基于驾驶员意图和行车安全的下坡辅助制动退出方法*

韩云武，罗禹贡,2，李克强

(1.清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084； 2.北京电动车辆协同创新中心，北京 100081)



2015195

基于驾驶员意图和行车安全的下坡辅助制动退出方法*

韩云武1，罗禹贡1,2，李克强1

(1.清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084； 2.北京电动车辆协同创新中心，北京 100081)

针对下坡工况下混合动力汽车辅助制动控制退出过程中可能产生的安全隐患，本文提出一种基于驾驶员主观意图和行车安全的辅助制动退出控制方法。通过对下坡辅助制动过程中车辆的受力情况和驾驶员驾驶意图的分析，分别制定了基于驾驶员加速意图和制动意图的下坡辅助制动退出策略，并据此设计了对下坡辅助制动退出的协调控制过程。最后通过仿真和实车试验对以上策略进行验证，结果表明，该方法在符合驾驶员驾驶意图的前提下，可以保证下坡辅助制动退出过程中车速始终受驾驶员控制，提高了辅助制动退出过程的安全性，并对驾驶员的误操作有一定的容错能力。

下坡辅助制动；退出方法；行驶安全；驾驶员意图；协调控制

前言

下坡路段车辆制动安全一直是车辆安全领域研究的一个重点，目前大型商务车主要通过缓速器消耗车辆动能达到目的[1-2]，中高档越野车辆则通过陡坡缓降技术实现了对车速的稳定控制[3]。由于电机的制动能量可回馈和制动转矩精确可调的特点，混合动力汽车的辅助制动技术[4-5]一直是混合动力汽车研究的一个重点，且在制动能量回馈及辅助驾驶员驾驶方面取得了一定的成果[6-7]。随着下坡辅助制动控制技术研究不断深入，发现辅助制动工况下，制动转矩较大时，如制动转矩突然全部退出可能存在较大安全隐患，且制动转矩退出的控制效果将直接影响下坡辅助控制技术的推广和应用，因此基于驾驶员主观意图和行车安全的下坡辅助制动退出控制方法的研究具有重要意义。

辅助制动过程中，车辆行驶工况变化时，驾驶员可能会对车速进行调整，所以下坡辅助制动控制应在保证行车安全的前提下满足驾驶员对车速调整的需求，此时制动转矩退出过程的控制尤其重要。目前，缓速器的接入和退出均由开关信号控制，其提供的制动转矩大小为定值，无法控制其退出过程制动转矩的变化。陡坡缓降功能虽然可以实现车辆速度的稳定控制，但辅助制动的车速目标须由驾驶员手动设定，辅助制动过程中只能以设定的目标车速行驶。近年来在陡坡缓降技术基础上开发的陡坡缓释功能，仅针对陡坡工况制动踏板抬起后，制动转矩的缓慢释放，对于陡坡缓降过程中加速和制动踏板作用下辅助制动退出控制则未见相关文献报道。混合动力汽车下坡安全辅助控制研究处于起步阶段，尚未涉及辅助制动退出过程的控制策略。

基于驾驶员的主观意图和行车安全，本文中提出了下坡辅助制动退出的控制方法。首先，针对下坡辅助制动退出控制过程，提出控制方法的总体结构；其次，通过对辅助控制退出过程中转矩的变化和驾驶员操作意图的解析，提出以加速度为目标的驾驶员加速意图下辅助制动退出控制策略，和以车速不升高为目标的驾驶员制动意图下辅助制动退出策略，并针对加速意图下的辅助制动退出过程制定了多制动系统协调控制的流程。最后通过仿真和实车试验对所提出的下坡辅助制动退出方法进行了验证。

1 下坡辅助制动退出控制方法

为保证下坡辅助制动退出过程的安全，增加下坡辅助制动控制的应用范围，本文中针对混合动力汽车的制动系统，基于下坡辅助制动控制退出过程中车辆的受力分析，提出一种基于驾驶员主观意图和行车安全的下坡辅助制动退出方法。

