無人駕駛汽車串聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)控制研究＊

裴曉飛 陳禎福 武冬梅 吳學(xué)杰 褚端峰

（1.武漢理工大學(xué)，汽車工程學(xué)院，武漢 430070；2.武漢理工大學(xué)，智能交通中心，武漢 430070）

主題詞：無人駕駛汽車 串聯(lián)式制動(dòng) 電液制動(dòng)系統(tǒng) 壓力跟隨 臺(tái)架試驗(yàn)

1 前言

無人駕駛是當(dāng)前汽車研究的一個(gè)熱點(diǎn)方向，而制動(dòng)性能直接影響無人駕駛汽車的安全性[1]。無人駕駛汽車的制動(dòng)系統(tǒng)需要具有主動(dòng)制動(dòng)能力和硬件冗余結(jié)構(gòu)[2]。其中，硬件冗余是指包含2套獨(dú)立的制動(dòng)壓力源和2套獨(dú)立供電的控制器，一旦主制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障，備用制動(dòng)系統(tǒng)需立即接管整車制動(dòng)控制權(quán)，這與傳統(tǒng)汽車可由駕駛員踩下制動(dòng)踏板來實(shí)施備用制動(dòng)不同。帶有硬件冗余的制動(dòng)系統(tǒng)將大幅提高無人駕駛汽車的可靠性和安全性。

在無人駕駛汽車發(fā)展的初期，主動(dòng)制動(dòng)的實(shí)現(xiàn)一般是在原車制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝機(jī)械裝置進(jìn)行控制。西安交通大學(xué)的夸父Ⅱ號(hào)無人駕駛汽車在原車制動(dòng)踏板處加裝電機(jī)，能夠在踏板上施加不低于500 N的載荷[3]。中科院先進(jìn)制造技術(shù)研究所的“智能先鋒”無人車采用直流伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠踩下制動(dòng)踏板的方式實(shí)現(xiàn)主動(dòng)制動(dòng)[4]。西班牙AUTOPIA自動(dòng)駕駛項(xiàng)目通過安裝的2個(gè)梭閥實(shí)現(xiàn)電液制動(dòng)與人工制動(dòng)的切換，兩套制動(dòng)系統(tǒng)互不干擾[5]：電液制動(dòng)系統(tǒng)主要由1個(gè)油泵和3個(gè)電磁閥組成，其中電液比例閥實(shí)際上真正控制油液壓力；2個(gè)梭閥都與ABS連接在一起，并由ABS實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力的分配。但是上述無人車用制動(dòng)系統(tǒng)并沒有考慮到硬件冗余的問題。

汽車ESP系統(tǒng)依靠差動(dòng)制動(dòng)實(shí)現(xiàn)車身穩(wěn)定性控制，其液壓控制單元（Hydraulic Control Unit，HCU）具有一定的主動(dòng)制動(dòng)能力，壓力源是電機(jī)和柱塞泵[6-9]。而汽車電控液壓制動(dòng)（EHB）系統(tǒng)基于線控技術(shù)發(fā)展而來，具有更強(qiáng)大的主動(dòng)制動(dòng)功能，非常適用于電動(dòng)汽車和無人駕駛汽車[10-12]。目前，知名汽車零部件廠商相繼推出了自己的EHB系統(tǒng)。其中，博世公司主要以i-Booster為主打產(chǎn)品，大陸公司也在2016年將MK-C1小批量裝車在阿爾法羅密歐上。在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、吉林大學(xué)等都對(duì)EHB系統(tǒng)自身的制動(dòng)特性展開了研究[13-16]。例如，清華大學(xué)的分布式EHB系統(tǒng)在4個(gè)車輪的輪缸處安裝了電機(jī)和滾珠絲杠機(jī)構(gòu)，通過活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)輪缸的快速增、減壓。但是，目前將EHB系統(tǒng)應(yīng)用于無人駕駛汽車的研究并不多見。

本文根據(jù)ESP和EHB系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了串聯(lián)式硬件結(jié)構(gòu)方案。在控制軟件部分，分析了不同故障發(fā)生時(shí)由EHB系統(tǒng)向ESP系統(tǒng)切換的工作原理，并給出了主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的壓力跟隨控制策略。通過臺(tái)架試驗(yàn)重點(diǎn)分析了兩種模式切換對(duì)整車制動(dòng)性能的影響，并結(jié)合整車性能仿真對(duì)所搭建的串聯(lián)制動(dòng)系統(tǒng)控制效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

2 串聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

為了構(gòu)建硬件冗余的制動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)有的可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)制動(dòng)功能的解決方案，本文選擇將典型的ESP制動(dòng)器與第二代豐田Prius上的EHB制動(dòng)器在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行串聯(lián)，符合雙回路液壓制動(dòng)系統(tǒng)的要求，如圖1所示。

