朱敏，陳慧巖，熊光明

（北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081）

無人駕駛輪式車輛電控氣壓制動技術(shù)研究

朱敏，陳慧巖，熊光明

（北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081）

以有人駕駛4×4輕型戰(zhàn)術(shù)輪式車輛為基礎(chǔ)，開展無人駕駛電控制動技術(shù)研究。針對原車氣壓制動的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，設(shè)計一種電控氣壓制動系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)該車無人駕駛模式電控制動功能的同時，保留人工駕駛模式人工制動功能，且兩種模式能夠靈活切換。通過實(shí)車試驗(yàn)辨識電磁閥控制特性、不同路面車輛滾動阻力系數(shù)、電控制動車輛減速度與車速及控制輸入的關(guān)系，并與無人車輛其他模塊聯(lián)調(diào)，為后續(xù)無人車輛控制策略的制定提供試驗(yàn)依據(jù)和理論支撐。試驗(yàn)結(jié)果表明：所開發(fā)的電控氣壓制動系統(tǒng)能夠快速、精確地響應(yīng)制動請求，人工行車制動與電控行車制動切換靈活、過渡平穩(wěn)，可廣泛應(yīng)用于其他使用氣壓制動系統(tǒng)的商用車輛，以實(shí)現(xiàn)無人駕駛或輔助駕駛功能。

兵器科學(xué)與技術(shù)；輪式車輛；無人駕駛；電控氣壓制動；實(shí)車試驗(yàn)

0 引言

依據(jù)有人駕駛輪式車輛基礎(chǔ)，開展無人駕駛相關(guān)技術(shù)研究，對發(fā)展高機(jī)動地面無人平臺具有重要的戰(zhàn)略意義。而電控制動作為此類無人車輛（后文無人車輛均指此類無人駕駛輪式車輛）核心技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)無人駕駛智能行為的前提和基礎(chǔ)。

對于采用液壓制動的乘用車輛，現(xiàn)有有人駕駛車輛電控輔助制動系統(tǒng)發(fā)展較為成熟，有多種類型的裝置得以應(yīng)用，如電子真空助力器［1-2］、電控液壓輔助制動裝置［3］等。德國博世公司2013年6月推出的智能化助力器iBooster［4-5］，通過電動機(jī)實(shí)現(xiàn)電控制動，方便后續(xù)乘用車輛新能源技術(shù)、主動安全及自動駕駛技術(shù)相關(guān)研究。而對于采用氣壓制動的商用車輛，Karthikeyan等在試驗(yàn)臺架上將電控氣壓調(diào)節(jié)閥與制動氣室直接相連，建立了控制電壓輸入與制動氣室壓力變化瞬態(tài)過程的數(shù)學(xué)模型［6-7］；王建強(qiáng)等設(shè)計了一種基于高速開關(guān)閥的氣壓電控輔助制動裝置，進(jìn)行了硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)［8］；王軍等開發(fā)了一套能量回饋主動控制氣壓制動系統(tǒng)，通過引入雙控比例繼動閥實(shí)現(xiàn)制動力精確分配［9］。

本文以有人駕駛4×4輕型戰(zhàn)術(shù)輪式車輛為基礎(chǔ)，對原車氣壓制動回路進(jìn)行改造設(shè)計，開發(fā)了一種電控氣壓制動系統(tǒng)。在完成該系統(tǒng)氣壓制動回路設(shè)計、電控硬件設(shè)計、電控軟件設(shè)計以及臺架邏輯測試、實(shí)車靜態(tài)測試的基礎(chǔ)上，在不同路面對系統(tǒng)性能進(jìn)行實(shí)車道路測試，得到不同路面系統(tǒng)控制特性，并將此系統(tǒng)與無人車輛其他模塊聯(lián)調(diào)，以驗(yàn)證系統(tǒng)控制性能。

