車輛起步工況駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)方法研究?

黃 偉，劉海江，李 敏，童榮輝，周 雷

(1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804； 2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司，上海 200041)

前言

通過評(píng)價(jià)車輛駕駛性品質(zhì)作為控制策略標(biāo)定的依據(jù)已逐步被各主機(jī)廠采用[1]。目前對(duì)車輛駕駛性品質(zhì)評(píng)估多采用主觀評(píng)價(jià)方法[2]，但它存在單個(gè)主觀評(píng)價(jià)人員的評(píng)價(jià)結(jié)果穩(wěn)定性較差，準(zhǔn)確性難以保證，而多名評(píng)價(jià)人員共同評(píng)價(jià)成本過高的問題，因此，解決主觀評(píng)價(jià)存在的缺陷，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且準(zhǔn)確的車輛駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)具有很高的實(shí)用價(jià)值。

陳海軍等[3-4]考慮了滑摩功和沖擊度與雙離合器壓力的關(guān)系，采用線性二次型最優(yōu)控制方法解決了起步工況中雙離合器壓力的控制問題。吳明翔[5]提出了滑摩功和沖擊度對(duì)離合器摩擦轉(zhuǎn)矩與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的最優(yōu)匹配控制策略的影響。嚴(yán)憶泉等[6]考慮了駕駛員意圖、離合器接合狀態(tài)和滑摩功等影響因素，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)學(xué)習(xí)功能設(shè)計(jì)了模糊神經(jīng)控制策略，解決了自動(dòng)變速車輛的起步控制問題。吳光強(qiáng)等[7]考慮了控制離合器主從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速差、離合器接合速度等參數(shù)的協(xié)同起步控制策略。HUANG Q等[8]采用了評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行起步評(píng)價(jià)，并建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)等級(jí)之間的聯(lián)系。趙振和等[9-11]對(duì)起步工況駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了研究，提出了起步時(shí)間、起步?jīng)_擊等評(píng)價(jià)指標(biāo)；雷云龍等[12-13]通過對(duì)AMT車輛進(jìn)行研究，基于層次分析方法確定指標(biāo)權(quán)重和利用仿真技術(shù)構(gòu)建了起步策略的駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)體系，但因權(quán)重確定的主觀性，其評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性難以保證。上述方法均是針對(duì)具體問題提出來的，都有自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，對(duì)車輛駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)方法的研究有一定參考價(jià)值，但評(píng)價(jià)結(jié)果穩(wěn)定性差和保證評(píng)價(jià)模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的問題仍未很好解決。

針對(duì)上述問題，本文中提出了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的起步工況駕駛性品質(zhì)評(píng)估方法。通過分析起步控制機(jī)理，確定了響應(yīng)延遲、加速時(shí)間、沖擊度、加速度峰值、振蕩、轉(zhuǎn)速波動(dòng)等多維評(píng)價(jià)指標(biāo)，參與到評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建和車輛駕駛性品質(zhì)的評(píng)估中。由于評(píng)價(jià)模型考慮了多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中權(quán)值等參數(shù)均由學(xué)習(xí)所得，得到的評(píng)估結(jié)果更穩(wěn)定、準(zhǔn)確。該研究為駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)提供了新方法，對(duì)整車控制策略的標(biāo)定優(yōu)化工作有很高的實(shí)用價(jià)值。

1 起步控制機(jī)理的駕駛性品質(zhì)指標(biāo)分析

為分析影響駕駛性品質(zhì)的因素，以文獻(xiàn)[14]中提出的如圖1所示的DCT起步控制系統(tǒng)為分析目標(biāo)。不同起步意圖I會(huì)通過控制系統(tǒng)，反饋得到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與離合器轉(zhuǎn)速比ice及發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與駕駛員意圖的目標(biāo)轉(zhuǎn)速偏差Δn，將轉(zhuǎn)速偏差Δn作為起步控制目標(biāo)，推導(dǎo)出離合器目標(biāo)接合速度vc_r，升速換算(即根據(jù)齒輪減速機(jī)構(gòu)的速比和速度轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的半徑換算)出目標(biāo)接合轉(zhuǎn)速nm_r。通過電動(dòng)機(jī)控制離合器位置，進(jìn)而控制目標(biāo)接合速度與實(shí)際接合轉(zhuǎn)速差值Δnm，經(jīng)減速計(jì)算，得到離合器實(shí)際接合速度vc，最后得到發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速比ice，實(shí)現(xiàn)不同起步意圖下發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速nr與目標(biāo)轉(zhuǎn)速ng偏差Δn的反饋控制。

