純電動自動駕駛觀光車的制動防抱死系統設計與研究

程泊靜，陳 剛，陳 標，李治國

（湖南汽車工程職業學院，湖南 株洲412000）

隨著科技的發展，自動駕駛技術得到了社會越來越多的關注。制動系統是車輛最關鍵的安全系統之一，車輛要實現自動駕駛首先要確保制動系統的穩定性和安全性。依據目前的有人駕駛的純電動觀光車駕駛平臺進行自動駕駛的純電動觀光車駕駛平臺改造工程，對自動駕駛技術發展具有重要意義。汽車制動防抱死系統，英文簡稱ABS，是提高汽車制動安全性的一個重要技術。ABS由汽車微電腦控制，當車輛制動時，它能使車輪保持轉動，從而幫助駕駛員控制車輛達到安全的停車[1]。這種防抱制動系統是用速度傳感器檢測車輪速度，然后把車輪速度信號傳送到微電腦里，微電腦根據輸入車輪速度，通過重復地減少或增加在輪子上的制動壓力來控制車輪的打滑率，保持車輪轉動。在制動過程中保持車輪轉動，不但可保證控制行駛方向的能力，而且，在大部分路面情況下，與抱死（鎖死）車輪相比，能提供更高的制動力量。

1 純電動自動駕駛觀光車的制動系統改造方案

1.1自動駕駛整體方案設計

現如今液壓制動技術已經相當成熟[2]，對試驗車輛液壓制動系統進行自動化改造應不影響現有的制動性能。

為使純電動觀光車能夠自動駕駛，首先需要給出整體方案設計（圖1）。上層決策模塊主要功能包括環境感知、環境建模和路徑規劃。其中環境感知模塊通過外部環境感知傳感器，如激光雷達[3]、攝像機、紅外相機、夜視設備、毫米波雷達等，獲取前方及周圍行駛環境信息[4]。本試驗車輛使用激光雷達和毫米波雷達進行環境感知，通過兩種雷達的信息融合，得到當前環境的行駛現狀。路徑規劃模塊根據這些信息結合當前車輛設定的行駛任務進行局部路徑規劃，從而得到期望的行駛路徑軌跡。當行駛路徑軌跡規劃完成，車輛控制模塊會根據上層發出的信息結合車輛當前位置狀態，計算出車輛縱向和橫向控制的具體要求。最后具體的控制要求會輸入相應的模塊去進行執行。

圖1 自動駕駛整體方案設計

1.2制動系統改造方案

目前國內學者對自動駕駛汽車的制動系統改造提出了多種方案。例如，電控制動、電控氣壓制動、雙回路電控-液壓制動[5]等等。本文研究的對象是純電動觀光車（圖2），原車制動系統結構簡單，在設計改造方案的過程中考慮到實用性和未來產業化的經濟性，最終選擇加裝機械機構拉動制動踏板，并使用電機控制機械機構的方案。執行機構是該自動駕駛車輛制動系統中直接操縱制動踏板的關鍵部件，為保證方案的順利實施和未來產業化的可能。因此設計方案應遵循如下原則：

（1）自動駕駛時，能良好執行控制命令。

（2）人工接管時對駕駛員干擾小。

（3）該機構可靠性高、故障率低。

（4）適當降低成本。

圖2 觀光車實物圖

根據設計方案的要求，設計出了如圖3所示的執行機構。

圖3 執行機構示意圖

電機是電動推桿的動力來源是該執行機構的核心部件，也是該電動觀光車實現自動制動過程中被控制的機構。考慮到設計方案的需求，電機的選擇應盡量成本低、故障率低、執行可靠。

2 純電動自動駕駛觀光車的制動防抱死系統設計

制動防抱死系統（ABS）可以有效避免車輛在緊急制動時車輪因抱死而導致失控的狀況，從而提高車輛制動的安全性能。在對該車輛進行制動防抱死系統改造時應先進行模擬仿真試驗。