1 電控氣壓制動系統(tǒng)設(shè)計

在進(jìn)行電控氣壓制動系統(tǒng)設(shè)計之前，首先給出無人車輛的整體架構(gòu)。按照分層設(shè)計、模塊化設(shè)計的思想，無人車輛可以分為上層規(guī)劃決策模塊和下層車輛平臺兩部分，如圖1所示。

圖1 無人車輛整體架構(gòu)Fig.1 Overall structure of unmanned wheeled vehicle

上層規(guī)劃決策模塊主要包括環(huán)境感知、環(huán)境建模、路徑規(guī)劃和軌跡跟蹤。其中環(huán)境感知模塊通過外部環(huán)境感知傳感器，如激光雷達(dá)、攝像機(jī)、紅外相機(jī)、夜視設(shè)備、毫米波雷達(dá)等，獲取前方及周圍行駛環(huán)境信息；環(huán)境建模模塊根據(jù)行駛環(huán)境信息建立環(huán)境模型，對多傳感器信息進(jìn)行融合，得到無人車輛的可通行區(qū)域；路徑規(guī)劃模塊獲取并處理任務(wù)信息，進(jìn)行任務(wù)與全局路徑規(guī)劃，并結(jié)合可通行區(qū)域信息及車輛動力學(xué)特性約束，進(jìn)行局部路徑規(guī)劃，得到無人車輛期望行駛軌跡；軌跡跟蹤模塊根據(jù)期望行駛軌跡，向下層車輛平臺底層集成控制器下發(fā)期望車速和期望前輪偏角控制命令。底層集成控制器協(xié)調(diào)車輛縱向運(yùn)動控制和橫向運(yùn)動控制，使其滿足車輛動力學(xué)約束；縱向運(yùn)動控制包括動力、傳動和制動控制，實(shí)現(xiàn)對期望車速的跟蹤控制；橫向運(yùn)動控制即轉(zhuǎn)向控制，實(shí)現(xiàn)期望前輪偏角的跟蹤控制。

1.1 氣壓制動回路設(shè)計

原車前橋行車制動系統(tǒng)由行車制動閥、快放閥和前橋行車制動氣室組成，后橋行車制動系統(tǒng)由行車制動閥、繼動閥和后橋行車制動氣室組成。為實(shí)現(xiàn)電控行車制動，從氣源并入比例電磁閥，并使用梭閥實(shí)現(xiàn)人工行車制動與電控行車制動模式切換，如圖2所示。圖2中氣壓制動回路實(shí)線表示工作管路，虛線表示控制管路。

梭閥一路進(jìn)氣口與行車制動閥出氣口相連，另一路進(jìn)氣口與比例電磁閥出氣口相連，梭閥出氣口與快放閥進(jìn)氣口或繼動閥控制口相連。梭閥具有比較兩進(jìn)氣口氣壓大小并選擇較大值進(jìn)行輸出的特性。因此，人工行車制動時，梭閥輸出氣壓為行車制動閥出氣口氣壓，從而由駕駛員控制無人車輛制動強(qiáng)度；電控行車制動時，梭閥輸出氣壓為比例電磁閥出氣口氣壓，從而由制動控制器控制無人車輛制動強(qiáng)度；同時實(shí)施人工行車制動和電控行車制動時，梭閥選擇行車制動閥出氣口和比例電磁閥出氣口氣壓較大者進(jìn)行輸出，二者值相同時，梭閥輸出相同的值，因此從氣路結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了人工行車制動與電控行車制動之間的靈活切換。

系統(tǒng)選用比例電磁閥，一方面具有制動壓力精確連續(xù)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，另一方面可以避免文獻(xiàn)［8］中氣壓電控輔助制動裝置使用高速開關(guān)閥在制動壓力調(diào)節(jié)過程中由于加壓、保壓和減壓狀態(tài)切換造成的系統(tǒng)震蕩問題。

