CN111055826A - 一种具有普适性的制动踏板模拟器及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有普适性的制动踏板感觉模拟器及其工作方法，制动踏板感觉模拟器包括机械传动模块、制动踏板感觉模拟模块以及控制模块。制动踏板感觉模拟模块以磁流变液取代液压或弹性元件，大大简化了结构复杂度；通过励磁线圈改变流经活塞通孔的磁流变液性质，并结合电控旋转拨片的旋转角度对活塞通孔口的大小进行调节，两种方式共同使用可以对磁流变液阻尼力进行更加细微的调整以获得最佳踏板反馈力；本发明实时性强、普适度高，可以为不同驾驶员提供最佳的制动踏板反馈。

Description

一种具有普适性的制动踏板模拟器及其工作方法
技术领域
本发明属于汽车制动系统技术领域，具体指代一种具有普适性的制动踏板模拟器及其工作方法。
背景技术
线控制动系统是以电子线路取代原本的机械连接及液压管路，其具有响应速度快、制动性能好、布置灵活的特点。但由于线控制动系统取消了制动踏板与制动器之间的液压或机械连接，使得驾驶员无法直接感知制动时反馈到制动踏板上的制动力，丧失了传统制动系统的制动反馈。驾驶员在长期的制动操作中，早已习惯制动踏板反馈的踏板力与踏板行程。踏板模拟器是驾驶员在车辆行驶过程中通过其内的某些元件或某种控制方法模拟传统制动系统中的制动踏板感觉。
目前主要的踏板模拟器由液压、气压或是弹性元件来模拟踏板力。例如中国实用新型专利申请号为CN201821895438.0，名称“一种线控制动系统踏板模拟器”中采用气缸阀和多条导气道模拟传统制动踏板的真实感觉，踩踏过程脚感舒适、精准；中国实用新型专利申请号为CN201520098595.9，名称“一种双弹簧踏板感觉模拟器”中采用变缸体内径，双活塞两段弹簧的形式对制动踏板感觉进行模拟。上述两件专利提出的线控制动踏板模拟器由于踏板特性的非线性，采用弹簧很难精确模拟。此外，无论采用气压还是液压都需要很多辅助结构，增加了系统的复杂性。并且不同的人对于踏板感觉得反馈是不同的，尤其是当出现紧急情况时，按照传统的踏板特性老人和女人很难将制动力发挥到最大。
磁流变液是一种新型智能材料，当施加的外加磁场发生变化时，磁流变液可以在流体和固体之间可逆地转化，同时还具有可控性好、无污染、低能耗等优点；因此，将磁流变液应用于线控制动系统中，并提出合理的控制方法进行踏板感觉模拟。利用磁流变液控制敏捷、响应速度快、阻尼连续可持续变化、质量轻等优点，精确、平顺的模拟制动踏板特性；通过神经网络拟合训练分类，得到针对不同驾驶员的踏板特性，使其具有普适性，有助于汽车线控制动系统的开发设计，具有一定的市场价值和经济效益。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有普适性的制动踏板模拟器及其工作方法，以克服现有技术中存在的问题。本发明通过励磁线圈调节磁场强度改变磁流变液力学特性以及改变流通面积二者结合，可以细微平顺的调节反馈的踏板力，得到良好舒适的制动反馈；本发明还极大的简化了系统复杂度，并且具有很高的普适性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种具有普适性的制动踏板模拟器，包括：机械传动模块、制动踏板感觉模拟模块和控制模块；
所述机械传动模块包括：制动踏板、踏板转轴、连杆及推杆；
所述踏板转轴的输入端与所述制动踏板的输出端固定连接，输出端与所述连杆的输入端固定连接；连杆的输出端与所述推杆的输入端铰接；所述推杆内部开有L型通孔；
所述制动踏板感觉模拟模块包括：一级踏板模拟器、二级踏板模拟器、回位弹簧、弹簧底座、活塞、密封圈A、密封圈B、励磁线圈、导线及电控旋转拨片；
所述踏板模拟器为两级阶梯式，包括一级踏板模拟器及二级踏板模拟器；二级踏板模拟器内填充有磁流变液；所述活塞与机械传动模块的推杆固定连接并位于二级踏板模拟器内，活塞的圆形端面开有多个通孔并在活塞内芯的一端开有盲孔，盲孔与上述推杆内的L型通孔相通；所述弹簧底座固定在一级踏板模拟器内的左右两端，且中间开有圆孔以供推杆穿过；所述回位弹簧左右两端分别与弹簧底座固定连接；所述密封圈A环套在推杆上并紧贴在二级踏板模拟器输入端内壁；所述密封圈B环套在活塞的圆柱面上并紧贴在二级踏板模拟器的内壁；所述励磁线圈缠绕在活塞的内芯上；所述电控旋转拨片为多个，其数量与上述通孔数量对应；每一个分别固定在上述通孔旁且位于活塞内部；所述导线通过导线孔与励磁线圈及电控旋转拨片相连；导线位于上述活塞内芯的盲孔与推杆内部的L型通孔内，以便导线与控制模块相连；
