CN110641441B - 一种用于无人车的电子液压线控制动系统 - Google Patents

一种用于无人车的电子液压线控制动系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于无人车的电子液压线控制动系统，具有控制灵敏、响应迅速的优点。该制动系统包括：制动电机、制动电机控制器、制动传动机构和液压制动模块；该制动系统通过无人车的整车控制器向制动电机直接发出制动指令，实现电子液压制动系统中制动主缸的动作，从而实现车轮制动，能够实现快速响应，保证车辆制动响应时间与车辆安全性。同时，该制动系统能够通过制动电机转矩与转速的调节，实现制动力的精准改变，满足无人车在不同工况下的使用需求。

Description

一种用于无人车的电子液压线控制动系统
技术领域
本发明涉及一种制动系统，具体涉及一种电子液压线控制动系统，属于无人车辆的技术领域
背景技术
自动驾驶技术是未来汽车产业的重要发展方向，也是人工智能产业落地的重要抓手之一。无人车是指具有自主行为能力并完全省略人类驾驶机构的车辆，具有智能化、线控化、机器人化、多功能化的特点，是自动驾驶车辆的重要组成部分。无人车的使用目的为替代人类执行作业任务，包括但不限于打击、作战、巡逻、侦察、物流、运输、摆渡、配送、清扫等民用或军用任务，在民用或军用领域具有非常广阔的应用前景，是未来智能交通与智慧城市建设的重要组成部分，更是我国新一代陆军装备发展的重要依托，对我国国民经济发展与国防安全建设具有重要战略意义。
与传统车辆相比，无人车的总体构型、布局形式、控制系统、执行机构等都完全不同，因此，无人车的研发对车辆总体设计、动力学与控制等理论与技术提出了巨大的挑战。由于特殊的使用功能，无人车完全省略人类操作机构，其底盘必须采用全线控架构，即转向系统、驱动系统及制动系统完全由电子控制系统控制，实现完全的线控转向、线控驱动及线控制动。线控制动系统是无人车全线控底盘各子系统中的重要部分，具有较高的安全性、可靠性及响应速度要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种用于无人车辆的电子液压线控制动系统，通过制动电机指令控制电子液压制动系统实现车辆制动，保证车辆制动响应时间与车辆安全性，同时能够通过电机转矩与转速调节，实现制动力的改变，满足无人车的使用需求。
所述的用于无人车的电子液压线控制动系统包括：制动电机、制动电机控制器、制动传动机构和液压制动模块；
所述制动电机控制器用于控制所述制动电机的转矩与转角；
所述制动电机的动力输出端与制动传动机构相连，所述制动传动机构用于将所述制动电机输出的扭矩转化为所述液压制动模块的作动力；
所述液压制动模块与无人车车轮中的制动钳相连，所述液压制动模块作动后，向所述制动钳提供制动油液，使所述制动钳中的制动活塞动作，带动制动块压紧制动盘。
作为本发明的一种优选方式，所述液压制动模块包括：制动主缸、制动储液罐和制动油路；
所述制动传动机构用于将所述制动电机输出的扭矩转换为直线运动，所述制动传动机构的输出端与所述制动主缸的活塞杆相连，带动所述制动主缸的活塞杆直线运动；
所述制动储液罐内存储制动液，所述制动储液罐通过进油管与制动主缸的进油口相连；所述制动主缸的出油口通过制动油路与制动钳相连。
作为本发明的一种优选方式，令所述无人车的车轮个数为2N，其中N为大于等于1的整数；每个车轮内均安装有制动钳和制动盘，所述液压制动模块分别与2N个制动钳相连；
所述制动主缸具有N个出油口，每个出油口连接一个制动油路，每个制动油路分别与安装在同一轴上两相对侧的车轮中的制动钳相连；
所述制动油路包括：制动油管和三通接头，所述三通接头具有一个进口，两个出口；所述制动主缸的出油口通过制动油管与所述三通接头的进口连通，所述三通接头的两个出口各通过一根制动油管和与之对应的两个车轮中的制动钳相连，用于推动安装在制动钳内的制动活塞直线运动。
作为本发明的一种优选方式，所述制动传动机构包括：制动电机减速器、转接轴、齿轮齿条机构；所述制动电机的输出轴与制动电机减速器相连，所述制动电机减速器的输出端通过转接轴与齿轮齿条机构中齿轮的齿轮轴相连，所述齿轮齿条机构中的齿条与所述液压制动模块中制动主缸的活塞杆相连。
作为本发明的一种优选方式，所述制动电机控制器通过总线与无人车上的控制单元相连。
有益效果：
(1)该电子液压线控制动系统利用对制动电机的控制可以进行制动力的准确控制，从而满足无人车辆不同工况下的使用要求；同时系统的结构较为简单，降低了系统的设计与开发成本。
