一種線控制動系統失靈條件下車輛制動裝置的設計

朱 冬 王俊程 劉國鋒 陳雅璇 玄梓昆

（東北林業大學交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

隨著傳感器與網絡技術的快速發展，汽車線控技術已成為目前汽車控制技術的研究熱點。汽車線控制動系統是用線控電子機械制動器代替了代替液壓的制動系統[1]。目前，線控制動系統存在控制技術難度大、電子元件干易受干擾等問題，不利于駕駛者操作，影響駕駛者的應用體驗[2]。汽車在高速行駛時每秒都會行進幾十米的距離，若此時電路失效引發制動失靈，則汽車無法安全制動，給乘客帶來極大的安全隱患。為同時滿足制動響應速度和可靠性要求，需要采用電子線控制動系統與常規制動系統結合的方案，以提高行駛的安全性[3]。該文介紹了一種線控制動系統失靈條件下車輛制動裝置，可在電子線控制動系統失效的狀態下，繼續使用駐車制動器，以機械的方式實現制動，以達到減速停車的目的。這樣將會大大減少汽車制動失靈之后，發生追尾事故的概率，保證車內人員的安全，并彌補了電子自動控制的缺陷。

1 總體結構

1.1 結構組成

該文設計的線控制動系統失靈條件下車輛制動裝置由駐車制動器、超聲波測距傳感器模塊、加速度傳感模塊、驅動模塊、控制模塊組成，總體結構圖如圖1所示。

圖1 線控制動系統失靈條件下車輛制動裝置

超聲波測距傳感器模塊安裝在加速踏板和制動踏板后方；超聲波測距傳感器模塊（HC-SR04）包括一對超聲波信號發射與接收二極管，其基本工作原理：模塊自動發送8個40kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。測試距離 =高電平時間 × 聲速（340m/s）/2； 因此在放置好超聲波測距模塊后，測量超聲波測距模塊與制動踏板踩踏至最深處的距離、超聲波測距模塊與加速踏板初始距離。當超聲波測距模塊檢測到制動踏板踩踏至最深處時，則駕駛者進行緊急制動。當超聲波測距模塊檢測與加速踏板初始距離改變時，則駕駛者進行加速，表明駕駛者無制動意愿，若裝置已啟動則停止裝置。

裝置中只有1個超聲波測距模塊，在制動踏板時可能會出現意外啟動且無法停止的情況，為了避免這種情況的發生，該裝置增加了1個超聲波測距模塊于加速踏板后方，以提高裝置的控制可靠性。

設定該文選用的超聲波測距傳感器模塊參數見表1。

表1 超聲波測距模塊參數

控制模塊通過繼電器與驅動電機相連；控制模塊為1塊基于ARM的微型電腦主板，以SD/MicroSD卡為內存硬盤，外圍接口外引40個管腳（可供串口、GPIO、I2C、SPI等調試用），有USB口（可接鼠標及鍵盤等USB接口設備）、HDMI視頻口接顯示器以及網絡口等豐富的外圍接口，可以滿足裝置使用要求。超聲波測距傳感器模塊的輸出引腳接在主板的任意一個數字輸入引腳上，GND引腳接在主板的接地引腳，VCC引腳接在開發板的+5V引腳。加速度傳感器的輸出引腳接在主板的SDA、SCL引腳上。完成超聲波測距模塊、加速度傳感模塊和控制模塊的連接，經控制模塊判斷車輛是否制動失靈后，再由控制模塊控制驅動模塊進行車輛制動。

基于ARM的微型電腦主板

加速度傳感器模塊（JY901）位于控制模塊上方，通過 IIC 接口與控制模塊連接；模塊內部集成了姿態解算器，配合動態卡爾曼濾波算法，能夠在動態環境下準確輸出模塊的加速度，加速度測量精度 0.00005 g，穩定性極高。加速度傳感器模塊是判斷車輛是否制動失靈的關鍵部分，正常情況下新能源汽車的緊急制動加速度維持1g左右，加速度傳感模塊可以在車輛行駛狀態下實時檢測車輛的加速度，并將數據傳給控制模塊。控制模塊結合制動踏板的踩踏深度與車輛制動時的加速度判斷車輛是否發生制動失靈。

該文選用的加速度傳感器模塊參數見表2。

表2 加速度傳感器模塊參數

驅動模塊包括駐車制動器和驅動電機，驅動電機位于駐車制動器下方并與控制模塊相連，由汽車蓄電池供電，可以接收信號啟動駐車制動器。

1.2 功能設計

該裝置通過超聲波測距傳感器模塊測量踏板的踩踏深度、加速度傳感器測量汽車制動時的加速度。在加速踏板與制動踏板后方分別設置超聲波測距模塊，將與踏板的距離傳遞給控制模塊；加速度模塊設置在控制模塊上方，通過 IIC 接口將加速度信號傳遞給控制模塊；控制模塊與驅動模塊相連，傳遞裝置啟動與停止的信號；控制模塊通過接收到的制動踏板、加速踏板踩踏深度與汽車制動加速度來判斷是否發生制動失靈[4]。若發生制動失靈，則發送啟動信號，驅動模塊接收信號并啟動裝置，實現制動失靈狀態下的有效制動。

