無人駕駛車輛的電動液壓制動系統(tǒng)

1、無人駕駛車輛的電動液壓制動系統(tǒng)(作者，出版社，出版日期非英語，略)摘要減少交通事故幾乎已經成為每一個政府的公開目標。由于過分依賴人的駕駛反應是道路事故的主要原因，用自動控制解決方案取代人為駕駛因素將是一個明智的選擇。要想自動控制汽車，控制好汽車的制動系統(tǒng)就變得十分必要，也就是說，控制好方向盤，油門還有剎車。這篇論文主要講了如何設計與實現無人駕駛車輛的電動液壓制動系統(tǒng)，這個系統(tǒng)包括了一個泵和各種閥門，可以實現經由電腦控制進行剎車。系統(tǒng)集合了原電路，使系統(tǒng)能夠維持穩(wěn)健性和能夠各自獨立地制動汽車。這個系統(tǒng)已經被改進以適應安裝在大多數的商用的東風雪鐵龍C3上面，并且進行了各種試驗以驗證它的操作性和可靠

2、性，并且試驗也表明了系統(tǒng)能夠集成到汽車的縱向操作當中。關鍵字：電動液壓制動，道路車輛控制，自動駕駛系統(tǒng)，安全道路，運輸系統(tǒng)1. 簡介根據世界衛(wèi)生組織2004年的報告，大部分交通事故的受害者并不是汽車駕駛者本身，更多的是行人，摩托車駕駛者，自行車駕駛者，還有其他非機動車輛駕駛者。造成交通事故的主要問題是司機往往很難快速應對各種意外情況。為了解決這些問題，一些半自動汽車控制系統(tǒng)，比如說防抱死，或者是緊急制動系統(tǒng)(Cummings and Grossman，2007; Petersen等人,2006)，已經被開發(fā)并且初步測試。但是，人為因素依然是造成交通事故的主要因素。聚焦于改善安全狀況,減少運輸時

3、間和燃料消耗，2005年，王等人提出了智能運輸系統(tǒng)。智能運輸系統(tǒng)的其中一部分，就是關于自動控制車輛的導航。它包括了兩個控制對象，一個是橫向控制（(Naranjo等人, 2005; Ryu等人, 2007），和方向盤有關，另外一個是縱向控制（Liang, 2003; Gerdes and Hedrick,1997），包括了油門和作為制動器的剎車板。對于這個導航來說，節(jié)流操縱就顯得十分重要，因為剎車控制是安全功能里面的基本構成，需要用它來避免碰撞，其他的還包括緊急剎車（Yi等人，2002），“車輛停走”(Naranjo, 2006),自適應巡航控制系統(tǒng)(Naranjo, 2006 )，行人檢測（L

4、i, 2006）航線保持（Wang等人, 2005)，死角感知（Collado等人, 2004）等功能。要開發(fā)出一個自動剎車系統(tǒng)，我們可以有兩個選擇：一是修改原電路，二是設計出一個新的系統(tǒng)，使其能夠和舊電路一起工作。同時，如果選擇后者，還能增強系統(tǒng)的安全性，因為剎車系統(tǒng)是可復制的。制動自動化的系統(tǒng)行為已經被若干人建模。Celentano (Celentano等人，2003)提出了一個簡單但實際的剎車系統(tǒng)模型，它依據四個分裂的子系統(tǒng)而成，Fiat就是根據這個模型的參數而成的。Song (Song等人,2006)向ABS防抱死系統(tǒng)中增加入剎車壓力反饋，仿真結果證明了該算法是可以識別出各種路面狀況的

5、改變。Song (Song and Hedrick, 2004)還提出了一個混合動力剎車系統(tǒng)，仿真結果顯示了該系統(tǒng)擁有更短的剎車距離以及消耗更低的能耗。Liang( Liang等人, 2003)大幅地降低了大型制動過程中的速度以及減小了空間制動誤差。Jung (Jung等人，2008) 開發(fā)出一個程序，可用于分析各種與剎車有關的變量，如壓力，效率，踏板行程等。同時地開展工作，我們研發(fā)出不同的剎車系統(tǒng)控制器。Lignon(Lignon等人,2006年)用魯棒控制消除摩擦感應振動來獲得各種操作條件下的穩(wěn)定。Maciuca設計了一個非光滑的控制器(Maciuca and Hedrick, 1997)

