裴曉飛 陳禎福 武冬梅 吳學(xué)杰 褚端峰

（1.武漢理工大學(xué)，汽車工程學(xué)院，武漢 430070；2.武漢理工大學(xué)，智能交通中心，武漢 430070）

主題詞：無人駕駛汽車 串聯(lián)式制動 電液制動系統(tǒng) 壓力跟隨 臺架試驗

1 前言

無人駕駛是當前汽車研究的一個熱點方向，而制動性能直接影響無人駕駛汽車的安全性[1]。無人駕駛汽車的制動系統(tǒng)需要具有主動制動能力和硬件冗余結(jié)構(gòu)[2]。其中，硬件冗余是指包含2套獨立的制動壓力源和2套獨立供電的控制器，一旦主制動系統(tǒng)發(fā)生故障，備用制動系統(tǒng)需立即接管整車制動控制權(quán)，這與傳統(tǒng)汽車可由駕駛員踩下制動踏板來實施備用制動不同。帶有硬件冗余的制動系統(tǒng)將大幅提高無人駕駛汽車的可靠性和安全性。

在無人駕駛汽車發(fā)展的初期，主動制動的實現(xiàn)一般是在原車制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝機械裝置進行控制。西安交通大學(xué)的夸父Ⅱ號無人駕駛汽車在原車制動踏板處加裝電機，能夠在踏板上施加不低于500 N的載荷[3]。中科院先進制造技術(shù)研究所的“智能先鋒”無人車采用直流伺服電機直接驅(qū)動滾珠絲杠踩下制動踏板的方式實現(xiàn)主動制動[4]。西班牙AUTOPIA自動駕駛項目通過安裝的2個梭閥實現(xiàn)電液制動與人工制動的切換，兩套制動系統(tǒng)互不干擾[5]：電液制動系統(tǒng)主要由1個油泵和3個電磁閥組成，其中電液比例閥實際上真正控制油液壓力；2個梭閥都與ABS連接在一起，并由ABS實現(xiàn)制動力的分配。但是上述無人車用制動系統(tǒng)并沒有考慮到硬件冗余的問題。

汽車ESP系統(tǒng)依靠差動制動實現(xiàn)車身穩(wěn)定性控制，其液壓控制單元（Hydraulic Control Unit，HCU）具有一定的主動制動能力，壓力源是電機和柱塞泵[6-9]。而汽車電控液壓制動（EHB）系統(tǒng)基于線控技術(shù)發(fā)展而來，具有更強大的主動制動功能，非常適用于電動汽車和無人駕駛汽車[10-12]。目前，知名汽車零部件廠商相繼推出了自己的EHB系統(tǒng)。其中，博世公司主要以i-Booster為主打產(chǎn)品，大陸公司也在2016年將MK-C1小批量裝車在阿爾法羅密歐上。在國內(nèi)，清華大學(xué)、同濟大學(xué)、吉林大學(xué)等都對EHB系統(tǒng)自身的制動特性展開了研究[13-16]。例如，清華大學(xué)的分布式EHB系統(tǒng)在4個車輪的輪缸處安裝了電機和滾珠絲杠機構(gòu)，通過活塞的往復(fù)運動實現(xiàn)輪缸的快速增、減壓。但是，目前將EHB系統(tǒng)應(yīng)用于無人駕駛汽車的研究并不多見。

本文根據(jù)ESP和EHB系統(tǒng)的特點，提出了串聯(lián)式硬件結(jié)構(gòu)方案。在控制軟件部分，分析了不同故障發(fā)生時由EHB系統(tǒng)向ESP系統(tǒng)切換的工作原理，并給出了主動制動系統(tǒng)的壓力跟隨控制策略。通過臺架試驗重點分析了兩種模式切換對整車制動性能的影響，并結(jié)合整車性能仿真對所搭建的串聯(lián)制動系統(tǒng)控制效果進行了評價。

2 串聯(lián)式制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

為了構(gòu)建硬件冗余的制動系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)有的可實現(xiàn)主動制動功能的解決方案，本文選擇將典型的ESP制動器與第二代豐田Prius上的EHB制動器在結(jié)構(gòu)上進行串聯(lián)，符合雙回路液壓制動系統(tǒng)的要求，如圖1所示。

