驾驶意图和汽车行驶条件识别技术研究现状及其在多性能综合最优个性化智能换挡中的应用初探.docx

驾驶意图和汽车行驶条件识别技术研究现状及其在多性能综合最优个性化智能换挡中的应用探讨罗位(西华大学汽车与交通学院 四川 成都 610039）摘要：本文从汽车行驶条件及驾驶意图识别出发，对其研究现状进行了分析。通过对车况，路况及驾驶意图的识别，探索个性化智能换挡规律的应用。文中对人-车-环境自适应闭环系统进行了分析，针对不同的行驶状态，采用智能换挡规律进行挡位决策。关键词：驾驶意图 自适应 智能换挡规律The Research Present Situation of Driving Intention and Driving Condition Recognition its Discussion of Application in Multifunctional Summary Intelligence Shifting Schedule of Optimized Individuation.Luo Wei (School of Automobile & Transportation Xihua University Chengdu 610039)Abstract：In this paper, the research status of the vehicle driving condition and driving intention identification are analyzed. Based on the vehicle condition, road conditions and driving intention identification, we are exploring the application of personalized intelligent shift schedule. The adaptive closed-loop system is analyzed in the paper, and the intelligent shift schedule is used to carry out the position control for different driving states.Key words：Driving intention Adaptive system Intelligent shift schedule0 前言汽车业的快速发展，以及现代控制理论和智能控制理论在汽车上的应用，使得现在的汽车成为了高科技的综合体。现代汽车在满足经济性、动力性要求的前提下，还要求能对驾驶员操作意图、驾驶风格以及车辆行驶的道路状况进行识别。驾驶员意图和行驶环境很难给出数学模型，只能根据车辆行驶状态和驾驶员操作，结合行车经验进行判断。因此，以处理经验模型见长的模糊推理模型具有很大优势1。驾驶意图的识别，一般以油门开度及油门开度变化率来反应驾驶意图。道路状况识别，包括下坡，上坡等同时也有平整道路和非平整道路的区别，对于不同的道路状况，需要对换挡规律进行修正，以获得最优的控制效果。金辉,葛安林等2通过对纵向动力学进行坡道识别。多性能综合最优个性化智能换挡规律，指的是能满足经济性、动力性综合最优同时兼顾驾驶员操作意图及道路状况以及汽车运行参数的换挡规律。金靖诗3对人-车-路闭环系统的AMT换挡控制系统进行了研究，提出了车辆综合换挡规律。 多性能综合最优个性化换挡规律的主要体现是在智能上，在根据对驾驶员操作意图、汽车行驶条件的识别选择最优换挡规律，并根据具体情况对换挡规律进行修正。因而制定满足驾驶员操作意图的换挡规律，建立解决自动变速器在特定行驶环境下出现问题的环境自适应控制方法是今后汽车控制系统的发展方向4。