圖2 氣壓制動回路設(shè)計Fig.2 Design of air brake circuit

1.2 電控硬件設(shè)計

根據(jù)電控制動控制及試驗(yàn)測試需求，設(shè)計的電控氣壓制動系統(tǒng)電控硬件如圖3所示。其中，角位移傳感器，用于采集制動踏板角位移信息；壓力傳感器，用于采集比例電磁閥進(jìn)氣口、梭閥出氣口和行車制動氣室進(jìn)氣口壓力信息；遙控信號接收器，用于緊急情況（如上層規(guī)劃決策模塊規(guī)劃錯誤或死機(jī)等情況）車輛試驗(yàn)人員通過遙控信號發(fā)生器對車輛實(shí)施緊急制動；比例電磁閥，用于實(shí)現(xiàn)電控行車制動壓力調(diào)節(jié)。制動控制器包括:

1）模擬信號處理電路，用于將角位移傳感器和壓力傳感器采集到的模擬信號經(jīng)低通濾波處理后輸送到微處理器；

2）脈寬調(diào)制（PWM）信號處理電路，用于將遙控信號接收器輸出的PWM信號經(jīng)光耦隔離后輸送到微處理器；

3）CAN通訊模塊，用于與原車CAN通訊網(wǎng)絡(luò)相連，接收車輛行駛狀態(tài)信息的同時，響應(yīng)通訊網(wǎng)絡(luò)上底層集成控制器的控制請求，并向該通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)送自身控制狀態(tài)；

4）串口通訊模塊，用于與預(yù)裝在采集與調(diào)試工控機(jī)上的上位機(jī)采集與調(diào)試軟件通訊，接收上位機(jī)下發(fā)的單功能調(diào)試控制指令，并將采集數(shù)據(jù)和制動控制器控制狀態(tài)發(fā)送到上位機(jī)，由上位機(jī)采集與調(diào)試軟件進(jìn)行保存，用于后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析；

5）微處理器，根據(jù)接收到的信息并結(jié)合自身控制狀態(tài)進(jìn)行綜合計算后，分別向PWM驅(qū)動電路和開關(guān)驅(qū)動電路下發(fā)控制信號；

6）PWM驅(qū)動電路，用于驅(qū)動比例電磁閥；

7）開關(guān)驅(qū)動電路，用于驅(qū)動行車制動燈；

8）電源模塊，用于將無人車輛上的24 V車載蓄電池提供的不穩(wěn)定直流電，轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的5 V和24 V直流電，為系統(tǒng)中其他各模塊供電。

圖3 電控硬件設(shè)計Fig.3 Design of electronic control hardware

1.3 電控軟件設(shè)計

與電控硬件相匹配，設(shè)計的電控氣壓制動系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖4所示。電控氣壓制動控制程序通過CAN通信與底層集成控制器縱向運(yùn)動控制程序相協(xié)調(diào)，進(jìn)行制動控制；通過串口通信與上位機(jī)采集與調(diào)試軟件相配合，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及實(shí)車調(diào)試測試。主要包括以下三部分:

1）行車程序。包括行車制動控制程序和遙控制動控制程序。其中，行車制動控制程序用于無人駕駛模式需要實(shí)施電控行車制動時，響應(yīng)底層集成控制器制動請求，實(shí)施電控行車制動；遙控制動控制程序用于無人駕駛模式緊急情況下，如上層規(guī)劃決策模塊規(guī)劃錯誤或死機(jī)等情況，車輛試驗(yàn)人員判定無人車輛存在危及車輛、行人及其他生命財產(chǎn)安全的可能時，可以在遠(yuǎn)距離通過遙控信號發(fā)生器發(fā)出緊急制動遙控信號使得車輛緊急制動。

2）調(diào)試程序。包括單電磁閥階躍輸入程序和行車制動階躍輸入程序，用于車輛平臺實(shí)車調(diào)試測試階段，分別對電磁閥階躍響應(yīng)特性、車輛電控行車制動性能進(jìn)行摸底測試。

