CN108819927B - 一种可切换驾驶模式的无人驾驶车辆用制动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种可切换驾驶模式的无人驾驶车辆用冗余制动系统，通过两个驱动舵机的互相检测，实时检测两个制动系统的运行状态，当其中一个出现异常时，另一个驱动舵机触发紧急制动模式，保障制动系统的可靠性；同时，本发明通过舵机输出轴外缘的推块I和连杆与该输出轴配合孔内的推块II的设计，实现了制动过程中扭矩的单向传递，即只能够由制动舵机输出扭矩，由连杆到制动舵机的扭矩无法传递，允许驾驶员可以人为地踩下踏板进行制动，从而实现高可靠性的制动系统人机共驾，提高无人驾驶车辆在试验或测试中的安全性。

Description

一种可切换驾驶模式的无人驾驶车辆用制动系统
技术领域
本发明属于无人驾驶车辆的技术领域，具体涉及一种可切换驾驶模式的无人驾驶车辆用制动系统。
背景技术
现今，汽车行业的发展趋势为清洁化、轻量化以及智能化。随着车辆智能化发展的不断深入，无人驾驶技术已经愈发受到人们的关注和期待。线控底盘设计及控制是无人驾驶车辆的关键技术之一。与传统底盘相比，线控底盘具有如下优点：驱动/转向/制动系统全部采用线控技术，底盘机械系统结构更加简单，底盘布置灵活性进一步提高；无需考虑驾驶员座舱及操作机构设计；底盘拓扑构型更加灵活多变，满足不同功能的无人驾驶车辆需求。
同时，安全性与可靠性始终是无人驾驶车辆的发展过程中需要首先考虑的问题。传统车辆多数仅安装一套制动系统，若制动系统出现故障或运行异常，车辆将失去制动能力，无法在紧急状态下迅速进行制动，极易造成危险事故。因此，如何针对无人驾驶车辆的制动系统进行更高安全性的冗余设计，以保证车辆在自动驾驶时的安全性受到了研究人员的关注；同时，目前无人驾驶车辆技术尚处在起步阶段，环境感知、智能决策、路径规划等技术尚未完全成熟，因此，在无人驾驶车辆的早期测试过程中，十分有必要实现高可靠性的人机共驾，从而允许驾驶员进行人为干预制动动作，提高无人驾驶车辆的安全性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种可切换驾驶模式的无人驾驶车辆用制动系统，能够自主执行制动并且该制动系统能够实时进行安全自检测，且驾驶员可随时干预进行人为制动。本发明系统能够解决传统制动系统结构复杂、安全可靠性无法保障等问题。
实现本发明的技术方案如下：
一种可切换驾驶模式的无人驾驶车辆用制动系统，包括电源模块、控制器I、控制器II、驱动舵机I、驱动舵机II、连杆I、连杆II、制动踏板和液压制动模块；
电源模块用于为控制器I、控制器II、驱动舵机I和驱动舵机II提供电源；
控制器I接收上层决策系统的指令，发送给驱动舵机I；
驱动舵机I根据接收到的指令旋转相应角度，并带动连杆I转动；
连杆I带动制动踏板向下运动；
制动踏板带动液压制动模块使得无人驾驶车辆制动；
控制器II实时监测控制器I的指令是否发出；若在设定的时间内，控制器I未发出指令，则控制器II发出最大制动力所对应的角度的指令给驱动舵机II；
驱动舵机II转动对应的角度，并带动连杆II转动；
连杆II带动制动踏板向下运动；
制动踏板带动液压制动模块使得无人驾驶车辆制动。
进一步地，控制器II不间断得发出零转角的控制指令，控制器I实时监测控制器II指令是否发出，若在设定的时间内，控制器II未发出指令，则控制器I发出最大制动力所对应的角度的指令给驱动舵机I。
进一步地，所述最大制动力Fm为：
其中，mvehicle为整车质量，abreak为期望的制动加速度，rtire为轮胎半径，μ为轮胎与地面摩擦系数，n为制动卡钳活塞个数，Sp为制动卡钳活塞面积，rpan为制动盘半径，r1、r2分别为两个制动储压缸活塞的半径，αm为产生最大制动力时，制动踏板旋转时与竖直方向所成角度，βm为产生最大制动力时，连杆I或连杆II旋转时末端与水平方向所成角度。
进一步地，对连杆I和连杆II均设置单向传递扭矩的结构，使得无人驾驶车辆能人为踩下制动踏板实现制动。
