CN106919173A - 一种基于重型车辆编队的制动集成控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于重型车辆编队的制动集成控制方法，方法分为信号感知层、决策控制层和命令执行层；根据车辆在编队中的位置设计传感器类型和制动形式，在空气阻力非线性变化条件下由前车和尾车传感器测得精确车辆载荷，实时估计中间车辆载荷得到更精确结果；警报***分为车辆故障报警***和编队插车报警***；根据编队运行多模式识别结果，车载摄像头调整角度实现不同识别功能；针对编队车辆总量奇偶变化对制动集成控制策略进行改变；可升降浮桥制动改变前束角度获得相应制动力并进行防爆胎控制；电涡流缓速器制动中带有扇叶设计；根据行驶模式和故障类型采取相应容错控制和模式选择。
Description
技术领域
本发明属于车辆编队制动领域，尤其是重型运输车辆编队制动集成控制***。
背景技术
交通事故、交通拥堵、温室气体排放、环境污染、能源消耗等日趋严重的问题已成为人类的共性课题。随着能源消耗、环境污染、交通拥堵问题的日益严峻，车辆编队控制受到日益关注和重视。我国人口密集，交通拥堵和交通事故屡见不鲜，经济较发达城市尤为严重。因此改善交通***通行能力、提高交通***智能程度和安全性具有重要战略意义。从20世纪开始全球贸易大部分依赖于货物运输和通信***，运输***对社会发展至关重要，运输需求与经济发展紧密相连。在所有路面货物运输中，公路运输承担了60％以上的运输任务。尽管道路货运在经济发展中至关重要，但也面临燃油价格上调、温室气体排放监管加强等诸多挑战；另一方面信息和通讯集成控制技术和智能交通的迅速发展大大提高了运输***安全性和经济性，编队运输可明显降低燃油消耗，为协作运输***提供强大动力，为编队运输***的产生提供可能。随着世界人口继续增长和经济规模不断扩大，货物运输需求会明显提高。
我国正处在城市化高速发展过程中，公路***的发展在城市化过程中十分明显，城内交通和城际交通都在迅速发展，对国家经济发展有较大助益。为降低货物运输成本、提高市场之间的流动性，汽车编队控制可以很好协调车队的整体通行行为；编队控制不但能够保持较高灵活性，同时也保证了行车效率，这对改善道路通行率和道路容量有重要意义。虽然我国城市交通的拥堵现状十分严峻，但车队并非是造成交通拥堵的核心问题，有效提升车队密度和车队运输效率对于解决交通拥堵具有一定助益。在研究日益严峻的交通问题中，将电子信息技术大量引入交通运输***不仅能解决交通拥堵，而且对交通安全、事故处理与救援、货运管理、道路收费等方面产生巨大影响；随着研究、开发和试验范围不断扩大，编队运输***应运而生。车辆编队行驶是智能车路***的一个重要方向，是智能车路***提高道路容量的重要环节。车辆编队是指由若干车辆组成的一列线性车队，以较小车距沿相同路径行驶。通过车辆编队控制可提高道路车辆密度，增加道路容量，同时减少控制对象，简化交通控制复杂程度，降低驾驶员疲劳程度，增加交通可控性，有效缓解交通拥堵，增强行驶安全性。通过对编队车辆的空气动力学分析与仿真，发现车辆编队行驶可降低车辆所受空气阻力，降低油耗，节约能源，提高行驶经济性。车辆编队控制是智能车路协调环境中由汽车列队行驶派生出的一种重要车队驾驶行为，它与车辆分队、车队换道等车队驾驶行为结合起来提高了汽车列队的柔性与灵活性，大大提高汽车列队行驶效率。随着无线通信技术的飞速发展，车一车通信问题得到改善，通过车间通信实现多车协同控制有效增强车辆环境适应性，这成为车辆编队问题研究的一个重要方向。
目前有少量研究致力于商用车制动集成控制和车辆编队行驶控制方法，《基于制动器温度和磨损控制的制动集成算法》一文提出了一种气压电控制动***、发动机和电涡流缓速器三者集成的控制算法，对于电控摩擦制动***与电涡流缓速器之间的制动力分配，以尽量多地采用电涡流缓速器为原则，而前、后轴摩擦制动器之间的制动力分配则以尽量均衡二者摩擦衬片磨损程度为原则，但该研究没有充分考虑不同行驶工况对制动力分配要求的不同。专利《商用车集成制动***分工况制动力分配优化方法》提出一种商用车集成制动***分工况制动力分配优化方法，针对配有气压电控制动***和电涡流缓速器的商用车，提出前轴摩擦制动器、后轴摩擦制动器和电涡流缓速器的制动力分配优化方法，考虑紧急制动、下长坡制动和其他普通制动工况对制动响应速度、制动距离、制动器温度和摩擦衬片磨损一致性的要求的不同，对不同的制动工况采用不同的控制目标和制动力分配策略，但是文章没有涉及车辆编队过程中的制动集成控制方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于重型车辆编队的制动集成控制方法，在重型车辆编队行驶条件下进行制动，通过车辆编队控制提高道路车辆密度，增加道路容量，减少控制对象，简化交通控制复杂程度，降低驾驶员疲劳程度，增加交通可控性，有效缓解交通拥堵，增强行驶安全性，同时编队行驶可以降低空气阻力，提高燃油经济性。