吳偉斌 ， 胡智標(biāo)， 馮小明， 馬寶淇， 鄭澤鋒

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 廣州 510642； 2.廣州瑞立科密汽車電子股份有限公司， 廣州 510670)

商用車的電動(dòng)化和智能化已成為近年來的發(fā)展趨勢(shì)，線控制動(dòng)系統(tǒng)作為商用車的核心執(zhí)行部件，已成為汽車工業(yè)發(fā)展的焦點(diǎn)[1-4]。傳統(tǒng)的線控制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于不同車輛參數(shù)需要定制多樣化的程序，每輛車需要按照設(shè)計(jì)開發(fā)的需求寫入不同參數(shù)開通不同的功能，這不利于商用車批量生產(chǎn)和功能配置[5]。以電子穩(wěn)定性控制功能為例，若車輛在出廠設(shè)置不帶此項(xiàng)功能，后期需增加此功能項(xiàng)時(shí)，則需要專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行操作，從而影響生產(chǎn)效率[6]。此外，商用車的主掛協(xié)調(diào)與商用車安全性緊密聯(lián)系，牽引車車頭與半掛車并不是相互配對(duì)，會(huì)存在甩掛的危險(xiǎn)情況，不同牽引車車頭配置不同半掛車，制動(dòng)的配置以及制動(dòng)管路的布置是不相同的，所以就會(huì)出現(xiàn)甩掛后制動(dòng)性能的差異，從而影響車輛的行駛安全性[7-8]。因此，提高線控制動(dòng)系統(tǒng)的識(shí)別兼容性研究有著顯著的意義。

現(xiàn)階段，所有整車廠對(duì)于不同車型的制動(dòng)系統(tǒng)形式的配置一般采用以下兩種方式，一種是車輛下線時(shí)通過人工進(jìn)行制動(dòng)系統(tǒng)形式標(biāo)定，另一種是零部件企業(yè)出廠前標(biāo)定好，發(fā)貨時(shí)通過型號(hào)區(qū)分，整車廠按照對(duì)應(yīng)的型號(hào)將制動(dòng)系統(tǒng)控制器安裝到對(duì)應(yīng)的車型上[9-10]。這兩種方式均存在很大的資源浪費(fèi)問題，效率極低，還存在漏配置或者配置錯(cuò)誤等安全隱患。關(guān)于線控制動(dòng)系統(tǒng)的自識(shí)別功能開發(fā)，美國威伯科公司和德國克諾爾集團(tuán)等商用車制動(dòng)系統(tǒng)零部件企業(yè)，目前均沒有開展這方面的研究[11-13]。中國廣州瑞立科密通過利用線控制動(dòng)系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)算法，通過自動(dòng)識(shí)別制動(dòng)系統(tǒng)硬件部件的連接狀態(tài)，同時(shí)通過線控制動(dòng)系統(tǒng)功能仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真，并最終進(jìn)行實(shí)車測(cè)試及應(yīng)用[5]。中國學(xué)者張榮林[14]基于PV(pressure-volume)特性的回路壓力的估算算法構(gòu)建線控制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，通過目標(biāo)車速和實(shí)際車速作為反饋輸入，建立仿真模型驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性和安全性；楊甲豐等[15]基于CAN_FD總線設(shè)計(jì)線控制動(dòng)系統(tǒng)，提出的冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案有效縮短緊急制動(dòng)下的側(cè)向偏移距離，但缺乏在不同附著率路面下的仿真試驗(yàn)；陳志強(qiáng)[16]分析線控制動(dòng)系統(tǒng)ABS(antilock brake system)在不同道路及工況下的情況，通過仿真分析車輛在緊急制動(dòng)情況下開關(guān)閥的表現(xiàn)，但缺乏對(duì)輪速傳感器、電子穩(wěn)定系統(tǒng)等功能的識(shí)別研究。在目前的研究中，存在以下研究較少或尚未開展的問題：①當(dāng)前開展的線控制動(dòng)系統(tǒng)研究選擇實(shí)車試驗(yàn)較少，普遍停留在仿真試驗(yàn)階段；②商用車的種類較多，存在拖車與掛車結(jié)合的類型，目前的研究缺乏對(duì)拖掛車的識(shí)別功能，在緊急制動(dòng)的情況下，若線控制動(dòng)系統(tǒng)無法監(jiān)測(cè)掛車的速度值，容易產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。

