CN102358275A - 用于车辆自动驾驶机器人的紧急制动控制装置与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于车辆自动驾驶机器人的紧急制动控制装置，包括车辆运行状态检测单元、控制单元和执行单元；车辆运行状态检测单元用于获取各个车轮轮速信息，并将其发送到控制单元。控制单元用来接收从车辆运行状态检测单元发送的车轮轮速信息，并对车轮轮速信息进行分析与处理，获得当前车辆的运行状态，通过控制单元控制执行机构进行紧急制动操作，控制单元控制执行机构进行制动操作过程为：增加制动力-＞车辆轮速不均或车轮有抱死趋势-＞减少制动力-＞轮速增加-＞开始增加制动力，循环此过程直至车辆停止。本发明的优点在于：安装了此紧急制动装置的自动驾驶机器人可令无ABS车辆迅速、安全制动，模拟驾驶员制动过程中为防车轮抱死进行的反复踩下和松开制动踏板的动作。

Description

用于车辆自动驾驶机器人的紧急制动控制装置与控制方法

技术领域

本发明涉及车辆的制动控制领域，尤其涉及到用于车辆自动驾驶机器人的紧急制动控制装置与控制方法。

背景技术

用于车辆试验的自动驾驶机器人是一种安装在驾驶室内，在汽车试验中代替人类驾驶员进行操作的工业机器人。

自从1994年日本小野测器株式会社研制成功世界上第一台自动驾驶机器人以来，德国SCHENCK公司、STAHLE公司、大众汽车公司，英国MIRA公司、Froude Consine公司、Anthony Best Dynamics公司以及美国克莱斯勒公司都研制出用于汽车性能试验用的自动驾驶机器人。在国内，东南大学与跃进集团技术中心联合研制成功的拥有自主知识产权的DNC-I、DNC-II型自动驾驶机器人。自动驾驶机器人可以应用于道路工况试验和转鼓排放试验上。同时，还可以用于各种样车试验。在室外的道路试验中，制动机器腿是保障车辆安全的一个主要部分，具有重要的研究意义。

对于装有ABS的车辆来说，自动驾驶机器人紧急制动过程中只需要通过制动机器腿简单的将制动踏板踩到底即可，且一般不会出现车辆跑偏、甩尾等危险情况。但对于未装ABS的车辆而言，此种制动方式会导致车辆制动距离较长，且无法保证车辆制动过程中的方向稳定性。

申请号为97242226的实用新型专利公开了一种机械式机动车制动点刹器，该点刹器由气缸、活塞、压缩缓冲弹簧组成。该点刹器可以刚性串联在制动踏板上，通过气缸的多次泻流使制动蹄在脚踏力失压时复位，从而达到点刹的功效。这是一种机械的控制装置，它可以在一定程度上缩短制动距离、防止车轮抱死。但是由于该点刹器依靠已经加工好的机械结构来减压，泻流孔直径已经固定，并且没有车轮及制动踏板的反馈信号(即其为开环控制)，因此将这种点刹器应用到自动驾驶机器人中时，无法在各种不同的行驶条件下均达到比较理想的效果、不能根据车辆状态的不同实时调整控制方案，在制动过程中只能完全重复相同的过程。

发明内容

本发明目的是提供一种用于车辆自动驾驶机器人紧急制动过程的控制装置与控制方法，主要用于自动驾驶机器人驾驶无ABS车辆的紧急制动过程，通过进行类似于点刹的制动过程来达到在不出现跑偏等危险状态的情况下尽可能的缩短制动距离，维持制动时车辆方向稳定性的目的。

本发明用于车辆自动驾驶机器人的紧急制动控制装置，包括车辆运行状态检测单元、控制单元和执行单元。

所述执行单元是本发明紧急制动控制装置的执行器件，包括制动机器腿、踏板连接板、驱动电机、丝杠以及安装板。其中，将交流伺服电机作为驱动电机固定安装在安装板上。丝杠两端均套接有一个支承架，丝杠可在支承架中自由转动。支承架固定在安装板上，通过支承架使丝杠与安装板相对定位。丝杠的一端与驱动电机的输出轴连接。制动机器腿的一端与滑块铰接，滑块与丝杠上螺纹套接的丝杠螺母固定。制动机器腿的另一端与踏板连接件铰接，踏板连接件用来与车辆内部制动踏板固连。