6、和一個自適應控制器(Maciuca and Hedrick, 1998)，用于控制在自動公路駕駛環(huán)境下的剎車系統(tǒng)。Hong (Hong et al., 2006)設計了一個基于滑?？刂品椒ǖ妮喕瑒涌刂破?，使其可以更精確地控制剎車力以及更容易地適應不同的車輛。Park (Park et al., 2006)提出了一個不同的基于磁流變制動器設計的液壓制動系統(tǒng)。Kang (Kang and Hedrick,2004)設計了一個緊急制動控制系統(tǒng)，可應用于汽車在短距離內緊急剎車，如車隊。出于尊重實驗成果的考慮，Gerdes (Gerdes and Hedrick, 1997)測試了一個基于多個表面滑動控

7、制設計的，用于高速公路自動駕駛的整合的引擎和剎車控制器。Kim (Kim 等人，1996)使用一個通過執(zhí)行機構來實現的原始的控制制動系統(tǒng)。Naranjo (Naranjo et 等人，2006)將一個編碼器耦合到直流電機的原始電路中，使其產生一個能自動剎車的自動剎車系統(tǒng)。Song (Song, 2005)將電動剎車執(zhí)行機構平行連接，使巴士的氣動剎車系統(tǒng)產生額外的剎車壓力。Bu(Bu and Tan, 2007)開發(fā)了一種氣動制動器用于公交車在車站準確停車。AUTOPIA項目已經在汽車自動駕駛的發(fā)展上奮斗了超過10年。雖然作為長期目標，實現自動駕駛汽車在不久的將來仍然難以實現，但這種系統(tǒng)已經被開

8、發(fā)改進以適用于先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)?，F代通信使一種新的自動化制動系統(tǒng)得以實現。這是一種由一個泵和各種閥門組成的電動液壓系統(tǒng)，通過電腦控制停車。它被組裝在原電路中并與原電路共存，使其能夠保持魯棒性以及使兩個系統(tǒng)均能夠獨立制動汽車。設計該系統(tǒng)的目的是創(chuàng)造一個仿造人類駕駛員制動的自動制動系統(tǒng)，并且對原來的制動系統(tǒng)不造成阻礙。論文的編排如下：模塊2顯示了自動剎車系統(tǒng)的設計，模塊3解釋了自動剎車系統(tǒng)是怎樣被安裝到東風雪鐵龍C3里的，模塊4描繪了用于評估系統(tǒng)和使之與人類駕駛員相比的實驗，模塊5展現了集合了剎車功能的模糊控制系統(tǒng)，最后是模塊6，結論。2. 制動系統(tǒng)的設計AUTOPIA項目的大多數東風

9、雪鐵龍C3已經被初步自動化，但是方向盤和油門還需要被人為控制。只要不需求突然的速度變化，速度控制總體來說是令人滿意的。因此，下一步重要的是設計和完善一個剎車系統(tǒng)。該系統(tǒng)需要有能力在AUTOPIA控制的最低采樣率下工作，標準設定為5赫茲沒GPS。要得到這樣一個系統(tǒng)，其先決條件是得到一個能夠和原來的制動系統(tǒng)并存的線控制動系統(tǒng)。解決方案是設計一個配備電子組件的液壓系統(tǒng)，使其能夠處理由計算機生成的信號，控制其進入輸入/輸出裝置。為了避免過大的系統(tǒng)壓力，在設計前，我們有必要先確定最大的剎車壓力。這個數據可以通過使用壓力計在實驗中測得。實驗前，我們必須要先移走一個輪胎，并且在剎車片的地方連接上壓力計。當完