圖1 串聯(lián)式制動(dòng)結(jié)構(gòu)示意

圖1所示的串聯(lián)式制動(dòng)方案采取以EHB為主，以ESP為輔的形式，每次只有1個(gè)系統(tǒng)參與實(shí)際工作。這是因?yàn)镋SP系統(tǒng)本身并非為4輪制動(dòng)設(shè)計(jì)，電機(jī)泵的排量無法滿足實(shí)時(shí)性需求，對(duì)于4個(gè)輪缸的首次建壓約有700 ms滯后。此外，柱塞泵的工作原理也導(dǎo)致離散的壓力脈動(dòng)存在。而Prius的EHB系統(tǒng)采用高壓蓄能器作為靜態(tài)壓力源，壓力調(diào)節(jié)更加平穩(wěn)，同時(shí)，其設(shè)計(jì)容量滿足4輪建壓的需要，經(jīng)測(cè)試，0～9 MPa的建壓時(shí)間不超過70 ms?？紤]到EHB建壓穩(wěn)定、延時(shí)短的特點(diǎn)，將其作為常規(guī)制動(dòng)時(shí)的主控制器。

組成串聯(lián)結(jié)構(gòu)的兩套制動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)應(yīng)以不相互干擾為前提，核心部件是模式切換電磁閥a、b。具體工作過程如下：

正常情況下只啟動(dòng)EHB系統(tǒng)，此時(shí)將常開的模式切換閥a、b關(guān)閉。當(dāng)無人駕駛汽車需要制動(dòng)時(shí)，EHB系統(tǒng)內(nèi)的增壓閥1a～4a打開，減壓閥1a～4a關(guān)閉，制動(dòng)液由高壓蓄能器直接流入輪缸增壓。當(dāng)需要減壓時(shí)，增壓閥1a～4a關(guān)閉，減壓閥1a～4a打開，高壓制動(dòng)液從輪缸經(jīng)過減壓閥流回儲(chǔ)油杯。制動(dòng)系統(tǒng)保壓時(shí)，增壓閥1a～4a和減壓閥1a～4a同時(shí)關(guān)閉。

檢測(cè)到EHB系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)立即切換到ESP備用制動(dòng)模式。此時(shí)模式切換閥a、b打開，啟動(dòng)ESP電機(jī)泵將儲(chǔ)油杯中的制動(dòng)液經(jīng)增壓閥1b～4b直接泵入各輪缸內(nèi)。減壓時(shí)制動(dòng)液從輪缸經(jīng)過減壓閥1b～4b直接流回儲(chǔ)油杯。在保壓階段，將ESP系統(tǒng)的輪缸電磁閥1b～4b同時(shí)關(guān)閉即可。

上述方案可以從結(jié)構(gòu)上保證4輪輪缸壓力在兩種制動(dòng)模式下，均能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立調(diào)節(jié)。由于是在現(xiàn)有的EHB和ESP的HCU基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，因此，系統(tǒng)中的輪缸電磁閥存在冗余。

3 串聯(lián)式制動(dòng)控制策略

3.1 協(xié)調(diào)控制層

在協(xié)調(diào)控制層中，需要在ESP和EHB兩種控制模式間合理決策。正常制動(dòng)中默認(rèn)使用EHB控制器，并對(duì)其自身潛在的故障點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；ESP控制器也接收來自上層控制器的期望壓力信號(hào)，但正常制動(dòng)時(shí)不動(dòng)作。接收到來自EHB控制器的模式切換指令，判斷出EHB系統(tǒng)故障無法工作時(shí)，ESP控制器接管對(duì)期望壓力的響應(yīng)。切換指令在每個(gè)EHB控制周期的末尾處發(fā)出，高電平代表EHB工作正常，低電平為故障。因此，ESP控制器將此開關(guān)量作為模式切換的判據(jù)，決定是否向其執(zhí)行器發(fā)出有效動(dòng)作指令。協(xié)調(diào)控制策略如圖2所示。

準(zhǔn)確而快速地判斷出EHB系統(tǒng)的故障，是制動(dòng)模式切換的前提。EHB系統(tǒng)的故障主要集中于3個(gè)部分。

圖2 協(xié)調(diào)制動(dòng)總體策略

一是壓力源部分故障，包括電機(jī)、油泵、蓄能器等故障，可基于蓄能器內(nèi)部壓力傳感器判斷。如果由于密封原因或不能正常補(bǔ)油，導(dǎo)致蓄能器無法達(dá)到或保持設(shè)定的壓力閾值，應(yīng)立即發(fā)出切換指令。如因電機(jī)泵致使蓄能器內(nèi)壓力過高，考慮到蓄能器作為壓力源能維持一定的制動(dòng)次數(shù)，因此在非制動(dòng)工況下完成對(duì)ESP控制器的過渡，避免引起制動(dòng)時(shí)減速度的波動(dòng)。

