CN109606329A - 一种货运车辆长下坡制动器温度监测控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种货运车辆长下坡制动器温度监测控制装置及其控制方法，包括，检测模块、采集模块、冷却装置和控制模块，控制模块用于根据检测模块输出判断道路信息，用于根据当前车速和安全稳定车速的关系，以及当前温度和安全温度的关系，控制冷却装置自动开启，当当前车速大于安全稳定车速，或当前温度大于安全温度时，控制模块控制冷却装置开启；检测模块与采集模块的输出端均与控制模块输入端连接，控制模块输出端与冷却装置连接。解决了货车在长下坡制动器过热和路面附着条件的利用率不高的问题，通过制动器温度实时监测预警装置的开启和选择合适挡位，来提高货车对路面附着条件利用率，实现货车安全下坡。

Description

一种货运车辆长下坡制动器温度监测控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及货运车辆驾驶安全领域，具体为一种货运车辆长下坡制动器温度监测控制装置及其控制方法。

背景技术

当汽车长时间在长下坡路面上行驶时，自身重力势能转化为动能，使得车速有增大的趋势，当坡度比较长时，要求汽车具有足够的持续制动力，保证汽车在下坡行驶至坡底结束时其主制动系统还具有足够的制动性能。坡行驶时，利用制动系统将汽车的势能和动能转化成为热能，特别是在连续下坡行驶时，汽车的制动系统的热负荷是非常大的，而制动系统又无法及时将热量释放到周围环境，使得制动毂和制动蹄的温度大幅度增高，以至于达到制动器的失效温度。由于高速持续制动，可能会因过渡使用行车制动器控制车速而使得制动器温度急剧上升，发生制动效能热衰退，严重时甚至车辆制动能力丧失，致使重特大事故经常发生。

为了使汽车在长下坡时具有足够的持续制动能力，目前一般采用发动机辅助制动、排气制动与缓速器联合作用的控制方式来达到稳定车速的目的。但是通常在长大下坡时，驾驶员所面对的车流一般比较混乱复杂，而对于经验较少的驾驶员来说，很难控制，容易造成刹车过于频繁致使制动器温度过高影响制动效果的情况发生。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种货运车辆长下坡制动器温度监测控制装置及其控制方法，用以解决货车在长下坡制动器过热和路面附着条件的利用率不高的问题，通过制动器温度实时监测预警装置的开启和选择合适挡位，来提高货车对路面附着条件利用率，实现货车安全下坡。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种货运车辆长下坡制动器温度监测控制装置，包括，

检测模块，用于检测货运车辆当前行驶是否处于下坡；

采集模块，用于采集当前下坡坡度、当前货运车辆的自车挡位、当前车速和当前制动器温度；

冷却装置，用于与制动器进行热交换，对制动器降温；

控制模块，用于根据检测模块输出判断道路信息，如检测到未进入坡道则按预定速度正常行驶，如检测到进入下坡则根据采集模块输出计算当前挡位下货运车辆的安全稳定车速以及安全温度；

用于根据当前车速和安全稳定车速的关系，以及当前温度和安全温度的关系，控制冷却装置自动开启，当当前车速大于安全稳定车速，或当前温度大于安全温度时，控制模块控制冷却装置开启；

用于在制动过程中继续检测货运车辆的车速，如果检测到车速小于等于当前挡位与坡度下货运车辆的安全稳定车速，并且当前温度小于安全温度，则关闭冷却装置；

检测模块与采集模块的输出端均与控制模块输入端连接，控制模块输出端与冷却装置连接。

优选的，冷却装置通过冷却管道连接至制动器内部，管道内通入冷却液，根据冷却液的流速将冷却装置分为两个档位。

进一步，控制模块包括有主单片机和辅助单片机，两个单片机均用于控制冷却液流速挡位；

冷却装置一档模式时，主单片机工作；冷却装置二档模式时，主单片机和辅助单片机都工作。

一种货运车辆长下坡制动器温度控制方法，采用上述任意一项所述的装置，包括如下步骤，

步骤1，检测货运车辆当前行驶的道路信息，如检测到进入下坡则执行步骤2，如检测到未进入坡道则按预定速度正常行驶；

步骤2，采集下坡坡度、货运车辆的自车挡位、当前车速和当前制动器温度，得到当前挡位下货运车辆的安全稳定车速以及安全温度；

步骤3，根据当前车速和安全稳定车速的关系，以及当前温度和安全温度的关系，控制冷却装置自动开启，实现制动器的温度控制；

步骤4，在制动过程中继续检测货运车辆的车速，如果检测到车速小于等于当前挡位与坡度下货运车辆的安全稳定车速，并且当前温度小于安全温度，则关闭冷却装置。

优选的，步骤2中，当货运车辆的下滑力与制动力相等时的速度即为此货运车辆挡位的安全稳定车速；

所述货运车辆的坡道下滑力F_a为

其中，α为下坡的坡道坡度，M为货运车辆的最大质量；

所述货运车辆的制动力F_b为

F_b＝mg sinα-(F_f+F_w+F_e)

