CN109927704A - 一种汽车车轮驱动防滑转控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开提供了一种汽车车轮驱动防滑转控制方法，基于车辆各驱动轮滑转率选择不同的工作方式，当两侧滑转率不同时为对开路面，两侧滑转率相等时为均一低附着路面，根据车身单侧滑转和双侧滑转采取不同的控制方式，先制动后降扭或先同时降扭来降低滑转率，稳定车身，减少了发动机的超额动力输出，提高后驱动车辆在加速过程中的行驶方向稳定性和前驱动车辆在加速过程中的操纵稳定性，不会因为执行器的频繁调控导致加速度剧烈波动，提高车辆的爬坡能力，减少轮胎磨损、动力损失和燃油消耗。应用本发明的汽车防滑转系统不仅能提高车辆在对开路面上和低附着系数路面上的起步和加速性能，还能进一步保证起步加速过程中的驾驶舒适性和速度连续性。

Description

一种汽车车轮驱动防滑转控制方法

技术领域

本发明涉及汽车车轮防滑领域，尤其涉及一种汽车车轮驱动防滑转控制方法。

背景技术

面对严峻的交通安全形势，人们对汽车行驶的主动安全性产生了更高的诉求，特别是一些极端的冰雪路况下。汽车驱动防滑控制的研究现已成为国内汽车界研究的热点，但是目前仍没有突破真正面向产品化的关键技术，并且多偏重对控制逻辑与算法方面的研究。当前，在驱动防滑控制系统的控制理论方面大多侧重于制动力控制为主、发动机动力输出控制为辅的控制方式，没有区分执行机构自身的特性。同时很多方面直接借鉴于ABS控制技术，没有考虑制动工况与驱动工况的区别。

中国专利申请公告号CN102166925B,公告日为2013.04.24，名称为“改进的机动车车轮防滑装置”，公开了一种具有稳定安装在车轮上的防滑履，可保证快速简便的将防滑履安装在车轮上的改进的机动车车轮防滑装置。但是这种装置只能在冰雪或泥泞道路上使用才有显著效果，装备该装置时增大了摩擦力限制了汽车速度，不能适用于高速行驶。对于行驶在正常道路上的汽车来说遇到紧急情况时需要制动或者减速时，仍需要更好的解决方案。

CAN是Controller Area Network的缩写(以下称为CAN)，是ISO国际标准化的串行通信协议。在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。

作为车轮防滑系统底层执行器的发动机扭矩系统和主动制动系统都存在明显的时滞性，并且两者时滞时间是不同的。因此在防滑控制中，需要根据两者的特性设计不同的发动机及制动干预的策略，并且根据不同工况选择合适的干预措施，ABS的制动工况，在加速时一旦越过滑转率峰值(通常该值为20％左右)，车轮并不存在很快到达完全滑转点(滑转率＝100％)的趋势。特别是随着车速由0逐渐上升，车轮越来越难发生完全打滑的情况。而车轮防滑转控制的目的应该是在保证不发生完全打滑的前提下，尽可能提高加速过程的连续性，不会因为执行器的频繁调控导致加速度剧烈波动。因此，需要发明一种控制方法可以在低速起步时适当放宽期望滑转率的门限，改善驾驶的舒适性，同时避免驱动功率不必要的消耗。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的不足之处，提供了一种能够使汽车在各种典型路况的起步加速过程中限制驱动车轮的过度滑转，保证汽车获得综合最佳的纵向地面附着力和侧向地面附着力，提高行驶安全性能，获得高舒适性能的起步驾驶过程的汽车车轮驱动防滑转控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种汽车车轮驱动防滑转控制方法，包括如下步骤：

步骤一，车载ECU获取传感器数据：

车载ECU获取设置在左侧驱动轮上的车轮角速度传感器测得的左侧驱动轮角速度w1，获取设置在右侧驱动轮上的车轮角速度传感器测得的右侧驱动轮角速度w2，获取设置在左侧从动轮上的车轮角速度传感器测得的左侧从动轮角速度w3，获取设置在右侧从动轮上的车轮角速度传感器测得的右侧从动轮角速度w4；

