一种基于意图识别的电动车转向制动控制方法

王正家 孙楚杰 翟海祥 吴顺尧

(1.湖北工业大学机械工程学院，湖北 武汉 430068；2.现代制造质量工程重点实验室，湖北 武汉 430068)

0 引言

在转向制动意图和制动强度的识别及控制策略方面，李海青等[1]综合考虑行驶车速、方向盘转角以及侧翻评价指标，在转向控制驾驶员模型基础上建立了速度控制驾驶员模型，当侧翻评价指标超过安全阈值时利用制动踏板降低车速，有效降低了紧急避障时的侧翻风险。刘剑开等[2]基于制动踏板位移对应的电压和电压变化率，设计了模糊逻辑控制器，识别出驾驶员的制动意图和对应的制动强度变化。李寿涛等[3]基于制动踏板位置和踏板行程进行模糊推理，实现了驾驶员紧急制动意图的识别，缩短了紧急制动的时间。张元才等[4]将驾驶员制动意图分为3类，应用模糊算法对其进行了识别。文献[5]中对车辆在行驶时前方突然出现障碍物时驾驶员的操作特性进行了研究，在车速较低时，驾驶员会采取制动和转向同时作用控制汽车，最大程度躲避障碍物；在车速较高时，驾驶员会先采用制动来降低车速，防止车辆侧翻。

本文在分析制动意图和无刷直流电机制动控制方法的基础之上，结合各种制动方式的优势，提出了一种基于意图识别的电动车转向制动控制方法，该方法是基于转向角位移对应的输出电压及电压变化率，设计了一个模糊控制器，识别驾驶员的转向制动意图和对应的制动强度变化，通过转向制动意图确定制动方式，实现电动车无刷直流电机制动系统的快速性和可控性，缩短了转向制动的响应时间，控制转向速度，避免侧翻，保护驾驶员安全。

1 转向制动意图分析

对电动车的转向制动进行控制，首先要对驾驶员的转向制动意图进行分析。本文是通过对电动车的转向角度以及行驶速度来识别驾驶员的转向制动控制意图。根据转向制动的实际情况，将转向制动行为分为3种：缓慢制动、中等制动和紧急制动。这是利用实际情况中电动车的转向的急缓程度以及当前的行驶速度快慢来确定驾驶员的转向制动强度，再以此判断当前应该采用的转向制动行为。转向制动行为意图和转向制动强度的对应关系如表1所示。

表1 转向制动意图与制动强度的对应关系

2 转向制动意图和制动强度模糊控制器

2.1 输入变量与输出变量的模糊化

本文设计的输入变量是转向角输出电压(U)及转向角输出电压变化率(dU)，其论域分别为[0，5]，[0，100]；输出变量是转向制动强度(Z)，其论域为[0，1]。转向角输出电压的子集为{VS、S、M、B、VB}，其隶属度函数选择如图1所示。转向角输出电压变化率的子集为{VS、S、M、B、VB}，其隶属度函数选择如图2所示。转向制动强度的子集为{VS、S、M、B、VB}，其隶属度函数选择如图3所示。

图1 转向角输出电压隶属度函数

图2 转向角输出电压变化率隶属度函数

图3 制动强度隶属度函数

2.2 模糊控制规则的制定

制动强度是控制系统制动能力的体现，根据前面选择的输入变量和输出变量，针对转向制动强度的确定，制定了相应的模糊控制规则表，如表2所示。

表2 制动强度控制规则

3 基于意图识别的转向制动控制方法

本文采用的转向制动控制方法是通过电动车转向角输出电压和转向角输出电压变化率的模糊控制器来确定转向制动强度，再通过当前行驶速度的大小，确定转向制动意图，选择转向制动方式控制电机，控制电动车的转向。具体的控制逻辑框图如图4所示。

图4 制动控制逻辑框图

4 制动控制系统建模及仿真分析

4.1 制动意图识别仿真

4.1.1 制动意图识别模型

通过MATLAB建立制动意图识别的模型，转向角输出电压作为一路输入信号，转向角输出电压变化率作为另一路输入信号，然后转向制动强度为模糊控制器的输出信号。具体的制动意图识别模型如图5所示。

图5 制动意图识别模型

4.1.2 制动意图仿真结果及分析

运行仿真，结合图6(a)和(b)，转向角输出电压增大，转向角输出电压变化率在零点上方为正，转向角输出电压减小，转向角输出电压变化率在零点下方为负，图6(c)则表示转向制动强度的变化。

图6 制动意图识别仿真

通过仿真结果分析，转向角输出电压和转向角输出电压变化率很小时，转向制动强度曲线水平，基本无变化或变化很小，这属于缓慢制动；转向角输出电压和转向角输出电压变化率平滑变化，转向制动强度曲线平滑变化，这属于中等制动，这种是电动车在实际路况中最多的；转向角输出电压和转向角输出电压变化率很大时，转向制动强度曲线有一个陡降，变化很大，这属于紧急制动。可以看出利用模糊控制的方法能够达到预期的转向意图识别的目的。

4.2 制动控制系统建模及仿真

转向制动控制系统的仿真模型如图7所示[6]。

图7 转向制动控制系统的仿真模型

图8是在Matlab/Simulink环境下仿真出的转向角输出电压曲线。3条曲线对应3种制动意图，初始阶段，都没有转向角输出电压输出；之后随着时间的增大转向角输出电压逐渐增大，相同的时间转向角输出电压增量不同，反映着不同的制动意图以及制动效果。

图8 转向角输出电压对比曲线

图9是不同制动意图下的电机转速曲线变化。从图中对比可以看出，3种制动意图下，电机转速下降的速率各不相同，保证了转向制动时的速度控制，证明了基于意图识别的转向制动控制方法的可行性。

图9 电机转速仿真对比曲线

5 结语

本文针对电动车在转向时不能根据驾驶员的转向要求及时有效地控制电动车转向制动的速度问题，对转向制动控制方法展开研究，构建了转向制动意图识别模型，根据转向角输出电压及转向角输出电压变化率，设计了模糊控制器来识别转向制动意图，确定转向制动控制方法，控制电动车的转向制动速度，提高了电动车转向制动的快速性和安全性。