CN104842714A - 一种汽车短距离辅助紧急制动系统及其制动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短距离辅助紧急制动系统及其制动方法，通过中央控制单元判断车辆是否会发生与障碍物不可避免的严重碰撞，当判断会发生不可避免的严重碰撞时，考虑当前的道路状况信息，由系统执行器中的粘结剂形成器选择形成合适当前路面的粘结剂，经由执行器中的粘结剂喷射器加压瞬间将粘结剂喷射到车轮胎面和路面上，提高地面提供的汽车制动力，配合车辆主制动系统，大幅缩短汽车的制动距离，保证了汽车的安全性，同时通过控制安装在不同车轮的粘结剂喷射器喷射粘结剂剂量，实现对车辆姿态的控制，防止车辆发生严重的侧滑和翻转，增加了汽车的稳定性。

Description

一种汽车短距离辅助紧急制动系统及其制动方法

技术领域

本发明涉及汽车制动技术领域，具体涉及一种短距离辅助紧急制动系统及其制动方法。

背景技术

良好的制动性能是汽车安全行驶的重要保障。汽车的制动性能直接关系到交通安全，重大的交通事故往往与制动距离太长有关，而制动距离的长短取决于制动力的大小。汽车制动时所需的与行驶方向相反的外力主要是由地面和空气提供。但是从汽车开始制动到汽车停止，空气所能提供的阻力相对较小，可忽略不计，所以制动力主要是由地面制动力提供。汽车的地面制动力取决于制动器的制动力，同时受地面附着条件，即轮胎-地面摩擦系数的限制，所以只有当汽车具有足够的制动器制动力，同时提供高的轮胎与地面之间的摩擦系数时，才能保证获得足够大的地面制动力。制动过程中，当制动力矩超出地面的最大附着极限后，地面制动力将会降低。

中国专利“一种汽车短距离刹车控制装置及采用该装置的汽车短距离刹车控制方法(CN102463970 A)”公开了一种短距离刹车控制装置和短距离刹车控制方法。该装置通过降低汽车轮胎的压力，增加轮胎和地面的接触面积，进而增大地面摩擦力，从而缩短汽车的制动距离。中国专利“一种安全制动系统以及带有辅助安全制动系统的机动车(CN 104002778 A)”公开了一种安全制动系统。当机动车刹车失灵、车辆失控或者车载制动系统不能满足制动的情况下，该系统通过启动安装在汽车底盘上的伸缩式支撑机构和摩擦组件，实现强力减速制动，进而缩短制动距离。然而，这些辅助的紧急制动系统都无法突破路面附着条件，即轮胎与地面之间摩擦系数的限制。

计算机技术的广泛应用，为汽车的智能化提供了广阔的前景。近年来，世界车辆工程领域研究的热点主要集中在智能车辆研发上。智能车辆是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能及自动控制等技术。车辆的数据处理能力将会得到质的飞跃，有用信息提取与快速有效处理将为车辆功能完善提供了有利条件。

发明内容

本发明目的在于提供一种短距离辅助紧急制动系统及其制动方法，突破轮胎与地面之间摩擦系数的限制，提高轮胎和地面之间的附着力，实现大幅缩短极端情况下汽车的制动距离，技术方案如下：

一种汽车短距离辅助紧急制动系统，主要由中央控制单元以及分别与其相连的传感器和执行器组成，所述执行器由粘结剂形成器和粘结剂喷射器组成，并集成安装在车轮前方车体上，便于粘结剂喷射器喷射出的粘结剂同时附着在轮胎与路面之间即将接触的表面上。

进一步，所述传感器包括距离传感器、加速度传感器、车速传感器以及路况传感器。

更近一步，安装在不同位置的车轮前方车体上的所述执行器，其粘结剂喷射器喷射嘴的喷嘴范围不同，安装在转向车轮的粘结剂喷射器喷嘴的喷射角范围大于安装在非转向车轮喷射器喷嘴的喷射角范围。

一种汽车短距离辅助紧急制动系统的制动方法，该方法是通过在确定车辆即将发生不可避免的严重碰撞后，命令执行器向轮胎与路面之间即将接触的表面上喷射粘结剂，进而提高轮胎与路面之间的摩擦系数，具体制动方法步骤如下：

步骤一：设定碰撞时相对车速的阈值V_th；

步骤二：判断车辆是否即将发生不可避免的严重碰撞；通过传感器检测到的信号，当车辆即将同障碍物碰撞，且通过中央控制单元的计算，准确预测出发生碰撞时相对车速V超过碰撞时相对车速的阈值V_th，中央控制单元即做出车辆即将发生不可避免的严重碰撞的判断，并向执行器发出执行指令；

