基于ABS的重型車(chē)輛自動(dòng)駐車(chē)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

周元豪，陳利東，付伯軒

（陜西重型汽車(chē)有限公司，陜西 西安 710200）

前言

目前，自動(dòng)駐車(chē)系統(tǒng)已在乘用車(chē)上得到了廣泛的應(yīng)用，系統(tǒng)基于液壓制動(dòng)實(shí)現(xiàn)，控制策略、相關(guān)技術(shù)相當(dāng)成熟；而在重型車(chē)輛方面，國(guó)外已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，如奔馳、沃爾沃等一些國(guó)際知名品牌。在國(guó)內(nèi)重卡領(lǐng)域，基于氣壓制動(dòng)的自動(dòng)駐車(chē)技術(shù)正處于研究階段，還沒(méi)有成熟產(chǎn)品。

重型車(chē)輛由于其制動(dòng)力需求較大，普遍采用氣壓制動(dòng)系統(tǒng)，空氣系統(tǒng)相比于油液系統(tǒng)，具有壓縮性大、粘性小的特點(diǎn)，這樣會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)壓力響應(yīng)滯后，系統(tǒng)阻尼小，易受外部干擾等影響，難于實(shí)現(xiàn)對(duì)位置或力連續(xù)可調(diào)的高精度控制。加之大多數(shù)重型車(chē)輛采用手動(dòng)變速箱，由于其檔位多，自重大，在坡道停車(chē)及起步時(shí)，經(jīng)驗(yàn)不足的駕駛員難以操作，經(jīng)常導(dǎo)致車(chē)輛熄火及溜車(chē)，容易造成嚴(yán)重的交通事故，存在較大的安全隱患。

開(kāi)發(fā)基于氣壓制動(dòng)的重型車(chē)輛自動(dòng)駐車(chē)系統(tǒng)可以消除此安全隱患，大幅減輕重型車(chē)輛駕駛員在市區(qū)擁堵路段及山區(qū)路段的駕駛負(fù)擔(dān)。能夠提高重型車(chē)輛在頻繁駐車(chē)、起步時(shí)駕駛員的操作便捷程度和駕乘的舒適程度。同時(shí)，它是實(shí)現(xiàn)車(chē)輛主動(dòng)安全系統(tǒng)及智能駕駛系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。

本文以基于 ABS的重型車(chē)輛自動(dòng)駐車(chē)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)為主要內(nèi)容，根據(jù)重型車(chē)輛具有 ABS功能的雙回路制動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，規(guī)劃了合理的自動(dòng)駐車(chē)系統(tǒng)功能，分析了系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，以ABS電磁閥為基礎(chǔ)，基于時(shí)間的多級(jí)制動(dòng)開(kāi)環(huán)控制方式為出發(fā)點(diǎn)，提出了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及控制策略，并通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)架及實(shí)車(chē)試驗(yàn)對(duì)自動(dòng)駐車(chē)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行了驗(yàn)證。本系統(tǒng)具有低成本、易改裝、適用性強(qiáng)、易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化等特點(diǎn)。求。

1 系統(tǒng)功能規(guī)劃

本系統(tǒng)目標(biāo)車(chē)型采用電控發(fā)動(dòng)機(jī)，手動(dòng)變速箱，雙回路氣制動(dòng)系統(tǒng)，ABS防抱死系統(tǒng)。結(jié)合該車(chē)型的特點(diǎn)及目前市場(chǎng)對(duì)自動(dòng)駐車(chē)系統(tǒng)的需求，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下基本功能：

1）駕駛員可以打開(kāi)或解除自動(dòng)駐車(chē)功能。

2）自動(dòng)駐車(chē)模式，駕駛員在坡道（≤20%）上停車(chē)時(shí)，系統(tǒng)采用行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)駐車(chē)，當(dāng)車(chē)輛停止時(shí)間超過(guò)3min后，系統(tǒng)切換到電子手剎制動(dòng)；駕駛員在坡道（≤20%）上起步時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)離合器位置、發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出扭矩確定起步壓力，并自動(dòng)解除制動(dòng)，簡(jiǎn)化操作流程，提高駕駛的效率和安全性。

