CN112356817B - 一种具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统，包括：储液罐；制动主缸，其与所述储液罐相连接；主电机，其与所述制动主缸的主缸推杆相连接，用于所述制动主缸的压力调节；备份建压缸，其与所述储液罐相连接；备份电机，其与所述备份建压缸的活塞相连接，用于驱动所述备份建压缸的活塞运动；ESC执行模块，其可选择的与所述制动主缸或者备份建压缸相连接，用于控制制动轮缸的压力。本发明还公开了一种具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统的控制方法，根据车辆状态参数控制主电机或者备份电机的状态参数以实现期望的制动效果，为具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统提供了完整的控制策略。

Description

一种具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及无人驾驶汽车制动系统技术领域，更具体的是，本发明涉及一种具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统及其控制方法。

背景技术

随着汽车数量的不断增加，由它引起的城市交通问题也日益严重，譬如：交通拥堵、交通事故和交通污染等，上述问题的根本解决方案是实现车辆的无人驾驶。无人驾驶车辆集图像处理、人工智能、自动控制等众多技术为一体来实现自主导航，对于改善城市道路交通系统的安全性、可靠性，提高通勤效率，减少城市环境污染等都将起到很大的帮助作用，在城市交通和道路安保方面具有非常广阔的发展前景。

无人驾驶车辆主要包括环境感知、定位导航、路径规划和决策控制等关键技术。保证车辆行驶安全性的前提是实现对无人驾驶车辆快速、精确、稳定的运动控制，其中无人驾驶汽车制动系统与行驶安全性、车辆稳定性控制、自动泊车技术、自适应巡航技术等密切相关，是无人驾驶技术领域中的关键技术。

在L3级(包括L3)自动驾驶技术之前，制动系统发生故障后进入备份(back-up)模式，并要求驾驶员接管车辆，驾驶员实际上成为了辅助驾驶功能最可靠的后备。到达无人驾驶阶段后，制动系统失效后的车辆状态由车辆控制系统负责，此时原本由驾驶员接管并完成的动作，必须全部由车辆完成，这对无人驾驶汽车制动系统的安全性和可靠性提出了很高的要求。

发明内容

本发明设计开发了一种具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统，取消制动踏板及踏板感觉模拟器等与驾驶员有关的部件，主电机经运动转换装置直接驱动制动主缸建压，当主电机失效时，通过控制两位三通电磁阀，将系统切入备份制动模式，实现制动功能，提高了无人驾驶汽车的安全性和可靠性。

本发明设计开发了一种具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统的控制方法，根据车辆状态参数控制主电机或者备份电机的状态参数以实现期望的制动效果，为具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统提供了完整的控制策略。

