CN112937526B - 一种基于电子地图及模式切换的坡道制动系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电子地图及模式切换的坡道制动系统及方法，包括：电子踏板模块、电子控制单元、电子液压制动模块及云服务器模块；本发明利用车辆网技术实现集成式电子液压制动系统的模式切换控制，准确识别驾驶员的制动意图，弥补了现有集成式电子液压制动系统无法根据行车工况及时调整工作模式的问题，降低了驾驶员操作难度，提高了坡道启停、跟车等工况的安全性。

Description

一种基于电子地图及模式切换的坡道制动系统及方法

技术领域

本发明属于车联网技术领域，具体指代一种基于电子地图及模式切换的坡道制动系统及方法。

背景技术

目前，电子液压制动系统主要分为两类，一种是以蓄能器和电磁阀为主要执行机构的泵式电子液压制动系统(P-EHB)，另一种是以电机和减速机构为主要执行机构的集成式电子液压制动系统(I-EHB)。泵式电子液压制动系统主要以高压蓄能器为动力源，系统中制动液粘度等因素使得P-EHB整体制动响应呈现一定滞后，影响制动效果；在集成式电子液压制动系统中，电子控制单元识别驾驶员制动意图后，向电机控制器发出指令，电机控制器控制电机输出相应的转速和转矩，经过制动减速装置输出到制动主缸活塞杆，从而实现调整主缸制动液压力、制动，集成式电子液压制动系统中电机响应速度快，因此相比于泵式电子液压制动系统具有更好的响应速度。

然而，现有电子液压制动系统的控制方法中没有充分考虑道路状况，在不同坡度的路面上，仍然按照坡度为零的路面进行控制。这导致了坡道启停工况下驾驶员操作难度增加，并且这一因素诱发了诸多安全事故。

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基于电子地图及模式切换的坡道制动系统及方法,以解决现有技术中电子液压制动系统坡道启停工况下驾驶员操作难度大，易诱发安全事故的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种基于电子地图及模式切换的坡道制动系统，包括：电子踏板模块、电子控制单元、电子液压制动模块及云服务器模块；其中，

所述电子踏板模块包括：制动踏板、输入杆、踏板位移传感器及踏板速度传感器；所述制动踏板与输入杆机械连接；踏板位移传感器、踏板速度传感器分别安装在输入杆上，用于采集制动踏板的踏板位移及踏板速度信息，且均与电子控制单元电气连接；

所述电子液压制动模块包括：制动电机控制器、制动电机、转角传感器、制动减速装置、制动主缸及液压力传感器；所述制动电机控制器分别与制动电机、电子控制单元电气连接，制动电机、制动减速装置及制动主缸依次机械连接，制动电机输出的力依次传递到制动减速装置、制动主缸；转角传感器用于检测制动电机输出转角的大小，并与制动电机控制器电气连接；液压力传感器用于采集制动主缸实际液压力信号，并与电子控制单元电气连接；

所述云服务器模块包括：高精度电子地图、路边基站、车载接收装置；高精电子地图用于记录道路坡度信息，其存储于路边基站中；路边基站与车载接收装置之间无线通信，路边基站向车载接收装置发送道路坡度信息，且路边基站内存储的高精电子地图实时更新；车载接收装置与电子控制单元电气连接，车载接收装置将道路坡度信息发送到电子控制单元；

所述电子控制单元分别与踏板位移传感器、踏板速度传感器、制动电机控制器、车载接收装置及液压力传感器电气连接。

进一步地，所述电子液压制动模块中的制动减速装置采用行星齿轮减速机构。

进一步地，所述电子控制单元具体包括：

接收踏板位移传感器、踏板速度传感器的踏板位移与踏板速度信息，车载接收装置的道路坡度信息，及液压力传感器采集的制动主缸实际液压力信号；

根据上述接收到的道路坡度信息、踏板位移信息与踏板速度信息识别驾驶员制动意图，即计算制动主缸目标液压力；

根据接收到的制动主缸实际液压力信号，计算制动主缸目标液压力与制动主缸实际液压力之间的液压力差值，并将液压力差值发送到制动电机控制器。

进一步地，所述制动电机控制器接收到电子控制单元发送的液压力差值，计算制动电机目标转角；所述制动电机控制器接收转角传感器采集的制动电机实际转角信号，设计PID控制器，实现制动电机转角的闭环控制。