所述控制模块包括：传感器组、电子控制单元及供电回路；
传感器组包括：制动踏板位移传感器、制动踏板力传感器；制动踏板位移传感器安装在靠近推杆输入端的一级踏板模拟器上，接收驾驶员输入的制动踏板位移信号；制动踏板力传感器安装在制动踏板内部，接收驾驶员输入的力信号；电子控制单元与传感器组电气相连，接收各传感器信号后进行计算，输出控制电流信号；并通过供电回路控制励磁线圈产生磁场大小以及电控旋转拨片的旋转角度。
进一步地，所述弹簧底座由螺栓固定在一级踏板模拟器左右两端。
本发明的一种具有普适性的制动踏板模拟器的工作方法，基于上述模拟器，包括步骤如下：
1)通过制动踏板输入制动操作，力经踏板转轴、连杆、推杆传递至制动踏板感觉模拟模块；
2)制动踏板位移传感器与制动踏板力传感器采集踏板的位移信号和驾驶员输入的制动力信号并将其发送给电子控制单元；
3)电子控制单元通过训练完毕的径向基神经网络RBF，对径向基神经网络RBF输入端输入当前驾驶员类型，制动踏板位移以及制动踏板力计算得到的踏板力加载速度，输出当前时刻踏板模拟器期望的阻尼力；
4)电子控制单元根据期望的阻尼力，输出控制电流改变励磁线圈所产生的磁场强度大小从而改变流经活塞通孔的磁流变液性质，并且通过调节电控旋转拨片的旋转角度，对活塞通孔口的大小进行调节，增大或减小磁流变液的流通面积；以获得最佳踏板反馈力；
5)松开制动踏板，励磁线圈内电流变为零，此时磁流变液为液体；在回位弹簧的作用下制动踏板以及活塞回到初始位置以供下一次制动使用。
优选的，所述步骤3)中径向基神经网络RBF的方法为：输入驾驶员的类型，将驾驶员特性整合为数字语言，1表示成年男人、2表示女人、3表示老人；将上述数字语言和驾驶员制动时的制动踏板位移以及由制动踏板力传感器计算得到的踏板力加载速度作为已训练好的RBF径向基神经网络，输出为踏板模拟器阻尼力大小，其具体步骤如下：
3.1确定参数，输入向量X＝[x1,x2,x3]T；输出向量Y＝[y1]T；隐含层至输出层的连接权值Wk＝[w1,w2…wp]T；x1,x2,x3分别表示驾驶员特性、制动踏板位移、踏板力加载速度；y1表示踏板模拟器阻尼力；
3.2计算隐含层第j个神经元的输出值zj：
Figure BDA0002365871370000031
其中，Cj是隐含层第j个神经元的中心向量，Dj是隐含层第j个神经元的宽度向量；
3.3计算输出层神经元的输出yk：
Figure BDA0002365871370000032
3.4确定RBF神经网络评价函数E：
Figure BDA0002365871370000033
其中，Olk为第k个输出神经元在第l个输入样本时的期望输出值；期望值由提前采集归类好的针对驾驶员为成年男人、女人和老人三种类型的舒适的踏板特性曲线提取得到；
3.5迭代更新权重参数：
Figure BDA0002365871370000034
Figure BDA0002365871370000035
Figure BDA0002365871370000036
其中，Wkj(t)为第k个输出神经元与第j个隐含层神经元之间在第t次迭代计算时的调节权重；Cji(t)为第j个隐含层神经元对于第i个输入神经元在第t次的中心分量；dji(t)是与Cji(t)对应的宽度；η为学习因子；
3.6重复步骤3.5对权重进行迭代优化，直到网络输出的均方根误差小于给定值，训练结束。
优选的，所述步骤4)中电子控制单元改变磁流变液材料性质的方法为：电子控制单元控制信号通过对励磁线圈正负极电流大小进行调节，输出励磁电流作用在励磁线圈上；励磁线圈中通过变化的励磁电流时，沿线圈中心有磁力线通过并产生控制磁场；磁流变液在控制磁场的作用下，内部的磁流变液材料粘度、屈服强度发生改变，流过活塞通孔所需的力改变。
本发明的有益效果：
