基于路面特征參數和制動防抱調節特征的路面識別方法*

齊志權，王寶鋒， 裴曉飛， 馬國成

(北京理工大學機械與車輛學院， 北京 100081)

前言

在車輛行駛過程中，車輛的動力學行為完全由輪胎與路面之間的相互作用力決定，因此，要想很好地控制制動過程中車輛的狀態，首先必須掌握輪胎—路面接口的動力學性能。實際上，由于輪胎和路面本身的特點，輪胎—路面系統的動力學模型非常復雜，很難給出準確的數學描述；并且影響因素也比較多，如路面狀況、道路走向、輪胎類型、車輛結構參數、駕駛員操作行為、載荷狀況和車速等。國內外學者對輪胎—路面系統模型的建立作了大量的研究工作，其中比較知名的是用于理論解析輪胎側偏特性的Fiala彈性圓環模型，但是模型過于復雜，很難在實際中應用。目前在實際中應用較多的是半經驗輪胎模型，如郭孔輝院士提出的聯合工況下的半經驗E指數模型、Pacejka魔術輪胎模型、LuGre輪胎模型等。

對于路面狀況識別技術，近年來，國內外學者作了大量的研究工作。總的來說主要是通過加裝特殊傳感器和基于輪胎與路面之間的摩擦力估計[1-3]來進行路面狀況的識別。文獻[4]中提出了一種模型匹配估計輪胎路面摩擦力的方法，并敘述了其在汽車制動防抱系統中的應用。文獻[5]中給出了關于輪胎—路面摩擦力估計的自適應觀測器，這種方法是基于單輪車輛模型和BRUSH輪胎模型設計的，并假定車輪牽引力矩和自回正力矩為已知。文獻[6]中提出基于卡爾曼濾波方法以及車輪轉速信息的輪胎路面摩擦力估計算法，具有一定的實際應用價值。此外，文獻[7]和文獻[8]中通過加裝特殊傳感器(噪聲傳感器、輪胎應力應變傳感器、光學傳感器等)實現了路面狀況的準確識別，但由于傳感器價格昂貴，難以實際應用。而基于輪胎路面摩擦力估計的路面識別方法，由于輪胎模型的復雜性，使算法計算量和實時性無法滿足實際控制系統需要。

本文中結合制動防抱控制系統，以路面特征參數和制動防抱調節過程特征為依據，引入接近度和特征可信度的概念，提出了基于路面特征參數和防抱過程特征的綜合路面識別方法，按最大接近度原則判斷當前路面狀態。

1 不同路面縱向動力學輪胎模型參數特征

Pacejka輪胎—路面系統動力學模型采用正弦和反正切函數來描述地面縱向作用力、側向作用力和回正力矩與輪胎滑移率或側偏角之間的關系，Pacejka輪胎模型描述地面縱向作用力與車輪縱向滑移率之間的關系為

yi=Dsin(Carctan(B·Φi))

(1)

經過試驗證明，Pacejka模型較好地解決了輪胎—路面系統部分性能試驗數據的擬合問題，擬合系數也具有確切的物理意義，從而可以快速直觀地了解某些汽車參數對輪胎—路面系統動力學的影響。由于輪胎—路面系統數學模型的準確建立，計算機仿真結果對實車試驗具有一定的指導意義，為進一步理論分析和試驗研究創造了良好的條件。

以Pacejka輪胎—路面系統動力學模型為基礎，不同路面下的輪胎模型參數如表1所示，可以得出如下結論：

(1) 模型參數D反映了不同路面的附著狀況，D越大，則縱向附著狀況越好，車輛的縱向制動性能越高；

(2)縱向動力學輪胎模型在滑移率x=0處的斜率值BCD同樣也反映了不同路面的附著狀況，如圖1所示，稱之為路面特征參數K0，K0值越大，縱向附著狀況越好。

表1 Pacejka輪胎—路面系統縱向動力學模型參數

在制動開始時車輪滑移率小于10%的制動壓力增長階段，利用遞推最小二乘法估計不同路面的特征參數，具體估計方法參考文獻[9]。圖2為干路面、冰雪路面上的試驗結果，由圖可見，由于實際輪速信號采集噪聲、車輪滑移率估計誤差和輪胎模型等因素的影響，路面特征參數K0在初始階段波動較大，但可以實現制動初始階段路面狀況的初步識別。