所述车辆运行状态检测单元为轮速传感器。轮速传感器安装在每个车轮上，用来获取各个车轮轮速信息，并将其发送到控制单元。

所述控制单元用来接收轮速传感器发送的车轮轮速信息，并对车轮轮速信息进行分析与处理，获得当前车辆的运行状态，包括：当前车轮轮速、滑移率、参考车速和轮速差百分比。

所述轮速差百分比i通过下述公式获得：

$i=\frac{\max \left(\mathrm{\ω}\right)-\min \left(\mathrm{\ω}\right)}{\max \left(\mathrm{\ω}\right)}$

式中，max(ω)为各车轮轮速中的最大值，min(ω)为各车轮轮速中的最小值。

基于上述紧急制动控制装置的控制方法，通过4个步骤来完成：

步骤1：系统初始化；

将控制单元中存在的数据清除，并在控制单元中设定车轮滑移率S₁和S₂作为主门限值，设定车轮轮速差百分比值i₁和i₂作为辅助门限值；其中，S₁＜S₂，i₁＜i₂。

步骤2：通过控制单元实时接收轮速传感器发送的车轮轮速脉冲信号，并对车轮轮速脉冲信号进行分析与处理，实时获得当前车辆的车轮轮速、滑移率、参考车速和轮速差百分比。

步骤3：控制单元接收到驾驶机器人发送的紧急制动命令后，进行车辆的初始制动；

控制单元控制驱动电机转动，使制动机器腿推动制动踏板，制动压力增加，各车轮开始减速，各车轮的滑移率开始增大，且各车轮间产生轮速差。当各车轮滑移率中的最大值未超过门限值S₁，且轮速差百分比未超过门限值i₁时，则通过控制单元2控制驱动电机，使制动机器腿保持以速度v₁踩下制动踏板。

步骤4：通过控制单元判断制动过程中车辆的状态，完成对车辆的制动控制；

当各车轮滑移率中的最大值S超过门限值S₁，而轮速差百分比未超过门限值i₁，或者车轮滑移率中的最大值S未超过门限值S₁而轮速差百分比超过门限值i₁时，控制单元控制制动机器腿以速度v₂踩下制动踏板。

当各车轮滑移率中的最大值S超过门限值S₂，且轮速差百分比未超过门限值i₁，或者车轮滑移率中的最大值S未超过门限值S₁而轮速差百分比超过i₂时，控制单元控制制动机器腿以速度v₄踩下制动踏板。

当各车轮滑移率中的最大值S超过门限值S₁而未超过S₂，且轮速差百分比超过门限值i₁未超过i₂时，控制单元控制制动机器腿以速度v₃踩下制动踏板。

当各车轮滑移率中的最大值S超过门限值S₁而未超过S₂，且轮速差百分比超过门限值i₂，或者车轮滑移率中的最大值S超过门限值S₂而轮速差百分比超过门限值i₁未超过i₂时，控制单元控制制动机器腿以速度v₅踩下制动踏板。

当各车轮滑移率中的最大值S超过门限值S₂而且轮速差百分比也超过门限值i₂时，控制单元控制制动机器腿以大小为v₆的速度松开制动踏板。

本发明的优点在于：

1、采用本发明紧急制动控制装置的自动驾驶机器人可驾驶无ABS的车辆，模拟驾驶员制动过程中为防车轮抱死而进行的反复踩下和松开制动踏板的动作，安装拆卸方便(无需改装车辆)，且控制精度高(伺服电机作为驱动电机)、适用车型较广(制动机器腿长度可调节)；

2、本发明控制方法可对车辆进行实时控制，根据车辆运行状态的不同产生不同的控制操作，达到点刹的目的，主要用于紧急情况下的自动驾驶机器人对汽车制动过程的控制。在保证车辆方向稳定性的同时尽量缩短制动距离。

附图说明

图1为本发明紧急制动控制装置整体结构框图；

图2为本发明紧急制动装置的结构布置示意图；

图3为本发明紧急制动装置中执行机构结构示意图；

图4为紧急制动装置的工作原理流程图。

图中：

1-车辆运行状态检测单元    2-控制单元        3-执行单元      4-制动踏板

301-制动机器腿            302-踏板连接板    303-驱动电机    304-丝杠

305-安装板                306-支承架        307-联轴器      308-滑块

309-丝杠螺母              310-遮光片        311-光电开关

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，用于车辆自动驾驶机器人的紧急制动控制装置主要包括车辆运行状态检测单元1、控制单元2和执行单元3，如图1所示，如图2所示。

