劉欣，丁殿磊，郭曉亮，巨環(huán)

　?。ù筮B理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024）

　　摘要：針對(duì)汽車起步過(guò)程中駕駛員起步意圖的不同，基于油門(mén)開(kāi)度和油門(mén)變化率的模糊控制仿真，利用單圈滑動(dòng)變阻器模擬油門(mén)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)電路，并且使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。給出了油門(mén)開(kāi)度、油門(mén)變化率以及核心算法的設(shè)計(jì)及軟件運(yùn)行流程圖。通過(guò)在單片機(jī)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，表明這種方法能夠很好地表達(dá)駕駛員的起步意圖。

　　關(guān)鍵詞： 起步意圖；單片機(jī)；模糊控制

0引言

　　隨著人們生活水平的提高，汽車在人們的生活中日益普及，它以便捷、快速的優(yōu)勢(shì)逐步取代了人們以往的出行方式，而人們對(duì)它的舒適性和智能簡(jiǎn)單化的要求也越來(lái)越高［1］。簡(jiǎn)便的自動(dòng)檔和半自動(dòng)檔汽車的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣，這兩種汽車主要通過(guò)駕駛員的意圖來(lái)進(jìn)行汽車起步和自動(dòng)選換檔的操作。汽車起步時(shí)的操作最具有代表性，研究駕駛員起步意圖意義重大。當(dāng)前，大部分起步意圖的實(shí)現(xiàn)都采用MATLAB進(jìn)行模擬仿真［2］，以油門(mén)開(kāi)度和油門(mén)變化率為輸入量，利用模糊控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)起步意圖的輸出。受實(shí)際情況的限制，真實(shí)的仿真并不多。本文利用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)駕駛員起步意圖的仿真，將線性模擬的起步意圖轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)時(shí)間的數(shù)字值來(lái)表達(dá)起步緩急，并且在LCD1602屏上顯示出來(lái)。這種方法簡(jiǎn)便易懂，為起步意圖的實(shí)際仿真提供了一種方法。

1使用MATLAB進(jìn)行仿真

　　汽車在起步時(shí)，首先是駕駛員接觸到外部環(huán)境信息，然后決定起步的快慢，最后控制油門(mén)踏板進(jìn)行起步。因此駕駛員的起步意圖通常是通過(guò)油門(mén)開(kāi)度和油門(mén)變化率來(lái)判斷的，油門(mén)開(kāi)度大，油門(mén)開(kāi)度變化率高，表明駕駛員急于起

　　步；反之亦然。起步過(guò)程隨駕駛員操縱意圖的不同可分為慢起步、正常起步和快起步。在對(duì)起步意圖進(jìn)行判斷時(shí)采用雙輸入單輸出的結(jié)構(gòu),如圖1所示。

　　油門(mén)開(kāi)度的基本論域?yàn)椋?,1］，論域設(shè)定為{0,1,2,3,4,5,6,7,8}；量化因子的計(jì)算值為8；油門(mén)開(kāi)度變化率的基本論域?yàn)椋?3,3］，論域設(shè)定為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，量化因子為2；起步意圖本身是一個(gè)模糊量，設(shè)其論域?yàn)椋?,l,2,3,4,5,6］，采用高斯型隸屬度函數(shù)，建立模糊推理規(guī)則集如表1所示［34］。經(jīng)MATLAB建立仿真模型可得到汽車起步時(shí)的起步意圖三維圖，如圖2所示?！?/p>

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

　　不同的起步意圖對(duì)離合器的結(jié)合速度有不同的要求。在起步控制中應(yīng)能對(duì)不同的駕駛意圖進(jìn)行識(shí)別和判斷，并采取相應(yīng)的策略進(jìn)行控制?？刂撇划?dāng)便會(huì)影響車輛平順性，造成較大的滑摩功并使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。所以對(duì)起步意圖進(jìn)行識(shí)別和判斷顯得尤為重要［5］。

　　圖3所示為總體方案圖，采用一個(gè)單圈滑動(dòng)變阻器來(lái)模擬油門(mén)機(jī)構(gòu)。首先將滑動(dòng)變阻器所加載的電壓通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊傳送到單片機(jī)中，將電壓由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，根據(jù)數(shù)值大小來(lái)表現(xiàn)油門(mén)的開(kāi)度，同時(shí)利用定時(shí)器記錄其變化的時(shí)間差，在同等油門(mén)開(kāi)度的前提下可以直接使用時(shí)間差來(lái)表現(xiàn)油門(mén)開(kāi)度的變化率；然后使用查表法來(lái)表現(xiàn)模糊控制器的運(yùn)算過(guò)程；最后同樣使用數(shù)字來(lái)表現(xiàn)起步意圖。將輸入輸出同時(shí)在LCD1602屏上顯示，驗(yàn)證方案的正確性。

圖3總體方案圖

　　圖4油門(mén)模擬電路圖使用滑動(dòng)變阻器來(lái)模擬油門(mén)時(shí)，采用電壓分壓的方法，如圖4所示，當(dāng)滑動(dòng)變阻器處于最小值時(shí)，ACC端電壓為5 V，當(dāng)滑動(dòng)變阻器為最大值時(shí)，ACC端電壓為1 V，所以ACC端的電壓值為1~5 V，然后經(jīng)過(guò)ADC0832進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理，得到的對(duì)應(yīng)數(shù)值為51~255（對(duì)應(yīng)的單片機(jī)為8位單片機(jī)），51對(duì)應(yīng)的油門(mén)開(kāi)度為0，255對(duì)應(yīng)的油門(mén)開(kāi)度為100，設(shè)定呈線性關(guān)系，將其轉(zhuǎn)換為函數(shù)關(guān)系式為：

　　y=2.04x+51(1)