圖4 電控軟件設(shè)計Fig.4 Design of electronic control software

3）通信程序。包括采集通信程序和調(diào)試通信程序。其中，采集通信程序用于將電控氣壓制動系統(tǒng)中間狀態(tài)發(fā)送至上位機(jī)采集與調(diào)試軟件，以便于試驗(yàn)過程中監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)并及時改進(jìn)控制策略；調(diào)試通信模塊用于接收上位機(jī)調(diào)試測試請求，并反饋當(dāng)前調(diào)試程序狀態(tài)信息，為調(diào)試程序各子程序提供跳轉(zhuǎn)接口。

圖5 上位機(jī)采集與調(diào)試軟件主界面Fig.5 Main interface of computer acquisition and debugging software

上位機(jī)采集與調(diào)試軟件使用VB編寫，主界面如圖5所示。圖5中Lpd、Bth分別表示油門踏板開度和制動踏板開度；umd、ulpd、ubrk、uerr分別表示無人駕駛模式狀態(tài)、油門請求百分比、制動請求百分比和故障碼；柄位D、N、R分別表示前進(jìn)擋、空擋和倒擋；Gear表示變速器當(dāng)前擋位；Ne、Ni、No分別表示發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、變速器輸入軸轉(zhuǎn)速和輸出軸轉(zhuǎn)速；Deb、Pwm共同表示系統(tǒng)調(diào)試狀態(tài)；P1～P6分別對應(yīng)圖2中測壓點(diǎn)1～6氣壓；開關(guān)狀態(tài)BK、Est、Cer通過變亮或變暗分別指示是否人工干預(yù)制動、是否遙控制動、系統(tǒng)是否通信故障。該采集與調(diào)試軟件主要實(shí)現(xiàn)如下功能:1）車輛行駛狀態(tài)監(jiān)測；2）電控氣壓制動控制狀態(tài)監(jiān)測；3）單電磁閥動作控制；4）行車制動階躍輸入控制；5）實(shí)時保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)；6）離線繪制試驗(yàn)曲線。

2 系統(tǒng)試驗(yàn)測試

2.1 臺架邏輯測試

為初步驗(yàn)證本文設(shè)計的電控氣壓制動系統(tǒng)功能和邏輯的正確性，搭建了如圖6所示的電控氣壓制動系統(tǒng)臺架，對第1節(jié)設(shè)計的氣壓制動回路、電控硬件、電控軟件以及上位機(jī)采集與調(diào)試軟件進(jìn)行了全面調(diào)試。

圖6 電控氣壓制動系統(tǒng)臺架Fig.6 Bench of electropneumatic brake system

2.2 實(shí)車靜態(tài)測試

臺架調(diào)試通過后，對原車氣壓制動回路進(jìn)行改造，改造完成后試驗(yàn)車輛如圖7所示。按臺架測試流程對實(shí)車進(jìn)行原地靜態(tài)調(diào)試，以保證后續(xù)實(shí)車道路測試安全、可靠地進(jìn)行。

圖7 試驗(yàn)車輛Fig.7 Test vehicle

2.3 電磁閥階躍響應(yīng)測試

在實(shí)車靜態(tài)測試過程中，通過上位機(jī)采集與調(diào)試軟件單電磁閥動作控制按鈕向制動控制器發(fā)送單電磁閥階躍響應(yīng)測試命令，制動控制器響應(yīng)該命令，控制電磁閥動作4 s，停止8 s，占空比輸入從0到100%按2%步長遞增，試驗(yàn)過程如圖8（a）所示。電磁閥控制特性如圖8（b）所示，可用（1）式表示:

式中:po為比例電磁閥出氣口氣壓（MPa）；pi為比例電磁閥進(jìn)氣口氣壓（MPa）；Pty為比例電磁閥占空比輸入值（%）.

