汽車電子液壓主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)和控制算法

王陸林，劉貴如

（1.奇瑞汽車股份有限公司 前瞻技術(shù)研究院，安徽，蕪湖 241006；2.安徽工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽，蕪湖 241000）

隨著車輛先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)和智能車技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)提出了新的需求，如自適應(yīng)巡航系統(tǒng)、自動(dòng)啟停系統(tǒng)、自動(dòng)緊急制動(dòng)以及智能駕駛系統(tǒng)均需要主動(dòng)制動(dòng)。目前針對(duì)主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)主要分為兩大類：第一類基于傳統(tǒng)真空助力器的改進(jìn)，模擬人工制動(dòng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)制動(dòng)。具有代表性的有集成式電子真空助力器，王建強(qiáng)等對(duì)原真空助力器進(jìn)行了改進(jìn)，增加了電磁鐵和套管對(duì)真空閥和大氣閥進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)助力制動(dòng)[1-4]。李文惠等[5]采用兩位三通電磁閥間接控制真空腔、工作腔和大氣之間的通斷，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)助力制動(dòng)。第二類是不借助于原車助力器，通過(guò)另外增加主動(dòng)增壓裝置實(shí)現(xiàn)主動(dòng)制動(dòng)。主動(dòng)增壓裝置的實(shí)現(xiàn)方式主要包括兩種：第一種是電子液壓增壓，通過(guò)在制動(dòng)主缸與ABS或ESP雙輸入管路上串聯(lián)或者并聯(lián)增壓裝置，原液壓制動(dòng)系統(tǒng)仍然保留，在主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)失效的情況下，仍然能夠?qū)嵤┤斯ぶ苿?dòng)。這種方式采用了較成熟的電子液壓控制，可以實(shí)現(xiàn)壓力的精確調(diào)節(jié)，可靠性高，但是保壓時(shí)需要給相關(guān)電磁閥通電，文獻(xiàn)[6]～[17]分別給出了典型的實(shí)現(xiàn)方案。第二種方式是電子機(jī)械增壓裝置，直接作用于液壓主缸或者輪缸，文獻(xiàn)[18]～[23]分別給出了典型的實(shí)現(xiàn)方案，該類方案由于電子機(jī)械增壓裝置實(shí)現(xiàn)精確控制難度大、可靠性差、成本高，還可能存在結(jié)構(gòu)鎖死失效的問(wèn)題，保壓時(shí)也需要給電機(jī)通電。以上兩種主動(dòng)制動(dòng)方案由于電磁閥或者電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作發(fā)熱，容易燒壞，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)制動(dòng)和保壓來(lái)滿足極端工況下的持續(xù)制動(dòng)和電子駐車制動(dòng)需求。

此外，在制動(dòng)控制算法方面，制動(dòng)力控制大多數(shù)采用壓力閉環(huán)反饋，控制過(guò)程復(fù)雜[9-12]。在制動(dòng)避撞過(guò)程中，均采用安全距離模型估計(jì)制動(dòng)干預(yù)距離并實(shí)施制動(dòng)[11]。在實(shí)際車輛運(yùn)行工況下，由于行駛路面以及車輛制動(dòng)系統(tǒng)性能方面的差異，導(dǎo)致最小安全跟車距離有時(shí)偏大或者偏小，既無(wú)法保證行車安全性，也不利于提高道路行車效率。

本文僅針對(duì)目前電子液壓主動(dòng)制動(dòng)方案以及控制算法存在的不足，提出了改進(jìn)的電子液壓主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)和控制算法，保留了原車雙管路安全設(shè)計(jì)，將原常開(kāi)減壓閥替換為常閉減壓閥，同時(shí)增加了自鎖電磁閥，實(shí)現(xiàn)了任意時(shí)間保壓?？刂扑惴ú糠忠肓祟A(yù)制動(dòng)，結(jié)合雙路增壓和高壓儲(chǔ)能器，縮短了系統(tǒng)建壓和減速度響應(yīng)時(shí)間，通過(guò)基于距離和減速度的雙閉環(huán)最小安全跟車距離控制算法，保證了制動(dòng)的平順性、行車安全性以及道路行車效率。

1 典型的電子液壓主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)

