曾華兵

摘 要：在動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，提出一種基于縱向加速度的坡道識(shí)別方法。該方法利用實(shí)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩信號(hào)及實(shí)時(shí)車速信號(hào)根據(jù)動(dòng)力學(xué)推導(dǎo)式計(jì)算道路坡度。模型仿真及道路試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法無(wú)需增加額外傳感器，具有低成本、簡(jiǎn)單、實(shí)用等特點(diǎn)，能夠?qū)ζ碌肋M(jìn)行識(shí)別。

關(guān)鍵詞：坡道識(shí)別;車輛載荷;縱向加速度;自動(dòng)變速器

中圖分類號(hào)：U467? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）13-114-05

A Road Slope Recognition Method Based on Longitudinal Acceleration*

Zeng Huabing

（ FAW-VW Co.， Ltd. Foshan branch.， Guangdong Foshan 528000 ）

Abstract： After analyzing longitudinal vehicle dynamics， a method which can detect a road slope and the load of vehicle is presented. First， it calculates two accelerations by real-time engine output torque and speed of vehicle. One of accelerations is calculated in case of that we assume the road is pure level. The other one is real acceleration of vehicle. Then， this method calculates road slope and load of vehicle by derived formula of longitudinal vehicle dynamics. The simulation and the vehicle field test show that the method is based on existing vehicle sensors， it is low cost， simple and practical， it can identify a road slope and the load of vehicle accurately.

Keywords： Road slope recognition; Vehicle load; Longitudinal acceleration; Automatic transmission

CLC NO.： U467? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）13-114-05

前言

隨著車輛自動(dòng)變速技術(shù)的發(fā)展完善，自動(dòng)變速器在汽車上的應(yīng)用日益廣泛。它不但減輕了駕駛員駕駛操作強(qiáng)度，還可有效提高整車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、乘車舒適性、行車安全性，并降低排放污染。通常自動(dòng)變速系統(tǒng)以車速和油門開度作為換檔控制參數(shù)，如不考慮道路環(huán)境信息，容易出現(xiàn)如循環(huán)換檔、意外換檔等現(xiàn)象。另外換檔是個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，在不同載荷和道路條件下的換檔控制策略不盡相同。基于人車路環(huán)境的駕駛意圖、行車工況、路況等識(shí)別技術(shù)是現(xiàn)代意義智能化換檔控制的基礎(chǔ)，其應(yīng)用對(duì)提高系統(tǒng)性能、保證換檔品質(zhì)有著至關(guān)重要的作用。

本文主要針對(duì)坡道識(shí)別方法進(jìn)行研究，以使自動(dòng)變速系統(tǒng)對(duì)坡道工況有更好的適應(yīng)性。坡道識(shí)別方法有多種：文獻(xiàn)[1]提出了基于加速度區(qū)間判斷的坡道識(shí)別方法。該方法通過(guò)比較車輛在坡道上行駛時(shí)用加速度傳感器測(cè)得的加速度數(shù)值與汽車縱向速度經(jīng)差分后獲得的加速度數(shù)值之間的差異完成對(duì)不同坡道的識(shí)別;文獻(xiàn)[3]利用車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩信號(hào)，通過(guò)理論計(jì)算精確求解坡度值;文獻(xiàn)[4]通過(guò)理論分析建立起車輛縱向加速度與道路坡度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)比加速度數(shù)值識(shí)別坡道;文獻(xiàn)[5]提出車輛負(fù)荷度概念來(lái)綜合反映車輛所受外界阻力情況。

本文在理論分析基礎(chǔ)上，依據(jù)縱向動(dòng)力學(xué)推導(dǎo)式，計(jì)算出道路坡度值。

1 坡道識(shí)別原理

1.1 縱向動(dòng)力學(xué)分析

車輛在道路上行駛所受的驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力關(guān)系可表示為：

（1）

式中，F(xiàn)t為驅(qū)動(dòng)力;Ff為滾動(dòng)阻力; Fi為坡道阻力;Fw為空氣阻力;Fj為加速阻力。由（1）式可知，驅(qū)動(dòng)力完全用來(lái)克服這四種阻力。假定車輛在鋪裝良好的平坦路面空載直線行駛，道路坡度角為零，則（1）式變?yōu)椋?/p>

（2）

即：

（3）

其中，Ttq表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩;ig表示變速器傳動(dòng)比;i0表示主減速器傳動(dòng)比;ηT表示傳動(dòng)系機(jī)械效率;r表示輪胎滾動(dòng)半徑;g表示重力加速度;f0表示滾動(dòng)阻力系數(shù);CD表示空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積;v為車速;δ表示汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);as表示車輛在平路行駛的加速度。

車輛在實(shí)際行駛工況中會(huì)有載荷變化（Δm），道路會(huì)有坡度變化（θ），將這兩個(gè)因素考慮進(jìn)來(lái)，則（1）式變?yōu)椋?/p>