3）駕駛員在特殊坡道（>20%）上手剎制動(dòng)時(shí)，自動(dòng)駐車(chē)系統(tǒng)控制行車(chē)制動(dòng)提供短時(shí)的輪邊制動(dòng)輔助功能，彌補(bǔ)在極限坡道上駐車(chē)制動(dòng)力的不足。

4）系統(tǒng)具有故障報(bào)警及安全冗余措施：系統(tǒng)對(duì)各關(guān)鍵部件有自檢功能，一旦發(fā)生故障，會(huì)及時(shí)報(bào)警；在系統(tǒng)功能開(kāi)關(guān)未開(kāi)啟時(shí)，不影響原有整車(chē)氣制動(dòng)回路控制邏輯；系統(tǒng)在確定整車(chē)有倒車(chē)信號(hào)、手剎制動(dòng)信號(hào)任意一種狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)駐車(chē)功能自動(dòng)解除；系統(tǒng)掉電時(shí)，氣制動(dòng)回路默認(rèn)為手剎駐車(chē)狀態(tài)，確保駕駛安全、可靠。

2 系統(tǒng)總體方案

2.1 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)及實(shí)施過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低成本、易改裝、通用性及易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的特點(diǎn)，系統(tǒng)解決了三個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)：制動(dòng)氣壓的建立/釋放采用以 ABS電磁閥為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)基于時(shí)間的多級(jí)制動(dòng)開(kāi)環(huán)控制方式；系統(tǒng)軟件采用基于模型的快速原型技術(shù)進(jìn)行算法開(kāi)發(fā)，能夠嵌入于 ABS控制器；關(guān)鍵執(zhí)行器采用自保持脈沖式電磁閥，防止長(zhǎng)時(shí)間通電對(duì)電磁閥造成的損壞，保證氣路安全可靠。

2.2 系統(tǒng)信號(hào)需求

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能需要采集車(chē)輛的基本信息，以滿足系統(tǒng)的控制功能，系統(tǒng)所采集車(chē)輛信息如下表1所示。

2.3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

通過(guò)分析目標(biāo)車(chē)輛氣制動(dòng)回路的特點(diǎn)。系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的電氣原理如圖1所示，在整車(chē)原有氣管路不變動(dòng)的情況下，在駐車(chē)制動(dòng)回路手剎閥后端氣路串聯(lián)自保持脈沖式常閉電磁閥（以下簡(jiǎn)稱常閉電磁閥）。在行車(chē)制動(dòng)回路中，前橋制動(dòng)回路處并聯(lián)雙向單通電磁閥，后橋繼動(dòng)閥控制口前端處與腳制動(dòng)控制回路并聯(lián)雙向單通電磁閥。系統(tǒng)所安裝ABS電磁閥串聯(lián)到每個(gè)制動(dòng)氣室前端，即不改變ABS系統(tǒng)對(duì)其安裝位置的要

表1 系統(tǒng)采集參量表

系統(tǒng)電路方面，采用ABS控制器作為主控器件。功能開(kāi)關(guān)采用控地方式，低電平有效；系統(tǒng)狀態(tài)指示燈與故障指示燈一端接整車(chē)24V電源，低電平點(diǎn)亮；離合器位置信號(hào)直接通過(guò)控制器模擬信號(hào)輸入端進(jìn)入到控制器；整車(chē)坡度信號(hào)、車(chē)速信號(hào)、檔位信號(hào)、制動(dòng)燈信號(hào)、氣壓信號(hào)通過(guò)車(chē)身CAN總線獲取；加速踏板位置、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩信號(hào)通過(guò)動(dòng)力 CAN總線獲取。