在原車液壓制動(dòng)主缸和ABS或ESP之間連接的雙路液壓管路上增加梭閥，同時(shí)并聯(lián)一路或者兩路液壓增壓裝置實(shí)現(xiàn)主動(dòng)制動(dòng)，該方案通過(guò)梭閥能夠?qū)崿F(xiàn)在人工制動(dòng)和主動(dòng)制動(dòng)模式之間自動(dòng)切換。當(dāng)工作在主動(dòng)制動(dòng)模式時(shí)，梭閥在主動(dòng)增壓管路的壓力下滑向原車制動(dòng)主缸管路端，常閉增壓閥和常開(kāi)減壓閥與原車ABS或ESP的雙輸入管路通過(guò)梭閥進(jìn)行連接[6]。當(dāng)工作在人工制動(dòng)模式時(shí)，梭閥在制動(dòng)主缸液壓的壓力下滑向主動(dòng)增壓管路端，制動(dòng)主缸和原車ABS或ESP雙輸入管路連通，子缸中的油液在人工和真空助力的作用下直接進(jìn)入ABS或ESP管路，實(shí)現(xiàn)人工制動(dòng)。文獻(xiàn)[6]～[7]采用的就是這種方案，其典型結(jié)構(gòu)及原理如圖1所示，保留了原液壓制動(dòng)系統(tǒng)ABS/ESC功能，只需開(kāi)發(fā)主動(dòng)增壓和壓力調(diào)節(jié)部分，工程化應(yīng)用開(kāi)發(fā)難度低。液壓增壓部分由直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓油泵將制動(dòng)液從主缸（或者油箱）泵到高壓儲(chǔ)能器中，中間連接的單向閥用于防止油液回流。為了縮短制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間，系統(tǒng)需要預(yù)建壓，保證儲(chǔ)能器內(nèi)液壓保持一定的壓力，液壓壓力傳感器用于液壓力反饋，同時(shí)溢流閥也能夠?qū)⒁簤毫刂圃谝欢ǚ秶鷥?nèi)，防止過(guò)壓損壞或者壓力過(guò)大導(dǎo)致油液泄露[7]。壓力調(diào)節(jié)部分主要由兩個(gè)高速開(kāi)關(guān)閥組成，增壓閥為常閉高速開(kāi)關(guān)閥，減壓閥為常開(kāi)高速開(kāi)關(guān)閥，增壓閥連接壓力源（高壓儲(chǔ)能器）和壓力輸出管路，減壓閥連接壓力輸出管路和油箱。增壓和減壓閥通過(guò)PWM進(jìn)行控制，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM的占空比調(diào)節(jié)閥門的開(kāi)啟時(shí)間[8]。當(dāng)需要增壓時(shí)，增加增壓閥的開(kāi)啟時(shí)間；當(dāng)需要減壓時(shí)，增加減壓閥的開(kāi)啟時(shí)間。通過(guò)控制增壓閥和減壓閥的開(kāi)啟時(shí)間就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出壓力的調(diào)節(jié)和控制。

圖1 典型電子液壓主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)主動(dòng)制動(dòng)處于增壓階段時(shí)，常閉增壓閥開(kāi)啟，常開(kāi)減壓閥關(guān)閉，液壓泵產(chǎn)生的壓力源經(jīng)過(guò)增壓閥進(jìn)入ABS或ESP雙路輸入管實(shí)現(xiàn)增壓。當(dāng)主動(dòng)制動(dòng)處于減壓階段時(shí)，常閉增壓閥關(guān)閉，常開(kāi)減壓閥開(kāi)啟，使管路油液可以通過(guò)減壓常開(kāi)閥回流到主缸進(jìn)行減壓，減壓過(guò)程中可以通過(guò)調(diào)節(jié)控制常開(kāi)閥的PWM占空比調(diào)節(jié)常開(kāi)閥的開(kāi)啟時(shí)間。當(dāng)需要保壓時(shí)，常閉增壓閥關(guān)閉，常開(kāi)減壓閥關(guān)閉[9-10]，兩路常開(kāi)閥關(guān)閉實(shí)現(xiàn)管路壓力保持。

該方案面向從事ADAS系統(tǒng)和智能車研發(fā)的科研機(jī)構(gòu)和整車企業(yè)以及IT企業(yè)，在不具備ABS或ESP開(kāi)發(fā)能力或者不計(jì)劃投入資金重新開(kāi)發(fā)制動(dòng)系統(tǒng)的情況下，保留原車ABS或ESP系統(tǒng)，在制動(dòng)主缸和ABS或ESP之間的雙輸入管路上并聯(lián)或者串聯(lián)電子液壓增壓裝置，實(shí)現(xiàn)線控電液主動(dòng)制動(dòng)，是一種最佳實(shí)現(xiàn)方案。可以提供主動(dòng)制動(dòng)和人工制動(dòng)兩種模式，但是也存在以下缺點(diǎn)：（1）ABS/ESP雙管路共用一路增壓管路即一個(gè)增壓閥，會(huì)導(dǎo)致管路建壓和減壓時(shí)間延長(zhǎng)，同時(shí)也破壞了主動(dòng)制動(dòng)時(shí)兩路管路的獨(dú)立安全設(shè)計(jì)。（2）梭閥存在漏油或者減壓時(shí)滾珠位置無(wú)法預(yù)測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)。（3）減壓閥采用常開(kāi)閥雖然能夠保證制動(dòng)結(jié)束后，制動(dòng)輪缸液壓力完全釋放以及人工制動(dòng)的有效性，但是在主動(dòng)制動(dòng)模式下，需要給常開(kāi)減壓閥通電才能保壓，如果需要長(zhǎng)時(shí)間保壓將會(huì)導(dǎo)致電磁閥過(guò)熱燒壞，無(wú)法滿足極端工況下的長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)需求。