本发明的一种基于电子地图及模式切换的坡道制动系统的控制方法，包括步骤如下：

1)通过制动踏板向输入杆输入踏板位移和踏板速度，踏板位移传感器和踏板速度传感器实时采集踏板位移信息和踏板速度信息；

2)云服务器模块通过路边基站，将高精电子地图中记录的道路坡度信息发送到车载接收装置；

3)电子控制单元根据接收到的道路坡度信息、踏板位移信息和踏板速度信息识别驾驶员的制动意图，即计算制动主缸目标液压力；

4)电子控制单元根据接收到的制动主缸实际液压力信号，计算制动主缸目标液压力与制动主缸实际液压力之间的液压力差值，并将液压力差值发送到制动电机控制器；

5)制动电机控制器根据接收到的液压力差值计算制动电机目标转角及接收转角传感器采集的制动电机实际转角信号，设计PID控制器，实现制动电机转角的闭环控制。

进一步地，所述步骤3)中制动主缸目标液压力的计算表达式为：

式中，P_final为制动主缸目标液压力，X_TB为踏板位移，

为踏板位移对时间的导数，即踏板速度，X_TB0表示制动间隙，V_TB为踏板速度影响因子，用于表示踏板速度对制动主缸目标液压力的影响，θ为道路坡度，k₁，k₂，k₃，k₄，k₅，k₆，b₅为待定常数，均可通过实验测试标定；式中共有两个模式切换系数表达式：

z(V_TB)＝k₁|V_TB|+1

z(θ)＝k₄(arctan(k₆θ))²+k₅arctan(k₆θ)+b₅

式中，z(V_TB)表示踏板速度模式切换系数，z(θ)表示道路坡度模式切换系数。

进一步地，所述步骤4)中液压力差值e_p的计算表达式为：

e_p＝P_final-P_real

式中，P_real为液压力传感器测得的制动主缸实际液压力。

进一步地，所述步骤5)中设计PID控制器实现制动电机转角闭环控制方法为：

51)制动电机目标转角的计算表达式为：

式中，α_final表示制动电机目标转角，i表示制动减速装置的传动比，l为制动减速装置中长螺母的螺距，K为制动主缸中制动液压缩系数，V₀为制动主缸制动液体始体积，A表示制动主缸缸径；

52)设计PID控制器实现制动电机转角闭环控制中，第一步求解制动电机目标转角与实际转角之间的差值，第二步设计PID控制器，两个步骤的表达式为：

e_α＝α_final-α_real

式中，e_α表示制动电机目标转角与制动电机实际转角之间的差值，α_real表示转角传感器测得的制动电机实际转角，u_α表示所涉及控制器的输出量，K_pα为比例系数，T_I为微分常数，T_D为积分常数，u_α0为控制常量。

本发明的有益效果：

本发明利用车辆网技术实现集成式电子液压制动系统的模式切换控制，准确识别驾驶员的制动意图，弥补了现有集成式电子液压制动系统无法根据行车工况及时调整工作模式的问题，降低了驾驶员操作难度，提高了坡道启停、跟车等工况的安全性。

附图说明

图1为本发明系统的结构图；

图2为本发明系统的原理图；

图3为本发明方法的流程图；

图中：电子踏板模块-A；电子液压制动模块-B；云端服务器模块-C；制动踏板-11；输入杆-12；踏板位移传感器-13；踏板速度传感器-14；电子控制单元-20；制动电机控制器-31；制动电机-32；转角传感器-33；制动减速装置-34；制动主缸-35；液压力传感器-36；高精电子地图-41；路边基站-42；车载接收装置-43。

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、图2所示，本发明的一种基于电子地图及模式切换的坡道制动系统，包括：电子踏板模块、电子控制单元、电子液压制动模块及云服务器模块；其中，

所述电子踏板模块A包括：制动踏板11、输入杆12、踏板位移传感器13及踏板速度传感器14；所述制动踏板11与输入杆12机械连接；踏板位移传感器13、踏板速度传感器14分别安装在输入杆12上，用于采集制动踏板的踏板位移及踏板速度信息，且均与电子控制单元20电气连接；

所述电子液压制动模块B包括：制动电机控制器31、制动电机32、转角传感器33、制动减速装置34、制动主缸35及液压力传感器36；所述制动电机控制器31分别与制动电机32、电子控制单元20电气连接，制动电机32、制动减速装置34及制动主缸35依次机械连接，制动电机32输出的力依次传递到制动减速装置34、制动主缸35；转角传感器33用于检测制动电机32输出转角的大小，并与制动电机控制器31电气连接，设计PID控制器，实现制动电机31的转角闭环控制；液压力传感器36用于采集制动主缸35实际液压力信号，并与电子控制单元20电气连接；

