楊 波，吳 翔

(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

基于模糊邏輯的EHB系統(tǒng)制動(dòng)意圖識(shí)別

楊 波，吳 翔

(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，線控技術(shù)日趨成熟。目前，電子機(jī)械制動(dòng)(EMB)系統(tǒng)尚未成熟，電子液壓制動(dòng)(EHB)系統(tǒng)成為線控制動(dòng)系統(tǒng)的主力產(chǎn)品。EHB系統(tǒng)取消了制動(dòng)踏板與制動(dòng)總泵推桿之間的硬連接，通過(guò)傳感器測(cè)量駕駛員踩制動(dòng)踏板的參數(shù)并傳輸給電子控制單元(ECU)；ECU根據(jù)已設(shè)定的算法決定助力大小，對(duì)駕駛員的制動(dòng)意圖進(jìn)行識(shí)別。基于機(jī)械解耦電子液壓線控制動(dòng)系統(tǒng)，提出了一種基于模糊邏輯的駕駛員緊急制動(dòng)意圖識(shí)別方法。首先，利用NI-PXI的DAQmx采集卡采集制動(dòng)踏板的位移，將制動(dòng)踏板位移對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得到制動(dòng)踏板速度。然后，將制動(dòng)踏板位移和速度作為模糊模式識(shí)別算法的輸入，判斷是否為緊急制動(dòng)意圖:如果是緊急制動(dòng)意圖，則制動(dòng)輔助策略介入；否則制動(dòng)輔助策略不介入，執(zhí)行常規(guī)制動(dòng)策略。最后，對(duì)汽車在典型工況下的緊急制動(dòng)意圖進(jìn)行硬件在環(huán)，通過(guò)對(duì)比仿真結(jié)果，驗(yàn)證了制動(dòng)意圖識(shí)別算法的有效性。該算法為今后EHB系統(tǒng)的制動(dòng)意圖識(shí)別提供一定依據(jù)，有利于該eBooster系統(tǒng)的產(chǎn)品化。

電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)； 模糊模式識(shí)別； 硬件在環(huán)； 電子控制單元； 制動(dòng)踏板位移； 模糊辨識(shí)模型

0 引言

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，汽車線控技術(shù)也日趨成熟，先后出現(xiàn)了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、油門(mén)以及制動(dòng)系統(tǒng)等[1]。線控制動(dòng)系統(tǒng)基于線控技術(shù)與汽車制動(dòng)技術(shù)，已經(jīng)成為汽車制動(dòng)技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)。其中，線控制動(dòng)系統(tǒng)又分為電子機(jī)械制動(dòng)(electro mechanical braking，EMB)系統(tǒng)和電子液壓制動(dòng)(electro hydraulic braking,EHB)系統(tǒng)[2]。根據(jù)國(guó)家法規(guī)要求，在常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)失效的情況下，需要后備制動(dòng)系統(tǒng)，EMB系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有車輛的制動(dòng)系統(tǒng)改動(dòng)較大，而且建立后備制動(dòng)系統(tǒng)比較難，因此課題組設(shè)計(jì)了一套完全機(jī)械解耦的EHB系統(tǒng)。eBooster 3D模型如圖1所示。

圖1 eBooster 3D模型

本系統(tǒng)中，在常規(guī)制動(dòng)模式下，駕駛員施加給制動(dòng)踏板的踏板力與制動(dòng)主缸推桿之間是完全解耦的，這時(shí)就需要利用傳感器監(jiān)測(cè)駕駛員踩制動(dòng)踏板動(dòng)作的各種信號(hào)，并傳輸?shù)诫娮涌刂茊卧?electronic control unit，ECU)；利用寫(xiě)入的算法，判斷駕駛員的實(shí)際制動(dòng)意圖，然后根據(jù)駕駛員制動(dòng)意圖，控制電機(jī)控制器和制動(dòng)防抱死系統(tǒng)(antilock bake system,ABS)協(xié)同工作，調(diào)節(jié)各個(gè)輪缸的壓力，實(shí)現(xiàn)車輛制動(dòng)。