　　其中， y代表油門(mén)開(kāi)度，x代表AD轉(zhuǎn)換值。

　　用此數(shù)值來(lái)模擬表示油門(mén)的開(kāi)度。同時(shí)，在開(kāi)始轉(zhuǎn)換的同時(shí)使用定時(shí)器計(jì)數(shù)，記錄單圈滑動(dòng)變阻器轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間，在同樣的油門(mén)開(kāi)度前提下，起步所需時(shí)間可以間接表示油門(mén)開(kāi)度變化率的情況。

　　使用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，可以采用查表法來(lái)模擬模糊控制的運(yùn)算過(guò)程。將油門(mén)開(kāi)度分為5份:0~20、20~40、40~60、60~80、80~100，分別表示油門(mén)開(kāi)度變化很小、小、中等、大、很大；設(shè)定踩下油門(mén)的時(shí)間最長(zhǎng)為2 s，同樣將其分為5份：0~0.4 s、0.4~0.8 s、0.8~1.2 s、1.2~1.6 s和1.6~2 s，對(duì)應(yīng)表示所需時(shí)間很快、快、中等、慢、很慢；同樣將起步意圖分為5種情況，用1~5表示很慢、慢、正常、急、很急，如表2所示。

　　按照表2建立起一個(gè)數(shù)組，在系統(tǒng)運(yùn)算過(guò)程中，首先得到AD轉(zhuǎn)換的數(shù)值，經(jīng)式（1）計(jì)算得到油門(mén)開(kāi)度的數(shù)值，利用定時(shí)器計(jì)數(shù)得到所用時(shí)間；然后，就能根據(jù)上述兩個(gè)數(shù)值所在范圍確定數(shù)組的兩個(gè)指針；最后將數(shù)組中指針?biāo)鶎?duì)應(yīng)的起步意圖輸出到LCD1602顯示屏上，可以是數(shù)字1~5，也可以用語(yǔ)言直接描述。這樣，就能直接得到駕駛員的起步意圖了［67］。

3軟件流程圖

　　按照系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的要求, 單片機(jī)控制要能做到實(shí)時(shí)對(duì)駕駛員的起步意圖作出正確響應(yīng)。 整個(gè)控制系統(tǒng)由信號(hào)檢測(cè)與處理、模糊運(yùn)算、 結(jié)果輸出顯示3部分組成。首先進(jìn)行初始化，包括定時(shí)器、AD轉(zhuǎn)換，初始化成功后讀取油門(mén)模擬電路轉(zhuǎn)換的數(shù)字電壓值，將其代入式（1）中求得數(shù)字化的油門(mén)開(kāi)度，同時(shí)利用定時(shí)器計(jì)時(shí)功能記錄滑動(dòng)變阻器轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間，最后根據(jù)查表法完成駕駛員起步意圖程度的判定，并且進(jìn)行輸出。軟件流程如圖5所示。

　　在進(jìn)行計(jì)算處理時(shí)，因?yàn)槭剑?）中的相關(guān)參數(shù)為小數(shù)形式，可以采用分?jǐn)?shù)形式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果直接取整即可。在LCD1602顯示屏上可以同時(shí)顯示油門(mén)開(kāi)度、起步所用時(shí)間以及駕駛員的起步意圖程度，這樣，可以使結(jié)果的表現(xiàn)更加清晰，驗(yàn)證的結(jié)果更加準(zhǔn)確。本文使用51單片機(jī)作為ECU進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用KEIL開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并通過(guò) JLINK仿真器將程序下載到單片機(jī)上，通過(guò)串口調(diào)試助手，對(duì)駕駛員起步意圖的快、正常、慢3種情形進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明這種方法可以很好地表現(xiàn)駕駛員的起步意圖。

4結(jié)論

　　經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，汽車現(xiàn)在已經(jīng)變得越來(lái)越智能化了。由于自動(dòng)變速車輛在運(yùn)行過(guò)程中換擋更加簡(jiǎn)單、操縱更加方便、減小了不同駕駛技巧間的差距，因此普及程度越來(lái)越高。自動(dòng)變速器的核心和重點(diǎn)難點(diǎn)就在于根據(jù)駕駛員操縱意圖與行駛環(huán)境而自動(dòng)進(jìn)行選換擋。 目前，針對(duì)自動(dòng)變速器在汽車上的自動(dòng)換擋策略的研究越來(lái)越多，而且對(duì)于自動(dòng)變速器換擋策略的研究由最初的單參數(shù)、兩參數(shù)、三參數(shù)換擋策略發(fā)展到現(xiàn)在的考慮車輛運(yùn)行狀況和駕駛員意圖的模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等換擋策略。但是在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，有時(shí)會(huì)受條件限制，駕駛員的起步意圖只能在MATLAB上進(jìn)行軟件仿真。本文在模糊控制的基礎(chǔ)上，提出了一種利用單片機(jī)表現(xiàn)駕駛員起步意圖的方法，研究結(jié)果表明，該控制策略可以充分反映駕駛員的意愿，為更好地研究自動(dòng)換檔策提供了幫助。

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