無(wú)人駕駛汽車變速器換擋過(guò)程自適應(yīng)控制方法研究

張斌

（上海工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造與汽車學(xué)院，上海 201806）

引言

無(wú)人駕駛汽車作為未來(lái)交通系統(tǒng)的重要組成部分，能夠?qū)崿F(xiàn)高效、安全、節(jié)能的行駛，對(duì)于提升交通安全水平、緩解城市交通壓力、提高出行效率等方面具有重要意義[1]。無(wú)人駕駛是汽車行業(yè)未來(lái)發(fā)展的主要方向之一，具有傳統(tǒng)有人駕駛不具備的優(yōu)勢(shì)，理論上能夠極大避免人為因素引發(fā)的交通事故。無(wú)人駕駛實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵就是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車進(jìn)行高精準(zhǔn)的智能化控制，讓其可以像人一樣靈活操作汽車行駛[2]。速度控制是無(wú)人駕駛汽車控制研究中的重點(diǎn)項(xiàng)目之一，速度控制直接關(guān)系到無(wú)人駕駛汽車的安全性，當(dāng)車輛行駛過(guò)程中遇到行人或者障礙物或者轉(zhuǎn)彎或者上下坡等情況時(shí)，都需要通過(guò)變速器換擋操作來(lái) 調(diào)節(jié)車輛行駛速度，以保證車輛的平穩(wěn)、安全運(yùn)行，在傳統(tǒng)汽車中，這一換擋過(guò)程主要通過(guò)駕駛員來(lái)實(shí)現(xiàn)，而無(wú)人駕駛汽車則需要通過(guò)控制器來(lái)替代駕駛員來(lái)完成該操作，因此對(duì)控制器的控制要求較高[3]。

在上述背景下，變速器換擋過(guò)程控制作為無(wú)人駕駛中的關(guān)鍵問(wèn)題，相關(guān)領(lǐng)域研究學(xué)者紛紛對(duì)此做出了研究。代青林等[4]在其研究中以雙離合自動(dòng)變速器為對(duì)象，首先對(duì)其工作原理進(jìn)行了分析，然后建立該變速器的動(dòng)力模型，最后設(shè)計(jì)魯棒控制器，對(duì)變速器換擋進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)車輛運(yùn)行速度。該方法能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，但換擋精準(zhǔn)度較差。劉永剛等[5]以雙離合器自動(dòng)變速器為研究對(duì)象，首先根據(jù)變速器歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)建立知識(shí)庫(kù)，然后通過(guò)非線性自回歸網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)車輛的運(yùn)行換擋數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，得到換擋控制規(guī)律，最后設(shè)計(jì)一種MPC 控制器，結(jié)合控制規(guī)律，實(shí)現(xiàn)換擋控制。該方法能夠適應(yīng)非線性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化，但換擋控制穩(wěn)定性較差。趙屹東等[6]在其研究中針對(duì)變速器機(jī)構(gòu)組成以及換擋原理進(jìn)行了具體分析，然后提出一種全線控電動(dòng)換擋控制方案，實(shí)現(xiàn)換擋控制。該方法變速器的機(jī)構(gòu)組成和換擋原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，但對(duì)技術(shù)和設(shè)備有較高的要求，實(shí)施難度較大。

針對(duì)上述問(wèn)題，研究一種無(wú)人駕駛汽車變速器換擋過(guò)程自適應(yīng)控制方法。

1 無(wú)人駕駛汽車變速器換擋過(guò)程自適應(yīng)控制

無(wú)人駕駛汽車的行駛速度直接受變速器換擋控制的影響，因此準(zhǔn)確的換擋控制可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的速度調(diào)節(jié)[7]。本研究設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛汽車的變速器換擋過(guò)程。該方法主要包括兩個(gè)關(guān)鍵部分：無(wú)人駕駛汽車換擋信息采集與處理研究以及無(wú)人駕駛汽車變速器雙同步換擋控制方法研究。下面將針對(duì)這兩個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.1 無(wú)人駕駛汽車換擋信息去噪

