CN115352418A - 一种无人驾驶方程式赛车的制动系统及方法 - Google Patents

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田迪
许琳
岳佳豪
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Abstract

本发明公开了一种无人驾驶方程式赛车的制动系统及方法，包括踏板、电控液压泵、第一制动主缸、第二制动主缸、每个轮胎上的制动卡钳和设置在赛车前端的激光雷达；电控液压泵包括两条回路，两条回路出口分别连接有两条液压管路，第一液压管路与前轮两个轮胎上的制动卡钳均连接，第二液压管路与后轮两个轮胎上的制动卡钳均连接，第一制动主缸和第二制动主缸的输出端分别连接电控液压泵的两条回路入口，第一制动主缸和第二制动主缸的输入端均设置有电机，踏板上设置有踏板力传感器；激光雷达和踏板力传感器连接有控制模块，控制模块与电控液压泵和电机连接。可靠性好，中间环节少、系统响应快，并且同时实现人工和自动制动的方式。

Description

一种无人驾驶方程式赛车的制动系统及方法
技术领域
本发明属于无人驾驶领域，涉及一种无人驾驶方程式赛车的制动系统及方法。
背景技术
中国大学生方程式汽车大赛是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的方程式赛车设计与制造比赛，无人驾驶方程式汽车大赛开始于2017年。目前，大学生无人驾驶方程式赛车主要采取的主动制动方式为通过拉线或推杆产生的机械能推动制动踏板，从机械能转化为液压，从而完成制动。
但采用拉线式或推杆式，安装布置复杂、操作复杂、维修不便、可靠性差。而且拉线具有一定的弹性，所以会导致制动系统响应慢且存在较大的稳态误差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种无人驾驶方程式赛车的制动系统及方法，可靠性好，中间环节少、系统响应快，并且同时实现人工和自动制动的方式。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种无人驾驶方程式赛车的制动系统，包括踏板、电控液压泵、第一制动主缸、第二制动主缸、每个轮胎上的制动卡钳和设置在赛车前端的激光雷达；
电控液压泵包括两条回路，两条回路出口分别连接有两条液压管路，第一液压管路与前轮两个轮胎上的制动卡钳均连接，第二液压管路与后轮两个轮胎上的制动卡钳均连接，第一制动主缸和第二制动主缸的输出端分别连接电控液压泵的两条回路入口，第一制动主缸和第二制动主缸的输入端均设置有电机，踏板上设置有踏板力传感器；激光雷达和踏板力传感器输出端连接有控制模块输入端，控制模块输出端与电控液压泵和电机输入端连接。
优选的，踏板连接有踏板臂，踏板臂连接有平衡杆的中间部位，控制模块中存储有平衡杆的杠杆比。
优选的，踏板连接有踏板臂，踏板臂连接有踏板行程模拟器。
优选的，前轮的其中一个轮胎和后轮的其中一个轮胎均设置有一个轮速传感器，两条液压管路上均设置有一个压力传感器，压力传感器和轮速传感器的输出端均连接控制模块输入端。
优选的，电控液压泵的第一条回路包括第一脉动阻尼器，第一脉动阻尼器分别连接第二常开电磁阀、第一吸入电磁阀和第一限压电磁阀的入口；第二常开电磁阀出口连接有第二常闭电磁阀入口与左前轮的制动卡钳；第一吸入电磁阀出口连接有第一双联液压泵的一端，第一双联液压泵另一端连接有第一缓冲腔，第一双联液压泵连接有直流电机，第一缓冲腔和第一限压电磁阀出口共同连接第一常开电磁阀入口，第一常开电磁阀出口连接有第一常闭电磁阀入口与右前轮的制动卡钳，第一常闭电磁阀和第二常闭电磁阀出口均连接有第一蓄能器，第一蓄能器与第一双联液压泵的一端连接；