式中，F_f为滚动阻力，F_w为空气阻力，F_e为发动机制动力，mg为货运车辆所受重力。

优选的，步骤2中，所述实时安全温度T₀由升温模型可得，升温模型为

式中，P_bx为制动器吸收热能占总能量的比例，E_h为重力势能变化，m_z为制动器质量，c为比热容，T为温升。

优选的，步骤3中，冷却模式选择的具体步骤如下，

当车速小于安全稳定车速，且制动器温度小于安全温度时，作为安全状态，则不开启冷却装置，依靠发动机制动继续行驶；

当制动器温度正常小于安全温度，且自车车速大于安全稳定车速时，作为危险状态，开启冷却装置；

当自车车速小于安全稳定车速，且制动器温度高于安全温度时，作为非常危险状态，开启冷却装置；

当自车车速大于安全稳定车速，且制动器温度高于安全温度时，作为非常危险状态，开启冷却装置。

优选的，当处于危险状态时，发出危险警报并开启冷却装置一档模式；

当处于非常危险状态，发出非常危险警报并开启冷却装置二档模式。

优选的，冷却装置通过主单片机和辅助单片机进行冷却液流速挡位的控制；

冷却装置一档模式时，主单片机工作；冷却装置二档模式时，主单片机和辅助单片机都工作。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明在传统制动器的基础上，通过检测模块检测货运车辆当前行驶的道路信息，通过采集模块采集下坡坡度、货运车辆的自车挡位、当前车速和当前制动器温度，由控制模块控制开启制动器冷却装置，通过控制制动器冷却液流速冷却制动器，降低制动器温度，提高货车在长下坡制动时的制动利用率，减少错误操作发生概率。

本发明所述方法采用有效的检测手段检测出道路信息、坡度信息以及自车速度信息，传递给控制模块，并将计算出的当前挡位下货运车辆的安全稳定车速以及安全温度，与当前车速和当前温度进行比较，控制冷却装置自动开启，再使用粒子群改进的神经网络算法计算货车坡道上的所需冷却液流速挡位，通过控制制动器冷却液流速冷却制动器，提高了货车的制动器使用频率，保证货车安全有效的完成制动减速下坡。

附图说明

图1是本发明所述装置的结构框图；

图2是冷却装置结构示意图；

图3是满载货车下坡受力分析示意图；

图4是本发明控制流程图；

图5是本发明冷却装置控制流程图；

图6是货车总制动力和坡道下滑力随速度变化曲线；

图7是制动器温度和车速在平面内区域划分图；

图8是本发明单片机连接结构图；

图9是POS优化的BP神经网络算法流程图。

其中：1-冷却管路；2-冷却液箱；3-制动榖；4-制动器壳体；5-半轴；6-轮胎。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明的目的是提供一种货运车辆长下坡制动器温度实时监测预警装置及其控制方法，用以解决货车在长下坡制动器过热和路面附着条件的利用率不高的问题，通过制动器温度实时监测预警装置的开启和选择合适挡位，来提高货车对路面附着条件利用率，实现货车安全下坡。

将粒子群优化算法PSO用于训练BP神经网络的原理，粒子群中粒子的位置代表BP神经网络中当前迭代中的权值集合，神经网络中的权值的数量、阈值个数决定每个粒子的维数。通过改变粒子在权值空间内搜索的速度，即更新网络的权值，使得网络输出的均方误差逐步减小。PSO通过不断优化神经网络的权值和阈值这种方法，来获得更小的均方误差。将每次迭代过程中产生的均方误差最小的粒子作为目前全局最优的粒子。

本发明基于一种货车长大下坡制动器温度监测控制装置，如图1和图4所示，包括控制模块、检测模块、采集模块和冷却装置。

以及连接线束，连接线束能够连接各模块，用于通讯和传递电信号。。

所述检测模块采用智能摄像头和陀螺仪；陀螺仪用于检测车辆是否进入下坡路段，摄像头负责收集路面信息，比如道路附着系数，传递实时路面信息，为安全车速标定模块提供环境信息。