針對(duì)傳統(tǒng)的線控制動(dòng)系統(tǒng)兼容效果不佳及商用車行駛安全的問題，現(xiàn)設(shè)計(jì)一種融合自動(dòng)識(shí)別功能的線控制動(dòng)系統(tǒng)，通過試驗(yàn)場(chǎng)實(shí)車試驗(yàn)，檢測(cè)車輛壓力調(diào)節(jié)閥和輪速傳感器的連接狀態(tài)，根據(jù)中央控制單元的控制模式，通過電路或者氣路控制各壓力調(diào)節(jié)閥，完成線控制動(dòng)系統(tǒng)識(shí)別帶掛車、識(shí)別輪速傳感器和壓力調(diào)節(jié)模塊和識(shí)別轉(zhuǎn)向角、橫擺率傳感器適配電子穩(wěn)定系統(tǒng)的功能，從而實(shí)現(xiàn)線控制動(dòng)系統(tǒng)識(shí)別不同車型不同的功能配置，自動(dòng)適應(yīng)緊急制動(dòng)下的車況，確保商用車的行駛安全。

1 系統(tǒng)組成及原理

如圖1所示為裝配4S4 M制動(dòng)形式的商用車氣路圖。融合自動(dòng)識(shí)別算法的線控制動(dòng)系統(tǒng)包含單通道壓力調(diào)節(jié)閥、雙通道壓力調(diào)節(jié)閥、兩個(gè)輔助電磁閥、四個(gè)輪速傳感器、中央控制單元、轉(zhuǎn)向角傳感器、橫擺率傳感器、制動(dòng)信號(hào)傳輸器等七大部件，各個(gè)部件之間的連接關(guān)系是：前軸兩個(gè)輪速傳感器和單通道壓力調(diào)節(jié)閥閥電線連接，后軸兩個(gè)輪速傳感器和雙通道EBS閥電線連接；剩余零部件和中央控制單元線束連接。

壓力調(diào)節(jié)閥包括第一單通道壓力調(diào)節(jié)閥和雙通道壓力調(diào)節(jié)閥，圖2所示為兩者的電氣工作原理圖，L1為常閉進(jìn)氣線圈，L2為常閉排氣線圈，L3為常開備壓線圈，單通道壓力調(diào)節(jié)閥共有氣控和電控兩種模式，其中氣控模式是通過4號(hào)口充氣作用與中央繼動(dòng)閥21/22按照比例輸出壓力，電模式是配合中央控制單元，輸出驅(qū)動(dòng)電流作用于L3線圈，切斷常規(guī)充氣。增壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流作用L1，減壓時(shí)驅(qū)動(dòng)L2線圈；觸發(fā)中央活塞輸出壓力。P/U標(biāo)志為閥體內(nèi)嵌的壓力傳感器，電控模式下可以實(shí)時(shí)反饋21/22口氣壓。雙通道壓力調(diào)節(jié)閥與上述原理類似，此處不再闡述。中央控制單元發(fā)送相關(guān)的壓力梯度命令請(qǐng)求第一單通道壓力調(diào)節(jié)閥、雙通道壓力調(diào)節(jié)閥驅(qū)動(dòng)L1、L2、L3線圈執(zhí)行閥動(dòng)作，壓力調(diào)節(jié)閥體反饋實(shí)際壓力狀態(tài)給中央控制單元，二者通信交互實(shí)現(xiàn)線控制動(dòng)。