本发明与现有的液压、气压装置相比，不需要安装液压泵、电机和各种阀体，结构简单并减轻了系统质量；与弹性元件装置相比，磁流变液材料的粘度变化是连续、可逆的，加上电控旋转拨片的辅助，可以更加精确、细微、平滑的反馈制动踏板力，并且响应迅速，具有良好的舒适性。
本发明通过RBF神经网络根据不同驾驶员类型输入得到不同的期望阻尼力，可以很好的弥补有些驾驶员因为力量不足而在紧急情况下不能快速使制动力达到最大的问题，优化了制动效能。
附图说明
图1为本发明具有普适性的制动踏板模拟器结构框图；
图2为本发明活塞截面图；
图3为本发明推杆与活塞截面俯视图；
图4为本发明推杆与活塞截面主视图；
图5为本发明方法原理图；
图中，1-制动踏板力传感器，2-制动踏板，3-连杆，4-踏板转轴，5-制动踏板位移传感器，6-弹簧底座，7-螺栓，8-一级踏板模拟器，9-推杆，10-回位弹簧，11-二级踏板模拟器，12-导线，13-内芯，14-通孔，15-磁流变液，16-供电回路，17-密封圈A，18-电子控制单元，19-密封圈B，20-励磁线圈，21-活塞，22-电控旋转拨片,23-导线孔A,24-导线孔B，25-L型通孔，26-导线孔C，27-盲孔，28-导线孔D。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1至图4所示，本发明的一种具有普适性的线控制动踏板模拟器，包括：机械传动模块、制动踏板感觉模拟模块和控制模块；
所述机械传动模块包括：制动踏板2、踏板转轴4、连杆3及推杆9；
所述踏板转轴4的输入端与所述制动踏板2的输出端固定连接，输出端与所述连杆3的输入端固定连接；连杆3的输出端与所述推杆9的输入端铰接；所述推杆9内部开有L型通孔25；
所述制动踏板感觉模拟模块包括：一级踏板模拟器8、二级踏板模拟器11、回位弹簧10、弹簧底座6、螺栓7、活塞21、密封圈A17、密封圈B19、励磁线圈20、导线12及电控旋转拨片22；
所述踏板模拟器为两级阶梯式，包括一级踏板模拟器8及二级踏板模拟器11；二级踏板模拟器11内填充有磁流变液15；所述活塞21与机械传动模块的推杆9固定连接并位于二级踏板模拟器内，活塞21的圆形端面开有四个通孔14(通孔14的数量也可为三个、五个或者其他)并在活塞内芯13的一端开有盲孔27，盲孔27与上述推杆9内的L型通孔25相通；所述弹簧底座6由螺栓7固定在一级踏板模拟器8内的左右两端，且中间开有圆孔以供推杆9穿过；所述回位弹簧10左右两端分别与弹簧底座6固定连接；所述密封圈A17环套在推杆9上并紧贴在二级踏板模拟器11输入端内壁；所述密封圈B19环套在活塞21的圆柱面上并紧贴在二级踏板模拟器11的内壁；所述励磁线圈20缠绕在活塞的内芯13上；所述电控旋转拨片22为四个，每一个分别固定在通孔14旁且位于活塞21内部；所述导线12分别通过导线孔A23、导线孔B24、导线孔C26、导线孔D28与励磁线圈20及电控旋转拨片22相连；导线12位于上述活塞内芯13的盲孔27与推杆9内部的L型通孔25内，以便导线12与控制模块相连。
所述控制模块包括：传感器组、电子控制单元(ECU)15及供电回路16；
传感器组包括：制动踏板位移传感器5、制动踏板力传感器1；制动踏板位移传感器5安装在靠近推杆9输入端的一级踏板模拟器上，接收驾驶员输入的制动踏板位移信号；制动踏板力传感器1安装在制动踏板2内部，接收驾驶员输入的力信号；电子控制单元18与传感器组电气相连，接收各传感器信号后进行计算，输出控制电流信号；并通过供电回路16控制励磁线圈20产生磁场大小以及电控旋转拨片22的旋转角度。
参照图5所示，本发明的一种具有普适性的制动踏板模拟器的工作方法，基于上述模拟器，包括步骤如下：
1)通过制动踏板输入制动操作，力经踏板转轴、连杆、推杆传递至制动踏板感觉模拟模块；
2)制动踏板位移传感器与制动踏板力传感器采集踏板的位移信号和驾驶员输入的制动力信号并将其发送给电子控制单元；
3)电子控制单元通过训练完毕的径向基神经网络RBF，对径向基神经网络RBF输入端输入当前驾驶员类型，制动踏板位移以及制动踏板力计算得到的踏板力加载速度，输出当前时刻踏板模拟器期望的阻尼力；