本发明提供的技术方案为：

一种具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统，包括：

储液罐；以及

制动主缸，其与所述储液罐相连接；

主电机，其与所述制动主缸的主缸推杆相连接，用于所述制动主缸的压力调节；

备份建压缸，其与所述储液罐相连接；

备份电机，其与所述备份建压缸的活塞相连接，用于驱动所述备份建压缸的活塞运动；

ESC执行模块，其可选择的与所述制动主缸或者备份建压缸相连接，用于控制制动轮缸的压力。

优选的是，还包括：

滚珠丝杠结构，其与所述主缸推杆相连接；

齿轮副从动齿轮，其固定套设在所述滚珠丝杠结构的外侧；

齿轮副主动齿轮，其与所述主电机相连接，且所述齿轮副主动齿轮与所述齿轮副从动齿轮相啮合。

优选的是，所述制动主缸包括：

第一活塞，其与所述主动推杆相连接；

第二活塞，其与所述第一活塞之间形成第一工作腔，所述第二活塞与所述制动主缸的后壁之间形成第二工作腔；

第一回位弹簧，其设置在所述第一工作腔内；

第二回位弹簧，其设置在所述第二工作腔内；

其中，所述第一工作腔与第二工作腔均与所述储液罐相连接。

优选的是，还包括：

第一液压管路，其一端与所述第一工作腔相连接；

第二液压管路，其一端与所述第二工作腔相连接；

第三液压管路，其一端与所述储液罐相连接，另一端与所述备份建压缸相连接。

优选的是，所述ESC执行模块包括：

第一电磁阀，其可选择的与所述第一液压管路的另一端和备份建压缸相连接；

第二电磁阀，其可选择的与所述第二液压管路的另一端和备份建压缸相连接。

优选的是，还包括：

第一转速传感器，其设置在所述主电机上，用于检测所述主电机的转速；

第一液压力传感器，其设置在所述第一液压管路上，

第二液压力传感器，其设置在所述第二液压管路上；

第三液压力传感器，其设置在所述第三液压管路上；

车辆运动信息采集模块，其设置在车辆的车身上，用于检测安全距离和车辆速度；

第二转速传感器，其设置在所述备份电机上，用于检测所述备份电机的转速；

主缸推杆位移传感器，其设置在所述主缸推杆上，用于检测所述主缸推杆的位移；

电控单元，其与所述主电机、备份电机、第一转速传感器、第一液压力传感器、第二液压力传感器、第三液压力传感器、车辆运动信息采集模块、主缸推杆位移传感器和第二转速传感器相连接，用于控制所述主电机的工作状态、备份电机的工作状态、发送和/或接收信号。

一种具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统的控制方法，使用所述的具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统，包括如下步骤：

步骤一、采集车辆在一个周期内的实际车速信号、安全距离信号和主电机的转速信号，且所述实际车速信号不为零；

步骤二、通过电控单元判断主电机是否工作正常：

若主电机工作正常，则通过制动主缸进行制动；

若主电机工作异常，则通过第一电磁阀和第二电磁阀使备份电机和备份建压缸接入制动回路，通过所述备份电机和备份建压缸进行制动；

步骤三、通过所述实际车速信号和安全距离信号获得期望制动压力、期望制动推杆位移和电机期望电流；

其中，所述期望制动压力满足：

式中，p^*为期望制动压力，f_a-p(p)为制动系统中制动减速度与制动主缸或者备份建压缸的压力的关系函数，a为制动减速度，p为制动主缸或者备份建压缸的压力，

为期望制动减速度；

所述期望制动推杆位移满足：

式中，y^*为期望制动推杆位移，f_p-y(y)为制动系统中制动主缸或者备份建压缸的压力与其各自的制动推杆位移的关系函数，y为实际制动推杆位移；

所述电机期望电流满足：

式中，i^*为电机期望电流，

为位置调节控制率，

为速度调节控制率，

为误差积分控制率；

步骤四、根据电机期望电流、电机实际励磁轴电流、实际转矩轴电流和实际转速产生期望的PWM信号，控制所述主电机或者备份电机的运动；

步骤五、当车辆的实际车速为零且不在坡道上，并在设定时间段内保持不变时，判断车辆进入静止状态，所述制动主缸第一活塞和第二活塞回位，所述备份电机反转使所述备份建压缸的活塞回位，制动结束。