步骤二，通过车载ECU计算实际滑转率η；

计算车身左侧实际滑转率η1，η1＝(v1-v34)/v1,车身右侧实际滑转率η2，η2＝(v2-v34)/v2，

其中，v2＝w2*r，

v1＝w1*r，

v34＝(w3+w4)*r/2；

v34为从动轮转动速度即车身实际移动速度，取两从动轮平均车速，v1为左驱动轮实际输出车速，v2为右驱动轮实际输出车速，r为车轮半径；

步骤三,通过车载ECU计算对比数据采取具体实施方式:

其中，μ＝0.1*v (0<v<10),

μ＝1.333-0.3331*v (10≤v≤40)，

μ为期望滑转率，v为驱动轮实际输出速度：

当η1<μ,η2<μ时，此时驱动轮滑转低，不采取任何措施；

当η1≧μ,η2<μ或η1<μ,η2≧μ,此时为单侧滑转，首先ECU中通过刹车卡钳控制两片刹车片去夹住轮子上的刹车碟盘，对打滑驱动轮施加制动力矩，即制动干预，如果该驱动轮轮滑转情况在制动干预后仍然出现，则此时通过ECU降低发动机转速以减小发动机输出扭矩，使滑转率降到0.2以下；

当η1≧μ,η2≧μ,此时双侧驱动轮均发生滑转，首先通过车载ECU中的发动机扭矩控制部分降低发动机转速减小发动机输出扭矩，即减速干预，如果在发动机减速干预后，驱动轮仍然发生滑转，车载ECU通过刹车卡钳控制两片刹车片去夹住轮子上的刹车碟盘，对打滑驱动轮施加制动力矩，使滑转率降到0.2以下。汽车角速度乘以车轮半径是在完全无滑转下的理想速度，但是通常在地面结构过于疏松和表面摩擦力底的情况下，汽车的实际测量速度往往低于理想值，因此计算出此时车轮的滑转率，不仅能作为车身控制方法的测量数据基础，更是评估当前情况下车身安全系数的一个重要指标，本发明基于车身上驱动轮和从动轮上角速度传感器，根据驱动轮车速和从动轮的车速计算两侧车轮的滑转率，然后基于车辆各驱动轮滑转率选择不同的工作方式，当两侧滑转率不同为对开路面，两侧滑转率相等为均一低附着路面，依此来选择不同防滑控制方式，当一侧驱动轮滑转率在当前车速下超过期望的安全值时，汽车防滑控制器判断车轮在对开路面上，一侧滑转时车身已近处于危险状态下，首先直接制动，由于另一侧处于安全状态，仍能够保持整体的稳定性，能控制住车身方向，当两侧驱动轮均达到两侧滑转率在当前车速下超过期望的安全值时，汽车防滑控制器判断车轮在低附着力路面上，此时驱动轮无法保证车身稳定性，但由于轮胎地表摩擦力极低，紧急制动，车身方向容易失控，发生车辆侧翻或与其他物体相撞，所以要首先降低发动机输出功率，降低车速至安全速度范围，若车轮仍然发生滑转，则可使用采用制动干预，保持车辆速度均匀上升，提高车辆的爬坡能力,同时避免驱动功率不必要的消耗，保证车辆行驶的安全性与舒适性。

作为优选，车载ECU包括主动制动压力控制部分，所述的主动制动压力控制部分通过刹车卡钳控制两片刹车片去夹住轮子上的刹车碟盘，对打滑驱动轮施加制动力矩，所述的主动制动压力控制部分包括离散型PID压力控制器和制动压力跟随控制器，所述的离散型增量式PID控制器通过离散型增量式PID控制方法来获得制动压力值，计算公式为:

