CN103407445B - 一种智能车辆油门刹车自动切换控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种智能车辆油门刹车自动切换控制系统和方法属于汽车领域。系统包括：采集模块、决策模块、通信模块、油门控制模块、制动控制模块。采集模块包括里程计、惯性导航、滤波电路、A/D转化电路和采集MCU，滤波电路、A/D转化电路和采集MCU同集成在一块电路板上与里程计、惯导电气连接。决策模块与通信MCU连接。油门控制模块包括油门踏板、钢丝绳、牵引电机、油门控制器。油门MCU的PWM产生电路与牵引电机相连接，钢丝绳缠绕在由牵引电机驱动的绳轮上，绳轮与牵引电机之间通过电磁离合器连接。制动控制模块与油门控制模块结构相同，并设计了急停按钮。本发明解决制动踏板抖动问题，减少油门加速与制动减速之间切换次数，实现平稳加减速。

Description

一种智能车辆油门刹车自动切换控制系统及方法

技术领域

本发明设计是一种智能车辆油门刹车自动切换控制系统和方法，属于汽车领域。

背景技术

智能车纵向控制是指控制智能车按指定的速度行驶。纵向控制采用油门和制动综合控制方法实现对期望速度的跟踪。在基于油门与制动的纵向控制系统中，油门加速与制动减速之间按一定的规则进行切换，从而使智能车跟踪期望速度。油门控制与制动控制的及时顺利切换是减小速度跟踪误差和保证智能车行驶平稳性的关键。但在实际应用中，车辆的速度控制存在以下问题：一是制动时制动踏板往复抖动；二是油门加速与制动减速之间切换过于频繁，造成大量费油或者切换时冲击过大，不能保证切换的平稳性。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种智能车辆油门刹车自动切换的控制系统和方法，解决制动踏板抖动问题，减少油门加速与制动减速之间的切换次数，当速度偏差较小而需要减速时，尽可能利用油门处于零位的自然减速特性，以获得更好的速度跟踪效果，并实现平稳的加减速，保障乘客的舒适性。

一种智能车辆油门刹车自动切换控制系统，其特征在于包括：采集模块、决策模块、通信模块、油门控制模块、制动控制模块；采集模块包括里程计、惯性导航、滤波电路、A/D转化电路和采集MCU，里程计安装于车辆后轮处，惯性导航紧贴于驾驶员座位后侧安装，滤波电路、A/D转化电路和采集MCU同集成在一块电路板上与里程计、惯导电气连接；决策模块为一台上位机，通过USB转RS232串口数据线与通信MCU连接；通信模块包括通信MCU、RS232串口通信数据线、CAN总线，该模块是上位机与采集模块、油门控制模块或制动控制模块之间的桥梁，实现数据传送和指令通信；油门控制模块包括油门踏板、钢丝绳、牵引电机、油门控制器；油门MCU的PWM产生电路与牵引电机相连接，钢丝绳缠绕在由牵引电机驱动的绳轮上，绳轮与牵引电机之间通过电磁离合器连接，钢丝绳牵引油门踏板调整油门开度；制动MCU的PWM产生电路与牵引电机相连接，钢丝绳缠绕在由牵引电机驱动的绳轮上，绳轮与牵引电机之间通过电磁离合器连接，钢丝绳牵引制动踏板调整制动开度；并设计了急停按钮，急停按钮直接与CAN总线连接，紧急情况下向制动MCU发送最大制动命令。

一种智能车辆油门刹车自动切换控制方法，其特征在于包含以下步骤：

1)初始化各个微控制器MCU及其端口；

2)采集单片机接收到检测装置传来的速度信息，将数据进行滤波处理，并经A/D转化，转化成数字量传给CAN总线；

3)CAN总线同时接收来自急停按钮的紧急制动信号和来自采集单片机的信息，之后将信息传输给通信MCU，通信MCU再通过串口将信息发送给上位机进行相应的决策处理；

4)上位机首先检查是否具有紧急制动信号，若有紧急制动信号，立即以最大制动量传送给制动电机，直流电机以最大转速拉动制动踏板紧急停车；

5)上位机若没有收到紧急制动信号，则根据滤波后的速度和加速度信息，通过切换规则，决策出选择油门控制模块还是制动控制模块，切换规则如下：

a.当e(k)>0且a(k)<0时，选择油门控制模块；

b.当e(k)<0且a(k)≥0时，选择制动控制模块；

c.其他情况时，退出选择，并保持原来的控制器选择不变；

6)当选择油门控制器时，油门控制MCU通过自身带的CAN网络滤波器滤除其他CAN总线ID信息，接收到其对应的油门控制量，并经过运算换算成电机标定值，通过PWM波控制电机转动来拉动油门踏板，获得期望的油门开度值；当选择制动控制器时同样原理，制动MCU解码成对应的PWM占空比，通过电机驱动模块来控制电机拉动制动踏板，获得期望的制动开度；