4)电子控制单元根据期望的阻尼力，输出控制电流改变励磁线圈所产生的磁场强度大小从而改变流经活塞通孔的磁流变液性质，并且通过调节电控旋转拨片的旋转角度，对活塞通孔口的大小进行调节，增大或减小磁流变液的流通面积；以获得最佳踏板反馈力；
5)松开制动踏板，励磁线圈内电流变为零，此时磁流变液为流动性良好的液体；在回位弹簧的作用下制动踏板以及活塞回到初始位置以供下一次制动使用。
其中，所述步骤3)中径向基神经网络RBF的方法为：输入驾驶员的类型，将驾驶员特性整合为数字语言，1表示成年男人、2表示女人、3表示老人；将上述数字语言和驾驶员制动时的制动踏板位移以及由制动踏板力传感器计算得到的踏板力加载速度作为已训练好的RBF径向基神经网络，输出为踏板模拟器阻尼力大小，其具体步骤如下：
3.1确定参数，输入向量X＝[x1,x2,x3]T；输出向量Y＝[y1]T；隐含层至输出层的连接权值Wk＝[w1,w2…wp]T；x1,x2,x3分别表示驾驶员特性、制动踏板位移、踏板力加载速度；y1表示踏板模拟器阻尼力；
3.2计算隐含层第j个神经元的输出值zj：
Figure BDA0002365871370000061
其中，Cj是隐含层第j个神经元的中心向量，Dj是隐含层第j个神经元的宽度向量；
3.3计算输出层神经元的输出yk：
Figure BDA0002365871370000062
3.4确定RBF神经网络评价函数E：
Figure BDA0002365871370000063
其中，Olk为第k个输出神经元在第l个输入样本时的期望输出值；期望值由提前采集归类好的针对驾驶员为成年男人、女人和老人三种类型的舒适的踏板特性曲线提取得到；
3.5迭代更新权重参数：
Figure BDA0002365871370000064
Figure BDA0002365871370000065
Figure BDA0002365871370000071
其中，Wkj(t)为第k个输出神经元与第j个隐含层神经元之间在第t次迭代计算时的调节权重；Cji(t)为第j个隐含层神经元对于第i个输入神经元在第t次的中心分量；dji(t)是与Cji(t)对应的宽度；η为学习因子；
3.6重复步骤3.5对权重进行迭代优化，直到网络输出的均方根误差小于给定值，训练结束。
其中，所述步骤4)中电子控制单元改变磁流变液材料性质的方法为：电子控制单元控制信号通过对励磁线圈正负极电流大小进行调节，输出励磁电流作用在励磁线圈上；励磁线圈中通过变化的励磁电流时，沿线圈中心有磁力线通过并产生控制磁场；磁流变液在控制磁场的作用下，内部的磁流变液材料粘度、屈服强度发生改变，流过活塞通孔所需的力改变。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有普适性的制动踏板模拟器，其特征在于，包括：机械传动模块、制动踏板感觉模拟模块和控制模块；
所述机械传动模块包括：制动踏板、踏板转轴、连杆及推杆；
所述踏板转轴的输入端与所述制动踏板的输出端固定连接，输出端与所述连杆的输入端固定连接；连杆的输出端与所述推杆的输入端铰接；所述推杆内部开有L型通孔；
所述制动踏板感觉模拟模块包括：一级踏板模拟器、二级踏板模拟器、回位弹簧、弹簧底座、活塞、密封圈A、密封圈B、励磁线圈、导线及电控旋转拨片；
所述踏板模拟器为两级阶梯式，包括一级踏板模拟器及二级踏板模拟器；二级踏板模拟器内填充有磁流变液；所述活塞与机械传动模块的推杆固定连接并位于二级踏板模拟器内，活塞的圆形端面开有多个通孔并在活塞内芯的一端开有盲孔，盲孔与上述推杆内的L型通孔相通；所述弹簧底座固定在一级踏板模拟器内的左右两端，且中间开有圆孔以供推杆穿过；所述回位弹簧左右两端分别与弹簧底座固定连接；所述密封圈A环套在推杆上并紧贴在二级踏板模拟器输入端内壁；所述密封圈B环套在活塞的圆柱面上并紧贴在二级踏板模拟器的内壁；所述励磁线圈缠绕在活塞的内芯上；所述电控旋转拨片为多个，其数量与上述通孔数量对应；每一个分别固定在上述通孔旁且位于活塞内部；所述导线通过导线孔与励磁线圈及电控旋转拨片相连；导线位于上述活塞内芯的盲孔与推杆内部的L型通孔内；
所述控制模块包括：传感器组、电子控制单元及供电回路；