式中，T为TCS的控制周期，取10ms；控制量u(k)为第k时刻需要主动制动单元施加的轮缸压力；e(k)为期望滑转率与实际滑转率之间的误差；k_p、k_i和k_d分别为比例、积分和微分的增益系数。动机扭矩控制部分由两个控制器联合控制，保证控制精准度，主动制动压力控制在PID压力控制和压力跟随控制中能在提高后驱动车辆在加速过程中的行驶方向稳定性或者前驱动车辆在加速过程中的操纵稳定性。PID控制方法类似于步进电机的调节，能通过压力的精细调节使滑转率误差尽可能维持在较小范围内，在保证控制精度的同时，尽量避免控制量的频繁波动，从而保证驾驶的舒适性。

作为优选，车载ECU包括发动机扭矩控制部分，所述发动机扭矩控制部分通过降低发动机转速减小发动机输出扭矩，所述的发动机扭矩控制部分包括发动机扭矩模糊控制器和发动机扭矩实现控制器，所述发动机扭矩模糊控制器中输入的变量为驱动轮实际滑转率与期望滑转率的误差e及其变化率ec,采用Mamdani推理并建立成查询表1输入到车载ECU中；

查询表1

所述的查询表1包括驱动轮实际滑转率与期望滑转率的误差e及其变化率ec，误差e的量化论域为[-1，9]，误差变化率ec和输出力矩值的量化论域为[-6，+6]，输入滑转率误差的变化率ec和输出语言变量的模糊子集均分为7级，用英文字头缩写为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB；将滑转率误差e的语言子项取6个，即NB、NM、ZO、PS、PM、PB，其中NB、PB模糊子集采用梯形隶属度函数，其它各模糊子集均选择灵敏度较强的三角形隶属度函数，模糊控制器采用Mamdani推理形式，控制规则为“if e and ec then u”，合成规则采用“max-min”法，对输入论域e，ec中的全部元素进行组合，计算出相应的以论域中元素表示的控制量，建立单片机控制可用的模糊控制查询表，输出变量为期望的发动机扭矩大小相对于发动机最大扭矩的占空比,通过CAN通讯发送给汽车发动机以实现该期望扭矩。由于发动机系统的转动惯量较大，响应较慢，通常存在300ms的系统延时，因此本发明设计了一种基于双输入单输出的二维模糊控制器的发动机扭矩控制方法，由于在模糊规则中考虑了误差变化率的影响，因此可以减小一定的控制滞后，同时利用离线查表的形式也可以保证控制器的实时性。

本发明的有益效果是：在防滑控制中，根据发动机扭矩系统和主动制动系统都存在不同的时滞时间，在单侧车轮滑转和双侧车轮滑转时可使用不同的控制方式，提高后驱动车辆在加速过程中的行驶方向稳定性和前驱动车辆在加速过程中的操纵稳定性；车轮防滑转控制在保证不发生完全打滑的前提下，尽可能提高加速过程的连续性，不会因为执行器的频繁调控导致加速度剧烈波动，保证起步加速过程中的驾驶舒适性和速度连续性；在低速起步时适当放宽期望滑转率的门限，提高车辆的爬坡能力,减少轮胎磨损、动力损失和燃油消耗。

附图说明

图1是本发明控制流程图；

图2是车轮期望滑转率与车速变化关系示意图；

图3是发动机干预时的模糊控制曲面示意图；

图4是本发明期望的滑转率控制区间示意图；

图5是本发明在对开路面下左前轮车速和右前轮车速的控制示意图；

图6是本发明在对开路面下踏板开度与期望力矩和实际输出力矩的示意图；

图7是本发明在对开路面下左前轮缸的压力和右前轮缸的压力示意图；

图8是本发明在对开路面下左前轮滑转率和右前轮滑转率的示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1至图8中所示，一种汽车车轮驱动防滑转控制方法，包括如下步骤：

步骤一，车载ECU获取传感器数据：

车载ECU获取设置在左侧驱动轮上的车轮角速度传感器测得的左侧驱动轮角速度w1，获取设置在右侧驱动轮上的车轮角速度传感器测得的右侧驱动轮角速度w2，获取设置在左侧从动轮上的车轮角速度传感器测得的左侧从动轮角速度w3，获取设置在右侧从动轮上的车轮角速度传感器测得的右侧从动轮角速度w4；