优选的是，所述周期为20ms；

所述步骤二中电机是否工作正常的判断标准为：

在五个周期内，所述制动主缸的实际制动压力与期望制动压力的误差小于等于20％时，所述主电机工作正常，否则所述主电机工作异常；

所述步骤五中的设定时间段为0.5s。

优选的是，所述期望制动减速度满足：

式中，n_b为安全系数，且n_b＞1，a_b为制动减速度；

其中，所述制动减速度满足：

式中，u_a0为实际车速信号，s为安全距离信号，τ′₂为消除制动器间隙所需时间，τ″₂为制动器制动力增长所需时间。

优选的是，所述电机期望电流通过PID控制算法得出，其中，所述位置调节控制率满足：

式中，K_p1为比例项增益，K_i1为积分项增益，K_d1为微分项增益，T为一个采集周期，Δy为制动推杆的位置偏差；

其中，所述制动推杆的位置偏差满足：

Δy＝y^*-y；

式中，Δy为制动推杆的位置偏差；

所述速度调节控制率满足：

式中，K_p2为比例项增益，K_i2为积分项增益，K_d2为微分项增益，Δy′为制动推杆的速度偏差；

其中，所述制动推杆的速度偏差满足：

Δy′＝y^*′-y′；

式中，Δy′为制动推杆的速度偏差，y^*′为期望制动推杆速度，y′为实际制动推杆速度；

所述误差积分控制率满足：

式中，K_i3为积分项增益。

本发明所述的有益效果：

(1)本发明提供的一种具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统，取消制动踏板及踏板感觉模拟器等与驾驶员有关的部件，完全面向无人驾驶，并且能够在无人驾驶汽车行驶过程中，当制动电机突然工作异常甚至失效时，给制动回路中的电磁阀通电，使制动主缸与制动回路断开，并将备份电机及备份建压缸接入制动回路中，即切入备份模式，实现制动功能，提高了无人驾驶汽车的安全性和可靠性。

(2)本发明提供的一种具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统，可以将电机与传动机构总成、制动主缸总成、液压控制单元和备份制动总成集成为一体式结构，减少系统的复杂程度，增加汽车底盘的布置空间，有利于汽车模块化地发展。

(3)本发明提供的一种具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统，其建压响应迅速、压力控制精度高，能够充分发挥电动汽车再生制动能力。

(4)本发明提供的一种具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统，可以有效集成电子稳定程序(ESP)、自适应巡航控制(ACC)、自动泊车技术(AP)等主动控制技术，实现车辆的智能化控制。

(5)本发明提供了一种具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统的控制方法，根据车辆运动信息采集模块采集的实际车速和安全距离信息，计算出车辆所需要的制动减速度、期望主缸推杆位移和电机期望电流等，然后控制电机以实现期望的制动效果，上述控制策略同样适用于备份模式下的制动，并且还包含备份模式切换判断和车辆运动状态判断；上述方法为具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统提供了完整的控制策略。

附图说明

图1为本发明所述的具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统的结构示意图。

图2为本发明所述的具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统的控制策略架构简图。

图3为本发明所述的具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明提供了一种具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统，如图1所示，具体包括：主电机111、齿轮副主动齿轮112、齿轮副从动齿轮113、滚珠丝杠的螺母114、滚珠115、滚珠丝杠的螺杆116、主缸推杆117、制动主缸121、储液罐131、第一液压管路132、第二液压管路133、第三液压管路134、单向阀135、ESC执行模块140、左后轮154、右前轮153、右后轮152、左前轮151、备份电机161、第三工作腔162、备份缸活塞163和备份建压缸164。

其中，主电机111与所述齿轮副主动齿轮112相连接，用于带动所述齿轮副主动齿轮112的转动，所述齿轮副主动齿轮112与所述齿轮副从动齿轮113啮合传动，所述齿轮副从动齿轮113固定套设在滚珠丝杠的螺母114上，通过滚珠115将旋转运动转化为滚珠丝杠的螺杆116的直线运动，所述滚珠丝杠的螺杆116与所述主缸推杆117的一端相连接，用于实现制动主缸121的压力调节。

所述制动主缸121包括第一活塞122、第一回位弹簧123、第一工作腔124、第二回位弹簧125、第二活塞126和第二工作腔127，所述第一活塞122与所述主动推杆117的另一端相连接；所述滚珠丝杠的螺杆116推动主缸推杆117，主缸推杆117推动第一活塞122实现制动主缸121液压力的调节；第二活塞126与所述第一活塞122之间形成第一工作腔124，所述第二活塞126与所述制动主缸121的后壁之间形成第二工作腔127；第一回位弹簧123设置在所述第一工作腔124内；第二回位弹簧125设置在所述第二工作腔127内；所述第一工作腔124与第二工作腔127均通过液压管路与所述储液罐131相连接。