电控液压泵的第二条回路与第一条回路相同，连接左后轮和右后轮的制动卡钳。
优选的，第一制动主缸和第二制动主缸分别连接有一个制动液储液壶。
优选的，控制模块采用51单片机、K60单片机、STM32芯片或树莓派。
一种基于上述任意一项所述无人驾驶方程式赛车的制动系统的制动方法，包括以下过程：
激光雷达感知到前方存在障碍物后，传递信号给控制模块，控制模块控制电控液压泵进行增压，通过制动卡钳使得车辆制动停车；
激光雷达识别障碍物仍存在后，传递信号给控制模块，控制模块控制电控液压泵进行保压，使得车辆保持制动停车状态；
激光雷达未识别障碍物后，传递信号给控制模块，控制模块控制电控液压泵进行减压，制动卡钳的制动力减小至零；
需要人工进行制动时，踩下踏板，踏板力传感器传递信号给控制模块，控制模块控制与第一制动主缸和第二制动主缸连接的电机，电机输出传递至第一制动主缸和第二制动主缸输入端，第一制动主缸和第二制动主缸进行增压，通过制动卡钳使得车辆制动停车。
优选的，电控液压泵进行增压时，第一回路中的第一吸入电磁阀、第一限压电磁阀和直流电机均通电，第一常开电磁阀、第二常开电磁阀、第一常闭电磁阀和第二常闭电磁阀均断电；
电控液压泵进行保压时，直流电机、第一常开电磁阀、第二常开电磁阀、第一吸入电磁阀均通电，第一限压电磁阀、第二常闭电磁阀和第二常闭电磁阀均断电；
电控液压泵进行减压时，直流电机、第一常开电磁阀、第二常开电磁阀、第二常闭电磁阀和第二常闭电磁阀均通电，第一吸入电磁阀和第一限压电磁阀均断电；
第二回路与第一回路的控制过程相同。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过控制模块控制两个制动主缸和电控液压泵，踏板踩下的压力转为控制模块的控制信号，并且通过激光雷达进行自动制动的条件获取，从而同时实现人工和自动制动的方式，并且通过信号传递进行制动，相较于现有的拉线式、推杆式的制动系统，简化了制动系统的结构，结构紧凑，可靠性高，操作简便，制动响应快。
附图说明
图1为本发明的制动系统示意图；
图2为本发明的电控液压泵液压原理图。
其中：1-第一制动主缸；2-第二制动主缸；3-电控液压泵；4-压力传感器；5-踏板；6-踏板臂；7-踏板力传感器；8-激光雷达；9-控制模块；10-制动卡钳；11-第一常开电磁阀；12-第二常开电磁阀；13-第三常开电磁阀；14-第四常开电磁阀；15-第一常闭电磁阀；16-第二常闭电磁阀；17-第三常闭电磁阀；18-第四常闭电磁阀；19-第一限压电磁阀；20-第二限压电磁阀；21-第一吸入电磁阀；22-第二吸入电磁阀；23-第一双联液压泵；24-第二双联液压泵；25-直流电机；26-第一缓冲腔；27-第二缓冲腔；28-第一蓄能器；29-第二蓄能器；30-第一脉动阻尼器；31-第二脉动阻尼器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，为本发明所述的无人驾驶方程式赛车的制动系统，包括制动踏板模块、控制模块9、电控液压泵3、第一制动主缸1、第二制动主缸2、制动卡钳10和感知模块。
每个轮胎上均设置一个制动卡钳10，电控液压泵3包括两条回路，两条回路出口分别连接有两条液压管路，第一液压管路与前轮两个轮胎上的制动卡钳10均连接，第二液压管路与后轮两个轮胎上的制动卡钳10均连接，第一制动主缸1和第二制动主缸2的输出端分别连接电控液压泵3的两条回路入口。
