CN111824100A - 一种应用于无人驾驶方程式赛车的主动式制动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于无人驾驶方程式赛车的主动式制动系统，包括第一制动主缸、第二制动主缸、第三制动主缸、第四制动主缸、制动踏板、第一二位三通电磁阀、第二二位三通电磁阀、控制系统、直线电机等；采用两套作用主缸，通过电磁阀切换制动回路实现无人模式和车手驾驶两种模式下独立制动功能，有别于传统的通过机械传动结构压缩车手驾驶模式下所用的制动踏板方案，实现不同驾驶模式下切换作用主缸和制动回路。两套作用主缸布置方式更灵活，可布置在前驾驶舱之外，适用于空间更狭小、结构更紧凑的FSAC赛车，从而解决主动与被动模式相互干扰和布置空间紧张等问题；通过DCDC转换器使直线电机能迅速驱动制动主缸，使赛车紧急制动，从而实现EBS功能。

Description

一种应用于无人驾驶方程式赛车的主动式制动系统
技术领域
本发明涉及一种以中国大学生无人驾驶方程式(FSAC)赛车为基础的制动系统，特别涉及一种应用于无人驾驶方程式赛车、针对无人模式和车手驾驶模式可切换作用主缸和制动回路的主动式制动系统。
背景技术
秉持“中国创造擎动未来”的远大理想，以为中国培养新时代汽车工程师为出发点，中国大学生无人驾驶方程式大赛(FSAC)由中国汽车工程学会于2017年创立，至今已成功举办三届。赛事着重培养智能网联汽车技术人才、信息安全人才。由于比赛项目包含车手驾驶也包含无人模式下自动驾驶，所以对赛车的制动系统有着特殊要求，既无人模式与车手驾驶模式互不干扰，独立完成制动功能；无人驾驶模式还要有紧急制动功能(EBS)，防止失控等意外情况的发生。目前国内主流设计是采用小型伺服电机通过机械传动，如连杆机构压缩车手驾驶模式所用的制动踏板实现行车制动，再另设拉线机构或气缸实现EBS功能，但这有不可避免的缺陷，比如主动模式和车手驾驶模式机械结构易发生干扰，且不易在狭小的驾驶舱内布置，这给实现赛车的制动性能带来了阻碍。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供一种新的FSAC赛车主动制动系统设计思路，即在无人模式和车手驾驶两种模式下采用两套作用主缸，通过电磁阀切换制动回路实现两种模式下独立制动功能。
本发明提供一种应用于无人驾驶方程式赛车的主动式制动系统，包括第一制动主缸、第二制动主缸、第三制动主缸、第四制动主缸、制动踏板、第一二位三通电磁阀、第二二位三通电磁阀、控制系统、直线电机和无人驾驶系统主开关(Autonomous System MasterSwitch，ASMS)；所述的第一制动主缸和第二制动主缸并列设置在赛车前舱内，第一制动主缸和第二制动主缸的活塞杆与制动踏板相连；第一制动主缸的液压缸通过管路与第一二位三通电磁阀的常开端相连，第二制动主缸的液压缸通过管路与第二二位三通电磁阀的常开端相连；第三制动主缸、第四制动主缸和直线电机设在前舱壳体上部，第三制动主缸和第四制动主缸并列设在直线电机的两侧，直线电机的伸缩杆与第三制动主缸和第四制动主缸的活塞杆相连；第三制动主缸的液压缸通过管路与第一二位三通电磁阀的常闭端相连，第四制动主缸的液压缸通过管路与第二二位三通电磁阀的常闭端相连；第一二位三通电磁阀的输出端与第一三通阀相连，第一三通阀另两端分别与两前轮制动轮缸相连；第二二位三通电磁阀的输出端与第二三通阀相连，第二三通阀另两端分别与ABS泵相连，ABS泵与两后轮制动轮缸相连，对后轮进行升压、保压、降压控制，实现II型制动回路。控制系统通过线路与直线电机相连，第一二位三通电磁阀和第二二位三通电磁阀为常开电磁阀；无人驾驶系统主开关通过线路与第一二位三通电磁阀和第二二位三通电磁阀相连，控制电磁阀切换开闭端口。