步骤三：形成粘结剂；粘结剂形成器根据传感器检测到的路况信号，对粘结剂组成成分进行配比并混合，形成适合当前路况的粘结剂，并输送给粘结剂喷射器；

步骤四：喷射粘结剂；粘结剂喷射器将混合好的粘结剂喷射到轮胎与路面之间即将接触的表面上，增大轮胎与地面之间的最大摩擦系数，实现减速制动。

进一步，所述准确预测发生碰撞时相对车速V超过碰撞时相对车速的阈值V_th的方法为：

在所述步骤一中，设定预测判断所需的步长数N，且N为整数；

在所述步骤二中，通过传感器对车辆信号进行采样，在第i个采样步长中，中央控制单元根据当前传感器检测到的信号计算，预测出碰撞时的车速V_i大于设定的碰撞时相对车速的阈值V_th，同时这种预测结果在接下来的连续的N-1个采样步长都一致，即预测出发生碰撞时相对车速序列V_i，V_i+1…V_i+N-1均超过碰撞时相对车速的阈值V_th，这时准确预测出发生碰撞时的车速V超过碰撞时的相对车速的阈值V_th，其中，i为整数，所述采样步长指采样时间间隔，采样时间间隔为1ms的整数倍。

本发明的设计背景在于提高车辆轮胎与地面之间的摩擦系数μ，使μ突破1，进而大大提高车辆与地面之间的附着力，大大减小制动距离。本发明的主要设计原理是通过传感器与中央控制系统之间的信号传输及处理，对车辆所处的状态进行判断，当确认即将发生不可避免的严重碰撞时，中央控制系统向执行器发出指令。本发明是通过向车辆轮胎与地面之间喷射粘结剂来提高车辆轮胎与地面之间的摩擦系数μ的，所以本发明中的执行器是一种能够生成并喷射粘结剂的装置，包括粘结剂形成器和粘结剂喷射器。

本发明的有益效果在于：

本发明通过将粘结剂喷射到车轮胎面和路面，从而突破路面附着条件的限制，提高汽车的地面制动力，配合车辆主要制动系统，大幅缩短极端情况下汽车的制动距离，保证了汽车的安全性；此外，通过控制安装在不同车轮的粘结剂喷射器喷射的粘结剂量，实现对车辆姿态的控制，防止车辆发生严重的侧滑和翻转，增加了汽车的稳定性。

附图说明

图1为本发明的基本控制系统结构框图；

图2为本发明的执行器的安装示意图；

图3为本发明的基本控制工作原理框图；

图4a为安装在转向车轮前方车体上的粘结剂喷射器喷嘴的喷射角范围示意图；

图4b为安装在非转向车轮前方车体上的粘结剂喷射器喷嘴的喷射角范围示意图；

图5为本发明启动与否的理想制动效果对比图。

图中：

1-车轮，2-执行器，3-车体。

具体实施方式

下面将结合附图详细说明本发明制动系统及其制动方法，并通过实施例，对本发明的具体实施过程做进一步说明。

如图1所示，本发明公开了一种短距离辅助紧急制动系统，包括中央控制单元、粘结剂喷射器与粘结剂形成器集成的执行器2、距离传感器、加速度传感器、车速传感器和路况传感器。其中，距离传感器主要用于检测行驶车辆与前方障碍物或者车辆之间的距离，通过车载雷达发出的声波或者摄像头采集的图像等形式进行检测；加速度传感器，用来检测制动时车辆的制动减速度；路况传感器用来检测当前汽车所处路面的状况，如公路、混凝土、砂砾路和土路等，主要是通过智能的图像处理和声波检测，然后结合制动加速度等数据进行分析获取当前的路况信息，或者高度智能化时代通过云端获取当前的路况信息；车速传感器，用来检测当前车辆的速度。所述中央控制单元主要用来接受检测数据,并进行计算分析,判断是否需要启动这套短距离辅助紧急制动系统的执行器。所述的粘结剂喷射器和粘结剂形成器与短距离辅助紧急制动中央控制单元相连接，所述的距离传感器、加速度传感器、车速传感器和路况传感器与短距离辅助紧急制动中央控制单元相连接。

此外,提高整个辅助制动系统的安全可靠性,本系统还配有故障诊断单元,主要由故障诊断电路、强制启停按钮以及警示信号灯组成。警示信号灯主要提示驾驶员短距离辅助紧急制动系统是否存在故障；强制启停按钮主要用于驾驶员强制开启或者关闭短距离辅助紧急制动系统。