7)返回步骤2)，不断采集速度和加速度信息，在控制周期范围内下发命令来控制油门电机和制动电机，以实现对车速的平稳控制。

一种智能车辆油门刹车自动切换控制系统，采用钢丝绳牵引油门踏板调整油门开度，制动踏板由用钢丝绳牵引调整刹车开度。钢丝绳缠绕在由直流电机驱动的绳轮上，绳轮与牵引电机之间通过电磁离合器连接，这样不破坏原车的人工驾驶功能，保证了人工驾驶与自动驾驶的兼容。智能车纵向速度由里程计得到，智能车纵向加速度由惯导得到，控制系统硬件构成示意图如图1所示。

有益效果

1.由速度偏差和车辆加速度共同决策选择油门或刹车，避免不必要的油门给进，节约能源；节油率可达5-10%;

2.减少油门刹车切换的切换次数，防止油门制动踏板抖动的出现。避免频繁加速和盲目刹车，利用油门处于零位的自然减速特性，实现油门与制动的平稳切换和过渡。

3.减少油门、制动机构的机械磨损，延长使用寿命。

4.不影响车辆的人工驾驶性能，可以实现自动驾驶和人工驾驶的切换；

5.具有紧急制动功能，保证了行驶的安全性。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图

图2是本发明的控制系统方框图

图3是本发明的控制系统的流程图

图4是本发明中的RS232接口原理图

图5是本发明中的CAN总线接口原理图

图6是本发明的油门刹车切换示意图

图7是切换规则软件流程图

图8是本发明的油门（或制动）控制器软件流程图

具体实施方式

附图1是本发明的系统结构示意图，附图3是控制系统的流程图，结合这两个图对系统的控制流程作进一步地说明：

1.初始化包括以下内容：初始化四个MCU，设置MCU的总线频率，初始化时钟模块，采集MCU的PT0设置为输入捕捉方式，PT1设置定时中断，设置PB各个端口位输出I/O模式允许中断。A/D初始化、PWM初始化、CAN初始化。

2.里程计得到车轮转动的脉冲数，惯导直接得到车辆的当前加速度值，采集模块通过里程计的脉冲数计算当前车速，再对数据进行滤波和A/D转化处理。

3.CAN总线接收紧急制动信号和采集模块的信息，并对数据进行异或校验。将数据传送给通信MCU。

4.紧急情况下，可按下急停按钮，直接将急停信号传递给CAN总线，独立控制制动控制器，以最大开度拉动刹车踏板紧急停车。

5.通信MCU是上位机与底层控制模块的桥梁，具体作用为：

a)通信MCU接收当前的车辆运动状态：包括车辆当前速度和加速度信息，通过串口发送给上位机进行相应的决策处理。

b)通信MCU接受上位机通过串口传来的控制指令，并将其解包成相应的转向控制指令、油门控制指令和制动控制指令，通过CAN总线发到相应的执行机构即油门或制动控制器模块中。

6.上位机根据速度偏差量和加速度值，通过切换规则作出选择。

7.根据上位机选择的控制模块，例如油门控制模块，油门控制器产生PWM信号驱动牵引电机进行工作，拉动钢丝绳牵引油门踏板。

本发明的关键是油门制动切换规则的确定，结合附图7对控制策略的切换规则进行进一步的说明：

控制策略切换规则有如下特点：

(1)在控制中尽量避免油门制动的来回切换，当速度偏差较小而需要减速时，尽可能利用油门处于零位的自然减速特性，在紧急情况下迅速急刹。

(2)切换规则中利用期望速度和实际速度的速度偏差e的符号进行判断，同时，引入加速度信息a作为判据。

具体切换规则如下：

其中，k表示当前k时刻的信息，u_t表示油门控制，u_b表示制动控制。

a.当e(k)>0且a(k)<0时，选择油门控制；

b.当e(k)<0且a(k)≥0时，选择制动控制；

c.其他情况时，退出选择，并保持原来的控制器选择不变。

油门控制与速度控制的及时顺利切换是减小速度跟踪误差和保证智能车行驶平稳性的关键。根据速度偏差和车辆加速度选择油门控制还是制动控制，未选择的情况下维持上一时刻的控制器选择。