所述执行单元3是本发明紧急制动控制装置的执行器件，如图3所示，包括制动机器腿301、踏板连接板302、驱动电机303、丝杠304以及安装板305。其中，将伺服电机作为驱动电机303固定安装在安装板305上。丝杠304两端均套接有一个支承架306，丝杠304可在两个支承架306中自由转动。两个支承架306固定在安装板305上，通过两个支承架306使丝杠304与安装板305相对定位。丝杠304的一端通过联轴器307与驱动电机303的输出轴连接。制动机器腿301为一支杆结构，制动机器腿301的一端与滑块308铰接，滑块308与丝杠上螺纹套接的丝杠螺母309固定；制动机器腿301的另一端与踏板连接件302铰接，踏板连接件302用来与车辆内部制动踏板4固连。根据控制单元2发出的指令，使驱动电机303驱动丝杠304与驱动电机303输出轴共同同心顺时针或逆时针转动，使丝杠螺母309带动滑块308上下运动，从而通过滑块308带动制动机器腿301上下运动，最终可通过制动机器腿301带动踏板连接板302转动，从而实现制动机器腿301对车辆内部制动踏板4的操作(即：制动机器腿301踩下或松开制动踏板4)。

为了使紧急制动控制装置在每次启动时，制动踏板4均位于初始位置(即车辆行进中制动机器腿301未制动踏板4进行任何操作时制动踏板4所在位置)，因此在制动机器腿301未对制动踏板4进行任何操作时，在滑块308的一侧设置光电开关311，光电开关311与安装板305固定，并且在光电开关311与滑块308间设置挡光片310，由此可通过光电开关311的通断判断制动踏板4是否位于初始位置。

本发明紧急制动控制装置中为了能够根据不同车型内的座椅高度、制动踏板4距座椅位置的差距进行调节，将制动机器腿301设计为n段，各段间采用螺纹连接，由此可通过调节各段间螺纹连接的深度，来调整制动机器腿301的长度，其中，n为正整数。

所述车辆运行状态检测单元1为轮速传感器101。轮速传感器101安装在每个车轮上，如图2所示，本发明中采用电磁感应式轮速传感器，安装方式与通常的ABS所用的轮速传感器相同，用于获取各个车轮轮速信息，并将其发送到控制单元2。

如图2所示，所述控制单元2用来接收轮速传感器101发送的车轮轮速信息，并对车轮轮速信息进行分析与处理，获得当前车辆的运行状态，包括：当前车轮轮速、参考车速、各车轮的滑移率和各个车轮间的轮速差百分比。

其中，滑移率为：

$S_J=\frac{V-{\mathrm{\ω}}_j}{{\mathrm{\ω}}_j}$

式中，v为参考车速，ω_j为第j个轮的轮速，参考车速v可根据文献《基于轮速和压力控制状态信息的ABS参考车速算法研究及其试验验证》北京航空航天大学，王伟达、丁能根、徐向阳、杨磊，中记载的方法得到。

所述各个车轮间的轮速差百分比i通过下述公式获得：

$i=\frac{\max \left(\mathrm{\ω}\right)-\min \left(\mathrm{\ω}\right)}{\max \left(\mathrm{\ω}\right)}$

式中，max(ω)为各车轮轮速中的最大值，min(ω)为各车轮轮速中的最小值。

在紧急制动过程中，根据控制单元2所采集到的车轮轮速以及处理后得到参考车速、滑移率和轮速差百分比与控制单元2预先设定的各个门限值比较大小，从而判断是否存在车辆轮速不均或车轮有抱死趋势的情况，由此通过控制单元2控制执行单元3中的驱动电机303的转向，从而使制动机器腿301以一定的速度踩下或松开制动踏板302，达到增加制动力或减少制动力的目的。当存在轮速不均或有抱死趋势时，则控制单元2控制驱动电机303反转，使制动机器腿301松开制动脚踏板302，减小制动力，使车辆轮速增加，随后通过控制单元2控制驱动电机303正转，使制动机器腿301推动踩下脚踏板302，增加制动力，循环上述操作，直至车辆停止，从而达到类似点刹但效果优于点刹的目的，实现人工驾驶无法达到的高频率高精度的控制要求，有效的缩短制动距离，保证车辆方向稳定性。

基于本发明控制装置的控制方法，由多个制动循环组成，直至车辆停止。每一制动循环包括：增加制动力-＞车辆轮速不均或车轮有抱死趋势-＞减少制动力-＞轮速增加-＞开始增加制动力。如图4所示，具体步骤如下：