2 改進(jìn)的電子液壓主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)

在目前的并聯(lián)式電子液壓主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)（圖1）的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的電子液壓主動(dòng)制動(dòng)實(shí)現(xiàn)方案。

本方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理如圖2所示。

圖2 改進(jìn)的電子液壓主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對(duì)圖1所示的方案存在的問(wèn)題，進(jìn)行了以下改進(jìn)：（1）為了保留原車ABS或ESP雙路獨(dú)立的安全設(shè)計(jì)，另外增加了雙路常閉高速開(kāi)關(guān)增壓閥和雙路常閉高速開(kāi)關(guān)減壓閥，保證了ABS或ESP雙路輸入管路的獨(dú)立性，同時(shí)也縮短了管路建壓時(shí)間。為了進(jìn)一步縮短建壓時(shí)間，保留了高壓儲(chǔ)能器。（2）取消了梭閥，在主動(dòng)制動(dòng)失效或者人工制動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)增加的兩路常閉減壓閥通電開(kāi)啟以及將增加的自鎖電磁閥開(kāi)啟，保證主缸和ABS或ESP雙輸入管路的暢通，克服了采用梭閥帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。（3）將常開(kāi)減壓閥替換為常閉減壓閥，這樣當(dāng)主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)需要長(zhǎng)時(shí)間保壓時(shí)（常閉增壓閥關(guān)閉），可以通過(guò)給常閉減壓閥斷電實(shí)現(xiàn)任意長(zhǎng)時(shí)間保壓，克服了圖1所示的典型方案中常開(kāi)減壓閥需要上電保壓，持續(xù)時(shí)間較短的問(wèn)題。但是本方案采用常閉減壓閥導(dǎo)致了兩個(gè)新的問(wèn)題：（1）制動(dòng)結(jié)束后，主缸制動(dòng)液壓力無(wú)法完全釋放。（2）人工制動(dòng)模式下，主缸和ABS或ESP之間兩輸入管路由于常閉減壓閥無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間通電保持導(dǎo)通，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)人工制動(dòng)。通過(guò)給兩個(gè)常閉減壓閥分別并聯(lián)一個(gè)帶自鎖功能的電磁閥（下文簡(jiǎn)稱自鎖電磁閥），該自鎖電磁閥能夠在掉電情況下保持開(kāi)啟，主缸和ABS或ESP之間雙輸入管路導(dǎo)通，從而保證主缸液壓壓力完全釋放和人工制動(dòng)的有效性，解決了以上兩個(gè)問(wèn)題。

自鎖電磁閥在常閉閥的基礎(chǔ)上增加了電控自鎖機(jī)構(gòu)，其工作狀態(tài)及原理如圖3所示。

自鎖電磁閥的開(kāi)啟過(guò)程為：給自鎖機(jī)構(gòu)線圈通電，在磁力的吸合下，磁芯處于吸起狀態(tài)，自鎖機(jī)構(gòu)解鎖，然后給電磁閥通電并保持短時(shí)開(kāi)啟狀態(tài)（開(kāi)啟時(shí)間小于100 ms），如圖3a所示。然后給自鎖機(jī)構(gòu)線圈掉電，磁芯在彈簧力的作用下處于自鎖狀態(tài)后，再給電磁閥掉電，由于自鎖機(jī)構(gòu)的限位作用，閥芯在電磁閥線圈掉電的情況下也無(wú)法在電磁閥復(fù)位彈簧的作用下復(fù)位，即在掉電的情況下，仍然能夠保持閥門處于開(kāi)啟狀態(tài)，如圖3b所示。

自鎖電磁閥的關(guān)閉過(guò)程為：先給電磁閥線圈通電，使閥芯被吸合，保證自鎖機(jī)構(gòu)的磁芯銷和閥芯之間無(wú)摩擦，然后再給自鎖機(jī)構(gòu)線圈通電，自鎖機(jī)構(gòu)處于解鎖狀態(tài)，如圖3a所示。電磁閥線圈掉電，閥芯在電磁閥復(fù)位彈簧的作用下自動(dòng)復(fù)位到關(guān)閉狀態(tài)，如圖3c所示。然后自鎖機(jī)構(gòu)線圈掉電，如圖3d所示。

圖3 自鎖電磁閥的4種工作狀態(tài)

