基于智能驾驶低速电动车线控制动装置的设计与应用

罗洋坤

（湖南汽车工程职业学院，湖南 株洲 412001）

0 引 言

智能驾驶汽车已成为国内外车辆工程领域重点研究的对象，智能驾驶是一个集环境感知、智能决策、控制技术、路径规划、信息融合等技术于一体的高新技术综合体。智能驾驶电动观光车作为研究对象之一，使用环境相对简单，行驶路线相对固定，行驶速度低于15 km/h。目前，在智能驾驶低速电动车领域缺少智能驾驶模式与人工驾驶模式间车辆线控制动装置的研究，因此，设计一套适用于智能制动与人工制动于一体的线控制动装置来提高智能驾驶低速电动车制动的可靠性和安全性。

1 线控制动装置方案设计

智能驾驶低速电动车线控制动装置的设计方案源于电动车制动装置的结构及工作原理，因电动车行驶速度低，一般采用碟刹制动方式，即通过液压泵推动刹车卡钳从而加紧刹车片实现制动。在不改变原车制动器结构和制动方法的基础上，结合原车底盘结构特点，增加一套装置来控制车辆制动。经研究分析，设计在人工模式和智能模式制动中均与制动主轴采用齿轮啮合传动的方式进行，与制动主轴配合的人工模式制动机构和智能模式制动机构在ECU控制时择一在电磁吸合作用下与制动主轴发生啮合传动。使制动主轴在同一时期可在电磁吸合的作用下仅能通过人工模式或智能模式实现简单、快速、可靠的切换制动。线控制动装置控制流程如图1所示。

图1 线控制动装置控制流程

线控制动装置能根据上位机控制车辆在人工驾驶模式制动和智能模式制动间切换。工作在其中一模式时，ECU控制器通过CAN总线发送报文指令至制动控制模块，该模块根据报文内容控制齿轮型牙嵌式电磁离合器（以下简称电磁离合器）。制动推杆电机受控于电磁离合器，如工作在人工状态时，则不工作；工作在智能驾驶状态时，则推动制动液压泵主轴实现线控制动。

2 线控制动装置设计

2.1 线控制动装置机械结构设计

智能驾驶电动观光车线控制动装置由制动推杆电机、齿轮牙嵌式电磁离合器、电磁式感应传感器、制动踏板传动机构、制动主轴齿条、推杆电机齿条、回位弹簧等组成，如图2所示。

图2 线控制动装置结构

2.2 线控制动装置的工作原理及控制

2.2.1 智能驾驶模式下的线控制动装置工作原理及控制

低速电动车通过上位机控制进入智能驾驶模式，ECU实时发出报文指令控制电磁离合器处于常闭状态，主动齿轮与电磁离合器吸合。同时ECU实时控制电磁离合器处于常开，主动齿轮与电磁线圈分离，ECU实时发出指令控制制动推杆电机工作。智能驾驶模式下ECU模块控制流程如图3所示。

图3 智能驾驶模式控制流程

（1）制动推杆电机工作原理及控制

智能驾驶模式下推杆电机制动过程：电磁离合器处于常闭状态，主动齿轮与电磁线圈吸合，推杆驱动电机工作时，电磁离合器双齿轮同步；推杆驱动电机驱动推杆电机齿条轴向右移动，带动电磁离合器双齿轮逆时针旋转，驱动制动主齿条向左移动；制动主轴齿条克服回位弹簧阻力向左移动；推杆电机齿条轴与电磁离合器，双齿轮与制动主轴齿条实现1∶1的驱动力和等距传递；制动主轴齿条连杆机构推动制动液压泵主轴实现车辆智能制动，如图4所示。

图4 智能驾驶模式下制动推杆电机制动示意图

（2）制动踏板传动机构工作原理及控制

电动车工作在智能驾驶模式，ECU控制电磁离合器处于常开状态；电磁离合器主齿轮与主轴、制动踏板连杆机构完全分离，无力矩传递；制动踏板及制动踏板连杆机构、主轴机械机构处于原位静止状态。

