劉欣，丁殿磊，郭曉亮，巨環(huán)

　　（大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024）

　　摘要：針對汽車起步過程中駕駛員起步意圖的不同，基于油門開度和油門變化率的模糊控制仿真，利用單圈滑動變阻器模擬油門機構(gòu)設(shè)計電路，并且使用單片機實現(xiàn)。給出了油門開度、油門變化率以及核心算法的設(shè)計及軟件運行流程圖。通過在單片機平臺上實現(xiàn)，表明這種方法能夠很好地表達駕駛員的起步意圖。

　　關(guān)鍵詞： 起步意圖；單片機；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)勢逐步取代了人們以往的出行方式，而人們對它的舒適性和智能簡單化的要求也越來越高［1］。簡便的自動檔和半自動檔汽車的應(yīng)用會越來越廣，這兩種汽車主要通過駕駛員的意圖來進行汽車起步和自動選換檔的操作。汽車起步時的操作最具有代表性，研究駕駛員起步意圖意義重大。當前，大部分起步意圖的實現(xiàn)都采用MATLAB進行模擬仿真［2］，以油門開度和油門變化率為輸入量，利用模糊控制算法來實現(xiàn)起步意圖的輸出。受實際情況的限制，真實的仿真并不多。本文利用單片機來實現(xiàn)駕駛員起步意圖的仿真，將線性模擬的起步意圖轉(zhuǎn)換為對應(yīng)時間的數(shù)字值來表達起步緩急，并且在LCD1602屏上顯示出來。這種方法簡便易懂，為起步意圖的實際仿真提供了一種方法。

1使用MATLAB進行仿真

　　汽車在起步時，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行起步。因此駕駛員的起步意圖通常是通過油門開度和油門變化率來判斷的，油門開度大，油門開度變化率高，表明駕駛員急于起

　　步；反之亦然。起步過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。在對起步意圖進行判斷時采用雙輸入單輸出的結(jié)構(gòu),如圖1所示。

　　油門開度的基本論域為［0,1］，論域設(shè)定為{0,1,2,3,4,5,6,7,8}；量化因子的計算值為8；油門開度變化率的基本論域為［-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模糊量，設(shè)其論域為［0,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的起步意圖三維圖，如圖2所示。　

2系統(tǒng)總體設(shè)計及實現(xiàn)

　　不同的起步意圖對離合器的結(jié)合速度有不同的要求。在起步控制中應(yīng)能對不同的駕駛意圖進行識別和判斷，并采取相應(yīng)的策略進行控制。控制不當便會影響車輛平順性，造成較大的滑摩功并使發(fā)動機運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。所以對起步意圖進行識別和判斷顯得尤為重要［5］。

　　圖3所示為總體方案圖，采用一個單圈滑動變阻器來模擬油門機構(gòu)。首先將滑動變阻器所加載的電壓通過A/D轉(zhuǎn)換模塊傳送到單片機中，將電壓由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，根據(jù)數(shù)值大小來表現(xiàn)油門的開度，同時利用定時器記錄其變化的時間差，在同等油門開度的前提下可以直接使用時間差來表現(xiàn)油門開度的變化率；然后使用查表法來表現(xiàn)模糊控制器的運算過程；最后同樣使用數(shù)字來表現(xiàn)起步意圖。將輸入輸出同時在LCD1602屏上顯示，驗證方案的正確性。

圖3總體方案圖

　　圖4油門模擬電路圖使用滑動變阻器來模擬油門時，采用電壓分壓的方法，如圖4所示，當滑動變阻器處于最小值時，ACC端電壓為5 V，當滑動變阻器為最大值時，ACC端電壓為1 V，所以ACC端的電壓值為1~5 V，然后經(jīng)過ADC0832進行A/D轉(zhuǎn)換處理，得到的對應(yīng)數(shù)值為51~255（對應(yīng)的單片機為8位單片機），51對應(yīng)的油門開度為0，255對應(yīng)的油門開度為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代表油門開度，x代表AD轉(zhuǎn)換值。