圖1 起步控制系統(tǒng)

在離合器接合過程中，因標(biāo)定的離合器接合速度不合理，會(huì)造成起步過程中平順性與響應(yīng)問題[15]，這將嚴(yán)重影響車輛駕駛性品質(zhì)。不同起步意圖下，離合器接合速度過快，會(huì)引起起步?jīng)_擊、振蕩和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大等問題，造成車輛在起步過程發(fā)生喘振，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火；離合器接合速度過慢，會(huì)造成起步延遲，發(fā)揮最大動(dòng)力所需響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)，破壞起步的響應(yīng)特性。在離合器逐步接合過程中，從動(dòng)盤在滑摩階段會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)情況，引起車身出現(xiàn)一種低頻縱向抖動(dòng)現(xiàn)象。

2 起步工況駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)是在保證車輛傳動(dòng)系壽命前提下，從平順特性、響應(yīng)特性兩個(gè)維度來確定相關(guān)指標(biāo)[16-17]。通過上節(jié)對(duì)駕駛性品質(zhì)指標(biāo)的分析，確定了起步?jīng)_擊度、起步加速度峰值、振蕩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)、起步響應(yīng)延遲和起步加速時(shí)間等指標(biāo)，其具體定義如下。

起步?jīng)_擊度反映從觸發(fā)加速踏板到加速度達(dá)到峰值過程的加速度變化快慢的程度，表示為

式中:J為起步?jīng)_擊度，m/s3；v為車輛行駛速度，m/s；a 為車輛縱向加速度，m/s2；t為變化時(shí)間，s。

起步加速度峰值是從觸發(fā)加速踏板到擋位信號(hào)發(fā)生變化過程中車輛能達(dá)到的最大加速能力，表示為

式中:Amaxpeak為縱向加速度峰值，m/s2；tp為觸發(fā)加速踏板時(shí)刻，s；tg為換擋時(shí)刻，s。

起步響應(yīng)延遲是從踩下加速踏板到信號(hào)傳遞給控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)后車輛開始移動(dòng)所需的時(shí)間，表示為

式中:Tdelay為響應(yīng)延遲，s；ta＝0.01g為縱向加速度達(dá)到0.01g 時(shí)刻，s。

起步加速時(shí)間是從踩下加速踏板到車輛能達(dá)到最大加速度所需的時(shí)間，其表示為

式中:Tresponse為響應(yīng)時(shí)間，s；ta＝max_peak為縱向加速度達(dá)到峰值時(shí)刻，s。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)是起步過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最大值與最小值的差值，表示為

式中:Δn為最大轉(zhuǎn)速波動(dòng)量，r/min；nmax為發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速，r/min；nmin為發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到的最小轉(zhuǎn)速，r/min。

振蕩[18]是起步過程中加速度達(dá)到峰值后加速度出現(xiàn)反復(fù)的低頻抖動(dòng)，其表示為

式中:RMS為起步過程縱向加速度振蕩，m/s2；ai為瞬時(shí)縱向加速度，m/s2；T為起步過程總時(shí)間，s。

3 起步工況駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

3.1 起步工況駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)體系的建立

根據(jù)歐洲駕駛工況標(biāo)準(zhǔn)[19]，將起步意圖設(shè)定為10%，20%，30%，50%，75%和100%加速踏板行程，依據(jù)不同起步意圖和相應(yīng)指標(biāo)構(gòu)建如圖2所示的駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)體系，目標(biāo)層U為綜合意圖下的駕駛性品質(zhì) U＝{U1，U2，…，Un}，其中，Ui為第 i個(gè)起步意圖駕駛性品質(zhì)；Ui＝{Ui1，Ui2，…，Uim}，其中 Uij為第i個(gè)起步意圖下第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.2 駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