所述电子液压制动模块34中的制动减速装置采用行星齿轮减速机构。

所述云服务器模块C包括：高精度电子地图41、路边基站42、车载接收装置43；高精电子地图41用于记录道路坡度信息，其存储于路边基站42中；路边基站42与车载接收装置43之间无线通信，路边基站42向车载接收装置43发送道路坡度信息，且路边基站42内存储的高精电子地图实时更新；车载接收装置43与电子控制单元20电气连接，车载接收装置43将道路坡度信息发送到电子控制单元20；

所述电子控制单元20分别与踏板位移传感器13、踏板速度传感器14、制动电机控制器31、车载接收装置34及液压力传感器36电气连接。

所述电子控制单元具体包括：

接收踏板位移传感器、踏板速度传感器的踏板位移与踏板速度信息，车载接收装置的道路坡度信息，及液压力传感器采集的制动主缸实际液压力信号；

根据上述接收到的道路坡度信息、踏板位移信息与踏板速度信息识别驾驶员制动意图，即计算制动主缸目标液压力；

根据接收到的制动主缸实际液压力信号，计算制动主缸目标液压力与制动主缸实际液压力之间的液压力差值，并将液压力差值发送到制动电机控制器。

其中，所述制动电机控制器接收到电子控制单元发送的液压力差值，计算制动电机目标转角；所述制动电机控制器接收转角传感器采集的制动电机实际转角信号，设计PID控制器，实现制动电机转角的闭环控制。

参照图3所示，本发明的一种基于电子地图及模式切换的坡道制动系统的控制方法，包括步骤如下：

1)通过制动踏板向输入杆输入踏板位移和踏板速度，踏板位移传感器和踏板速度传感器实时采集踏板位移信息和踏板速度信息；

2)云服务器模块通过路边基站，将高精电子地图中记录的道路坡度信息发送到车载接收装置；

3)电子控制单元根据接收到的道路坡度信息、踏板位移信息和踏板速度信息识别驾驶员的制动意图，即计算制动主缸目标液压力；

制动主缸目标液压力的计算表达式为：

式中，P_final为制动主缸目标液压力，X_TB为踏板位移，

为踏板位移对时间的导数，即踏板速度，X_TB0表示制动间隙，V_TB为踏板速度影响因子，用于表示踏板速度对制动主缸目标液压力的影响，θ为道路坡度，k₁，k₂，k₃，k₄，k₅，k₆，b₅为待定常数，均可通过实验测试标定；式中共有两个模式切换系数表达式：

z(V_TB)＝k₁|V_TB|+1

z(θ)＝k₄(arctan(k₆θ))²+k₅arctan(k₆θ)+b₅

式中，z(V_TB)表示踏板速度模式切换系数，z(θ)表示道路坡度模式切换系数。

4)电子控制单元根据接收到的制动主缸实际液压力信号，计算制动主缸目标液压力与制动主缸实际液压力之间的液压力差值，并将液压力差值发送到制动电机控制器；

液压力差值e_p的计算表达式为：

e_p＝P_final-P_real

式中，P_real为液压力传感器测得的制动主缸实际液压力。

5)制动电机控制器根据接收到的液压力差值计算制动电机目标转角及接收转角传感器采集的制动电机实际转角信号，设计PID控制器，实现制动电机转角的闭环控制。

设计PID控制器实现制动电机转角闭环控制方法为：

51)制动电机目标转角的计算表达式为：

式中，α_final表示制动电机目标转角，i表示制动减速装置的传动比，l为制动减速装置中长螺母的螺距，K为制动主缸中制动液压缩系数，V₀为制动主缸制动液体始体积，A表示制动主缸缸径；

52)设计PID控制器，制动电机转角闭环控制中，第一步求解制动电机目标转角与实际转角之间的差值，第二步设计PID控制器，两个步骤的表达式为：

e_α＝α_final-α_real

式中，e_α表示制动电机目标转角与制动电机实际转角之间的差值，α_real表示转角传感器测得的制动电机实际转角，u_α表示所涉及控制器的输出量，K_pα为比例系数，T_I为微分常数，T_D为积分常数，u_α0为控制常量。

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 (3)

1.一种基于电子地图及模式切换的坡道制动系统的控制方法，基于电子地图及模式切换的坡道制动系统包括：电子踏板模块、电子控制单元、电子液压制动模块及云服务器模块；

所述电子踏板模块包括：制动踏板、输入杆、踏板位移传感器及踏板速度传感器；所述制动踏板与输入杆机械连接；踏板位移传感器、踏板速度传感器分别安装在输入杆上，用于采集制动踏板的踏板位移及踏板速度信息，且均与电子控制单元电气连接；