圖1 串聯(lián)式制動結(jié)構(gòu)示意

圖1所示的串聯(lián)式制動方案采取以EHB為主，以ESP為輔的形式，每次只有1個系統(tǒng)參與實際工作。這是因為ESP系統(tǒng)本身并非為4輪制動設(shè)計，電機泵的排量無法滿足實時性需求，對于4個輪缸的首次建壓約有700 ms滯后。此外，柱塞泵的工作原理也導(dǎo)致離散的壓力脈動存在。而Prius的EHB系統(tǒng)采用高壓蓄能器作為靜態(tài)壓力源，壓力調(diào)節(jié)更加平穩(wěn)，同時，其設(shè)計容量滿足4輪建壓的需要，經(jīng)測試，0～9 MPa的建壓時間不超過70 ms。考慮到EHB建壓穩(wěn)定、延時短的特點，將其作為常規(guī)制動時的主控制器。

組成串聯(lián)結(jié)構(gòu)的兩套制動系統(tǒng)工作時應(yīng)以不相互干擾為前提，核心部件是模式切換電磁閥a、b。具體工作過程如下：

正常情況下只啟動EHB系統(tǒng)，此時將常開的模式切換閥a、b關(guān)閉。當無人駕駛汽車需要制動時，EHB系統(tǒng)內(nèi)的增壓閥1a～4a打開，減壓閥1a～4a關(guān)閉，制動液由高壓蓄能器直接流入輪缸增壓。當需要減壓時，增壓閥1a～4a關(guān)閉，減壓閥1a～4a打開，高壓制動液從輪缸經(jīng)過減壓閥流回儲油杯。制動系統(tǒng)保壓時，增壓閥1a～4a和減壓閥1a～4a同時關(guān)閉。

檢測到EHB系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，應(yīng)立即切換到ESP備用制動模式。此時模式切換閥a、b打開，啟動ESP電機泵將儲油杯中的制動液經(jīng)增壓閥1b～4b直接泵入各輪缸內(nèi)。減壓時制動液從輪缸經(jīng)過減壓閥1b～4b直接流回儲油杯。在保壓階段，將ESP系統(tǒng)的輪缸電磁閥1b～4b同時關(guān)閉即可。

上述方案可以從結(jié)構(gòu)上保證4輪輪缸壓力在兩種制動模式下，均能實現(xiàn)獨立調(diào)節(jié)。由于是在現(xiàn)有的EHB和ESP的HCU基礎(chǔ)上進行改造，因此，系統(tǒng)中的輪缸電磁閥存在冗余。

3 串聯(lián)式制動控制策略

3.1 協(xié)調(diào)控制層

在協(xié)調(diào)控制層中，需要在ESP和EHB兩種控制模式間合理決策。正常制動中默認使用EHB控制器，并對其自身潛在的故障點進行實時監(jiān)測；ESP控制器也接收來自上層控制器的期望壓力信號，但正常制動時不動作。接收到來自EHB控制器的模式切換指令，判斷出EHB系統(tǒng)故障無法工作時，ESP控制器接管對期望壓力的響應(yīng)。切換指令在每個EHB控制周期的末尾處發(fā)出，高電平代表EHB工作正常，低電平為故障。因此，ESP控制器將此開關(guān)量作為模式切換的判據(jù)，決定是否向其執(zhí)行器發(fā)出有效動作指令。協(xié)調(diào)控制策略如圖2所示。

準確而快速地判斷出EHB系統(tǒng)的故障，是制動模式切換的前提。EHB系統(tǒng)的故障主要集中于3個部分。

圖2 協(xié)調(diào)制動總體策略

一是壓力源部分故障，包括電機、油泵、蓄能器等故障，可基于蓄能器內(nèi)部壓力傳感器判斷。如果由于密封原因或不能正常補油，導(dǎo)致蓄能器無法達到或保持設(shè)定的壓力閾值，應(yīng)立即發(fā)出切換指令。如因電機泵致使蓄能器內(nèi)壓力過高，考慮到蓄能器作為壓力源能維持一定的制動次數(shù)，因此在非制動工況下完成對ESP控制器的過渡，避免引起制動時減速度的波動。