圖1 4S4M商用車氣路圖Fig.1 4S4M commercial vehicle gas circuit diagram

圖2 壓力調(diào)節(jié)閥電氣原理圖Fig.2 Electrical schematic diagram of pressure regulating valve

每個(gè)輪速傳感器為左前輪速傳感器、右前輪速傳感器、左后輪速傳感器、右后輪速傳感器，左前輪速傳感器和右前輪速傳感器用于安裝在第一車軸的車輪上，左后輪速傳感器和右后輪速傳感器用于安裝在第二車軸的車輪上，分別與相應(yīng)一個(gè)所述的壓力調(diào)節(jié)閥相連接。

中央控制單元用于檢測(cè)所述壓力調(diào)節(jié)閥和所述輪速傳感器的連接狀態(tài)，獲得第一檢測(cè)結(jié)果，根據(jù)所述第一檢測(cè)結(jié)果配置控制模式，通過電路或者氣路控制各所述壓力調(diào)節(jié)閥。

2 實(shí)施方法

2.1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)地點(diǎn)在湖北襄陽達(dá)安汽車檢測(cè)中心。實(shí)車測(cè)試選用的車型為牽引車和N3類的載貨車，如圖3所示，車輛參數(shù)分別見表1和表2。試驗(yàn)儀器包括數(shù)據(jù)采集處理電腦、車輪輪速傳感器、管路壓力傳感器和CAN采集儀。

圖3 實(shí)車試驗(yàn)樣車Fig.3 Real car test sample car

表1 牽引車參數(shù)Table 1 Tractor parameters

表2 載貨車參數(shù)Table 2 Truck parameters

2.2 試驗(yàn)項(xiàng)目

衡量融合自識(shí)別功能的線控制動(dòng)系統(tǒng)的可行性有三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別是線控制動(dòng)系統(tǒng)識(shí)別掛車是否連接在牽引車、識(shí)別傳動(dòng)軸上輪速傳感器和壓力調(diào)節(jié)模塊和識(shí)別轉(zhuǎn)向角傳感器、橫擺率傳感器適配電子穩(wěn)定程序功能。其中，牽引車將完成線控制動(dòng)系統(tǒng)識(shí)別帶掛車項(xiàng)目試驗(yàn)，載貨車進(jìn)行其余的項(xiàng)目試驗(yàn)。牽引車連接掛車和載貨車將以40 km/h的速度在附著率0.8和附著率0.4的路面行駛，并收集前后輪的輪速與實(shí)際車速數(shù)據(jù)。

2.2.1 識(shí)別掛車是否連接在牽引車

傳統(tǒng)的機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，各機(jī)械機(jī)構(gòu)之間不存在任何聯(lián)系。掛車自識(shí)別功能是基于現(xiàn)階段逐漸普及的電子電控制動(dòng)系統(tǒng)，電控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控各制動(dòng)機(jī)構(gòu)的連接狀態(tài)以及工作狀態(tài)，通過掛車與牽引車連接的電纜線連接狀態(tài)，識(shí)別是否已經(jīng)連接掛車。當(dāng)系統(tǒng)識(shí)別已經(jīng)連接掛車時(shí)，系統(tǒng)可以對(duì)牽引車車頭和半掛車的制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出制動(dòng)力進(jìn)行同步調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)主掛協(xié)調(diào)一致。線控制動(dòng)系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)掛車的速度值，傳統(tǒng)的線控制動(dòng)系統(tǒng)并無此項(xiàng)功能，因此可以通過判斷前后輪的輪速值與實(shí)際車速對(duì)比即可判斷系統(tǒng)是否能夠識(shí)別掛車是否連接在牽引車。

