輪胎模型考慮到整車模型中,在制動后期,輪胎和車身由于制動鉗的結(jié)合會引起整車的頻率變化,使整車的振動頻率下降到人體不舒適的頻率范圍內(nèi),故可以通過在制動后期調(diào)整制動力大小來使車身遠離不舒適的頻率范圍,從而提高制動的舒適性[8-11]; 4) 通過微分平坦方法直接求解制動力,微分平坦是一種已知輸出求輸入的逆動力學(xué)方法,這種方法需要根據(jù)制動目標來對制動力輸入進行逆向求解[12-13]。

通過主動(半主動)控制懸架各部件以此來控制車輛姿態(tài)的方法從理論上來說固然有效,但是由于其技術(shù)復(fù)雜加上成本昂貴,要想實現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用還有很長的路要走。調(diào)整前后軸制動力大小的分配來降低俯仰角在一定程度上解決了制動舒適性問題,但是其需要精確的識別路面條件來給制動力大小的分配提供有力的保障以確保行車的安全性。從頻域上來解決制動舒適性往往會涉及到懸架與制動系統(tǒng)的聯(lián)合控制,還是包含了通過懸架控制的缺點。

圖1為解決制動舒適性常用研究方法的雷達圖,可以看出每種方法都有一定的局限和優(yōu)勢,綜合來說,通過制動力輸入控制來改善制動舒適性具有較好的應(yīng)用價值。

圖1 制動舒適性研究方法雷達圖

傳統(tǒng)汽車的硬件結(jié)構(gòu)決定了其制動力輸入只能由駕駛員決定,而新型制動系統(tǒng)如電動制動助力器,可通過控制助力器內(nèi)的電機主動調(diào)節(jié)制動液壓力大小,從而使精確控制制動力輸入成為可能[14-16]。在制動后期對制動力輸入進行控制是目前解決制動舒適性問題的主流方法,許多廠商如博世、伯特利、聯(lián)創(chuàng)所設(shè)計的產(chǎn)品功能的實現(xiàn)也是基于這一方法。

本文提出了一種舒適停車功能算法,通過重新規(guī)劃速度及加速度曲線,在制動后期使速度呈二次曲線減小,加速度呈一次曲線減小,并使二者同時變?yōu)?,以此求解制動力輸入,降低制動沖擊度,提高制動舒適性。本文重新分析制動過程,指出停車制動速度變?yōu)榱銜r的加速度階躍變化時產(chǎn)生制動不適的主要原因,在此基礎(chǔ)上設(shè)計控制算法,進行仿真,并考慮舒適性與安全性,完善舒適停車算法,開展實車試驗。

1 制動不適原因分析

在制動過程中,隨著時間的變化,車身及乘員通常呈現(xiàn)出不同的姿態(tài),通過解構(gòu)制動過程,可以分析出對制動舒適性影響最大的時期,才能有控制作用的側(cè)重點,達到從機理上優(yōu)化制動舒適性的目的。

根據(jù)車身及乘員的不同響應(yīng),可以將制動過程分為3個階段[17]:制動前期,制動中期,制動后期。

圖2為制動過程中車身與乘員的姿態(tài)變化示意圖。

圖2中垂直向上的箭頭表示前后軸的載荷,水平箭頭表示制動力,箭頭的長短不同則大小不同。在制動初期,駕駛員踩下制動踏板,加速度開始建立,由于慣性作用,乘員開始前傾,且隨著時間的推移向前傾的角度不斷增大,此過程為車輛制動點頭過程。直到制動中期,車輛加速度與乘員的慣性力在數(shù)值上保持穩(wěn)定,此時乘員保持一種平衡狀態(tài),保持身體的前傾狀態(tài)。到了制動后期,車輛速度為零,由于速度的消失,車輛的加速度也立即消失,此時車輛的加速度相當于階躍輸入,車輛的慣性力階躍減小為零,乘員的俯身狀態(tài)被打破,快速后仰。

圖3為普通制動過程中的俯仰角和加速度變化曲線,在普通的制動過程中,即使車輛的加速度很小,其數(shù)值也會在制動后期突變?yōu)榱?因為車輛完全停止時,與地面的相對運動也就隨之消失了。加速度階躍變化為零,這也是造成車輛停止后仰運動的原因。

圖3 普通制動時加速度、俯仰角曲線Fig.3 Acceleration and pitch angle response during normal braking

相關(guān)的研究表明[10],人們的前庭系統(tǒng)無法感受速度的變化,卻能感受加速度的變化,制動后期姿態(tài)的變化極易使人暈車。所以制動舒適性的研究重心應(yīng)放在制動后期上。由于在制動前期制動力的施加有個逐漸變化的過程,即使在緊急制動工況下,制動系統(tǒng)仍然需要100～200 ms的制動力施加時間,所以,該過程的加速度變化較為緩慢,所以其造成的不適較小。造成乘員不舒適的主要原因是在制動后期俯身狀態(tài)的突然變化,這種突然變化可由沖擊度大小來表示。本文以此為切入點,在制動后期通過重新規(guī)劃速度曲線,減小沖擊度優(yōu)化制動舒適性。