(2)本发明通过无人车的整车控制器向制动电机直接发出制动指令，实现电子液压制动系统中制动主缸的动作，从而实现车轮制动，对于采用减速器与齿轮齿条方案的传动机构而言，可以通过制动电机控制实现快速响应，系统延迟较小，能够保证制动压力的迅速建立；因此该系统具有控制灵敏、响应迅速的优点。
附图说明
图1为本发明的制动系统的整体结构示意图；
图2为本发明的制动传动机构的爆炸图；
图3为制动器安装在无人车轮胎内的示意图。
图4为本发明该制动系统的控制流程图。
其中：1-前轮制动钳，2-三通接头，3-制动油管，4-制动电机控制器，5-制动电机，6-制动电机减速器，7-转接轴，8-齿轮齿条机构，9-制动主缸，10-后轮制动钳，11-制动储液罐，12-车轮，13-制动活塞
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。
本实施例提供一种用于无人车的电子液压线控制动系统，适用于省略人类驾驶机构的无人车的全线控底盘使用，具有较小的系统延迟损失、较快的响应速度与较高的控制精度，满足多功能无人车的使用需要。
该制动系统以伺服电机作为制动电机进行驱动，通过齿轮齿条传动机构与液压单元进行车辆制动力的控制。
如图1所示，该电子液压线控制动系统包括：制动电机5、制动电机控制器4、制动传动机构和液压制动模块。
其中制动电机控制器4用于控制制动电机5的转矩与转角；制动电机控制器4通过总线与无人车上的VCU(VCU是实现整车控制决策的核心电子控制单元)相连，无人车底盘上的驱动电池为制动电机5和制动电机控制器4供电。
制动传动机构用于将制动电机5输出的扭矩转化为液压制动模块的作动力。如图2所示，制动传动机构包括：制动电机减速器6、转接轴7、齿轮齿条机构8，其中齿轮齿条机构8包括相互啮合的齿轮和齿条。制动电机5的输出轴与制动电机减速器6相连，制动电机减速器6的输出端通过转接轴7与齿轮齿条机构8中齿轮的齿轮轴相连，齿轮齿条机构8中的齿条与液压制动模块中制动主缸9的活塞螺纹相连，用于推动制动主缸9的活塞杆直线运动。
安装在车轮内的制动器为定钳盘式制动器，包括制动盘10和制动钳，如图3所示，其中制动盘10固定在轮毂上，制动盘10是液压制动模块最终实现制动力的作用体。制动钳内安装有一个以上制动活塞13，制动活塞13分别压住制动盘10两侧的制动块，当制动活塞13移向制动盘10，将制动块压靠到制动盘10上时，制动块夹紧制动盘10，产生阻止车轮转动的摩擦力矩，实现制动。
在无人车的四个车轮12中，每个车轮12内均安装有钳盘式制动器，本方案中通过一套液压制动模块同时向四个制动器提供作动力。如图1所示，制动储液罐11内存储制动液，制动储液罐11通过进油管与制动主缸9的进油口相连，制动主缸9具有两个出油口，每个出油口连接一个制动油路，分别用于两个前轮制动器和两个后轮制动器的制动。两个制动油路结构形式相同，以用于制动两个前轮制动器的制动油路为例，该制动油路包括三根制动油管2和一个三通接头2，三通接头2具有一个进口，两个出口；制动主缸9的出油口通过一根制动油管2与三通接头2的进口连通，三通接头2的两个出口各通过一个制动油管2与两个前轮制动器的制动钳(即图1中的前轮制动钳1)相连，用于推动安装在制动钳内的制动活塞13直线运动。
同理，制动主缸9的另一个出油口通过制动油路为两个后轮制动器的制动钳(即图1中的后轮制动钳10)提供制动油液。
该电子液压线控制动系统的工作原理如图4所示，在无人车的行驶过程中，通过车辆上层自动驾驶算法判断出车辆当前所需的制动力，并将制动力控制信号发送给车辆VCU(VCU是实现整车控制决策的核心电子控制单元)，VCU则将该制动力控制信号进行转换(不同通讯语言的转换)后通过CAN总线发送至制动电机控制器4，制动电机控制器4依据接收到的信号计算得到获得该制动力制动电机5所需输出的转矩与转角，以此向制动电机5输出控制指令。
制动电机5根据接收到的控制指令输出对应的转矩与转角，制动电机输出轴通过制动电机减速器6传递出对应的扭矩与转角，与制动电机减速器输出轴通过转接轴7相连的制动齿轮(令齿轮齿条机构中的齿轮为制动齿轮，齿条为制动齿条)则会输出与减速器完全相同的转矩与转角；制动齿轮与制动齿条啮合，因此一旦制动齿轮输出相应转角与转矩时，制动齿条便产生制动齿轮切向运动，并得到对应的运动行程与齿条输出力；制动齿条与制动主缸9内的活塞通过螺纹连接，则齿条输出力与行程完全转换为制动主缸9中的活塞运动。
