汽车防滑控制系统道路识别技术的研究
汽车防滑控制系统能够提高车辆的牵引性和操纵稳定性，减少轮胎磨损和事故风险，增加行驶安全性和驾驶轻便性，使得汽车在附着状况不好的路面上能顺利起步和行驶并安全制动[1]。众所周知，防滑系统的控制效果主要取决于该系统的控制策略和控制算法等核心内容。目前大多数防滑控制系统都采用基于最佳滑移率为目标的控制方法，由传感器采集车轮转速及车身的加速度信号，由此获得车辆的滑移率的信息；并以车辆滑移率门限值为主、车轮加减速度门限值为辅的控制方法和控制逻辑算法对车辆的执行系统进行控制以优化驱动力（制动力）的分配，保证车辆能够充分地利用地面的附着力[2]。但应该注意的是，门限值的确定要考虑汽车的各种参数、驱动过程中的各种工况、外界条件及可能的变化等极其复杂的因素，在不同的道路条件下作为控制逻辑中重要参量的车辆的目标滑移率及地面的峰值附着系数都不是一个固定的量[3]，如图1 所示。因此在防滑控制系统中应该根据车辆所处的道路状况采取不同的控制门限值及控制算法。在以最佳滑移率为控制目标的防滑系统中，目前大多数的系统都是用一个固定的、人为设定的最佳滑移率作为控制目标参量，并以此为根据将车轮的实际滑移率与之对比来确定出车辆的稳定区域和非稳定区域[4]，没有考虑到道路状况对目标滑移率、车轮速度及角加速度等参量变化的影响。而要从根本上改变这一状况的关键，便是要能够对车轮所处的路面进行实时的监测和识别，根据路面状况采用不同的控制门限值并采取不同的控制算法和控制逻辑。
图1 不同路况下的滑移率与附着系数
由于基于路况评价的控制算法和策略对车辆的自适应控制效果能够起到明显的改进作用，提高车辆的动力学性能并改善其操纵稳定性，所以近年来国外实时道路识别技术的发展很快。道路状况的评价方法总体上可以分为直接仪器测量、数字特征参量测量识别和采用车辆动力学参数解析辨识三类。
通过试验仪器来对路面附着系数进行测量是一种最简单的方法，20 世纪70 年代在英、美、瑞典等国就已有了可以测量路面附着系数的设备[5]；国内的科技工作者在道路附着系数的检测仪器研究方面也开展了一定的工作，提出了可行的测量与计算方法。但由于测定附着系数的试验存在可重复性差、影响因素多等问题，从而给精确确定附着系数造成了一定困难[6～8]。
部分国外的研究人员将光学传感器装备在汽车上，通过对地面反射光进行频谱分析来对路面状况进行评估[9～10]。日本学者通过采用一种峰值功率为200W 的激光束扫描的方法来对路面进行判别，该装置对干路面、湿路面以及冰雪路面的正确识别率可达98％[11]。基于同样的原理，超声波传感器在路面检测中也有一定的应用[12]。有些国外学者将声学传感器安装在汽车上来采集车轮与路面间的摩擦噪声，并以此来作为识别路面的依据[13]。近年来在道路识别系统的研究中采用雷达波、毫米波等电磁波的方法日益增多[14～16]。基于数字图像处理和特征识别理论的道路判别技术的研究在最近一段时期来也逐渐被一些国外的科研工作者所采用[17～19]。和采用仪器直接测量道路附着系数的方法一样，采用光学、声学以及微波等传感器来对路面状况进行判别的方法虽然能够获得较好的判别效果，但也存在着诸如需要很多附加设备等缺点，而且它最大的问题是无法使用车辆安全性控制系统本身所固有的如轮速传感器、加速度传感器等设备，不能够与车辆本身的控制系统实现集成化。
基于上述原因，采用车辆的动力学参数来对路面状况进行评估和预测的研究近来被越来越多的学者提上了日程。作为一项随着车辆动力学控制系统的发展而产生的技术，这种方法能够直接应用ABS（防抱死制动系统）等系统固有的传感器，亦无需附加其它的任何设备，从而降低了系统的复杂程度和成本，具有广阔的实用前景和潜力。
国外在车辆主动安全性控制系统中采用车辆动力学参数来识别道路的技术研究可以追溯至1992 年[20]。美国内华达大学的Georg Mauer 在1994 年提出了一种基于ABS 系统道路识别系统的方案，他利用车辆滑移率及轮缸制动压力的变化来判别车辆行驶的实际道路状况 [21～22]。1996 年，美国军方与克莱斯勒公司、ITT 汽车公司等联合进行了一项针对美军4×4 型高机动性多用途轮式车辆（HMMWV）的TCS（驱动防滑控制系统）系统的研制项目，该项目采用模糊逻辑的TCS 控制器，根据不同的道路状况采取不同的模糊控制规则[23]。瑞典的Gustafsson Fredrik 和韩国的Wookug Hwang 等人分别对车辆正常行驶情况下车轮滑移率与地面作用的切向力之间的关系进行了探讨，并提出了采用估计出的道路附着系数对车轮滑移率相对变化的梯度来对路面进行分类的理论[13],[24～25]。日本东京大学的Hideo Sado 和Shin-ichiro Sakai 等人以电动汽车的驱动控制试验为基础，对在整个滑移率变化范围内以非线性化的μ－S 曲线的斜率来对路面的附着状况进行评估进行了探讨[26～28]。
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