如图2所示，粘结剂喷射器和粘结剂形成器集成装配后与车体3连接，其安装在车轮1正前方位置，紧急制动时便于喷射出粘结剂可以同时喷射到车轮胎面和路面之间。构成粘结剂的不同成份在相互混合之前不具备粘性，通过粘结剂形成器进行混合，使之具有较强的黏附作用，然后被输送给粘结剂喷射器。粘结剂喷射器主要是将混合好的粘结剂，加压，由喷射器喷嘴喷射到汽车轮胎和路面上。此外，由于转向车轮较非转向车轮具有一定的转向角度，如图4a和图4b所示，安装在转向车轮的粘结剂喷射器喷嘴的喷射角范围比安装在非转向车轮喷射器喷嘴的喷射角范围要大。

本发明的制动系统的制动方法是通过在确定车辆即将发生不可避免的严重碰撞后，命令执行器向轮胎与路面之间即将接触的表面上喷射粘结剂，进而提高轮胎与路面之间的最大摩擦系数。

需要指出的是，本发明的制动系统只有在万不得已的情况下才能启用，因为本发明装置启动后所喷射出来的粘结剂对汽车的轮胎和路面将造成一定的破坏，同时车辆的转向性能将受到影响。本发明辅助制动系统能够在复杂的碰撞情况下做出非常准确的判断，短距离辅助紧急制动系统的执行器启动时刻也必须精确控制。

此外，在每次启动本制动系统前，中央控制单元、传感器和执行器要进行例行自检，以确保系统正常工作。如果出现故障，警示信号灯提醒驾驶员：短距离辅助紧急制动系统出现故障，驾驶员将根据具体情况强行关闭或开启制动系统。

如图3所示，本发明的制动系统的制动过程的具体步骤如下：

步骤一：设定碰撞时相对车速的阈值V_th和预测判断所需的步长数N，N为整数，其中，碰撞时相对车速阈表征是否会与障碍物发生严重的碰撞以及碰撞严重程度，测判断所需的步长数表征系统预测的保守程度。

步骤二：判断车辆是否即将发生不可避免的严重碰撞，中央控制单元通过距离传感器检测到的与障碍物的距离、车速传感器获取的当前车速和加速度传感器检测到的制动减速度，在第i个采样步长中，中央控制单元根据当前传感器检测到的信号计算，预测出碰撞时的车速V_i大于设定的碰撞时相对车速的阈值V_th，同时这种预测结果在接下来的连续的N-1个采样步长都一致，即预测出发生碰撞时相对车速序列V_i，V_i+1…V_i+N-1均超过碰撞时相对车速的阈值V_th，这时准确预测出发生碰撞时的车速V超过碰撞时的相对车速的阈值V_th，其中，i为整数，所述采样步长指采样时间间隔，采样时间间隔为1ms的整数倍。

汽车中控制系统一般的采样时间间隔为毫秒级的，最常用的为1ms，5ms，10ms和100ms。N个步长就是N个采样时间间隔。中央控制单元预测出碰撞时相对车速V_i，V_i+1…V_i+N-1均超过碰撞时相对车速的阈值V_th，即中央控制单元的预测结果在一段时间(连续N个采样时间间隔)内一致，这样可以排除检测过程中出现的干扰信号，较保守的预测出发生碰撞时相对车速V超过碰撞时相对车速的阈值V_th，即中央控制单元预测到将要发生不可避免的严重碰撞。

关于N值的选取：N越大，中央控制单元判断越保守，判断的越准确，如果发生紧急情况，整个系统因为时间延迟较长总体的作用效果就有限。相反，N越小，中央控制单元判断越激进，判断结果可能会有误，如果发生紧急情况，整个系统因为时间延迟较短总体的作用效果就很好。N取值主要应当考虑到设备的整体精密程度和所需的安全等级，具体可根据不同车型的实际实验情况进行选取，如10的整数倍。

步骤三：执行器的粘结剂形成器首先接到启动指令，然后根据路况传感器检测到的路况信号，如公路、混凝土、砂砾路和土路等，对粘结剂组成成分进行配比并混合，形成适合当前路况的粘结剂，最后将粘结剂输送给粘结剂喷射器；