控制系统包括电控单元ECU、第一继电器、第二继电器、第三继电器、第四继电器、第五继电器、第六继电器及DCDC转换器；电控单元ECU的正转信号接口分别与第一继电器和第三继电器的线圈端一端相连，反转信号接口与第二继电器和第四继电器的线圈端一端相连，EBS信号接口分别与第五继电器和第六继电器的线圈端一端相连，每个继电器的线圈端另一端连接整车低压电源com端，电控单元ECU控制各继电器开闭；
第一继电器和第四继电器的开关端一端与整车低压电源(+12V)端相连，第二继电器、第三继电器和第五继电器的开关端一端与整车低压电源com端相连，第六继电器的开关端一端与DCDC转换器(+24V)输出端相连；第一继电器、第二继电器和第六继电器的开关端另一端与直线电机一号接口相连，第三继电器、第四继电器和第五继电器的开关端另一端与直线电机二号接口相连；DCDC转换器输入端与整车低压电源(+12V)端相连；所述的DCDC转换器为升压型。
直线电机的伸缩杆与第三制动主缸和第四制动主缸的活塞杆同向设置，直线电机的伸缩杆前端设有垂直的作用臂，作用臂两端分别与第三制动主缸和第四制动主缸的活塞杆相连，直线电机的伸缩杆回缩过程压缩第三制动主缸和第四制动主缸的液压缸建压。
第一制动主缸和第二制动主缸的下端枢接在支架前部，制动踏板下端也枢接在支架上，枢接点位于第一制动主缸和第二制动主缸后部，支架固定在赛车前舱内，制动踏板的上端与第一制动主缸和第二制动主缸的活塞杆铰接，第一制动主缸和第二制动主缸的活塞杆上套设有回位弹簧，踩动制动踏板，压缩第一制动主缸和第二制动主缸的活塞杆在液压缸内建压。
第三制动主缸和第四制动主缸的活塞杆上套设有回位弹簧。
第一、第二、第三、第四制动主缸的液压缸分别与储液罐相连。
控制方法如下：
当无人驾驶系统主开关(ASMS)断开时，赛车进入车手驾驶模式，此时第一二位三通电磁阀和第二二位三通电磁阀的常开端与输出端接通，通过常开通路将将第一制动主缸与前轮制动轮缸连通，第二制动主缸与后轮制动轮缸连通，接入制动回路，由车手通过制动踏板对第一制动主缸和第二制动主缸建压，制动液分别通过第一二位三通电磁阀和第二二位三通电磁阀的常开端及输出端进入前后轮的制动轮缸进行制动，实现车手驾驶模式下的制动功能。
当无人驾驶系统主开关(ASMS)闭合时，赛车进入无人驾驶模式，此时第一二位三通电磁阀和第二二位三通电磁阀的常闭端与输出端接通，将第三制动主缸与前轮制动轮缸连通，第四制动主缸与后轮制动轮缸连通，接入制动回路，隔离第一制动主缸和第二制动主缸；根据电控单元ECU指令，当电控单元ECU发出正转信号，正转接口输出由低电平变为高电平，为第一继电器和第三继电器供电，第一继电器和第三继电器闭合，直线电机接入整车低压电源正转，伸缩杆回缩，通过作用臂压缩活塞杆在液压缸建压，制动液分别通过第一二位三通电磁阀和第二二位三通电磁阀的常闭端及输出端进入前后轮的制动轮缸进行制动，实现无人驾驶模式下的行车制动；当电控单元ECU发出反转指令，反转接口输出由低电平变为高电平，为第二继电器和第四继电器供电，第二继电器和第四继电器闭合，直线电机接入整车低压电源反转，伸缩杆推出，通过作用臂拉动活塞杆释放液压力，释放制动力；当出现紧急情况时，电控单元ECU判断后发出EBS指令，EBS接口输出由低电平变为高电平，为第五继电器和第六继电器供电，此时第五继电器和第六继电器闭合，通过DCDC转换器输出高电压，直线电机接入高压快速正转，伸缩杆快速回缩，通过作用臂迅速压缩活塞杆在液压缸建压，使赛车紧急制动，从而实现EBS功能。