所述ESC执行模块140还包括第一电磁阀141和第二电磁阀142，作为优选的是，所述第一电磁阀141和第二电磁阀142均为两位三通电磁阀；所述ESC执行模块140与所述车辆的制动轮缸、左后轮154、右前轮153、右后轮152和左前轮151相连接，实现制动轮缸压力的精确控制。

所述第一工作腔124通过第一液压管路132与所述第一电磁阀141相连接，所述第二工作腔127通过第二液压管路133与所述第二电磁阀142相连接，所述第一电磁阀141和第二电磁阀142可选择的使所述第一液压管路132和第二液压管路133连通或者断开。

所述备份电机161与所述备份建压缸164的推杆相连接，用于备份建压缸164的推杆的移动，备份建压缸164内为第三工作腔162，备份建压缸164的推杆与所述备份缸活塞163相连接，所述备份缸活塞163设置在所述第三工作腔162内，通过备份电机的驱动建压；所述第三工作腔162通过第三液压管路134与所述储液罐131相连接，并且在所述第三液压管路上设置有单向阀135，所述第三工作腔162通过液压管路分别与所述第一电磁阀141和第二电磁阀142相连接，所述第一电磁阀141和第二电磁阀142可选择的将所述制动主缸121或者备份建压缸164接入制动管路中。

所述制动系统中还包括：第一转速传感器181、第一液压力传感器184、第二液压力传感器185、第三液压力传感器183、车辆运动信息采集模块(图中为示出)、第二转速传感器182、主缸推杆位移传感器186和电控单元170，其中，所述第一转速传感器181设置在所述主电机111上，用于检测所述主电机111的转速；第一液压力传感器184设置在所述第一液压管路132上；第二液压力传感器185设置在所述第二液压管路133上；第三液压力传感器183设置在所述第三液压管路134上；车辆运动信息采集模块，其设置在车辆的车身上，用于检测安全距离信号S1和实际车速信号S2；第二转速传感器182设置在所述备份电机161上，用于检测所述备份电机161的转速；主缸推杆位移传感器186设置在所述主缸推杆117上，用于检测所述主缸推杆117的位移；电控单元170与所述主电机111、备份电机161、第一转速传感器181、第一液压力传感器184、第二液压力传感器185、第三液压力传感器183、车辆运动信息采集模块、主缸推杆位移传感器186和第二转速传感器182相连接，用于控制所述主电机111的工作状态、备份电机161的工作状态、发送和/或接收信号和第一电磁阀141和第二电磁阀142的状态。

本发明提供的一种具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统，能够在无人驾驶汽车行驶过程中，当制动电机突然工作异常甚至失效时，给制动回路中的电磁阀通电，使制动主缸与制动回路断开，并将备份电机及备份建压缸接入制动回路中，即切入备份模式，实现制动功能，提高了无人驾驶汽车的安全性和可靠性。

本发明还提供一种具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统的控制方法，使用所述的具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统，如图2、图3所示，包括如下步骤：

