越野无人驾驶车双回路电控-液压制动系统设计及试验

陈慧岩，张瑞琳，朱晓龙，熊光明

(北京理工大学 智能车辆研究所，北京 100081)



越野无人驾驶车双回路电控-液压制动系统设计及试验

陈慧岩，张瑞琳，朱晓龙，熊光明

(北京理工大学 智能车辆研究所，北京 100081)

针对某4×4越野车液压助力制动系统的结构和特点，设计了一套双回路电控-液压制动系统，在保留车辆有人驾驶模式下踩踏板制动功能的同时，实现其在无人驾驶模式下的电控制动功能，且两种模式能够无缝切换. 其中，有人驾驶模式的优先级高于无人驾驶模式. 在某4×4越野车上搭建实车系统，通过静态试验和实际道路试验，测试其响应特性和控制特性，在此基础上，进行电控制动试验. 结果表明，设计的双回路电控-液压制动系统能够满足车辆无人驾驶的要求.

双回路；电控液压制动；越野；无人车；实车试验

制动系统是车辆最重要的安全系统，车辆要实现无人驾驶，首先要实现电控制动. 电控制动最简单易实现的方式为制动踏板电控[1-2]，但是这种方式不利于制动的精确控制，且其响应时间长，响应速度较慢. 德国Stadtpilot项目组和博世集团都通过电控助力系统实现电控制动的功能[3]，这种方法需替换车辆的原助力系统，有可能干涉人工制动. 王建强等[4-6]探索气压电控辅助制动系统和基于电子真空助力器的电控制动系统，但其在液压助力的液压制动系统中使用受限. 针对液压制动，目前最实用的方法是通过电磁阀组合控制制动系统压强实现电控制动[7-9]，但目前还存在干扰原车的ABS系统，制动时间受限等问题，甚至还停留在台架仿真阶段.

本文针对液压制动系统搭建一套双回路电控-液压制动系统，应用于某4×4越野无人驾驶车(以下简称无人车)，在不影响车辆踩踏板制动功能的同时，实现电控制动的功能，并开展相应的试验研究. 在真实场景下进行了大量的实车试验结果表明系统灵敏可靠.

1 方案设计

1.1 原车方案

采用的原型车为配备自动变速器、电子油门的某4×4越野车，其制动系统采用液压助力的双腔制动主缸，并和转向系统共用一个助力泵. 如图1所示.

车辆的制动系统包括制动踏板、液压助力器、制动主缸、制动管路、制动轮缸以及轮边制动总成，并采用前前-后后的布置形式，(图中箭头表示油液的流动方向).

1.2 双回路电控-液压制动系统设计

为实现无人车的电控制动，同时与原车的踩踏板制动能够无缝切换，设计了双回路电控-液压制动系统，包括原车制动数据采集系统，电控制动动力系统，电控制动数据监测系统和双回路液压制动控制系统，如图2所示. 图中虚线部分表示原车的结构，实线部分表示为车辆无人驾驶而设计的结构.

原车制动数据采集系统包括安装在制动踏板处的角位移传感器和安装在制动主缸出油口处的压力传感器. 电控制动动力系统由一个动力油源总成和油缸总成组成；蓄能器为系统提供动力，当蓄能器供能不足时，直流电机接通，驱动油泵对蓄能器进行加压，保证油源压力在规定范围内，溢流阀1和溢流阀2限制油源动力系统的最大压强；通过控制比例流量阀的流向和流量来控制制动强度. 电控制动数据监测系统包括安装在其液压助力器推杆处的直线位移传感器和安装在其制动主缸出油口处的压力传感器. 电控制动回路和踩踏板制动回路及其对应的助力系统通过电磁阀进行切换，为保证踩踏板制动的优先权，踩踏板制动回路连接电磁阀的常开口，各储液罐连通构成连通器.

2 硬件系统设计

根据双回路电控-液压制动系统的功能需求设计的制动控制器的硬件构成如图3所示.

它的功能包括油源的监测与控制、制动状态的监测、比例流量阀的控制、踩踏板制动与电控制动的切换、速度的采集等；为了保证无人车的行驶安全，系统还具有遥控制动的功能；另外，系统还具有与其他ECU以及调试用的计算机之间的通信功能.

