CN109278563A - 基于制动意图辨识的车用磁流变液制动系统的控制方法 - Google Patents
基于制动意图辨识的车用磁流变液制动系统的控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于制动意图辨识的车用磁流变液制动系统的控制方法，包括：通过车速传感器采集车速；判断此时的车速是否处于慢速，若处于慢速状态，则辨识其制动意图为基本制动；否则，则将踏板位移、踏板速度的值作为输入量，通过模糊控制器辨识相应的制动意图；根据控制输出单元中的目标制动力矩生成算法获得目标制动力矩；通过积分分离的PID控制，精确、稳定、快速地输出实际制动力矩。本发明能够在快速辨识驾驶员的制动意图的同时，精确、稳定、快速地输出制动力矩，有助于减少制动时间，实现高效的制动效果，避免生命财产的损失。
Description
技术领域
本发明涉及汽车制动控制方法技术领域，尤其是一种基于制动意图辨识的车用磁流变液制动系统的控制方法。
背景技术
车用磁流变液制动系统是一种新型汽车线控制动系统，通过控制磁流变液制动器中励磁线圈的励磁电流来产生相应的制动力矩，故需要设计其控制算法以实现快速、稳定的制动效果。在现有的制动系统中，主要通过踏板位移与制动力矩的关系来实现汽车的有效制动，制动效果仅仅取决于驾驶员踩下踏板的位移大小。然而，驾驶员可能由于反应慢、紧张等各种原因而造成制动的不及时或失败。故需要建立制动意图辨识算法辨识驾驶员的制动意图，再根据制动意图及车速，来调整踏板位移与制动力矩的关系，以实现有效的制动。目前还没有基于磁流变液制动系统的控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现对磁流变液制动系统的精确、稳定、快速控制的基于制动意图辨识的车用磁流变液制动系统的控制方法。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于制动意图辨识的车用磁流变液制动系统的控制方法，该方法包括下列顺序的步骤：
(1)数据采集单元通过车速传感器采集车速，然后将车速值分别传送给制动意图识别单元和控制输出单元；数据采集单元通过光电编码器采集踏板位移和踏板速度，然后将踏板位移和踏板速度传送至制动意图识别单元；
(2)制动意图识别单元判断此时的车速是否处于慢速，若此时车速处于慢速状态，则制动意图识别单元辨识其制动意图为基本制动；
(3)若车速并非处于慢速状态，则将踏板位移、踏板速度的值作为输入量，通过制动意图辨识的模糊化处理和建立模糊规则辨识相应的制动意图；
(4)将车速与制动意图识别单元识别的制动意图共同输入控制输出单元中，控制输出单元根据目标制动力矩生成算法获得目标制动力矩；
(5)通过积分分离的PID控制，精确、稳定、快速地输出实际制动力矩。
所述步骤(3)中通过制动意图辨识的模糊化处理和建立模糊规则辨识相应的制动意图具体包括以下步骤：
(3.1)汽车车速用VC表示，取值范围为[0，120]，其单位是km/h，分为慢速、中速、高速三种状态，分别用S、M、B表示；踏板位移用L表示，取值范围为[0，80]，其单位是mm，分为很小、小、中、大、很大五种状态，分别用VS、S、M、B、VB表示；踏板速度用V表示，取值范围为[0，300]，其单位是mm/s，分为小、中、大三种状态，分别用S、M、B表示；制动意图用T表示，其取值范围取为[0，4]，分为基本制动、缓慢制动、中等制动、紧急制动四种状态，分别用E、S、M、B表示；
(3.2)确定输入输出变量，将踏板位移L及踏板速度V作为输入变量，制动意图T作为输出变量；
(3.3)进行模糊化处理：
L＝{VS，S，M，B，VB}；
V＝{S，M，B}；
T＝{E，S，M，B}；
(3.4)建立模糊控制规则：
if L＝VS and V＝S then T＝S
if L＝VS and V＝M then T＝S
if L＝VS and V＝B then T＝M
if L＝S and V＝S then T＝S
if L＝S and V＝M then T＝S
if L＝S and V＝B then T＝B
if L＝M and V＝S then T＝S
if L＝M and V＝M then T＝M