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入主動(dòng)制動(dòng)模式時(shí)，兩個(gè)常閉高速開(kāi)關(guān)增壓閥開(kāi)啟，兩個(gè)常閉高速開(kāi)關(guān)減壓閥和自鎖電磁閥均關(guān)閉。高壓儲(chǔ)能器的高壓油液瞬間通過(guò)增壓閥進(jìn)入ABS或ESP雙輸入管路，產(chǎn)生制動(dòng)力。當(dāng)在主動(dòng)制動(dòng)過(guò)程中，本系統(tǒng)接收到上層控制算法發(fā)出的人工制動(dòng)請(qǐng)求或者捕獲到人工踩踏了制動(dòng)踏板時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)從主動(dòng)制動(dòng)模式切換到人工制動(dòng)模式。切換過(guò)程為：兩個(gè)常閉高速開(kāi)關(guān)增壓閥和減壓閥均關(guān)閉，自鎖電磁閥開(kāi)啟，制動(dòng)主缸和ABS或ESP雙路輸入管路連通，子缸中的油液在人工和真空助力的作用下直接進(jìn)入ABS或ESP管路，實(shí)現(xiàn)人工制動(dòng)。

當(dāng)主動(dòng)制動(dòng)失效的情況下，系統(tǒng)可以通過(guò)兩種冗余的方式自動(dòng)切換到人工制動(dòng)模式：（1）將常閉減壓閥通電開(kāi)啟（人工制動(dòng)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)有效）。（2）將并聯(lián)的兩個(gè)自鎖電磁閥開(kāi)啟（人工制動(dòng)持續(xù)有效）。兩種冗余方案均能夠保證在主動(dòng)制動(dòng)失效的情況下，人工制動(dòng)的有效性。

本方案沒(méi)有將常開(kāi)增壓閥直接替換為自鎖電磁閥，避免了自鎖機(jī)構(gòu)線圈在自鎖電磁閥高速開(kāi)關(guān)工作過(guò)程中持續(xù)通電可能燒壞而帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

自鎖電磁閥目前也有成熟產(chǎn)品，如果性價(jià)比高，且能滿足本方案的需求，可以直接采用，本文只給出了一種原理示意圖。電磁鐵的控制也比較簡(jiǎn)單，只有兩種狀態(tài)，置位和復(fù)位，只需要配合電磁閥實(shí)現(xiàn)自鎖保持即可。此外，鑒于該方案具有掉電制動(dòng)保壓功能，所以該方案還可以實(shí)現(xiàn)電子駐車功能，包括坡道起步輔助以及自動(dòng)駐車。

3 儲(chǔ)能器建壓和主動(dòng)制動(dòng)控制算法

針對(duì)目前電子液壓主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)控制算法自身以及在工程應(yīng)用中存在的不足，提出了系統(tǒng)高壓儲(chǔ)能器建壓控制算法和系統(tǒng)應(yīng)用中實(shí)施主動(dòng)制動(dòng)的控制算法，并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用測(cè)試和驗(yàn)證。

3.1 儲(chǔ)能器建壓控制算法

本系統(tǒng)采用儲(chǔ)能器提前建壓，縮短了系統(tǒng)建壓時(shí)間。當(dāng)需要制動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)存的能量迅速釋放，瞬間產(chǎn)生制動(dòng)力[9]。目前大多數(shù)主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)，儲(chǔ)能器的建壓采用純液壓壓力閉環(huán)進(jìn)行建壓控制[24]。該方法雖然能夠準(zhǔn)確控制目標(biāo)壓力值，但是控制過(guò)程復(fù)雜，再加上液壓力平衡的滯后性和不穩(wěn)定性，導(dǎo)致調(diào)壓周期長(zhǎng)，容易出現(xiàn)振蕩[25]，實(shí)時(shí)性差，尤其在需要持續(xù)制動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)景中，無(wú)法及時(shí)迅速地補(bǔ)給儲(chǔ)蓄的液壓能量，導(dǎo)致制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。針對(duì)當(dāng)前控制算法的不足，以及高壓儲(chǔ)能器并非目標(biāo)壓力，控制在一定范圍內(nèi)，不需要特別精確的特性，提出了目標(biāo)壓力預(yù)估和壓力反饋相結(jié)合的儲(chǔ)能器建壓控制算法。目標(biāo)液壓壓力預(yù)估方法包括持續(xù)工作時(shí)間估計(jì)法和液壓泵電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)估計(jì)法。根據(jù)估計(jì)參數(shù)控制電機(jī)，使高壓儲(chǔ)能器內(nèi)液壓壓力達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)工作壓力，在控制過(guò)程中，通過(guò)液壓壓力傳感器實(shí)時(shí)反饋并監(jiān)控建壓情況，接近目標(biāo)壓力區(qū)域時(shí)，停止建壓。假設(shè)V為儲(chǔ)能器的工作容積，能夠滿足一次制動(dòng)所需要的制動(dòng)液容積；Q為液壓泵單位時(shí)間內(nèi)的工作流量，則液壓泵電機(jī)持續(xù)工作時(shí)間t的計(jì)算公式為[12]：