制动踏板模块包括：制动踏板、踏板力传感器7、平衡杆、踏板行程模拟器；制动踏板包括：踏板5和踏板臂6；踏板5安装在踏板臂6上；踏板力传感器7安装在踏板5上；踏板行程模拟器、平衡杆安装在踏板臂6上。
踏板力传感器7贴合连接于所述踏板5的一面，能将踏板5的踏板力传递给控制模块9，从而驱动制动主缸产生液压；平衡杆的中间部位位于踏板臂6上，控制模块9中存储有平衡杆的杠杆比，用来分配前后轮制动力；踏板行程模拟器位于踏板臂6上，用以反馈给驾驶员一种良好的踏板5感觉。踏板行程模拟器和踏板力传感器7输出端连接控制模块9输入端。
感知模块包括压力传感器4、激光雷达8、两个轮速传感器；前轮的其中一个轮胎和后轮的其中一个轮胎均设置有一个轮速传感器，本实施例中两个轮速传感器安装在左前轮与左后轮，两条液压管路上均设置有一个压力传感器4，压力传感器4和轮速传感器的输出端均连接控制模块9输入端。激光雷达8安装在整车前舱。激光雷达8连接控制模块9输入端。
控制模块9包括第一控制子模块和第二控制子模块；所述第一控制子模块作用于制动踏板模块与电机，所述第二控制子模块作用于电控液压泵3。
控制模块9采用51单片机、K60单片机、STM32芯片或树莓派。
第一制动主缸1和第二制动主缸2的活塞端与电机驱动连接，第一制动主缸1和第二制动主缸2的缸体端与分别连接电控液压泵3的两条回路入口，本实施例第一制动主缸1连接电控液压泵3的第一条回路，第二制动主缸2连接电控液压泵3的第二条回路；控制模块9输出端与电机输入端连接，控制模块9接受从踏板力传感器7传来的信号，控制电机驱动第一制动主缸1和第二制动主缸2产生液压并传递给每个制动卡钳10，从而使每个制动卡钳10对车轮制动使汽车减速直至停车。
第一制动主缸1和第二制动主缸2的缸体端分别连接有一个制动液储液壶。
电控液压泵3的出液口通过两条液压管路与每个制动卡钳10的进液口连通；当激光雷达8识别到障碍物后，传递信号给控制模块9，控制模块9控制电控液压泵3产生液压，并传递给每个制动卡钳10对车轮制动，同时压力传感器4与轮速传感器采集实时压力与车速并反馈给控制模块9，从而调节电控液压泵3对液压的控制。
如图2所示，电控液压泵3的第一条回路包括第一脉动阻尼器30，第一脉动阻尼器30分别连接第二常开电磁阀12、第一吸入电磁阀21和第一限压电磁阀19的入口；第二常开电磁阀12出口连接有第二常闭电磁阀16入口与左前轮的制动卡钳10；第一吸入电磁阀21出口连接有第一双联液压泵23的一端，第一双联液压泵23另一端连接有第一缓冲腔26，第一双联液压泵23连接有直流电机25，第一缓冲腔26和第一限压电磁阀19出口共同连接第一常开电磁阀11入口，第一常开电磁阀11出口连接有第一常闭电磁阀15入口与右前轮的制动卡钳10，第一常闭电磁阀15和第二常闭电磁阀16出口均连接有第一蓄能器28，第一蓄能器28与第一双联液压泵23的一端连接。
电控液压泵3的第二条回路包括第二脉动阻尼器31，第二脉动阻尼器31分别连接第三常开电磁阀13、第二吸入电磁阀22和第二限压电磁阀20的入口；第三常开电磁阀13出口连接有第三常闭电磁阀17入口与右后轮的制动卡钳10；第二吸入电磁阀22出口连接有第二双联液压泵24的一端，第二双联液压泵24另一端连接有第二缓冲腔27，第二双联液压泵24连接有直流电机25，第二缓冲腔27和第二限压电磁阀20出口共同连接第四常开电磁阀14入口，第四常开电磁阀14出口连接有第四常闭电磁阀18入口与左后轮的制动卡钳10，第三常闭电磁阀17和第四常闭电磁阀18出口均连接有第二蓄能器29，第二蓄能器29与第二双联液压泵24的一端连接。