if L＝M and V＝B then T＝B
if L＝B and V＝S then T＝S
if L＝B and V＝M then T＝M
if L＝B and V＝B then T＝B
if L＝VB and V＝S then T＝S
if L＝VB and V＝M then T＝M
if L＝VB and V＝B then T＝B
(3.5)确定各变量的隶属度：踏板位移的隶属度范围为VS[0，30]，S[20，40]，M[30，50]，B[40，60]，VB[50，80]；踏板速度的隶属度范围为S[0，150]，M[70，220]，B[150，300]；制动意图的隶属度范围为E[0，0.5]，S[0，2]，M[1，3]，B[2，4]。
所述步骤(4)中的目标制动力矩生成算法包括：
(4.1)汽车制动踏板的踏板位移L与制动力矩M'的基本关系表达为：
M'＝F(l)
将该关系作为基本特征关系，其关系曲线为一条非线性曲线；
将汽车制动踏板的踏板位移L与磁流变制动系统中的制动力矩F(l)拟合成由两条不同斜率的线段组成的函数曲线；
将汽车制动踏板的踏板位移L与磁流变制动系统中的制动力矩M设计为如下关系：
M＝F(l)+α·(β·G(l)-γ·(u-1)·Q(l))
其中：M表示目标制动力矩；
l表示踏板位移值；
F(l)表示踏板位移与制动力矩基本特征关系；
G(l)表示踏板位移与制动力矩第一附加关系；
Q(l)表示踏板位移与制动力矩第二附加关系；
α表示车速强度系数；
u表示附加系数；
β表示制动意图强度第一系数；
γ表示制动意图强度第二系数；
(4.2)将车速与制动意图共同输入控制输出单元中，控制输出单元判断车速处于慢速、中速和高速何种状态，并输出相应的α值；控制输出单元判断制动意图处于基本制动、缓慢制动、中等制动和紧急制动中何种状态，并输出相应的β和γ值；
α值的取值条件：
其中，当VC＝S时，汽车为慢速行驶，使α＝0，则M＝F(s)，汽车实现基本制动，磁流变制动系统的制动力矩只与踏板位移大小有关；
其中，当VC＝M时，汽车为中速行驶，使α＝α1；当VC＝B时，汽车为高速行驶，使α＝α2；此时启动制动力矩附加值，由表达式可知，磁流变制动系统的制动力矩M不但与踏板位移L、车速VC有关，还取决于制动意图T；
其中，车速取值范围S[0，25]，M[25，55]，B[55，120]；
β值的取值条件：
其中，β值对应不同制动意图下的制动意图强度第一系数，存在β3＞β2＞β1＞1；
γ值的取值条件：
其中，γ值对应不同制动意图下的制动意图强度第二系数，存在γ3＞γ2＞γ1＞1；
(4.3)u值的取值条件：
其中l0为踏板位移阈值；
G(l)负责调节l0前的踏板位移L与制动力矩M的关系，Q(l)负责调节l0后的踏板位移L与制动力矩M的关系。
所述步骤(5)中积分分离的PID的控制具体是指：
(5.1)经过制动意图辨识，获得了所需的目标制动力矩，最后采用积分分离的PID控制算法实现制动力矩M的输出，其控制算法为：
其中：I(t)表示励磁电流值；
Kp表示比例调节系数；
Ki表示积分时间常数；
Kd表示微分时间常数；
e(t)表示目标制动力矩与实际制动力矩偏差值；
λ表示积分调整系数；
(5.2)λ值的取值条件：
其中，e0为目标制动力矩与实际制动力矩偏差值的阈值；
(5.3)当|e(t)|≥e0时，即偏差值较大时，采用PD调节，避免过大的超调，同时保持系统具有较快的响应；当|e(t)|＜e0时，即偏差值较小时，采用PID调节,保证系统的控制精度。
由上述技术方案可知，本发明的优点在于：第一，本发明能够在快速辨识驾驶员的制动意图的同时，实现快速、准确、稳定的制动力矩输出，有助于减少制动时间，实现高效的制动效果，避免生命财产的损失；第二，根据汽车车速、踏板位移及踏板速度做出不同的制动决策，有助于发挥车用磁流变液制动系统的最大功效；第三，引入制动意图辨识的同时，保持踏板位移与制动力矩曲线的不失真，保证良好的制动感觉，同时在制动意图辨识出现故障的情况下，不影响最基本的制动效果，有助于提高该算法的安全性与稳定性。
附图说明
图1是本发明控制系统结构图；
图2是本发明的方法流程图；
图3是本发明中踏板位移的隶属函数曲线图；
图4是本发明中踏板速度的隶属函数曲线图；
