陳慧巖，張瑞琳，朱曉龍，熊光明

(北京理工大學(xué) 智能車輛研究所，北京 100081)

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越野無人駕駛車雙回路電控-液壓制動系統(tǒng)設(shè)計及試驗

陳慧巖，張瑞琳，朱曉龍，熊光明

(北京理工大學(xué) 智能車輛研究所，北京 100081)

針對某4×4越野車液壓助力制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點，設(shè)計了一套雙回路電控-液壓制動系統(tǒng)，在保留車輛有人駕駛模式下踩踏板制動功能的同時，實現(xiàn)其在無人駕駛模式下的電控制動功能，且兩種模式能夠無縫切換. 其中，有人駕駛模式的優(yōu)先級高于無人駕駛模式. 在某4×4越野車上搭建實車系統(tǒng)，通過靜態(tài)試驗和實際道路試驗，測試其響應(yīng)特性和控制特性，在此基礎(chǔ)上，進行電控制動試驗. 結(jié)果表明，設(shè)計的雙回路電控-液壓制動系統(tǒng)能夠滿足車輛無人駕駛的要求.

雙回路；電控液壓制動；越野；無人車；實車試驗

制動系統(tǒng)是車輛最重要的安全系統(tǒng)，車輛要實現(xiàn)無人駕駛，首先要實現(xiàn)電控制動. 電控制動最簡單易實現(xiàn)的方式為制動踏板電控[1-2]，但是這種方式不利于制動的精確控制，且其響應(yīng)時間長，響應(yīng)速度較慢. 德國Stadtpilot項目組和博世集團都通過電控助力系統(tǒng)實現(xiàn)電控制動的功能[3]，這種方法需替換車輛的原助力系統(tǒng)，有可能干涉人工制動. 王建強等[4-6]探索氣壓電控輔助制動系統(tǒng)和基于電子真空助力器的電控制動系統(tǒng)，但其在液壓助力的液壓制動系統(tǒng)中使用受限. 針對液壓制動，目前最實用的方法是通過電磁閥組合控制制動系統(tǒng)壓強實現(xiàn)電控制動[7-9]，但目前還存在干擾原車的ABS系統(tǒng)，制動時間受限等問題，甚至還停留在臺架仿真階段.

本文針對液壓制動系統(tǒng)搭建一套雙回路電控-液壓制動系統(tǒng)，應(yīng)用于某4×4越野無人駕駛車(以下簡稱無人車)，在不影響車輛踩踏板制動功能的同時，實現(xiàn)電控制動的功能，并開展相應(yīng)的試驗研究. 在真實場景下進行了大量的實車試驗結(jié)果表明系統(tǒng)靈敏可靠.

1 方案設(shè)計

1.1 原車方案

采用的原型車為配備自動變速器、電子油門的某4×4越野車，其制動系統(tǒng)采用液壓助力的雙腔制動主缸，并和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)共用一個助力泵. 如圖1所示.

車輛的制動系統(tǒng)包括制動踏板、液壓助力器、制動主缸、制動管路、制動輪缸以及輪邊制動總成，并采用前前-后后的布置形式，(圖中箭頭表示油液的流動方向).

1.2 雙回路電控-液壓制動系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)無人車的電控制動，同時與原車的踩踏板制動能夠無縫切換，設(shè)計了雙回路電控-液壓制動系統(tǒng)，包括原車制動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，電控制動動力系統(tǒng)，電控制動數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)和雙回路液壓制動控制系統(tǒng)，如圖2所示. 圖中虛線部分表示原車的結(jié)構(gòu)，實線部分表示為車輛無人駕駛而設(shè)計的結(jié)構(gòu).

原車制動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括安裝在制動踏板處的角位移傳感器和安裝在制動主缸出油口處的壓力傳感器. 電控制動動力系統(tǒng)由一個動力油源總成和油缸總成組成；蓄能器為系統(tǒng)提供動力，當(dāng)蓄能器供能不足時，直流電機接通，驅(qū)動油泵對蓄能器進行加壓，保證油源壓力在規(guī)定范圍內(nèi)，溢流閥1和溢流閥2限制油源動力系統(tǒng)的最大壓強；通過控制比例流量閥的流向和流量來控制制動強度. 電控制動數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)包括安裝在其液壓助力器推桿處的直線位移傳感器和安裝在其制動主缸出油口處的壓力傳感器. 電控制動回路和踩踏板制動回路及其對應(yīng)的助力系統(tǒng)通過電磁閥進行切換，為保證踩踏板制動的優(yōu)先權(quán)，踩踏板制動回路連接電磁閥的常開口，各儲液罐連通構(gòu)成連通器.