2 控制算法設(shè)計

2.1 加速度規(guī)劃

通過上節(jié)的分析可知,臨近停車時應(yīng)盡可能的使加速度處于較小的值,有研究表明,低于2.5 m/s2的車輛加速度對于乘客來說是舒適的。除了加速度的大小,加速度曲線對制動舒適性也很重要[18]。

控制加速度由階躍形式減為0轉(zhuǎn)變?yōu)樵谕Ｖ骨熬徛郎p小并使車輛的瞬時加速度收斂于0是本文的目標。設(shè)計使加速度曲線連續(xù)的、小幅度的減小到0,即為一次曲線型的規(guī)劃形式。

2.2 速度規(guī)劃

在制動后期,加速度與速度曲線應(yīng)平滑的收斂到0,以保證沖擊度處于較小的值。圖4為未進行規(guī)劃時的速度曲線,呈一次曲線形式變化。

圖4 普通制動時的速度曲線Fig.4 Velocity profile during normal braking

對制動后期的速度曲線進行規(guī)劃,其算法原理可表示為:

ax(tf)=0,vx(ti)=0

(1)

ax(tf)=ax(ti)+j·(tf-ti)=0

(2)

vx(tf)=vx(ti)+ax(ti)·(tf-ti)+

(3)

(4)

式中:ax(tf)為算法結(jié)束后的加速度;ax(ti)為算法開始作用時的加速度;vx(tf)為最終的速度,vx(ti)為開始時的速度。

從式子的形式可以看出:式(1)決定了加速度的形式為一次型,式(2)決定了速度的形式為二次型,式(3)為沖擊度的數(shù)值計算。沖擊度作為評價舒適性的一個指標應(yīng)為常數(shù),其形式為

(5)

(6)

3 仿真驗證

3.1 算法驗證

完成舒適停車算法的設(shè)計后,在MATLAB環(huán)境下編寫算法原型,得出了基于速度二次曲線規(guī)劃的制動舒適性模型。假設(shè)初始加速度為-8 m/s2、舒適停車算法開始作用時速度為3 m/s,規(guī)劃后的加速度、速度曲線如圖5所示。

圖5 規(guī)劃的加速度、速度、沖擊度曲線Fig.5 Planned acceleration, velocity and jerk curves

可以明顯的看到,規(guī)劃后的速度呈二次曲線減小,符合預(yù)期的設(shè)想。本文以制動時的沖擊度作為舒適性評價的標準[19]。圖6a)為普通制動時的沖擊度曲線,在制動后期沖擊度的數(shù)值很大,圖6b)為理想的施加算法后的沖擊度曲線?？梢钥吹?jīng)_擊度數(shù)值大大降低。

3.2 聯(lián)合仿真驗證

圖7為舒適停車算法的整個控制框架,分為硬件和軟件兩個層面?？梢钥闯鏊惴ǖ淖饔眯Ч€需要在整車模型上進行驗證。

圖7 舒適停車算法控制框架Fig.7 Control framework of comfort parking algorithm

在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建了舒適停車控制算法,與Carsim聯(lián)合仿真,得到了帶有整車模型的仿真結(jié)果,如圖8所示。施加算法后速度呈二次型減小,加速度呈一次型減小,并且停車后的加速度波動幅度明顯減小,在圖8d)中可以看到,由于加速度的變化,在制動后期俯仰角也大幅度的減小,體現(xiàn)在沖擊度上表現(xiàn)為很小的數(shù)值,制動舒適性得到了大幅度的提高。

圖8 理論上算法作用效果對比Fig.8 Comparison of theoretical algorithmic effects

4 舒適停車功能算法完善

在對制動后期的加速度、速度進行規(guī)劃后,需要進一步完善算法,以保證制動的安全性?？紤]到車輛處于制動工況,制動壓力不能一直處于低壓狀態(tài),不然會使駕駛員丟失制動信心而不被人們所接受,并且會降低車輛的安全性?；谝陨戏治?需要在減壓后進行保壓,之后再將制動壓力恢復(fù)至原來水平,在這個過程中車輛也最終平穩(wěn)的停下來。算法的作用還需考慮駕駛員的制動意圖,在滿足駕駛員制動意圖下進行舒適停車算法作用,駕駛員意圖可簡單用踏板速度和踏板位移來描述,進一步可分為高強度制動,中強度制動,低強度制動[20]。在高強度制動時,以制動安全性為主要目標,舒適停車算法會主動退出。駕駛員制動意圖不是本文討論重點,故在本文中假設(shè)駕駛員以中低強度進行制動。