图5是本发明中制动意图的隶属函数曲线图；
图6是本发明踏板位移与制动力矩关系图；
图7是本发明积分分离PID流程图。
具体实施方式
如图1所示，本系统包括数据采集单元、制动意图识别单元、控制输出单元三部分，其中：数据采集单元主要包括一个光电编码器、一个扭矩传感器及一个车速传感器，光电编码器安装在制动踏板上，通过采集脉冲数及脉冲频率可获得制动踏板的踏板位移及踏板速度；扭矩传感器安装于磁流变液制动系统中，用于采集磁流变液制动系统所产生的制动力矩；车速传感器安装于汽车轮胎上，用于采集汽车的行驶车速。制动意图识别单元根据采集数据采集单元采集到的踏板位移、踏板速度和车速，辨识出汽车的制动意图。控制输出单元结合制动意图、车速输出此时的目标制动力矩，并根据反馈的实际制动力矩进行实时调整。
如图2所示，一种基于制动意图辨识的车用磁流变液制动系统的控制方法，该方法包括下列顺序的步骤：
(1)数据采集单元通过车速传感器采集车速，然后将车速值分别传送给制动意图识别单元和控制输出单元；数据采集单元通过光电编码器采集踏板位移和踏板速度，然后将踏板位移和踏板速度传送至制动意图识别单元；
(2)制动意图识别单元判断此时的车速是否处于慢速，若此时车速处于慢速状态，则制动意图识别单元辨识其制动意图为基本制动；
(3)若车速并非处于慢速状态，则将踏板位移、踏板速度的值作为输入量，通过制动意图辨识的模糊化处理和建立模糊规则辨识相应的制动意图；
(4)将车速与制动意图识别单元识别的制动意图共同输入控制输出单元中，控制输出单元根据目标制动力矩生成算法获得目标制动力矩；
(5)通过积分分离的PID控制，精确、稳定、快速地输出实际制动力矩。
所述步骤(3)中通过制动意图辨识的模糊化处理和建立模糊规则辨识相应的制动意图具体包括以下步骤：
(3.1)汽车车速用VC表示，取值范围为[0，120]，其单位是km/h，分为慢速、中速、高速三种状态，分别用S、M、B表示；踏板位移用L表示，取值范围为[0，80]，其单位是mm，分为很小、小、中、大、很大五种状态，分别用VS、S、M、B、VB表示；踏板速度用V表示，取值范围为[0，300]，其单位是mm/s，分为小、中、大三种状态，分别用S、M、B表示；制动意图用T表示，其取值范围取为[0，4]，分为基本制动、缓慢制动、中等制动、紧急制动四种状态，分别用E、S、M、B表示；
(3.2)确定输入输出变量，将踏板位移L及踏板速度V作为输入变量，制动意图T作为输出变量；
(3.3)进行模糊化处理：
L＝{VS，S，M，B，VB}；
V＝{S，M，B}；
T＝{E，S，M，B}；
(3.4)建立模糊控制规则：
if L＝VS and V＝S then T＝S
if L＝VS and V＝M then T＝S
if L＝VS and V＝B then T＝M
if L＝S and V＝S then T＝S
if L＝S and V＝M then T＝S
if L＝S and V＝B then T＝B
if L＝M and V＝S then T＝S
if L＝M and V＝M then T＝M
if L＝M and V＝B then T＝B
if L＝B and V＝S then T＝S
if L＝B and V＝M then T＝M
if L＝B and V＝B then T＝B
if L＝VB and V＝S then T＝S
if L＝VB and V＝M then T＝M
if L＝VB and V＝B then T＝B
(3.5)确定各变量的隶属度：各变量隶属函数如图3至5所示。如图3所示，确定各变量的隶属度：踏板位移的隶属度范围为VS[0，30]，S[20，40]，M[30，50]，B[40，60]，VB[50，80]；踏板速度的隶属度范围为S[0，150]，M[70，220]，B[150，300]；制动意图的隶属度范围为E[0，0.5]，S[0，2]，M[1，3]，B[2，4]，其规则由经验及实验数据得到。
所述步骤(4)中的目标制动力矩生成算法包括：
(4.1)汽车制动踏板的踏板位移L与制动力矩M'的基本关系表达为：
M'＝F(l)
将该关系作为基本特征关系，其关系曲线为一条非线性曲线；