混合动力汽车的制动系统包含电机制动系统、发动机制动系统及液压制动系统3部分，按经济性原则，辅助制动转矩的退出按先液压制动转矩，再电机制动转矩，最后发动机制动转矩的顺序。

1.1 下坡辅助制动退出控制方法的总体结构

本文中针对下坡辅助控制过程，制定了辅助制动退出方法的总体结构，如图1所示。

总体结构包括目标制定层，辅助制动退出策略层(包括加速意图下辅助制动的退出策略和制动意图下辅助制动的退出策略)，部件执行系统和车辆系统。本文中将重点对辅助制动的退出策略层进行分析。

辅助制动退出策略包括加速意图下的制动转矩退出策略和制动意图下的制动转矩退出策略。其中加速意图下的辅助制动退出策略主要解决对驾驶员加速意图的识别，制动转矩退出速率目标的制定和不同制动系统间制动转矩退出的协调控制问题；制动意图下的转矩退出策略主要解决对驾驶员制动意图的识别及制动转矩退出条件的制定问题。

车辆下坡滑行过程中，当速度增加到一定阈值时，控制器会启动下坡辅助制动控制系统，主动保持车速不再升高，但当路况发生变化时，驾驶员必须能够通过加速踏板和制动踏板对目标车速进行调整，以提高车辆的运行效率和保证车辆的运行安全，因此辅助制动的退出包括驾驶员加速意图退出和制动意图退出两种情况。

1.2 加速意图下的辅助制动退出策略

下坡辅助制动过程中，驾驶员有加速意图(踩加速踏板)时，须优先响应驾驶员的驾驶意图，使车辆的速度增加，对此过程中车辆的受力变化过程进行分析。

1.2.1 加速意图下的车辆受力情况分析

车辆在行驶中的受力情况如式(1)和式(2)所示。

(1)

Ft=Tsum/r

(2)

式中：∑F表示车辆因滚动摩擦、风阻、坡度等所受的总阻力；Ft表示通过驾驶员主观操控而施加在车辆上的力(驱动力取正值，制动力取负值)；G表示车辆所受重力；f表示滚动阻力系数；α表示路面坡度(上坡坡度取正值，下坡坡度取负值)；CD表示空气阻力系数；A表示车辆的迎风面积；vi表示车辆的速度；δ表示汽车旋转质量换算系数；m表示汽车质量；Tsum表示辅助制动工况下总制动转矩；r表示轮胎半径。

车辆在两种力的作用下达到平衡；且在匀速情况下，车辆的加速阻力为零，故由式(1)和式(2)可得

(3)

当加速踏板行程信号不为零时，如果辅助制动的制动转矩全部退出，并立即响应加速踏板所对应的驱动转矩，此时辅助制动的制动转矩变为零，车辆所受的外力为驾驶员的期望驱动力Ft′：

Ft′=Td-req/r

(4)

式中Td_req表示当前车速及加速踏板所对应的驱动转矩。

由式(1)和式(4)可得加速踏板退出后的车辆受力方程：

(5)

车辆在下坡滑行过程中，加速踏板信号不为零瞬间，设车速不变，坡度不变，路面摩擦因数不变，则车辆所受的路面摩擦阻力、风的阻力及坡度阻力均不变，则由式(3)和式(5)可得

(6)

整理式(6)可得车辆在加速踏板介入后的瞬时加速度：

(7)

由式(7)可知，车辆在驾驶员加速意图下退出辅助制动控制，如辅助制动的制动转矩直接退出，车辆的瞬时加速度等于驾驶员的驱动转矩需求与原辅助制动的制动转矩之和所产生的加速度。其中坡度阻力所产生的加速度只与坡度有关，这部分加速度既不是驾驶员主观意愿想得到的，也非驾驶员所能控制的，可能引发安全隐患。

1.2.2 加速意图下的辅助制动退出策略制定

由加速意图下的辅助制动退出过程分析可知，驾驶员踩下加速踏板，应解释为驾驶员有加速意图，此时须响应驾驶员的操作，使车辆加速，但加速过程须考虑驾驶员的主观感受，且使车辆的加速过程完全处于驾驶员的控制之中。为达到上述目的，本文中提出了以加速度为目标的加速意图下的辅助制动退出策略，即当控制器收到加速踏板行程不为零的信号时，首先以一定的目标加速度释放制动转矩，待制动转矩完全释放后再令驱动系统响应驾驶员的加速需求，加载驱动转矩。