2 不同路面車輛制動防抱過程特征

為使車輛在各種工況下始終具有較好的行駛性能和操縱性能，不同路面的汽車制動防抱系統控制邏輯可能不同，即不同路面下的制動防抱過程不同，因此車輛制動防抱過程特征對于路面狀況的實時識別非常重要。圖3為一典型的冰雪路面防抱制動過程曲線，通過分析和總結，不同路面制動防抱過程有以下明顯特征。

(1) ABS采取邏輯門限值控制方法時，在緊急制動工況下初始壓力增長階段，車輪減速度達到所設定的車輪減速度門限值-a1在冰雪路面上所用的時間T1較短，而在干路面上較長。路面附著狀況越好，T1越長，路面附著狀況越差，T1越短。在達到車輪減速度門限值-a1后，為防止車輪抱死，進入制動壓力減少或制動壓力保持階段。

(2) 在車輪速度回升階段，由于冰雪路面所能提供的縱向作用力較小，干路面所提供的縱向作用力較大，故冰雪路面上車輪速度回升(保壓階段結束，之后進入階梯增壓階段)所用的時間T2較長，而干路面所用的時間T2較短。對于其它路面，路面附著狀況越好，T2越短；路面附著狀況越差，T2越長。

(3) 輪速回升階段，在干路面和縱向附著系數較高的濕路面，車輪加速度可以達到甚至超過設置的較高車輪加速度門限值a3，其余路面一般不會超過該門限值，尤其是對于冰雪路面，由于地面縱向作用力小，更達不到該門限值。

(4)干路面制動防抱控制過程中從上一控制循環結束(保壓階段結束，階梯增壓階段開始)到再次達到下一控制循環所設定的車輪減速度門限值-a1所用的時間T3較長，冰雪路面所用的時間T3較短。對于其它路面，路面附著狀況越好，T3越長；路面附著狀況越差，T3越短。關于T1、T2和T3的試驗結果如表2所示。

表2 緊急制動防抱控制過程特征

(6)在不同路面上，使車輪處于最佳滑移狀態的制動壓力不同，在附著狀況較好的路面上，制動壓力較高，在附著狀況較差的路面上，制動壓力較低，如圖4所示。

在ABS實際應用中，不測取制動管路壓力，因此，在汽車制動防抱系統控制過程中用來實現路面附著狀況識別的制動管路壓力必須通過輪速信號實時估計來獲得，下面著重介紹制動管路壓力的估計方法。

在制動初始階段，由于駕駛員對制動踏板操作不同，導致制動壓力變化千差萬別，為此本文中提出在制動初始階段結束(車輪角減速度達到所設定的ABS開始調節的門限值)時，對制動管路壓力進行估計，并將其作為防抱調節過程壓力估計的初始值。

在直線制動工況下，忽略車輛的橫擺和側偏，根據車輛制動動力學原理，有

(2)

在制動初始階段，根據測試數據，各車輪制動管路壓力基本相同，則有

(3)

式中：BFlf、BFrf、BFlr、BFrr為各車輪制動器制動效能因數，N·m/N；Awlf、Awrf、Awlr、Awrr為各車輪制動輪缸活塞截面積，m2。

從式(3)可知，在根據車身參考速度得到車身參考減速度的估計值后，便可估計制動壓力并作為初始值，該值同時反映了在該階段車輛所處的路面條件狀況。

在制動防抱壓力調節過程中，在駕駛員制動踏板行程保持最大的情況下，制動壓力受ECU所輸出的增壓、保壓、減壓壓力調節信號的控制，簡化的制動系統數學模型[10]為

(4)