传感器组包括：制动踏板位移传感器及制动踏板力传感器；制动踏板位移传感器安装在靠近推杆输入端的一级踏板模拟器上，接收驾驶员输入的制动踏板位移信号；制动踏板力传感器安装在制动踏板内部，接收驾驶员输入的力信号；电子控制单元与传感器组电气相连，接收各传感器信号后进行计算，输出控制电流信号；并通过供电回路控制励磁线圈产生磁场大小以及电控旋转拨片的旋转角度。
2.根据权利要求1所述的具有普适性的制动踏板模拟器，其特征在于，所述弹簧底座由螺栓固定在一级踏板模拟器左右两端。
3.一种具有普适性的制动踏板模拟器的工作方法，基于上述权利要求1或2中的模拟器，其特征在于，包括步骤如下：
1)通过制动踏板输入制动操作，力经踏板转轴、连杆、推杆传递至制动踏板感觉模拟模块；
2)制动踏板位移传感器与制动踏板力传感器采集踏板的位移信号和驾驶员输入的制动力信号并将其发送给电子控制单元；
3)电子控制单元通过训练完毕的径向基神经网络RBF，对径向基神经网络RBF输入端输入当前驾驶员类型，制动踏板位移以及制动踏板力计算得到的踏板力加载速度，输出当前时刻踏板模拟器期望的阻尼力；
4)电子控制单元根据期望的阻尼力，输出控制电流改变励磁线圈所产生的磁场强度大小从而改变流经活塞通孔的磁流变液性质，并且通过调节电控旋转拨片的旋转角度，对活塞通孔口的大小进行调节，增大或减小磁流变液的流通面积；以获得最佳踏板反馈力；
5)松开制动踏板，励磁线圈内电流变为零，此时磁流变液为液体；在回位弹簧的作用下制动踏板以及活塞回到初始位置以供下一次制动使用。
4.根据权利要求3所述的具有普适性的制动踏板模拟器的工作方法，其特征在于，所述步骤3)中径向基神经网络RBF的方法为：输入驾驶员的类型，将驾驶员特性整合为数字语言，1表示成年男人、2表示女人、3表示老人；将上述数字语言和驾驶员制动时的制动踏板位移以及由制动踏板力传感器计算得到的踏板力加载速度作为已训练好的RBF径向基神经网络，输出为踏板模拟器阻尼力大小.
5.根据权利要求4所述的具有普适性的制动踏板模拟器的工作方法，其特征在于，所述的径向基神经网络RBF的方法具体步骤如下：
3.1确定参数，输入向量X＝[x1,x2,x3]T；输出向量Y＝[y1]T；隐含层至输出层的连接权值Wk＝[w1,w2…wp]T；x1,x2,x3分别表示驾驶员特性、制动踏板位移、踏板力加载速度；y1表示踏板模拟器阻尼力；
3.2计算隐含层第j个神经元的输出值zj：
Figure FDA0002365871360000021
其中，Cj是隐含层第j个神经元的中心向量，Dj是隐含层第j个神经元的宽度向量；
3.3计算输出层神经元的输出yk：
Figure FDA0002365871360000022
3.4确定RBF神经网络评价函数E：
Figure FDA0002365871360000023
其中，Olk为第k个输出神经元在第l个输入样本时的期望输出值；期望值由提前采集归类好的针对驾驶员为成年男人、女人和老人三种类型的舒适的踏板特性曲线提取得到；
3.5迭代更新权重参数：
Figure FDA0002365871360000024
Figure FDA0002365871360000031
Figure FDA0002365871360000032
其中，Wkj(t)为第k个输出神经元与第j个隐含层神经元之间在第t次迭代计算时的调节权重；Cji(t)为第j个隐含层神经元对于第i个输入神经元在第t次的中心分量；dji(t)是与Cji(t)对应的宽度；η为学习因子；
3.6重复步骤3.5对权重进行迭代优化，直到网络输出的均方根误差小于给定值，训练结束。
6.根据权利要求3所述的具有普适性的制动踏板模拟器的工作方法，其特征在于，所述步骤4)中电子控制单元改变磁流变液材料性质的方法为：电子控制单元控制信号通过对励磁线圈正负极电流大小进行调节，输出励磁电流作用在励磁线圈上；励磁线圈中通过变化的励磁电流时，沿线圈中心有磁力线通过并产生控制磁场；磁流变液在控制磁场的作用下，内部的磁流变液材料粘度、屈服强度发生改变，流过活塞通孔所需的力改变。
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