本发明的油门/制动踏板的牵引电机为Maxon150W的直流电机，牵引电机的控制器为Epos2位置控制器。系统采用两种通信方式：串口通信、CAN通信。以下是具体方法说明：

1)串口通信协议：上位机与通信单片机的通信方式选择RS232串口通信协议，设置串口属性：波特率为19200，无校验位，8个数据位，1个停止位。

2)CAN通信协议：通信单片机与底层MCU传输信息采用的是CAN总线通信协议。

Claims (2)

1.一种智能车辆油门刹车自动切换控制系统，其特征在于包括：采集模块、决策模块、通信模块、油门控制模块、制动控制模块；采集模块包括里程计、惯性导航、滤波电路、A/D转化电路和采集微控制器，里程计安装于车辆后轮处，惯性导航紧贴于驾驶员座位后侧安装，滤波电路、A/D转化电路和采集微控制器同集成在一块电路板上与里程计、惯性导航电气连接；决策模块为一台上位机，通过USB转RS232串口通信数据线与通信微控制器连接；通信模块包括通信微控制器、RS232串口通信数据线、CAN总线，该通信模块是上位机与采集模块、油门控制模块或制动控制模块之间的桥梁，实现数据传送和指令通信；油门控制模块包括油门踏板、油门钢丝绳、油门牵引电机、油门微控制器；油门微控制器的PWM产生电路与油门牵引电机相连接，油门钢丝绳缠绕在由油门牵引电机驱动的绳轮上，绳轮与油门牵引电机之间通过电磁离合器连接，油门钢丝绳牵引油门踏板调整油门开度；制动控制模块包括制动踏板、制动钢丝绳、制动牵引电机、制动微控制器；制动微控制器的PWM产生电路与制动牵引电机相连接，制动钢丝绳缠绕在由制动牵引电机驱动的绳轮上，绳轮与制动牵引电机之间通过电磁离合器连接，制动钢丝绳牵引制动踏板调整制动开度；并设计了急停按钮，急停按钮直接与CAN总线连接，紧急情况下向制动微控制器发送最大制动命令。

2.应用权利要求1所述的一种智能车辆油门刹车自动切换控制系统的方法，其特征在于包含以下步骤：

1)初始化各个微控制器及其端口；

2)采集微控制器接收到检测装置传来的速度信息，将数据进行滤波处理，并经A/D转化，转化成数字量传给CAN总线；

3)CAN总线同时接收来自急停按钮的紧急制动信号和来自采集微控制器的信息，之后将信息传输给通信微控制器，通信微控制器再通过RS232串口通信数据线将信息发送给上位机进行相应的决策处理；

4)上位机首先检查是否具有紧急制动信号，若有紧急制动信号，立即以最大制动量传送给制动牵引电机，制动牵引电机以最大转速拉动制动踏板紧急停车；

5)上位机若没有收到紧急制动信号，则根据滤波后的速度偏差和加速度，通过切换规则，决策出选择油门控制模块还是制动控制模块，切换规则如下：

其中：e(k)为k时刻的速度偏差，由期望速度和采集模块采集到的实际速度进行计算得到速度偏差；a(k)为k时刻的加速度，由惯性导航提供；

a.当e(k)>0且a(k)<0时，选择油门控制模块；

b.当e(k)<0且a(k)≥0时，选择制动控制模块；

c.其他情况时，退出选择，并保持原来的控制模块选择不变；

6)当选择油门控制模块时，油门微控制器通过自身带的CAN网络滤波器滤除其他CAN总线ID信息，接收到其对应的油门控制量，并经过运算换算成油门牵引电机标定值，通过PWM波控制油门牵引电机转动来拉动油门踏板，获得期望的油门开度值；当选择制动控制模块时同样原理，制动微控制器解码成对应的PWM占空比，通过电机驱动模块来控制制动牵引电机拉动制动踏板，获得期望的制动开度；

7)返回步骤2)，不断采集速度和加速度信息，在控制周期范围内下发命令来控制油门牵引电机或制动牵引电机，以实现对车速的平稳控制。