步骤一、采集车辆在一个周期内的实际车速信号、安全距离信号和主电机的转速信号，且所述实际车速信号不为零；

其中，所述周期为20ms；

步骤二、通过电控单元判断主电机是否工作正常：

若主电机工作正常，则通过制动主缸进行制动；

若主电机工作异常，则通过所述第一电磁阀和第二电磁阀使备份电机和备份建压缸接入制动回路，通过所述备份电机和备份建压缸进行制动；

其中，所述主电机是否工作正常的判断标准为：

在五个周期内，所述制动主缸的实际制动压力与期望制动压力的误差小于等于20％时，所述主电机工作正常，否则所述主电机工作异常；

步骤三、通过所述实际车速信号和安全距离信号获得期望制动压力、期望制动推杆位移和电机期望电流；

其中，所述期望制动压力满足：

式中，p^*为期望制动压力，f_a-p(p)为制动系统中制动减速度与制动主缸或者备份建压缸的压力的关系函数，a为制动减速度，p为制动主缸或者备份建压缸的压力，

为期望制动减速度；

所述期望制动减速度满足：

式中，n_b为安全系数，且n_b＞1，a_b为制动减速度；

其中，所述制动减速度满足：

式中，u_a0为实际车速信号，s为安全距离信号，τ′₂为消除制动器间隙所需时间，τ″₂为制动器制动力增长所需时间；

所述制动系统中制动减速度与制动主缸或者备份建压缸的压力的关系函数通过如下过程得到：

对于同一套制动系统，可以通过大量试验的方式，标定制动主缸或者备份建压缸的压力与制动减速度的关系曲线，通过滤波等数据处理后，拟合其中最具代表性的关系曲线，即得到该制动系统中制动主缸或者备份建压缸的压力与制动减速度的关系函数。

所述期望制动推杆位移满足：

式中，y^*为期望制动推杆位移，f_p-y(y)为制动系统中制动主缸或者备份建压缸的压力与其各自的制动推杆位移的关系函数，y为实际制动推杆位移；

所述制动系统中制动主缸或者备份建压缸的压力与制动推杆位移的关系函数可以通过如下过程得到：

对于同一套制动系统，可以通过大量试验的方式，标定其制动系统中制动主缸或者备份建压缸的压力与其各自推杆位移的关系曲线，通过滤波等数据处理后，拟合其中最具代表性的关系曲线，即得到该制动系统中主缸压力与主缸推杆位移的关系函数。

根据期望制动推杆位移和实际制动推杆位移，通过PID控制算法，计算电机期望电流，具体包括如下步骤：

步骤1、制动推杆位置控制：

其中，制动推杆位置偏差满足：

Δy＝y^*-y；

式中，Δy为制动推杆的位置偏差；

根据PID算法公式可知,制动推杆的位置调节控制率满足：

式中，K_p1为比例项增益，K_i1为积分项增益，K_d1为微分项增益，T为一个采集周期，Δy为制动推杆的位置偏差；

步骤2、制动推杆速度控制：

其中，制动推杆速度偏差满足：

Δy′＝y^*′-y′；

式中，Δy′为制动推杆速度偏差，y^*′为期望制动推杆速度，y′为实际制动推杆速度；

根据PID算法公式可知,制动推杆的速度调节控制率满足：

式中，K_p2为比例项增益，K_i2为积分项增益，K_d2为微分项增益，Δy′为制动推杆的速度偏差；

步骤3、为了消除制动推杆位置控制和速度控制所出现的跟随误差，添加误差积分控制率满足：

式中，K_i3为积分项增益；

最后，得到电机期望电流为：

式中，i^*为电机期望电流，

为位置调节控制率，

为速度调节控制率，

为误差积分控制率；

步骤四、根据电机期望电流、电机实际励磁轴电流、实际转矩轴电流和实际转速产生期望的PWM信号，控制所述主电机或者备份电机的运动；

其中，控制电机的运动具体主要涉及弱磁控制、电机电流控制、数学变换和SVPWM转换等内容。

步骤五、当车辆的实际车速为零，并在设定时间段内保持不变，判断车辆进入静止状态，所述制动主缸第一活塞和第二活塞回位，所述备份电机反转使所述备份建压缸的活塞回位，制动结束。

其中，所述设定时间段为0.5s，即在25个周期内。

本发明提供了一种具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统的控制方法，根据车辆运动信息采集模块采集的实际车速和安全距离信息，计算出车辆所需要的制动减速度、期望主缸推杆位移和电机期望电流等，然后控制电机以实现期望的制动效果，上述控制策略同样适用于备份模式下的制动，并且还包含备份模式切换判断和车辆运动状态判断；上述方法为具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统提供了完整的控制策略，具有很高的参考价值。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (3)