本文将从驾驶意图、行驶条件及驾驶风格；换挡规律的制定以及控制策略的选择这几方面进行分析。1 驾驶意图与行驶条件分析1.1 驾驶意图识别驾驶员会实时观测车辆的行驶环境，并根据自己的驾驶意图对车辆进行控制。驾驶员对外界环境的感知过程，本身就相当于一个集成的多功能传感器。驾驶员对汽车的操纵反应了其对汽车行驶状态和外界环境的感知和认识，因而可以对汽车行驶状态的检测和对驾驶员操纵行为的推理来预测驾驶员的意图和外界的环境5。驾驶意图识别的目的在于通过对驾驶意图的识别去优化换挡，通过各种各样的意图识别模型实时识别处理更新换挡规律。1.1.1 驾驶员意图的动力学分析驾驶员在车辆行驶过程中会根据对车辆运行状态和周围环境的判断以及自己的驾驶习惯对油门踏板、制动踏板等采取一定的动作，以此来实现他的驾驶意图。驾驶员意图识别就是要根据驾驶员的动作来推断他的驾驶意图6。由于换档过程中车速可以认为基本不变，升档在相同的油门开度下使得发动机转速降低，因而有更大的升速空间，但驱动力一般会减小，加速度减小；降档会在相同的油门开度下使得发动机转速升高，车辆升速空间变小， 但驱动力一般会增加，加速度增加。升档时，应该保证升档后的驱动力大于车辆的道路阻力。如果驱动力小于车辆的道路阻力，车辆会处于减速状态。在实际驾驶过程中，驾驶员会尽量避免出现这种情况，不会利用升档来减速。降档时，降档后的驱动力大于降档前的驱动力。在实际驾驶过程中，降档可以用来增加驱动力，使得车辆加速性能得到提高，尽快到达期望车速。另外，在驾驶员减速行驶过程中，也会出现高档动力不足或者发动机转速过低的现象，需要降到低档来维持车辆的减速前进。在紧急制动时，发动机不输出动力而是作为辅助制动器工作，降档有利于增强辅助制动效果。这些不同的作用主要与降档前后驾驶员操纵的油门开度有关。2.1.2 驾驶员操纵意图在行车中驾驶员驾驶车辆的意图不同时，同样的油门，速度下其认为最适合的挡位也是不同的。对换挡有较明显影响的操纵意图可归纳为如下几种典型情况7。(1)超车 此时要求车辆以最大加速度行驶，挡位的控制以保障加速度为目标。换挡时的动力切断会影响动力性，应尽量减少换挡的可能性。此时驾驶员将油门开度踩到或者接近最大开度。以获得尽可能大的加速度，这种情况下，档位操纵应该延迟升挡、提前降挡。(2)冲坡 对一些短坡，驾驶员可在平路段加大油门使车速提高，以在接近上坡时积蓄一定的动能，在不换挡的情况下冲上坡。所以，冲坡时一般不换挡，使用一般的换挡规律判断足否换挡就不适合了。(3)减速 减速意图是指车速较高时驾驶员完全松开油门踏板或者松开油门开度明显。当前方要进入转弯、路况复杂或预示停车时都要使车减速，这时仅根据油门、速度、加速度等形成的换挡规律给出的挡位不一定是适合的。此时的挡位操纵应该是限制升挡、适时降挡。(4)停车 停车意图是指车速较低时驾驶员完全松开油门踏板或者松开油门开度的趋势明显。这种情况一般在收油后不进行换挡操作，手动控制时驾驶员可使用脱挡滑行。所以，识别这种情况并利用滑行状态是一种既经济又有利传动系寿命的方法。此时的挡位操纵应该是禁止升挡、适时空挡。2.2 行驶条件识别2.2.1 路况识别（1）弯道对于弯道路况的识别，初雪梅，王珂娜等8提出了基于分段直线模型的弯道识别算法；侯顺艳，李志远等9提出了基于轮速信号的汽车巡航系统弯道行驶状态识别，弯道识别的目的是对换挡规律在弯道进行修正。弯道工况通过油门开度和弯度角来对换挡规律进行修正，油门开度大小代表了驾驶员在通过弯道时所期望的动力性，弯度角代表了弯道的危险程度和通过的难易程度。例如，弯度角越大，油门开度越小，说明了驾驶员希望在安全的前提下经济性好。 （2）坡道车辆行驶工况识别中的坡道识别算法有很多种：根据车辆系统动力学原理推导出坡度公式的识别算法；基于纵向动力学以及通过查询已有不同坡度加速度值的识别算法；通过安装加速度传感器的识别方法。