将汽车制动踏板的踏板位移L与磁流变制动系统中的制动力矩F(l)拟合成由两条不同斜率的线段组成的函数曲线；
将汽车制动踏板的踏板位移L与磁流变制动系统中的制动力矩M设计为如下关系：
M＝F(l)+α·(β·G(l)-γ·(u-1)·Q(l))
其中：M表示目标制动力矩；
l表示踏板位移值；
F(l)表示踏板位移与制动力矩基本特征关系；
G(l)表示踏板位移与制动力矩第一附加关系；
Q(l)表示踏板位移与制动力矩第二附加关系；
α表示车速强度系数；
u表示附加系数；
β表示制动意图强度第一系数；
γ表示制动意图强度第二系数；
(4.2)将车速与制动意图共同输入控制输出单元中，控制输出单元判断车速处于慢速、中速和高速何种状态，并输出相应的α值；控制输出单元判断制动意图处于基本制动、缓慢制动、中等制动和紧急制动中何种状态，并输出相应的β和γ值；
α值的取值条件：
其中，当VC＝S时，汽车为慢速行驶，使α＝0，则M＝F(s)，汽车实现基本制动，磁流变制动系统的制动力矩只与踏板位移大小有关；
其中，当VC＝M时，汽车为中速行驶，使α＝α1；当VC＝B时，汽车为高速行驶，使α＝α2；此时启动制动力矩附加值，由表达式可知，磁流变制动系统的制动力矩M不但与踏板位移L、车速VC有关，还取决于制动意图T；
其中，车速取值范围S[0，25]，M[25，55]，B[55，120]；
β值的取值条件：
其中，β值对应不同制动意图下的制动意图强度第一系数，存在β3＞β2＞β1＞1；
γ值的取值条件：
其中，γ值对应不同制动意图下的制动意图强度第二系数，存在γ3＞γ2＞γ1＞1；
(4.3)u值的取值条件：
其中l0为踏板位移阈值；
G(l)负责调节l0前的踏板位移L与制动力矩M的关系，Q(l)负责调节l0后的踏板位移L与制动力矩M的关系，其中β与γ取不同值在于踏板位移L与制动力矩M的关系曲线前后的变化率不同，这样有助于保持踏板位移与制动力矩曲线的不失真，保证良好的制动感觉。
所述步骤(5)中积分分离的PID的控制具体是指：
(5.1)如图7所示，经过制动意图辨识，获得了所需的目标制动力矩，最后采用积分分离的PID控制算法实现制动力矩M的输出，其控制算法为：
其中：I(t)表示励磁电流值；
Kp表示比例调节系数；
Ki表示积分时间常数；
Kd表示微分时间常数；
e(t)表示目标制动力矩与实际制动力矩偏差值；
λ表示积分调整系数；
(5.2)λ值的取值条件：
其中，e0为目标制动力矩与实际制动力矩偏差值的阈值；
(5.3)当|e(t)|≥e0时，即偏差值较大时，采用PD调节，避免过大的超调，同时保持系统具有较快的响应；当|e(t)|＜e0时，即偏差值较小时，采用PID调节,保证系统的控制精度。
综上所述，本发明能够在快速辨识驾驶员的制动意图的同时，实现快速，准确、稳定的制动力矩输出，有助于减少制动时间，实现高效的制动效果，避免生命财产的损失。
Claims (4)
1.一种基于制动意图辨识的车用磁流变液制动系统的控制方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：
(1)数据采集单元通过车速传感器采集车速，然后将车速值分别传送给制动意图识别单元和控制输出单元；数据采集单元通过光电编码器采集踏板位移和踏板速度，然后将踏板位移和踏板速度传送至制动意图识别单元；
(2)制动意图识别单元判断此时的车速是否处于慢速，若此时车速处于慢速状态，则制动意图识别单元辨识其制动意图为基本制动；
(3)若车速并非处于慢速状态，则将踏板位移、踏板速度的值作为输入量，通过制动意图辨识的模糊化处理和建立模糊规则辨识相应的制动意图；
(4)将车速与制动意图识别单元识别的制动意图共同输入控制输出单元中，控制输出单元根据目标制动力矩生成算法获得目标制动力矩；
(5)通过积分分离的PID控制，精确、稳定、快速地输出实际制动力矩。
2.根据权利要求1所述的基于制动意图辨识的车用磁流变液制动系统的控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中通过制动意图辨识的模糊化处理和建立模糊规则辨识相应的制动意图具体包括以下步骤：
