刘欣，丁殿磊，郭晓亮，巨环

　　（大连理工大学 机械工程学院， 辽宁 大连 116024）

　　摘要：针对汽车起步过程中驾驶员起步意图的不同，基于油门开度和油门变化率的模糊控制仿真，利用单圈滑动变阻器模拟油门机构设计电路，并且使用单片机实现。给出了油门开度、油门变化率以及核心算法的设计及软件运行流程图。通过在单片机平台上实现，表明这种方法能够很好地表达驾驶员的起步意图。

　　关键词： 起步意图；单片机；模糊控制

0引言

　　随着人们生活水平的提高，汽车在人们的生活中日益普及，它以便捷、快速的优势逐步取代了人们以往的出行方式，而人们对它的舒适性和智能简单化的要求也越来越高［1］。简便的自动档和半自动档汽车的应用会越来越广，这两种汽车主要通过驾驶员的意图来进行汽车起步和自动选换档的操作。汽车起步时的操作最具有代表性，研究驾驶员起步意图意义重大。当前，大部分起步意图的实现都采用MATLAB进行模拟仿真［2］，以油门开度和油门变化率为输入量，利用模糊控制算法来实现起步意图的输出。受实际情况的限制，真实的仿真并不多。本文利用单片机来实现驾驶员起步意图的仿真，将线性模拟的起步意图转换为对应时间的数字值来表达起步缓急，并且在LCD1602屏上显示出来。这种方法简便易懂，为起步意图的实际仿真提供了一种方法。

1使用MATLAB进行仿真

　　汽车在起步时，首先是驾驶员接触到外部环境信息，然后决定起步的快慢，最后控制油门踏板进行起步。因此驾驶员的起步意图通常是通过油门开度和油门变化率来判断的，油门开度大，油门开度变化率高，表明驾驶员急于起

　　步；反之亦然。起步过程随驾驶员操纵意图的不同可分为慢起步、正常起步和快起步。在对起步意图进行判断时采用双输入单输出的结构,如图1所示。

　　油门开度的基本论域为［0,1］，论域设定为{0,1,2,3,4,5,6,7,8}；量化因子的计算值为8；油门开度变化率的基本论域为［-3,3］，论域设定为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，量化因子为2；起步意图本身是一个模糊量，设其论域为［0,l,2,3,4,5,6］，采用高斯型隶属度函数，建立模糊推理规则集如表1所示［34］。经MATLAB建立仿真模型可得到汽车起步时的起步意图三维图，如图2所示。　

2系统总体设计及实现

　　不同的起步意图对离合器的结合速度有不同的要求。在起步控制中应能对不同的驾驶意图进行识别和判断，并采取相应的策略进行控制。控制不当便会影响车辆平顺性，造成较大的滑摩功并使发动机运转不稳定。所以对起步意图进行识别和判断显得尤为重要［5］。

　　图3所示为总体方案图，采用一个单圈滑动变阻器来模拟油门机构。首先将滑动变阻器所加载的电压通过A/D转换模块传送到单片机中，将电压由模拟信号转换为数字信号，根据数值大小来表现油门的开度，同时利用定时器记录其变化的时间差，在同等油门开度的前提下可以直接使用时间差来表现油门开度的变化率；然后使用查表法来表现模糊控制器的运算过程；最后同样使用数字来表现起步意图。将输入输出同时在LCD1602屏上显示，验证方案的正确性。

图3总体方案图

　　图4油门模拟电路图使用滑动变阻器来模拟油门时，采用电压分压的方法，如图4所示，当滑动变阻器处于最小值时，ACC端电压为5 V，当滑动变阻器为最大值时，ACC端电压为1 V，所以ACC端的电压值为1~5 V，然后经过ADC0832进行A/D转换处理，得到的对应数值为51~255（对应的单片机为8位单片机），51对应的油门开度为0，255对应的油门开度为100，设定呈线性关系，将其转换为函数关系式为：

　　y=2.04x+51(1)

　　其中， y代表油门开度，x代表AD转换值。

　　用此数值来模拟表示油门的开度。同时，在开始转换的同时使用定时器计数，记录单圈滑动变阻器转动的时间，在同样的油门开度前提下，起步所需时间可以间接表示油门开度变化率的情况。