(1) 目标加速度的制定

由式(5)可知，驾驶员踩下加速踏板后，车辆加速度的正负和大小与加速踏板行程所对应的驱动转矩、车辆所处的坡度、车速等多个参数相关。为避免下坡辅助制动退出过程中加速度不可控，令下坡辅助制动退出的目标加速度等于当前加速踏板行程及车速下，车辆在平直公路上所对应的加速度，如式(8)所示。

(8)

(2) 辅助制动的退出和驱动转矩的加载

当a≤0时，保持现有辅助制动不变。

当a>0时，辅助制动的退出过程及驱动转矩的加载过程如图2所示。

如图2所示，辅助制动的退出过程，以加速踏板行程对应的车辆在平路上的加速度a为目标，按先液压制动转矩，再电机制动转矩的顺序退出，制动转矩完全退出后再加载驱动转矩的方法进行控制。

1.3 制动意图下的辅助制动退出策略

驾驶员有制动意图(踩制动踏板)时，须优先响应驾驶员的意图，使车辆的速度降低，对此过程中的车辆受力变化进行分析。

1.3.1 制动意图下的辅助制动退出过程

车辆在下坡辅助状态时的受力情况如式(3)所示，如制动踏板行程信号不为零时，辅助制动的制动转矩完全退出，则按加速意图下辅助制动退出过程中的加速度推导，可得车辆在制动踏板介入瞬间的加速度为

(9)

式中Td_b_req表示当前驾驶员踩制动踏板行程对应的制动转矩。

由式(9)可知，车辆在驾驶员制动意图下退出辅助制动的过程中，当制动踏板行程对应的制动转矩小于原辅助制动的制动转矩时，车辆将产生正向加速度，这明显与驾驶员意图不符，不仅会对驾驶员的心理造成一定的影响，而且可能引发行车安全问题。

1.3.2 制动意图下的辅助制动退出策略制定

驾驶员踩下制动踏板时，应解释为驾驶员有制动意图，必须响应驾驶员的操作使车辆减速，此时如果完全或以一定速率释放辅助制动的制动转矩，可能产生车速不降反增的现象。为解决此问题，保证车辆行驶安全，本文中提出了以车速不增加为目标的制动意图下辅助制动退出策略。

(10)

式中：Aon表示辅助制动模式(0表示退出，1表示进入)；△v表示进入辅助制动后车速的增加量。

即当驾驶员踩下制动踏板时，下坡辅助制动的制动转矩并不立即退出(以车速不增加为目标进行控制)，辅助制动的制动转矩随制动踏板对应的制动转矩变化而变化，只有车速降低后辅助制动的制动转矩才能释放完毕。

综上所述，本文中所提出的下坡辅助制动退出策略中，辅助制动的退出不是简单的与驾驶员是否有驱(制)动意图相关，而是要结合驾驶员驱(制)动意图的强弱及当时车辆所处状态来综合判断。该方法实现了辅助制动退出过程的驾驶员完全控制，且具有一定的容错能力，即当下坡辅助过程中如驾驶员对加速/制动踏板有误操作时，只要加速/制动踏板行程没达到相应的阈值，辅助制动就不会退出，车速也不会改变。

2 仿真分析

为验证辅助制动退出控制策略，以坡道工况下混合动力汽车安全辅助控制模型[8]为基础，开发了相应的控制模块，并选取电机、发动机与液压系统联合辅助制动工况，对控制策略中加速/制动踏板行程变化与转矩退出之间的关系进行仿真分析。