(3.1)汽车车速用VC表示，取值范围为[0，120]，其单位是km/h，分为慢速、中速、高速三种状态，分别用S、M、B表示；踏板位移用L表示，取值范围为[0，80]，其单位是mm，分为很小、小、中、大、很大五种状态，分别用VS、S、M、B、VB表示；踏板速度用V表示，取值范围为[0，300]，其单位是mm/s，分为小、中、大三种状态，分别用S、M、B表示；制动意图用T表示，其取值范围取为[0，4]，分为基本制动、缓慢制动、中等制动、紧急制动四种状态，分别用E、S、M、B表示；
(3.2)确定输入输出变量，将踏板位移L及踏板速度V作为输入变量，制动意图T作为输出变量；
(3.3)进行模糊化处理：
L＝{VS，S，M，B，VB}；
V＝{S，M，B}；
T＝{E，S，M，B}；
(3.4)建立模糊控制规则：
(3.5)确定各变量的隶属度：踏板位移的隶属度范围为VS[0，30]，S[20，40]，M[30，50]，B[40，60]，VB[50，80]；踏板速度的隶属度范围为S[0，150]，M[70，220]，B[150，300]；制动意图的隶属度范围为E[0，0.5]，S[0，2]，M[1，3]，B[2，4]。
3.根据权利要求1所述的基于制动意图辨识的车用磁流变液制动系统的控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中的目标制动力矩生成算法包括：
(4.1)汽车制动踏板的踏板位移L与制动力矩M′的基本关系表达为：
M'＝F(l)
将该关系作为基本特征关系，其关系曲线为一条非线性曲线；
将汽车制动踏板的踏板位移L与磁流变制动系统中的制动力矩F(l)拟合成由两条不同斜率的线段组成的函数曲线；
将汽车制动踏板的踏板位移L与磁流变制动系统中的制动力矩M设计为如下关系：
M＝F(l)+α·(β·G(l)-γ·(u-1)·Q(l))
其中：M表示目标制动力矩；
l表示踏板位移值；
F(l)表示踏板位移与制动力矩基本特征关系；
G(l)表示踏板位移与制动力矩第一附加关系；
Q(l)表示踏板位移与制动力矩第二附加关系；
α表示车速强度系数；
u表示附加系数；
β表示制动意图强度第一系数；
γ表示制动意图强度第二系数；
(4.2)将车速与制动意图共同输入控制输出单元中，控制输出单元判断车速处于慢速、中速和高速何种状态，并输出相应的α值；控制输出单元判断制动意图处于基本制动、缓慢制动、中等制动和紧急制动中何种状态，并输出相应的β和γ值；
α值的取值条件：
其中，当VC＝S时，汽车为慢速行驶，使α＝0，则M＝F(s)，汽车实现基本制动，磁流变制动系统的制动力矩只与踏板位移大小有关；
其中，当VC＝M时，汽车为中速行驶，使α＝α1；当VC＝B时，汽车为高速行驶，使α＝α2；此时启动制动力矩附加值，由表达式可知，磁流变制动系统的制动力矩M不但与踏板位移L、车速VC有关，还取决于制动意图T；
其中，车速取值范围S[0，25]，M[25，55]，B[55，120]；
β值的取值条件：
其中，β值对应不同制动意图下的制动意图强度第一系数，存在β3＞β2＞β1＞1；
γ值的取值条件：
其中，γ值对应不同制动意图下的制动意图强度第二系数，存在γ3＞γ2＞γ1＞1；
(4.3)u值的取值条件：
其中l0为踏板位移阈值；
G(l)负责调节l0前的踏板位移L与制动力矩M的关系，Q(l)负责调节l0后的踏板位移L与制动力矩M的关系。
4.根据权利要求1所述的基于制动意图辨识的车用磁流变液制动系统的控制方法，其特征在于：所述步骤(5)中积分分离的PID的控制具体是指：
(5.1)经过制动意图辨识，获得了所需的目标制动力矩，最后采用积分分离的PID控制算法实现制动力矩M的输出，其控制算法为：
其中：I(t)表示励磁电流值；
Kp表示比例调节系数；
Ki表示积分时间常数；
Kd表示微分时间常数；
e(t)表示目标制动力矩与实际制动力矩偏差值；
λ表示积分调整系数；
(5.2)λ值的取值条件：
其中，e0为目标制动力矩与实际制动力矩偏差值的阈值；
(5.3)当|e(t)|≥e0时，即偏差值较大时，采用PD调节，避免过大的超调，同时保持系统具有较快的响应；当|e(t)|＜e0时，即偏差值较小时，采用PID调节,保证系统的控制精度。
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