劉欣,丁殿磊,郭曉亮,巨環(huán)
(大連理工大學(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,基于油門開(kāi)度和油門變化率的模糊控制仿真,利用單圈滑動(dòng)變阻器模擬油門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)電路,并且使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。給出了油門開(kāi)度、油門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],以油門開(kāi)度和油門變化率為輸入量,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)油門開(kāi)度和油門變化率來(lái)判斷的,油門開(kāi)度大,油門開(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[34]。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,在同等油門開(kāi)度的前提下可以直接使用時(shí)間差來(lái)表現(xiàn)油門開(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油門模擬電路圖使用滑動(dòng)變阻器來(lái)模擬油門時(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)的油門開(kāi)度為0,255對(duì)應(yīng)的油門開(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代表油門開(kāi)度,x代表AD轉(zhuǎn)換值。
用此數(shù)值來(lái)模擬表示油門的開(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,在同樣的油門開(kāi)度前提下,起步所需時(shí)間可以間接表示油門開(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。將油門開(kāi)度分為5份:0~20、20~40、40~60、60~80、80~100,分別表示油門開(kāi)度變化很小、小、中等、大、很大;設(shè)定踩下油門的時(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[67]。
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) JLINK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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