进一步地，所述单向传递扭矩的结构包括推块I和推块II，所述推块I和推块II分别为设置在驱动舵机输出轴外和连杆与该输出轴配合的孔内的凸台；当驱动舵机接收到指令进行制动或当人为踩下制动踏板时，与驱动舵机固连的推块I推动推块II旋转，从而传递扭矩带动制动踏板完成制动动作；当踏板进行回弹释放制动时，推块I与推块II分离不接触，不再互相传递扭矩，制动踏板不受驱动舵机I和驱动舵机II的扭矩影响，实现迅速自由回弹。
进一步地，所述制动系统还包括独立电源，所述独立电源为控制器II和驱动舵机II供电。
有益效果：
1、本发明有效解决无人驾驶车辆线控制动方案，利用驱动舵机的控制可以进行转角与制动力的精准控制；同时，其结构体积小，易于结构设计。
2、本发明有效地解决线控系统的不确定性，以及所带来无人驾驶车辆的危险问题；利用冗余驱动舵机控制器检测驱动舵机信号状态，提高无人驾驶车辆制动系统安全性。
3、本发明基于结构简单且转角可控的优势，能够精准计算最大制动力值，在车辆状态异常时能够最快制动停止行驶，进一步提升安全性。
4、本发明所用单向结构可保证无人驾驶车辆在实现线控的同时，人为操作可随时进行干预制动动作，防止无人驾驶车辆因控制程序发生危险事故。
5、本发明单项扭矩传递结构形式简单，因此有效降低成本，同时可保证传动部件的可靠性，且该设计有效地减少制动释放存在迟滞的危险性。
6、本发明独立电源设计使得驱动舵机II、控制器II的电路独立于整车工作电路，能够实现驱动舵机相互检测以外的对车辆电路的检测，当发生电路状态异常进行制动，进一步提高了无人驾驶车辆的安全性。
附图说明
图1为本发明系统控制信号整体流程图。
图2为本发明整体结构示意图。
图3为本发明车辆轮胎制动系统结构示意图。
图4为本发明驱动舵机、连杆、制动踏板和液压制动模块的制动过程意图。
图5为本发明单向传递扭矩结构示意图。
1－驱动舵机I，2－连杆I，201－法兰转盘I，202－上级连杆I，203－下级连杆I，3－制动踏板，4－制动踏板的转轴，5－液压制动模块安装于制动踏板的部分，6－液压制动模块中提供压力的活塞，7－连杆II，701－法兰转盘II，702－上级连杆II，703－下级连杆II，8－驱动舵机II，9－轮毂，10－制动盘，11－制动卡钳，1101－制动卡钳上的活塞，1102－制动卡钳上的磨片，12－车轮，13－推块I，14－推块II。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种以伺服机构驱动的制动系统，通过两个驱动舵机的互相检测，实时检测两个制动系统的运行状态，当其中一个出现异常时，另一个驱动舵机触发紧急制动模式，并且本发明通过舵机输出轴外缘的推块I和连杆与该输出轴配合孔内的推块II的设计，实现了制动过程中扭矩的单向传递，即只能够由制动舵机输出扭矩，由连杆到制动舵机的扭矩无法传递，这样就可以实现驾驶员可以人为地踩下踏板进行制动。
如图1所示，本发明提供了一种可切换驾驶模式的无人驾驶车辆用制动系统，具备安全自检测能力，可随时切换驾驶模式的无人驾驶车辆用制动系统。包括电源模块，控制器I，控制器II，驱动舵机I，驱动舵机II，连杆I，连杆II，制动踏板和液压制动模块；
电源模块用于为控制器I、控制器II、驱动舵机I和驱动舵机II提供电源；该电源模块即为整车工作电路。
控制器I接收上层决策系统的指令，发送给驱动舵机I；
驱动舵机I根据接收到的指令旋转相应角度，并带动连杆I转动；
连杆I带动制动踏板向下运动；
制动踏板带动液压制动模块使得无人驾驶车辆制动；
控制器II实时监测控制器I的指令是否发出；若在设定的时间内，控制器I未发出指令，则控制器II发出最大制动力所对应的角度的指令给驱动舵机II；
驱动舵机II转动对应的角度，并带动连杆II转动；
连杆II带动制动踏板向下运动；
制动踏板带动液压制动模块使得无人驾驶车辆制动。
控制器II不间断得发出零转角的控制指令，控制器I实时监测控制器II指令是否发出，若在设定的时间内，控制器II未发出指令，则控制器I发出最大制动力所对应的角度的指令给驱动舵机I。
所述最大制动力Fm为：