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种应用于无人驾驶方程式赛车的主动式制动系统，有别于传统的用电机通过机械传动结构压缩车手驾驶时所用的制动踏板，而是通过设计控制电路实现不同驾驶模式下切换作用主缸和制动回路，主动、被动模式皆为双回路设计，保证赛车任何情况下有制动能力，两套作用主缸布置方式更灵活，可布置在前驾驶舱之外，适用于空间更狭小、结构更紧凑的FSAC赛车，从而解决相互干扰和布置空间有限等问题；本发明还实现了集成EBS(DCDC电压转换)和行车制动于一体，满足方程式赛车对操控性的要求同时不增设额外机构实现EBS，轻量化显著，通过DCDC转换器提升电压，使电机能迅速驱动制动主缸压缩而使赛车紧急制动，从而实现EBS功能，相比于传统设计提高了控制精度和可靠性；直线电机回缩压动主缸，无传统的传动机构，占用总体空间小，且主动制动系统可布置于驾驶舱外、车架之上，是无人驾驶方程式赛车领域首创，主动被动模式由电磁阀隔离，无相互机械干扰，无需增加其他机构，减小机构复杂度，减小了在无人驾驶方程式赛车中的布置难度。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明布置方式轴侧示意图；
图3为本发明布置方式侧视剖视示意图；
101、第一制动主缸 102、第二制动主缸 2、制动踏板
3、第一二位三通电磁阀 4、第二二位三通电磁阀 501、第三制动主缸
502、第四制动主缸 6、直线电机 7、伸缩杆 8、制动轮缸
9、控制系统 10、电控单元ECU 11、第一继电器 12、第二继电器
13、第三继电器 14、第四继电器 15、第五继电器 16、第六继电器
17、DCDC转换器 18、第一三通阀 19、第二三通阀 20、ABS泵
21、无人驾驶系统主开关 22、前舱 23、作用臂 24、支架
25、储液罐。
具体实施方式
根据图1-3所示：
本发提供的一种应用于无人驾驶方程式赛车的主动式制动系统，
包括第一制动主缸101、第二制动主缸102、制动踏板2、第一二位三通电磁阀3、第二二位三通电磁阀4、第三制动主缸501、第四制动主缸502、直线电机6、控制系统9和无人驾驶系统主开关21(Autonomous System Master Switch，ASMS)；所述的第一制动主缸101和第二制动主缸102并列设置在赛车前舱22内，第一制动主缸101和第二制动主缸102的活塞杆与制动踏板2相连；第一制动主缸101的液压缸通过管路与第一二位三通电磁阀3的常开端相连，第二制动主缸102的液压缸通过管路与第二二位三通电磁阀4的常开端相连；第三制动主缸501、第四制动主缸502和直线电机6设在前舱22壳体上部，第三制动主缸501和第四制动主缸502并列设在直线电机6的两侧，直线电机6的伸缩杆7与第三制动主缸501和第四制动主缸502的活塞杆相连；第三制动主缸501的液压缸通过管路与第一二位三通电磁阀3的常闭端相连，第四制动主缸502的液压缸通过管路与第二二位三通电磁阀4的常闭端相连；第一二位三通电磁阀3的输出端与第一三通阀18相连，第一三通阀18另两端分别与两前轮制动轮缸8相连；第二二位三通电磁阀4的输出端与第二三通阀19相连，第二三通阀19另两端分别与ABS泵20相连，ABS泵20与两后轮制动轮缸8相连，对后轮进行升压、保压、降压控制，实现II型制动回路。控制系统9通过线路与直线电机6相连，第一二位三通电磁阀3和第二二位三通电磁阀4为常开电磁阀；无人驾驶系统主开关21通过线路与第一二位三通电磁阀3和第二二位三通电磁阀4相连，控制电磁阀切换开闭端口。