3 软件设计

3.1 双回路电控-液压制动系统控制程序

双回路电控-液压制动系统的软件系统与其硬件系统相匹配，包括控制程序和采集与调试程序，如图4所示. 控制程序包括3部分，制动控制程序、通信程序和测试程序. 制动控制程序，是电控制动控制程序的核心部分，包括4个功能. 包括各个切换电磁阀的顺序控制和动力油源的控制在内的系统的逻辑控制程序；根据制动量(期望压强)产生占空比控制序列的制动强度控制程序；包括遥控制动和急停按钮制动在内的紧急制动控制程序；人工干预响应控制程序. 通信程序，包括与整车系统通信的程序和与调试采集系统通信的程序. 测试程序，包括压强阶跃响应程序、占空比阶跃响应程序和速度阶跃响应程序.

3.2 采集与调试上位机程序

采集与调试上位机程序用VB语言编写，调试界面如图5所示.

采集与调试软件的功能包括三方面，系统状态显示、系统数据存储和调试命令发送.

系统状态显示. 标志位包括切换电磁阀状态(1-开，0-关)、制动命令下达(1-是，0-否)、紧急制动命令产生(1-是，0-否)及油缸继电器(即油源电机)接通(1-是，0-否)；Pressure部分分别列出了系统的动力油源油压、电控制动回路油压和踩踏板制动回路油压；Disp部分列出了电控制动主缸推杆的位移和制动踏板的位移；右下方列出了车辆的实际速度、期望速度、期望油门量、系统期望压强和比例流量阀的控制量. 系统数据存储. 当图5的下方出现Recording字样时，存储系统数据. 调试命令的发送. 包括比例阀占空比、期望压强、LPD(油门量)和期望速度的发送.

4 系统试验测试

4.1 比例流量阀稳态特性分析

采用的比例流量阀的电流控制范围为0～2 A，其工作原理如图6(a)所示. 当电流较小时，A口和P口连通，即油缸内腔经过回油管与油箱连通，油缸中油液压强为0；随着电流增大，T口和A口接通，即油缸内腔经过进油管路与蓄能器接通，此时油缸中为压力油，压力油推动活塞向右移动. 电流越大，压力油的流量越大，活塞右移的速度越快，相应的制动越紧急. 比例流量阀的稳态电流由式(1)得到

(1)

式中：A=e-DT/τ；B=e-T(1-D)/τ；τ为Le/R，电磁阀的时间常数；T为电磁阀占空比的控制周期；D为比例流量阀的占空比；Le为线圈动态电感，H；R为线圈电阻，Ω.

根据已知参数绘制比例流量阀的占空比-电流曲线如图6(b)所示. 由图6(b)可知，相应的比例流量阀的占空比控制范围为0～20.7%.

4.2 比例流量阀阶跃响应测试

系统搭建完成后，先对制动系统的逻辑功能、控制程序和数据采集与调试程序进行测试. 然后进行比例流量阀的静态阶跃响应测试，验证系统的可控性并为系统的压强控制提供控制依据.

车挂空挡并启动，通过采集与调试上位机向电控制动系统发送不同的占空比命令，占空比命令从0开始，以0.125%的步长增至20%，记录车辆的压强反应时间和系统的最大压强，如图7(a)、7(b)所示；对于压强上升时间比较长的试验，最大压强取占空比发出10 s后的系统压强值.

由图7可以看出，控制占空比低于16.25%时，系统压强反应时间为无穷大，最大压强为0；控制占空比在16.25%～20%时，系统响应时间越来越短并趋于收敛，收敛值为150 ms；最大压强越来越大并趋于收敛，收敛值为14.5 MPa.

此试验结果与踩踏板制动的试验值相符，能够满足使用要求.

4.3 实车道路试验

实车道路试验分别在坑洼的土路(以下简称土路)和铺装柏油路(以下简称柏油路)两组路面上进行.

4.3.1 人工制动试验

对多位熟练驾驶员的制动过程数据进行采集获得散点图，为电控制动的系统特性提供对比数据. 其中急制动和缓制动的情况是在人为告知前方紧急或非紧急的情况下驾驶员做出的反应.

提取出踩踏板制动的最大压强、平均压强、制动减速度以及系统响应时间，土路路面的部分测试数据如图8所示.