調(diào)查結(jié)果表明，在單車道汽車碰撞事故中，78%的駕駛員沒(méi)有采用最大的制動(dòng)踏板力進(jìn)行制動(dòng)；在路面突然出現(xiàn)障礙物而引發(fā)的緊急制動(dòng)過(guò)程中，47%的駕駛員沒(méi)有用最大的制動(dòng)踏板力進(jìn)行制動(dòng)[3]。由此可見(jiàn)，如果在駕駛員要實(shí)施緊急制動(dòng)時(shí)，汽車制動(dòng)系統(tǒng)能夠識(shí)別出駕駛員的制動(dòng)意圖，并實(shí)施對(duì)應(yīng)的控制策略，可以縮短制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，從而有效提高制動(dòng)安全性[4]。電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量回收是通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)給動(dòng)力電池充電，但是制動(dòng)能量回收的能量(再生制動(dòng)力)不足以滿足駕駛員的制動(dòng)能量需求，這時(shí)就需要液壓制動(dòng)系統(tǒng)提供額外的制動(dòng)力。同時(shí)整車控制器(vehicle control unit,VCU)也是根據(jù)駕駛員的制動(dòng)意圖，對(duì)再生制動(dòng)力和液壓制動(dòng)力進(jìn)行協(xié)調(diào)控制[5]。

1 制動(dòng)意圖的辨識(shí)

1.1 制動(dòng)意圖的識(shí)別參數(shù)選擇

1.1.1 制動(dòng)踏板位移

駕駛員踩制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)油壓和踏板位移之間有相對(duì)確定的關(guān)系，即有P=f(s)，制動(dòng)器制動(dòng)力與制動(dòng)管路的壓強(qiáng)滿足如下關(guān)系：

(1)

式中：i為各個(gè)車輪(1、2、3、4分別代表左前輪、右前輪、左后輪、右后輪)；Di為制動(dòng)輪缸直徑；ri為等效制動(dòng)力作用半徑；Ri為車輪直徑；ui為摩擦片的摩擦副。

制動(dòng)強(qiáng)度可以表示為：

(2)

式中：z為制動(dòng)強(qiáng)度；F為制動(dòng)力；m為車輛質(zhì)量；g為重力常數(shù)。

由制動(dòng)強(qiáng)度的表達(dá)式可以得到制動(dòng)力F與s的確定關(guān)系。某車型的制動(dòng)油壓和踏板位移之間關(guān)系如圖2所示。

圖2 位移與油壓關(guān)系曲線

1.1.2 制動(dòng)踏板速度

試驗(yàn)中，駕駛員根據(jù)自己的駕駛習(xí)慣，得到了多組常規(guī)制動(dòng)和緊急制動(dòng)的踏板速度時(shí)間曲線。試驗(yàn)得到的制動(dòng)踏板的位移與速度關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 位移與速度關(guān)系曲線

由圖3可以看出，兩種不同的制動(dòng)模式分別對(duì)應(yīng)了一個(gè)較為明確范圍的制動(dòng)踏板速度，所以可以把制動(dòng)踏板速度作為制動(dòng)意圖識(shí)別的輸入?yún)?shù)。

1.1.3 制動(dòng)踏板力

對(duì)駕駛員而言，踏板位移的大小是可以容易地控制的，但是踏板力的大小不好操控。此外，可以很容易地通過(guò)安裝踏板位移傳感器獲得踏板位移信號(hào)，并且踏板位移信號(hào)的間隙較小。相反，因?yàn)樘ぐ辶鞲衅鞯拈g隙較大，無(wú)法獲取小踏板力時(shí)的踏板力信號(hào)，且實(shí)時(shí)性不高，所以一般不采用制動(dòng)踏板力信號(hào)作為駕駛員制動(dòng)意圖識(shí)別的參數(shù)[6]。

1.2 制動(dòng)意圖的分類及特征

由于本文模糊辨識(shí)器主要用于緊急制動(dòng)意圖的辨識(shí)，所以把制動(dòng)意圖分為常規(guī)制動(dòng)意圖、緊急制動(dòng)意圖[7]。制動(dòng)意圖分類及特征如表1所示。

表1 制動(dòng)意圖分類及特征

1.3 制動(dòng)意圖的辨識(shí)方法

駕駛員制動(dòng)意圖辨識(shí)的過(guò)程就是利用模糊辨識(shí)結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，通過(guò)分析大量的實(shí)車試驗(yàn)工況數(shù)據(jù)，找到制動(dòng)踏板位移、制動(dòng)踏板速度與制動(dòng)減速度三者之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系。利用LabVIEW自帶的模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì)器工具箱建立模糊辨識(shí)器，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)制動(dòng)踏板位移、制動(dòng)踏板速度來(lái)判斷駕駛員的制動(dòng)需求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)意圖的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)辨識(shí)。駕駛員制動(dòng)意圖識(shí)別流程如圖4所示。

