无人驾驶车辆的电动液压制动系统

无人驾驶车辆的电动液压制动系统 (作者，出版社，出版日期非英语，略) 摘要 减少交通事故几乎已经成为每一个政府的公开目标。由于过分依赖人的驾驶反 应是道路事故的主要原因，用自动控制解决方案取代人为驾驶因素将是一个明 智的选择。要想自动控制汽车，控制好汽车的制动系统就变得十分必要，也就 是说，控制好方向盘，油门还有刹车。这篇论文主要讲了如何设计与实现无人 驾驶车辆的电动液压制动系统，这个系统包括了一个泵和各种阀门，可以实现 经由电脑控制进行刹车。系统集合了原电路，使系统能够维持稳健性和能够各 自独立地制动汽车。这个系统已经被改进以适应安装在大多数的商用的东风雪 铁龙C3上面，并且进行了各种试验以验证它的操作性和可靠性，并且试验也表 明了系统能够集成到汽车的纵向操作当中。 关键字： 电动液压制动，道路车辆控制，自动驾驶系统，安全道路，运输系统 1. 简介 根据世界卫生组织2004年的报告，大部分交通事故的受害者并不是汽车驾驶 者本身，更多的是行人，摩托车驾驶者，自行车驾驶者，还有其他非机动车辆 驾驶者。造成交通事故的主要问题是司机往往很难快速应对各种意外情况。为 了解决这些问题，一些半自动汽车控制系统，比如说防抱死，或者是紧急制动 系统(Cummings and Grossman，2007; Petersen等人,2006)，已经被开发并且 初步测试。但是，人为因素依然是造成交通事故的主要因素。 聚焦于改善安全状况,减少运输时间和燃料消耗，2005年，王等人提出了智 能运输系统。智能运输系统的其中一部分，就是关于自动控制车辆的导航。它 包括了两个控制对象，一个是横向控制（(Naranjo等人, 2005; Ryu等人, 2007），和方向盘有关，另外一个是纵向控制（Liang, 2003; Gerdes and Hedrick,1997），包括了油门和作为制动器的刹车板。 对于这个导航来说，节流操纵就显得十分重要，因为刹车控制是安全功能里 面的基本构成，需要用它来避免碰撞，其他的还包括紧急刹车（Yi等人， 2002），“车辆停走”(Naranjo, 2006),自适应巡航控制系统(Naranjo, 2006 )， 行人检测（Li, 2006）航线保持（Wang等人, 2005)，死角感知（Collado等人, 2004）等功能。 要开发出一个自动刹车系统，我们可以有两个选择：一是修改原电路，二是 设计出一个新的系统，使其能够和旧电路一起工作。同时，如果选择后者，还 能增强系统的安全性，因为刹车系统是可复制的。 制动自动化的系统行为已经被若干人建模。Celentano (Celentano等人， 2003)提出了一个简单但实际的刹车系统模型，它依据四个分裂的子系统而成， Fiat就是根据这个模型的参数而成的。Song (Song等人,2006)向ABS防抱死系统 中增加入刹车压力反馈，仿真结果证明了该算法是可以识别出各种路面状况的 改变。Song (Song and Hedrick, 2004)还提出了一个混合动力刹车系统，仿真 结果显示了该系统拥有更短的刹车距离以及消耗更低的能耗。Liang( Liang等 人, 2003)大幅地降低了大型制动过程中的速度以及减小了空间制动误差。Jung (Jung等人，2008) 开发出一个程序，可用于分析各种与刹车有关的变量，如压 力，效率，踏板行程等。 同时地开展工作，我们研发出不同的刹车系统控制器。Lignon(Lignon等人, 2006年)用鲁棒控制消除摩擦感应振动来获得各种操作条件下的稳定。Maciuca 设计了一个非光滑的控制器(Maciuca and Hedrick, 1997)和一个自适应控制器 (Maciuca and Hedrick, 1998)，用于控制在自动公路驾驶环境下的刹车系统。 Hong (Hong et al., 2006)设计了一个基于滑模控制方法的轮滑动控制器，使 其可以更精确地控制刹车力以及更容易地适应不同的车辆。Park (Park et al., 2006)提出了一个不同的基于磁流变制动器设计的液压制动系统。