越野汽車差速鎖自動控制策略展望

摘要：電子差速鎖是提高越野車通過性和機動性的有效手段之一，研究差速鎖自動控制策略對推動車輛智能化發展具有重要意義?；诖?，對近年來國內外電子差速鎖控制策略研究進行了分類闡述，同時歸納了各類控制策略的特點并指出其存在的問題。針對目前存在的一些問題，提出了汽車電子差速鎖控制策略，即應該向多信息融合方向發展，開發控制策略的多工況實驗評價和驗證，同時提出了實驗平臺的改進建議。

關鍵詞：車輛通過性；車輛狀態；差速鎖；控制策略

中圖分類號：U469.3" 收稿日期：2023-10-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.12.007

1 前言

差速鎖是一種解決車輛脫困的機構。傳統機械式差速鎖的使用一直存在兩方面的問題：a.駕駛員操作不熟練差速鎖鎖止不及時，不利于脫困或者鎖止得過早，會導致車輛輪胎磨損加大，嚴重時會損壞傳動系統[1-2]。b.解鎖不及時[3-4]，若車輛已處于正常行駛和轉向狀態，差速鎖鎖止狀態未解除時，同樣會造成車輛輪胎磨損加大和發動機動力流失增加油耗，嚴重時會損壞傳動部件[5-6]。

由于傳統機械式差速鎖存在上述問題，所以采用電子差速鎖自動控制系統來提高越野車通過性和機動性[7]。電子差速鎖自動控制系統[8-9]主要由執行機構、驅動機構、控制器三大部分組成，其工作原理是控制器接收傳感器檢測的車輛狀態信息[4，10-11]，即車速、輪速、轉向角等。若控制器判斷車輛趴窩，則發出信號。

驅動機構施加驅動力給執行機構對車輛差速器進行鎖止和解鎖，不需要人為判斷和操作，所以車輛狀態信息對差速鎖的控制策略尤為重要。越野車電子差速鎖控制策略的關鍵目標是使車輛能適應各種路況[12]。由于越野汽車行駛的路況極其復雜，因此越野車差速鎖的自動控制策略也相應變得復雜[10，13]。深入研究電子差速鎖的自動控制策略對于推動車輛智能化發展具有重要意義[6]。因此，越野車差速鎖自動控制策略成為當前電子差速鎖控制系統研究的主要關注方向[11]。

根據差速鎖控制策略對輸入參數信息的處理方式不同，越野車電子差速鎖控制策略大致分為以下三類（見表1）。對此我們用三個維度對其進行評價[14-15][41]：實施響應性、系統魯棒性、控制的精準性。

2 基于邏輯門限控制的差速鎖控制策略

運用邏輯門限來控制差速鎖的鎖止和解鎖，主要依靠檢測車輛速度和車輪側滑角等參數來判斷車輛是否趴窩，進而控制器發出指令控制差速鎖的鎖止和解鎖。文獻[2]通過建立四軸的越野汽車的汽車模型、運用simulink等仿真軟件，確立了各個車輪轉速隨車輛轉向角和車速的變化規律，并確定了車輛差速鎖的鎖止門限，分析了車輛差速鎖的鎖止和解鎖的參數門限高低對車輛行駛性能的影響。該策略需要獲取較為精確的車輛轉向角和車輛速度值，受硬件的影響較大，系統魯棒性較差。文獻[19]運用邏輯門限控制方法提出了一種差速鎖的控制方法，如圖1所示。這種控制過程主要依據傳感器檢測兩邊車輪的轉速信號并計算其轉速差、油門信號、制動信號、車速信號等。當車速低于某個極限值（經驗判斷）并且轉速差高于某個極限值（自己設定）時，對兩邊車輪進行制動，然后按照預設時間，通過解除車輪制動狀態來達到差速鎖的鎖止目標。首先解除轉速低的車輪制動狀態，轉速高（打滑）的車輪保持制動狀態，然后車速高于某個極限值，解除輪速高的車輪制動，來達到車輛脫困的目的[20]。該算法所需要的車輛狀態信息較多，分別為其設立了狀態極限值，該極限值主要通過試驗、仿真和經驗獲取。該方法所需成本較低且響應速度較快，但很難適應復雜路況，自適應能力較差。

據上述分析該控制策略存在一些局限性：

a.依賴傳感器精度。邏輯門限控制策略依賴于傳感器對車輛的轉向、速度、輪胎滑動等參數的準確監測。傳感器的精度和可靠性會對控制策略的準確性和可靠性產生影響。

b.難以適應復雜環境。在某些復雜路況下，僅僅根據幾個參數的邏輯門限判斷可能無法很好地控制差速鎖。例如，對于光滑且崎嶇的路面，傳感器的數據可能無法準確判斷差速鎖的開啟與關閉。

c.適用性有限?；谶壿嬮T限控制的差速鎖控制策略更適用于一般路況和日常駕駛中的需求。在極端情況下，如高速行駛、滑冰路面等特殊情況下，可能需要其他類型的控制策略來更好地應對。

根據上述分析，基于邏輯門限控制的差速鎖控制策略在一定的條件下可以提供有效的控制，但需要結合實際情況綜合考慮，并根據需要進行定制化的控制策略設計。

3 基于模糊控制理論的差速鎖控制策略

模糊控制主要是對車輪滑移率的控制，其大致思想是把車輪滑移率和滑移率變化率模糊化，確定滑移率和滑移率變化率的隸屬度曲線[21]。然后對車輛的滑移率誤差制定相應的模糊規則進行模糊推理，給出相應的車輛狀態結果反饋給控制器?？刂破鲗Σ钏冁i執行機構輸出信號對車輛差速鎖進行鎖止與解鎖。模糊控制理論的差速鎖控制策略簡圖如圖2所示。