2.2.2 識(shí)別傳動(dòng)軸上輪速傳感器和壓力調(diào)節(jié)模塊

雖然我國資本項(xiàng)目仍未完全開放，跨境證券投資等項(xiàng)目仍受到額度管理，但近年來，隨著我國資本項(xiàng)目外匯管理改革的不斷推進(jìn)，境內(nèi)外市場(chǎng)主體投融資渠道和方式得到進(jìn)一步豐富和完善，投融資便利化水平不斷提升，同時(shí)也放大了匯率預(yù)期通過資本市場(chǎng)對(duì)跨境資金流動(dòng)的影響。當(dāng)人民幣匯率處于升值預(yù)期時(shí)，資本市場(chǎng)交易主體會(huì)形成資產(chǎn)價(jià)格上漲以及資產(chǎn)收益率上升的預(yù)期，從而誘使境外資本加速流入境內(nèi)。

商用車車型眾多，不同車型不同配置的商用車，采用的底盤制動(dòng)系統(tǒng)形式存在差異，區(qū)別在于裝備的輪速傳感器和制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)模塊數(shù)量。對(duì)于不同的制動(dòng)形式，制動(dòng)系統(tǒng)的控制邏輯的差異性影響每個(gè)車輪的輪速狀態(tài)以及制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)效果。基于電子電控制動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)識(shí)別輪速傳感器和壓力調(diào)節(jié)模塊數(shù)量功能，系統(tǒng)通過識(shí)別電纜線的連接狀態(tài)，即中央控制單元通過CAN總線與各壓力調(diào)節(jié)閥和各輪速傳感器發(fā)送信號(hào)，根據(jù)結(jié)果判斷各壓力調(diào)節(jié)閥和各輪速傳感器的連接狀態(tài)，確認(rèn)當(dāng)前狀態(tài)下車輛裝備的輪速傳感器及壓力調(diào)節(jié)模塊的數(shù)量，然后進(jìn)行內(nèi)部程序狀態(tài)自配置，實(shí)現(xiàn)配置對(duì)應(yīng)。如果配置不正常，將會(huì)導(dǎo)致功能失效或者降級(jí)，存在很大的安全隱患。

2.2.3 識(shí)別轉(zhuǎn)向角傳感器和橫擺率傳感器

轉(zhuǎn)向角傳感器監(jiān)控方向盤旋轉(zhuǎn)角度以及旋轉(zhuǎn)速度，橫擺率傳感器監(jiān)控車身姿態(tài)信息，包括側(cè)向加速度、旋轉(zhuǎn)角速度等。當(dāng)識(shí)別到這兩個(gè)傳感器時(shí)，說明系統(tǒng)具備車身穩(wěn)定控制功能，該功能有效預(yù)防車輛側(cè)翻和甩尾風(fēng)險(xiǎn)，尤其在方向控制時(shí)，當(dāng)監(jiān)控到車輛存在側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，將主動(dòng)對(duì)各車輪實(shí)施相應(yīng)的制動(dòng)，從而糾正車身姿態(tài)。

2.3 線控制動(dòng)系統(tǒng)驗(yàn)證

在進(jìn)行三個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目前，需要對(duì)融合自識(shí)別功能的線控制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行有效驗(yàn)證，確保系統(tǒng)是否能夠正常工作。將目標(biāo)車輛在附著率為0.8的路面上行駛，通過采集輪速傳感器和四個(gè)車輪的壓力傳感器的數(shù)據(jù)，檢測(cè)制動(dòng)氣室內(nèi)的壓力，驗(yàn)證當(dāng)車輛采取緊急制動(dòng)時(shí)，防抱死系統(tǒng)會(huì)介入維持車輛的行駛穩(wěn)定性，四個(gè)車輪能夠接受到線控制動(dòng)系統(tǒng)傳送的電信號(hào)，從而采取有效的制動(dòng)力。一般來說，當(dāng)防抱死系統(tǒng)介入時(shí)，前輪抱死的相對(duì)于后輪抱死的危險(xiǎn)性較小，前輪抱死能夠保證車輛的行駛穩(wěn)定性，后輪抱死發(fā)生甩尾所產(chǎn)生的危害性更大，這意味著制動(dòng)閥施加給前輪的壓力遠(yuǎn)大于后輪的壓力，從而保證車輛的安全性。