圖1 系統(tǒng)電氣原理圖

2.4 系統(tǒng)控制策略

該系統(tǒng)以ABS電磁閥為基礎(chǔ)，采用基于時(shí)間的多級(jí)制動(dòng)開(kāi)環(huán)控制方式。在行車(chē)制動(dòng)回路，通過(guò)聯(lián)合雙向單通電磁閥及ABS電磁閥實(shí)現(xiàn)制動(dòng)氣室氣壓進(jìn)氣、排氣的靈活控制。其中，ABS電磁閥進(jìn)氣控制采用“增壓—保壓—增壓”的模式，排氣控制采用“減壓—保壓—減壓”的模式，通過(guò)設(shè)定不同的狀態(tài)保持時(shí)間，可以改變氣室氣壓的建立與釋放時(shí)間及速率。手剎回路采用脈沖式常閉電磁閥，在系統(tǒng)掉電的情況下，手剎回路處于斷氣制動(dòng)狀態(tài)，使系統(tǒng)更加安全可靠。

（1）自動(dòng)駐車(chē)功能：系統(tǒng)控制器判斷整車(chē)處于 20%的坡度以下，駕駛員有停車(chē)意圖時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)汽車(chē)所處的坡度大小控制前后橋雙向單通電磁閥，各氣室ABS電磁閥的進(jìn)氣時(shí)間，使制動(dòng)氣室處于合理的制動(dòng)氣壓，以達(dá)到平穩(wěn)駐車(chē)的目的。當(dāng)行車(chē)制動(dòng)所控制的駐車(chē)時(shí)間超過(guò)30秒，系統(tǒng)關(guān)閉手剎常閉電磁閥，采用手剎制動(dòng)，并釋放行車(chē)制動(dòng)。

（2）坡道起步功能：系統(tǒng)控制器判斷整車(chē)處于 20%的坡度以下，駕駛員有起步意圖時(shí)，若在行車(chē)制動(dòng)工況下起步，系統(tǒng)根據(jù)汽車(chē)坡度大小控制前后橋雙向單通電磁閥，各氣室ABS電磁閥的放氣時(shí)間，使制動(dòng)氣室以合理的速率放氣，以達(dá)到平順起步的目的。若在手剎制動(dòng)工況下，則先切換到行車(chē)制動(dòng)，后釋放手剎，按上述邏輯起步。整車(chē)車(chē)速達(dá)到3km/h以上，系統(tǒng)退出自動(dòng)駐車(chē)功能，整車(chē)氣制動(dòng)恢復(fù)原車(chē)制動(dòng)工作模式。

（3）輔助制動(dòng)功能：系統(tǒng)控制器判斷整正車(chē)處于 20%的坡度以上，駕駛員有駐車(chē)意圖時(shí)，系統(tǒng)控制前后橋雙向單通電磁閥，向各制動(dòng)氣室充氣，達(dá)到最大制動(dòng)氣壓，滿足整車(chē)在極限坡道上能安全駐車(chē)。

3 系統(tǒng)試驗(yàn)

3.1 臺(tái)架測(cè)試

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，嚴(yán)格按照正向開(kāi)發(fā)流程，針對(duì)系統(tǒng)提出的功能需求及控制算法通過(guò)搭建與整車(chē)電氣系統(tǒng)及雙回路制動(dòng)系統(tǒng)完全一致的試驗(yàn)臺(tái)架。

試驗(yàn)臺(tái)架如圖2所示，通過(guò)雙向單通電磁閥與ABS電磁閥聯(lián)動(dòng)控制，測(cè)量每個(gè)制動(dòng)氣室氣壓的變化曲線。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試制動(dòng)氣室氣壓建立與釋放的大小、速率與ABS電磁閥動(dòng)作的時(shí)間，模式轉(zhuǎn)換的頻率之間的關(guān)系，并找尋控制規(guī)律。根據(jù)調(diào)節(jié)其工作模式頻率與時(shí)間，可以滿足制動(dòng)氣室氣壓的連續(xù)可調(diào)。