圖2 起步工況駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)體系

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用[20-22]，但在評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用研究相對(duì)較少。考慮到駕駛性品質(zhì)評(píng)估模型構(gòu)建過程中主觀評(píng)分與客觀指標(biāo)之間并非簡(jiǎn)單的非線性關(guān)系，而模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)權(quán)重系數(shù)和修正模糊子集隸屬度函數(shù)的能力。本文中將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到構(gòu)建起步工況駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)的模型中，不同起步意圖和綜合意圖駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)模型構(gòu)建的基本架構(gòu)如圖3所示。其中，輸入層中n為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)，模糊層中m為樣本總量，推理層yi為第i個(gè)評(píng)價(jià)輸出結(jié)果。將評(píng)價(jià)指標(biāo)作為輸入層參數(shù)，并對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行模糊化處理、模糊推理評(píng)價(jià)和去模糊化操作，通過梯度下降優(yōu)化算法，使駕駛性品質(zhì)評(píng)分yd和評(píng)價(jià)模型預(yù)測(cè)評(píng)分yc的誤差達(dá)到最小。

圖3 駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)模型

起步工況駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)模型構(gòu)建流程圖如圖4所示，具體步驟如下。

步驟1 獲取訓(xùn)練和驗(yàn)證指標(biāo)數(shù)據(jù)集。通過相關(guān)數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲取汽車總線和IMU中與駕駛性評(píng)價(jià)相關(guān)的信號(hào)，并將多輛車不同起步意圖的測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)過駕駛員意圖識(shí)別算法和指標(biāo)識(shí)別算法處理得到評(píng)價(jià)指標(biāo)，和對(duì)應(yīng)的主觀評(píng)分共同構(gòu)造指標(biāo)數(shù)據(jù)集，80%用于模型訓(xùn)練，20%用于模型驗(yàn)證。

步驟2 構(gòu)建基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)模型。在此基礎(chǔ)上，確定不同起步意圖駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)模型的輸入為起步?jīng)_擊度、加速度峰值、振蕩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)、起步響應(yīng)延遲、起步加速時(shí)間等6維指標(biāo)，輸出為該起步意圖的駕駛性品質(zhì)評(píng)分(1維)，模糊隸屬度函數(shù)Sigmoid的個(gè)數(shù)為12，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為6-12-1。以不同意圖的評(píng)分為綜合意圖駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)模型的輸入，綜合意圖評(píng)分為輸出，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也為6-12-1。

步驟3 駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)模型的訓(xùn)練與測(cè)試。在構(gòu)建不同起步意圖和綜合意圖駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)模型后，對(duì)該網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行初始化，根據(jù)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，并對(duì)模糊數(shù)據(jù)集進(jìn)行檢驗(yàn)、調(diào)整、優(yōu)化直到滿足設(shè)定閾值，得到最終的駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)模型。

圖4 起步工況駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)模型構(gòu)建流程圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過對(duì)評(píng)價(jià)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證其有效性。實(shí)驗(yàn)車輛通過與國(guó)內(nèi)某主機(jī)廠合作，租用市面上25輛1.5T-DCT汽車，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為某專用試車場(chǎng)地的高環(huán)直線道路，所需數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括IMU，Vehicle Spy3，NeoVI Fire和筆記本電腦，其中，IMU為慣性測(cè)量設(shè)備，用于測(cè)量車速和加速度，Neo-VI Fire為汽車多總線接口，用于連接和讀取汽車總線和IMU中的信號(hào)；Vehicle Spy3為與NeoVI Fire配套的數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)人員為4名主觀評(píng)價(jià)人員，要求車輛的窗戶、空調(diào)等處于關(guān)閉狀態(tài)。在進(jìn)行不同起步意圖實(shí)驗(yàn)時(shí)，數(shù)據(jù)采集和相應(yīng)評(píng)價(jià)同時(shí)進(jìn)行。通過讀取CAN中部分信號(hào)和IMU中車速與加速度信號(hào)來獲取加速踏板行程、縱向加速度、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和制動(dòng)等信號(hào)。每輛實(shí)驗(yàn)車重復(fù)4次上述過程，獲取100組不同起步意圖的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過起步意圖識(shí)別算法和指標(biāo)識(shí)別算法來識(shí)別不同起步意圖的評(píng)價(jià)指標(biāo)，將4名專業(yè)評(píng)價(jià)人員的評(píng)價(jià)結(jié)果做進(jìn)一步數(shù)值處理，得到一組主觀評(píng)分作為真值。從100組數(shù)據(jù)組成的指標(biāo)數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選擇80組用于評(píng)價(jià)模型訓(xùn)練，剩余20組用于模型驗(yàn)證。