步骤四：粘结剂喷射器将混合好的粘结剂，加压，喷射到轮胎与路面之间即将接触的表面上，增大轮胎与地面之间的最大摩擦系数，实现减速制动。

本辅助制动系统及制动方法还配有故障诊断单元：

每次停车后，中央控制单元和执行器的电子部件进行例行自检，以确保系统正常工作，如果有故障，这套辅助系统关闭，常规的制动系统仍然正常工作，同时警示信号提示驾驶员：短距离辅助紧急制动系统出现故障。

系统的每一个部件，中央控制单元，执行器，传感器，每一个部件都配有诊断电路，例如：中央控制单元主要是电子控制单元有一套备用系统，这个系统由两个相同的微处理器组成，如果相同的信号输入，两个微处理器做出的判断信号不一致，则诊断为微处理器故障。

当诊断出存在故障，所述警示信号将提醒驾驶员，驾驶员通过强制启停按钮强制关闭所述制动系统，当故障排除后，驾驶员通过强制启停按钮强制开启所述制动系统。该故障诊断过程可有效防止制动系统因发生故障而做出错误判断，误启短距离辅助紧急制动系统，使粘结剂不必要的喷出，对路面及轮胎造成损坏。

本发明的大幅缩短极端情况下汽车的制动距离的说明如下：

图5为制动时启动本发明短距离辅助紧急制动系统的执行器与不启动本发明短距离辅助紧急制动系统执行器的车辆理想制动效果对比图。假设汽车可以充分利用地面附着条件，不考虑汽车横向稳定性，汽车在t₀时刻开始紧急制动，当前附着条件一定，汽车经过主要制动系统，会受到一个恒定的地面做能提供的最大的制动力，如果没有启动本发明短距离辅助紧急制动系统的执行器，汽车会在恒定的减速度下降低速度，这时的制动减速度是一个小于等于1个重力加速度的数，到达t_b时刻，汽车和障碍物发生碰撞，如果此时速度v_b大于某个值，则汽车属于严重碰撞。但是，如果汽车在t_a时刻判断出将要发生不可避免的严重碰撞，启动本发明短距离辅助紧急制动系统的执行器，粘结剂形成器将粘结剂的不同成分进行混合，粘结性喷射器将混合好的粘结剂喷射到车轮胎面和路面，由于粘结剂喷射器喷嘴喷射到汽车轮胎和路面的粘结剂使路面的附着系数大于1，汽车的制动力会大幅增加，从而制动减速度变为比1个重力加速度大的数，汽车的速度会迅速下降，在t_c时刻停止，从而避免了车辆与障碍物间的碰撞。对比两条曲线，可以看出图5中阴影部分为本发明的一种短距离辅助紧急制动系统所能缩短的制动距离。

下面结合具体显示情况介绍本发明的具体实施过程：

实施例1：

设定在碰撞时相对车速阈值V_th为30公里/小时，预测判断所需的步长数N为10。行驶在高速公路的轿车A速度为90公里/小时，其前方轿车B准备驶入匝道，正在减速，由于轿车A司机疲劳驾驶，出现走神情况，轿车A司机还没有回过神，安装了本发明短距离辅助紧急制动系统的车辆根据本辅助制动系统的中央控制单元根据车辆车速、制动减速度和障碍物距离以及距离的变化率进行数据分析计算，预测到车辆将会发生不可避免的碰撞，且碰撞时的相对车速V超过V_th(30公里/小时)，这种预测结果在10个连续步长内一致，这时，中央控制单元向制动系统的执行器下达命令，启动本发明短距离辅助紧急制动系统的执行器，执行器的粘结剂形成器将粘结剂的不同成分进行混合，粘结性喷射器将混合好的粘结剂喷射到车轮胎面和路面，瞬间车辆轮胎与地面之间的摩擦系数突破1，此时司机由于车辆轮胎与地面之间的摩擦系数非常大变化，意识到将要发生事故，猛踩制动踏板，此时制动器产生巨大的制动力，车辆快速降速，从而使严重碰撞得以避免，保障了司机的安全。

实施例2：

设定在碰撞时相对车速阈值V_th：大货车的碰撞时相对车速阈值V1_th为24公里/小时，预测判断所需的步长数N1为15；轿车的碰撞时相对车速阈值V2_th为30公里/小时，预测判断所需的步长数N2为15。行驶在高速公路的大货车C速度为110公里/小时，前面的货车D由于变道超车，上面的一个大型货物掉下，大货车C即将以很高的速度碰到前方货物。安装了本发明短距离辅助紧急制动系统的车辆，中央控制单元基于接收到的车辆车速、制动减速度和障碍物距离以及距离的变化率进行数据分析计算，预测到车辆将会发生不可避免的严重碰撞，且碰撞时的相对障碍物的车速V1超过V_th(24公里/小时)，这种预测结果在15个连续步长内一致，这时，中央控制单元向制动系统的执行器下达命令，启动本发明短距离辅助紧急制动系统的执行器，执行器的粘结剂形成器将粘结剂的不同成分进行混合，粘结性喷射器将混合好的粘结剂喷射到车轮胎面和路面，瞬间车辆轮胎与地面之间的摩擦系数突破1，结合制动器所产生的巨大的制动力，车辆快速降速，防止车辆与障碍物发生严重的碰撞。