其中，mvehicle为整车质量，abreak为期望的制动加速度，rtire为轮胎半径，μ为轮胎与地面摩擦系数，n为制动卡钳活塞个数，Sp为制动卡钳活塞面积，rpan为制动盘半径，r1、r2分别为两个制动储压缸活塞的半径，αm为产生最大制动力时，制动踏板旋转时与竖直方向所成角度，βm为产生最大制动力时，连杆I或连杆II旋转时末端与水平方向所成角度。
对连杆I和连杆II均设置单向传递扭矩的结构，使得无人驾驶车辆能人为踩下制动踏板实现制动。
所述单向传递扭矩的结构包括推块I和推块II，所述推块I和推块II分别为设置在驱动舵机输出轴外和连杆与该输出轴配合的孔内的凸台；当驱动舵机接收到指令进行制动或当人为踩下制动踏板时，与驱动舵机固连的推块I推动推块II旋转，从而传递扭矩带动制动踏板完成制动动作；当踏板进行回弹释放制动时，推块I与推块II分离不接触，不再互相传递扭矩，制动踏板不受驱动舵机I和驱动舵机II的扭矩影响，实现迅速自由回弹。
所述制动系统还包括独立于整车工作电路的独立电源，所述独立电源为控制器II和驱动舵机II供电。
如附图2所示为本发明的一个优选实施例，图中包括驱动舵机I1，驱动舵机II8，连杆I2，连杆II7，制动踏板3和液压制动模块5、6；液压制动模块5指液压制动模块中安装于制动踏板3的部分，液压制动模块6指液压制动模块中提供压力的活塞；其中，连杆I2包括了驱动舵机I法兰盘201，上级连杆I202，下级连杆I203，连杆II7包括了驱动舵机II法兰盘701，上级连杆II702，下级连杆II703。
进入工作状态时，电源模块用于为控制器I、控制器II、驱动舵机I1和驱动舵机II8提供电源；接通电源后，驱动舵机I1和驱动舵机II8被激活进入接受指令模式，当无人驾驶系统的上层决策系统发出制动信号进入控制器I，控制器I接收上层决策系统的指令，并对其指令数据进行解算与处理，得到驱动舵机I1的转角信号，并通过CAN/COM转换器将制动信号发送至驱动舵机I1。
制动驱动舵机I1提供制动驱动转角与驱动转矩，通过与其固连的驱动舵机I法兰转盘I201传递相同转角和转矩，推动单向转递扭矩的上级连杆I202进行转动，从而带动下级连杆I203进行运动；下级连杆I203与制动踏板3固连，带动制动踏板3向下运动；其中，用于实现单向传递扭矩的结构的优选方案如图5所示，即在上级连杆701/201的驱动舵机输出轴的外缘上设置凸块，即推块I13；在下级连杆702/202与该输出轴配合的孔内设置凸块，即推块II14。
制动踏板3带动液压制动模块使得无人驾驶车辆制动；制动踏板下压前方液压系统中的液体储压缸，参照附图3，其压力传输至制动卡钳，阻碍旋转的制动盘进而阻碍轮毂的转动，使得无人驾驶车辆制动。
驱动舵机II8转动对应的角度，并带动连杆II7转动；
连杆II7带动制动踏板向下运动；
制动踏板带动液压制动模块使得无人驾驶车辆制动。
结合附图1，驱动舵机II8通过独立电源提供供电需求，独立电源分别经过控制器II与驱动舵机II8，形成了独立于整车工作电路以外的电源回路。通过这样独立电源的应用，控制器II将通过整车工作电路中的继电器通断来进行整体电路中的监测。其中，包括转向系统供电、制动系统供电、控制器供电、驱动系统供电等。一旦整车工作电路中的继电器由闭合异常断开或电源供应消失，均会监测信号变化；此时，控制器II将发送已经经过标定的驱动舵机II8执行转角信号，通过与之固连的法兰转盘II701将转矩与转角经过单向接收的上级连杆II702，带动下级连杆II703进行运动，下级连杆与制动系统一致连接至制动踏板3顶端，通过水平方向分力带动踏板绕下方转轴4转动，制动液压系统执行与制动系统触发时类似动作，完成无人驾驶车辆最大制动力的制动动作。
此外，本发明系统中，为了使得控制器II不影响正常的车辆制动，并且保持正常的工作状态，所以设置控制器II不间断得发出零转角的控制指令，能够确保控制器I实时监测控制器II指令是否发出，若在设定的时间内，控制器II未发出指令，则控制器I发出最大制动力所对应的角度的指令给驱动舵机I1。
其中，所述最大制动力Fm为：