　　使用单片机进行数据处理时，可以采用查表法来模拟模糊控制的运算过程。将油门开度分为5份:0~20、20~40、40~60、60~80、80~100，分别表示油门开度变化很小、小、中等、大、很大；设定踩下油门的时间最长为2 s，同样将其分为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，对应表示所需时间很快、快、中等、慢、很慢；同样将起步意图分为5种情况，用1~5表示很慢、慢、正常、急、很急，如表2所示。

　　按照表2建立起一个数组，在系统运算过程中，首先得到AD转换的数值，经式（1）计算得到油门开度的数值，利用定时器计数得到所用时间；然后，就能根据上述两个数值所在范围确定数组的两个指针；最后将数组中指针所对应的起步意图输出到LCD1602显示屏上，可以是数字1~5，也可以用语言直接描述。这样，就能直接得到驾驶员的起步意图了［67］。

3软件流程图

　　按照系统总体设计的要求, 单片机控制要能做到实时对驾驶员的起步意图作出正确响应。 整个控制系统由信号检测与处理、模糊运算、 结果输出显示3部分组成。首先进行初始化，包括定时器、AD转换，初始化成功后读取油门模拟电路转换的数字电压值，将其代入式（1）中求得数字化的油门开度，同时利用定时器计时功能记录滑动变阻器转动的时间，最后根据查表法完成驾驶员起步意图程度的判定，并且进行输出。软件流程如图5所示。

　　在进行计算处理时，因为式（1）中的相关参数为小数形式，可以采用分数形式进行计算，计算结果直接取整即可。在LCD1602显示屏上可以同时显示油门开度、起步所用时间以及驾驶员的起步意图程度，这样，可以使结果的表现更加清晰，验证的结果更加准确。本文使用51单片机作为ECU进行实验，采用KEIL开发平台，并通过 JLINK仿真器将程序下载到单片机上，通过串口调试助手，对驾驶员起步意图的快、正常、慢3种情形进行了验证。结果表明这种方法可以很好地表现驾驶员的起步意图。

4结论

　　经过多年的发展，汽车现在已经变得越来越智能化了。由于自动变速车辆在运行过程中换挡更加简单、操纵更加方便、减小了不同驾驶技巧间的差距，因此普及程度越来越高。自动变速器的核心和重点难点就在于根据驾驶员操纵意图与行驶环境而自动进行选换挡。 目前，针对自动变速器在汽车上的自动换挡策略的研究越来越多，而且对于自动变速器换挡策略的研究由最初的单参数、两参数、三参数换挡策略发展到现在的考虑车辆运行状况和驾驶员意图的模糊控制和神经网络控制等换挡策略。但是在进行实验验证时，有时会受条件限制，驾驶员的起步意图只能在MATLAB上进行软件仿真。本文在模糊控制的基础上，提出了一种利用单片机表现驾驶员起步意图的方法，研究结果表明，该控制策略可以充分反映驾驶员的意愿，为更好地研究自动换档策提供了帮助。

　　参考文献

　　［1］ 陈虹,宫洵,胡云峰,等.汽车控制的研究现状与展望［J］.自动化学报,2013，39（4）:322346.

　　［2］ 王旭东,谢先平,吴晓刚,等.自动离合器起步模糊控制［J］.农业机械学报,2008,39（12）:1822.

　　［3］ 许男. 自动离合器接合规律及控制系统的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学,2009.

　　［4］ 罗石,章丹丹,朱长顺,等.纯电动客车起步仿真研究［J］.机电工程,2015,32(1):141145.

　　［5］ 余春晖,陈慧岩,丁华荣.车辆离合器起步阶段模糊控制的研究［J］. 汽车工程，2005，27(4)：423425,430.

　　［6］ 周鹏.基于STC89C52单片机的多功能测温仪设计［J］.微型机与应用,2013,32(1):2629.

　　［7］ 戚伟,邱旭伟,刘劲松,等.基于PIC16单片机的正弦调光电路［J］.电子技术用,2014,40(10):3032,36.