滑移率計算公式為[22]：

[γij=1?v車ωijR×100%]

式中，γ為車輛車輪滑移率；i、j分別為左右車輪編號和前后軸編號；[v車]為車輛行駛車速；[ω]為每個車輪轉速；R為車輪有效半徑。

滑移率變化率計算公式為[23]：

[Δγ=γ2?γ1]

式中，[Δγ]為當前車輪滑移率變化率;[γ1]為上一時刻的滑移率;[γ2]為當前時刻滑移率。

滑移率大（γgt;0.7）時，車輛屬于打滑狀態，需鎖止差速鎖；滑移率適中（0.3lt;γlt;0.7）時，車輛屬于半打滑狀態，需通過傳感器檢測每個車輪的轉速和車速信息來確定打滑的車輪，再控制差速鎖鎖止；滑移率低（γlt;0.3）且車速高于某個值時，差速鎖解鎖[24]。運用模糊控制方法對車輛差速鎖進行控制，比較典型的實例有：文獻[25]利用針對車輛驅動防滑設計了一種基于模糊Kalman濾波算法的純電動汽車驅動防滑控制系統。該系統能夠有效控制汽車驅動輪的滑移率，進而提高車輛的安全性[26]。文獻[27]針對車輛驅動輪打滑現象設計了一種采用模糊控制的電子差速鎖控制系統。該系統由液壓裝置作為驅動源，當車速為0并且輪速很大也就是滑移率為1時，控制器控制電磁閥工作鎖止差速器，直到車速提高到某個值并且滑移率低于某個值時差速器恢復正常差速功能。該控制系統主要依靠車輛行駛狀態信息，即車速、輪速、滑移率和滑移率變化率來判斷車輪的打滑程度，并通過控制驅動力的大小，來完成差速鎖的鎖止與否。該方法主要對車輪滑移率進行模糊化，制定相應的模糊規則和響應區間，具有較低的硬件要求和一定的自適應能力。但該算法只制定了較為簡單路況的模糊規則，且控制精度相對較低。

經上述分析可知，該方式需要的信息較少，控制策略相對簡單，對硬件要求相對較低。但需要對車輛狀態信息進行相應的轉化，根據車輛滑移率的大小制定相應的模糊規則。由于車輛行駛路況復雜，在制定模糊規則時需要大量的路況試驗，才能制定更好的模糊規則。對于越野路況，模糊控制方法是比較適用的，但是精度不易控制，在各種復雜工況下想要實現最佳控制效果時，對其模糊的參數不易調整，計算模型相對復雜[28-31]。

4 基于PID控制理論的差速鎖控制策略

PID控制算法[32-33]是對發動機的輸出扭矩進行PID調節，以控制車輛的滑移率。將車輛每個車輪的實際滑移率和理想滑移率對比形成滑移率的誤差，將誤差反饋給控制器，控制器判斷其誤差大小，從而控制發動機的輸出扭矩，使實際滑移率更加接近目標滑移率。雖然PID控制方法簡單實用，但需要根據系統的實時情況調整參數。由于車輛行駛時輪胎處于非線性狀態，所以系統魯棒性較差，于是科研人員大多把PID控制和模糊控制相結合來設計模糊PID控制系統[14]，如圖3所示。

文獻[30]提出一種帶有模糊PID控制器的電子差速器，并通過仿真和試驗證明了帶有模糊PID控制器的電子差速器比傳統機械式差速器具有更好的操作性。該算法采用了模糊PID閉環控制，但只適用于平緩路況，魯棒性較弱。文獻[13]通過對車輛行駛過程中車輪的滑移率進行控制，采取“對滑移率進行模糊化-確立了模糊控制規則-解模糊化-對滑移率變化率”進行PID控制，通過控制滑移率大小來控制差速鎖的鎖止與解鎖。該算法對車輪滑移率進行了模糊規則制定，具有較強的魯棒性。但該模糊規則只適用于較為簡單的路況，在更為復雜的路況下其魯棒性將會大大降低[34-37]。

經上述分析可知，基于模糊PID控制理論的差速鎖控制策略在普通路況下具有自適應性強、抗干擾性強、控制精度高等優點。但在較為復雜路況下行駛時將會存在模糊規則制定困難、計算復雜度高、參數調整難度大和難以精確建模等局限性，因此在實際應用中需要根據具體情況進行綜合考慮[38-41]。

5 結語及展望

對越野車電子差速鎖自動控制的關鍵在于對車輛行駛實時的車速和滑移率等參數的獲取，以及對車輛前后軸差速鎖的鎖止順序的控制。邏輯門限的控制方法更加依賴于傳感器的精度，而模糊控制和模糊PID控制則需要對車輛的滑移率進行模糊化處理，制定模糊規則可能會相對困難。然而現有電子差速鎖自動控制策略仍存在試驗路況單一問題，并且一些控制策略缺乏充分的試驗驗證。

本文分析了現有越野車電子差速鎖自動控制系統的控制策略。對此提出以下改進建議和改進方向：

a.深入研究傳感器的精度和可靠性，以提高邏輯門限控制方法的準確性和可靠性。

b.在模糊控制和模糊PID控制中，應加強模糊規則的制定方法研究，以應對復雜場景和滑移情況。

c.擴大試驗范圍，涵蓋更多不同類型路況，以驗證和評估電子差速鎖自動控制策略的性能和效果。

d.通過虛實結合、仿真結合實驗來提升差速鎖控制策略在更復雜路況的魯棒性，應該發展多信息檢測、小型化和智能化的試驗平臺。

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作者簡介：

楊浩東，男，1997年生，碩士研究生，研究方向為汽車電子。

何銳波，男，1974年生，副教授，研究方向為工程測試、機器人、汽車電子。