10、全踩下踏板時，我們可以測得160的工作壓力。（圖片1：自動剎車裝置）液壓系統(tǒng)包括一個一升的容量制動液罐，里面包括一個齒輪泵，還有一個與之耦合的350瓦的,12伏的直流電機。一個壓力限制管,被用于限制壓力，使壓力值不大于160，以保護剎車過程中的相關汽車部件。這個系統(tǒng)能夠達到原剎車系統(tǒng)的最大剎車壓力。這需要通過電腦來控制電子設備來達到所要的壓力。到這里，我們可以看到，我們需要兩個電子設備。一個是用來調節(jié)壓力，使其在0到最大之間波動，另外一個是用來完成從到輪子的壓力傳輸。為了調節(jié)壓力，一個電子比例顯示器被安裝，用于調節(jié)公稱壓力在12到250個單位的壓力?？刂齐妷涸?到10V之間，電子比例顯示器會產

11、生一個非空的最低壓力,因此總是會使小部分壓力作用在車輪上。另外一個設備，一個線軸換向閥,就是用來解決這個問題的。通常情況下，換向閥是打開的，只有當電子比例顯示器工作時，它才會關閉。這兩個設備都會造成系統(tǒng)的延誤，如果系統(tǒng)行為要求十分精確，那么這些延誤就不能被忽視。在進行了第一個制動動作之后的第一個采樣周期，信號會同時發(fā)送到兩個閥門里，實際的延時對應著較慢的線軸換向閥，轉換時間大約是30毫秒。在接下來的采樣周期內，線軸換向閥會關閉，此時延時只對應著電子比例顯示器，最差的情況有時候延時會達10毫秒。在完成液壓和電子元件的設計之后，制動系統(tǒng)需要被植入到已經存在的舊的汽車剎車系統(tǒng)內。為此，就需要安裝一個

12、換向閥，聯(lián)接兩個制動系統(tǒng)。換向閥的存在，使流量能夠從任意一個入口進入，然后向普通出口排出。一個自由浮動的金屬球根據兩個入口的當前壓力前前后后的穿梭移動 - 從壓力高的入口浮動到壓力低的入口。這個換向閥的功能，就是用于兩個制動系統(tǒng)的切換。被選擇的型號是Hawe Hydraulic WV 6-S，它被選擇是因為低的換向閥意味著較小的直徑，同時意味著較小的浮動球，也就是說，最小的切換時間。閥門以這樣的方式安裝，一旦電動液壓處于關閉狀態(tài)，可使浮動球在重力下維持著標準的制動裝置的開啟。金屬球在兩個入口之間的移動造成了換向閥的延遲，根據延遲可估算出最小壓力為10個單位，最小延時小于1毫秒。電液換向閥和制動

13、系統(tǒng)之間的連接時通過線軸換向閥，換向閥是和另外一個換向閥相連接的。圖片2：梭閥的位置圖片1顯示了整個制動系統(tǒng)的設計方案。在東風雪鐵龍C3的設計中，還包括了一個基于重復制動信號的安全系統(tǒng)。因此，兩個梭閥就被用于切換傳統(tǒng)的剎車系統(tǒng)和電動液壓制動系統(tǒng)。兩個梭閥的出口時連接著ABS系統(tǒng)的入口的，最后，ABS就扮演了剎車的作用。圖片2顯示了梭閥是如何被安裝到汽車里的。安裝梭閥的其中一個目的是保持原來的剎車系統(tǒng)的正常使用，所以，在實際安裝中，梭閥都被安裝得離ABS系統(tǒng)越近越好。從圖片中，我們可以看到梭閥的兩個入口，較低的入口是連接著自動電液制動系統(tǒng)的，較高的那個是連接著原來的制動系統(tǒng)的。系統(tǒng)描述是設計用于

14、指導如何并入AUTOPIA控制系統(tǒng)，因為這中間，要經過200毫秒的采樣階段。這樣的設計，使系統(tǒng)不會引入更大的延遲，在這種情況下，最后的延遲將會出現在自動剎車的開始，并且它將是梭閥以及換向閥延遲的疊加，為31毫秒。在接下來的采樣階段，只會存在電子比例顯示器所造成的延遲，不會高于10毫秒。自動控制系統(tǒng)運行步驟如下：經由儀表盤上的手控裝置開啟，直流電動機開始工作，只要線軸換向閥是在開啟狀態(tài)，一個10個單位的壓力就會通過電子比例顯示器，然后流量就會被驅回到儲存器當中。此時換向閥是關閉狀態(tài)的，產生的壓力就會作用到梭閥上，推動金屬球向高位移動，帶動制動液流向剎車片，此時，就可以經由電子比例顯示器控制剎車了