二是EHB輪缸電磁閥以及連接電磁閥出口的制動管路出現(xiàn)的故障，由于此時無法實現(xiàn)壓力跟隨，應(yīng)立即切換到ESP控制。該部分故障可以基于輪缸壓力傳感器的監(jiān)測值來判斷，即通過監(jiān)測增/減壓電磁閥開閉標志與輪缸壓力變化率的匹配程度判斷[17]。表1給出了輪缸壓力變化率與電磁閥開關(guān)標志匹配的故障診斷策略。其中，“+”代表ECU發(fā)送電磁閥打開指令，“-”代表ECU發(fā)送電磁閥關(guān)閉指令，dPc為輪缸壓力變化率，dPincrease為增壓變化率閾值，dPdecrease為減壓變化率閾值。切換閾值dPincrease和dPdecrease由正常工況下的增、減壓試驗標定。

表1 輪缸壓力變化率與電磁閥開關(guān)標志匹配故障檢測方法

三是車載電源1故障導(dǎo)致的EHB控制器供電問題。此時模式切換指令由高電平變?yōu)榈碗娖?，因此ESP控制器判斷其應(yīng)立即接管制動控制。

3.2 壓力跟隨層

對于EHB和ESP控制器的壓力閉環(huán)控制策略而言，兩者有很多相似之處，核心部分均是通過HCU中8個輪缸電磁閥的脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）控制實現(xiàn)制動壓力的精細調(diào)節(jié)。采用增量式PID算法改變PWM占空比，通過調(diào)節(jié)高速開關(guān)電磁閥的開度實現(xiàn)對輪缸增、減壓速率的控制。為了改善PID的控制品質(zhì)，特別是液壓系統(tǒng)的響應(yīng)滯后與超調(diào)，對PID算法進行如下改進：

a. 積分分離：當壓力誤差大于1 MPa時，采用純比例控制迅速減小控制偏差；當壓力誤差不大于1 MPa時，采用PI控制中的積分作用對穩(wěn)態(tài)誤差進行修正。

b.積分飽和：為了防止PID算法中的積分作用一直累積，導(dǎo)致電磁閥控制的振蕩或超調(diào)，引入了積分飽和控制。當控制變量進入飽和區(qū)后，限制積分項的繼續(xù)累加。

c. 死區(qū)控制：電磁閥存在控制死區(qū)，只有在有效占空比范圍內(nèi)，閥的開度才隨占空比變化，否則電磁閥會完全開啟或閉合?？紤]到液壓傳遞的滯后性，將占空比設(shè)計為提前進入死區(qū)范圍，防止超調(diào)。

d. 控制量復(fù)位：當HCU電磁閥在增壓/減壓/保壓狀態(tài)之間切換時，需要對PWM控制變量清零，避免在不同的狀態(tài)下控制量相互影響。

4 臺架試驗研究

4.1 試驗平臺搭建

串聯(lián)制動臺架主要由液壓執(zhí)行機構(gòu)和壓力控制單元構(gòu)成，如圖3所示。液壓執(zhí)行機構(gòu)主要有：ESP和EHB系統(tǒng)的HCU模塊、制動主缸、雙儲油杯、液壓管路、盤式制動器等。壓力控制單元包括：ESP和EHB的ECU模塊、壓力傳感器、雙通道穩(wěn)壓電源、CAN卡、LabVIEW數(shù)據(jù)采集界面等。其中，ECU模塊基于飛思卡爾XEP100單片機開發(fā)，集采集、控制、驅(qū)動為一體，控制周期為10 ms。作為無人駕駛汽車的底層控制器之一，除前文所述兩個系統(tǒng)對應(yīng)的協(xié)調(diào)控制和壓力跟隨程序外，還應(yīng)具備與上層控制器的實時通訊能力（CAN通訊）、信號處理能力（壓力信號濾波）及在線調(diào)試能力（LabVIEW上位機）。