舒適停車需要界定工況發(fā)揮作用,通常在中小制動強度下工作,同時需要保證車輪不被抱死。舒適停車的過程實際是減小壓力的過程,所以,減小壓力實際上減弱了車輪抱死的可能性,另外車輛現(xiàn)在均配備了防抱死制動系統(tǒng),當它監(jiān)測到車輪存在抱死的可能時,控制器會作出決策,防抱死程序優(yōu)先執(zhí)行,舒適停車功能退出。

4.1 考慮因素

對算法進一步完善時,應(yīng)考慮某些關(guān)鍵影響因素以保證算法的效果。針對算法的特點主要考慮以下4個因素:算法作用時的初速度、減壓限值、保壓時間以及增壓速度。具體如下:

1) 算法作用時的初速度過高會導(dǎo)致制動距離延長,安全性降低,過低會導(dǎo)致算法的效果減小,舒適性降低。

2) 減壓限值同樣會影響算法的作用效果,若是壓力釋放的過多會使車輛處于不安全的工況,若是壓力釋放的過低,沖擊度減小的不明顯,制動舒適性仍未明顯的改善,并且在控制過程中保持一定的制動管路壓力能使車輛仍保持一定的制動能力,使得車輛在一定坡度的路面上不受影響。

3) 保壓時間對應(yīng)的是駕駛員的制動信心,若是保壓時間過長,會讓駕駛員產(chǎn)生“剎不住車”的感覺,保壓時間過低仍會使沖擊度過高。

4) 增壓速度是指對制動系統(tǒng)再次建壓的速度,若是此速度過高會造成車輛的二次沖擊,仍會破壞制動舒適性。

4.2 改進后的仿真驗證

圖9是考慮了安全性的仿真驗證。制動系統(tǒng)實時監(jiān)測車輛狀態(tài),在車輛剎停前,當制動工況滿足舒適停車算法作用的條件且車速降到3 m/s時,算法開始作用。速度曲線呈二次曲線形式,加速度曲線呈一次曲線形式且建壓后的加速度震蕩幅度減小,很快的收斂到0。從而俯仰角也迅速收斂到0,如圖9d)所示,在制動中期,車身所保持的俯仰角也有一定的減小。對于沖擊度而言,其數(shù)值大小從無控制的“2 511”減小為有控制的“125”,此“125”為制動系統(tǒng)增壓至車輛完全停止時產(chǎn)生的沖擊度。

圖9 考慮安全性的仿真驗證Fig.9 Simulation and verification with security considered

制動距離的長短可作為制動安全性的評判標準之一,圖10為施加算法前后的制動距離對比,車輛的初速度為60 km/h,最大制動壓力為3 MPa。如表1所示,未控制時的制動距離為46.24 m,施加算法后的制動距離為46.29 m,制動距離增加了5 cm,作為評價制動舒適性的沖擊度卻大大減小,改善的質(zhì)量很可觀。

圖10 施加算法前后的制動距離Fig.10 Brake distance with or without algorithm implementation

4.3 實車驗證

基于以上分析,重新優(yōu)化制動舒適性算法并進行實車驗證以驗證算法的有效性。實驗車輛為某國產(chǎn)電動汽車,該汽車的制動助力方式為電動助力,即利用電機對制動系統(tǒng)進行建壓控制,可實現(xiàn)制動壓力的精確控制。將Simulink模型編譯成C代碼,用編譯器將代碼刷寫至電動制動助力器控制板上。當制動系統(tǒng)開始工作時,利用VECTOR VN1640A測試模塊采集底盤數(shù)據(jù),包括制動壓力、制動加速度、車速等。并通過CANoe軟件對數(shù)據(jù)信號進行和處理和分析,本試驗按照《GB 21670-2008乘用車制動系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗方法》的標準進行。圖11為實車及測試模塊。

初始車速為40 km/h,在CANoe軟件配置中選擇顯示制動壓力、踏板行程、加速度、車速等參數(shù)。如圖12所示,分別為制動過程中各參數(shù)的變化曲線,時間間隔T為保壓時間,實驗結(jié)果表明施加算法后,制動后期的加速度呈一次曲線減小,車速呈二次曲線減小,與仿真結(jié)果一致。且臨近停車時加速度基本沒有出現(xiàn)波動。車輛的制動沖擊度在時域上被延遲并大幅減小,制動舒適性明顯改善。

5 結(jié)論

本文對制動舒適性進行了深入的研究,重新解構(gòu)了車輛制動過程,得出制動后期是影響車輛制動舒適性的關(guān)鍵時期的重要結(jié)論。提出了基于速度二次曲線規(guī)劃的舒適停車算法,重新規(guī)劃了速度曲線,通過仿真驗證了算法的有效性,在抑制了車輛俯仰運動的同時減小了沖擊度?？紤]了制動舒適性與安全性的關(guān)系,改進控制算法,提出“減壓-保壓-增壓”的解決方案,與Carsim聯(lián)合仿真驗證了改進后的控制策略,制動沖擊度的數(shù)值從未優(yōu)化的2 511降至優(yōu)化后的125,制動舒適性得以改善。