坡道识别的作用是修正换挡规律，避免在抵挡上坡时出现换挡循环，同时在下坡时充分利用发动机的迁阻作用是汽车减速。（3）平直路面平直路面是指没有坡度也没有弯道的水平路面，一般的换挡规律制定就是依据这种路面行驶情况。对平直里面的分析，又可分为市区，郊区，高速公路三种情况，对于不同的情况，所选用的换挡规律也不相同。市区路况，人流量大，起步停车频繁，车辆应在低挡位运行，保证足够的动力性；高速公路路况，汽车可迅疾飞驰，车辆应主要在高挡位运行，提高车速的同时保证经济性。2.2.2 车况识别1）内部参数识别与换挡、起步控制和挡位决策有关的车辆工况参数有：（1）发动机转速，在换挡和起步控制中为了同步主、从动齿轮和离合器主、从动片要用到发动机转速；（2）油门开度，油门开度是换挡主要控制参数之一，在换挡和起步控制中必须对油门进行干预，它还反映了发动机输出功率；（3）加速踏板，加速踏板的位置和操纵特征直接反映了驾驶者的意图。在油门刚性控制结构中它与油门一致。不另设传感器；（4）变速器中间轴转速，在换挡中用于变速器主、从动齿轮同步控制及用作故障检测的冗余信息；（5）变速器输出轴转速，由其可计算车速，车速是判断换挡的主要控制参数之一。车速还反映了路面的一些特征，而且可由车速导出加速度；(6)离合器行程，起步、换挡中离合器行程是控制目标量之一，用于离合器接合控制。在换挡停车等情况用于判断离合器是否分离；(7)发动机输出转矩，发动机输出转矩是发动机控制、传动系控制的重要参数，也是路况识别的重要依据，但在线测量比较困难，故多通过油门开度来间接测量；(8)转向盘转角，用于确定足否在弯道行驶；(9)其它信号还要测量刹车、手刹车、挡位、液压油压力、挡位选择器、发动机点火等信号。2）外部载荷识别刘洪波，雷雨龙等10 通过分析汽车行驶方程式中驱动力和外界阻力之间的相互关系，对传统车辆负载的概念进行了扩展，提出了一种能够综合反映自动变速车辆行驶过程中坡道、载荷、空气和滚动阻力等信息，基于转矩的广义负载识别方法。文章中首先定义零负载工况，之后定义车辆的负载为当前驱动力与零负载工况下，同车速、同加速度时所受的全部行驶阻力之差。这样，就可将坡度、载重、风阻、滚动阻力通过动力学公式全部等效为外部载荷。2.3驾驶风格识别驾驶风格是一个新的驾驶行为评定指标，可以对驾驶行为作出整体性解释。驾驶风格指一个人选择开车的方式或习惯性的驾驶方式。它包括驾驶员注意力、自信的习惯性水平，对驾驶速度、行车间距的选择等；驾驶风格受到同驾驶有关的态度和信念的影响，也受到驾驶员的一般需要水平和价值观的影响。驾驶风格是导致交通事故的主要原因之一，研究驾驶风格，对换挡规律的制定以及减少交通事故的发生有着重要意义。孙龙，常若松11对驾驶风格进行了研究，指出了驾驶风格的概念、影响因素及主要测量方法，并针对目前研究的不足，提出了未来研究的方向。国外研究者对驾驶风格的概念、影响因素进行了深入研究，开发了许多测量方法，并取得一系列卓有成效的研究成果。这对加强我国驾驶风格研究具有重要的参考、学习和借鉴意义。3 换挡规律制定3.1 传统换挡规律的制定自动变速器要根据一定的规则来自动进行换档,这种规则就是自动变速器的换档规律。准确来说,换档规律是指两排档间自动换档时刻随控制参数变化的关系,它决定了动力传动系统各总成潜力的挖掘与整体最优性能的发挥,直接影响车辆的动力性、燃料经济性、通过性及对环境的适应能力,故它是自动控制系统中最核心的技术。再则,换档规律必须是单值的,即对输人变量(换档控制参数)的每一组合,仅存在唯一的输出状态要么维持现状,要么升档或降档。换挡规律的控制参数可分为：单参数、两参数、和三参数12。3.1.1 单参数换挡规律单参数换档规律一般选用能综合反映车辆状况的车速作为控制参数。