無(wú)人駕駛汽車變速器換擋過(guò)程自適應(yīng)控制需要以換擋控制信息為基礎(chǔ)，將換擋控制信息輸入到控制器當(dāng)中，通過(guò)控制器當(dāng)中的控制策略輸出控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)變速器的換擋控制[8]。無(wú)人駕駛汽車換擋控制信息采集和去噪是十分重要的。無(wú)人駕駛汽車換擋信息包括兩種，即換擋電機(jī)轉(zhuǎn)速信息以及換擋電機(jī)轉(zhuǎn)矩信息。換擋電機(jī)轉(zhuǎn)速的作用是改變換擋前后車輛的行駛速度[9]。換擋電機(jī)轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩與預(yù)期車速下的轉(zhuǎn)速、以及轉(zhuǎn)矩差值為控制方程的輸入，通過(guò)計(jì)算輸出變速器的控制變量，實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛汽車變速器換擋過(guò)程自適應(yīng)控制。針對(duì)換擋電機(jī)轉(zhuǎn)速信息和轉(zhuǎn)矩信息，利用轉(zhuǎn)速傳感器和扭矩傳感器完成信息采集：

1）轉(zhuǎn)速傳感器

在變速器控制下，換擋電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速傳感器采集與旋轉(zhuǎn)頻率相關(guān)的脈沖信號(hào)，從而達(dá)到換擋電機(jī)轉(zhuǎn)速信息采集目的。

2）扭矩傳感器

當(dāng)換擋電機(jī)工作時(shí)，扭矩傳感器上的花鍵和鍵槽之間的相對(duì)位移量，會(huì)隨著換擋電機(jī)的扭轉(zhuǎn)力矩發(fā)生改變，從而帶動(dòng)磁感強(qiáng)度發(fā)生改變，最后通過(guò)線圈轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出[10]。

針對(duì)采集到的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩信號(hào)，利用小波閾值法進(jìn)行濾波。具體過(guò)程如下：

步驟1：輸入采集到的換擋電機(jī)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩信號(hào)，記為A(t)。

步驟2：設(shè)置濾波參數(shù)，即小波基函數(shù)（Marr）和分解層數(shù)N。

式中：

ψ(t)—Marr小波基函數(shù)。

步驟3：利用ψ(t)對(duì)A(t)分解，分解為設(shè)置的N層，得到每層分解系數(shù)aj,k(t)。

步驟4：利用閾值函數(shù)進(jìn)行信號(hào)濾波，即

式中：

bj,k(t)—去噪后的第j層第k個(gè)小波系數(shù)；

Bj—第j層濾波閾值；

sign ()—階躍函數(shù)。

步驟5：重構(gòu)，得到去噪后的A(t)，記為C(t)。

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行小波閾值濾波，可以減少噪聲對(duì)后續(xù)過(guò)程的干擾，并提供更加準(zhǔn)確和可靠的輸入數(shù)據(jù)。這將有助于提升換擋過(guò)程的自適應(yīng)控制效果，使得變速器能夠更精確、平穩(wěn)和快速地進(jìn)行換擋操作。

1.2 變速器雙同步換擋自適應(yīng)控制方法設(shè)計(jì)

無(wú)人駕駛汽車由于缺乏駕駛員的參與，換擋這一復(fù)雜的過(guò)程需要汽車自帶的控制器來(lái)完成。無(wú)人駕駛汽車變速器控制的目的是：讓換擋操作正確、平穩(wěn)、迅速，使得變速器運(yùn)行參數(shù)達(dá)到預(yù)期水平[12]。變速器在換擋過(guò)程中的精準(zhǔn)控制。直接關(guān)系到無(wú)人駕駛汽車的行駛質(zhì)量。在傳統(tǒng)的控制方法中，通常使用一種換擋信息來(lái)設(shè)計(jì)控制策略或者采用多種獨(dú)立的換擋信息來(lái)進(jìn)行分別控制。然而，這些控制方法都缺乏自適應(yīng)性、及時(shí)性和準(zhǔn)確性。因此，為了解決這個(gè)問(wèn)題，本研究提出了一種變速器雙同步換擋自適應(yīng)控制方法，其控制原理如圖1所示。