2.1輪胎模型的建立

為了便于問題的研究，假設整個汽車的重量由一個車輪承擔如圖4所示，可得出下列方程：

車輪縱向摩擦力：Fxb=μFN＝μmg

其中：m為1/4車輛質量；u為車輛行駛速度；μ為路面附著系數；FN為車輪對地面的正壓力；Fx為車輪受到地面的阻力；Iw為車輪轉動慣量；r為車輪滾動半徑；Fb為車輪制動器制動力矩；w為車輪角減速度。

圖4 車輪受力模型

2.2分段線性模型

輪胎采用簡單的雙線性模型，如圖5所示，輪胎模型可以表達為：

上式中，μ為峰值附著系數；μh為最佳滑移率，即峰值附著滑移率；μg為車輪抱死時的附著系數；Sb為車輪滑移率。

圖5 輪胎雙線性模型

3 MATLAB仿真試驗

3.1控制流程模型

汽車在防抱死的過程中，以滑移率為控制參數，其主控目的是使車輪的滑移率盡可能接近或等于最佳滑移率0.2，上面的動力模型參數由表1給出，設定的附著系數分別為μh=0.8，μg=0.6并且此時設定Smin=0.18，Smax=0.22.控制流程模型如圖6所示。

表1 動力模型參數表

圖6 控制流程模型

3.2 SIMULINK搭建模型

運用SIMULINK搭建仿真模型如下圖7所示。

圖7 SIMULINK仿真模型

因為在驅動時是如圖8，首先通過辨識出來的車身速度和輪速，計算出當時的滑移率，隨著車子前進，車速和輪速不斷變化，滑移率也不斷變化。隨滑移率的改變而發生了改變如圖9.

圖8 SIMULINK仿真-速度與滑移率

圖9 SIMULINK仿真-滑移率與附著系數

隨著滑移率的變化，根據滑移率和附著系數的曲線圖，附著系數會發生相應的變化。

MATLAB中用Switch模塊來進行這個變化的仿真。此時取S0=0.2，當滑移率進來，Switch模塊進行判定，當S＞0.2時，上面的通道導通，即功能模塊圖6中功能模塊Fcn器起作用，里面的公式為：當時，下面的功能模塊 Fcn1起作用，里面公式為

4 仿真結果分析與結論

從圖10中可以看出，輪速和車速的差值始終保持一定的速度差，使車速保持平穩的速度下降。輪速在一開始急剎車制動時急劇下降，當滑移率過大時，系統減壓，制動力減小，輪速開始回升，這樣有效的防止車輪抱死的情況發生。其中A線為車輪速度，B線為車身速度。

圖10 車輪-車身速度曲線

裝載ABS后制動距離預測結果如圖11所示。

圖11 制動距離曲線

通過對仿真結果分析，發現如果將現有車輛的制動系統裝載制動防抱死系統將能很好地控制車速，獲得很好的制動性能。

本文描述了該純電動自動駕駛觀光車的整個改造方案設計，進一步詳細論述了其制動系統改造方案設計。通過MATLAB/SIMULINK仿真平臺上模型的搭建完成了對該純電動自動駕駛觀光車裝載制動防抱死系統的計算仿真，為后續的改造方案實施提供了指導意義。

參考文獻：

[1]王偉達，丁能根，張 為，等.ABS邏輯門限值自調整控制方法研究與試驗驗證[J].機械工程學報，2010，46（22）：90-95，104.

[2]高 吉.新型電子液壓制動系統研究[D].長春：吉林大學，2016.

[3]王世峰，戴 祥，徐 寧，等.無人駕駛汽車環境感知技術綜述[J].長春理工大學學報（自然科學版），2017，40（01）：1-6.

[4]朱 敏，陳慧巖，熊光明.無人駕駛輪式車輛電控氣壓制動技術，研究[J].兵工學報，2015，36（11）：2017-2023.

[5]陳慧巖，張瑞琳，朱曉龍，等.越野無人駕駛車雙回路電控-液壓制動系統設計及試驗[J].北京理工大學學報，2016，36（07）：695-700.