其中V和Q的計(jì)算公式為[12]：

式中：V0為儲(chǔ)能器的公稱容積；P1為充氣壓力；P2為儲(chǔ)能器最低工作壓力；P3為儲(chǔ)能器最高工作壓力；n為恒溫指數(shù)；Pm為泵電機(jī)的額定功率；ηm為泵電機(jī)的效率；ηh為液壓泵的效率；Po為目標(biāo)管路壓力。

假設(shè)D為液壓泵的排量，rm為泵電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速，則t還可以通過(guò)以下公式計(jì)算：

通過(guò)式（1）或式（4）可以大致估計(jì)得到液壓泵持續(xù)工作時(shí)間，通過(guò)控制電機(jī)的持續(xù)工作時(shí)間，并根據(jù)儲(chǔ)能器液壓力傳感器的實(shí)時(shí)反饋，進(jìn)行液壓力控制，控制模型如圖4所示，其中P為壓力反饋值。

圖4 基于電機(jī)工作時(shí)間的儲(chǔ)能器建壓控制模型

假設(shè)nm為電機(jī)持續(xù)工作時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，則nm的計(jì)算公式為：

通過(guò)式（5）可以計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，并通過(guò)電機(jī)編碼器進(jìn)行計(jì)數(shù)，控制儲(chǔ)能器的目標(biāo)壓力，同時(shí)根據(jù)儲(chǔ)能器液壓力傳感器實(shí)時(shí)反饋值P進(jìn)行液壓力控制[13]，控制模型如圖5所示。

圖5 基于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的儲(chǔ)能器建壓控制模型

儲(chǔ)能器建壓控制流程如圖6所示，S為設(shè)定的壓力狀態(tài)改變門限值。

當(dāng)反饋壓力大于目標(biāo)壓力或者差值小于S時(shí)，狀態(tài)保持，否則進(jìn)入建壓狀態(tài)[14]。

圖6 儲(chǔ)能器建壓控制算法流程圖

3.2 主動(dòng)制動(dòng)控制算法

目前大多數(shù)的主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)控制算法僅包括管路液壓壓力控制算法，即根據(jù)上層控制算法提出的目標(biāo)液壓壓力進(jìn)行壓力閉環(huán)控制，與上層控制算法如避撞算法沒(méi)有更多的交互，彼此隔離。壓力閉環(huán)控制導(dǎo)致壓力控制過(guò)程復(fù)雜，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，所以在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中很難得到很好的減速避撞效果。

針對(duì)制動(dòng)管路液壓壓力控制，普遍通過(guò)控制增壓和減壓高速開(kāi)關(guān)電磁閥的開(kāi)啟時(shí)間，進(jìn)而控制進(jìn)入和流出雙管路的制動(dòng)液流量，達(dá)到調(diào)節(jié)管路壓力的目的。采用簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)控制無(wú)法精確控制流量，目前普遍采用PWM信號(hào)進(jìn)行控制，PWM高電平將電磁閥開(kāi)啟，制動(dòng)液在壓力差的作用下進(jìn)入主缸，PWM低電平間隙，主缸中的制動(dòng)液壓力會(huì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。然后通過(guò)在液壓主缸或者輪缸上增壓的液壓力傳感器進(jìn)行壓力反饋，由于油液具有彈性和滯后性，壓力PID閉環(huán)控制很容易形成振蕩[11]，所以液壓壓力閉環(huán)控制過(guò)程復(fù)雜而不實(shí)用，并且響應(yīng)慢。駕駛員在實(shí)際制動(dòng)過(guò)程中并不關(guān)注主缸或管路液壓壓力，而是通過(guò)控制車輛的制動(dòng)減速度和目測(cè)與前方障礙物的相對(duì)距離，不斷調(diào)節(jié)踩踏制動(dòng)踏板的力，控制車輛的制動(dòng)減速度，從而實(shí)現(xiàn)最小跟車距離的控制。本文借鑒以上人工制動(dòng)過(guò)程，將制動(dòng)力控制過(guò)程與避撞或跟車控制過(guò)程相結(jié)合，提出了基于減速度和最小跟車距離的雙閉環(huán)制動(dòng)控制算法。

假設(shè)Dr和vr分別為根據(jù)雷達(dá)和視覺(jué)檢測(cè)前方障礙物的相對(duì)距離（單位為m）和相對(duì)速度（單位為m/s）；ab_o和ta_o分別為本車（目標(biāo)）制動(dòng)減速度（單位為m/s2）和響應(yīng)時(shí)間（單位為s）；ab_o為本車制動(dòng)時(shí)與前車安全距離實(shí)時(shí)估計(jì)值，m；vb為本車實(shí)時(shí)車速，m/s；ab為本車制動(dòng)減速度實(shí)時(shí)反饋值，m/s2；PWM1為控制電磁閥開(kāi)啟時(shí)間的占空比；PWM2為控制泵電機(jī)運(yùn)行時(shí)間的占空比，則雙閉環(huán)制動(dòng)控制模型如圖7所示。