采用上述制动系统的制动过程为：
激光雷达8感知到前方存在障碍物后，传递信号给控制模块9，控制模块9控制电控液压泵3进行增压，通过制动卡钳10使得车辆制动停车；轮速传感器实时将车速反馈给控制模块9。
激光雷达8识别障碍物仍存在后，传递信号给控制模块9，控制模块9控制电控液压泵3进行保压，使得车辆保持制动停车状态。
激光雷达8未识别障碍物后，传递信号给控制模块9，控制模块9控制电控液压泵3进行减压，制动卡钳10的制动力减小至零。
需要人工进行制动时，踩下踏板5，踏板力传感器7传递信号给控制模块9，控制模块9控制与第一制动主缸1和第二制动主缸2连接的电机，电机输出传递至第一制动主缸1和第二制动主缸2输入端，第一制动主缸1和第二制动主缸2进行增压，通过制动卡钳10使得车辆制动停车。
以右前轮回路为例：
电控液压泵3进行增压时，第一常开电磁阀11和第二常闭电磁阀16都不通电，第一吸入电磁阀21、第一限压电磁阀19和直流电机25通电，此时将液压升高，制动卡钳10对车轮制动，摩擦力矩增大，制动力增大，此时液压回路为制动液储液罐——第一制动主缸1——第一吸入电磁阀21——直流电机25——第一常开电磁阀11——右前轮的制动卡钳10。
电控液压泵3进行保压时，直流电机25、第一常开电磁阀11和第一吸入电磁阀21通电、第一限压电磁阀19和第二常闭电磁阀16不通电，此时液压将维持不变，制动卡钳10对车轮持续制动，摩擦力矩不变，制动力不变，此时液压回路为第一蓄能器28——直流电机25——第一缓冲腔26——第一限压电磁阀19——第一制动主缸1——制动液储液罐。
电控液压泵3进行减压时，第一常开电磁阀11、第一常闭电磁阀15和直流电机25都进行通电，第一吸入电磁阀21和第一限压电磁阀19都不进行通电，此时液压将减小，制动卡钳10对车轮的摩擦力矩逐渐减小，直至制动力为0，此时液压回路为右前轮的制动卡钳10——第一常闭电磁阀15——第一蓄能器28——直流电机25——第一缓冲腔26——第一限压电磁阀19——第一制动主缸1——制动液储液罐。
第二常开电磁阀12和第二常闭电磁阀16与第一常开电磁阀11和第一常闭电磁阀15的通断电时机相同。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主题内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (9)

1.一种无人驾驶方程式赛车的制动系统，其特征在于，包括踏板(5)、电控液压泵(3)、第一制动主缸(1)、第二制动主缸(2)、每个轮胎上的制动卡钳(10)和设置在赛车前端的激光雷达(8)；
电控液压泵(3)包括两条回路，两条回路出口分别连接有两条液压管路，第一液压管路与前轮两个轮胎上的制动卡钳(10)均连接，第二液压管路与后轮两个轮胎上的制动卡钳(10)均连接，第一制动主缸(1)和第二制动主缸(2)的输出端分别连接电控液压泵(3)的两条回路入口，第一制动主缸(1)和第二制动主缸(2)的输入端均设置有电机，踏板(5)上设置有踏板力传感器(7)；激光雷达(8)和踏板力传感器(7)输出端连接有控制模块(9)输入端，控制模块(9)输出端与电控液压泵(3)和电机输入端连接。
2.根据权利要求1所述的无人驾驶方程式赛车的制动系统，其特征在于，踏板(5)连接有踏板臂(6)，踏板臂(6)连接有平衡杆的中间部位，控制模块(9)中存储有平衡杆的杠杆比。
3.根据权利要求1所述的无人驾驶方程式赛车的制动系统，其特征在于，踏板(5)连接有踏板臂(6)，踏板臂(6)连接有踏板行程模拟器。