采集模块采用外置的车载传感器，车载传感器可以是速度传感器、陀螺仪、踏板行程传感器等，获得货车航向角、当前道路坡度数据等道路信息、制动踏板行程信息和自车速度信息；采用温度传感器来采集制动器温度信息；采用档位传感器采集货车运行的档位。

所述坡度检测的坡度取值是由道路坡度识别传感器如陀螺仪检测，为保证货车的安全稳定车速数值在该道路上处于安全稳定状态，检测道路坡度数按向值上取整原则得出比如坡度1％到8％的二、三和四挡的安全稳定车速便由控制模块计算得出并标定。

所述冷却装置，是实现上述功能的执行单元，如图2所示，半轴5一端连接轮胎6，另一端连接制动器，冷却装置通过冷却管路1与制动器壳体4内部的制动榖3接触，两端与冷却液箱2连接形成回路，用于与制动器进行热交换，可选用水作为冷却液，冷却管路1上设置有水泵，通过水泵控制冷却装置的连通与断开。本实施例优选的水泵按冷却液流速的不同总共分为2个档位，通过电流大小控制水泵的输出功率来控制每个档位的流速，水泵在一档的输出功率为300w，二档的输出功率为480w，冷却装置在每一个制动器处都有设置。

所述控制模块包括主单片机、辅单片机、稳定车速标定模块和人机交互界面，由检测模块所采集到的道路信息、自车信息计算货车在实际运行条件下的安全稳定车速V_i，i为汽车所处档位。所述安全稳定车速，是指不使用主制动器(摩擦制动器)货车就可以以此安全稳定车速滑行至坡底的车速。

如图8所示，所述主单片机和辅助单片机均用于采集来自温度传感器、扭矩传感器、电源、时钟及复位电路的数据，并对行驶速度与安全稳定车速、制动器实际温度与安全温度进行判断，根据自车数据信息选择合适的冷却挡位，将判断结果发送给调速电路，用于将数字信号转换为电流信号，调速电路将电流信号作用于水泵，电流大小决定了水泵的功率大小，进而决定了冷却液流动速度，从而完成冷却装置的控制过程。

所述人机交互界面是指示激活冷却装置的状态，显示行驶速度与安全稳定车速、制动器实际温度与安全温度对比结果，以及对进入坡道对驾驶员和启动冷却装置进行预警；

所述安全车速标定模块，有接受到的检测模块所检测的自车信息道路信息、坡度信息、制动踏板行程信息以及自车挡位信息，计算标定不同档位下的安全车速v_i，i为汽车挡位。

所述自车信息主要包括：车宽L，车高H，最大质量M，各挡传动比i_g1、i_g2、i_g3、i_g4，主减速器传动比i_H，轮胎半径r_d，发动机额定功率P₀、最大扭矩M_m；

控制模块中，进行计算客车坡道安全车速，具体计算原理如下。

根据汽车坡道纵向动力学方程得到F_b+F_f+F_w+F_e-mgsinα＝0

F_b为制动力；F_f为滚动阻力；F_w为空气阻力；δ_i为相应档位的旋转质量换算系数；M为货车总质量；F_e为发动机制动力。

货车坡道下滑力

F_f＝f(u)mg cosα

其中，α为检测坡道坡度，u为实时车速，C_d为空气阻力系数，A为迎风面积，ρ为空气密度，u_r为相对速度，T_tq为发动机输出转矩，η_T为传动系统机械效率。

滚动阻力随速度变化关系为：

f(u)＝0.0076+0.000056u

发动机转速与转矩表达式:

带入得

由图3货车坡道受力图和力学公式可知，当汽车下滑力与制动力相等时的速度即为此挡位的安全稳定车速，即不使用主制动器(摩擦制动器)汽车就可以以此稳定车速滑行至坡底。如图6所示，制动力与坡道下滑力交点的速度值即为此挡位与坡度下的汽车安全稳定车速。