二是EHB輪缸電磁閥以及連接電磁閥出口的制動(dòng)管路出現(xiàn)的故障，由于此時(shí)無法實(shí)現(xiàn)壓力跟隨，應(yīng)立即切換到ESP控制。該部分故障可以基于輪缸壓力傳感器的監(jiān)測(cè)值來判斷，即通過監(jiān)測(cè)增/減壓電磁閥開閉標(biāo)志與輪缸壓力變化率的匹配程度判斷[17]。表1給出了輪缸壓力變化率與電磁閥開關(guān)標(biāo)志匹配的故障診斷策略。其中，“+”代表ECU發(fā)送電磁閥打開指令，“-”代表ECU發(fā)送電磁閥關(guān)閉指令，dPc為輪缸壓力變化率，dPincrease為增壓變化率閾值，dPdecrease為減壓變化率閾值。切換閾值dPincrease和dPdecrease由正常工況下的增、減壓試驗(yàn)標(biāo)定。

表1 輪缸壓力變化率與電磁閥開關(guān)標(biāo)志匹配故障檢測(cè)方法

三是車載電源1故障導(dǎo)致的EHB控制器供電問題。此時(shí)模式切換指令由高電平變?yōu)榈碗娖?，因此ESP控制器判斷其應(yīng)立即接管制動(dòng)控制。

3.2 壓力跟隨層

對(duì)于EHB和ESP控制器的壓力閉環(huán)控制策略而言，兩者有很多相似之處，核心部分均是通過HCU中8個(gè)輪缸電磁閥的脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）控制實(shí)現(xiàn)制動(dòng)壓力的精細(xì)調(diào)節(jié)。采用增量式PID算法改變PWM占空比，通過調(diào)節(jié)高速開關(guān)電磁閥的開度實(shí)現(xiàn)對(duì)輪缸增、減壓速率的控制。為了改善PID的控制品質(zhì)，特別是液壓系統(tǒng)的響應(yīng)滯后與超調(diào)，對(duì)PID算法進(jìn)行如下改進(jìn)：

a. 積分分離：當(dāng)壓力誤差大于1 MPa時(shí)，采用純比例控制迅速減小控制偏差；當(dāng)壓力誤差不大于1 MPa時(shí)，采用PI控制中的積分作用對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)行修正。

b.積分飽和：為了防止PID算法中的積分作用一直累積，導(dǎo)致電磁閥控制的振蕩或超調(diào)，引入了積分飽和控制。當(dāng)控制變量進(jìn)入飽和區(qū)后，限制積分項(xiàng)的繼續(xù)累加。

c. 死區(qū)控制：電磁閥存在控制死區(qū)，只有在有效占空比范圍內(nèi)，閥的開度才隨占空比變化，否則電磁閥會(huì)完全開啟或閉合。考慮到液壓傳遞的滯后性，將占空比設(shè)計(jì)為提前進(jìn)入死區(qū)范圍，防止超調(diào)。

d. 控制量復(fù)位：當(dāng)HCU電磁閥在增壓/減壓/保壓狀態(tài)之間切換時(shí)，需要對(duì)PWM控制變量清零，避免在不同的狀態(tài)下控制量相互影響。

4 臺(tái)架試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

串聯(lián)制動(dòng)臺(tái)架主要由液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)和壓力控制單元構(gòu)成，如圖3所示。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有：ESP和EHB系統(tǒng)的HCU模塊、制動(dòng)主缸、雙儲(chǔ)油杯、液壓管路、盤式制動(dòng)器等。壓力控制單元包括：ESP和EHB的ECU模塊、壓力傳感器、雙通道穩(wěn)壓電源、CAN卡、LabVIEW數(shù)據(jù)采集界面等。其中，ECU模塊基于飛思卡爾XEP100單片機(jī)開發(fā)，集采集、控制、驅(qū)動(dòng)為一體，控制周期為10 ms。作為無人駕駛汽車的底層控制器之一，除前文所述兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的協(xié)調(diào)控制和壓力跟隨程序外，還應(yīng)具備與上層控制器的實(shí)時(shí)通訊能力（CAN通訊）、信號(hào)處理能力（壓力信號(hào)濾波）及在線調(diào)試能力（LabVIEW上位機(jī)）。