控制系统9包括电控单元ECU10、第一继电器11、第二继电器12、第三继电器13、第四继电器14、第五继电器15、第六继电器16及DCDC转换器17；电控单元ECU10的正转信号接口分别与第一继电器11和第三继电器13的线圈端一端相连，反转信号接口分别与第二继电器12和第四继电器14的线圈端一端相连，EBS信号接口分别与第五继电器15和第六继电器16的线圈端一端相连，每个继电器的线圈端另一端连接整车低压电源com端，电控单元ECU10控制各继电器开闭；
第一继电器11和第四继电器14的开关端一端与整车低压电源(+12V)端相连，第二继电器12、第三继电器13和第五继电器15的开关端一端与整车低压电源com端相连，第六继电器16的开关端一端与DCDC转换器17(+24V)输出端相连；第一继电器11、第二继电器12和第六继电器16的开关端另一端与直线电机6一号接口相连，第三继电器13、第四继电器14和第五继电器15的开关端另一端与直线电机6二号接口相连；DCDC转换器17输入端与整车低压电源(+12V)端相连；所述的DCDC转换器17为升压型。
直线电机6的伸缩杆7前端设有垂直的作用臂23，作用臂23两端分别与第三制动主缸501和第四制动主缸502的活塞杆相连，直线电机6的伸缩杆7回缩过程压缩第三制动主缸501和第四制动主缸502的液压缸建压。这样布置更能节省空间，提高赛车的空间利用率。
第一制动主缸101和第二制动主缸102的下端枢接在支架24前部，制动踏板2下端也枢接在支架24上，枢接点位于第一制动主缸101和第二制动主缸102后部，支架24固定在赛车前舱22内，制动踏板2的上端与第一制动主缸101和第二制动主缸102的活塞杆铰接，形成三角形结构；第一制动主缸101和第二制动主缸102的活塞杆上套设有回位弹簧，踩动制动踏板2，压缩第一制动主缸101和第二制动主缸102的活塞杆在液压缸内建压。
第三制动主缸501和第四制动主缸502的活塞杆上也套设有回位弹簧。
第一制动主缸101、第二制动主缸102、第三制动主缸501、第四制动主缸502的液压缸分别与储液罐25相连。
控制方法如下：
当无人驾驶系统主开关21(ASMS)断开时，赛车进入车手驾驶模式，此时第一二位三通电磁阀3和第二二位三通电磁阀4通过常开通路将第一制动主缸101和第二制动主缸102与前轮制动轮缸8和后轮制动轮缸8连通，接入制动回路，由车手通过制动踏板2对第一制动主缸101和第二制动主缸102建压，制动液分别通过第一二位三通电磁阀3和第二二位三通电磁阀4的常开端及输出端进入前后轮的制动轮缸8进行制动，实现车手驾驶模式下的制动功能。