圖8 電磁閥階躍響應(yīng)測試Fig.8 Solenoid valve step response test

通過電磁閥階躍響應(yīng)測試可知:占空比輸入低于15.8%時，系統(tǒng)選用的比例電磁閥無動作；占空比輸入高于48.6%時，電磁閥完全開啟；占空比輸入介于15.8%～48.6%時，電磁閥線性連續(xù)可調(diào)，具有良好的控制特性。

2.4 實(shí)車道路測試

試驗(yàn)項(xiàng)目在平直干水泥混凝土路（以下簡稱水泥路）和平直干石灰多合土路（以下簡稱土路）分別進(jìn)行，路面情況如圖9（a）和圖9（b）所示。

圖9 試驗(yàn)道路Fig.9 Test road

通過實(shí)車道路試驗(yàn)對車輛空擋滑行、人工行車制動、電控行車制動以及二者切換功能和性能進(jìn)行摸底測試，具體內(nèi)容如下:

2.4.1 空擋滑行

不同路面車輛空擋滑行過程如圖10所示。土路車輛滾動阻力系數(shù)在0.05～0.07之間變化，車速對其影響不大；通過最小二乘法擬合得到水泥路車輛滾動阻力系數(shù)與車速的關(guān)系如（2）式，數(shù)值較小且車速對其影響也不大。因此，后續(xù)無人車輛縱向運(yùn)動控制策略制定時車輛滾動阻力系數(shù)取定值:水泥路為0.03；土路為0.06.

式中:f為水泥路車輛滾動阻力系數(shù)；ua為車速（km/h）.

圖10 空擋滑行試驗(yàn)Fig.10 Vehicle coasting in neutral position

2.4.2 人工行車制動

不同制動初速度下，駕駛員（試驗(yàn)過程共3名熟練駕駛員）按照自己的駕駛習(xí)慣實(shí)施緊急制動，記錄試驗(yàn)過程，并使用（3）式統(tǒng)計每次制動過程車輛平均制動減速度，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，隨著制動初速度的增加，駕駛員期望的制動強(qiáng)度加大。

式中:am為車輛平均制動減速度（m/s2）；uas為制動起始時刻車速（km/h）；uae為制動終止時刻車速（km/h）；sb為制動過程車輛行駛距離（m）.

圖11 人工行車制動試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Test results of manual service braking

2.4.3 電控行車制動

試驗(yàn)測試了不同制動初速度下不同占空比階躍輸入時車輛電控行車制動，結(jié)果如圖12所示。

圖12 電控行車制動試驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Test results of electronic control service braking

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，占空比低于16%時，無制動效果，這與電磁閥控制特性試驗(yàn)結(jié)果相一致；占空比超過28%時，制動過于緊急；占空比在16%～28%范圍內(nèi)變化時，水泥路和土路制動減速度與占空比輸入值關(guān)系可用（4）式和（5）式表示。因此，后續(xù)無人車輛縱向運(yùn)動控制過程中將占空比范圍限制在16%～28%，并使用（6）式和（7）式分別計算水泥路和土路電控行車制動占空比輸入初值，在此初值基礎(chǔ)上進(jìn)行PI調(diào)節(jié)控制。

式中:ac為水泥路制動減速度（m/s2）；ad為土路制動減速度（m/s2）；Ptyc為水泥路占空比輸入值（%）；Ptyd為土路占空比輸入值（%）.

式中:ace為水泥路期望制動減速度（m/s2）；ade為土路期望制動減速度（m/s2）；Ptyc0為水泥路占空比輸入初值（%）；Ptyd0為土路占空比輸入初值（%）.