控制模块中，进行计算制动器安全温度，具体计算原理如下。

汽车制动时，由能量平衡方程E_h＝E_b+E_e+E_f+E_w，

导出E_b＝E_h-(E_e+E_f+E_w)，

其中，E_h为恒速下坡损耗总能量，E_b为全部制动器损耗能量、E_e为发动机制动损耗能量、E_f为车轮—路面摩擦副损耗能量、E_w为空气阻力损耗能量。

E_b占总能量比例

制动器直接损耗的能量E_b中，只有一部分被制动器吸收变为制动器的内能，使制动器温度升高，其比例为：p(u)＝1-e^-0.0424u

则制动器吸收热能占总能量的比例为：

P_bx(u)＝(c₁u²+c₂u+c₃)(1-e^-0.0424u)

式中：c₁为制动器吸热能量计算式的二次项系数，c₂为一次项系数，c₃为常数项系数

制动器吸收能量和温升存在关系E_bx＝m_zcT

式中，E_bx为制动器吸收能量；m_z为制动器质量；c为比热容；T为温升。

可得制动器温升模型：

式中，E_g为重力势能变化，b₁为制动器温升计算模型中二次项系数，b₂为一次项系数，b₃为常数项系数。由此温升模型即可得到货车行驶时的实时安全温度T₀。

如图9所示，所述粒子群改进BP神经网络算法模型，是以安全车速和安全温度为控制目标，利用道路信息和自车信息计算安全车速，利用温升模型计算对应车速下制动器安全温度，通过循环迭代的计算方式寻找最优解，根据车辆所处状态来控制调整冷却装置的冷却模式。

货车制动安全状态划分如图7所示，控制规则如下：当车速小于安全稳定车速，且制动器温度小于安全温度时，为安全状态，则不开启制动器的冷却装置，依靠发动机制动继续行驶，仅提示驾驶员进入坡道行驶注意控制车速；当制动器温度正常小于安全温度，但自车车速大于安全稳定车速时，为危险状态，发出危险警报并开启冷却装置一挡模式；当自车车速小于安全稳定车速，但制动器温度高于安全温度时，为危险状态，发出危险警报开启冷却装置一挡工作模式；当自车车速大于安全稳定车速，并且制动器温度高于安全温度时，为非常危险状态，发出非常危险警报开启冷却装置二挡工作模式。在上述在制动过程中继续监测汽车车速，直至检测到车速小于等于该挡位与坡度下的安全稳定车速，且制动器温度小于安全温度，则关闭冷却装置，并提示驾驶员可以以该速度继续行驶下坡。

所述冷却装置一挡工作模式，为车辆危险状态下，仅主单片机工作，水泵功率小，冷却液流速慢；

所述冷却装置二挡工作模式，为车辆非常危险状态下，主单片机和辅助单片机一起工作，水泵功率大，冷却液流速快；

基于上述装置，在货运车辆长下坡时，对制动器温度的控制方法包括步骤如下：

1)开始，进行系统初始化，部分完成设备运行基本参数配置，内存预分配等功能。

2)检测道路信息的采集与读取，如未进入坡道则按预定速度正常行驶。

3)如图5所示，如检测模块检测汽车进入坡道行驶并测出坡度，则检测自车挡位和车速，利用粒子群改进的BP神经网络算法模型计算输入神经元信息，计算安全车速和安全温度，并选择适当的制动器冷却装置冷却模式。具体操作过程如下：

当车速小于安全稳定车速，且制动器温度小于安全温度时，为安全状态，则不开启制动器冷却装置，依靠发动机制动继续行驶，仅提示驾驶员进入坡道行驶注意控制车速；

当制动器温度正常小于安全温度，但自车车速大于安全稳定车速时，为危险状态，发出危险警报并开启冷却装置一挡模式；

当自车车速小于安全稳定车速，但制动器温度高于安全温度时，为危险状态，发出危险警报开启冷却装置一挡工作模式；

当自车车速大于安全稳定车速，并且制动器温度高于安全温度时，为非常危险状态，发出非常危险警报开启冷却装置二挡工作模式。

在上述在制动过程中继续监测汽车车速，直至检测到车速小于等于该挡位与坡度下的安全稳定车速，且制动器温度小于安全温度，则关闭冷却装置，并提示驾驶员可以以该速度继续行驶下坡。

本发明的优势在于采用有效的检测手段检测出道路信息、坡度信息以及自车速度信息，传递给控制模块，并将计算出的该挡位下货车安全稳定车速和制动器安全温度，并根据自车所处状态，控制冷却装置自动开启和选择对应的挡位，完成冷却过程，保证货车安全有效的完成制动减速下坡。

Claims (9)

