純電動(dòng)自動(dòng)駕駛觀光車的制動(dòng)防抱死系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

程泊靜，陳 剛，陳 標(biāo)，李治國

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南 株洲412000）

隨著科技的發(fā)展，自動(dòng)駕駛技術(shù)得到了社會(huì)越來越多的關(guān)注。制動(dòng)系統(tǒng)是車輛最關(guān)鍵的安全系統(tǒng)之一，車輛要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛首先要確保制動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。依據(jù)目前的有人駕駛的純電動(dòng)觀光車駕駛平臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)駕駛的純電動(dòng)觀光車駕駛平臺(tái)改造工程，對自動(dòng)駕駛技術(shù)發(fā)展具有重要意義。汽車制動(dòng)防抱死系統(tǒng)，英文簡稱ABS，是提高汽車制動(dòng)安全性的一個(gè)重要技術(shù)。ABS由汽車微電腦控制，當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)，它能使車輪保持轉(zhuǎn)動(dòng)，從而幫助駕駛員控制車輛達(dá)到安全的停車[1]。這種防抱制動(dòng)系統(tǒng)是用速度傳感器檢測車輪速度，然后把車輪速度信號傳送到微電腦里，微電腦根據(jù)輸入車輪速度，通過重復(fù)地減少或增加在輪子上的制動(dòng)壓力來控制車輪的打滑率，保持車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。在制動(dòng)過程中保持車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，不但可保證控制行駛方向的能力，而且，在大部分路面情況下，與抱死（鎖死）車輪相比，能提供更高的制動(dòng)力量。

1 純電動(dòng)自動(dòng)駕駛觀光車的制動(dòng)系統(tǒng)改造方案

1.1自動(dòng)駕駛整體方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)如今液壓制動(dòng)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟[2]，對試驗(yàn)車輛液壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化改造應(yīng)不影響現(xiàn)有的制動(dòng)性能。

為使純電動(dòng)觀光車能夠自動(dòng)駕駛，首先需要給出整體方案設(shè)計(jì)（圖1）。上層決策模塊主要功能包括環(huán)境感知、環(huán)境建模和路徑規(guī)劃。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)[3]、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[4]。本試驗(yàn)車輛使用激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)進(jìn)行環(huán)境感知，通過兩種雷達(dá)的信息融合，得到當(dāng)前環(huán)境的行駛現(xiàn)狀。路徑規(guī)劃模塊根據(jù)這些信息結(jié)合當(dāng)前車輛設(shè)定的行駛?cè)蝿?wù)進(jìn)行局部路徑規(guī)劃，從而得到期望的行駛路徑軌跡。當(dāng)行駛路徑軌跡規(guī)劃完成，車輛控制模塊會(huì)根據(jù)上層發(fā)出的信息結(jié)合車輛當(dāng)前位置狀態(tài)，計(jì)算出車輛縱向和橫向控制的具體要求。最后具體的控制要求會(huì)輸入相應(yīng)的模塊去進(jìn)行執(zhí)行。

圖1 自動(dòng)駕駛整體方案設(shè)計(jì)

1.2制動(dòng)系統(tǒng)改造方案

目前國內(nèi)學(xué)者對自動(dòng)駕駛汽車的制動(dòng)系統(tǒng)改造提出了多種方案。例如，電控制動(dòng)、電控氣壓制動(dòng)、雙回路電控-液壓制動(dòng)[5]等等。本文研究的對象是純電動(dòng)觀光車（圖2），原車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，在設(shè)計(jì)改造方案的過程中考慮到實(shí)用性和未來產(chǎn)業(yè)化的經(jīng)濟(jì)性，最終選擇加裝機(jī)械機(jī)構(gòu)拉動(dòng)制動(dòng)踏板，并使用電機(jī)控制機(jī)械機(jī)構(gòu)的方案。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是該自動(dòng)駕駛車輛制動(dòng)系統(tǒng)中直接操縱制動(dòng)踏板的關(guān)鍵部件，為保證方案的順利實(shí)施和未來產(chǎn)業(yè)化的可能。因此設(shè)計(jì)方案應(yīng)遵循如下原則：

（1）自動(dòng)駕駛時(shí)，能良好執(zhí)行控制命令。

（2）人工接管時(shí)對駕駛員干擾小。

（3）該機(jī)構(gòu)可靠性高、故障率低。

（4）適當(dāng)降低成本。

圖2 觀光車實(shí)物圖

根據(jù)設(shè)計(jì)方案的要求，設(shè)計(jì)出了如圖3所示的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖

電機(jī)是電動(dòng)推桿的動(dòng)力來源是該執(zhí)行機(jī)構(gòu)的核心部件，也是該電動(dòng)觀光車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制動(dòng)過程中被控制的機(jī)構(gòu)?？紤]到設(shè)計(jì)方案的需求，電機(jī)的選擇應(yīng)盡量成本低、故障率低、執(zhí)行可靠。

2 純電動(dòng)自動(dòng)駕駛觀光車的制動(dòng)防抱死系統(tǒng)設(shè)計(jì)