此时，恰巧紧跟大货车C后面的轿车E由于大货车挡住了驾驶员的视野，没有观察到前方大型货物的降落，同时前方大货车C具有非常短的制动距离，由于轿车E也安装了本发明短距离辅助紧急制动系统，中央控制单元经过信号的计算分析，预测到车辆将会发生不可避免的碰撞，且碰撞时的相对障碍物的车速V2超过V_th(30公里/小时)，这种预测结果在10个连续步长内一致，这时，中央控制单元向制动系统的执行器下达命令，启动本发明短距离辅助紧急制动系统的执行器，执行器的粘结剂形成器将粘结剂的不同成分进行混合，粘结性喷射器将混合好的粘结剂喷射到车轮胎面和路面，瞬间车辆轮胎与地面之间的摩擦系数突破1，结合制动器所产生的巨大的制动力，车辆快速降速，防止车辆与前方大货车C发生严重的碰撞,保障了司机的安全。

Claims (5)

1.一种汽车短距离辅助紧急制动系统，主要由中央控制单元以及分别与其相连的传感器和执行器组成，其特征在于：所述执行器由粘结剂形成器和粘结剂喷射器组成，并集成安装在车轮前方车体上，便于粘结剂喷射器喷射出的粘结剂同时附着在轮胎与路面之间即将接触的表面上。

2.如权利要求1所述一种汽车短距离辅助紧急制动系统，其特征在于：所述传感器包括距离传感器、加速度传感器、车速传感器以及路况传感器。

3.如权利要求1或2所述一种汽车短距离辅助紧急制动系统，其特征在于：安装在不同位置的车轮前方车体上的所述执行器，其粘结剂喷射器喷射嘴的喷嘴范围不同，安装在转向车轮的粘结剂喷射器喷嘴的喷射角范围大于安装在非转向车轮喷射器喷嘴的喷射角范围。

4.如权利要求1或2所述一种汽车短距离辅助紧急制动系统的制动方法，其特征在于：该方法是通过在确定车辆即将发生不可避免的严重碰撞后，命令执行器向轮胎与路面之间即将接触的表面上喷射粘结剂，进而提高轮胎与路面之间的摩擦系数，具体制动方法步骤如下：

步骤一：设定碰撞时相对车速的阈值V_th；

步骤二：判断车辆是否即将发生不可避免的严重碰撞；通过传感器检测到的信号，当车辆即将同障碍物碰撞，且通过中央控制单元的计算，准确预测出发生碰撞时相对车速V超过碰撞时相对车速的阈值V_th，中央控制单元即做出车辆即将发生不可避免的严重碰撞的判断，并向执行器发出执行指令；

步骤三：形成粘结剂；粘结剂形成器根据传感器检测到的路况信号，对粘结剂组成成分进行配比并混合，形成适合当前路况的粘结剂，并输送给粘结剂喷射器；

步骤四：喷射粘结剂；粘结剂喷射器将混合好的粘结剂喷射到轮胎与路面之间即将接触的表面上，增大轮胎与地面之间的最大摩擦系数，实现减速制动。

5.如权利要求4所述一种汽车短距离辅助紧急制动系统的制动方法，其特征在于：所述准确预测发生碰撞时相对车速V超过碰撞时相对车速的阈值V_th的方法为：

在所述步骤一中，设定预测判断所需的步长数N，且N为整数；

在所述步骤二中，通过传感器对车辆信号进行采样，在第i个采样步长中，中央控制单元根据当前传感器检测到的信号计算，预测出碰撞时的车速V_i大于设定的碰撞时相对车速的阈值V_th，同时这种预测结果在接下来的连续的N-1个采样步长都一致，即预测出发生碰撞时相对车速序列V_i，V_i+1…V_i+N-1均超过碰撞时相对车速的阈值V_th，这时准确预测出发生碰撞时的车速V超过碰撞时的相对车速的阈值V_th，其中，i为整数，所述采样步长指采样时间间隔，采样时间间隔为1ms的整数倍。