步骤1：控制单元2初始化；

将控制单元2中存在的数据清除，并在控制单元2中设定车轮滑移率S₁和S₂作为主门限值，选定轮速差百分比值i₁和i₂作为辅助门限值；其中S₁＜S₂，i₁＜i₂。其中，滑移率S₁和S₂与轮速差百分比i₁和i₂先通过经验进行预设，随后进行制动过程试验，每一时刻将各个车轮轮速进行比较，得到最大值和最小值，由此得到每一时刻的轮速差百分比；同时，获取在制动过程的每一时刻各个车轮的滑移率；最后，通过观察分析一个完整的制动过程中轮速差百分比变化曲线图、各个车轮滑移率曲线图，在使各个车轮滑移率尽量保持在15％～30％之间的前提下调整四个门限值(即滑移率门限值S₁和S₂以及轮速差百分比值i₁和i₂)的大小，再次进行上述过程，直至选定滑移率与轮速差百分比中某一组门限值时，车辆的制动距离在各组门限值制动过程中能达到最小。此时，选定这一组门限值为本方法中所设定的滑移率门限值与车轮轮速差百分比门限值。

步骤2：实时获得当前车辆的车轮轮速、参考车速、滑移率和轮速差百分比；

通过控制单元2实时接收轮速传感器101发送的车轮轮速脉冲信号，并对车轮轮速脉冲信号进行分析与处理，实时获得当前车辆的车轮轮速、参考车速、滑移率和轮速差百分比。

步骤3：控制单元2接收到驾驶机器人发送的紧急制动命令后，进行车辆的初始制动；

控制单元2控制驱动电机303转动，使制动机器腿301推动制动踏板302，制动压力增加，各个车轮开始减速，各个车轮的滑移率开始增大，且各个车轮间产生轮速差。

步骤4：通过控制单元2判断制动过程中车辆的状态，完成对车辆的制动控制；

如表1所示，当各车轮滑移率中的最大值S未超过门限值S₁，且轮速差百分比i未超过门限值i₁时，则通过控制单元2控制驱动电机303，使制动机器腿301保持以速度v₁踩下制动踏板302。

当各车轮滑移率中的最大值S超过门限值S₁，而轮速差百分比未超过门限值i₁，或者车轮滑移率中的最大值S未超过门限值S₁而轮速差百分比i超过门限值i₁时，控制单元2控制制动机器腿301以速度v₂踩下制动踏板302；

当各车轮滑移率中的最大值S超过门限值S₂，且轮速差百分比i未超过门限值i₁，或者车轮滑移率中的最大值S未超过门限值S₁而轮速差百分比i超过i₂时，控制单元2控制制动机器腿301以速度v₄踩下制动踏板302；

当各车轮滑移率中的最大值S超过门限值S₁而未超过S₂，且轮速差百分比i超过门限值i₁未超过i₂时，控制单元2控制制动机器腿301以速度v₃踩下制动踏板302；

当各车轮滑移率中的最大值S过门限值S₁而未超过S₂，且轮速差百分比i超过门限值i₂，或者车轮滑移率中的最大值S超过门限值S₂而轮速差百分比i超过门限值i₁未超过i₂时，控制单元2控制制动机器腿301以速度v₅踩下制动踏板302；

当各车轮滑移率中的最大值S超过门限值S₂而且轮速差百分比i也超过门限值i₂时，控制单元2控制制动机器腿301以大小为v₆的速度松开制动踏板302。

表1控制单元对车辆的制动控制

上述控制方法中，v₁、v₂、v₃、v₄、v₅、v₆选择方法为：首先根据经验选定v₁到v₆的值，然后进行车辆制动控制试验。由于在车辆制动过程中会出现若干表1中的6种状态，因此通过不断调整v₁到v₆的值，观察车辆制动过程中制动距离的变化，从而选定能使车辆制动距离达到最小的那组速度值作为本发明方法中所述的6个状态下的速度值。其中，v₁为制动机器腿301在驱动电机303的转速限制下，设定的制动机器腿301制动过程中运动的最大速度。

由此，通过不断的踩下和松开踏板302，在维持车辆方向稳定性和保证车辆不侧滑的情况下，能尽量缩短制动距离，实现在紧急情况下迅速安全停车。

Claims (5)