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)雙回路電控-液壓制動系統(tǒng)的功能需求設(shè)計的制動控制器的硬件構(gòu)成如圖3所示.

它的功能包括油源的監(jiān)測與控制、制動狀態(tài)的監(jiān)測、比例流量閥的控制、踩踏板制動與電控制動的切換、速度的采集等；為了保證無人車的行駛安全，系統(tǒng)還具有遙控制動的功能；另外，系統(tǒng)還具有與其他ECU以及調(diào)試用的計算機之間的通信功能.

3 軟件設(shè)計

3.1 雙回路電控-液壓制動系統(tǒng)控制程序

雙回路電控-液壓制動系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)與其硬件系統(tǒng)相匹配，包括控制程序和采集與調(diào)試程序，如圖4所示. 控制程序包括3部分，制動控制程序、通信程序和測試程序. 制動控制程序，是電控制動控制程序的核心部分，包括4個功能. 包括各個切換電磁閥的順序控制和動力油源的控制在內(nèi)的系統(tǒng)的邏輯控制程序；根據(jù)制動量(期望壓強)產(chǎn)生占空比控制序列的制動強度控制程序；包括遙控制動和急停按鈕制動在內(nèi)的緊急制動控制程序；人工干預(yù)響應(yīng)控制程序. 通信程序，包括與整車系統(tǒng)通信的程序和與調(diào)試采集系統(tǒng)通信的程序. 測試程序，包括壓強階躍響應(yīng)程序、占空比階躍響應(yīng)程序和速度階躍響應(yīng)程序.

3.2 采集與調(diào)試上位機程序

采集與調(diào)試上位機程序用VB語言編寫，調(diào)試界面如圖5所示.

采集與調(diào)試軟件的功能包括三方面，系統(tǒng)狀態(tài)顯示、系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲和調(diào)試命令發(fā)送.

系統(tǒng)狀態(tài)顯示. 標(biāo)志位包括切換電磁閥狀態(tài)(1-開，0-關(guān))、制動命令下達(dá)(1-是，0-否)、緊急制動命令產(chǎn)生(1-是，0-否)及油缸繼電器(即油源電機)接通(1-是，0-否)；Pressure部分分別列出了系統(tǒng)的動力油源油壓、電控制動回路油壓和踩踏板制動回路油壓；Disp部分列出了電控制動主缸推桿的位移和制動踏板的位移；右下方列出了車輛的實際速度、期望速度、期望油門量、系統(tǒng)期望壓強和比例流量閥的控制量. 系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲. 當(dāng)圖5的下方出現(xiàn)Recording字樣時，存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù). 調(diào)試命令的發(fā)送. 包括比例閥占空比、期望壓強、LPD(油門量)和期望速度的發(fā)送.

4 系統(tǒng)試驗測試

4.1 比例流量閥穩(wěn)態(tài)特性分析

采用的比例流量閥的電流控制范圍為0～2 A，其工作原理如圖6(a)所示. 當(dāng)電流較小時，A口和P口連通，即油缸內(nèi)腔經(jīng)過回油管與油箱連通，油缸中油液壓強為0；隨著電流增大，T口和A口接通，即油缸內(nèi)腔經(jīng)過進油管路與蓄能器接通，此時油缸中為壓力油，壓力油推動活塞向右移動. 電流越大，壓力油的流量越大，活塞右移的速度越快，相應(yīng)的制動越緊急. 比例流量閥的穩(wěn)態(tài)電流由式(1)得到

(1)

式中：A=e-DT/τ；B=e-T(1-D)/τ；τ為Le/R，電磁閥的時間常數(shù)；T為電磁閥占空比的控制周期；D為比例流量閥的占空比；Le為線圈動態(tài)電感，H；R為線圈電阻，Ω.

根據(jù)已知參數(shù)繪制比例流量閥的占空比-電流曲線如圖6(b)所示. 由圖6(b)可知，相應(yīng)的比例流量閥的占空比控制范圍為0～20.7%.