在土路路面上，驶员行为表现出了前方情况越紧急，且制动初始速度越高，驾驶员踩制动踏板产生的系统压强越大，且系统响应时间越短的趋势；踩踏板制动的车辆的平均减速度基本分布在-1～-5 m/s2之间，平均系统压强在4 MPa以内.

柏油路路面上采集的数据可以得出类似的结论，但是，柏油路面上，踩踏板制动的平均压强有所上升，最大可达7 MPa. 土路路面上的系统响应时间分布在600 ms以内，其中紧急制动情况下的系统响应时间基本分布在200 ms以内，但是由于路面不平度较大，驾驶员易受环境干扰产生踏板抖动的现象.

4.3.2 电控制动系统测试-压强保持试验

压强控制算法采用如图9所示的控制逻辑.

4.3.3 静态测试

车辆挂空挡并启动以产生助力，向电控制动系统发送从0开始增至6 MPa的期望压强，递增步长为0.5 MPa，制动系统的响应时间、压强上升时间、平均压强、最大压强、最小压强如图10所示.

由图10可知，当期望压强较大时，平均压强与期望压强偏差在±0.1 MPa以内；当期望压强值较小时，如0.5～1.0 MPa，平均压强与期望压强的偏差在0.4 MPa以内，系统的压强控制算法还有优化的空间以减小其震荡. 系统响应时间基本保持在150 ms以内，压强上升时间和期望压强呈正相关，满足电控制动系统快速制动和制动强度可控的要求.

4.3.4 实车试验

在不同的制动初始速度下，向电控制动系统发送不同的期望压强，参考人工制动的测试，土路路面的压强范围为0～4 MPa，柏油路路面的压强范围为0～6 MPa，获得车辆的制动过程参数，土路路面的试验数据如图11所示.

试验数据表明，车辆的制动时间和制动距离都随期望压强的增大而减小并趋于收敛，随制动初始速度的增大而增大；其平均减速度随期望压强的增大而增大，并随制动初始速度的增大而增大；符合车辆的动力学特性. 系统的响应时间随平均压强的增大保持在150 ms左右，压强上升时间随制动初始速度的增大而增大，随期望压强的增大而增大，这与原地压强保持试验的数据基本吻合. 柏油路面上的试验数据可以得出同样的结论，但由于路面的平顺性对制动执行机构的响应速度会造成一定的影响此数据随车辆初始速度的增大而增大，柏油路面上相应的数据保持稳定.

人工踩踏板制动时，系统响应时间在100～800 ms之间分散分布；电控制动时，系统的响应时间相对稳定，基本分布在100～350 ms之间；驾驶员反应时间一般为0.3～1.0 s，故搭建的电控制动系统比人工踩踏板制动反应灵敏.

4.3.5 双回路电控-液压制动系统验证试验

电控制动系统和无人车规划模块联合调试，车辆的期望速度为36～0 km/h，递减步长为3.6 km/h，每个目标速度保持2 s，车辆在土路路面下的速度跟随情况如图12所示.

图12的结果表明，所设计的制动系统的实际压强能够随期望压强的变化而变，且系统反应迅速，能够满足车辆速度控制的要求.

5 结束语

针对越野环境下的应用场景和某4×4越野车的特性设计电控-液压双回路制动系统，完成了对该系统的压强控制，并进行了相应的试验研究. 分析了车辆不同路面下环境因素、路面因素等对制动效果的影响，测试了车辆原车制动系统的响应特性，以及车辆双回路电控液压制动系统的静态和动态响应特性，并和车辆的其他模块进行了联合测试. 测试表明所设计的双回路电控液压制动系统能够避开现有技术的不足，在无人车的整体测试中表现出较好的控制性能，制动反应灵敏可靠，满足无人车对制动系统的要求. 所得的数据可以为无人车纵向系统的控制以及无人车感知圈和动力圈的融合提供数据支撑.

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(责任编辑：孙竹凤)

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

国家自然科学基金资助项目(51275041，91420203)

陈慧岩(1961—)，男，教授，博士生导师，E-mail:Chen_h_y@263.net.

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

U 469.79

A

1001-0645(2016)07-0695-06

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.07.007