則

(5)

式中：Pw(k)、Pw(k+1)分別為k和k+1時刻的制動輪缸壓力，Pa。

因此，在制動防抱壓力調節過程中，根據式(3)所確定的制動初始壓力按式(5)即可實現制動壓力的估計，并作為此階段路面識別的一個特征。

3 基于路面特征參數和防抱過程特征的綜合路面識別方法

在實際的制動防抱應用系統中，由于車輛系統本身的復雜性、外界環境因素的干擾以及駕駛員操作隨機性等因素的影響，單純依靠某一特征實現路面狀況的準確識別非常困難。本文中將路面狀況初步分為3個等級：高附著系數路面、中等附著系數路面和低附著系數路面。基于車輪轉速信息提取輪胎模型參數特征及其制動過程特征，引入接近度和特征可信度的概念研究綜合模糊識別方法，以消除隨機因素的影響，實現路面狀況的準確識別。

以左前輪為例，根據試驗統計分析，利用K0、T1、Pw特征定義在制動初始階段路面狀態的3個類別：

類別1：高附著系數路面(K0550，T10.8s，Pw10MPa)

類別2：低附著系數路面(K0180，T10.2s，Pw2MPa)

類別3：中附著系數路面(K0400，T10.5s，Pw6MPa)

類別1：高附著系數路面(T20.08s，T30.6s，Pw-26(km/h)/s)

類別2：低附著系數路面(T20.15s，T30.2s，Pw-8 (km/h)/s)

類別3：中附著系數路面(T20.22s，T30.4s，Pw-16 (km/h)/s)

αT2=0.7；αT3=0.7；αpw=0.8

需要說明的是，上式中T1特征受駕駛員影響較大，因此當T1較小時，可信度較大，而當T1較大時可信度較小。同樣，當車身減速度絕對值較小時，用它作為識別低附著路面特征的可信度較大，當車身減速度絕對值較大時，用它作為識別高附著路面特征的可信度較大，而當車身減速度處于其他范圍時，由于其受到4個車輪路面狀況綜合影響，作為路面識別特征可信度較小。

接近度=

(6)

或：

接近度=

(7)

圖5為具體的路面識別系統結構。

4 試驗結果

經試驗證明，該方法可以實現干瀝青路面、冰雪和雨路面的準確可靠辨識，部分試驗結果如表3所示。

表3 制動初始階段路面識別試驗結果(左前輪)

5 結論

(1)以輪胎模型為基礎，基于制動開始時車輪滑移率較小階段的車輪轉速信息，可以分析不同路面條件下的輪胎模型的參數特征，該路面特征參數可作為此階段路面識別的一個重要特征。

(2)通過分析不同路面附著條件下緊急制動時的車輪制動防抱調節過程特征，總結得到了用以對路面進行識別的時間特征參數T1、T2和T3。由于在不同路面上，車身加速度和用以維持車輪處于最佳滑移狀態的輪缸制動壓力有較大差別，因此車身加速度和輪缸制動壓力可作為路面識別的依據，適用于對接路面制動工況。

(3)試驗結果說明，以路面特征參數和制動防抱調節過程特征為依據，基于路面特征參數和防抱過程特征的綜合路面識別方法具有較好的準確性和可靠性。在實際的制動防抱系統中，根據當前所提取的路面特征和預存的各類別路面特征，通過計算當前路面模式與各類別路面的接近度，按最大接近度原則判斷當前路面狀態。

(4)值得指出的是，本文中所提出的路面識別方法適用于基于邏輯門限值控制方法的ABS控制系統，對于其他類型的ABS控制策略可能不太適合，但其中一部分，如制動初始階段路面附著狀況的識別等可以借鑒。

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