如圖所示，圖4(a)和圖4(b)分別表示為車輛以40 km/h和80 km/h的車速行駛狀態(tài)下的壓力曲線，車輛前后輪的壓力呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，當(dāng)車速值到達(dá)A點(diǎn)時(shí)，車速開始下降，表明車輛進(jìn)入制動(dòng)的狀態(tài)，可以注意到左前輪和右前輪的制動(dòng)壓力逐漸增加，反之左后輪和右后輪的制動(dòng)氣室內(nèi)的壓力大幅度減小。當(dāng)車速值到達(dá)5 km/h左右時(shí)，由于車速過低，因此防抱死系統(tǒng)解除，此時(shí)前后輪的制動(dòng)壓力上升，車輛行駛處于穩(wěn)定狀態(tài)。兩個(gè)壓力曲線圖在A點(diǎn)呈現(xiàn)的前后兩輪壓力曲線的差異即可驗(yàn)證融合自識(shí)別功能的線控制動(dòng)系統(tǒng)的能夠正常工作，表明系統(tǒng)能夠識(shí)別后輪的輪速傳感器和壓力傳感器，從而控制制動(dòng)壓力大小。

圖4 車輪壓力曲線Fig.4 Wheel pressure curve

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5表示為識(shí)別牽引車是否帶掛車的前后輪速與實(shí)際車速關(guān)系圖。圖5(a)當(dāng)車輛以40 km/h的車速在附著率為0.8的路面行駛，當(dāng)采取緊急制動(dòng)時(shí)，防抱死系統(tǒng)介入，實(shí)際車速迅速下降，此時(shí)無識(shí)別功能的掛車前后輪輪速在接近0.75 s的時(shí)間內(nèi)下降為0，與實(shí)際車速的數(shù)值偏差較大，而有識(shí)別功能的掛車前后輪下降幅度與實(shí)際車速接近，其中帶有識(shí)別功能的后輪輪速降幅較大，這是由于掛車受牽引車車頭的鞍座支撐作用，該軸載重最輕，后輪與地面的接觸最小。隨后系統(tǒng)監(jiān)控到后輪輪速下降，自動(dòng)對(duì)該軸的制動(dòng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，減少該軸制動(dòng)壓力，使得輪速與實(shí)際車速保持一致。圖5(b)顯示在低附著路面，帶有識(shí)別功能的車輛依然能準(zhǔn)確識(shí)別前后輪的輪速，并在緊急制動(dòng)的路況下對(duì)制動(dòng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于路面附著率較低，因此相比于高附著路面的識(shí)別精度較低，總體來看，帶有自識(shí)別功能的線控制動(dòng)系統(tǒng)明顯優(yōu)于無識(shí)別功能的車輛。帶有自識(shí)別功能的前后輪車速與實(shí)際車速的一致性說明了融合自識(shí)別功能的線控制動(dòng)系統(tǒng)能夠識(shí)別掛車的存在，傳統(tǒng)的線控制動(dòng)系統(tǒng)并沒有此項(xiàng)功能，意味著在出現(xiàn)緊急制動(dòng)的危險(xiǎn)工況下，電子控制單元不能及時(shí)向掛車的制動(dòng)電磁閥發(fā)送信號(hào)，無法提供有效的制動(dòng)力；而有識(shí)別功能的線控制動(dòng)系統(tǒng)能夠識(shí)別掛車，實(shí)現(xiàn)多種車型的適配。