步骤二，通过车载ECU计算实际滑转率η；

计算车身左侧实际滑转率η1，η1＝(v1-v34)/v1,车身右侧实际滑转率η2，η2＝(v2-v34)/v2，

其中，v2＝w2*r，

v1＝w1*r，

v34＝(w3+w4)*r/2；

v34为从动轮转动速度即车身实际移动速度，取两从动轮平均车速，v1为左驱动轮实际输出车速，v2为右驱动轮实际输出车速，r为车轮半径；

步骤三,通过车载ECU计算对比数据采取具体实施方式:

其中，μ＝0.1*v (0<v<10),

μ＝1.333-0.3331*v (10≤v≤40)，

μ为期望滑转率，v为驱动轮实际输出速度：

当η1<μ,η2<μ时，此时驱动轮滑转低，不采取任何措施；

当η1≧μ,η2<μ或η1<μ,η2≧μ,此时为单侧滑转，首先ECU中通过刹车卡钳控制两片刹车片去夹住轮子上的刹车碟盘，对打滑驱动轮施加制动力矩，即制动干预，如果该驱动轮轮滑转情况在制动干预后仍然出现，则此时通过ECU降低发动机转速以减小发动机输出扭矩，使滑转率降到0.2以下；

当η1≧μ,η2≧μ,此时双侧驱动轮均发生滑转，首先通过车载ECU中的发动机扭矩控制部分降低发动机转速减小发动机输出扭矩，即减速干预，如果在发动机减速干预后，驱动轮仍然发生滑转，车载ECU通过刹车卡钳控制两片刹车片去夹住轮子上的刹车碟盘，对打滑驱动轮施加制动力矩，使滑转率降到0.2以下。车载ECU包括主动制动压力控制部分，所述的主动制动压力控制部分通过刹车卡钳控制两片刹车片去夹住轮子上的刹车碟盘，对打滑驱动轮施加制动力矩，所述的主动制动压力控制部分包括离散型PID压力控制器和制动压力跟随控制器，所述的离散型增量式PID控制器通过离散型增量式PID控制方法来获得制动压力值，计算公式为:

式中，T为TCS的控制周期，取10ms；控制量u(k)为第k时刻需要主动制动单元施加的轮缸压力；e(k)为期望滑转率与实际滑转率之间的误差；k_p、k_i和k_d分别为比例、积分和微分的增益系数。车载ECU包括发动机扭矩控制部分，所述发动机扭矩控制部分通过降低发动机转速减小发动机输出扭矩，所述的发动机扭矩控制部分包括发动机扭矩模糊控制器和发动机扭矩实现控制器，所述发动机扭矩模糊控制器中输入的变量为驱动轮实际滑转率与期望滑转率的误差e及其变化率ec,采用Mamdani推理并建立成查询表1输入到车载ECU中，

查询表1

所述的查询表1包括驱动轮实际滑转率与期望滑转率的误差e及其变化率ec，误差e的量化论域为[-1，9]，误差变化率ec和输出力矩值的量化论域为[-6，+6]，输入滑转率误差的变化率ec和输出语言变量的模糊子集均分为7级，用英文字头缩写为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB；将滑转率误差e的语言子项取6个，即NB、NM、ZO、PS、PM、PB，其中NB、PB模糊子集采用梯形隶属度函数，其它各模糊子集均选择灵敏度较强的三角形隶属度函数，模糊控制器采用Mamdani推理形式，控制规则为“if e and ec then u”，合成规则采用“max-min”法，对输入论域e，ec中的全部元素进行组合，计算出相应的以论域中元素表示的控制量，建立单片机控制可用的模糊控制查询表，输出变量为期望的发动机扭矩大小相对于发动机最大扭矩的占空比,通过CAN通讯发送给汽车发动机以实现该期望扭矩。