（4）

其中，Δm表示車輛載荷變化量;θ表示實(shí)際行駛工況中道路坡度角;aa表示車輛實(shí)際行駛時(shí)的加速度。假定車輛在行駛工況中的任一時(shí)刻，則（3）式及（4）式中Ttq、ig、i0、r、v、δ、CD、A等參數(shù)完全一致，用（3）式減（4）式為：

（5）

考慮到θ比較小，cosθ ≈1，sinθ ≈tanθ = i （i為坡度值） ，則（5）式變?yōu)椋?/p>

（6）

本文所研究的坡道識(shí)別方法針對(duì)乘用車，因此車輛載荷變化（Δm）不大，則可將（6）式中? ，則有：

（7）

由（7）式可知，通過(guò)車輛在平路上行駛的加速度as、車輛實(shí)際行駛的加速度aa可以求出道路坡度的非精確值。

在車輛實(shí)際行駛過(guò)程中，換檔系統(tǒng)不斷進(jìn)行信號(hào)采樣、數(shù)據(jù)處理、控制量輸出等任務(wù)。根據(jù)（7）式換檔系統(tǒng)可以計(jì)算出道路坡度。但在一些特殊情況下會(huì)對(duì)坡道識(shí)別結(jié)果產(chǎn)生干擾。這些特殊情況包括：車輛發(fā)生制動(dòng)、車輛在換檔過(guò)程中及車輛在起步過(guò)程中。車輛在實(shí)際行駛中隨著駕駛員制動(dòng)行為的發(fā)生，產(chǎn)生制動(dòng)力矩，最終反映在道路阻力上，此時(shí)計(jì)算出的道路坡度并不能真實(shí)反映實(shí)際情況。車輛在換檔過(guò)程中會(huì)有動(dòng)力中斷，也會(huì)使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況不符。同理車輛在起步的過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩并未完全傳遞給變速器，此時(shí)的識(shí)別結(jié)果也是不準(zhǔn)確的。因此，在對(duì)算法的實(shí)現(xiàn)中要考慮到這幾種特殊工況的影響。

2 坡道識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)

2.1 坡道識(shí)別模塊概述

坡道識(shí)別模塊由硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、CAN信息處理模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩濾波模塊、平路行駛的加速度計(jì)算模塊、車輛實(shí)際行駛時(shí)的加速度計(jì)算模塊、加速度濾波模塊、坡道計(jì)算模塊組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)層驅(qū)動(dòng)TCU（Transmission Control Unit）底層硬件電路，實(shí)現(xiàn)TCU的標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出功能。CAN信息處理模塊根據(jù)CAN應(yīng)用層協(xié)議將從硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)層讀出的數(shù)據(jù)幀解析成協(xié)議相關(guān)物理量。發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩濾波模塊對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)濾波處理，濾波處理后的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸入平路行駛加速度計(jì)算模塊。車輛實(shí)際行駛加速度計(jì)算模塊對(duì)CAN信息處理模塊解析的車速信號(hào)進(jìn)行微分計(jì)算，由加速度濾波模塊對(duì)加速度進(jìn)行濾波處理。坡道計(jì)算模塊最終計(jì)算出道路坡度。

2.2 車輛平路行駛的加速度計(jì)算

車輛平路行駛的加速度是假設(shè)車輛在鋪裝良好的平坦路面空載直線行駛，即不考慮坡道阻力情況下計(jì)算出的實(shí)時(shí)加速度。計(jì)算車輛平路行駛的加速度需要獲得發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩，利用CAN通信采集的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩信號(hào)有較好的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，實(shí)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩信號(hào)一般會(huì)有較大噪聲，不能直接在算法中使用，需要經(jīng)過(guò)濾波處理，使發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩信號(hào)平滑后，才可用于計(jì)算。算法中選擇了一階低通濾波器對(duì)實(shí)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩做處理。車輛平路行駛加速度計(jì)算流程如圖2所示。首先通過(guò)CAN信息處理模塊獲得實(shí)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，初步對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩值進(jìn)行有效性判斷，舍棄掉無(wú)效扭矩值。對(duì)有效實(shí)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩進(jìn)行低通濾波處理，并根據(jù)當(dāng)前檔位情況計(jì)算出車輛的驅(qū)動(dòng)力。由車速信號(hào)及車輛相關(guān)參數(shù)計(jì)算滾動(dòng)阻力和空氣阻力，最終獲得車輛平路行駛加速度。

