基于工程車輛應(yīng)急制動系統(tǒng)的應(yīng)用研究

田興春 牟均發(fā) 任宏亮 何銀濤 王堅剛

西安主函數(shù)智能科技有限公司 陜西省西安市 710076

在當(dāng)前智慧礦山、綠色礦山升級改造的大趨勢之下，針對露天礦山運輸環(huán)節(jié)的智能化、綠色化開展研究，形成露天礦山無人化運輸作業(yè)系統(tǒng)，不僅可以有效推動礦區(qū)高效、安全、綠色與可持續(xù)發(fā)展，切實增強企業(yè)的核心競爭力，還可以有效促進露天開采智能化核心技術(shù)體系的形成，創(chuàng)造采礦行業(yè)的新技術(shù)高度，更是我國采礦行業(yè)由大變強，實現(xiàn)兩化融合的重要標(biāo)志，具有影響深遠的重大意義。

露天礦山采掘運輸環(huán)境：粉塵大、工況惡劣、地處偏遠、有輻射，礦車司機及現(xiàn)場作業(yè)人員面臨嚴重的職業(yè)健康危機，如腰椎病、塵肺病等，司機從業(yè)意愿低，故礦車司機與現(xiàn)場作業(yè)人員的年齡基本處于45 歲以上。惡劣的作業(yè)環(huán)境，導(dǎo)致招聘合適的礦車司機越來越困難，加之運輸及作業(yè)成本居高不下，存在難以高效協(xié)同作業(yè)等問題。更加重要的是，礦區(qū)作業(yè)是封閉場景下的低速固定任務(wù)，任務(wù)單一性、路線固定性等特點非常適合自動駕駛的測試、落地及發(fā)展。因此，露天礦山采用無人運輸作業(yè)技術(shù)具有現(xiàn)實的需求。

國際上露天礦區(qū)無人駕駛系統(tǒng)已經(jīng)走過了研究、試驗和小范圍應(yīng)用階段，日本小松與美國卡特彼勒均于20 世紀80 年代進行礦山裝備無人駕駛相關(guān)研究工作，應(yīng)用實踐證明了其顯著的優(yōu)越性，該技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

伴隨國內(nèi)外無人駕駛技術(shù)的不斷進步，針對露天礦區(qū)的應(yīng)用逐漸加深，露天礦區(qū)無人運輸產(chǎn)業(yè)化落地需求正被不斷地向前進行推進，無人駕駛技術(shù)在露天礦區(qū)的產(chǎn)品化應(yīng)用正逐步向市場化進行發(fā)展。

無人駕駛技術(shù)在露天礦區(qū)落地的前提必須確保車輛底盤系統(tǒng)的線控可靠性和系統(tǒng)安全性，因露天礦區(qū)工況復(fù)雜，連續(xù)坡道較多且坡度較大，礦區(qū)工程運輸車輛能安全行駛的前提是必須確保制動安全：對無人駕駛工程車輛制動性能要求必須嚴格。

為保障礦區(qū)運營能更加安全且高效，本文提出在無人駕駛線控工程車輛（或線控運輸設(shè)備）主制動系統(tǒng)—EBS（Electronic Brake Systems，電子制動系統(tǒng)）的基礎(chǔ)上增加應(yīng)急制動功能。

1 應(yīng)急制動系統(tǒng)原理

1.1 氣路系統(tǒng)組成

應(yīng)急制動氣路系統(tǒng)主要由氣源（儲氣室）、控制氣路執(zhí)行元件、EBS 單通道閥、EBS 雙通道閥、制動氣室及若干氣管路等組成。

1.2 氣路連接原理

氣路連接原理簡圖如圖1 所示：控制氣路執(zhí)行元件進氣口連接氣瓶，出氣口分別連接EBS 單、雙通道閥控制口；EBS 單通道閥進氣口連接氣瓶，出氣口分別連接前橋兩個制動氣室；EBS 雙通道閥進氣口連接氣瓶，出氣口分別連接中后橋四個制動氣室。行車制動過程中，可實現(xiàn)氣源（儲氣室）、控制氣路執(zhí)行元件、EBS 單、雙通道、前橋制動氣室、中后橋制動氣等氣路形成通路，確保行車制動動作完成。

圖1 應(yīng)急制動氣路控制簡圖

2 應(yīng)急制動系統(tǒng)控制邏輯設(shè)計

2.1 EBS 制動系統(tǒng)

EBS 工作邏輯：自動駕駛行車過程中，整車控制單元VCU（Vehicle Control Unit）獲取到自動駕駛給定的實際需求減速度（不為零——需要減速或停車），按通信協(xié)議轉(zhuǎn)換并轉(zhuǎn)發(fā)至主制動EBS 控制器，EBS 控制器根據(jù)接收到的控制減速度與外部制動指令直接控制EBS 單、雙通道閥開度，使氣瓶至制動氣室形成通路，實現(xiàn)制動氣室充氣，最終完成車輛行車制動動作。