更为具体的实施例如查询表2所示：

查询表2

图5-8为在水平对开路面下，有ECU控制的速度、力矩与加速踏板开度、轮缸压力、滑转率曲线的示意图，当驾驶员急踩加速踏板，处于低附侧的左前驱动轮开始滑转，ECU控制器检测到滑转信息后，减小发动机输出力矩，同时根据滑转程度对滑转的驱动轮施加主动制动干预压力。如图5，只有低附侧的驱动轮发生了打滑需要施加控制，而高附侧的右前轮无需控制，如图6所示，当车轮滑转得到一定限制后，发动机输出力矩不再减小，此时主要通过制动干预将车轮的滑转率控制在目标值附近，如图7，当滑转率下降到0.2附近时，制动干预目标压力不变，进入保压阶段，43s时进入阶梯增压阶段。在发动机力矩控制和制动干预的协同作用下，车轮滑转得到有效控制，如图8所示虽然初始时刻的瞬时滑转率允许很大，但是滑转率在2s内下降到较理想的0.2并在该值附近波动，滑转率下降后控制压力较为平稳。试验过程车辆的平均加速度为1.32m/s2，加速能力有了一定的提升，驱动轮的滑转轮速差也得到了有效地限制，特别是车速高于15km/h后抑制了车轮的过度滑转。

本实施例中，在汽车起步阶段通过驱动轮和从动轮上角速度传感器，根据驱动轮车速和从动轮的车速计算两侧车轮的滑转率，当一侧驱动轮滑转率在当前车速下超过期望的安全值时，汽车防滑控制器判断车轮在对开路面上，一侧滑转时车身已近处于危险状态下，首先直接制动，由于另一侧处于安全状态，仍能够保持整体的稳定性，能控制住车身方向，当两侧驱动轮均达到两侧滑转率在当前车速下超过期望的安全值时，汽车防滑控制器判断车轮在低附着力路面上，此时驱动轮无法保证车身稳定性，但由于轮胎地表摩擦力极低，紧急制动，车身方向容易失控，发生车辆侧翻或与其他物体相撞，所以要首先降低发动机输出功率，降低车速至安全速度范围，若车轮仍然发生滑转，则可使用采用制动干预，保持车辆速度均匀上升，同时避免驱动功率不必要的消耗，提高车辆的爬坡能力,；汽车角速度乘以车轮半径是在完全无滑转下的理想速度，但是通常在地面结构过于疏松和表面摩擦力底的情况下，汽车的实际测量速度往往低于理想值，因此计算出此时车轮的滑转率，不仅能作为车身控制方法的测量数据基础，更是评估当前情况下车身安全系数的一个重要指标，动机扭矩控制部分由两个控制器联合控制，保证控制精准度，主动制动压力控制在PID压力控制和压力跟随控制中能在提高后驱动车辆在加速过程中的行驶方向稳定性或者前驱动车辆在加速过程中的操纵稳定性，由于发动机系统的转动惯量较大，响应较慢，通常存在300ms的系统延时，因此本发明设计了一种基于双输入单输出的二维模糊控制器的发动机扭矩控制方法，由于在模糊规则中考虑了误差变化率的影响，因此可以减小一定的控制滞后，同时利用离线查表的形式也可以保证控制器的实时性，增量式PID控制方法类似于步进电机的调节，能通过压力的精细调节使滑转率误差尽可能维持在较小范围内，在保证控制精度的同时，尽量避免控制量的频繁波动，从而保证驾驶的舒适性。

Claims (3)

1.一种汽车车轮驱动防滑转控制方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤一，车载ECU获取传感器数据：

车载ECU获取设置在左侧驱动轮上的车轮角速度传感器测得的左侧驱动轮角速度w1，获取设置在右侧驱动轮上的车轮角速度传感器测得的右侧驱动轮角速度w2，获取设置在左侧从动轮上的车轮角速度传感器测得的左侧从动轮角速度w3，获取设置在右侧从动轮上的车轮角速度传感器测得的右侧从动轮角速度w4；

