羅洋坤

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南 株洲 412001）

0 引 言

智能駕駛汽車已成為國內(nèi)外車輛工程領(lǐng)域重點(diǎn)研究的對象，智能駕駛是一個(gè)集環(huán)境感知、智能決策、控制技術(shù)、路徑規(guī)劃、信息融合等技術(shù)于一體的高新技術(shù)綜合體。智能駕駛電動(dòng)觀光車作為研究對象之一，使用環(huán)境相對簡單，行駛路線相對固定，行駛速度低于15 km/h。目前，在智能駕駛低速電動(dòng)車領(lǐng)域缺少智能駕駛模式與人工駕駛模式間車輛線控制動(dòng)裝置的研究，因此，設(shè)計(jì)一套適用于智能制動(dòng)與人工制動(dòng)于一體的線控制動(dòng)裝置來提高智能駕駛低速電動(dòng)車制動(dòng)的可靠性和安全性。

1 線控制動(dòng)裝置方案設(shè)計(jì)

智能駕駛低速電動(dòng)車線控制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)方案源于電動(dòng)車制動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理，因電動(dòng)車行駛速度低，一般采用碟剎制動(dòng)方式，即通過液壓泵推動(dòng)剎車卡鉗從而加緊剎車片實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。在不改變原車制動(dòng)器結(jié)構(gòu)和制動(dòng)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合原車底盤結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，增加一套裝置來控制車輛制動(dòng)。經(jīng)研究分析，設(shè)計(jì)在人工模式和智能模式制動(dòng)中均與制動(dòng)主軸采用齒輪嚙合傳動(dòng)的方式進(jìn)行，與制動(dòng)主軸配合的人工模式制動(dòng)機(jī)構(gòu)和智能模式制動(dòng)機(jī)構(gòu)在ECU控制時(shí)擇一在電磁吸合作用下與制動(dòng)主軸發(fā)生嚙合傳動(dòng)。使制動(dòng)主軸在同一時(shí)期可在電磁吸合的作用下僅能通過人工模式或智能模式實(shí)現(xiàn)簡單、快速、可靠的切換制動(dòng)。線控制動(dòng)裝置控制流程如圖1所示。

圖1 線控制動(dòng)裝置控制流程

線控制動(dòng)裝置能根據(jù)上位機(jī)控制車輛在人工駕駛模式制動(dòng)和智能模式制動(dòng)間切換。工作在其中一模式時(shí)，ECU控制器通過CAN總線發(fā)送報(bào)文指令至制動(dòng)控制模塊，該模塊根據(jù)報(bào)文內(nèi)容控制齒輪型牙嵌式電磁離合器（以下簡稱電磁離合器）。制動(dòng)推桿電機(jī)受控于電磁離合器，如工作在人工狀態(tài)時(shí)，則不工作；工作在智能駕駛狀態(tài)時(shí)，則推動(dòng)制動(dòng)液壓泵主軸實(shí)現(xiàn)線控制動(dòng)。

2 線控制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

2.1 線控制動(dòng)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能駕駛電動(dòng)觀光車線控制動(dòng)裝置由制動(dòng)推桿電機(jī)、齒輪牙嵌式電磁離合器、電磁式感應(yīng)傳感器、制動(dòng)踏板傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、制動(dòng)主軸齒條、推桿電機(jī)齒條、回位彈簧等組成，如圖2所示。

圖2 線控制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

2.2 線控制動(dòng)裝置的工作原理及控制

2.2.1 智能駕駛模式下的線控制動(dòng)裝置工作原理及控制

低速電動(dòng)車通過上位機(jī)控制進(jìn)入智能駕駛模式，ECU實(shí)時(shí)發(fā)出報(bào)文指令控制電磁離合器處于常閉狀態(tài)，主動(dòng)齒輪與電磁離合器吸合。同時(shí)ECU實(shí)時(shí)控制電磁離合器處于常開，主動(dòng)齒輪與電磁線圈分離，ECU實(shí)時(shí)發(fā)出指令控制制動(dòng)推桿電機(jī)工作。智能駕駛模式下ECU模塊控制流程如圖3所示。

圖3 智能駕駛模式控制流程

（1）制動(dòng)推桿電機(jī)工作原理及控制

智能駕駛模式下推桿電機(jī)制動(dòng)過程：電磁離合器處于常閉狀態(tài)，主動(dòng)齒輪與電磁線圈吸合，推桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作時(shí)，電磁離合器雙齒輪同步；推桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)推桿電機(jī)齒條軸向右移動(dòng)，帶動(dòng)電磁離合器雙齒輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)制動(dòng)主齒條向左移動(dòng)；制動(dòng)主軸齒條克服回位彈簧阻力向左移動(dòng)；推桿電機(jī)齒條軸與電磁離合器，雙齒輪與制動(dòng)主軸齒條實(shí)現(xiàn)1∶1的驅(qū)動(dòng)力和等距傳遞；制動(dòng)主軸齒條連桿機(jī)構(gòu)推動(dòng)制動(dòng)液壓泵主軸實(shí)現(xiàn)車輛智能制動(dòng)，如圖4所示。

圖4 智能駕駛模式下制動(dòng)推桿電機(jī)制動(dòng)示意圖

（2）制動(dòng)踏板傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理及控制

電動(dòng)車工作在智能駕駛模式，ECU控制電磁離合器處于常開狀態(tài)；電磁離合器主齒輪與主軸、制動(dòng)踏板連桿機(jī)構(gòu)完全分離，無力矩傳遞；制動(dòng)踏板及制動(dòng)踏板連桿機(jī)構(gòu)、主軸機(jī)械機(jī)構(gòu)處于原位靜止?fàn)顟B(tài)。