2.3 車輛實(shí)際行駛的加速度計(jì)算

車輛實(shí)際行駛的加速度是車輛在實(shí)際行駛工況下的實(shí)時(shí)加速度，實(shí)際行駛工況下包括滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡路阻力及加速阻力。車輛實(shí)際行駛的加速度通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)車速信號(hào)進(jìn)行微分計(jì)算而獲得。在本算法中，采集實(shí)時(shí)車速信號(hào)的時(shí)間間隔為100ms，實(shí)時(shí)車速信號(hào)通過(guò)CAN信息處理模塊解析得到。計(jì)算獲得的車輛實(shí)際行駛加速度并不能直接提供給坡道計(jì)算模塊使用，要經(jīng)過(guò)低通濾波模塊平滑處理。低通濾波對(duì)周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動(dòng)頻率較高的場(chǎng)合。該算法如下：

（8）

其中Xn表示本次采樣值;Yn-1表示上次濾波輸出值;a表示濾波系數(shù);Yn表示本次濾波輸出值。從（8）式可以看出本次濾波輸出值Yn主要取決于上次濾波輸出值Yn-1，并由本次采樣值Xn對(duì)結(jié)果進(jìn)行一定的修正。濾波系數(shù)a直接關(guān)系到濾波效果，a值越小，則濾波效果越好。濾波系數(shù)a要依據(jù)系統(tǒng)的要求選定。圖3是采用低通濾波算法對(duì)車輛實(shí)際行駛的加速度信號(hào)進(jìn)行濾波前后情況對(duì)比。從圖中可見濾波之后的車輛實(shí)際行駛加速度較濾波前更加平滑，能夠滿足系統(tǒng)計(jì)算要求。

2.4 特殊工況的處理

通過(guò)所述車輛平路行駛加速度及車輛實(shí)際行駛加速度求解算法，可以計(jì)算出道路坡度。但在以下工況識(shí)別出的道路坡度與實(shí)際情況不符：車輛制動(dòng)、車輛在換檔過(guò)程中及車輛在起步過(guò)程中。針對(duì)這幾種工況在算法中采取了一定的處理措施。首先要對(duì)這些特殊工況進(jìn)行識(shí)別，如車輛制動(dòng)工況可通過(guò)監(jiān)控制動(dòng)信號(hào)識(shí)別，車輛在換檔過(guò)程中及車輛在起步過(guò)程中工況可通過(guò)離合器位置傳感器信號(hào)識(shí)別。車輛制動(dòng)及車輛在換檔過(guò)程中這兩種工況的處理方式類似。首先，判斷該工況是否出現(xiàn)，如該工況未出現(xiàn)，則繼續(xù)進(jìn)行坡道識(shí)別;如相關(guān)工況出現(xiàn)，則停止識(shí)別，在工況出現(xiàn)時(shí)間段內(nèi)使用前一階段的坡道識(shí)別結(jié)果。起步過(guò)程工況下，不進(jìn)行道路坡度計(jì)算，使用上一階段保存的坡道識(shí)別結(jié)果。對(duì)特殊工況進(jìn)行處理，保證了坡道識(shí)別有較好的準(zhǔn)確度。

3 模型仿真及道路試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 動(dòng)力學(xué)模型仿真

針對(duì)本文所論述的坡道荷識(shí)別方法，利用MATLAB/ SIMULINK建立了機(jī)械式自動(dòng)變速車輛的整車動(dòng)力學(xué)模型，并在該模型上進(jìn)行了算法的驗(yàn)證。該模型原理如圖4所示。

模型共由8個(gè)子模塊組成：信號(hào)生成器模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、變速箱模塊、換檔控制邏輯模塊、車輛模塊、平路行駛的加速度計(jì)算模塊、坡道計(jì)算模塊、示波器模塊。設(shè)置信號(hào)生成器，模擬車輛行駛時(shí)的綜合工況（節(jié)氣門、道路坡度、整車質(zhì)量）。發(fā)動(dòng)機(jī)模塊根據(jù)當(dāng)前節(jié)氣門開度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，查表獲得輸出扭矩。變速箱模塊根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩和由換檔控制邏輯模塊決策的當(dāng)前檔位，計(jì)算出車輛驅(qū)動(dòng)力，分別輸出到車輛模塊以及平路行駛的加速度計(jì)算模塊。車輛模塊和平路行駛的加速度計(jì)算模塊求解出車輛實(shí)際行駛的加速度和平路行駛的加速度。坡度計(jì)算模塊計(jì)算出道路坡度值，最終由示波器顯示識(shí)別結(jié)果。

動(dòng)力學(xué)模型中所用參數(shù)依據(jù)算法及道路試驗(yàn)車輛參數(shù)選定。如表1所示為模型部分參數(shù)。

動(dòng)力學(xué)模型模擬了節(jié)氣門開度值保持在50%，道路坡度值為8%工況下車輛的運(yùn)行狀況，并用本文所述方法識(shí)別道路坡度。圖5為模擬工況下道路坡度識(shí)別結(jié)果曲線。如曲線所示，車輛在6s-7s之間經(jīng)歷了1—2升檔過(guò)程。根據(jù)算法要求換擋過(guò)程中不進(jìn)行坡道識(shí)別，保持前一階段識(shí)別結(jié)果。從圖中可以看出，在1檔、2檔范圍內(nèi)，車輛平路行駛的加速度與車輛實(shí)際行駛的加速度值始終保持著一定的差別，最終識(shí)別出道路坡度值0.08。