　　用此數(shù)值來模擬表示油門的開度。同時，在開始轉(zhuǎn)換的同時使用定時器計數(shù)，記錄單圈滑動變阻器轉(zhuǎn)動的時間，在同樣的油門開度前提下，起步所需時間可以間接表示油門開度變化率的情況。

　　使用單片機進行數(shù)據(jù)處理時，可以采用查表法來模擬模糊控制的運算過程。將油門開度分為5份:0~20、20~40、40~60、60~80、80~100，分別表示油門開度變化很小、小、中等、大、很大；設(shè)定踩下油門的時間最長為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，對應(yīng)表示所需時間很快、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建立起一個數(shù)組，在系統(tǒng)運算過程中，首先得到AD轉(zhuǎn)換的數(shù)值，經(jīng)式（1）計算得到油門開度的數(shù)值，利用定時器計數(shù)得到所用時間；然后，就能根據(jù)上述兩個數(shù)值所在范圍確定數(shù)組的兩個指針；最后將數(shù)組中指針所對應(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)計的要求, 單片機控制要能做到實時對駕駛員的起步意圖作出正確響應(yīng)。 整個控制系統(tǒng)由信號檢測與處理、模糊運算、 結(jié)果輸出顯示3部分組成。首先進行初始化，包括定時器、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)字化的油門開度，同時利用定時器計時功能記錄滑動變阻器轉(zhuǎn)動的時間，最后根據(jù)查表法完成駕駛員起步意圖程度的判定，并且進行輸出。軟件流程如圖5所示。

　　在進行計算處理時，因為式（1）中的相關(guān)參數(shù)為小數(shù)形式，可以采用分數(shù)形式進行計算，計算結(jié)果直接取整即可。在LCD1602顯示屏上可以同時顯示油門開度、起步所用時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，驗證的結(jié)果更加準確。本文使用51單片機作為ECU進行實驗，采用KEIL開發(fā)平臺，并通過 JLINK仿真器將程序下載到單片機上，通過串口調(diào)試助手，對駕駛員起步意圖的快、正常、慢3種情形進行了驗證。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)過多年的發(fā)展，汽車現(xiàn)在已經(jīng)變得越來越智能化了。由于自動變速車輛在運行過程中換擋更加簡單、操縱更加方便、減小了不同駕駛技巧間的差距，因此普及程度越來越高。自動變速器的核心和重點難點就在于根據(jù)駕駛員操縱意圖與行駛環(huán)境而自動進行選換擋。 目前，針對自動變速器在汽車上的自動換擋策略的研究越來越多，而且對于自動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。但是在進行實驗驗證時，有時會受條件限制，駕駛員的起步意圖只能在MATLAB上進行軟件仿真。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，為更好地研究自動換檔策提供了幫助。

　　參考文獻

　　［1］ 陳虹,宮洵,胡云峰,等.汽車控制的研究現(xiàn)狀與展望［J］.自動化學(xué)報,2013，39（4）:322346.

　　［2］ 王旭東,謝先平,吳曉剛,等.自動離合器起步模糊控制［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2008,39（12）:1822.

　　［3］ 許男. 自動離合器接合規(guī)律及控制系統(tǒng)的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.

　　［4］ 羅石,章丹丹,朱長順,等.純電動客車起步仿真研究［J］.機電工程,2015,32(1):141145.

　　［5］ 余春暉,陳慧巖,丁華榮.車輛離合器起步階段模糊控制的研究［J］. 汽車工程，2005，27(4)：423425,430.

　　［6］ 周鵬.基于STC89C52單片機的多功能測溫儀設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)用,2013,32(1):2629.

　　［7］ 戚偉,邱旭偉,劉勁松,等.基于PIC16單片機的正弦調(diào)光電路［J］.電子技術(shù)用,2014,40(10):3032,36.