張曉龍，孫仁云，葛恒勇，原杰

（1.西華大學交通與汽車工程學院，四川成都610039；2.西安優(yōu)耐特容器制造有限公司，陜西西安710201）

要使汽車在驅(qū)動過程中能夠充分利用當前路面的附著條件，特別是在急加速時能夠獲得最大的驅(qū)動力，同時保持橫向穩(wěn)定性，需要將車輪的滑轉(zhuǎn)率控制在當前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率附近，ASR系統(tǒng)即可實現(xiàn)這一功能[1]。

傳統(tǒng)的ASR系統(tǒng)通常將車輪的滑轉(zhuǎn)率控制在固定范圍內(nèi)[2]，而不同路面的最佳滑轉(zhuǎn)率往往不同，這樣車輛在不同路面行駛時，無法充分利用當前路面的附著條件。一些高檔汽車的ASR系統(tǒng)中設有特殊的運行模式，例如汽車行駛中冰雪路面時，駕駛員可以通過設置調(diào)整ASR系統(tǒng)控制的目標滑轉(zhuǎn)率[3]，從而充分利用路面的附著條件，但是如果汽車在行駛過程中路面突然發(fā)生躍變，駕駛員來不及設置，同時反復設置也給駕駛帶來不便。

如果ASR系統(tǒng)能夠根據(jù)當前路面狀態(tài)的不同，實時調(diào)整系統(tǒng)控制的目標滑轉(zhuǎn)率，始終將當前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率作為系統(tǒng)的目標滑轉(zhuǎn)率，將提高系統(tǒng)的適應性，這就需要對當前路面進行識別。利用附著系數(shù)—滑轉(zhuǎn)率曲線斜率進行路面識別的研究比較廣泛[4]，但是該方法需要的數(shù)據(jù)量大，實時性不強；通過模糊控制理論進行路面最佳滑轉(zhuǎn)率識別也是一種重要方法[5]。文中以路面附著系數(shù)為參數(shù)指標，在實時滑轉(zhuǎn)率下實現(xiàn)路面的動態(tài)識別，識別快速、準確，而且實現(xiàn)了躍變路面的識別，同時根據(jù)識別結(jié)果實時調(diào)整ASR系統(tǒng)的目標滑轉(zhuǎn)率，確保車輛在不同路面行駛時均可按照駕駛員要求獲得最大的驅(qū)動力，同時保持橫向穩(wěn)定。

1 輪胎模型

Kiencke等人在大量路面試驗數(shù)據(jù)的基礎上提出了一種實用的μ(s)（附著系數(shù)—滑轉(zhuǎn)率）曲線，曲線方程如下[6]：

式中：k為μ(s)曲線斜率，一般取30；各路面的p1、p2值見表1。采用求極值的方法可以求出各路面最佳滑轉(zhuǎn)率s0，見表1。

根據(jù)表1中p1、p2的值得到6種典型路面的μ(s)曲線，如圖1所示。計算機仿真時利用此模型產(chǎn)生路面信號。

表1 輪胎模型中各典型路面參數(shù)值及s0

圖1 6種典型路面的μ(s)曲線

2 路面狀態(tài)動態(tài)識別方法

干瀝青路面和干水泥路面特性相似，可合二為一，各典型路面的附著系數(shù)曲線沒有出現(xiàn)交叉重疊，可以根據(jù)路面附著系數(shù)在實時滑轉(zhuǎn)率下進行路面識別，即每一個滑轉(zhuǎn)率下都有一個對應的識別區(qū)間，于是便得到了各典型路面的識別區(qū)間—滑轉(zhuǎn)率曲線，如圖2所示。根據(jù)動態(tài)識別區(qū)間實現(xiàn)實時滑轉(zhuǎn)率下的路面識別[7]。一旦出現(xiàn)錯誤識別或路面發(fā)生躍變，下一時刻會立即作出調(diào)整。

圖2 6種典型路面的識別區(qū)間—滑轉(zhuǎn)率曲線

2.1 建立動態(tài)識別區(qū)間

6種典型路面的識別區(qū)間隨著滑轉(zhuǎn)率的變化而變化，這樣便得到5條識別區(qū)間曲線，如圖2所示，其定義如下：

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（1）～（3）和表1中的參數(shù)值可以計算出各典型路面實時滑轉(zhuǎn)率下對應的識別區(qū)間，即得到典型路面的動態(tài)識別區(qū)間，如表2所示。

表2 典型路面動態(tài)識別區(qū)間

2.2 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)的目標滑轉(zhuǎn)率的初始值設為0.17，即默認當前路面為干瀝青（水泥）路面。車輛行駛過程中系統(tǒng)實時估算當前路面實時滑轉(zhuǎn)率下的附著系數(shù)，同時判斷其落入哪個識別區(qū)間，從而完成路面識別，同時將ASR系統(tǒng)的目標滑轉(zhuǎn)率調(diào)整為當前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率。

3 ASR系統(tǒng)設計

3.1 車輛行駛狀態(tài)判斷

當車輪的實際滑轉(zhuǎn)率小于等于當前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率時，說明驅(qū)動輪沒有出現(xiàn)過度滑轉(zhuǎn)，車輛行駛狀況穩(wěn)定，正在按照駕駛員的意圖正常行駛，ASR系統(tǒng)無需工作。