15、。3. 制動系統(tǒng)的實現在完成對制動系統(tǒng)的設計之后,我們需要確定制動系統(tǒng)在汽車里放置的地方。我們的選擇是安裝將系統(tǒng)安裝在后備箱下面的地方，那是本來預留放置備用輪胎的地方。系統(tǒng)的緊湊設計使我們使用這個地方變得可能，同時，泵的所在會同時保護系統(tǒng)免受碰撞和損傷的威脅，備用輪胎可以仍然放置在底盤下面的相同位置上。泵的電動機是和一個12V的輔助電池相連接的。電池通過松緊帶被安裝在底盤上，通過汽車側面上的插座，電池可以被反復充電。除了向直流電動機供電之外，輔助電池還向一個CAN總線模塊供電，CAN總線模塊通過車載電腦，控制線軸換向閥還有電子比例顯示器。這個模塊包括了一個向線軸定向閥供電的6安培繼電器輸出，和

16、一個向電子比例顯示器供電的計算機控制的模擬輸出。CAN模塊是通過直流電機的可訪問的終端和電池相連接的，這樣子的話，當按下手動開關后，CAN模塊就可以和直流電動機一起啟動了。最后，泵是包括兩個出口的，其中一個分成兩個分別連接到梭閥上，另外一個被用于和壓力計一起測量壓力值。手動開關被安裝在儀表板，用以激活一個連接電源的直流電機的繼電器，一個可導軌被用于修正CAN模塊和繼電器的位置，圖片3顯示了分布在軀干上的每個部件。圖片3：電動液壓制動系統(tǒng)的位置但是，同時地，有一些問題必須解決，首先，當制動系統(tǒng)工作時，液箱是通過一個口塞保持關閉狀態(tài)的，但是，當汽車停住的時候，制動液就會慢慢地從原來的液箱流向泵的液

17、箱。這是由于基本的流體靜力學所確定的，因為泵是被安裝在低于原來的制動液箱的地方的。就這樣，制動液會慢慢地穿過梭閥，箱液就會通過口塞慢慢溢出。要想解決這個問題，我們可以把液箱加滿到極限狀態(tài)，并且使用一個不透水塞來避免溢出。但是，這樣做的話，又會帶來一個新的問題：那就是當泵處于非接連狀態(tài)時，電路中仍然會有一個很小的壓力存在。這個小壓力會不斷增大，至到大到造成一個作用力作用在剎車皮上，最后會造成汽車的永久制動。妥協(xié)方案通過一個管將兩個缸連接起來，需要將管插入到不透水的穿孔中，這樣子的話，在舊缸上的穿氣孔就會承擔起必要的連同作用。結果就是，泵缸就被充滿，而溢出的水也會通過管道流回原來的液箱當中去。我們

18、可以從圖片3中看到如何安裝管道。4. 制動系統(tǒng)的測試圖片4是我們進行測試的地圖，我們可以看到，測試時我們有直路段，彎路段，以及90度的十字路口斷，結合起來，代表了城市的所有路段。最長的直路段是用來測試我們的制動系統(tǒng)的，因為我們測試的目的就是觀察制動系統(tǒng)在剎車過程中的表現。道路的兩端，我們都設置有迂回路段，測試的汽車最初就是停在那里。開始測試后，汽車開始加速，到達剎車點處要求速度達46千米每小時，從開始到剎車點這段距離約為100米，在這100米的加速當中，汽車將會是在電腦軟件的操縱下自動駕駛的。（圖片4：汽車測試圖）當汽車到達剎車點（如圖4），電腦就會下達新的速度指令-0千米每小時，即開始剎車。