圖7 基于距離和減速度的雙閉環(huán)制動(dòng)控制模型

雙閉環(huán)外環(huán)控制實(shí)現(xiàn)最小安全跟車距離的閉環(huán)控制，其控制算法運(yùn)行流程如圖8所示。

圖8 最小安全跟車距離閉環(huán)控制算法流程

假設(shè)d為本車和前車最小安全跟車距離，m。根據(jù)vr、vb和ab實(shí)時(shí)估計(jì)D，根據(jù)Dr與D的偏差，不斷調(diào)整ab_o，實(shí)現(xiàn)最小安全跟車距離的精確控制。

前車靜止工況下本車與前車最小安全跟車距離D的估計(jì)公式為：

前車減速行駛工況下本車與前車最小安全跟車距離D的估計(jì)公式為：式中：t為雷達(dá)和視覺(jué)傳感器檢測(cè)周期，s；vf為前車車速，m/s；af為前車制動(dòng)減速度，m/s2。式（6）和式（7）中相關(guān)參數(shù)初始值的確定：ab，af取值范圍為3.0～9.6 m/s2，轎車的制動(dòng)減速度典型值為5.6 m/s2；卡車的制動(dòng)減速度典型值為3.6 m/s2，d的取值范圍為1～2 m。af無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量也無(wú)法控制，可以根據(jù)視覺(jué)感知系統(tǒng)進(jìn)行初步判斷后預(yù)設(shè)初值。ab可測(cè)量，本文提出的控制方法主要通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)ab實(shí)現(xiàn)最小安全跟車距離d的精確控制。

雙閉環(huán)內(nèi)環(huán)控制算法實(shí)現(xiàn)制動(dòng)減速度閉環(huán)控制，其控制算法運(yùn)行流程如圖9所示。

圖9 制動(dòng)減速度閉環(huán)控制算法流程

系統(tǒng)上電后，首先執(zhí)行主動(dòng)增壓，通過(guò)液壓傳感器壓力反饋值進(jìn)行故障自檢，然后通過(guò)捕獲制動(dòng)踏板位移或者開(kāi)關(guān)信號(hào)判斷是否進(jìn)行了人工制動(dòng)干預(yù)，如果人工干預(yù)，則進(jìn)入人工制動(dòng)模式。否則循環(huán)等待直到上層發(fā)出主動(dòng)制動(dòng)請(qǐng)求，系統(tǒng)進(jìn)入主動(dòng)制動(dòng)模式，根據(jù)上層感知系統(tǒng)和控制策略算法需要的目標(biāo)制動(dòng)減速度ab_o和響應(yīng)時(shí)間ta_o進(jìn)行減速度的PID閉環(huán)控制，根據(jù)ab與ab_o的偏差以及響應(yīng)時(shí)間ta，不斷調(diào)整控制電磁閥和電機(jī)的PWM1和PWM2，調(diào)整電磁閥的開(kāi)啟時(shí)間和電機(jī)的轉(zhuǎn)速/輸出轉(zhuǎn)矩，調(diào)整雙管路液壓壓力，實(shí)現(xiàn)減速度ab的精確控制。內(nèi)環(huán)和外環(huán)控制算法可以集成在制動(dòng)系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)上運(yùn)行，也可以分開(kāi)在不同的平臺(tái)上運(yùn)行，之間通過(guò)CAN或者其它通信方式進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。

本文將應(yīng)用系統(tǒng)上層控制算法和本制動(dòng)系統(tǒng)控制算法相結(jié)合，通過(guò)最直接的減速度和最小安全跟車距離的閉環(huán)控制進(jìn)行集成融合，既取代了復(fù)雜的制動(dòng)管路液壓壓力閉環(huán)控制，降低了控制的復(fù)雜度，縮短了響應(yīng)時(shí)間，也保證了制動(dòng)的平順性和舒適性。同時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)本車制動(dòng)減速度，控制與前車的最小安全跟車距離，克服了行駛路況以及制動(dòng)系統(tǒng)性能差異導(dǎo)致制動(dòng)干預(yù)距離估計(jì)偏大或偏小的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了最小跟車安全距離的精確控制，既保證了行車安全性，也提高了道路行車效率。

4 驗(yàn)證與結(jié)果分析

對(duì)本系統(tǒng)儲(chǔ)能器建壓時(shí)間、儲(chǔ)能器補(bǔ)能時(shí)間、液壓管路建壓時(shí)間和壓力控制精度進(jìn)行了臺(tái)架測(cè)試。對(duì)制動(dòng)減速度響應(yīng)時(shí)間以及控制精度在干燥的一般瀝青路面上進(jìn)行了實(shí)際動(dòng)態(tài)測(cè)試。