當車輪的實際滑轉(zhuǎn)率大于當前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率時，驅(qū)動輪出現(xiàn)過度滑轉(zhuǎn)，車輛行駛狀況不穩(wěn)定，后輪驅(qū)動的汽車將可能甩尾，前輪驅(qū)動的汽車則容易方向失控，導致汽車向一側(cè)偏移。同時可以判斷出駕駛員當前的駕駛意圖是要求車輛獲得最大的驅(qū)動力，但是由于車輪的實際滑轉(zhuǎn)率大于路面的最佳滑轉(zhuǎn)率，車輛并未充分利用當前路面的附著條件，沒有獲得最大的驅(qū)動力。

3.2 驅(qū)動防滑控制

4 仿真試驗

4.1 單輪車輛模型

為了簡化問題，只考慮車輛的縱向運動，假設路面平直，忽略側(cè)向力、空氣阻力以及車輪滾動阻力的影響，采用單輪車輛模型（圖3）進行分析。式（4）為整車運動方程，式（5）為車輪運動方程。

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)；N是車輪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；是車輪角減速度；Tb是車輪的制動力矩，T是車輪的驅(qū)動力矩[6]。

圖3 單輪車輛模型

4.2 大功率起步

預設車輛在路面4（濕瀝青）上大功率起步，如圖4a所示，車輛開始行駛后，系統(tǒng)根據(jù)實時估算的附著系數(shù)，在實時滑轉(zhuǎn)率下快速準確地對當前路面完成識別。

如圖4b所示，車輛大功率起步時，驅(qū)動力矩過大，ASR系統(tǒng)將當前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率作為系統(tǒng)實時控制的目標滑轉(zhuǎn)率，1 s 前車輪的實時滑轉(zhuǎn)率基本保持在當前路面最佳滑轉(zhuǎn)率，控制效果良好，1 s后由于輪速的迅速增大，驅(qū)動力矩減小，車輪的實時滑轉(zhuǎn)率小于最佳滑轉(zhuǎn)率，ASR系統(tǒng)停止工作，整個過程中，車輪沒有出現(xiàn)過度滑轉(zhuǎn)，車輛能夠保持橫向穩(wěn)定；無ASR系統(tǒng)作用時，由于驅(qū)動力矩過大，車輪的實際滑轉(zhuǎn)率明顯大于路面的最佳滑轉(zhuǎn)率，車輛橫向穩(wěn)定性差。

如圖4c所示，在ASR系統(tǒng)作用過程中，路面的附著系數(shù)明顯增大，基本保持在當前路面的峰值附著系數(shù)，充分利用了當前路面的附著條件，確保車輛獲得最大的驅(qū)動力，滿足駕駛員的要求。結(jié)合圖4d～4 e可以看出，在ASR系統(tǒng)的作用下，車輛的起步加速能力明顯提升，相等時間內(nèi)獲得速度更大，行駛的路程更長。

綜上所述，當車輛大功率起步時，基于路面識別的ASR系統(tǒng)能夠使車輪的滑轉(zhuǎn)率基本保持在當前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率，在保證車輛橫向穩(wěn)定的同時，使車輛按照駕駛員要求獲得最大的驅(qū)動力。

4.3 躍變路面持續(xù)加速

預設車輛在路面5（干瀝青）上起步后持續(xù)加速行駛，1s 后路面躍變?yōu)槁访?（濕瀝青），如圖5a所示，系統(tǒng)對躍變路面的識別快速準確。如圖5b所示，整個加速過程中，在ASR系統(tǒng)作用下，車輪的實際滑轉(zhuǎn)率基本保持在當前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率，控制效果良好，同時能夠保持橫向穩(wěn)定。結(jié)合圖

當車輪的滑轉(zhuǎn)率大于當前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率時，說明車輪的驅(qū)動力矩過大，要使車輛的實際滑轉(zhuǎn)率保持在當前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率，需要減小車輪的驅(qū)動力矩，此時可以給車輪增加一個制動力矩同時以當前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率作為ASR系統(tǒng)控制的目標滑轉(zhuǎn)率，通過調(diào)整制動力矩Tb的大小，確保車輪的實際滑轉(zhuǎn)率在驅(qū)動力矩過大時仍能保持在當前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率，車輛能夠按照駕駛員的要求獲得最大的驅(qū)動力，同時保持橫向穩(wěn)定。5 c可以看出，車輛在不同路面加速時附著系數(shù)基本保持在當前路面的峰值附著系數(shù)，充分利用了當前路面的附著條件確保車輛在不同路面上行駛都能獲得最大的驅(qū)動力。

圖4 大功率起步時各參數(shù)曲線圖

圖5 持續(xù)加速時路面識別仿真及各參數(shù)曲線圖

5 結(jié)論

以路面附著系數(shù)為識別參數(shù)，建立了6種典型路面的動態(tài)識別區(qū)間，車輛在行駛過程中對當前路面實時進行識別，同時將當前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率作為ASR系統(tǒng)的目標滑轉(zhuǎn)率，當驅(qū)動力矩過大時通過實時調(diào)整制動力矩，使車輪的實時滑轉(zhuǎn)率基本保持在當前路面的最佳滑轉(zhuǎn)率，有效避免了車輛出現(xiàn)過度滑轉(zhuǎn)，確保車輛能夠獲得最大的驅(qū)動力，同時能夠保持橫向穩(wěn)定。

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