圖1 變速器雙同步換擋自適應(yīng)控制原理

從圖1中可以看出，該控制器分為內(nèi)外雙環(huán)，用于變速器雙同步控制。根據(jù)輸入的換擋控制信號(hào)的不同，內(nèi)環(huán)命名為速度環(huán)，外環(huán)命名為轉(zhuǎn)矩環(huán)，用于控制變速器參數(shù)，也就是變速器傳動(dòng)比控制[14]。變速器傳動(dòng)比也稱速比，是指輸入軸轉(zhuǎn)速與輸出軸轉(zhuǎn)速之比，是變速器控制換擋電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、改變無(wú)人駕駛汽車行駛速度的關(guān)鍵參數(shù)。下面進(jìn)行具體分析。

1）速度環(huán)計(jì)算

速度環(huán)：就是以采集到的實(shí)際換擋電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)為輸入的控制環(huán)，它以外環(huán)轉(zhuǎn)矩環(huán)的控制輸出充當(dāng)預(yù)期轉(zhuǎn)速，計(jì)算與實(shí)際轉(zhuǎn)速之間的差值，即

式中：

ΔV(t)—轉(zhuǎn)矩環(huán)的控制輸出與換擋電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速之間的差值；

P(t)—轉(zhuǎn)矩環(huán)的控制輸出；

V(t)—換擋電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速[15]。

以ΔV(t)為輸入，利用PI控制器進(jìn)行輸出變速器傳動(dòng)比。PI控制器方程如下：

式中：

D(t)—PI控制器輸出，即變速器傳動(dòng)比；

τ(t)—PI控制器的超前時(shí)間常數(shù)；

Kp—比例系數(shù)；

g—拉普拉斯變換參數(shù)；

Ki—積分系數(shù)。

2）轉(zhuǎn)矩環(huán)計(jì)算

轉(zhuǎn)矩環(huán)：就是以采集到的實(shí)際換擋電機(jī)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)為輸入的控制環(huán)，以預(yù)期轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩之間的差值為輸入，即

式中：

Δe(t)—預(yù)期轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩之間的差值；

R(t)—換擋電機(jī)的預(yù)期轉(zhuǎn)矩；

—換擋電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)Δe(t)，其PID控制律如下：

式中：

P(t)—PID控制器輸出，也是速度環(huán)的輸入；

Ti—積分常數(shù)；

Td—微分常數(shù)。

經(jīng)過(guò)內(nèi)外環(huán)的雙同步換擋自適應(yīng)控制，得出了變速器的控制量，即傳動(dòng)比。除了控制量的求取外，控制時(shí)序設(shè)置也是非常重要的，這直接關(guān)系換擋切換的效率[16]。表1為變換器啟停控制規(guī)則表。

表1 變換器啟停控制規(guī)則表

設(shè)定變換器啟停控制規(guī)則表可以根據(jù)特定的運(yùn)行條件和需求，合理地控制變速器的啟停操作，從而提高運(yùn)行安全性、能源效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，以及保證整個(gè)控制過(guò)程的順暢和可控性。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為測(cè)試所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)控制方法在變速器換擋控制中的應(yīng)用效果，選擇一臺(tái)配備電機(jī)和變速器的無(wú)人駕駛汽車作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備。連接轉(zhuǎn)速傳感器和扭矩傳感器到電機(jī)，以確保傳感器讀取到準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩信號(hào)。為了實(shí)施控制算法并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用PI控制器，在控制器上加載并運(yùn)行自適應(yīng)控制算法和小波閾值濾波算法的測(cè)試軟件程序。轉(zhuǎn)速傳感器和扭矩傳感器在汽車中的位置介紹如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器在汽車中的位置介紹

設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如表2所示。

表2 測(cè)試環(huán)境參數(shù)表

2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

1）比較使用小波閾值濾波前后的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩信號(hào)的噪聲抑制效果。

2）比較使用變速器雙同步換擋自適應(yīng)控制方法前后的換擋過(guò)程中傳動(dòng)比的調(diào)整效果。

3）比較本研究提出的自適應(yīng)控制算法與其他三種傳統(tǒng)控制方法在換擋沖擊度和換擋時(shí)間上的控制效果。

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.3.1 濾波處理實(shí)驗(yàn)