該動(dòng)力學(xué)模型仿真結(jié)果證明了基于縱向加速度的坡道識(shí)別方法在理論上是可行的。

3.2 道路試驗(yàn)

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)基于縱向加速度的坡道識(shí)別方法的實(shí)時(shí)辨識(shí)效果，進(jìn)行了道路試驗(yàn)。試驗(yàn)道路為一長(zhǎng)度為120m，包括上坡路段50m、平路路段20m、下坡路段50m的橋，其中坡道的坡度角為5°左右（坡度值約為0.1）。實(shí)驗(yàn)中，車內(nèi)僅乘坐駕駛員一人，并安放必要實(shí)驗(yàn)監(jiān)控設(shè)備。試驗(yàn)車輛為一部A級(jí)轎車，發(fā)動(dòng)機(jī)排量1.5L，裝配5檔機(jī)械式自動(dòng)變速器。車輛空載質(zhì)量為1125kg，駕駛員及監(jiān)控設(shè)備總質(zhì)量為75kg。道路試驗(yàn)過(guò)程中，變速器采用自動(dòng)變速模式，油門開度由駕駛員控制。

圖6為道路試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集結(jié)果曲線。

從圖中可見，試驗(yàn)車在道路試驗(yàn)中未發(fā)生檔位變化，始終保持在1檔。從發(fā)動(dòng)扭矩變化趨勢(shì)可以看出，上坡階段駕駛員踩下油門踏板，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩迅速增加。到達(dá)平路階段時(shí)，駕駛員開始減小油門踏板，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。車輛進(jìn)入下坡階段，駕駛員完全松開油門踏板，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩繼續(xù)下降，并呈現(xiàn)負(fù)值，下坡時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)起到了輔助制動(dòng)的作用。由加速度曲線可見，在上坡路段，車輛平路行駛的加速度遠(yuǎn)大于車輛實(shí)際行駛的加速度。在平路路段，車輛平路行駛的加速度與車輛實(shí)際行駛的加速度相等，兩加速度曲線在該階段基本重合。在下坡路段，車輛平路行駛的加速度遠(yuǎn)小于車輛實(shí)際行駛的加速度。

圖7為道路試驗(yàn)坡道識(shí)別結(jié)果曲線。該曲線較準(zhǔn)確地反映了試驗(yàn)道路坡度情況。

動(dòng)力學(xué)模型仿真及道路試驗(yàn)結(jié)果表明，基于縱向加速度的坡道識(shí)別方法不僅理論上可行，而且在實(shí)時(shí)計(jì)算環(huán)境中，該方法能夠較準(zhǔn)確地識(shí)別坡道。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于縱向加速度的坡道識(shí)別方法。該方法利用車輛的實(shí)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩、車速等信號(hào)，計(jì)算出車輛平路行駛的加速度及車輛實(shí)際行駛的加速度，并根據(jù)縱向動(dòng)力學(xué)推導(dǎo)式識(shí)別道路坡度。動(dòng)力學(xué)模型仿真及道路試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有低成本、簡(jiǎn)單、實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，為提高車輛自動(dòng)變速系統(tǒng)辨識(shí)坡道能力提供了一種切實(shí)可行的解決方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 金輝，李磊，李斌虎，等.基于加速度區(qū)間判斷的坡道識(shí)別方法[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2010，23（1）：122-126.

[2] 錢立軍.自動(dòng)變速器控制的道路坡度計(jì)算方法研究[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2004，06：5-7.

[3] 王玉海，董瑞先，王松，等.基于SAE J1939協(xié)議的重型車輛坡道識(shí)別實(shí)時(shí)算法[J].汽車工程，2010，32（7）： 640-647.

[4] 金輝，葛安林，秦貴和，等.基于縱向動(dòng)力學(xué)的坡道識(shí)別方法研究[J].

機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2002，38（1）：79-82.

[5] 張?zhí)?，葛安林，郭立書，?基于車輛負(fù)荷度的換擋規(guī)律研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2004，35（3）：9-12.

[6] 史俊武，魯統(tǒng)利，李小偉，等.自動(dòng)變速車輛坡道行駛自適應(yīng)換擋策略[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42（4）：1-7.

[7] Hong S Bae1， Jihan Ryu， J Christian Gerdes. Road grade and vehicle parameter estimation for longitudinal control using GPS [C]∥IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems， Proceedings， ITSC，2001，4： 166-171.

[8] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.