Kang (Kang and Hedrick,2004)设计了一个紧急制动控制系统，可应用于汽车在短距离内紧 急刹车，如车队。 出于尊重实验成果的考虑，Gerdes (Gerdes and Hedrick, 1997)测试了一 个基于多个表面滑动控制设计的，用于高速公路自动驾驶的整合的引擎和刹车 控制器。Kim (Kim 等人，1996)使用一个通过执行机构来实现的原始的控制制 动系统。Naranjo (Naranjo et 等人，2006)将一个编码器耦合到直流电机的原 始电路中，使其产生一个能自动刹车的自动刹车系统。Song (Song, 2005)将电 动刹车执行机构平行连接，使巴士的气动刹车系统产生额外的刹车压力。Bu(Bu and Tan, 2007)开发了一种气动制动器用于公交车在车站准确停车。 AUTOPIA项目已经在汽车自动驾驶的发展上奋斗了超过10年。虽然作为长期 目标，实现自动驾驶汽车在不久的将来仍然难以实现，但这种系统已经被开发 改进以适用于先进驾驶辅助系统(ADAS)。现代通信使一种新的自动化制动系统 得以实现。这是一种由一个泵和各种阀门组成的电动液压系统，通过电脑控制 停车。它被组装在原电路中并与原电路共存，使其能够保持鲁棒性以及使两个 系统均能够独立制动汽车。设计该系统的目的是创造一个仿造人类驾驶员制动 的自动制动系统，并且对原来的制动系统不造成阻碍。 论文的编排如下：模块2显示了自动刹车系统的设计，模块3解释了自动刹车 系统是怎样被安装到东风雪铁龙C3里的，模块4描绘了用于评估系统和使之与人 类驾驶员相比的实验，模块5展现了集合了刹车功能的模糊控制系统，最后是模 块6，结论。 2. 制动系统的设计 AUTOPIA项目的大多数东风雪铁龙C3已经被初步自动化，但是方向盘和油门 还需要被人为控制。只要不需求突然的速度变化，速度控制总体来说是令人满 意的。因此，下一步重要的是设计和完善一个刹车系统。该系统需要有能力在 AUTOPIA控制的最低采样率下工作，标准设定为5赫兹没GPS。 要得到这样一个系统，其先决条件是得到一个能够和原来的制动系统并存的 线控制动系统。解决方案是设计一个配备电子组件的液压系统，使其能够处理 由计算机生成的信号，控制其进入输入/输出装置。 为了避免过大的系统压力，在设计前，我们有必要先确定最大的刹车压力。 这个数据可以通过使用压力计在实验中测得。实验前，我们必须要先移走一个 轮胎，并且在刹车片的地方连接上压力计。当完全踩下踏板时，我们可以测得 160的工作压力。 （图片1：自动刹车装置） 液压系统包括一个一升的容量制动液罐，里面包括一个齿轮泵，还有一个与 之耦合的350瓦的,12伏的直流电机。一个压力限制管,被用于限制压力，使压力 值不大于160，以保护刹车过程中的相关汽车部件。这个系统能够达到原刹车系 统的最大刹车压力。这需要通过电脑来控制电子设备来达到所要的压力。到这 里，我们可以看到，我们需要两个电子设备。一个是用来调节压力，使其在0到 最大之间波动，另外一个是用来完成从到轮子的压力传输。为了调节压力，一 个电子比例显示器被安装，用于调节公称压力在12到250个单位的压力。控制电 压在0到10V之间，电子比例显示器会产生一个非空的最低压力,因此总是会使小 部分压力作用在车轮上。另外一个设备，一个线轴换向阀,就是用来解决这个问 题的。通常情况下，换向阀是打开的，只有当电子比例显示器工作时，它才会 关闭。 这两个设备都会造成系统的延误，如果系统行为要求十分精确，那么这些延 误就不能被忽视。在进行了第一个制动动作之后的第一个采样周期，信号会同 时发送到两个阀门里，实际的延时对应着较慢的线轴换向阀，转换时间大约是 30毫秒。在接下来的采样周期内，线轴换向阀会关闭，此时延时只对应着电子 比例显示器，最差的情况有时候延时会达10毫秒。 在完成液压和电子元件的设计之后，制动系统需要被植入到已经存在的旧的 汽车刹车系统内。为此，就需要安装一个换向阀，联接两个制动系统。换向阀 的存在，使流量能够从任意一个入口进入，然后向普通出口排出。一个自由浮 动的金属球根据两个入口的当前压力前前后后的穿梭移动 - 从压力高的入口浮 动到压力低的入口。