4.2 比例流量閥階躍響應(yīng)測試

系統(tǒng)搭建完成后，先對制動系統(tǒng)的邏輯功能、控制程序和數(shù)據(jù)采集與調(diào)試程序進行測試. 然后進行比例流量閥的靜態(tài)階躍響應(yīng)測試，驗證系統(tǒng)的可控性并為系統(tǒng)的壓強控制提供控制依據(jù).

車掛空擋并啟動，通過采集與調(diào)試上位機向電控制動系統(tǒng)發(fā)送不同的占空比命令，占空比命令從0開始，以0.125%的步長增至20%，記錄車輛的壓強反應(yīng)時間和系統(tǒng)的最大壓強，如圖7(a)、7(b)所示；對于壓強上升時間比較長的試驗，最大壓強取占空比發(fā)出10 s后的系統(tǒng)壓強值.

由圖7可以看出，控制占空比低于16.25%時，系統(tǒng)壓強反應(yīng)時間為無窮大，最大壓強為0；控制占空比在16.25%～20%時，系統(tǒng)響應(yīng)時間越來越短并趨于收斂，收斂值為150 ms；最大壓強越來越大并趨于收斂，收斂值為14.5 MPa.

此試驗結(jié)果與踩踏板制動的試驗值相符，能夠滿足使用要求.

4.3 實車道路試驗

實車道路試驗分別在坑洼的土路(以下簡稱土路)和鋪裝柏油路(以下簡稱柏油路)兩組路面上進行.

4.3.1 人工制動試驗

對多位熟練駕駛員的制動過程數(shù)據(jù)進行采集獲得散點圖，為電控制動的系統(tǒng)特性提供對比數(shù)據(jù). 其中急制動和緩制動的情況是在人為告知前方緊急或非緊急的情況下駕駛員做出的反應(yīng).

提取出踩踏板制動的最大壓強、平均壓強、制動減速度以及系統(tǒng)響應(yīng)時間，土路路面的部分測試數(shù)據(jù)如圖8所示.

在土路路面上，駛員行為表現(xiàn)出了前方情況越緊急，且制動初始速度越高，駕駛員踩制動踏板產(chǎn)生的系統(tǒng)壓強越大，且系統(tǒng)響應(yīng)時間越短的趨勢；踩踏板制動的車輛的平均減速度基本分布在-1～-5 m/s2之間，平均系統(tǒng)壓強在4 MPa以內(nèi).

柏油路路面上采集的數(shù)據(jù)可以得出類似的結(jié)論，但是，柏油路面上，踩踏板制動的平均壓強有所上升，最大可達(dá)7 MPa. 土路路面上的系統(tǒng)響應(yīng)時間分布在600 ms以內(nèi)，其中緊急制動情況下的系統(tǒng)響應(yīng)時間基本分布在200 ms以內(nèi)，但是由于路面不平度較大，駕駛員易受環(huán)境干擾產(chǎn)生踏板抖動的現(xiàn)象.

4.3.2 電控制動系統(tǒng)測試-壓強保持試驗

壓強控制算法采用如圖9所示的控制邏輯.

4.3.3 靜態(tài)測試

車輛掛空擋并啟動以產(chǎn)生助力，向電控制動系統(tǒng)發(fā)送從0開始增至6 MPa的期望壓強，遞增步長為0.5 MPa，制動系統(tǒng)的響應(yīng)時間、壓強上升時間、平均壓強、最大壓強、最小壓強如圖10所示.

由圖10可知，當(dāng)期望壓強較大時，平均壓強與期望壓強偏差在±0.1 MPa以內(nèi)；當(dāng)期望壓強值較小時，如0.5～1.0 MPa，平均壓強與期望壓強的偏差在0.4 MPa以內(nèi)，系統(tǒng)的壓強控制算法還有優(yōu)化的空間以減小其震蕩. 系統(tǒng)響應(yīng)時間基本保持在150 ms以內(nèi)，壓強上升時間和期望壓強呈正相關(guān)，滿足電控制動系統(tǒng)快速制動和制動強度可控的要求.

4.3.4 實車試驗

在不同的制動初始速度下，向電控制動系統(tǒng)發(fā)送不同的期望壓強，參考人工制動的測試，土路路面的壓強范圍為0～4 MPa，柏油路路面的壓強范圍為0～6 MPa，獲得車輛的制動過程參數(shù)，土路路面的試驗數(shù)據(jù)如圖11所示.