圖2 系統(tǒng)臺(tái)架測(cè)試實(shí)物

3.2 實(shí)車(chē)試驗(yàn)

將系統(tǒng)安裝于目標(biāo)車(chē)型上，根據(jù)場(chǎng)地條件，分別選取了5%與 20%兩種標(biāo)準(zhǔn)坡道，通過(guò)主觀感受與客觀數(shù)據(jù)采集分析對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合驗(yàn)證。實(shí)車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)地如圖3所示。

主觀感受方面，分別挑選一名駕駛員、兩名乘員對(duì)系統(tǒng)的基本功能邏輯測(cè)試，對(duì)自動(dòng)駐車(chē)功能、坡道起步功能的操作便捷程度、穩(wěn)定性和舒適性三方面進(jìn)行了主觀評(píng)價(jià)，將評(píng)價(jià)分為一般、較好、很好三個(gè)等級(jí)。在不少于20次的試驗(yàn)中，系統(tǒng)功能邏輯試驗(yàn)中五項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求，自動(dòng)駐車(chē)均完成行車(chē)制動(dòng)至駐車(chē)制動(dòng)的切換，且無(wú)溜車(chē)現(xiàn)象，坡道起步亦無(wú)溜車(chē)現(xiàn)象，起步過(guò)程中偶爾出現(xiàn)輕微頓挫感。在評(píng)價(jià)項(xiàng)中較好、很好項(xiàng)達(dá)到 90%以上。主觀感受試驗(yàn)表明，基于ABS的重型車(chē)輛自動(dòng)駐車(chē)系統(tǒng)完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠減少駕駛員操作復(fù)雜度，并且效果突出。

圖3 實(shí)車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)景

客觀數(shù)據(jù)分析方面，分別在 5%和 20%的坡道上反復(fù)進(jìn)行 “上坡—駐車(chē)—停留—起步”此過(guò)程，各坡道進(jìn)行次數(shù)不少于 20次，并采集各制動(dòng)氣室的制動(dòng)氣壓變化情況如圖 4所示。從圖中曲線分析，在車(chē)輛自動(dòng)駐車(chē)時(shí)，系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)，使制動(dòng)氣室氣壓達(dá)到控制氣壓，并能夠保持很長(zhǎng)一段時(shí)間，確保車(chē)輛不溜車(chē)。當(dāng)車(chē)輛在起步的時(shí)候，系統(tǒng)能夠根據(jù)駕駛員駕駛需求，緩慢放掉制動(dòng)氣室氣體，確保車(chē)輛平穩(wěn)起步。客觀數(shù)據(jù)表明，基于ABS的重型車(chē)輛自動(dòng)駐車(chē)完全滿足設(shè)計(jì)要求，且性能穩(wěn)定，可靠。

圖4 自動(dòng)駐車(chē)、坡道起步工況各氣室氣壓變化曲線

4 結(jié)論

根據(jù)重型車(chē)輛具有ABS功能的雙回路制動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，規(guī)劃了合理的自動(dòng)駐車(chē)系統(tǒng)功能，分析了系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，以ABS電磁閥為基礎(chǔ)，基于時(shí)間的多級(jí)制動(dòng)開(kāi)環(huán)控制方式為出發(fā)點(diǎn)，提出了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及控制策略，設(shè)計(jì)了軟件架構(gòu)，編寫(xiě)了軟件算法。并通過(guò)搭建試驗(yàn)臺(tái)架及實(shí)車(chē)試驗(yàn)對(duì)自動(dòng)駐車(chē)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行了驗(yàn)證。證明了基于ABS的重型車(chē)輛自動(dòng)駐車(chē)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)與控制功能的可行性。本系統(tǒng)具有低成本、易改裝、適用性強(qiáng)、易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化等特點(diǎn)。

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