这个换向阀的功能，就是用于两个制动系统的切换。被选 择的型号是Hawe Hydraulic WV 6-S，它被选择是因为低的换向阀意味着较小的 直径，同时意味着较小的浮动球，也就是说，最小的切换时间。阀门以这样的 方式安装，一旦电动液压处于关闭状态，可使浮动球在重力下维持着标准的制 动装置的开启。 金属球在两个入口之间的移动造成了换向阀的延迟，根据延迟可估算出最小 压力为10个单位，最小延时小于1毫秒。 电液换向阀和制动系统之间的连接时通过线轴换向阀，换向阀是和另外一个 换向阀相连接的。 图片2：梭阀的位置 图片1显示了整个制动系统的设计方案。在东风雪铁龙C3的设计中，还包括 了一个基于重复制动信号的安全系统。因此，两个梭阀就被用于切换传统的刹 车系统和电动液压制动系统。两个梭阀的出口时连接着ABS系统的入口的，最后， ABS就扮演了刹车的作用。 图片2显示了梭阀是如何被安装到汽车里的。安装梭阀的其中一个目的是保 持原来的刹车系统的正常使用，所以，在实际安装中，梭阀都被安装得离ABS系 统越近越好。从图片中，我们可以看到梭阀的两个入口，较低的入口是连接着 自动电液制动系统的，较高的那个是连接着原来的制动系统的。 系统描述是设计用于指导如何并入AUTOPIA控制系统，因为这中间，要经过 200毫秒的采样阶段。这样的设计，使系统不会引入更大的延迟，在这种情况下， 最后的延迟将会出现在自动刹车的开始，并且它将是梭阀以及换向阀延迟的叠 加，为31毫秒。在接下来的采样阶段，只会存在电子比例显示器所造成的延迟， 不会高于10毫秒。 自动控制系统运行步骤如下：经由仪表盘上的手控装置开启，直流电动机开 始工作，只要线轴换向阀是在开启状态，一个10个单位的压力就会通过电子比 例显示器，然后流量就会被驱回到储存器当中。此时换向阀是关闭状态的，产 生的压力就会作用到梭阀上，推动金属球向高位移动，带动制动液流向刹车片， 此时，就可以经由电子比例显示器控制刹车了。 3. 制动系统的实现 在完成对制动系统的设计之后,我们需要确定制动系统在汽车里放置的地方。 我们的选择是安装将系统安装在后备箱下面的地方，那是本来预留放置备用轮 胎的地方。系统的紧凑设计使我们使用这个地方变得可能，同时，泵的所在会 同时保护系统免受碰撞和损伤的威胁，备用轮胎可以仍然放置在底盘下面的相 同位置上。 泵的电动机是和一个12V的辅助电池相连接的。电池通过松紧带被安装在底 盘上，通过汽车侧面上的插座，电池可以被反复充电。 除了向直流电动机供电之外，辅助电池还向一个CAN总线模块供电，CAN总线 模块通过车载电脑，控制线轴换向阀还有电子比例显示器。这个模块包括了一 个向线轴定向阀供电的6 安培继电器输出，和一个向电子比例显示器供电的 计算机控制的模拟输出。CAN模块是通过直流电机的可访问的终端和电池相连接 的，这样子的话，当按下手动开关后，CAN模块就可以和直流电动机一起启动了。 最后，泵是包括两个出口的，其中一个分成两个分别连接到梭阀上，另外一 个被用于和压力计一起测量压力值。手动开关被安装在仪表板，用以激活一个 连接电源的直流电机的继电器，一个可导轨被用于修正CAN模块和继电器的位置， 图片3显示了分布在躯干上的每个部件。 图片3：电动液压制动系统 的位置 但是，同时地，有一些问题必须解决，首先，当制动系统工作时，液箱是通 过一个口塞保持关闭状态的，但是，当汽车停住的时候，制动液就会慢慢地从 原来的液箱流向泵的液箱。这是由于基本的流体静力学所确定的，因为泵是被 安装在低于原来的制动液箱的地方的。就这样，制动液会慢慢地穿过梭阀，箱 液就会通过口塞慢慢溢出。要想解决这个问题，我们可以把液箱加满到极限状 态，并且使用一个不透水塞来避免溢出。但是，这样做的话，又会带来一个新 的问题：那就是当泵处于非接连状态时，电路中仍然会有一个很小的压力存在。 这个小压力会不断增大，至到大到造成一个作用力作用在刹车皮上，最后会造 成汽车的永久制动。妥协方案通过一个管将两个缸连接起来，需要将管插入到 不透水的穿孔中，这样子的话，在旧缸上的穿气孔就会承担起必要的连同作用。 