基于煤礦車輛主動安全的智能輔助制動技術(shù)研究

中國煤炭科工集團太原研究院 山西太原 030006

全國煤炭行業(yè) 2018 年共發(fā)生事故 174 起，其中運輸事故 50 起，均為一般事故，占事故總數(shù)的29%，僅次于 35% 的頂板事故；2019 年上半年共發(fā)生事故 57 起，其中運輸事故 15 起，均為一般事故，占事故總數(shù)的 26%[1]。據(jù)歷年數(shù)據(jù)分析可知，煤礦井下車輛運輸事故很多都是由于駕駛員反應(yīng)時間過長或者駕駛員施加給制動踏板的制動力較小所致。駕駛員無法及時制動的原因主要有以下幾點：井下能見度低，駕駛員工作強度高，容易疲勞，精力分散；煤礦井下坡陡彎急，下坡距離長，前方遇到障礙時反應(yīng)時間長，駕駛員來不及給制動踏板施加足夠的制動力，或者駕駛員在緊張的情緒下來不及反應(yīng)，踩錯踏板或者根本來不及踩制動踏板。因此，為了減少安全運輸事故的發(fā)生，煤礦井下運輸車輛采用智能輔助制動具有重要意義。

1 智能輔助制動

智能輔助制動是基于環(huán)境感知防爆傳感器(毫米波雷達或視覺攝像頭等)感知前方可能與車輛、人員發(fā)生碰撞風(fēng)險，并通過控制系統(tǒng)自動觸發(fā)制動執(zhí)行機構(gòu)來實施主動制動，以避免碰撞或盡可能減輕碰撞程度的主動安全功能。與傳統(tǒng)的被動安全技術(shù)不同點在于，被動安全碰撞旨在煤礦車輛發(fā)生碰撞后保障車內(nèi)與車外人員免受或降低碰撞的傷害，而智能輔助制動則是一種預(yù)防性的主動安全技術(shù)，旨在事先識別碰撞風(fēng)險，完全規(guī)避碰撞發(fā)生或盡最大可能減輕碰撞的強度，從而避免煤礦車輛追尾，或與煤礦工人及其他煤礦井下參與者發(fā)生碰撞事故。

為了適應(yīng)智能化礦山的發(fā)展，提高煤礦車輛的主動安全性勢在必行，目前開發(fā)出多種主動安全技術(shù)來避免或者降低碰撞的嚴(yán)重程度。智能制動系統(tǒng)采集到的信號經(jīng)智能制動控制器運算后輸出信號，系統(tǒng)根據(jù)輸出信號對煤礦車輛進行制動，或者僅在危機關(guān)頭采取措施，減少對駕駛員正常行駛的干預(yù)。煤礦車輛智能輔助制動可以在毫米波雷達探測的范圍內(nèi)對駕駛員進行警示性提示，駕駛員可以提前采取制動措施來避免可能發(fā)生的事故。若事故不可避免地發(fā)生，智能輔助制動系統(tǒng)可以及時施加合適的制動力，以確保碰撞強度最低，且避免轉(zhuǎn)向輪抱死而導(dǎo)致車輛失穩(wěn)發(fā)生次生事故。