4.1 液壓建壓時(shí)間測(cè)試與分析

本系統(tǒng)儲(chǔ)能器的工作容積V為100 ml（物理容積為30 ml），最高壓力20 MPa，液壓泵單位時(shí)間內(nèi)的工作流量Q為500 ml/s。為了避免電流過(guò)大，采用了48 V直流電機(jī)，功率為150 W，實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖10 儲(chǔ)能器建壓時(shí)間響應(yīng)曲線

儲(chǔ)能器從0 MPa建壓到10 MPa和16 MPa的響應(yīng)時(shí)間為520 ms和837 ms，控制精度±0.15 MPa，壓力控制比較平穩(wěn)。儲(chǔ)能器初始建壓時(shí)間雖然較長(zhǎng)，但是可以通過(guò)提前建壓完成，不影響制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。在實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中，影響系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的是儲(chǔ)能器能量補(bǔ)充所需時(shí)間，設(shè)定儲(chǔ)能器壓力范圍為14～16 MPa，當(dāng)壓力小于14 MPa時(shí)，立即補(bǔ)充。14 MPa到16 MPa的建壓時(shí)間為106 ms，測(cè)試結(jié)果如圖11所示。補(bǔ)能時(shí)間小于液壓管路10 MPa的建壓時(shí)間170 ms（見(jiàn)4.2節(jié)），可以滿足制動(dòng)過(guò)程中及時(shí)補(bǔ)能的時(shí)間響應(yīng)要求，不影響系統(tǒng)持續(xù)制動(dòng)。

圖11 儲(chǔ)能器補(bǔ)能時(shí)間響應(yīng)曲線

4.2 制動(dòng)性能及響應(yīng)時(shí)間測(cè)試與分析

本系統(tǒng)采用壓力反饋的儲(chǔ)能器壓力閉環(huán)建壓方式進(jìn)行建壓，在實(shí)施主動(dòng)制動(dòng)時(shí)，高壓儲(chǔ)能器可以大大縮短建壓時(shí)間。但是在實(shí)時(shí)制動(dòng)過(guò)程中，如果仍然采用液壓力閉環(huán)控制，則本系統(tǒng)需要不斷根據(jù)上層控制算法提出的目標(biāo)壓力進(jìn)行PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，液壓力的滯后性與壓力傳感器反饋值的誤差和不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致壓力調(diào)節(jié)易出現(xiàn)振蕩，調(diào)節(jié)過(guò)程復(fù)雜，并且耗時(shí)較長(zhǎng)。本文根據(jù)實(shí)際工程需要，提出了基于車距和減速度雙閉環(huán)控制的最小安全跟車距離控制算法，和上層控制算法之間通過(guò)目標(biāo)減速度和響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行交互。本系統(tǒng)結(jié)合前方障礙物檢測(cè)雷達(dá)傳感器和視覺(jué)傳感器，在進(jìn)行預(yù)警干預(yù)時(shí)，提前實(shí)施預(yù)制動(dòng)，同時(shí)結(jié)合高壓儲(chǔ)能器，大大縮短了制動(dòng)管路壓力。假設(shè)測(cè)試臺(tái)架管路壓力用Pg表示（測(cè)試臺(tái)架為了測(cè)試管路10 MPa的建壓時(shí)間，加裝了壓力傳感器），臺(tái)架測(cè)試結(jié)果如圖12所示，達(dá)到10 MPa制動(dòng)管路壓力的響應(yīng)時(shí)間約170 ms，能夠滿足緊急制動(dòng)要求。

圖12 制動(dòng)管路建壓時(shí)間響應(yīng)曲線

本系統(tǒng)在實(shí)際裝車和工程應(yīng)用時(shí)，取消管路液壓壓力傳感器，采用更直接的制動(dòng)減速度閉環(huán)控制取代復(fù)雜的管路液壓壓力閉環(huán)控制。在干燥的一般瀝青路面上對(duì)本制動(dòng)系統(tǒng)及其控制算法進(jìn)行了實(shí)車動(dòng)態(tài)測(cè)試，結(jié)果如圖13所示。

達(dá)到9 m/s2的制動(dòng)減速度響應(yīng)時(shí)間為180 ms，與目前無(wú)高壓儲(chǔ)能器和預(yù)制動(dòng)的系統(tǒng)或者通過(guò)增壓系統(tǒng)直接增壓的響應(yīng)時(shí)間相比，縮短了約340 ms，減速度調(diào)節(jié)精度為±0.1 m/s2，減速度調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間為25 ms，減速度上升過(guò)程比較平穩(wěn)，響應(yīng)快，能達(dá)到較穩(wěn)定的最大減速度，制動(dòng)過(guò)程中本車制動(dòng)減速度時(shí)間響應(yīng)曲線如圖13a所示。在車輛制動(dòng)減速過(guò)程中，車速呈線性下降，制動(dòng)平順性和舒適性較好，本車車速變化曲線如圖13b所示。