2.2.2 人工驾驶模式下的线控制动装置工作原理及控制

低速电动车由上位机控制进入人工驾驶模式，ECU发出指令控制电磁离合器处于常开状态，主齿轮与电磁线圈分离，同时制动推杆电机不工作。ECU控制电磁离合器处于常闭，主齿轮与电磁线圈吸合。人工驾驶模式控制流程如图5所示。

图5 人工驾驶模式控制流程

（1）制动踏板制动工作原理及控制

当车辆进入人工驾驶模式时，制动踏板工作过程如下：电磁离合器处于常闭状态，主动齿轮与电磁线圈吸合，当人员踩下制动踏板，电磁离合器与踏板主轴同步顺时针旋转；制动踏板推动电磁离合器齿轮顺时针旋转，驱动制动主齿条向左移动；制动主轴齿条克服回位弹簧阻力向左移动；制动踏板与电磁离合器，主齿轮与制动主轴齿条实现1∶1的驱动力和等距传递，如图6所示。

图6 人工驾驶模式下制动踏板制动示意图

（2）推杆电机传动机构工作原理及控制

此时因车辆处于人工驾驶模式，电磁离合器由ECU控制处于常开状态，电磁离合器主齿轮与制动主轴齿条完全分离，推杆电机齿条轴与制动推杆电机原位静止。

3 紧急线控制动部件的设计及控制

3.1 紧急线控制动部件设计

制动机构作为底层制动系统的一部分，与车辆的安全运行息息相关。在人工驾驶模式下因车辆故障、失控或其他情况等可以实现紧急制动，而在智能驾驶模式下，当车辆避障传感器存在盲区或智能传感器工作异常的情况，车辆无法实现避障或紧急制动，在此情况下需要人工干预，进行驾驶模式切换和立即制动。在紧急制动模式中利用电磁感应特性，经电磁感应及时捕捉制动踏板连杆动作，为ECU进行后续驾驶模式切换提供精准信号，使人工干预及时生效，迅速实现车辆制动，保障车辆在智能驾驶过程中的安全。紧急线控制动流程如图7所示。

图7 紧急线控制动流程

3.2 紧急线控制动工作原理及控制

在制动踏板连杆的制动动作路径中安装电磁式传感器，电磁式传感器整体呈U形，永久磁铁和信号线圈位于U形结构的两个端部，电磁式传感器的U形凹槽可供制动踏板连杆进入和脱出，通过感应制动踏板连杆的进入和脱出动作来为ECU提供驾驶模式切换信号。制动踏板与U形电磁式传感器工作示意图如图8所示。

图8 制动踏板与U形电磁式传感器工作示意图

电磁式传感器可输出高电平“1”和低电平“0”两种信号，即智能汽车在智能驾驶模式下时，制动踏板连杆无动作，处于脱出电磁式传感器的状态，此时，电磁式传感器输出低电平“0”；当车辆工作在智能模式中且遇到需进行紧急制动的情况时，人工踩下制动踏板，电磁式传感器感应到制动踏板连杆动作，输出高电平“1”。此时，ECU接收到电磁式传感器的信号变化，立即解除智能模式制动，并进一步控制制动控制模块，而制动踏板连杆在进入电磁式传感器后可立即脱出，电磁式传感器输出的信号将由高电平“1”跳转至低电平“0”。ECU接收到该低电平“0”信号后，制动控制模块进入人工驾驶模式，电磁式传感器由ECU控制复位至初始状态，以保障车辆在紧急状态下的安全。

4 结 语

低速电动车线控制动装置设计充分利用了电磁感应特性、电磁的吸合特性及齿轮啮合的传动性能，在不改变原车制动装置的基础上实现了线控制动在人工模式制动和智能模式制动间的快速、可靠切换。线控制动装置设计简单巧妙，不仅能进一步提高低速电动车在智能驾驶中的可靠性和安全性，也推动了线控制动技术在智能驾驶中的验证和应用，有利于推动无人驾驶汽车智能化技术的发展。