當駕駛者踩踏制動踏板時，加速度傳感器便開始檢測制動時的加速度。當制動踏板踩到最深處時，若測量的加速器小于正常制動加速度時，控制模塊控制驅動模塊啟動裝置開始制動[5]。在制動過程中，駕駛者可以通過踩踏加速踏板隨時停止制動。當車輛停止時，踩踏制動踏板至最深處，仍會啟動駐車制動器，可實現防溜車的功能。裝置模塊功能構架圖如圖2所示。

圖2 裝置模塊功能構架圖

2 應用

2.1 線控制動系統失靈時的制動功能

2.1.1 設計原理

安裝在加速踏板和制動踏板后的超聲波測距模塊包括超聲波發射模塊與超聲波接收模塊2個部分。在控制模塊上水平放置加速度傳感器模塊，來監測車輛的加速度。通過串口將超聲波測距模塊測出的距離與加速度傳感器模塊測出的加速度數據發給控制模塊，控制模塊就可以根據與目標的距離來判斷加速踏板與制動踏板的踩踏深度并結合制動時的加速度數據，判斷出車輛是否發生制動失靈，并通過驅動電動機達到制動的目的。當制動踏板踩踏至最深處且未踩踏加速踏板時，檢測的加速度為正常制動加速度時，控制模塊判斷當前狀況為制動功能正常，不啟動車輛制動裝置進行制動。當制動踏板踩踏至最深處且未踩踏加速踏板時，檢測的加速度非正常制動加速度時，控制模塊判斷當前狀況為制動失靈，通過驅動電動機進行制動。

2.1.2 運行過程

在車輛行駛過程中，與控制模塊連接的超聲波測距模塊全程測量與加速踏板、制動踏板的距離，控制模塊檢測2個超聲波測距模塊回傳數據的幀頭，讀取高八位數據存儲字節和低八位數據存儲字節，并按照串口TTL通信協議解析2個超聲波測距模塊回傳距離值判斷駕駛者是否踩踏踏板與踩踏踏板的深度。當檢測駕駛者踩踏制動踏板時，開始通過串口協議收取測量的車輛制動的加速度，并將測量的制動的加速度與正常的制動加速度范圍進行比較[6]。若制動踏板踩踏深度未達到最大深度時，不啟動駐車制動器進行制動。若制動踏板踩踏深度達到最大深度時，此時制動加速度位于正常的制動加速度范圍，不啟動駐車制動器進行制動；此時制動加速度低于正常的制動加速度范圍時，判斷此時為制動失靈，啟動駐車制動器進行制動。

2.2 停車時的自動駐車功能

為了實現停車時的自動駐車功能，要根據車輛當前的加速度來判斷車輛是否處于停車狀態。通過加速度傳感器模塊將數據傳給控制模塊，當加速度接近為0時，車輛可能處于停車狀態或勻速行駛狀態。此時需要通過測量制動踏板的超聲波測距模塊將測量的數據傳給控制模塊，若數據表明駕駛者正在踩踏制動踏板并且加速度傳感器模塊測出的加速度仍接近為0，代表此時車輛處于停車狀態，則控制模塊啟動電動機拉起駐車制動器，實現停車時的自動駐車功能。

2.3 系統流程設計

根據線控制動系統失靈條件下車輛制動裝置所能實現線控制動系統失靈時的輔助制動功能、停車時的自動駐車功能，采用樹莓派作為主控板，利用Python語言編寫程序，通過控制模塊連接的繼電器來控制電動機的開關。程序流程圖如圖3、圖4所示。

圖3 線控制動系統失靈時的輔助制動功能程序流程圖

圖4 停車時的自動駐車功能程序流程圖

線控制動系統失靈時的制動功能的流程如下：通過超聲波測距傳感器模塊實時監測加速踏板和制動踏板的踩踏狀況，檢測駕駛者是否踩踏制動踏板至最深處與是否踩踏加速踏板，再根據加速度傳感器模塊監測的加速度是否位于正常制動加速度區間，若檢測的加速度小于正常制動加速度區間，此時控制模塊判斷當前狀況為制動失靈，進而控制驅動電動機抬起駐車制動器進行制動。實現在線控制動系統失靈時的制動功能。

程序部分代碼如下。

停車時的自動駐車功能程序的流程如下：通過超聲波測距傳感器模塊實時監測制動踏板的踩踏狀況，檢測駕駛者是否踩踏制動踏板。通過加速度傳感器模塊監測加速度。當檢測到駕駛者踩踏制動踏板并且加速度始終為0時，控制模塊判斷此時車輛處于停車狀態，進而通過控制模塊來控制驅動電動機抬起駐車制動器實現停車時的自動駐車功能。

3 結論

線控制動系統失靈條件下車輛制動裝置的控制模塊以樹莓派為控制核心，通過超聲波測距傳感器模塊和加速度傳感器模塊接收數據，來判斷車輛是否發生制動失靈，進而啟動電動機以平穩的速度拉起駐車制動器進行制動。雙超聲波測距傳感器模塊增加了防誤觸的功能，可通過踩踏加速踏板來停止駐車制動器的啟動。對駕駛者來說啟動步驟方便簡單，技術容易掌握，可行性高。除此之外，駐車制動器以平穩的速度啟動能夠防止車輛甩尾，安全系數高。進而保證車內人員的安全，減少追尾等嚴重事故的發生。