汽車(chē)防滑控制系統道路識別技術(shù)的研究
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汽車(chē)防滑控制系統能夠提高車(chē)輛的牽引性和操縱穩定性，減少輪胎磨損和事故風(fēng)險，增加行駛安全性和駕駛輕便性，使得汽車(chē)在附著(zhù)狀況不好的路面上能順利起步和行駛并安全制動(dòng)[1]。眾所周知，防滑系統的控制效果主要取決于該系統的控制策略和控制算法等核心內容。目前大多數防滑控制系統都采用基于最佳滑移率為目標的控制方法，由傳感器采集車(chē)輪轉速及車(chē)身的加速度信號，由此獲得車(chē)輛的滑移率的信息；并以車(chē)輛滑移率門(mén)限值為主、車(chē)輪加減速度門(mén)限值為輔的控制方法和控制邏輯算法對車(chē)輛的執行系統進(jìn)行控制以?xún)?yōu)化驅動(dòng)力（制動(dòng)力）的分配，保證車(chē)輛能夠充分地利用地面的附著(zhù)力[2]。但應該注意的是，門(mén)限值的確定要考慮汽車(chē)的各種參數、驅動(dòng)過(guò)程中的各種工況、外界條件及可能的變化等極其復雜的因素，在不同的道路條件下作為控制邏輯中重要參量的車(chē)輛的目標滑移率及地面的峰值附著(zhù)系數都不是一個(gè)固定的量[3]，如圖1 所示。因此在防滑控制系統中應該根據車(chē)輛所處的道路狀況采取不同的控制門(mén)限值及控制算法。在以最佳滑移率為控制目標的防滑系統中，目前大多數的系統都是用一個(gè)固定的、人為設定的最佳滑移率作為控制目標參量，并以此為根據將車(chē)輪的實(shí)際滑移率與之對比來(lái)確定出車(chē)輛的穩定區域和非穩定區域[4]，沒(méi)有考慮到道路狀況對目標滑移率、車(chē)輪速度及角加速度等參量變化的影響。而要從根本上改變這一狀況的關(guān)鍵，便是要能夠對車(chē)輪所處的路面進(jìn)行實(shí)時(shí)的監測和識別，根據路面狀況采用不同的控制門(mén)限值并采取不同的控制算法和控制邏輯。
圖1 不同路況下的滑移率與附著(zhù)系數
由于基于路況評價(jià)的控制算法和策略對車(chē)輛的自適應控制效果能夠起到明顯的改進(jìn)作用，提高車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)性能并改善其操縱穩定性，所以近年來(lái)國外實(shí)時(shí)道路識別技術(shù)的發(fā)展很快。道路狀況的評價(jià)方法總體上可以分為直接儀器測量、數字特征參量測量識別和采用車(chē)輛動(dòng)力學(xué)參數解析辨識三類(lèi)。
通過(guò)試驗儀器來(lái)對路面附著(zhù)系數進(jìn)行測量是一種最簡(jiǎn)單的方法，20 世紀70 年代在英、美、瑞典等國就已有了可以測量路面附著(zhù)系數的設備[5]；國內的科技工作者在道路附著(zhù)系數的檢測儀器研究方面也開(kāi)展了一定的工作，提出了可行的測量與計算方法。但由于測定附著(zhù)系數的試驗存在可重復性差、影響因素多等問(wèn)題，從而給精確確定附著(zhù)系數造成了一定困難[6～8]。
部分國外的研究人員將光學(xué)傳感器裝備在汽車(chē)上，通過(guò)對地面反射光進(jìn)行頻譜分析來(lái)對路面狀況進(jìn)行評估[9～10]。日本學(xué)者通過(guò)采用一種峰值功率為200W 的激光束掃描的方法來(lái)對路面進(jìn)行判別，該裝置對干路面、濕路面以及冰雪路面的正確識別率可達98％[11]?；谕瑯拥脑?，超聲波傳感器在路面檢測中也有一定的應用[12]。有些國外學(xué)者將聲學(xué)傳感器安裝在汽車(chē)上來(lái)采集車(chē)輪與路面間的摩擦噪聲，并以此來(lái)作為識別路面的依據[13]。近年來(lái)在道路識別系統的研究中采用雷達波、毫米波等電磁波的方法日益增多[14～16]?；跀底謭D像處理和特征識別理論的道路判別技術(shù)的研究在最近一段時(shí)期來(lái)也逐漸被一些國外的科研工作者所采用[17～19]。和采用儀器直接測量道路附著(zhù)系數的方法一樣，采用光學(xué)、聲學(xué)以及微波等傳感器來(lái)對路面狀況進(jìn)行判別的方法雖然能夠獲得較好的判別效果，但也存在著(zhù)諸如需要很多附加設備等缺點(diǎn)，而且它最大的問(wèn)題是無(wú)法使用車(chē)輛安全性控制系統本身所固有的如輪速傳感器、加速度傳感器等設備，不能夠與車(chē)輛本身的控制系統實(shí)現集成化。
基于上述原因，采用車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)參數來(lái)對路面狀況進(jìn)行評估和預測的研究近來(lái)被越來(lái)越多的學(xué)者提上了日程。作為一項隨著(zhù)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)控制系統的發(fā)展而產(chǎn)生的技術(shù)，這種方法能夠直接應用ABS（防抱死制動(dòng)系統）等系統固有的傳感器，亦無(wú)需附加其它的任何設備，從而降低了系統的復雜程度和成本，具有廣闊的實(shí)用前景和潛力。
國外在車(chē)輛主動(dòng)安全性控制系統中采用車(chē)輛動(dòng)力學(xué)參數來(lái)識別道路的技術(shù)研究可以追溯至1992 年[20]。美國內華達大學(xué)的Georg Mauer 在1994 年提出了一種基于A(yíng)BS 系統道路識別系統的方案，他利用車(chē)輛滑移率及輪缸制動(dòng)壓力的變化來(lái)判別車(chē)輛行駛的實(shí)際道路狀況 [21～22]。1996 年，美國軍方與克萊斯勒公司、ITT 汽車(chē)公司等聯(lián)合進(jìn)行了一項針對美軍4×4 型高機動(dòng)性多用途輪式車(chē)輛（HMMWV）的TCS（驅動(dòng)防滑控制系統）系統的研制項目，該項目采用模糊邏輯的TCS 控制器，根據不同的道路狀況采取不同的模糊控制規則[23]。瑞典的Gustafsson Fredrik 和韓國的Wookug Hwang 等人分別對車(chē)輛正常行駛情況下車(chē)輪滑移率與地面作用的切向力之間的關(guān)系進(jìn)行了探討，并提出了采用估計出的道路附著(zhù)系數對車(chē)輪滑移率相對變化的梯度來(lái)對路面進(jìn)行分類(lèi)的理論[13],[24～25]。日本東京大學(xué)的Hideo Sado 和Shin-ichiro Sakai 等人以電動(dòng)汽車(chē)的驅動(dòng)控制試驗為基礎，對在整個(gè)滑移率變化范圍內以非線(xiàn)性化的μ－S 曲線(xiàn)的斜率來(lái)對路面的附著(zhù)狀況進(jìn)行評估進(jìn)行了探討[26～28]。
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