其特点是，车辆只有达到规定的车速时才能进行换档操作，每个档的车速范围固定不变。单参数的换档控制系统结构简单，但由于换档点与油门开度的变化无关，所以不能实现驾驶员的干预换档。这种单参数的系统也难以兼顾车辆动力性和经济性的要求，是不合理的换挡规律。3.1.2 两参数换挡规律二参数换档规律以油门、车速为控制参数。按照换档延迟的变化，二参数换档规律又可分为：等延迟型、收敛型、发散型、组合型等4 种。两参数换挡规律，其特点是：当油门开度较小、发动机负荷较小时，换档点的车速较低；而油门开度增大、发动机负荷较大时，换档点的车速也增大。这种换档规律提供了驾驶员干预换档的可能性，可提前实现升档和降档，以此来反映驾驶员的意图。在车辆稳定行驶的前提下，能够按照预先设定的动力型或经济型换档规律进行换档，能够满足对车辆最佳动力性或最佳经济性的要求。目前，自动变速车辆上普遍采用这种换档规律13。3.1.3 三参数换挡规律三参数换挡规律是指在两参数换挡规律的基础上引入第三个选挡控制参数，一般情况下选择能反映汽车实际运行状态的动态参数加速度来作为第三个参数。动态三参数换挡规律主要有最佳动力性动态三参数换挡规律和最佳燃油经济性动态三参数换挡规律。由于参数较多，系统的实时性以及产品化的成本都会受到影响，目前,变速器自动换档规律还是以采用两参数换档规律为主。3.2 智能换挡规律3.2.1 人-车-环境闭环系统不论是基于稳定行驶工况的两参数换挡规律,还是基于动态过程的三参数换挡规律,都只能反映汽车的行驶状态,而没有考虑汽车行驶环境以及驾驶员操纵意愿对换挡过程的影响,因而如果当汽车的实际行驶环境和汽车行驶状态与求解最优换挡规律的实验条件相近时,传统的换挡规律给出的是使某一指标最优的挡位,如最佳燃油经济性、最佳动力性等。但是当汽车实际行驶条件与最优规律求解过程设定的条件有较大差别时，显然最佳指标给出的挡位不是最优的或在某些区域不是最佳的。另外，当汽车行驶中某一段时间内追求的操作目标与优化目标不一致时，最优规律给出的挡位或确定的换挡点就可能是无法接受的。因而制定符合实际行驶环境和驾驶员操纵意愿的“似人”的挡位决策，是自动变速技术今后发展的方向。汽车行驶在一个复杂的人-车-环境闭环系统中。传统换档规律仅以固定的模式换档，难以满足人们对当代车辆不断提高的性能需求。随着智能控制技术的发展，档位决策方法的研究已进入智能化、自适应阶段14。行驶的车辆是一个由人-车-环境构成的复杂闭环系统，如下图所示。图3.1 人-车-环境闭环系统3.2.2 智能挡位决策方法智能档位确定方法以驾驶员识别、环境识别和对车辆自身状态的识别为基础，结合智能控制理论和方法，判断出最佳的档位，主要有基于模糊逻辑和基于神经网络的方法。（1）模糊推理能够将优秀驾驶员的经验转化为模糊规则，对解决车辆自动挡位决策具有很好的适应性和鲁棒性，被广泛应用于挡位确定方法中。一种典型的模糊挡位决策系统如下图所示。图3.2 一种典型的模糊挡位决策系统（2）很多研究人员利用神经网络的学习记忆能力学习优秀驾驶员的驾驶经验，提出基于神经网络的档位决策方法。一种典型的神经网络挡位决策系统如下图所示。图3.3 一种典型的神经网络挡位决策系统4 总结自动变速器的出现为非专业的驾驶员的驾驶安全性和便利性提供了重要保障。随着人-车-环境闭环系统的不断深入研究，在未来，能够适应个人驾驶风格的个性化智能换挡的自动变速器将成为自动变速器发展的趋势15。智能换挡规律，通过识别驾驶环境、驾驶风格、行驶环境以及行驶车况，如载荷，坡道，泥泞路面，弯道，路面拥挤情况等所有参数进行档位决策。既能反映汽车的行驶状态,同时考虑汽车行驶环境以及驾驶员操纵意愿对换挡过程的影响，从而获得最佳燃油经济性、最佳动力性等。参 考 文 献1 王玉海,宋健,李兴坤,等驾驶员意图与行驶环境的统一识别