羅洋坤

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南 株洲 412000）

1 引言

無(wú)人駕駛汽車?yán)弥悄軅鞲衅骷夹g(shù)、定位導(dǎo)航技術(shù)、通信技術(shù)等通過(guò)計(jì)算機(jī)依據(jù)所獲取的道路信息、車輛位置信息和障礙物信息做出分析和判斷，并向底盤線控執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送控制指令來(lái)控制車輛速度和轉(zhuǎn)向[1-2]。其中車輛速度包括加速、減速、制動(dòng)控制操作，是無(wú)人駕駛汽車線控技術(shù)最難的一部分。當(dāng)前線控制動(dòng)技術(shù)已成為智能汽車行業(yè)發(fā)展的主流，為汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)新的方向。目前線控制動(dòng)控制技術(shù)主要包括有電子機(jī)械線控制動(dòng)和液壓式線控制動(dòng)控制[3]。采用的線控技術(shù)路線是將電子系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)相結(jié)合，是新一代機(jī)電一體化線控系統(tǒng)，改變了原車制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其控制方法和策略更為復(fù)雜。如大陸公司（Continental）的電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)MKC1，將制動(dòng)助力結(jié)構(gòu)與液壓控制單元集成為一體[4]。博世公司成功開(kāi)發(fā)出iBooster系統(tǒng)，采用機(jī)電伺服助力機(jī)構(gòu)，是剎車控制系統(tǒng)的集合[5]。袁莉?qū)ζ嚲€控制動(dòng)操縱系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種新型電動(dòng)制動(dòng)裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、性能穩(wěn)定、控制準(zhǔn)確[6]。孫惠萍通過(guò)線控技術(shù)設(shè)計(jì)了一款線控制動(dòng)踏板裝置，對(duì)其結(jié)構(gòu)和控制進(jìn)行了仿真和分析[7]。在國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、吉林大學(xué)等高校學(xué)者對(duì)線控制動(dòng)理論及控制提出了新的方法。通過(guò)參考以上文獻(xiàn)資料，本線控制動(dòng)裝置的研究及設(shè)計(jì)提出了新的技術(shù)路線，在原車制動(dòng)器的基礎(chǔ)上加裝一套線控制動(dòng)的電子控制機(jī)械機(jī)構(gòu)，既不影響原車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和制動(dòng)功能，又能通過(guò)該裝置實(shí)現(xiàn)線控制動(dòng)控制。對(duì)比現(xiàn)有的線控制動(dòng)技術(shù)，該裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定可靠，為智能汽車線控技術(shù)開(kāi)拓了新思路[8]。

2 線控制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

2.1 線控制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)人駕駛汽車線控制動(dòng)裝置在沒(méi)有改變?cè)囍苿?dòng)系統(tǒng)的情況下，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿傳動(dòng)、蝸桿帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)、蝸輪帶動(dòng)齒套運(yùn)動(dòng)、齒套帶動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)過(guò)程。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)、真空助力裝置（包括制動(dòng)閥推桿）、活動(dòng)齒套外罩、活動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒套、步進(jìn)電機(jī)、蝸桿傳動(dòng)裝置（包括蝸桿、渦輪）、渦輪限位塊、渦輪限位腔組成，如圖1所示。

圖1 線控制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)及名稱圖

2.2 線控制動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

線控制動(dòng)控制電路主要由電源轉(zhuǎn)換電路、主控電路、CAN通信轉(zhuǎn)換電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等，如圖2所示。

圖2 線控制動(dòng)控制電路方框圖

電源轉(zhuǎn)換采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器LM22676實(shí)現(xiàn)高效高壓降壓穩(wěn)壓器，為主控芯片、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、CAN接口電路提供DC5V電源。主控電路選用AT90CAN64主控芯片，根據(jù)線控制動(dòng)裝置功能和要求，編寫程序來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)通過(guò)CAN總線與上位機(jī)進(jìn)行通信。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由電橋驅(qū)動(dòng)控制芯片BTN8982和單路反相器組成，采用PWM技術(shù)控制步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針/逆時(shí)針來(lái)驅(qū)動(dòng)蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)線控制動(dòng)控制。CAN轉(zhuǎn)換電路接收來(lái)自上位機(jī)CAN信號(hào)，將TXD、RXD信號(hào)轉(zhuǎn)換為CAN規(guī)范差分信號(hào)輸出至主控電路。

3 線控制動(dòng)裝置工作原理及控制

3.1 線控制動(dòng)裝置制動(dòng)工作原理及控制

（1）線控制動(dòng)過(guò)程。車輛進(jìn)入自動(dòng)駕駛狀態(tài)，上位機(jī)通過(guò)CAN總線送指令給ECU控制器，ECU控制器根據(jù)報(bào)文信息驅(qū)動(dòng)線控制動(dòng)裝置步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿在同平面旋轉(zhuǎn)。渦輪的蝸輪限位塊與固定罩的渦輪限位腔相互限位，固定渦輪旋轉(zhuǎn)和上下位置，保持原位狀態(tài)。蝸桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)渦輪原位垂直向上原位旋轉(zhuǎn)，渦輪的蝸輪內(nèi)齒旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)齒套向左移動(dòng)，同步帶動(dòng)推桿克服復(fù)位彈簧的阻力左移實(shí)現(xiàn)自動(dòng)線控制動(dòng)，如圖3所示。