圖4 制動(dòng)意圖識(shí)別流程圖

1.4 模糊推理模型的建立

模糊推理模型的建立過(guò)程如下。

①對(duì)制動(dòng)踏板位移、制動(dòng)踏板速度進(jìn)行模糊化操作，以便對(duì)駕駛員制動(dòng)意圖進(jìn)行識(shí)別。設(shè)踏板位移為制動(dòng)踏板位移(brake pedal displacement，BPD)，其基本域廣義確定為[0，100]，將制動(dòng)踏板位移基本域分為S(small)、M(medium)、B(big)三個(gè)等級(jí)；制動(dòng)踏板速度(brake pedal velocity，BPV)的基本域廣義確定為[0，200]，將基本域同樣分為S、M、B三個(gè)等級(jí)。

②確定模型輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù)，如圖5所示。在實(shí)際應(yīng)用中，常用的隸屬度函數(shù)為簡(jiǎn)單的直線型隸屬度函數(shù)，如三角函數(shù)、梯形和單直線型函數(shù)，本文選用梯形-三角-梯形隸屬度函數(shù)。圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)分別為模糊控制系統(tǒng)的制動(dòng)踏板位移輸入、制動(dòng)踏板速度輸入和制動(dòng)模式輸出隸屬度函數(shù)。

③建立模糊控制規(guī)則庫(kù)。表2為本系統(tǒng)模糊控制規(guī)則狀態(tài)表。表2中：Flag為識(shí)別出來(lái)的制動(dòng)意圖；S狀態(tài)、M狀態(tài)為常規(guī)制動(dòng)；B狀態(tài)為緊急制動(dòng)[8]。

圖5 輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù)圖

FlagBPVSMBSSSSMMMBBBBB

模糊推理結(jié)果需要解模糊化后才能進(jìn)行控制。常用的解模糊方法有最大隸屬度法、重心法和加權(quán)平均法。本文選用重心法進(jìn)行解模糊運(yùn)算，按表2設(shè)定的模糊控制規(guī)則表，完成模糊辨識(shí)器的搭建，保存為可供LabVIEW中控制與仿真模塊的模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì)器調(diào)用的FS格式[9]。利用模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì)器中的測(cè)試系統(tǒng)模塊，生成制動(dòng)踏板位移、制動(dòng)踏板速度和制動(dòng)模式的三維關(guān)系圖，改變制動(dòng)踏板位移和制動(dòng)踏板速度的輸入值。模糊控制器采用LabVIEW附加模糊工具包實(shí)現(xiàn)?？刂破魉煤瘮?shù)主要有多輸入單輸出(multi input single output,MISO)模糊控制函數(shù)、模糊隸屬度函數(shù)和模糊控制規(guī)則載入函數(shù)(fuzzy control rules loading function,FCRLF)。解模糊方法采用重心法。模糊控制器將制動(dòng)踏板速度和制動(dòng)踏板位移捆綁一個(gè)二維數(shù)組，并將其作為系統(tǒng)的輸入；用模糊控制規(guī)則載入函數(shù)將設(shè)定的模糊規(guī)則導(dǎo)入到模糊控制函數(shù)中，并分析系統(tǒng)的輸入，得到系統(tǒng)的輸出；再通過(guò)標(biāo)定的子VI，得到對(duì)應(yīng)的輸出。在模糊控制器主程序中，模糊控制器以子VI的形式出現(xiàn)[10]。

2 硬件在環(huán)仿真及結(jié)果分析

2.1 硬件在環(huán)

本文通過(guò)NI-DAQmx板卡聯(lián)合SCB-68接線盒，采集制動(dòng)踏板上角位移傳感器信號(hào)。采用LabVIEW對(duì)角度進(jìn)行標(biāo)定得到實(shí)際的制動(dòng)踏板位移，然后將制動(dòng)踏板位移對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得制動(dòng)踏板速度，最后將制動(dòng)踏板位移和制動(dòng)踏板速度構(gòu)建一個(gè)數(shù)組，輸入到模糊辨識(shí)器。

當(dāng)Flag=0時(shí)，按照常規(guī)制動(dòng)，由踏板位移特性曲線得到目標(biāo)制動(dòng)壓力，然后通過(guò)控制器局域網(wǎng)(coutroller area network,CAN)把目標(biāo)制動(dòng)壓力傳送給EHB系統(tǒng)的電機(jī)控制器，通過(guò)控制電機(jī)來(lái)推動(dòng)制動(dòng)總泵活塞推桿，建立液壓制動(dòng)力；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到Flag=1時(shí)，判斷為緊急制動(dòng)，通過(guò)CAN將最大目標(biāo)制動(dòng)壓力直接發(fā)送給電機(jī)控制器，快速建立液壓。