將轉(zhuǎn)速傳感器和扭矩傳感器安裝到電機(jī)上，用于實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)。針對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩信號(hào)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)小波閾值濾波算法，將原始信號(hào)進(jìn)行濾波處理。利用測(cè)試軟件程序進(jìn)行濾波測(cè)試，并繪制濾波前后的對(duì)比圖，如圖3、圖4所示。

圖3 轉(zhuǎn)速信號(hào)濾波前后對(duì)比圖

圖4 轉(zhuǎn)矩信號(hào)濾波前后對(duì)比圖

比較濾波前后轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩信號(hào)的噪聲抑制效果可以通過(guò)觀察濾波前后信號(hào)的穩(wěn)定性和平滑程度來(lái)評(píng)估。

對(duì)于轉(zhuǎn)速信號(hào)，濾波前的原始信號(hào)可能會(huì)受到多種噪聲的影響，如電磁干擾、機(jī)械振動(dòng)和采樣誤差等。這些噪聲可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)速信號(hào)的劇烈波動(dòng)和不穩(wěn)定性。然而，通過(guò)小波閾值濾波后，濾波器能夠識(shí)別并消除其中的噪聲成分，使轉(zhuǎn)速信號(hào)更加平穩(wěn)和可靠。這意味著從濾波后的轉(zhuǎn)速信號(hào)中，可以更精確地獲取到車輛實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于轉(zhuǎn)矩信號(hào)，濾波前的原始信號(hào)可能存在由于測(cè)量設(shè)備、傳感器故障或環(huán)境因素引起的噪聲。這些噪聲會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩信號(hào)的波動(dòng)和抖動(dòng)，影響對(duì)車輛動(dòng)力輸出的準(zhǔn)確評(píng)估。通過(guò)小波閾值濾波后，本文設(shè)計(jì)的濾波器能夠有效地消除轉(zhuǎn)矩信號(hào)中的噪聲成分，使信號(hào)更加平滑和穩(wěn)定。這有助于提高對(duì)車輛實(shí)際扭矩輸出的測(cè)量精度。這為后續(xù)的控制算法和變速器換擋自適應(yīng)控制方法的實(shí)施提供了更可靠的基礎(chǔ)，并有助于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的車輛運(yùn)行性能。

2.3.2 升降檔工況自動(dòng)化測(cè)試實(shí)驗(yàn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)中的需求，比較控制系統(tǒng)在自適應(yīng)控制方法前后的換擋過(guò)程中傳動(dòng)比的調(diào)整效果。進(jìn)行升檔工況實(shí)驗(yàn)：將無(wú)人駕駛汽車從1檔升到5擋，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括轉(zhuǎn)動(dòng)比、時(shí)間等，并繪制換擋過(guò)程中實(shí)際傳動(dòng)比變化情況圖，如圖5所示。

圖5 升檔過(guò)程中的實(shí)際傳動(dòng)比變化情況圖

圖5展示了在升檔過(guò)程中，實(shí)際傳動(dòng)比隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。通過(guò)該圖，可以觀察到在升檔過(guò)程中，實(shí)際傳動(dòng)比是隨著換擋動(dòng)作的進(jìn)行而逐步調(diào)整的。

進(jìn)行降檔工況實(shí)驗(yàn)：將無(wú)人駕駛汽車從5檔降到1擋，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括轉(zhuǎn)動(dòng)比、時(shí)間等，并繪制換擋過(guò)程中實(shí)際傳動(dòng)比，如圖6所示。

圖6 降檔過(guò)程中的實(shí)際傳動(dòng)比變化情況圖

圖5和圖6中觀察到一些陰影區(qū)域，這些陰影區(qū)域代表了傳動(dòng)比波動(dòng)幅度較大的階段。這種傳動(dòng)比波動(dòng)可能是由以下幾個(gè)因素導(dǎo)致的：首先，在不同的駕駛工況下，如急加速或爬坡等，車輛的動(dòng)力需求會(huì)發(fā)生變化，這導(dǎo)致傳動(dòng)比需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。其次，換擋控制系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行器存在一定的反饋延遲，這意味著傳動(dòng)比的調(diào)整可能會(huì)受到一定的時(shí)間滯后影響。