结果就是，泵缸就被充满，而溢出的水也会通过管道流回原来的液箱当中去。 我们可以从图片3中看到如何安装管道。 4. 制动系统的测试 图片4是我们进行测试的地图，我们可以看到，测试时我们有直路段，弯路 段，以及90度的十字路口断，结合起来，代表了城市的所有路段。最长的直路 段是用来测试我们的制动系统的，因为我们测试的目的就是观察制动系统在刹 车过程中的表现。 道路的两端，我们都设置有迂回路段，测试的汽车最初就是停在那里。开始 测试后，汽车开始加速，到达刹车点处要求速度达46千米每小时，从开始到刹 车点这段距离约为100米，在这100米的加速当中，汽车将会是在电脑软件的操 纵下自动驾驶的。 （图片4：汽车测试图） 当汽车到达刹车点（如图4），电脑就会下达新的速度指令-0千米每小时， 即开始刹车。从这时候开始，作用在汽车上的只有摩擦力，刹车力开始可以被 估算。 首先，我们需要作出对比组，我们会先使用原来的刹车系统进行测试，观察 在人为控制的情况下汽车对刹车作出的反应（图片5）。从图片上可以看到，速 度一直在改变，在自动模式下，汽车的前13秒是自动加速的，然后我们可以看 到图片上出现一个大的坡度变化，因为这时候汽车开始刹车，我们可以从这里 开始根据图片研究汽车的刹车反应。第一张图片我们可以看到，没有刹车力的 情况下，汽车速度会慢慢降低，在大约24秒的时候，在变速箱的作用下，我们 可以看到斜率有了改变，从中间的图片上，我们可以当汽车驾驶员使用“温柔” 的刹车力时，汽车的反应，在这种情况下，从刹车到汽车停止，汽车前进了50 米，也就是说刹车距离为50米，而下面的图片则是汽车驾驶员用力刹车情况下 的汽车反应，设置这样的对比项，目的是观察不同驾驶习惯下汽车的刹车反应。 图片5：手动刹车测试 图片6显示了自动刹车系统工作下的汽车刹车反应，我们可以拿这个与图片5 的作比较。和之前的一样，第一部分的实验还是经由电脑控制的，通过控制电 子比例显示器的不同工作状态，我们得到了这样的实验结果。 图片6：自动刹车测试 电液泵的最大压力是160，当电液泵在这个压力下工作时，电子比例显示器 将会100%打开。图片7显示了经由实验确定的电液泵压力值与电子比例显示器工 作比例之间的关系，我们可以观察到，两者之间的关系趋近于线性比例，所以， 我们可以推断出，刹车系统由控制变量生成一个线性相关的压力变量，其工作 输出电压在0到10伏之间。 压力比例，或者说，电子比例显示器开放率，在试验中是起到以下作用的： 当比例达10%时，对应的是非常轻的刹车，20%时，有点类似与手动刹车中的轻 柔刹车，但是它多了一个均匀的速度降低，30%时，我们可以将此时的汽车参数 与手动刹车中的用力刹车相比，40%时，对应的是紧急刹车中的非常用力的刹车， 在这种情况下的自动刹车，比手动驾驶中人们想象的非常用力的刹车还有用力， 超过40%，绝大多数情况下是不会被使用的，因为它被认为会对乘客造成非常不 舒服的感觉。 试验结果我们可以看到，自动刹车系统有着非常良好的刹车表现，甚至可以 说，比手动刹车的效果还要好，因为，自动刹车系统是线性减低速度的。 5. 自动制动控制 在完成自动刹车系统的安装于测试之后，接下来，我们需要将其与自动驾驶 车辆相结合。AUTOPIA项目中的东风雪铁龙C3无论在纵向控制还是横向控制上， 都已经实现了自动，但是，唯独油门，仍然需要人为控制，而且，控制效果还 不是十分理想。 优秀的纵向操作要求节流阀和刹车踏板之间合作良好，AUTOPIA团队的成员 已经将自动刹车系统应用到两辆雪铁龙贝林戈大篷货车内，在这两辆车的情况 下，汽车是通过电动机操作滑轮推动踏板来实现制动的。由于这种方法很容易 出错，更新颖的控制方法已经开始被研发出来，即使这样，安装在雪铁龙贝林 戈大篷货车内的基础逻辑的模糊化自动控制系统还是很容易被一直到雪铁龙C3 上面的，因为系统输出归一化，输出值设置在0和1之间，0就是没有刹车，1就 是最大刹车。 根据图片6，我们可以将实验结果与图片5的人工刹车结果相对比，然后估测 出自动刹车系统在不同刹车目标下的刹车表现。根据对比结果，我们将这个模 糊化控制器被设置为40%的压力上限，以保护乘客。 图片8显示了在自动刹车试