2.2 EBS+應(yīng)急制動系統(tǒng)

應(yīng)急制動工作邏輯：自動駕駛行車過程中，當(dāng)整車控制單元VCU（Vehicle Control Unit）獲取到自動駕駛給定的減速度（不為零——需要減速或停車）時，如VCU 監(jiān)控到主制動EBS 系統(tǒng)（VCU 會實時監(jiān)測線控底盤各零部件工作狀態(tài)）出現(xiàn)致命故障——不受減速度指令控制時，VCU 將接收到的需求減速度轉(zhuǎn)換為應(yīng)急制動控制所需的占空比，并輸出控制信號（控制電壓）至控制氣路執(zhí)行元件，從而控制EBS 系統(tǒng)通道閥開度，完成氣源（儲氣室）向制動氣室的充氣，最終完成工程車輛的行車制動動作。

控制邏輯如圖2 所示：

圖2 應(yīng)急系統(tǒng)控制邏輯圖

3 運行測試與數(shù)據(jù)分析

3.1 測試方案簡述

空載應(yīng)急制動測試：以10km/h、20km/h、30km/h 車速作為初始制動速度，以10% ～26% 區(qū)間內(nèi)不同占空比為控制參數(shù)進行應(yīng)急制動減速度數(shù)據(jù)及性能測試，每一組測試（固定車速、固定占空比）次數(shù)5 次；

滿載應(yīng)急制動測試：以10km/h、20km/h、30km/h 車速作為初始制動速度，以10% ～37% 區(qū)間內(nèi)不同占空比為控制參數(shù)進行應(yīng)急制動減速度數(shù)據(jù)及性能測試，每一組測試（固定車速、固定占空比）次數(shù)5 次；

3.2 測試場地

測試場地為一段布滿沙礫的平整路段，該路段東西長約600 米，南北寬約10 米，路面整體硬實平整干燥無積水；路面現(xiàn)場如圖3 所示：

3.3 載荷類別

測試載荷分為空載與滿載，滿載載物為沙土，空載重量25 噸，滿載重量60 噸?？諠M載如圖3、4 所示：

圖3 測試車輛空載圖

圖4 測試車輛滿載圖

3.4 測試數(shù)據(jù)分析

由圖5 可知，靜態(tài)測試下，控制氣路執(zhí)行元件的工作電流與工作電壓隨控制占空比的增加呈線性增加趨勢；工作電流的增長趨勢較工作電壓的增長明顯；工作電流及工作電壓的增長線性度在占空比為17% 之后更優(yōu)。

圖5 電流及電壓趨勢圖

由圖6 可知，空載條件下，最大減速度可至-5.18m/s；

圖6 空載條件不同占空比下不同制動初始速度減速度趨勢圖

當(dāng)制動初速度為10km/h 時，控制占空比在10% ～23% 區(qū)間，實際減速度隨控制占空比增加而增大，當(dāng)控制占空比大于等于23% 時，實際減速度無明顯增加；

當(dāng)制動初速度為20km/h 時，控制占空比在10% ～23% 區(qū)間時，實際減速度隨控制占空比增加而增大；

當(dāng)制動初速度為30km/h 時，控制占空比在10% ～21% 區(qū)間，實際減速度隨控制占空比增加而增大，當(dāng)控制占空比大于等于21% 時，實際減速度無明顯增加；

空載測試數(shù)據(jù)的3 組不同制動初始速度的實際減速度曲線呈現(xiàn)較好的線性度，當(dāng)控制占空比達到某一臨界點值，整車實際減速度到達最大值，此后整車實際減速度將不會隨控制占空比的增加而增大，而是將維持在最大減速度左右小范圍內(nèi)波動變化。

由圖7 可知，滿載條件下，最大減速度可至-2.86m/s；

圖7 滿載條件不同占空比下不同制動初始速度減速度趨勢圖

當(dāng)制動初速度為10km/h 時，控制占空比在10% ～23% 區(qū)間時，實際減速度隨占控制空比增加而線性增大，當(dāng)控制占空比大于等于23% 時，實際減速度無明顯增加；

當(dāng)制動初速度為20km/h 時，控制占空比在10% ～29% 區(qū)間時，實際減速度隨控制占空比增加而線性增大，當(dāng)控制占空比大于等于29% 時，實際減速度無明顯增加；

當(dāng)制動初速度為30km/h 時，控制占空比在10% ～29% 區(qū)間時，減速度隨占空比增大而增大，當(dāng)控制占空比大于等于29% 時，實際減速度無明顯增加；

同空載測試數(shù)據(jù)相比，滿載測試數(shù)據(jù)的3 組不同制動初始速度的實際減速度曲線線性度較空載略差；相同的是控制占空比達到某一臨界點值，整車實際減速度到達最大值，此后整車實際減速度將不會隨控制占空比的增加而增大，而是將維持在最大減速度左右小范圍內(nèi)波動變化；由于滿載質(zhì)量大，故滿載測試數(shù)據(jù)的臨界控制占空比的數(shù)值大于空載。

4 結(jié)論

（1）靜態(tài)條件下，控制氣路執(zhí)行元件工作電流、電壓隨占空比逐漸增加而增大；工作電流的增長趨勢較工作電壓的增長趨勢明顯；

（2）空、滿載條件下，不同制動初速度減速度曲線隨占空比增加而增大，但超過固定值后趨于平緩，減速度曲線整體線性度較好；滿載的控制占空比臨界值大于空載；

（3）控制氣路執(zhí)行元件的控制最大功效占空比隨制動初速度的增加而增大；

（4）空載條件下，應(yīng)急制動最大減速度可達到-5m/s左右；滿載條件下，應(yīng)急制動最大減速度可達到-2.8m/s左右；二者均能滿足工程車輛在實際工作中的行車制動要求。