制动主缸9中的活塞随制动齿条的输出而发生运动，产生了同样的输出力，因此在制动主缸9中产生了制动压力，该制动压力通过制动油路传递至车轮12内部的制动钳，促使制动钳内部的制动活塞运动；车轮中的制动活塞动作，带动制动块挤压制动盘10，阻止车轮12旋转，使得无人车辆产生制动动作。
基于制动电机减速器6的传动结构，制动齿轮的输出转矩为Tgear＝T·i，其中i为制动电机减速器的减速比，T为制动电机的输出转矩；因此可知制动齿轮传递至制动齿条输出力为
Figure BDA0002200690720000041
其中rgear为制动齿轮的半径，Tgear为制动齿轮的输出转矩。
制动油路中，满足帕斯卡原理，制动主缸与制动钳之间满足方程PpSp＝PtSt＝Frack的关系，根据车轮旋转的转矩平衡可知F·rt＝Ff·rpan＝μnStPtrpan；因此，制动电机的输出转矩T与车辆制动力F之间的关系为：
Figure BDA0002200690720000051
其中：Pp与Sp为制动主缸中活塞压力与横截面积，Pt与St为制动活塞压力与横截面积，Frack为齿条输出力，rt为车轮滚动半径，Ff为制动盘产生的摩擦制动力，rpan为制动盘半径，μ为制动活塞与制动盘之间的摩擦系数，n为制动钳中制动活塞的个数，T为制动电机的输出转矩，i为制动电机减速器的减速比，rgear为制动齿轮半径。
由此便可通过对制动电机的输出转矩的控制实现对车辆制动力的精确控制。
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 (3)

1.一种用于无人车的电子液压线控制动系统，其特征在于，包括：制动电机(5)、制动电机控制器(4)、制动传动机构和液压制动模块；
所述制动电机控制器(4)用于控制所述制动电机(5)的转矩与转角；
所述制动电机(5)的动力输出端与制动传动机构相连，所述制动传动机构用于将所述制动电机(5)输出的扭矩转化为所述液压制动模块的作动力；
所述液压制动模块与无人车车轮中的制动钳相连，所述液压制动模块作动后，向所述制动钳提供制动油液，使所述制动钳中的制动活塞动作，带动制动块压紧制动盘；
所述液压制动模块包括：制动主缸(9)、制动储液罐(11)和制动油路；
所述制动传动机构用于将所述制动电机(5)输出的扭矩转换为直线运动，所述制动传动机构的输出端与所述制动主缸(9)的活塞杆相连，带动所述制动主缸(9)的活塞杆直线运动；
所述制动储液罐(11)内存储制动液，所述制动储液罐(11)通过进油管与制动主缸(9)的进油口相连；所述制动主缸(9)的出油口通过制动油路与制动钳相连；
所述制动传动机构包括：制动电机减速器(6)、转接轴(7)、齿轮齿条机构(8)；所述制动电机(5)的输出轴与制动电机减速器(6)相连，所述制动电机减速器(6)的输出端通过转接轴(7)与齿轮齿条机构(8)中齿轮的齿轮轴相连，所述齿轮齿条机构(8)中的齿条与所述液压制动模块中制动主缸(9)的活塞杆相连；
所述制动电机的输出转矩T与车辆制动力F之间的关系为：
Figure FDA0002578713210000011
其中：rt为车轮滚动半径，rpan为制动盘半径，μ为制动活塞与制动盘之间的摩擦系数，n为制动钳中制动活塞的个数，制动活塞的个数为一个以上，T为制动电机的输出转矩，i为制动电机减速器的减速比，rgear为制动齿轮半径；
通过对制动电机的输出转矩的控制实现对车辆制动力的精确控制。
2.如权利要求1所述的用于无人车的电子液压线控制动系统，其特征在于，令所述无人车的车轮个数为2N，其中N为大于等于1的整数；每个车轮内均安装有制动钳和制动盘，所述液压制动模块分别与2N个制动钳相连；
所述制动主缸(9)具有N个出油口，每个出油口连接一个制动油路，每个制动油路分别与安装在同一轴上两相对侧的车轮中的制动钳相连；
所述制动油路包括：制动油管和三通接头，所述三通接头具有一个进口，两个出口；所述制动主缸的出油口通过制动油管与所述三通接头的进口连通，所述三通接头的两个出口各通过一根制动油管和与之对应的两个车轮中的制动钳相连，用于推动安装在制动钳内的制动活塞(12)直线运动。
3.如权利要求1或2所述的用于无人车的电子液压线控制动系统，其特征在于，所述制动电机控制器(4)通过总线与无人车上的控制单元相连。
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