所述电子液压制动模块包括：制动电机控制器、制动电机、转角传感器、制动减速装置、制动主缸及液压力传感器；所述制动电机控制器分别与制动电机、电子控制单元电气连接，制动电机、制动减速装置及制动主缸依次机械连接，制动电机输出的力依次传递到制动减速装置、制动主缸；转角传感器用于检测制动电机输出转角的大小，并与制动电机控制器电气连接；液压力传感器用于采集制动主缸实际液压力信号，并与电子控制单元电气连接；

所述云服务器模块包括：高精度电子地图、路边基站、车载接收装置；高精电子地图用于记录道路坡度信息，其存储于路边基站中；路边基站与车载接收装置之间无线通信，路边基站向车载接收装置发送道路坡度信息，且路边基站内存储的高精电子地图实时更新；车载接收装置与电子控制单元电气连接，车载接收装置将道路坡度信息发送到电子控制单元；

所述电子控制单元分别与踏板位移传感器、踏板速度传感器、制动电机控制器、车载接收装置及液压力传感器电气连接；

所述电子控制单元具体包括：

接收踏板位移传感器、踏板速度传感器的踏板位移与踏板速度信息，车载接收装置的道路坡度信息，及液压力传感器采集的制动主缸实际液压力信号；

根据上述接收到的道路坡度信息、踏板位移信息与踏板速度信息识别驾驶员制动意图，即计算制动主缸目标液压力；

根据接收到的制动主缸实际液压力信号，计算制动主缸目标液压力与制动主缸实际液压力之间的液压力差值，并将液压力差值发送到制动电机控制器；

所述制动电机控制器接收到电子控制单元发送的液压力差值，计算制动电机目标转角；所述制动电机控制器接收转角传感器采集的制动电机实际转角信号，设计PID控制器，实现制动电机转角的闭环控制；其特征在于，包括步骤如下：

1)通过制动踏板向输入杆输入踏板位移和踏板速度，踏板位移传感器和踏板速度传感器实时采集踏板位移信息和踏板速度信息；

2)云服务器模块通过路边基站，将高精电子地图中记录的道路坡度信息发送到车载接收装置；

3)电子控制单元根据接收到的道路坡度信息、踏板位移信息和踏板速度信息识别驾驶员的制动意图，即计算制动主缸目标液压力；

4)电子控制单元根据接收到的制动主缸实际液压力信号，计算制动主缸目标液压力与制动主缸实际液压力之间的液压力差值，并将液压力差值发送到制动电机控制器；

5)制动电机控制器根据接收到的液压力差值计算制动电机目标转角及接收转角传感器采集的制动电机实际转角信号，设计PID控制器，实现制动电机转角的闭环控制；

所述步骤3)中制动主缸目标液压力的计算表达式为：

式中，P_final为制动主缸目标液压力，X_TB为踏板位移，

为踏板位移对时间的导数，即踏板速度，X_TB0表示制动间隙，V_TB为踏板速度影响因子，用于表示踏板速度对制动主缸目标液压力的影响，θ为道路坡度，k₁，k₂，k₃，k₄，k₅，k₆，b₅为待定常数，均可通过实验测试标定；式中共有两个模式切换系数表达式：

z(V_TB)＝k₁|V_TB|+1

z(θ)＝k₄(arctan(k₆θ))²+k₅arctan(k₆θ)+b₅

式中，z(V_TB)表示踏板速度模式切换系数，z(θ)表示道路坡度模式切换系数。

2.根据权利要求1所述的基于电子地图及模式切换的坡道制动系统的控制方法，其特征在于，所述步骤4)中液压力差值e_p的计算表达式为：

e_p＝P_final-P_real

式中，P_real为液压力传感器测得的制动主缸实际液压力。

3.根据权利要求1所述的基于电子地图及模式切换的坡道制动系统的控制方法，其特征在于，所述步骤5)中设计PID控制器实现制动电机转角闭环控制方法为：

51)制动电机目标转角的计算表达式为：

式中，α_final表示制动电机目标转角，i表示制动减速装置的传动比，l为制动减速装置中长螺母的螺距，K为制动主缸中制动液压缩系数，V₀为制动主缸制动液体始体积，A表示制动主缸缸径；

52)设计PID控制器实现制动电机转角闭环控制中，第一步求解制动电机目标转角与实际转角之间的差值，第二步设计PID控制器，两个步骤的表达式为：

e_α＝α_final-α_real

式中，e_α表示制动电机目标转角与制动电机实际转角之间的差值，α_real表示转角传感器测得的制动电机实际转角，u_α表示所涉及控制器的输出量，K_pα为比例系数，T_I为微分常数，T_D为积分常数，u_α0为控制常量。

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