圖3 制動(dòng)臺(tái)架組成

4.2 EHB性能試驗(yàn)

圖4給出了正常制動(dòng)情況下，僅依靠EHB工作對(duì)0～4 MPa之間變階躍和斜坡信號(hào)的壓力跟隨結(jié)果。試驗(yàn)中將蓄能器壓力設(shè)置為9 MPa，并且不通過電機(jī)泵對(duì)其補(bǔ)油。試驗(yàn)結(jié)果表明，EHB制動(dòng)時(shí)對(duì)于不同期望壓力都能實(shí)現(xiàn)快速、平穩(wěn)的跟隨效果，壓力跟隨誤差基本保持在0.1 MPa內(nèi)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約為50 ms。因此，EHB的ECU作為底層執(zhí)行器ECU，能有效響應(yīng)上層ECU的控制指令。另外，還可觀察到，蓄能器中的制動(dòng)液容量能夠滿足電機(jī)故障時(shí)不少于3次的連續(xù)制動(dòng)需要。

圖4 EHB制動(dòng)壓力跟隨結(jié)果

4.3 協(xié)調(diào)制動(dòng)試驗(yàn)

圖5給出了EHB與ESP串聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)變階躍和斜坡信號(hào)的壓力跟隨試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，對(duì)于變階躍壓力工況，EHB系統(tǒng)在第2 s時(shí)發(fā)生故障而自動(dòng)切換到ESP控制，過渡時(shí)間為710 ms，4 MPa時(shí)的超調(diào)量接近20%，這是因?yàn)楣苈分械闹苿?dòng)液回流效應(yīng)對(duì)ESP壓力控制的干擾較大。而在斜坡壓力工況中，ESP接管后壓力沒有明顯超調(diào)，過渡時(shí)間為740 ms。同時(shí)在兩種工況中，EHB跟隨控制效果相較于ESP的制動(dòng)壓力波動(dòng)更小，這是由于兩者壓力源建壓方式的差異造成的，并且EHB的壓力控制更容易實(shí)現(xiàn)。

4.4 整車性能對(duì)比

將上述兩組帶模式切換的制動(dòng)壓力輸入到CarSim中汽車的4路輪缸，比較不同制動(dòng)工況下的汽車制動(dòng)性能。以軟件自帶的某SUV型汽車為研究對(duì)象，將階躍壓力和斜坡壓力對(duì)應(yīng)工況的初始速度分別設(shè)為150 km/h和80 km/h，比較了理想制動(dòng)、人工制動(dòng)、帶制動(dòng)切換和有故障條件下的制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)距離。其中有故障制動(dòng)是指采用單一制動(dòng)系統(tǒng)在第2 s時(shí)發(fā)生故障后，無人駕駛汽車由于喪失制動(dòng)能力只能怠速滑行；人工制動(dòng)指在理想制動(dòng)的基礎(chǔ)上考慮1 s的駕駛員反應(yīng)時(shí)間；而帶切換制動(dòng)則能充分利用硬件冗余和主動(dòng)制動(dòng)帶來的優(yōu)點(diǎn)，保證故障發(fā)生后汽車制動(dòng)性能不受較大影響。仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖5 協(xié)調(diào)制動(dòng)的壓力跟隨結(jié)果

圖6 階梯壓力下制動(dòng)性能對(duì)比

圖7 斜坡壓力下制動(dòng)性能對(duì)比

圖6、圖7結(jié)果表明，由于故障發(fā)生時(shí)模式切換時(shí)間的存在，帶有模式切換的制動(dòng)時(shí)間和距離相比于無故障的理想制動(dòng)工況均略有增加，但要好于無故障的人工制動(dòng)工況。圖6中，帶有模式切換的制動(dòng)時(shí)間較正常制動(dòng)工況長(zhǎng)0.6 s，較人工制動(dòng)短0.4 s；如圖7所示，帶有模式切換的制動(dòng)距離較正常制動(dòng)條件下增加7 m，但比人工制動(dòng)條件下縮短15 m。從圖6a、圖7a可知，制動(dòng)模式切換時(shí)車輛減速度沒有明顯抖動(dòng)，不會(huì)影響駕駛員瞬時(shí)的舒適性。此外，可以認(rèn)為不具有硬件冗余結(jié)構(gòu)的制動(dòng)系統(tǒng)在故障發(fā)生后無法保證無人駕駛汽車的制動(dòng)安全性。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種以EHB系統(tǒng)為主，ESP系統(tǒng)作為備用的串聯(lián)式制動(dòng)系統(tǒng)。臺(tái)架試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)在EHB主模式下具有較好的壓力跟隨效果，即使電機(jī)無法正常補(bǔ)油，依靠高壓蓄能器也能維持不少于3次的連續(xù)制動(dòng)。同時(shí)，在制動(dòng)模式切換時(shí)壓力平穩(wěn)變化，過渡時(shí)間未造成制動(dòng)距離明顯增加，車輛減速過程也較為平滑。因此，所提出的系統(tǒng)能夠適應(yīng)無人駕駛汽車對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)提出的新需求。下一階段將對(duì)其開展實(shí)車驗(yàn)證。