基于無人駕駛汽車的線控制動裝置的設計與控制

羅洋坤

（湖南汽車工程職業學院，湖南 株洲 412000）

1 引言

無人駕駛汽車利用智能傳感器技術、定位導航技術、通信技術等通過計算機依據所獲取的道路信息、車輛位置信息和障礙物信息做出分析和判斷，并向底盤線控執行機構發送控制指令來控制車輛速度和轉向[1-2]。其中車輛速度包括加速、減速、制動控制操作，是無人駕駛汽車線控技術最難的一部分。當前線控制動技術已成為智能汽車行業發展的主流，為汽車產業的發展帶來新的方向。目前線控制動控制技術主要包括有電子機械線控制動和液壓式線控制動控制[3]。采用的線控技術路線是將電子系統和液壓系統相結合，是新一代機電一體化線控系統，改變了原車制動系統的結構，其控制方法和策略更為復雜。如大陸公司（Continental）的電子液壓制動系統MKC1，將制動助力結構與液壓控制單元集成為一體[4]。博世公司成功開發出iBooster系統，采用機電伺服助力機構，是剎車控制系統的集合[5]。袁莉對汽車線控制動操縱系統進行了設計與研究，設計開發了一種新型電動制動裝置，該裝置結構簡單、工作可靠、性能穩定、控制準確[6]。孫惠萍通過線控技術設計了一款線控制動踏板裝置，對其結構和控制進行了仿真和分析[7]。在國內清華大學、吉林大學等高校學者對線控制動理論及控制提出了新的方法。通過參考以上文獻資料，本線控制動裝置的研究及設計提出了新的技術路線，在原車制動器的基礎上加裝一套線控制動的電子控制機械機構，既不影響原車制動系統結構和制動功能，又能通過該裝置實現線控制動控制。對比現有的線控制動技術，該裝置設計結構簡單、性能穩定可靠，為智能汽車線控技術開拓了新思路[8]。

2 線控制動裝置設計

2.1 線控制動裝置結構設計

無人駕駛汽車線控制動裝置在沒有改變原車制動系統的情況下，采用步進電機驅動蝸桿傳動、蝸桿帶動蝸輪轉動、蝸輪帶動齒套運動、齒套帶動推桿運動來實現制動過程。其結構設計主要包括制動踏板機構、真空助力裝置（包括制動閥推桿）、活動齒套外罩、活動驅動齒套、步進電機、蝸桿傳動裝置（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 線控制動裝置結構及名稱圖

2.2 線控制動控制電路設計

線控制動控制電路主要由電源轉換電路、主控電路、CAN通信轉換電路、電機驅動電路等，如圖2所示。

圖2 線控制動控制電路方框圖

電源轉換采用開關穩壓器LM22676實現高效高壓降壓穩壓器，為主控芯片、電機驅動電路、CAN接口電路提供DC5V電源。主控電路選用AT90CAN64主控芯片，根據線控制動裝置功能和要求，編寫程序來控制步進電機驅動電路，同時通過CAN總線與上位機進行通信。電機驅動電路由電橋驅動控制芯片BTN8982和單路反相器組成，采用PWM技術控制步進電機順時針/逆時針來驅動蝸桿傳動機構運動實現線控制動控制。CAN轉換電路接收來自上位機CAN信號，將TXD、RXD信號轉換為CAN規范差分信號輸出至主控電路。

3 線控制動裝置工作原理及控制

3.1 線控制動裝置制動工作原理及控制

（1）線控制動過程。車輛進入自動駕駛狀態，上位機通過CAN總線送指令給ECU控制器，ECU控制器根據報文信息驅動線控制動裝置步進電機正轉，步進驅動電機驅動蝸桿在同平面旋轉。渦輪的蝸輪限位塊與固定罩的渦輪限位腔相互限位，固定渦輪旋轉和上下位置，保持原位狀態。蝸桿順時針旋轉，帶動渦輪原位垂直向上原位旋轉，渦輪的蝸輪內齒旋轉驅動齒套向左移動，同步帶動推桿克服復位彈簧的阻力左移實現自動線控制動，如圖3所示。

圖3 線控制動裝置制動示意圖

（2）線控解除制動過程。當車輛在無人駕駛中需要解除線控制動時，ECU控制器根據報文信息驅動線控制動裝置步進電機反轉，步進電機同步驅動蝸桿傳動裝置帶動渦輪原位垂直向下旋轉，逆齒輪等速驅動齒條套向右移動。渦輪上的限位塊與渦輪限位腔相互限位，固定渦輪旋轉和上下位置，保持原位狀態。蝸桿逆時針旋轉，帶動渦輪原位垂直向上原位旋轉，同步渦輪內螺紋齒輪旋轉驅動活動驅動齒套向右移動，同步帶動閥推桿在復位彈簧的作用力下向右移動實現解除線控制動，如圖4所示。

圖4 線控制動裝置解除制動示意圖

3.2 線控制動裝置自鎖原理

無人駕駛中車輛隨時需要減速或制動，則需要線控制動機構動作時精準、穩定、可靠。由于蝸輪與蝸桿傳動兩軸交叉成90度，相互不平行不相交，其蝸輪力矩傳動是通過摩擦方式實現，蝸桿是主動件，蝸輪是被動件。當蝸輪與蝸桿摩擦角Φ較小時，蝸桿停止轉動，蝸輪則給蝸桿一個反向滑力，不能使蝸桿反向轉動，實現蝸桿自鎖，摩擦角越小，自鎖能力越強[9-10]，如圖5所示。

圖5 線控制動裝置自鎖示意圖

4 線控制動裝置電路工作原理及控制

無人駕駛汽車上位機對智能傳感器采取的環境信息進行處理，并依據信息結果進行決策判斷，確定合適的控制策略來控制車輛實現自動駕駛[11-12]。自動駕駛核心環節是線控制動，根據設計的線控制動裝置結構及原理，其控制過程是上位機通過CAN總線發送指令至CAN接口轉換電路，接口與本裝置的控制單元連接，控制單元的輸出與步進電機驅動單元的輸入連接，驅動單元的輸出與傳動單元的輸入連接。其工作原理是ECU獲取CAN轉換電路的差分信號，由主控芯片AT90CAN64的PB4端口輸出MOTO_EN信號，PB5端口同時輸出MOTO_PWM信號至單路反相器SN74LVC1G04輸入端、電橋驅動控制芯片BTN8982-Q1；電橋驅動控制芯片Q1檢測到 MOTO_EN使能信號和MOTO_PWM信號時，驅動步進電機順時針驅動蝸桿傳動機構旋轉實現自動制動。當電橋驅動控制芯片BTN8982-Q2檢測到MOTO_EN使能信號，同時檢測到單路反相器SN74LVC1G04將MOTO_PWM信號反相后輸出MOTO_PWM_R信號時，驅動步進電機逆時針驅動蝸桿傳動機構旋轉實現自動解除制動，如圖6所示。

圖6 線控制動裝置電路控制方框圖

5 結語

隨著線控制動技術不斷發展與完善，已逐漸成為汽車新技術發展的主流。相較于傳統制動方式，線控制動技術有著不可替代的優勢。線控制動裝置的設計是基于在原車制動裝置的基礎上進行改裝，通過在真空助力泵與制動閥推桿之間改造加裝步進電機和蝸桿傳動裝置，其設計簡單安全可靠，既保障了原車制動器的功能，又能實現線控制動，提高了無人駕駛汽車的安全性、穩定性和可操縱性。本線控制動裝置的設計為無人駕駛汽車線控制動提出了新的技術路線，為線控制動技術的實踐與應用研究提供積極的借鑒作用。