步骤二，通过车载ECU计算实际滑转率η；

计算车身左侧实际滑转率η1，η1＝(v1-v34)/v1,车身右侧实际滑转率η2，η2＝(v2-v34)/v2，

其中，v2＝w2*r，

v1＝w1*r，

v34＝(w3+w4)*r/2；

v34为从动轮转动速度即车身实际移动速度，取两从动轮平均车速，v1为左驱动轮实际输出车速，v2为右驱动轮实际输出车速，r为车轮半径；

步骤三,通过车载ECU计算对比数据采取具体实施方式:

其中，μ＝0.1*v(0<v<10),

μ＝1.333-0.3331*v(10≤v≤40)，

μ为期望滑转率，v为驱动轮实际输出速度：

当η1<μ,η2<μ时，此时驱动轮滑转低，不采取任何措施；

当η1≧μ,η2<μ或η1<μ,η2≧μ,此时为单侧滑转，首先ECU中通过刹车卡钳控制两片刹车片去夹住轮子上的刹车碟盘，对打滑驱动轮施加制动力矩，即制动干预，如果该驱动轮轮滑转情况在制动干预后仍然出现，则此时通过ECU降低发动机转速以减小发动机输出扭矩，使滑转率降到0.2以下；

当η1≧μ,η2≧μ,此时双侧驱动轮均发生滑转，首先通过车载ECU中的发动机扭矩控制部分降低发动机转速减小发动机输出扭矩，即减速干预，如果在发动机减速干预后，驱动轮仍然发生滑转，车载ECU通过刹车卡钳控制两片刹车片去夹住轮子上的刹车碟盘，对打滑驱动轮施加制动力矩，使滑转率降到0.2以下。

2.如权利要求1所述的一种汽车车轮驱动防滑转控制方法，其特征是，车载ECU包括主动制动压力控制部分，所述的主动制动压力控制部分通过刹车卡钳控制两片刹车片去夹住轮子上的刹车碟盘，对打滑驱动轮施加制动力矩，所述的主动制动压力控制部分包括离散型PID压力控制器和制动压力跟随控制器，所述的离散型增量式PID控制器通过离散型增量式PID控制方法来获得制动压力值，计算公式为:

式中，T为TCS的控制周期，取10ms；控制量u(k)为第k时刻需要主动制动单元施加的轮缸压力；e(k)为期望滑转率与实际滑转率之间的误差；k_p、k_i和k_d分别为比例、积分和微分的增益系数。

3.如权利要求1或2所述的一种汽车车轮驱动防滑转控制方法，其特征是，车载ECU包括发动机扭矩控制部分，所述发动机扭矩控制部分通过降低发动机转速减小发动机输出扭矩，所述的发动机扭矩控制部分包括发动机扭矩模糊控制器和发动机扭矩实现控制器，所述发动机扭矩模糊控制器中输入的变量为驱动轮实际滑转率与期望滑转率的误差e及其变化率ec,采用Mamdani推理并建立成查询表1输入到车载ECU中，

查询表1

所述的查询表1包括驱动轮实际滑转率与期望滑转率的误差e及其变化率ec，误差e的量化论域为[-1，9]，误差变化率ec和输出力矩值的量化论域为[-6，+6]，输入滑转率误差的变化率ec和输出语言变量的模糊子集均分为7级，用英文字头缩写为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB；将滑转率误差e的语言子项取6个，即NB、NM、ZO、PS、PM、PB，其中NB、PB模糊子集采用梯形隶属度函数，其它各模糊子集均选择灵敏度较强的三角形隶属度函数，模糊控制器采用Mamdani推理形式，控制规则为“if e and ec then u”，合成规则采用“max-min”法，对输入论域e，ec中的全部元素进行组合，计算出相应的以论域中元素表示的控制量，建立单片机控制可用的模糊控制查询表，输出变量为期望的发动机扭矩大小相对于发动机最大扭矩的占空比,通过CAN通讯发送给汽车发动机以实现该期望扭矩。