19、從這時候開始，作用在汽車上的只有摩擦力，剎車力開始可以被估算。首先，我們需要作出對比組，我們會先使用原來的剎車系統(tǒng)進行測試，觀察在人為控制的情況下汽車對剎車作出的反應（圖片5）。從圖片上可以看到，速度一直在改變，在自動模式下，汽車的前13秒是自動加速的，然后我們可以看到圖片上出現一個大的坡度變化，因為這時候汽車開始剎車，我們可以從這里開始根據圖片研究汽車的剎車反應。第一張圖片我們可以看到，沒有剎車力的情況下，汽車速度會慢慢降低，在大約24秒的時候，在變速箱的作用下，我們可以看到斜率有了改變，從中間的圖片上，我們可以當汽車駕駛員使用“溫柔”的剎車力時，汽車的反應，在這種情況下，從剎車到汽車停止，

20、汽車前進了50米，也就是說剎車距離為50米，而下面的圖片則是汽車駕駛員用力剎車情況下的汽車反應，設置這樣的對比項，目的是觀察不同駕駛習慣下汽車的剎車反應。圖片5：手動剎車測試圖片6顯示了自動剎車系統(tǒng)工作下的汽車剎車反應，我們可以拿這個與圖片5的作比較。和之前的一樣，第一部分的實驗還是經由電腦控制的，通過控制電子比例顯示器的不同工作狀態(tài)，我們得到了這樣的實驗結果。圖片6：自動剎車測試電液泵的最大壓力是160，當電液泵在這個壓力下工作時，電子比例顯示器將會100%打開。圖片7顯示了經由實驗確定的電液泵壓力值與電子比例顯示器工作比例之間的關系，我們可以觀察到，兩者之間的關系趨近于線性比例，所以，我們

21、可以推斷出，剎車系統(tǒng)由控制變量生成一個線性相關的壓力變量，其工作輸出電壓在0到10伏之間。壓力比例，或者說，電子比例顯示器開放率，在試驗中是起到以下作用的：當比例達10%時，對應的是非常輕的剎車，20%時，有點類似與手動剎車中的輕柔剎車，但是它多了一個均勻的速度降低，30%時，我們可以將此時的汽車參數與手動剎車中的用力剎車相比，40%時，對應的是緊急剎車中的非常用力的剎車，在這種情況下的自動剎車，比手動駕駛中人們想象的非常用力的剎車還有用力，超過40%，絕大多數情況下是不會被使用的，因為它被認為會對乘客造成非常不舒服的感覺。試驗結果我們可以看到，自動剎車系統(tǒng)有著非常良好的剎車表現，甚至可以說，

22、比手動剎車的效果還要好，因為，自動剎車系統(tǒng)是線性減低速度的。圖片7：壓力與電子比例顯示器之間的關系5. 自動制動控制在完成自動剎車系統(tǒng)的安裝于測試之后，接下來，我們需要將其與自動駕駛車輛相結合。AUTOPIA項目中的東風雪鐵龍C3無論在縱向控制還是橫向控制上，都已經實現了自動，但是，唯獨油門，仍然需要人為控制，而且，控制效果還不是十分理想。優(yōu)秀的縱向操作要求節(jié)流閥和剎車踏板之間合作良好，AUTOPIA團隊的成員已經將自動剎車系統(tǒng)應用到兩輛雪鐵龍貝林戈大篷貨車內，在這兩輛車的情況下，汽車是通過電動機操作滑輪推動踏板來實現制動的。由于這種方法很容易出錯，更新穎的控制方法已經開始被研發(fā)出來，即使這樣，安裝在雪鐵龍貝林戈大篷貨車內的基礎邏輯的模糊化自動控制系統(tǒng)還是很容易被一直到雪鐵龍C3上面的，因為系統(tǒng)輸出歸一化，輸出值設置在0和1之間，0就是沒有剎車，1就是最大剎車。根據圖片6，我們可以將實驗結果與圖片5的人工剎車結果相對比，然后估測出自動剎車系統(tǒng)在不同剎車目標下的剎車表現。根據對比結果，我們將這個模糊化控制器被設置為40%的壓