1.一种货运车辆长下坡制动器温度监测控制装置，其特征在于，包括，

检测模块，用于检测货运车辆当前行驶是否处于下坡；

采集模块，用于采集当前下坡坡度、当前货运车辆的自车挡位、当前车速和当前制动器温度；

冷却装置，用于与制动器进行热交换，对制动器降温；

控制模块，用于根据检测模块输出判断道路信息，如检测到未进入坡道则按预定速度正常行驶，如检测到进入下坡则根据采集模块输出计算当前挡位下货运车辆的安全稳定车速以及安全温度；

用于根据当前车速和安全稳定车速的关系，以及当前温度和安全温度的关系，控制冷却装置自动开启，当当前车速大于安全稳定车速，或当前温度大于安全温度时，控制模块控制冷却装置开启；

用于在制动过程中继续检测货运车辆的车速，如果检测到车速小于等于当前挡位与坡度下货运车辆的安全稳定车速，并且当前温度小于安全温度，则关闭冷却装置；

检测模块与采集模块的输出端均与控制模块输入端连接，控制模块输出端与冷却装置连接。

2.根据权利要求1所述的一种货运车辆长下坡制动器温度监测控制装置，其特征在于，冷却装置通过冷却管道连接至制动器内部，管道内通入冷却液，根据冷却液的流速将冷却装置分为两个档位。

3.根据权利要求2所述的一种货运车辆长下坡制动器温度监测控制装置，其特征在于，控制模块包括有主单片机和辅助单片机，两个单片机均用于控制冷却液流速挡位；

冷却装置一档模式时，主单片机工作；冷却装置二档模式时，主单片机和辅助单片机都工作。

4.一种货运车辆长下坡制动器温度控制方法，采用权利要求1-3任意一项所述的装置，其特征在于，包括如下步骤，

步骤1，检测货运车辆当前行驶的道路信息，如检测到进入下坡则执行步骤2，如检测到未进入坡道则按预定速度正常行驶；

步骤2，采集下坡坡度、货运车辆的自车挡位、当前车速和当前制动器温度，得到当前挡位下货运车辆的安全稳定车速以及安全温度；

步骤3，根据当前车速和安全稳定车速的关系，以及当前温度和安全温度的关系，控制冷却装置自动开启，实现制动器的温度控制；

步骤4，在制动过程中继续检测货运车辆的车速，如果检测到车速小于等于当前挡位与坡度下货运车辆的安全稳定车速，并且当前温度小于安全温度，则关闭冷却装置。

5.根据权利要求4所述的一种货运车辆长下坡制动器温度控制方法，其特征在于，步骤2中，当货运车辆的下滑力与制动力相等时的速度即为此货运车辆挡位的安全稳定车速；

所述货运车辆的坡道下滑力F_a为

其中，α为下坡的坡道坡度，M为货运车辆的最大质量；

所述货运车辆的制动力F_b为

F_b＝mg sinα-(F_f+F_w+F_e)

式中，F_f为滚动阻力，F_w为空气阻力，F_e为发动机制动力，mg为货运车辆所受重力。

6.根据权利要求4所述的一种货运车辆长下坡制动器温度控制方法，其特征在于，步骤2中，所述实时安全温度T₀由升温模型可得，升温模型为

式中，P_bx为制动器吸收热能占总能量的比例，E_h为重力势能变化，m_z为制动器质量，c为比热容，T为温升。

7.根据权利要求4所述的一种货运车辆长下坡制动器温度控制方法，其特征在于，步骤3中，冷却模式选择的具体步骤如下，

当车速小于安全稳定车速，且制动器温度小于安全温度时，作为安全状态，则不开启冷却装置，依靠发动机制动继续行驶；

当制动器温度正常小于安全温度，且自车车速大于安全稳定车速时，作为危险状态，开启冷却装置；

当自车车速小于安全稳定车速，且制动器温度高于安全温度时，作为非常危险状态，开启冷却装置；

当自车车速大于安全稳定车速，且制动器温度高于安全温度时，作为非常危险状态，开启冷却装置。

8.根据权利要求7所述的一种货运车辆长下坡制动器温度控制方法，其特征在于，当处于危险状态时，发出危险警报并开启冷却装置一档模式；

当处于非常危险状态，发出非常危险警报并开启冷却装置二档模式。

9.根据权利要求8所述的一种货运车辆长下坡制动器温度控制方法，其特征在于，冷却装置通过主单片机和辅助单片机进行冷却液流速挡位的控制；

冷却装置一档模式时，主单片机工作；冷却装置二档模式时，主单片机和辅助单片机都工作。