通過(guò)使用自適應(yīng)控制算法，在變速器換擋過(guò)程中，繪制預(yù)期傳動(dòng)比曲線和實(shí)際傳動(dòng)比曲線，以評(píng)估控制算法的性能。預(yù)期傳動(dòng)比曲線代表了在理想的換擋過(guò)程中預(yù)期的傳動(dòng)比變化趨勢(shì)，如圖7所示。應(yīng)用自適應(yīng)控制算法后，繪制了經(jīng)過(guò)濾波和調(diào)整的實(shí)際傳動(dòng)比曲線，如圖8所示。通過(guò)對(duì)比預(yù)期傳動(dòng)比曲線和自適應(yīng)控制算法應(yīng)用后的實(shí)際傳動(dòng)比曲線，可以評(píng)估控制算法在換擋過(guò)程中的效果。

圖7 換擋過(guò)程中預(yù)期傳動(dòng)比變化情況圖

圖8 應(yīng)用自適應(yīng)控制算法后傳動(dòng)比變化情況圖

通過(guò)比較實(shí)際傳動(dòng)比與預(yù)期傳動(dòng)比的變化趨勢(shì)，評(píng)估自適應(yīng)控制算法對(duì)變速器換擋的控制效果。在升檔和降檔兩種工況下，應(yīng)用本研究提出的自適應(yīng)控制算法后變速器換擋過(guò)程實(shí)際傳動(dòng)比與預(yù)期傳動(dòng)比十分接近，說(shuō)明所研究方法引用于控制系統(tǒng)的響應(yīng)性和準(zhǔn)確性較高，能夠根據(jù)車輛行駛狀態(tài)和駕駛需求對(duì)變速器進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)控。同時(shí)說(shuō)明該方法能夠根據(jù)車輛的運(yùn)行狀態(tài)和駕駛需求，自動(dòng)調(diào)整變速器的傳動(dòng)比，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的車輛運(yùn)行性能。

2.3.4 對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)

換擋技術(shù)要求可歸納為六個(gè)字：正確、平穩(wěn)、迅速，因此從這三個(gè)方面進(jìn)一步分析所提方法的控制質(zhì)量。其中，針對(duì)正確性選擇決定系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，針對(duì)平穩(wěn)性選擇換擋沖擊度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，迅速選擇換擋時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1）換擋沖擊度

式中：

H—換擋沖擊度，該值越小，證明模型控制下，變速器換擋控制越平穩(wěn)；

a—加速度；

t—時(shí)間。

從圖6和表3中可以看出，與三種傳統(tǒng)控制模型相比，所提方法應(yīng)用下，決定系數(shù)更高，換擋沖擊度更小，換擋時(shí)間更短，由此說(shuō)明所提方法的控制效果更好，能夠讓變速器換擋過(guò)程中更加準(zhǔn)確、平穩(wěn)和快速。

表3 換擋沖擊度和換擋時(shí)間對(duì)比表

3 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人駕駛汽車的出現(xiàn)在很大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)汽車存在的缺陷，但是無(wú)人駕駛汽車也存在需要改進(jìn)的問(wèn)題，其中變速器在換擋過(guò)程中的控制就是之一。變速器在換擋過(guò)程中的控制直接關(guān)系到無(wú)人駕駛汽車的速度調(diào)節(jié)質(zhì)量。為此，研究一種無(wú)人駕駛汽車變速器換擋過(guò)程自適應(yīng)控制方法。該研究中的主要成就為設(shè)計(jì)了一種雙同步換擋自適應(yīng)控制模型，通過(guò)內(nèi)外雙環(huán)的控制，使得變速器換擋任務(wù)完成度更高。最后對(duì)所研究方法進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試，通過(guò)決定系數(shù)、換擋沖擊度以及換擋時(shí)間三個(gè)指標(biāo)對(duì)比，證明了所研究方法控制實(shí)現(xiàn)了變速器更加正確、平穩(wěn)、迅速的換擋。