2.2 仿真結(jié)果分析

本文設(shè)計(jì)了兩組硬件在環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

第一組試驗(yàn)，沒(méi)有模糊辨識(shí)器。圖6(b)中的試驗(yàn)1制動(dòng)總泵液壓制動(dòng)力隨著圖6(a)中的試驗(yàn)1制動(dòng)踏板位移的增加而增加，而且表現(xiàn)出一個(gè)近似線性的關(guān)系。決定制動(dòng)總泵液壓力大小的是制動(dòng)踏板位移，與制動(dòng)踏板速度無(wú)關(guān)。第二組試驗(yàn)，有模糊辨識(shí)器。在和第一組試驗(yàn)類似的踏板位移輸入的情況下，制動(dòng)總泵液壓響應(yīng)曲線明顯不同，圖6(b)中的試驗(yàn)2制動(dòng)總泵液壓制動(dòng)雖然也是隨著圖6(a)中的試驗(yàn)2制動(dòng)踏板位移的增加而增加。但是在當(dāng)制動(dòng)踏板位移和制動(dòng)踏板速度都比較大時(shí)，圖6(b)中的試驗(yàn)2制動(dòng)總泵液壓制動(dòng)力建立的速度明顯快于圖6(b)中的試驗(yàn)1，所以能在更短的時(shí)間內(nèi)，達(dá)到最大制動(dòng)壓力。因此在緊急制動(dòng)情況下對(duì)駕駛員意圖的識(shí)別，減少了制動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間，進(jìn)一步縮短了制動(dòng)距離，因而降低了事故發(fā)生的可能性，提高了駕駛的安全性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于模糊邏輯EHB制動(dòng)系統(tǒng)緊急制動(dòng)意圖識(shí)別方法，首先將制動(dòng)踏板和制動(dòng)踏板的變化量模糊化，輸入給模糊辨識(shí)器；模糊辨識(shí)器讀取制定的模糊識(shí)別規(guī)則，對(duì)結(jié)果進(jìn)行去模糊化，對(duì)駕駛員的緊急制動(dòng)意圖進(jìn)行識(shí)別。對(duì)乘用車進(jìn)行了典型工況下緊急制動(dòng)過(guò)程的仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了模糊辨識(shí)器的有效性。通過(guò)分析硬件在環(huán)仿真結(jié)果可知：在本套EHB系統(tǒng)中使用該模糊辨識(shí)器，能有效地識(shí)別駕駛員的緊急制動(dòng)意圖，縮短緊急制動(dòng)情況下液壓制動(dòng)力建立的時(shí)間，提高了制動(dòng)的安全性。

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IdentificationofBrakingIntentionofEHBSystemBasedonFuzzyLogic

YANG Bo，WU Xiang

(School of Automotive Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

With the development of automotive electronic technology,the technology of wire control technology has become more and more mature.Because the electro mechanical braking (EMB) system is not yet mature enough,so the electro hydraulic braking(EHB) has become the major product of the wire controlled brake system.In EHB system,the hard connection between the brake pedal and the brake master cylinder push rod is eliminated; the parameters related to the actions of driver are measured by sensor and sent to the ECU.According to the established algorithm,the force aided is decided by ECU,while it is necessary to identify the intention of driver.Based on the design of the mechanical decoupling electro hydraulic wire collected control system,the identification method based on fuzzy logic is proposed.Firstly,the displacement of brake pedal is collected by using DAQmx acquisition card of NI-PXI,and the time derivative of the brake pedal is conducted to obtain the velocity of the pedal.Then,the displacement and velocity of the pedal are input to the fuzzy identification algorithm to judge if it is the intention for emergency braking or not,thus to select if the braking aids strategy will be involved or not.Finally,the emergency braking intention of the vehicle under the typical operating conditions is carried out in the hardware,and the simulation results are given to verify the effectiveness of the algorithm.The method provides a basis for the identification of braking intention of EHB system in the future,and is conducive to the production of the eBooster system.

Electro-hydraulic braking (EHB) system; Fuzzy pattern recognition; Hardware in the loop; Electronic control unit; Brake pedal displacement; Fuzzy recognition model

TH86；TP273

： A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201709006

修改稿收到日期:2017-03-22

楊波(1975—)，男，博士，副教授，主要從事汽車動(dòng)力學(xué)方向的研究。E-mail:yangbo92@126.com。