2 智能輔助制動的制動策略

智能輔助制動可以基于煤礦車輛之間的安全車距制定相應(yīng)的制動策略，也可以基于駕駛員的反應(yīng)及制動時間制動策略。前者是從空間距離來制定主動制動觸發(fā)的時機，后者是從時間尺度來制定主動制動觸發(fā)的時機。目前，煤礦車輛常用的智能輔助制動策略主要有基于安全距離的 Mazda、Honda、Berkeley 制動策略和基于碰撞發(fā)生時間的 TTC(Time to lock)制動策略。所有策略需要考慮的因素包括煤礦車輛主動制動時前車或障礙物的速度，以及本車與前面兩者之間的距離。Mazda 的制動策略主要基于本車最大減速度、前車或障礙物的最大減速度、駕駛員從接收到制動信號到做出反應(yīng)的時間、智能制動系統(tǒng)作用的延遲時間、本車與前車或障礙物之間的最佳安全距離等因素進行考慮。該制動策略相對保守，會在預(yù)碰撞早期對制動系統(tǒng)進行干預(yù)，安全距離大大增加，對駕駛員的正常行駛習(xí)慣有一定的負(fù)面影響。Honda 制動策略對Mazda 策略進行了一定的完善。Berkeley 制動策略增加了路況識別算法，智能制動系統(tǒng)可根據(jù)路況調(diào)整制動力，因此 Berkeley 制動策略對路面的適應(yīng)性增強，對于不同附著系數(shù)所觸發(fā)的安全距離也有所變化。TTC 制動策略基于智能輔助制動系統(tǒng)主動制動時碰撞發(fā)生的時間閾值和本車最大減速度進行制動。煤礦車輛工作環(huán)境雖然惡劣，但工況相對比較單一，結(jié)合上述控制策略的優(yōu)點，建立底層電磁閥及電動機控制模型、制動模塊和車輛期望減速度模型，繪制智能輔助制動的控制框圖，如圖1 所示[2-4]。制動執(zhí)行機構(gòu)接收制動策略傳遞過來的期望制動減速度請求，經(jīng)過計算與處理，控制器控制電動機與各類電磁閥的通斷，調(diào)節(jié)制動壓力達到期望值。

3 智能輔助制動制動力的確定

煤礦車輛理想的制動性能為前后輪同時抱死，這樣輪胎可以最大程度地利用地面的附著條件，同時保證制動時車輛的橫向穩(wěn)定性。煤礦車輛前后輪胎理想的制動力分配關(guān)系為：無論在何種路面條件下，前后輪濕式制動器的制動力之和必須等于附著力，這是前后輪同時抱死的必要條件，且前后輪濕式制動器的制動力應(yīng)與各自的附著力相對應(yīng)。前后輪濕式制動器的制動力分配曲線如圖2 所示。在煤礦車輛進行主動制動時，根據(jù)期望的減速度及車速，給出期望的制動力[4]。

4 智能輔助制動的液壓工作原理

國家能源集團與北京中礦環(huán)保科技股份有限公司合作研發(fā)的露天礦使用的雷達波防碰撞系統(tǒng)為煤礦智能化運輸提供了新的技術(shù)和手段。該系統(tǒng)包含硬件電路、DSP 軟件算法、毫米波雷達及智能控制器等，可以實現(xiàn)多個雷達全覆蓋、基本無死區(qū)檢測前方車輛或者障礙物，是解決煤礦車輛智能化的切實可行的方法。目前，煤礦井下的輕型車輛一般有運人、運料車輛，煤礦井下視野及光線很差，且道路分布復(fù)雜，彎急、坡陡、坡長普遍存在，車輛行駛過程中存在較大盲區(qū)。現(xiàn)使用車輛均為被動安全制動系統(tǒng)，無法檢測車輛前方的障礙物，也沒有提醒駕駛員預(yù)防追尾和自動剎車的功能，這正是煤礦智能化運輸所面臨的現(xiàn)實問題。

圖1 智能輔助制動控制框圖Fig.1 Block diagram of intelligent auxiliary braking control

圖2 前后輪濕式制動器理論制動力分配曲線Fig.2 Distribution curve of theoretical braking force of wet brake for front and rear wheel