4.2 結(jié)果分析

按照上節(jié)所述方法進(jìn)行評(píng)價(jià)模型建模和訓(xùn)練，優(yōu)化得到滿足設(shè)定閾值的駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)模型后，將未參與模型訓(xùn)練的20組樣車數(shù)據(jù)通過評(píng)價(jià)模型預(yù)測(cè)評(píng)分與處理后的主觀評(píng)分進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證評(píng)價(jià)模型的預(yù)測(cè)效果。樣車綜合意圖和不同起步意圖的駕駛性品質(zhì)主客觀評(píng)分結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，綜合意圖的主客觀評(píng)分最大相差0.62分，發(fā)生在樣車(M3)上，最小僅相差0.01分，發(fā)生在樣車(M9)和(M16)上；不同起步意圖的主客觀評(píng)分最大相差0.69分，發(fā)生在車輛(M1)的75%加速踏板行程(U5)下，最小相差0分，發(fā)生在樣車(M19)的75%加速踏板行程(U5)下。不管是綜合意圖還是單個(gè)起步意圖，模型預(yù)測(cè)評(píng)分與主觀評(píng)分誤差能夠保持在1分以內(nèi)，93%以上的預(yù)測(cè)評(píng)分與主觀評(píng)分誤差小于0.5分。因?yàn)樵u(píng)價(jià)模型考慮了多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中權(quán)值等參數(shù)均由學(xué)習(xí)所得，得到的評(píng)估結(jié)果更穩(wěn)定且準(zhǔn)確。上述分析說明本文中提出的評(píng)價(jià)模型在預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性方面能克服單個(gè)評(píng)估人員評(píng)價(jià)不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)，其穩(wěn)定性方面也能滿足駕駛性品質(zhì)評(píng)估的要求。

表1 車輛綜合起步意圖和不同起步意圖的駕駛性品質(zhì)主客觀評(píng)分

為進(jìn)一步說明評(píng)價(jià)模型預(yù)測(cè)評(píng)分的有效性，引入合格率作為評(píng)判指標(biāo)，即主客觀評(píng)分誤差小于0.5分，則預(yù)測(cè)評(píng)分合格。預(yù)測(cè)評(píng)分合格與主客觀評(píng)分的相關(guān)系數(shù)如表2所示，其中不同起步意圖預(yù)測(cè)評(píng)分合格率最低為90%，最高達(dá)到100%，預(yù)測(cè)評(píng)分合格率都達(dá)到90%以上，說明所提出的駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)模型有較好的預(yù)測(cè)效果。為進(jìn)一步說明主客觀評(píng)分具有較好的一致性，利用皮爾森相關(guān)系數(shù)法對(duì)主客觀評(píng)分結(jié)果進(jìn)行分析。從表2可以看出，不同起步意圖的主觀評(píng)分和預(yù)測(cè)評(píng)分相關(guān)系數(shù)都達(dá)到了0.82以上，具有較高相關(guān)性，說明主客觀評(píng)分結(jié)果具有較好的一致性。參照主觀評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)[23]，主觀評(píng)分為1-10分，車輛得到的評(píng)分越高，其駕駛性品質(zhì)越高，評(píng)分小于7分則須對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行重新標(biāo)定，因此，可依據(jù)評(píng)估模型得到的不同起步意圖小于7的評(píng)分標(biāo)定相應(yīng)的控制參數(shù)，直到達(dá)到7分或更高的評(píng)分。綜上所述，本文中提出的車輛起步工況駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)模型能較為準(zhǔn)確地完成駕駛性品質(zhì)的預(yù)測(cè)，該研究為駕駛性評(píng)價(jià)提供了一種新方法，對(duì)于整車控制策略的標(biāo)定優(yōu)化工作有很高的實(shí)用價(jià)值。

表2 預(yù)測(cè)評(píng)分合格與主客觀評(píng)分相關(guān)系數(shù)

5 結(jié)論

(1)通過對(duì)車輛起步控制機(jī)理的研究，確定了響應(yīng)延遲、加速時(shí)間、沖擊度、加速度峰值、振蕩和轉(zhuǎn)速波動(dòng)等影響起步工況駕駛性品質(zhì)的指標(biāo)。

(2)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，故適用于駕駛性品質(zhì)的評(píng)價(jià)，使評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定。

(3)建立了駕駛性品質(zhì)的評(píng)價(jià)體系，并基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定且較準(zhǔn)確的起步工況駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)，為駕駛性品質(zhì)評(píng)價(jià)提供了一種新的方法。

所提出的評(píng)價(jià)模型方法同樣可應(yīng)用到其它性能的評(píng)價(jià)中，具有廣泛的適用性。