当无人驾驶系统主开关21(ASMS)闭合时，赛车进入无人驾驶模式，此时第一二位三通电磁阀3和第二二位三通电磁阀4的常闭端接通，将第三制动主缸501和第四制动主缸502与前轮制动轮缸8和后轮制动轮缸8连通，接入制动回路，隔离第一制动主缸101和第二制动主缸102；根据电控单元ECU10指令，当电控单元ECU10发出正转信号，正转接口输出由低电平变为高电平，为第一继电器11和第三继电器13供电，第一继电器11和第三继电器13闭合，直线电机6接入整车低压电源正转，伸缩杆7回缩，通过作用臂23压缩活塞杆在液压缸建压，制动液分别通过第一二位三通电磁阀3和第二二位三通电磁阀4的常闭端及输出端进入前后轮的制动轮缸8进行制动，实现无人驾驶模式下的行车制动；当电控单元ECU10发出反转指令，反转接口输出由低电平变为高电平，为第二继电器12和第四继电器14供电，第二继电器12和第四继电器14闭合，直线电机6接入整车低压电源反转，伸缩杆7推出，通过作用臂23拉动活塞杆释放液压力，释放制动力；当出现紧急情况时，电控单元ECU10判断后发出EBS指令，EBS接口输出由低电平变为高电平，为第五继电器15和第六继电器16供电，此时第五继电器15和第六继电器16闭合，通过DCDC转换器17输出高电压，直线电机6接入高压快速正转，伸缩杆7快速回缩，通过作用臂23迅速压缩活塞杆在液压缸建压，使赛车紧急制动，从而实现EBS功能。
主动制动系统控制采用制动系统压力值的反馈控制，根据制动压力传感器测得制动管路中的实时压力值，将其与目标压力值所比较，若实时压力低于目标压力则直线电机6伸缩杆继续回缩压缩第三制动主缸501和第四制动主缸502；如果实时压力值大于目标压力值则电控单元ECU10控制直线电机6释放制动；若两者相等则直线电机6保持原位；通过PID控制使实时压力快速、稳定跟随目标压力变化，从而使赛车能按照规划的路径行驶，缩短圈时。

Claims (7)

1.一种应用于无人驾驶方程式赛车的主动式制动系统，其特征在于：包括第一制动主缸、第二制动主缸、第三制动主缸、第四制动主缸、制动踏板、第一二位三通电磁阀、第二二位三通电磁阀、控制系统、直线电机和无人驾驶系统主开关；所述的第一制动主缸和第二制动主缸并列设置在赛车前舱内，第一制动主缸和第二制动主缸的活塞杆与制动踏板相连；第一制动主缸的液压缸通过管路与第一二位三通电磁阀的常开端相连，第二制动主缸的液压缸通过管路与第二二位三通电磁阀的常开端相连；第三制动主缸、第四制动主缸和直线电机设在前舱壳体上部，第三制动主缸和第四制动主缸并列设在直线电机的两侧，直线电机的伸缩杆与第三制动主缸和第四制动主缸的活塞杆相连；第三制动主缸的液压缸通过管路与第一二位三通电磁阀的常闭端相连，第四制动主缸的液压缸通过管路与第二二位三通电磁阀的常闭端相连；第一二位三通电磁阀的输出端与第一三通阀相连，第一三通阀另两端分别与两前轮制动轮缸相连，第二二位三通电磁阀的输出端与第二三通阀相连，第二三通阀另两端分别与ABS泵相连，ABS泵与两后轮制动轮缸相连，主动被动制动模式皆为双回路设计，赛车在任何情况下都有制动能力；控制系统通过线路与直线电机相连，无人驾驶系统主开关通过线路与第一二位三通电磁阀和第二二位三通电磁阀相连，控制电磁阀切换开闭端口。
2.根据权利要求1所述的一种应用于无人驾驶方程式赛车的主动式制动系统，其特征在于：所述的控制系统包括电控单元ECU、第一继电器、第二继电器、第三继电器、第四继电器、第五继电器、第六继电器及DCDC转换器；电控单元ECU的正转接口分别与第一继电器和第三继电器的线圈端一端相连，反转接口分别与第二继电器和第四继电器的线圈端一端相连，EBS信号接口分别与第五继电器和第六继电器的线圈端一端相连，每个继电器的线圈端另一端连接整车低压电源com端，电控单元ECU控制继电器开闭；