2.1 加速意图下辅助制动退出的仿真分析

在仿真过程中输入变化率为10%/s，最大值为70%的加速踏板行程值，结果如图3所示。

如图3所示，390s前车辆在辅助制动的制动转矩作用下以稳定的车速滑行，因加速踏板行程为零，加速踏板所对应的驱动转矩为零，根据式(8)计算出车辆在平路上行驶的期望加速度为负(策略中对负加速度部分不处理，因此负加速度可按零计算)。390s时引入加速踏板行程不为零的信号，如液压、电机和发动机的制动转矩均直接退出，且发动机及电机立即响应加速踏板所对应的驱动转矩，则如图3所示，在转矩的变化瞬间会产生一个5.85m/s2的加速度，此时加速踏板行程很小，驱动转矩约等于零，所以瞬间产生的加速度即非驾驶员所能控制的，也非其主观意图想得到的，有较大的安全隐患。而在辅助制动退出策略控制下，只有在加速踏板行程达到36%(393.6s)时，根据式(8)计算出的期望加速度才大于零，并根据此加速度，按先液压制动后电机制动的顺序逐渐退出辅助制动的制动转矩(辅助制动的制动转矩退出速率可利用kTM和khyd进行调整)，在辅助制动的制动转矩完全退出后，再响应加速踏板所对应的驱动转矩，整个过程加速度都是随着加速踏板行程的变化而变化，处于渐变的状态，而且加速度的大小始终与加速踏板行程的大小相对应，加速过程完全处于驾驶员的可控范围内，在保证车辆运行安全的基础上，实现了车辆速度调整过程的平缓。

2.2 制动意图下辅助制动退出的仿真分析

在仿真过程中输入变化率为10%/s，最大值为50%的制动踏板行程值，结果如图4所示。

如图4所示，390s前车辆在辅助制动作用下以稳定的车速滑行，390s引入制动踏板行程不为零的信号，如电机与液压制动转矩均在制动踏板行程不为零瞬间直接退出，当制动踏板对应的主动液压制动转矩小于已经退出的辅助制动的制动转矩时，车速会有所增加，这显然与驾驶员的驾驶意图不符，存在重大的安全隐患。而在辅助制动退出策略控制下，车辆控制器会以车速不增加为目标，根据主动液压转矩的变化，调整辅助制动的制动转矩(先退液压，再退电机)，在辅助制动完全退出前，车速保持不变，辅助制动完全退出后，车速在驾驶员的控制下才会降低，整个过程中车速都没有增加。

通过仿真结果可以看出，辅助制动退出控制策略保证了该过程中驾驶员对车辆行驶速度的绝对控制，避免了因车速变化与驾驶员意图相违背而产生的危险。且在加速/制动踏板行程小于一定阈值时，辅助制动退出控制策略可以使车辆维持当前状态，具有一定的容错能力。

3 实验验证

为验证下坡辅助制动退出方法在实车上的控制效果，本文中采用Matlab/Simulink搭建RCP，利用本课题组的并联式混合动力汽车，在图5所示的坡上进行实车验证。

如图5所示，实验道路的道路坡度较小，辅助制动过程中只有电机系统参与了制动，且由于实验道路工况所限(出于安全考虑)，这里仅在辅助制动过程中进行了瞬间加速及制动实验，以观察不同加速/制动踏板行程对辅助制动的制动转矩退出速率的影响，及其退出过程中车速是否符合驾驶员的驾驶意图。

3.1 加速意图下退出辅助制动的实验验证

在进入电机系统单独辅助制动模式后，分别手动给控制器输入10%(左)及30%(右)的加速踏板行程，实验结果如图6所示。

如图6所示，辅助制动的制动转矩在加速踏板作用下，没有立即释放，而是按不同加速踏板行程，以一定速率缓慢退出。图6(a)中，10%的加速踏板行程所对应的加速度较小，且进入辅助制动时刻的制动转矩存在一定超调，所以在辅助制动的制动转矩退出过程中，车速存在不升反降的过程。图6(b)中，因加速踏板行程大于图6(a)的情况，其制动转矩退出速率也明显大于左图，且辅助制动的制动转矩完全退出后有驱动转矩输出，辅助制动退出过程中，车速有所增加。以上结果可以证明，驾驶员可通过加速踏板行程调整制动转矩的退出速率，且辅助制动退出过程中车速完全可由驾驶员控制。