1.一种具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统的控制方法，使用具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、采集车辆在一个周期内的实际车速信号、安全距离信号和主电机的转速信号，且所述实际车速信号不为零；

步骤二、通过电控单元判断主电机是否工作正常：

若主电机工作正常，则通过制动主缸进行制动；

若主电机工作异常，则通过第一电磁阀和第二电磁阀使备份电机和备份建压缸接入制动回路，通过所述备份电机和备份建压缸进行制动；

步骤三、通过所述实际车速信号和安全距离信号获得期望制动压力、期望制动推杆位移和电机期望电流；

其中，所述期望制动压力满足：

式中，p^*为期望制动压力，f_a-p(p)为制动系统中制动减速度与制动主缸或者备份建压缸的压力的关系函数，a为制动减速度，p为制动主缸或者备份建压缸的压力，

为期望制动减速度；

所述期望制动减速度满足：

式中，n_b为安全系数，且n_b＞1，a_b为制动减速度；

其中，所述制动减速度满足：

式中，u_a0为实际车速信号，s为安全距离信号，τ′₂为消除制动器间隙所需时间，τ″₂为制动器制动力增长所需时间；

所述期望制动推杆位移满足：

式中，y^*为期望制动推杆位移，f_p-y(y)为制动系统中制动主缸或者备份建压缸的压力与其各自的制动推杆位移的关系函数，y为实际制动推杆位移；

所述电机期望电流满足：

式中，i^*为电机期望电流，

为位置调节控制率，

为速度调节控制率，

为误差积分控制率；

步骤四、根据电机期望电流、电机实际励磁轴电流、实际转矩轴电流和实际转速产生期望的PWM信号，控制所述主电机或者备份电机的运动；

步骤五、当车辆的实际车速为零且不在坡道上，并在设定时间段内保持不变时，判断车辆进入静止状态，所述制动主缸第一活塞和第二活塞回位，所述备份电机反转使所述备份建压缸的活塞回位，制动结束；

其中，所述具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统包括：

储液罐；以及

制动主缸，其与所述储液罐相连接；

主电机，其与所述制动主缸的主缸推杆相连接，用于所述制动主缸的压力调节；

备份建压缸，其与所述储液罐相连接；

备份电机，其与所述备份建压缸的活塞相连接，用于驱动所述备份建压缸的活塞运动；

ESC执行模块，其可选择的与所述制动主缸或者备份建压缸相连接，用于控制制动轮缸的压力。

2.如权利要求1所述的具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统的控制方法，其特征在于，所述周期为20ms；

所述步骤二中电机是否工作正常的判断标准为：

在五个周期内，所述制动主缸的实际制动压力与期望制动压力的误差小于等于20％时，所述主电机工作正常，否则所述主电机工作异常；

所述步骤五中的设定时间段为0.5s。

3.如权利要求2所述的具有备份模式的无人驾驶汽车制动系统的控制方法，其特征在于，所述电机期望电流通过PID控制算法得出，其中，所述位置调节控制率满足：

式中，K_p1为比例项增益，K_i1为积分项增益，K_d1为微分项增益，T为一个采集周期，Δy为制动推杆的位置偏差；

其中，所述制动推杆的位置偏差满足：

Δy＝y^*-y；

式中，Δy为制动推杆的位置偏差；

所述速度调节控制率满足：

式中，K_p2为比例项增益，K_i2为积分项增益，K_d2为微分项增益，Δy′为制动推杆的速度偏差；

其中，所述制动推杆的速度偏差满足：

Δy′＝y^*′-y′；

式中，Δy′为制动推杆的速度偏差，y^*′为期望制动推杆速度，y′为实际制动推杆速度；

所述误差积分控制率满足：

式中，K_i3为积分项增益。

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