圖6表示為線控制動(dòng)系統(tǒng)通過自學(xué)習(xí)識(shí)別當(dāng)前車輛的輪速傳感器和壓力調(diào)節(jié)模塊連接數(shù)量，即各輪速傳感器和壓力調(diào)節(jié)模塊是否連接到中央控制單元。無識(shí)別功能的系統(tǒng)無法檢測(cè)輪速傳感器與壓力模塊，圖6(a)為當(dāng)車輛以40 km/h的車速在附著率為0.8的路面行駛，采取緊急制動(dòng)時(shí)，無識(shí)別功能的車輛迅速下降為0，而有識(shí)別功能的車輛與實(shí)際車速匹配度較高，數(shù)值更為接近，表明自識(shí)別功能檢測(cè)到各輪速傳感器和壓力調(diào)節(jié)模塊的連接狀態(tài)，提供有效的制動(dòng)力。圖6(b)為低附著路面下的前后輪速與實(shí)際車速的比較，無識(shí)別功能的車輛在短時(shí)間內(nèi)迅速降為0，而帶有識(shí)別功能的車輛識(shí)別效果更佳，監(jiān)測(cè)的前后輪速與實(shí)際車速相對(duì)接近，受到路面附著率的影響，車輛在高附著路面的調(diào)節(jié)能力明顯優(yōu)于在低附著路面的表現(xiàn)，結(jié)合兩圖可以表明自識(shí)別功能的線控制動(dòng)系統(tǒng)在緊急制動(dòng)的情況下起到關(guān)鍵作用。

圖5 識(shí)別帶掛車項(xiàng)目Fig.5 Identify items with trailers

圖7(a)和圖7(b)表示車輛在附著率為0.8和0.4的路面以40 km/h的基準(zhǔn)車速進(jìn)行轉(zhuǎn)彎制動(dòng)性能測(cè)試時(shí)的輪速狀態(tài)，在進(jìn)入彎道后，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控車身姿態(tài)，當(dāng)車身存在側(cè)向加速度時(shí)，將單獨(dú)對(duì)個(gè)別車輪進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)該車輪車速。當(dāng)車身姿態(tài)恢復(fù)正常時(shí)，系統(tǒng)控制該輪制動(dòng)壓力與其他車輪同步，最終使各輪速與實(shí)際車速保持一致。試驗(yàn)表明帶有識(shí)別功能的線控制動(dòng)系統(tǒng)能夠通過中央控制單元檢測(cè)信號(hào)，識(shí)別轉(zhuǎn)向角傳感器和橫擺率傳感器，判斷是否要開啟電子穩(wěn)定程序，提高車輛的行駛安全性。

圖6 識(shí)別輪速傳感器與壓力模塊Fig.6 Identify wheel speed sensor and pressure module

圖7 識(shí)別轉(zhuǎn)向角傳感器和橫擺率傳感器Fig.7 Identify steering angle sensor and yaw rate sensor

4 結(jié)論

通過實(shí)車緊急制動(dòng)試驗(yàn)，在不同附著率的路面進(jìn)行了關(guān)于識(shí)別掛車是否連接在牽引車、識(shí)別傳動(dòng)軸上輪速傳感器和壓力調(diào)節(jié)模塊和識(shí)別轉(zhuǎn)向角傳感器和橫擺率傳感器的測(cè)試，比較了線控制動(dòng)系統(tǒng)有無自識(shí)別功能的差別，可以得到以下結(jié)論。

(1)帶有自識(shí)別功能的線控制動(dòng)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識(shí)別掛車連接在牽引車上，并且能保持前后輪速與實(shí)際車速的一致性。

(2)帶有自識(shí)別功能的線控制動(dòng)系統(tǒng)能夠檢測(cè)到各輪速傳感器和壓力調(diào)節(jié)模塊的連接狀態(tài)，在緊急制動(dòng)的情況下提供有效的制動(dòng)力，并且具備車身穩(wěn)定控制功能，有效預(yù)防車輛側(cè)翻和甩尾風(fēng)險(xiǎn)，尤其在方向控制時(shí)，當(dāng)監(jiān)控到車輛存在側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，將主動(dòng)對(duì)各車輪實(shí)施相應(yīng)的制動(dòng)，從而糾正車身姿態(tài)。

(3)帶有自識(shí)別功能的線控制動(dòng)系統(tǒng)在高附著路面的調(diào)節(jié)能力優(yōu)于在低附著路面上的表現(xiàn)。