3.2 制动意图下退出辅助制动的实验验证

在电机系统单独辅助制动模式下，取两次驾驶员脚踩制动踏板的结果，实验结果如图7所示。

如图7所示，在制动踏板的作用下，车辆的速度有所降低。降低过程中，没有出现制动转矩的突然退出而导致车速增加的现象，符合设计要求。

4 结论

为提高HEV下坡路段行驶的安全性，本文中通过对驾驶员驾驶意图及车辆下坡辅助制动退出过程的分析，提出了车辆下坡辅助制动退出的控制方法，结合并联式混合动力汽车结构，分别制定了驾驶员加速意图下的辅助制动退出方法和驾驶员制动意图下的辅助制动退出方法。通过仿真及实验验证，得到如下结论：

(1) 基于驾驶员驾驶意图的辅助制动退出策略，将驾驶员需求与车辆行驶安全有机结合，为下坡辅助制动过程中的车速按驾驶员驾驶意图随时调整提供了安全保证，且对此过程中驾驶员的误操作有一定的容错能力。

(2) 基于驾驶员加速意图的辅助制动退出策略，可以使辅助制动的退出过程完全受驾驶员控制，保证行车安全，使驾驶员得到与常规加速过程相同的驾驶感受。

(3) 基于驾驶员制动意图的辅助制动退出策略，可以改变车辆因辅助制动的退出而出现车速不降反增的现象，保证车辆下坡制动调速过程中的安全。

[1] 董颖,董雪梅.发动机缓速器制动的汽车下坡能力研究[J].拖拉机与农用运输车,2009,36(1):56-58.

[2] 何仁,王永涛,赵迎生.汽车联合制动系统的性能仿真分析[J].兵工学报,2007,28(10):1153-1158.

[3] 陈迪峰,冯曙,姜凤春.汽车智能化技术分析[J].汽车电器,2011(7):5-8.

[4] 付晓丹,罗禹贡,韩云武,等.智能混合动力汽车电液复合制动的协调控制策略[J].汽车工程,2011,33(11):915-919.

[5] 彭栋,殷承良,张建武.基于模糊控制的并联式混合动力汽车制动控制系统[J].吉林大学学报(工学版),2007,37(4):756-761.

[6] 韩云武,罗禹贡,李克强.混合动力汽车下坡辅助控制方法[J].汽车工程,2012,34(7):575-579.

[7] 舒红,袁景敏,胡明辉,等.中度混合动力汽车匀速下坡再生制动策略优化[J].重庆大学学报(自然科学版),2008,31(9):965-970.

[8] Chen Tao, Luo Yugong, Li Keqiang. Forward Simulation Platform of Driving Performance on Intelligent Hybrid Electric Vehicle Icece[C]. International Conference on Electrical and Control Engineering, China,2010:1026-1030.

A Retreat Scheme for Downhill Assist Braking Basedon Driver’s Intent and Driving Safety

Han Yunwu1, Luo Yugong1,2& Li Keqiang1

1.TsinghuaUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafety&Energy,Beijing100084;2.CollaborativeInnovationCenterofElectricVehicleinBeijing,Beijing100081

In view of the probable hidden risk in the retreat process of downhill assist braking of hybrid electric vehicle in downhill driving condition, a retreat control scheme for downhill assist braking is proposed in this paper based on the subjective intention of driver and driving safety. Through the analysis on the force balance conditions of vehicle and the operation intention of driver in downhill assist braking process, both downhill assist braking retreat strategies for driver’s accelerating and braking intentions are worked out respectively, and based on which the coordinated control process of the retreat of downhill assist braking is devised. Finally the strategies are verified by simulation and tests and the results show that on the premise of tallying with driver’s intent, the scheme proposed can ensure that vehicle speed is under the control of driver all along the retreat process of downhill assist braking with a certain ability of fault-tolerance for the faulty operation of driver.

downhill assist braking; retreat scheme; driving safety; driver’s intent; coordinated control

*清华大学节能与安全国家重点实验室自主课题(ZZ2014-92)和浙江大学液体动力与机电系统国家重点实验室开放基金课题(GZKF-201410)资助。

原稿收到日期为2013年8月21日，修改稿收到日期为2014年4月15日。