2.2.2 人工駕駛模式下的線控制動(dòng)裝置工作原理及控制

低速電動(dòng)車由上位機(jī)控制進(jìn)入人工駕駛模式，ECU發(fā)出指令控制電磁離合器處于常開狀態(tài)，主齒輪與電磁線圈分離，同時(shí)制動(dòng)推桿電機(jī)不工作。ECU控制電磁離合器處于常閉，主齒輪與電磁線圈吸合。人工駕駛模式控制流程如圖5所示。

圖5 人工駕駛模式控制流程

（1）制動(dòng)踏板制動(dòng)工作原理及控制

當(dāng)車輛進(jìn)入人工駕駛模式時(shí)，制動(dòng)踏板工作過程如下：電磁離合器處于常閉狀態(tài)，主動(dòng)齒輪與電磁線圈吸合，當(dāng)人員踩下制動(dòng)踏板，電磁離合器與踏板主軸同步順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；制動(dòng)踏板推動(dòng)電磁離合器齒輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)制動(dòng)主齒條向左移動(dòng)；制動(dòng)主軸齒條克服回位彈簧阻力向左移動(dòng)；制動(dòng)踏板與電磁離合器，主齒輪與制動(dòng)主軸齒條實(shí)現(xiàn)1∶1的驅(qū)動(dòng)力和等距傳遞，如圖6所示。

圖6 人工駕駛模式下制動(dòng)踏板制動(dòng)示意圖

（2）推桿電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理及控制

此時(shí)因車輛處于人工駕駛模式，電磁離合器由ECU控制處于常開狀態(tài)，電磁離合器主齒輪與制動(dòng)主軸齒條完全分離，推桿電機(jī)齒條軸與制動(dòng)推桿電機(jī)原位靜止。

3 緊急線控制動(dòng)部件的設(shè)計(jì)及控制

3.1 緊急線控制動(dòng)部件設(shè)計(jì)

制動(dòng)機(jī)構(gòu)作為底層制動(dòng)系統(tǒng)的一部分，與車輛的安全運(yùn)行息息相關(guān)。在人工駕駛模式下因車輛故障、失控或其他情況等可以實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)，而在智能駕駛模式下，當(dāng)車輛避障傳感器存在盲區(qū)或智能傳感器工作異常的情況，車輛無法實(shí)現(xiàn)避障或緊急制動(dòng)，在此情況下需要人工干預(yù)，進(jìn)行駕駛模式切換和立即制動(dòng)。在緊急制動(dòng)模式中利用電磁感應(yīng)特性，經(jīng)電磁感應(yīng)及時(shí)捕捉制動(dòng)踏板連桿動(dòng)作，為ECU進(jìn)行后續(xù)駕駛模式切換提供精準(zhǔn)信號，使人工干預(yù)及時(shí)生效，迅速實(shí)現(xiàn)車輛制動(dòng)，保障車輛在智能駕駛過程中的安全。緊急線控制動(dòng)流程如圖7所示。

圖7 緊急線控制動(dòng)流程

3.2 緊急線控制動(dòng)工作原理及控制

在制動(dòng)踏板連桿的制動(dòng)動(dòng)作路徑中安裝電磁式傳感器，電磁式傳感器整體呈U形，永久磁鐵和信號線圈位于U形結(jié)構(gòu)的兩個(gè)端部，電磁式傳感器的U形凹槽可供制動(dòng)踏板連桿進(jìn)入和脫出，通過感應(yīng)制動(dòng)踏板連桿的進(jìn)入和脫出動(dòng)作來為ECU提供駕駛模式切換信號。制動(dòng)踏板與U形電磁式傳感器工作示意圖如圖8所示。

圖8 制動(dòng)踏板與U形電磁式傳感器工作示意圖

電磁式傳感器可輸出高電平“1”和低電平“0”兩種信號，即智能汽車在智能駕駛模式下時(shí)，制動(dòng)踏板連桿無動(dòng)作，處于脫出電磁式傳感器的狀態(tài)，此時(shí)，電磁式傳感器輸出低電平“0”；當(dāng)車輛工作在智能模式中且遇到需進(jìn)行緊急制動(dòng)的情況時(shí)，人工踩下制動(dòng)踏板，電磁式傳感器感應(yīng)到制動(dòng)踏板連桿動(dòng)作，輸出高電平“1”。此時(shí)，ECU接收到電磁式傳感器的信號變化，立即解除智能模式制動(dòng)，并進(jìn)一步控制制動(dòng)控制模塊，而制動(dòng)踏板連桿在進(jìn)入電磁式傳感器后可立即脫出，電磁式傳感器輸出的信號將由高電平“1”跳轉(zhuǎn)至低電平“0”。ECU接收到該低電平“0”信號后，制動(dòng)控制模塊進(jìn)入人工駕駛模式，電磁式傳感器由ECU控制復(fù)位至初始狀態(tài)，以保障車輛在緊急狀態(tài)下的安全。

4 結(jié) 語

低速電動(dòng)車線控制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)充分利用了電磁感應(yīng)特性、電磁的吸合特性及齒輪嚙合的傳動(dòng)性能，在不改變原車制動(dòng)裝置的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了線控制動(dòng)在人工模式制動(dòng)和智能模式制動(dòng)間的快速、可靠切換。線控制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)簡單巧妙，不僅能進(jìn)一步提高低速電動(dòng)車在智能駕駛中的可靠性和安全性，也推動(dòng)了線控制動(dòng)技術(shù)在智能駕駛中的驗(yàn)證和應(yīng)用，有利于推動(dòng)無人駕駛汽車智能化技術(shù)的發(fā)展。