圖3 線控制動(dòng)裝置制動(dòng)示意圖

（2）線控解除制動(dòng)過(guò)程。當(dāng)車輛在無(wú)人駕駛中需要解除線控制動(dòng)時(shí)，ECU控制器根據(jù)報(bào)文信息驅(qū)動(dòng)線控制動(dòng)裝置步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)蝸桿傳動(dòng)裝置帶動(dòng)渦輪原位垂直向下旋轉(zhuǎn)，逆齒輪等速驅(qū)動(dòng)齒條套向右移動(dòng)。渦輪上的限位塊與渦輪限位腔相互限位，固定渦輪旋轉(zhuǎn)和上下位置，保持原位狀態(tài)。蝸桿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)渦輪原位垂直向上原位旋轉(zhuǎn)，同步渦輪內(nèi)螺紋齒輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)活動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒套向右移動(dòng)，同步帶動(dòng)閥推桿在復(fù)位彈簧的作用力下向右移動(dòng)實(shí)現(xiàn)解除線控制動(dòng)，如圖4所示。

圖4 線控制動(dòng)裝置解除制動(dòng)示意圖

3.2 線控制動(dòng)裝置自鎖原理

無(wú)人駕駛中車輛隨時(shí)需要減速或制動(dòng)，則需要線控制動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)精準(zhǔn)、穩(wěn)定、可靠。由于蝸輪與蝸桿傳動(dòng)兩軸交叉成90度，相互不平行不相交，其蝸輪力矩傳動(dòng)是通過(guò)摩擦方式實(shí)現(xiàn)，蝸桿是主動(dòng)件，蝸輪是被動(dòng)件。當(dāng)蝸輪與蝸桿摩擦角Φ較小時(shí)，蝸桿停止轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪則給蝸桿一個(gè)反向滑力，不能使蝸桿反向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)蝸桿自鎖，摩擦角越小，自鎖能力越強(qiáng)[9-10]，如圖5所示。

圖5 線控制動(dòng)裝置自鎖示意圖

4 線控制動(dòng)裝置電路工作原理及控制

無(wú)人駕駛汽車上位機(jī)對(duì)智能傳感器采取的環(huán)境信息進(jìn)行處理，并依據(jù)信息結(jié)果進(jìn)行決策判斷，確定合適的控制策略來(lái)控制車輛實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛[11-12]。自動(dòng)駕駛核心環(huán)節(jié)是線控制動(dòng)，根據(jù)設(shè)計(jì)的線控制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)及原理，其控制過(guò)程是上位機(jī)通過(guò)CAN總線發(fā)送指令至CAN接口轉(zhuǎn)換電路，接口與本裝置的控制單元連接，控制單元的輸出與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的輸入連接，驅(qū)動(dòng)單元的輸出與傳動(dòng)單元的輸入連接。其工作原理是ECU獲取CAN轉(zhuǎn)換電路的差分信號(hào)，由主控芯片AT90CAN64的PB4端口輸出MOTO_EN信號(hào)，PB5端口同時(shí)輸出MOTO_PWM信號(hào)至單路反相器SN74LVC1G04輸入端、電橋驅(qū)動(dòng)控制芯片BTN8982-Q1；電橋驅(qū)動(dòng)控制芯片Q1檢測(cè)到 MOTO_EN使能信號(hào)和MOTO_PWM信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針驅(qū)動(dòng)蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制動(dòng)。當(dāng)電橋驅(qū)動(dòng)控制芯片BTN8982-Q2檢測(cè)到MOTO_EN使能信號(hào)，同時(shí)檢測(cè)到單路反相器SN74LVC1G04將MOTO_PWM信號(hào)反相后輸出MOTO_PWM_R信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針驅(qū)動(dòng)蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)解除制動(dòng)，如圖6所示。

圖6 線控制動(dòng)裝置電路控制方框圖

5 結(jié)語(yǔ)

隨著線控制動(dòng)技術(shù)不斷發(fā)展與完善，已逐漸成為汽車新技術(shù)發(fā)展的主流。相較于傳統(tǒng)制動(dòng)方式，線控制動(dòng)技術(shù)有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。線控制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)是基于在原車制動(dòng)裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，通過(guò)在真空助力泵與制動(dòng)閥推桿之間改造加裝步進(jìn)電機(jī)和蝸桿傳動(dòng)裝置，其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單安全可靠，既保障了原車制動(dòng)器的功能，又能實(shí)現(xiàn)線控制動(dòng)，提高了無(wú)人駕駛汽車的安全性、穩(wěn)定性和可操縱性。本線控制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)為無(wú)人駕駛汽車線控制動(dòng)提出了新的技術(shù)路線，為線控制動(dòng)技術(shù)的實(shí)踐與應(yīng)用研究提供積極的借鑒作用。