其中，mvehicle为整车质量，abreak为期望的制动加速度，rtire为轮胎半径，μ为轮胎与地面摩擦系数，n为安装在轮边的制动卡钳活塞个数，Sp为制动卡钳活塞面积，rpan为制动盘半径，r1、r2分别为两个制动储压缸活塞半径，αm为产生最大制动力时，制动踏板旋转时与竖直方向所成角度，βm为产生最大制动力时，连杆I或连杆II旋转时末端与水平方向所成角度。即下级连杆I203或下级连杆II703与水平方向所成角度。
对于最大制动力Fm的计算过程具体如下：
结合附图3和附图4所示，对于液体储压缸的横截面积，根据几何计算可得出Sg＝π(r1 2+r2 2)；对于为液体储压缸提供推力内部活塞的横截面积，根据同样的几何计算可计算得出Sp＝πrp 2。
对于车辆减速制动过程，为简化运动方程，近似可以视为匀减速过程，即可以知道如图3所示，根据车轮内部结构，制动盘10与车轮12整体视为固连，则制动时由制动盘10与制动卡钳11摩擦提供的阻力转矩应与轮胎的减速转矩相同，即：
Fbrakertire＝Ffrpan＝μnSpPrpan
根据关系式，液体储压缸需要提供的压力值为P，根据活塞的截面积可以计算出液体储压缸所需推力为
根据Fgsinα＝Fmsinβ的关系，制动下级连杆203/703则需要提供的驱动力为
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可切换驾驶模式的无人驾驶车辆用制动系统，其特征在于，包括电源模块、控制器I、控制器II、驱动舵机I、驱动舵机II、连杆I、连杆II、制动踏板和液压制动模块；
电源模块用于为控制器I、控制器II、驱动舵机I和驱动舵机II提供电源；
控制器I接收上层决策系统的指令，发送给驱动舵机I；
驱动舵机I根据接收到的指令旋转相应角度，并带动连杆I转动；
连杆I带动制动踏板向下运动；
制动踏板带动液压制动模块使得无人驾驶车辆制动；
控制器II实时监测控制器I的指令是否发出；若在设定的时间内，控制器I未发出指令，则控制器II发出最大制动力所对应的角度的指令给驱动舵机II；
驱动舵机II转动对应的角度，并带动连杆II转动；
连杆II带动制动踏板向下运动；
制动踏板带动液压制动模块使得无人驾驶车辆制动。
2.如权利要求1所述的一种可切换驾驶模式的无人驾驶车辆用制动系统，其特征在于，控制器II不间断得发出零转角的控制指令，控制器I实时监测控制器II指令是否发出，若在设定的时间内，控制器II未发出指令，则控制器I发出最大制动力所对应的角度的指令给驱动舵机I。
3.如权利要求1所述的一种可切换驾驶模式的无人驾驶车辆用制动系统，其特征在于，所述制动系统还包括独立电源，所述独立电源为控制器II和驱动舵机II供电。
4.如权利要求1所述的一种可切换驾驶模式的无人驾驶车辆用制动系统，其特征在于，所述最大制动力Fm为：
其中，mvehicle为整车质量，abreak为期望的制动加速度，rtire为轮胎半径，μ为轮胎与地面摩擦系数，n为制动卡钳活塞个数，Sp为制动卡钳活塞面积，rpan为制动盘半径，r1、r2分别为两个制动储压缸活塞的半径，αm为产生最大制动力时，制动踏板旋转时与竖直方向所成角度，βm为产生最大制动力时，连杆I或连杆II旋转时末端与水平方向所成角度。
5.如权利要求1所述的一种可切换驾驶模式的无人驾驶车辆用制动系统，其特征在于，对连杆I和连杆II均设置单向传递扭矩的结构，使得无人驾驶车辆能人为踩下制动踏板实现制动。
6.如权利要求5所述的一种可切换驾驶模式的无人驾驶车辆用制动系统，其特征在于，所述单向传递扭矩的结构包括推块I和推块II，所述推块I和推块II分别为设置在驱动舵机输出轴外和连杆与该输出轴配合的孔内的凸台；当驱动舵机接收到指令进行制动或当人为踩下制动踏板时，与驱动舵机固连的推块I推动推块II旋转，从而传递扭矩带动制动踏板完成制动动作；当踏板进行回弹释放制动时，推块I与推块II分离不接触，不再互相传递扭矩，制动踏板不受驱动舵机I和驱动舵机II的扭矩影响，实现迅速自由回弹。
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