煤礦車輛智能輔助制動系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是系統(tǒng)工作時制動管路的制動壓力的建立和制動力矩的精確控制。智能輔助制動系統(tǒng)的制動功能主要靠隔爆電磁閥和隔爆電動機的相互配合來實現(xiàn)。制動控制器通過對接收到的車速傳感器、車重傳感器等信號進行分析處理，來控制電磁閥的通斷和液壓泵的壓力，從而實現(xiàn)制動和釋放。智能輔助制動系統(tǒng)液壓原理如圖3 所示。工作機理為：當(dāng)煤礦車輛的防爆電動機啟動后，動力通過防爆電動機傳遞到變速箱上，連接在變速箱上的齒輪泵的高壓油進入雙路充液閥，一方面給蓄能器充液，另一方面給雙路制動閥提供高壓油，高壓油經(jīng)進油控制閥、高壓換向閥進入制動器。煤礦車輛分為前輪制動和后輪制動，前輪制動是同時制動，非獨立制動，實現(xiàn)車輛的減速。智能輔助制動接收來自毫米波雷達的信號或視頻圖像，雷達信號或視頻圖像經(jīng)處理器分析后，再根據(jù)車輛參數(shù)及車速信號計算出期望的制動減速度，并根據(jù)車輛制動系統(tǒng)的性能給予期望的制動力。當(dāng)車輛收到來自智能制動系統(tǒng)的制動信號后，輸出電信號控制制動系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)制動踏板，液壓泵的吸油口將油箱里的油經(jīng)控制閥吸入進油腔，兩位兩通閥和高壓換向閥換向，高壓油經(jīng)高壓換向閥進入制動器制動腔，與腳踏板實現(xiàn)聯(lián)合緊急制動，以實現(xiàn)車輛按照期望的減速度行駛，避免或最大程度降低車輛發(fā)生碰撞的可能。

5 智能輔助制動的制動策略驗證

為了驗證筆者提出的上層主動控制和下層執(zhí)行機構(gòu)制動的策略，基于 Simulink、Carsim 及 AMEsim 軟件搭建聯(lián)合仿真平臺。Simulink 建立智能制動控制車庫及執(zhí)行機構(gòu)的控制，Carsim 軟件提供車輛模型、路面模型及測試環(huán)境，AMEsim 設(shè)置精確的制動機構(gòu)執(zhí)行模型。聯(lián)合仿真示意如圖4 所示。

圖3 智能輔助制動系統(tǒng)液壓原理Fig.3 Hydraulic principle of intelligent auxiliary braking system

圖4 聯(lián)合仿真示意Fig.4 Sketch of combined simulation

圖5 HIL 試驗臺及上位機操作界面Fig.5 HIL test bench and upper computer operation interface

利用聯(lián)合仿真平臺和已有的 HIL(Hard ware In-Loop)試驗臺進行仿真和試驗，如圖5 所示。試驗分為硬件和軟件兩類：硬件主要包括 HIL 試驗臺、電子控制單元、上位機及 Vector 總線分析工具；軟件主要包括與 HIL 試驗臺配套的操作軟件及總線分析軟件[5]。在駕駛員操作面板上設(shè)定車輛行駛速度為 20 km/h，當(dāng)車輛以設(shè)定速度行駛在附著系數(shù)為 0.6 的水泥硬化路面上時，設(shè)定制動減速度為 4 m/s2時觸發(fā)智能輔助制動系統(tǒng)的主動制動；在聯(lián)合仿真軟件環(huán)境下，通過Carsim 設(shè)定當(dāng)前路面附著系數(shù)為 0.6，車速為 20 km/h，然后在 Simulink 軟件中設(shè)定期望減速度為 4 m/s2來觸發(fā)主動制動。仿真和試驗結(jié)果如圖6、7 所示。

圖6 制動減速度變化曲線Fig.6 Variation curves of braking deceleration

圖7 車速變化曲線Fig.7 Variation curves of vehicle velocity

由圖6 和圖7 可知，軟件仿真和臺架試驗結(jié)果表明制動減速度曲線高度一致，大約在 0.2～0.3 s 即達到期望減速度，智能輔助制動系統(tǒng)的制動效果基本達到了設(shè)計要求。

6 結(jié)語

智能輔助制動系統(tǒng)是基于目前煤礦車輛現(xiàn)有制動系統(tǒng)，運用毫米波雷達和視覺攝像頭技術(shù)，使車輛在需要緊急制動的工況下通過警示駕駛員或主動采取制動的方式來減緩甚至避免碰撞的主動安全技術(shù)。該智能輔助系統(tǒng)在不改變目前制動系統(tǒng)使用的基礎(chǔ)上，通過檢測前方車輛或者障礙物，及時發(fā)現(xiàn)潛在的危險目標(biāo)，避免發(fā)生碰撞事故，同時也可為實現(xiàn)煤礦車輛的無人化駕駛提供一定的借鑒。