圖3 制動臺架組成

4.2 EHB性能試驗

圖4給出了正常制動情況下，僅依靠EHB工作對0～4 MPa之間變階躍和斜坡信號的壓力跟隨結(jié)果。試驗中將蓄能器壓力設(shè)置為9 MPa，并且不通過電機泵對其補油。試驗結(jié)果表明，EHB制動時對于不同期望壓力都能實現(xiàn)快速、平穩(wěn)的跟隨效果，壓力跟隨誤差基本保持在0.1 MPa內(nèi)，系統(tǒng)響應(yīng)時間約為50 ms。因此，EHB的ECU作為底層執(zhí)行器ECU，能有效響應(yīng)上層ECU的控制指令。另外，還可觀察到，蓄能器中的制動液容量能夠滿足電機故障時不少于3次的連續(xù)制動需要。

圖4 EHB制動壓力跟隨結(jié)果

4.3 協(xié)調(diào)制動試驗

圖5給出了EHB與ESP串聯(lián)式制動系統(tǒng)對變階躍和斜坡信號的壓力跟隨試驗結(jié)果。結(jié)果表明，對于變階躍壓力工況，EHB系統(tǒng)在第2 s時發(fā)生故障而自動切換到ESP控制，過渡時間為710 ms，4 MPa時的超調(diào)量接近20%，這是因為管路中的制動液回流效應(yīng)對ESP壓力控制的干擾較大。而在斜坡壓力工況中，ESP接管后壓力沒有明顯超調(diào)，過渡時間為740 ms。同時在兩種工況中，EHB跟隨控制效果相較于ESP的制動壓力波動更小，這是由于兩者壓力源建壓方式的差異造成的，并且EHB的壓力控制更容易實現(xiàn)。

4.4 整車性能對比

將上述兩組帶模式切換的制動壓力輸入到CarSim中汽車的4路輪缸，比較不同制動工況下的汽車制動性能。以軟件自帶的某SUV型汽車為研究對象，將階躍壓力和斜坡壓力對應(yīng)工況的初始速度分別設(shè)為150 km/h和80 km/h，比較了理想制動、人工制動、帶制動切換和有故障條件下的制動時間和制動距離。其中有故障制動是指采用單一制動系統(tǒng)在第2 s時發(fā)生故障后，無人駕駛汽車由于喪失制動能力只能怠速滑行；人工制動指在理想制動的基礎(chǔ)上考慮1 s的駕駛員反應(yīng)時間；而帶切換制動則能充分利用硬件冗余和主動制動帶來的優(yōu)點，保證故障發(fā)生后汽車制動性能不受較大影響。仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖5 協(xié)調(diào)制動的壓力跟隨結(jié)果

圖6 階梯壓力下制動性能對比

圖7 斜坡壓力下制動性能對比

圖6、圖7結(jié)果表明，由于故障發(fā)生時模式切換時間的存在，帶有模式切換的制動時間和距離相比于無故障的理想制動工況均略有增加，但要好于無故障的人工制動工況。圖6中，帶有模式切換的制動時間較正常制動工況長0.6 s，較人工制動短0.4 s；如圖7所示，帶有模式切換的制動距離較正常制動條件下增加7 m，但比人工制動條件下縮短15 m。從圖6a、圖7a可知，制動模式切換時車輛減速度沒有明顯抖動，不會影響駕駛員瞬時的舒適性。此外，可以認為不具有硬件冗余結(jié)構(gòu)的制動系統(tǒng)在故障發(fā)生后無法保證無人駕駛汽車的制動安全性。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種以EHB系統(tǒng)為主，ESP系統(tǒng)作為備用的串聯(lián)式制動系統(tǒng)。臺架試驗表明，該系統(tǒng)在EHB主模式下具有較好的壓力跟隨效果，即使電機無法正常補油，依靠高壓蓄能器也能維持不少于3次的連續(xù)制動。同時，在制動模式切換時壓力平穩(wěn)變化，過渡時間未造成制動距離明顯增加，車輛減速過程也較為平滑。因此，所提出的系統(tǒng)能夠適應(yīng)無人駕駛汽車對于制動系統(tǒng)提出的新需求。下一階段將對其開展實車驗證。