一種基于意圖識別的電動車轉向制動控制方法

王正家 孫楚杰 翟海祥 吳順堯

(1.湖北工業大學機械工程學院，湖北 武漢 430068；2.現代制造質量工程重點實驗室，湖北 武漢 430068)

0 引言

在轉向制動意圖和制動強度的識別及控制策略方面，李海青等[1]綜合考慮行駛車速、方向盤轉角以及側翻評價指標，在轉向控制駕駛員模型基礎上建立了速度控制駕駛員模型，當側翻評價指標超過安全閾值時利用制動踏板降低車速，有效降低了緊急避障時的側翻風險。劉劍開等[2]基于制動踏板位移對應的電壓和電壓變化率，設計了模糊邏輯控制器，識別出駕駛員的制動意圖和對應的制動強度變化。李壽濤等[3]基于制動踏板位置和踏板行程進行模糊推理，實現了駕駛員緊急制動意圖的識別，縮短了緊急制動的時間。張元才等[4]將駕駛員制動意圖分為3類，應用模糊算法對其進行了識別。文獻[5]中對車輛在行駛時前方突然出現障礙物時駕駛員的操作特性進行了研究，在車速較低時，駕駛員會采取制動和轉向同時作用控制汽車，最大程度躲避障礙物；在車速較高時，駕駛員會先采用制動來降低車速，防止車輛側翻。

本文在分析制動意圖和無刷直流電機制動控制方法的基礎之上，結合各種制動方式的優勢，提出了一種基于意圖識別的電動車轉向制動控制方法，該方法是基于轉向角位移對應的輸出電壓及電壓變化率，設計了一個模糊控制器，識別駕駛員的轉向制動意圖和對應的制動強度變化，通過轉向制動意圖確定制動方式，實現電動車無刷直流電機制動系統的快速性和可控性，縮短了轉向制動的響應時間，控制轉向速度，避免側翻，保護駕駛員安全。

1 轉向制動意圖分析

對電動車的轉向制動進行控制，首先要對駕駛員的轉向制動意圖進行分析。本文是通過對電動車的轉向角度以及行駛速度來識別駕駛員的轉向制動控制意圖。根據轉向制動的實際情況，將轉向制動行為分為3種：緩慢制動、中等制動和緊急制動。這是利用實際情況中電動車的轉向的急緩程度以及當前的行駛速度快慢來確定駕駛員的轉向制動強度，再以此判斷當前應該采用的轉向制動行為。轉向制動行為意圖和轉向制動強度的對應關系如表1所示。

表1 轉向制動意圖與制動強度的對應關系

2 轉向制動意圖和制動強度模糊控制器

2.1 輸入變量與輸出變量的模糊化

本文設計的輸入變量是轉向角輸出電壓(U)及轉向角輸出電壓變化率(dU)，其論域分別為[0，5]，[0，100]；輸出變量是轉向制動強度(Z)，其論域為[0，1]。轉向角輸出電壓的子集為{VS、S、M、B、VB}，其隸屬度函數選擇如圖1所示。轉向角輸出電壓變化率的子集為{VS、S、M、B、VB}，其隸屬度函數選擇如圖2所示。轉向制動強度的子集為{VS、S、M、B、VB}，其隸屬度函數選擇如圖3所示。

圖1 轉向角輸出電壓隸屬度函數

圖2 轉向角輸出電壓變化率隸屬度函數

圖3 制動強度隸屬度函數

2.2 模糊控制規則的制定

制動強度是控制系統制動能力的體現，根據前面選擇的輸入變量和輸出變量，針對轉向制動強度的確定，制定了相應的模糊控制規則表，如表2所示。

表2 制動強度控制規則

3 基于意圖識別的轉向制動控制方法

本文采用的轉向制動控制方法是通過電動車轉向角輸出電壓和轉向角輸出電壓變化率的模糊控制器來確定轉向制動強度，再通過當前行駛速度的大小，確定轉向制動意圖，選擇轉向制動方式控制電機，控制電動車的轉向。具體的控制邏輯框圖如圖4所示。

圖4 制動控制邏輯框圖

4 制動控制系統建模及仿真分析

4.1 制動意圖識別仿真

4.1.1 制動意圖識別模型

通過MATLAB建立制動意圖識別的模型，轉向角輸出電壓作為一路輸入信號，轉向角輸出電壓變化率作為另一路輸入信號，然后轉向制動強度為模糊控制器的輸出信號。具體的制動意圖識別模型如圖5所示。

圖5 制動意圖識別模型

4.1.2 制動意圖仿真結果及分析

運行仿真，結合圖6(a)和(b)，轉向角輸出電壓增大，轉向角輸出電壓變化率在零點上方為正，轉向角輸出電壓減小，轉向角輸出電壓變化率在零點下方為負，圖6(c)則表示轉向制動強度的變化。

圖6 制動意圖識別仿真

通過仿真結果分析，轉向角輸出電壓和轉向角輸出電壓變化率很小時，轉向制動強度曲線水平，基本無變化或變化很小，這屬于緩慢制動；轉向角輸出電壓和轉向角輸出電壓變化率平滑變化，轉向制動強度曲線平滑變化，這屬于中等制動，這種是電動車在實際路況中最多的；轉向角輸出電壓和轉向角輸出電壓變化率很大時，轉向制動強度曲線有一個陡降，變化很大，這屬于緊急制動。可以看出利用模糊控制的方法能夠達到預期的轉向意圖識別的目的。

4.2 制動控制系統建模及仿真

轉向制動控制系統的仿真模型如圖7所示[6]。

圖7 轉向制動控制系統的仿真模型

圖8是在Matlab/Simulink環境下仿真出的轉向角輸出電壓曲線。3條曲線對應3種制動意圖，初始階段，都沒有轉向角輸出電壓輸出；之后隨著時間的增大轉向角輸出電壓逐漸增大，相同的時間轉向角輸出電壓增量不同，反映著不同的制動意圖以及制動效果。

圖8 轉向角輸出電壓對比曲線

圖9是不同制動意圖下的電機轉速曲線變化。從圖中對比可以看出，3種制動意圖下，電機轉速下降的速率各不相同，保證了轉向制動時的速度控制，證明了基于意圖識別的轉向制動控制方法的可行性。

圖9 電機轉速仿真對比曲線

5 結語

本文針對電動車在轉向時不能根據駕駛員的轉向要求及時有效地控制電動車轉向制動的速度問題，對轉向制動控制方法展開研究，構建了轉向制動意圖識別模型，根據轉向角輸出電壓及轉向角輸出電壓變化率，設計了模糊控制器來識別轉向制動意圖，確定轉向制動控制方法，控制電動車的轉向制動速度，提高了電動車轉向制動的快速性和安全性。