2.4.4 人工、電控行車制動相互切換

分別在水泥路和土路上進(jìn)行人工行車制動過程中電控制動、電控行車制動過程中人工制動的試驗(yàn)。圖13示例了水泥路、制動初速度為60 km/h時電控行車制動過程中人工干預(yù)制動的情況。車輛以1.9 m/s2減速度電控行車制動一段時間后，駕駛員踩制動踏板，進(jìn)行人工干預(yù)制動，制動強(qiáng)度加大，車輛以2.75 m/s2減速度減速至停車。切換過程梭閥出氣口氣壓變化平穩(wěn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計:使用梭閥可以從氣路結(jié)構(gòu)上保證人工行車制動與電控行車制動靈活切換、平穩(wěn)過渡。同時注意到，由于后橋行車制動系統(tǒng)使用了繼動閥，梭閥出氣口氣壓僅作為控制信號，氣源通過繼動閥直接向后橋行車制動氣室供氣，因此后橋行車制動氣室氣壓建立較前橋快。

圖13 電控行車制動過程中人工干預(yù)制動Fig.13 Manual intervention in the process of electronic control service braking

2.5 與無人車輛其他模塊聯(lián)調(diào)測試

按照圖1給出的架構(gòu)，將該輪式車輛進(jìn)一步改造成無人車輛，并進(jìn)行聯(lián)調(diào)測試。圖14示例了某次越野路面以期望車速為10.8 km/h行駛一段時間后自動停車的試驗(yàn)過程。圖14中油門請求百分比、制動請求百分比為底層集成控制器向發(fā)動機(jī)控制器、制動控制器分別發(fā)出的控制量。其中，制動請求百分比與制動控制器實(shí)際響應(yīng)占空比存在（8）式的映射關(guān)系。式中設(shè)置死區(qū)可以充分利用車輛滑行，并減少油門和制動的切換頻率。

式中:brkre為制動請求百分比（%）；Ptyre為制動控制器實(shí)際響應(yīng)占空比（%）.

圖14 越野路況無人車輛縱向運(yùn)動控制Fig.14 Longitudinal motion control of unmanned wheeled vehicle on off-road terrain

整個試驗(yàn)過程中，該電控氣壓制動系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)無人車輛電控行車制動控制請求。但由于該無人車輛處于初步研究階段，縱向運(yùn)動控制使用PI調(diào)節(jié)，各參數(shù)有待優(yōu)化，且道路阻力波動較大，因此速度控制品質(zhì)不高。下一階段應(yīng)配合無人車輛其他模塊研究如何提高行駛速度以及速度控制品質(zhì)。

3 結(jié)論

1）系統(tǒng)具有較好的控制特性，能夠滿足無人車輛制動控制性能需求；使用梭閥從氣路結(jié)構(gòu)上保證了人工行車制動與電控行車制動靈活切換、平穩(wěn)過渡。

2）通過實(shí)車試驗(yàn)辨識出電磁閥控制特性、不同路面車輛滾動阻力系數(shù)、電控制動車輛減速度與車速及控制輸入的關(guān)系，為后續(xù)無人車輛控制策略的制定提供試驗(yàn)依據(jù)和理論支撐。

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Research on Electropneumatic Brake for Unmanned Wheeled Vehicle

ZHU Min，CHEN Hui-yan，XIONG Guang-ming
（School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

The electronic control brake technology for unmanned driving is researched based on a 4×4 manned light tactical wheeled vehicle.An electropneumatic brake system is designed according to the structure and characteristics of the original vehicle air brake，which realizes an electronic control brake function in unmanned driving mode，and reserves the manual brake function in manual driving mode. The two modes can be switched freely.The control characteristics of solenoid valve，vehicle rolling resistance coefficient on different roads，and the relationship among vehicle deceleration，speed and control input of electronic control brake are identified through vehicle test.The test results show that the electropneumatic brake system can rapidly and accurately respond to the braking request，and the user can flexibly switch between manual braking and electronic-controlled braking.The electropneumatic brake system can be used for the commercial vehicles.

ordnance science and technology；wheeled vehicle；unmanned driving；electropneumatic brake；vehicle test

U463

A

1000-1093（2015）11-2017-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.11.001

2015-01-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51275041、91420203）

朱敏（1986—），男，博士研究生。E-mail:zmhhxz@126.com；陳慧巖（1961—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:chen_h_y@263.net