1.用于车辆自动驾驶机器人的紧急制动控制装置，其特征在于：包括车辆运行状态检测单元、控制单元和执行单元；

所述执行单元包括制动机器腿、踏板连接板、驱动电机、丝杠以及安装板；其中，驱动电机固定安装在安装板上；丝杠上有支承架，支承架固定在安装板上，通过支承架使丝杠与安装板相对定位；丝杠的一端与驱动电机的输出轴连接；制动机器腿的一端与滑块铰接，滑块与丝杠上螺纹套接的丝杠螺母固定；制动机器腿的另一端与踏板连接件铰接，踏板连接件用来与车辆内部制动踏板固连；

所述车辆运行状态检测单元为轮速传感器；轮速传感器安装在每个车轮上，用来获取各个车轮轮速信息，并将其发送到控制单元；

所述控制单元用来接收轮速传感器发送的车轮轮速信息，并对车轮轮速信息进行分析与处理，获得当前车辆的运行状态，包括：当前车轮轮速、参考车速、滑移率和轮速差百分比；

所述轮速差百分比i通过下述公式获得：

$i=\frac{\max \left(\mathrm{\ω}\right)-\min \left(\mathrm{\ω}\right)}{\max \left(\mathrm{\ω}\right)}$

式中，max(ω)为各车轮轮速中的最大值，min(ω)为各车轮轮速中的最小值。

2.如权利要求1所述的用于车辆自动驾驶机器人的紧急制动控制装置，其特征在于：所述滑块的一侧设置有光电开关，光电开关与安装板固定，光电开关与滑块间设置有遮光片，通过光电开关的通断判断车辆内制动踏板是否位于初始位置。

3.如权利要求1所述的用于车辆自动驾驶机器人的紧急制动控制装置，其特征在于：所述制动机器腿为n段，各段间采用螺纹连接，n为正整数。

4.如权利要求1所述的用于车辆自动驾驶机器人的紧急制动控制装置，其特征在于：所述驱动电机为交流伺服电机。

5.基于权利要求1所述用于车辆自动驾驶机器人的紧急制动控制装置的控制方法，其特征在于：通过4个步骤来完成：

步骤1：系统初始化；

将控制单元中存在的数据清除，并在控制单元中设定车轮滑移率S₁和S₂作为主门限值，设定车轮轮速差百分比值i₁和i₂作为辅助门限值；其中，S₁＜S₂，i₁＜i₂；

步骤2：通过控制单元实时接收轮速传感器发送的车轮轮速脉冲信号，并对车轮轮速脉冲信号进行分析与处理，实时获得当前车辆的车轮轮速、参考车速、滑移率和轮速差百分比；

步骤3：控制单元接收到驾驶机器人发送的紧急制动命令后，进行车辆的紧急制动；

控制单元控制驱动电机转动，使制动机器腿推动制动踏板，制动压力增加，各车轮开始减速，且滑移率开始增大，并且各个车轮间产生轮速差；当各车轮滑移率中的最大值S未超过门限值S₁，且轮速差百分比未超过门限值i₁时，则通过控制单元控制驱动电机，使制动机器腿保持以速度v₁踩下制动踏板；

步骤4：通过控制单元判断制动过程中车辆的状态，完成对车辆的制动控制；

当各车轮滑移率中的最大值S超过门限值S₁，而轮速差百分比未超过门限值i₁，或者车轮滑移率中的最大值S未超过门限值S₁而轮速差百分比超过门限值i₁时，控制单元控制制动机器腿以速度v₂踩下制动踏板；

当各车轮滑移率中的最大值S超过门限值S₂，且轮速差百分比未超过门限值i₁，或者车轮滑移率中的最大值S未超过门限值S₁而轮速差百分比超过i₂时，控制单元控制制动机器腿以速度v₄踩下制动踏板；

当各车轮滑移率中的最大值S超过门限值S₁而未超过S₂，且轮速差百分比超过门限值i₁未超过i₂时，控制单元控制制动机器腿以速度v₃踩下制动踏板；

当各车轮滑移率中的最大值S超过门限值S₁而未超过S₂，且轮速差百分比超过门限值i₂，或者车轮滑移率中的最大值S超过门限值S₂而轮速差百分比超过门限值i₁未超过i₂时，控制单元控制制动机器腿以速度v₅踩下制动踏板；

当各车轮滑移率中的最大值S超过门限值S₂而且轮速差百分比也超过门限值i₂时，控制单元控制制动机器腿以大小为v₆的速度松开制动踏板。

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