第一继电器和第四继电器的开关端一端与整车低压电源端相连，第二继电器、第三继电器和第五继电器的开关端一端与整车低压电源com端相连，第六继电器的开关端一端与DCDC转换器输出端相连；第一继电器、第二继电器和第六继电器的开关端另一端与直线电机一号接口相连，第三继电器、第四继电器和第五继电器的开关端另一端与直线电机二号接口相连；DCDC转换器输入端与整车低压电源端相连；无人驾驶模式的紧急制动与车手驾驶的行车制动集成于一体。
3.根据权利要求2所述的一种应用于无人驾驶方程式赛车的主动式制动系统，其特征在于：直线电机的伸缩杆与第三制动主缸和第四制动主缸的活塞杆同向设置，直线电机的伸缩杆前端设有垂直的作用臂，作用臂两端分别与第三制动主缸和第四制动主缸的活塞杆相连，直线电机的伸缩杆回缩过程压缩第三制动主缸和第四制动主缸的液压缸建压。
4.根据权利要求1所述的一种应用于无人驾驶方程式赛车的主动式制动系统，其特征在于：第一制动主缸和第二制动主缸的下端枢接在支架前部，制动踏板下端也枢接在支架上，枢接点位于第一制动主缸和第二制动主缸后部，支架固定在赛车前舱内，制动踏板的上端与第一制动主缸和第二制动主缸的活塞杆铰接，第一制动主缸和第二制动主缸的活塞杆上套设有回位弹簧，踩动制动踏板，压缩第一制动主缸和第二制动主缸的活塞杆在液压缸内建压。
5.根据权利要求1所述的一种应用于无人驾驶方程式赛车的主动式制动系统，其特征在于：第三制动主缸和第四制动主缸的活塞杆上套设有回位弹簧。
6.根据权利要求1所述的一种应用于无人驾驶方程式赛车的主动式制动系统，其特征在于：第一制动主缸、第二制动主缸、第三制动主缸和第四制动主缸的液压缸分别与储液罐相连。
7.根据权利要求3所述的一种应用于无人驾驶方程式赛车的主动式制动系统，其特征在于：控制方法如下：
当无人驾驶系统主开关ASMS断开时，赛车处于车手驾驶模式，此时第一二位三通电磁阀和第二二位三通电磁阀的常开端与输出端接通，通过常开通路将第一制动主缸与前轮制动轮缸连通，第二制动主缸与后轮制动轮缸连通，接入制动回路，由车手通过制动踏板对第一制动主缸和第二制动主缸建压，制动液分别通过第一二位三通电磁阀和第二二位三通电磁阀的常开端及输出端进入前后轮的制动轮缸进行制动，实现车手驾驶模式下的制动功能；
当无人驾驶系统主开关ASMS闭合时，赛车处于无人驾驶模式，此时第一二位三通电磁阀和第二二位三通电磁阀的常闭端与输出端接通，将第三制动主缸与前轮制动轮缸连通，第四制动主缸与后轮制动轮缸连通，隔离第一制动主缸和第二制动主缸；当电控单元ECU发出正转信号，正转接口输出由低电平变为高电平，为第一继电器和第三继电器供电，第一继电器和第三继电器闭合，直线电机接入整车低压电源正转，伸缩杆回缩，通过作用臂压缩第三制动主缸和第四制动主缸活塞杆在液压缸建压，制动液分别通过第一二位三通电磁阀和第二二位三通电磁阀的常闭端及输出端进入前后轮的制动轮缸进行制动，实现无人驾驶模式下的行车制动；当电控单元ECU发出反转指令，反转接口输出由低电平变为高电平，为第二继电器和第四继电器供电，第二继电器和第四继电器闭合，直线电机接入整车低压电源反转，伸缩杆推出，通过作用臂拉动活塞杆释放液压力，减小无人驾驶模式下的行车制动力；当出现紧急情况时，电控单元ECU判断后发出EBS指令，EBS接口输出由低电平变为高电平，为第五继电器和第六继电器供电，此时第五继电器和第六继电器闭合，通过DCDC转换器输出高电压，直线电机接入高压快速正转，伸缩杆快速回缩，通过作用臂迅速压缩活塞在液压缸建压，使赛车紧急制动，从而实现EBS功能。
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