試驗數(shù)據(jù)表明，車輛的制動時間和制動距離都隨期望壓強的增大而減小并趨于收斂，隨制動初始速度的增大而增大；其平均減速度隨期望壓強的增大而增大，并隨制動初始速度的增大而增大；符合車輛的動力學(xué)特性. 系統(tǒng)的響應(yīng)時間隨平均壓強的增大保持在150 ms左右，壓強上升時間隨制動初始速度的增大而增大，隨期望壓強的增大而增大，這與原地壓強保持試驗的數(shù)據(jù)基本吻合. 柏油路面上的試驗數(shù)據(jù)可以得出同樣的結(jié)論，但由于路面的平順性對制動執(zhí)行機構(gòu)的響應(yīng)速度會造成一定的影響此數(shù)據(jù)隨車輛初始速度的增大而增大，柏油路面上相應(yīng)的數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定.

人工踩踏板制動時，系統(tǒng)響應(yīng)時間在100～800 ms之間分散分布；電控制動時，系統(tǒng)的響應(yīng)時間相對穩(wěn)定，基本分布在100～350 ms之間；駕駛員反應(yīng)時間一般為0.3～1.0 s，故搭建的電控制動系統(tǒng)比人工踩踏板制動反應(yīng)靈敏.

4.3.5 雙回路電控-液壓制動系統(tǒng)驗證試驗

電控制動系統(tǒng)和無人車規(guī)劃模塊聯(lián)合調(diào)試，車輛的期望速度為36～0 km/h，遞減步長為3.6 km/h，每個目標(biāo)速度保持2 s，車輛在土路路面下的速度跟隨情況如圖12所示.

圖12的結(jié)果表明，所設(shè)計的制動系統(tǒng)的實際壓強能夠隨期望壓強的變化而變，且系統(tǒng)反應(yīng)迅速，能夠滿足車輛速度控制的要求.

5 結(jié)束語

針對越野環(huán)境下的應(yīng)用場景和某4×4越野車的特性設(shè)計電控-液壓雙回路制動系統(tǒng)，完成了對該系統(tǒng)的壓強控制，并進行了相應(yīng)的試驗研究. 分析了車輛不同路面下環(huán)境因素、路面因素等對制動效果的影響，測試了車輛原車制動系統(tǒng)的響應(yīng)特性，以及車輛雙回路電控液壓制動系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)響應(yīng)特性，并和車輛的其他模塊進行了聯(lián)合測試. 測試表明所設(shè)計的雙回路電控液壓制動系統(tǒng)能夠避開現(xiàn)有技術(shù)的不足，在無人車的整體測試中表現(xiàn)出較好的控制性能，制動反應(yīng)靈敏可靠，滿足無人車對制動系統(tǒng)的要求. 所得的數(shù)據(jù)可以為無人車縱向系統(tǒng)的控制以及無人車感知圈和動力圈的融合提供數(shù)據(jù)支撐.

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(責(zé)任編輯：孫竹鳳)

Braking System Design and Experiment Research of an Off-Road Autonomous Vehicle

CHEN Hui-yan，ZHANG Rui-lin，ZHU Xiao-long，XIONG Guang-ming

(Research Institute of Intelligent Vehicle ，Beijing Institute of Technology ，Beijing 100081，China)

A double circuit electrical hydraulic braking (EHB) system was developed, in consideration of the structures and features of hydraulic power braking of a four-wheel drive off-road vehicle. The system could implement electrical brake at the autonomous mode and pedal brake at the manual mode. Meanwhile, the two modes could be switched seamlessly, and the manual mode showed a higher priority than the autonomous mode. The system was applied to a four-wheel drive off-road vehicle. Static and real world tests were carried out to obtain the biasing and response characteristics of the system. On this basis, electrical braking tests were conducted. Experiment results show that the EHB system can meet the requirements of an autonomous vehicle.

double circuit; electrical hydraulic brake; off-road; autonomous vehicle; real world test

2015-07-01

國家自然科學(xué)基金資助項目(51275041，91420203)

陳慧巖(1961—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:Chen_h_y@263.net.

張瑞琳(1989—)，女，碩士生，E-mail:zrl_reginal@163.com.

U 469.79

A

1001-0645(2016)07-0695-06

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.07.007