制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（ABS）可以有效避免車輛在緊急制動(dòng)時(shí)車輪因抱死而導(dǎo)致失控的狀況，從而提高車輛制動(dòng)的安全性能。在對該車輛進(jìn)行制動(dòng)防抱死系統(tǒng)改造時(shí)應(yīng)先進(jìn)行模擬仿真試驗(yàn)。

2.1輪胎模型的建立

為了便于問題的研究，假設(shè)整個(gè)汽車的重量由一個(gè)車輪承擔(dān)如圖4所示，可得出下列方程：

車輪縱向摩擦力：Fxb=μFN＝μmg

其中：m為1/4車輛質(zhì)量；u為車輛行駛速度；μ為路面附著系數(shù)；FN為車輪對地面的正壓力；Fx為車輪受到地面的阻力；Iw為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；r為車輪滾動(dòng)半徑；Fb為車輪制動(dòng)器制動(dòng)力矩；w為車輪角減速度。

圖4 車輪受力模型

2.2分段線性模型

輪胎采用簡單的雙線性模型，如圖5所示，輪胎模型可以表達(dá)為：

上式中，μ為峰值附著系數(shù)；μh為最佳滑移率，即峰值附著滑移率；μg為車輪抱死時(shí)的附著系數(shù)；Sb為車輪滑移率。

圖5 輪胎雙線性模型

3 MATLAB仿真試驗(yàn)

3.1控制流程模型

汽車在防抱死的過程中，以滑移率為控制參數(shù)，其主控目的是使車輪的滑移率盡可能接近或等于最佳滑移率0.2，上面的動(dòng)力模型參數(shù)由表1給出，設(shè)定的附著系數(shù)分別為μh=0.8，μg=0.6并且此時(shí)設(shè)定Smin=0.18，Smax=0.22.控制流程模型如圖6所示。

表1 動(dòng)力模型參數(shù)表

圖6 控制流程模型

3.2 SIMULINK搭建模型

運(yùn)用SIMULINK搭建仿真模型如下圖7所示。

圖7 SIMULINK仿真模型

因?yàn)樵隍?qū)動(dòng)時(shí)是如圖8，首先通過辨識(shí)出來的車身速度和輪速，計(jì)算出當(dāng)時(shí)的滑移率，隨著車子前進(jìn)，車速和輪速不斷變化，滑移率也不斷變化。隨滑移率的改變而發(fā)生了改變?nèi)鐖D9.

圖8 SIMULINK仿真-速度與滑移率

圖9 SIMULINK仿真-滑移率與附著系數(shù)

隨著滑移率的變化，根據(jù)滑移率和附著系數(shù)的曲線圖，附著系數(shù)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

MATLAB中用Switch模塊來進(jìn)行這個(gè)變化的仿真。此時(shí)取S0=0.2，當(dāng)滑移率進(jìn)來，Switch模塊進(jìn)行判定，當(dāng)S＞0.2時(shí)，上面的通道導(dǎo)通，即功能模塊圖6中功能模塊Fcn器起作用，里面的公式為：當(dāng)時(shí)，下面的功能模塊 Fcn1起作用，里面公式為

4 仿真結(jié)果分析與結(jié)論

從圖10中可以看出，輪速和車速的差值始終保持一定的速度差，使車速保持平穩(wěn)的速度下降。輪速在一開始急剎車制動(dòng)時(shí)急劇下降，當(dāng)滑移率過大時(shí)，系統(tǒng)減壓，制動(dòng)力減小，輪速開始回升，這樣有效的防止車輪抱死的情況發(fā)生。其中A線為車輪速度，B線為車身速度。

圖10 車輪-車身速度曲線

裝載ABS后制動(dòng)距離預(yù)測結(jié)果如圖11所示。

圖11 制動(dòng)距離曲線

通過對仿真結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)如果將現(xiàn)有車輛的制動(dòng)系統(tǒng)裝載制動(dòng)防抱死系統(tǒng)將能很好地控制車速，獲得很好的制動(dòng)性能。

本文描述了該純電動(dòng)自動(dòng)駕駛觀光車的整個(gè)改造方案設(shè)計(jì)，進(jìn)一步詳細(xì)論述了其制動(dòng)系統(tǒng)改造方案設(shè)計(jì)。通過MATLAB/SIMULINK仿真平臺(tái)上模型的搭建完成了對該純電動(dòng)自動(dòng)駕駛觀光車裝載制動(dòng)防抱死系統(tǒng)的計(jì)算仿真，為后續(xù)的改造方案實(shí)施提供了指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]王偉達(dá)，丁能根，張 為，等.ABS邏輯門限值自調(diào)整控制方法研究與試驗(yàn)驗(yàn)證[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（22）：90-95，104.

[2]高 吉.新型電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)研究[D].長春：吉林大學(xué)，2016.

[3]王世峰，戴 祥，徐 寧，等.無人駕駛汽車環(huán)境感知技術(shù)綜述[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，40（01）：1-6.

[4]朱 敏，陳慧巖，熊光明.無人駕駛輪式車輛電控氣壓制動(dòng)技術(shù)，研究[J].兵工學(xué)報(bào)，2015，36（11）：2017-2023.

[5]陳慧巖，張瑞琳，朱曉龍，等.越野無人駕駛車雙回路電控-液壓制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36（07）：695-700.