圖13 本車制動(dòng)減速度時(shí)間響應(yīng)和車速變化曲線

4.3 制動(dòng)控制算法應(yīng)用測(cè)試與分析

根據(jù)本文提出的基于雙閉環(huán)的最小安全跟車距離控制算法，開(kāi)發(fā)的智能自動(dòng)跟車系統(tǒng)，在前車靜止和減速運(yùn)行工況下進(jìn)行了實(shí)際場(chǎng)景測(cè)試。兼顧行車安全和道路行車效率，在實(shí)際應(yīng)用中，最小安全跟車距離d的理想值為1～2 m內(nèi)。當(dāng)兩車距離由遠(yuǎn)而近時(shí)，距離越近，相對(duì)車速越小，最小安全跟車距離越容易控制。

本系統(tǒng)通過(guò)視覺(jué)和雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)本車和前車的相對(duì)距離Dr，并實(shí)時(shí)調(diào)整本車的目標(biāo)制動(dòng)減速度ab_o，保證了本車車速vb為0時(shí)，和前車的最小安全跟車距離d保持在1～2 m范圍內(nèi)。為了確保測(cè)試的安全性，在測(cè)試時(shí)將式（7）和式（8）中的d值設(shè)定為6～7 m，測(cè)量的d值減去5 m作為實(shí)際控制的最小安全跟車距離，本車與前車的最小安全跟車距離采用激光測(cè)距儀進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量。

4.3.1 前車靜止工況下的測(cè)試與分析

在前車靜止工況下，本自主跟車系統(tǒng)在多次接近前方靜止車輛的過(guò)程中，記錄了20次（每個(gè)初始車速測(cè)試4次）最小安全跟車距離d，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由表1可知，最小安全跟車距離控制精度高，具有很好的魯棒性，不依賴于初始車速，最小安全跟車距離的控制不受初始車速的影響，克服了本車在不同車速下，最小安全跟車距離偏大或者偏小的問(wèn)題。

表1 前車靜止工況下最小安全跟車距離實(shí)測(cè)結(jié)果

4.3.2 前車減速運(yùn)行工況下的測(cè)試與分析

在前車減速運(yùn)行工況下，本自主跟車系統(tǒng)在多次接近前方減速車輛的過(guò)程中，記錄了20次（每對(duì)初始車速測(cè)試4次）最小安全跟車距離d，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。前車在減速運(yùn)行工況下，由于采用了最小安全跟車距離的閉環(huán)控制，所以克服了安全距離估算時(shí)前車制動(dòng)減速度無(wú)法預(yù)知所帶來(lái)的問(wèn)題。由表2可知，在本車和前方車輛均處于減速運(yùn)行工況下，本車和前車相對(duì)速度小于等于0時(shí)，最小安全跟車距離均保持在1～2 m范圍內(nèi)，表現(xiàn)出了較穩(wěn)定的控制效果?？朔吮拒嚭颓败囋诓煌跏架囁傧拢钚“踩嚲嚯x偏大或偏小的問(wèn)題。利用常閉減壓閥的掉電關(guān)閉功能，實(shí)現(xiàn)了不限時(shí)長(zhǎng)時(shí)間保壓功能，滿足了長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)和自動(dòng)駐車需求，解決了車輛無(wú)電子駐車制動(dòng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駐車的問(wèn)題。

表2 前車運(yùn)行工況下最小安全跟車距離實(shí)測(cè)結(jié)果

本研究將主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)和最小安全跟車距離閉環(huán)控制相結(jié)合，不僅保證了行車安全，提高了道路行車效率，同時(shí)也降低了制動(dòng)系統(tǒng)控制的難度，車輛制動(dòng)減速過(guò)程中，表現(xiàn)出了較好的平順性和舒適性，具有很好的實(shí)用性。

5 結(jié)論

（1）本文將常用的常開(kāi)減壓閥替換為常閉減壓閥，并引入了自鎖電磁閥，實(shí)現(xiàn)了掉電任意長(zhǎng)時(shí)間的壓力保持和電子駐車，并且可以在主動(dòng)制動(dòng)和人工制動(dòng)模式間自由切換。

（2）采用高壓儲(chǔ)能器、雙路增壓以及預(yù)制動(dòng)，大大縮短了系統(tǒng)制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間，雙管路上10 MPa的建壓時(shí)間僅為170 ms，解決了目前電子液壓主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)慢（約500 ms）的問(wèn)題。

（3）針對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用，提出了基于距離和減速度雙閉環(huán)控制的制動(dòng)控制算法，與目前常采用的液壓壓力閉環(huán)控制算法相比，運(yùn)行效率更高，響應(yīng)更快。在干燥瀝青路面上，9 m/s2減速度響應(yīng)時(shí)間僅為180 ms，在保證制動(dòng)平順性的同時(shí)，還有效提高了車輛行駛安全性和道路行車效率。