4.根据权利要求1所述的无人驾驶方程式赛车的制动系统，其特征在于，前轮的其中一个轮胎和后轮的其中一个轮胎均设置有一个轮速传感器，两条液压管路上均设置有一个压力传感器(4)，压力传感器(4)和轮速传感器的输出端均连接控制模块(9)输入端。
5.根据权利要求1所述的无人驾驶方程式赛车的制动系统，其特征在于，电控液压泵(3)的第一条回路包括第一脉动阻尼器(30)，第一脉动阻尼器(30)分别连接第二常开电磁阀(12)、第一吸入电磁阀(21)和第一限压电磁阀(19)的入口；第二常开电磁阀(12)出口连接有第二常闭电磁阀(16)入口与左前轮的制动卡钳(10)；第一吸入电磁阀(21)出口连接有第一双联液压泵(23)的一端，第一双联液压泵(23)另一端连接有第一缓冲腔(26)，第一双联液压泵(23)连接有直流电机(25)，第一缓冲腔(26)和第一限压电磁阀(19)出口共同连接第一常开电磁阀(11)入口，第一常开电磁阀(11)出口连接有第一常闭电磁阀(15)入口与右前轮的制动卡钳(10)，第一常闭电磁阀(15)和第二常闭电磁阀(16)出口均连接有第一蓄能器(28)，第一蓄能器(28)与第一双联液压泵(23)的一端连接；
电控液压泵(3)的第二条回路与第一条回路相同，连接左后轮和右后轮的制动卡钳(10)。
6.根据权利要求1所述的无人驾驶方程式赛车的制动系统，其特征在于，第一制动主缸(1)和第二制动主缸(2)分别连接有一个制动液储液壶。
7.根据权利要求1所述的无人驾驶方程式赛车的制动系统，其特征在于，控制模块(9)采用51单片机、K60单片机、STM32芯片或树莓派。
8.一种基于权利要求1-7任意一项所述无人驾驶方程式赛车的制动系统的制动方法，其特征在于，包括以下过程：
激光雷达(8)感知到前方存在障碍物后，传递信号给控制模块(9)，控制模块(9)控制电控液压泵(3)进行增压，通过制动卡钳(10)使得车辆制动停车；
激光雷达(8)识别障碍物仍存在后，传递信号给控制模块(9)，控制模块(9)控制电控液压泵(3)进行保压，使得车辆保持制动停车状态；
激光雷达(8)未识别障碍物后，传递信号给控制模块(9)，控制模块(9)控制电控液压泵(3)进行减压，制动卡钳(10)的制动力减小至零；
需要人工进行制动时，踩下踏板(5)，踏板力传感器(7)传递信号给控制模块(9)，控制模块(9)控制与第一制动主缸(1)和第二制动主缸(2)连接的电机，电机输出传递至第一制动主缸(1)和第二制动主缸(2)输入端，第一制动主缸(1)和第二制动主缸(2)进行增压，通过制动卡钳(10)使得车辆制动停车。
9.根据权利要求8所述的无人驾驶方程式赛车的制动方法，其特征在于，电控液压泵(3)进行增压时，第一回路中的第一吸入电磁阀(21)、第一限压电磁阀(19)和直流电机(25)均通电，第一常开电磁阀(11)、第二常开电磁阀(12)、第一常闭电磁阀(15)和第二常闭电磁阀(16)均断电；
电控液压泵(3)进行保压时，直流电机(25)、第一常开电磁阀(11)、第二常开电磁阀(12)、第一吸入电磁阀(21)均通电，第一限压电磁阀(19)、第二常闭电磁阀(16)和第二常闭电磁阀(16)均断电；
电控液压泵(3)进行减压时，直流电机(25)、第一常开电磁阀(11)、第二常开电磁阀(12)、第二常闭电磁阀(16)和第二常闭电磁阀(16)均通电，第一吸入电磁阀(21)和第一限压电磁阀(19)均断电；
第二回路与第一回路的控制过程相同。
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