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：将基于重型车辆编队的制动集成控制方法分为信号感知层、决策控制层和命令执行层三部分；信号感知层分为车辆状态感知和外部环境感知，车辆状态感知分为轮速测量、制动减速度测量和载荷估计，外部环境感知分为风速测量、路面附着系数估计、车辆间距估计和道路坡度估计；决策控制层分为单车控制层、编队控制层和容错控制层，单车控制层包括参数辨识策略和制动逻辑控制策略，编队控制层包括编队车辆间距控制策略和编队顺序控制策略；执行层包括传感器和制动器，制动形式包括发动机制动形式、电涡流缓速器制动形式、轮毂电机制动形式、可升降浮桥制动形式和电子机械式制动形式。
该方法适用于单车数量大于等于三辆且车型相同的重型车辆编队制动集成控制；其中信号感知层分为车辆状态感知和外部环境感知，车辆状态感知装置有轮速传感器、制动力矩传感器、制动减速度传感器和载荷传感器；外部环境感知装置有风速传感器、雷达和摄像头；其中风速传感器、载荷传感器和轮速传感器只安装于编队车辆的头车和尾车上，而制动力矩传感器、制动减速度传感器、雷达和摄像头感知装置安装为每一辆编队车辆所具备；编队中头车和尾车具有功能最多的传感器并且所具有的制动形式和制动能力相同，在行驶过程中头车出现故障或驾驶员驾驶疲劳时头车和尾车可以互换位置，减少头车驾驶员的驾驶疲劳程度和提高编队***的容错控制能力。
由于当前载荷估计方法中未考虑空气阻力，在驱动力行驶阻力平衡方程中做了大量简化，所以载荷估计结果不够精确。本发明中编队车辆为相同车型，所以车辆固有参数相同，通过对比不同空气阻力条件下车辆的制动力可以精确估计出车辆载荷。安装于头车和尾车上的轮速传感器得到编队车辆当前行驶车速，与编队中间车辆通信控制编队车辆以相同车速行驶；安装于头车和尾车上的风速传感器测量风速得到编队车辆中头车和尾车所受空气阻力，根据编队车辆中不同位置车辆所受空气阻力不同拟合空气阻力在编队车辆中非线性函数关系，从而得到中间车辆所受空气阻力，制动力矩传感器和制动减速度传感器测得中间车辆制动时车轮制动力矩和制动减速度；由传感器精确得到前车和尾车的车辆载荷，在考虑非线性空气阻力变化和中间车辆制动力矩条件下实时估计中间车辆载荷可得到更为精确的估计结果。
外部环境感知包括交通信号识别、道路坡度估计和路面附着系数估计；编队车辆在车头上部安装有一个可上下摆动一定角度的摄像头和一个雷达，车头底部位置安装有一个雷达；安装于车头上部的雷达用于车辆间距的识别，摄像头用于识别道路附着情况和交通信号识别，安装于车头底部位置的雷达用于检测是否有插队车辆进行插队并用于进行路面附着系数和道路坡度的识别；当头车摄像头检测到前方交通信号灯时，由头车发出的制动信号同步发送到编队车辆ECU中，控制编队车辆提前进行制动；当车头底部雷达识别到有插队车辆出现时，ECU发出报警信号；摄像头可进行上下摆动，识别道路交通状况并进行路面附着系数识别。
警报***分为车辆故障报警***和编队插车报警***；车辆故障报警***是编队容错控制中的一部分功能；车辆故障报警***检测到编队车辆故障时会将故障位置和故障类型发送到车载显示屏上，并控制报警器发出警报，在头车和尾车均安装报警器，位于头车和尾车的驾驶员会根据警报信息采取措施进行处理；在编队行驶过程中，位于车头底部的雷达如果检测到有非编队车辆***编队时，为降低***车辆并行超车时间和并行距离提高行驶安全性，雷达识别编队中车辆***位置，ECU控制编队***位置后面的车辆进行制动，使***车辆快速***，设置***车辆在编队中的插车时间上限值，当插车车辆在编队中超过一定时间后，编队插车报警***将发出语音警报警示***车辆迅速离开编队，***位置后面的车辆鸣笛提示***车辆离开编队。当编队行驶中有新的编队单车***时，***识别***单车的制动能力，并根据单车具有的制动能力确定单车要***的位置，***点前方编队车辆加速行驶，***点后方的车辆进行制动，降低新***车辆的并行***时间和并行距离；当车辆运输中因增减货物使车辆制动能力发生改变时，车辆识别载荷并根据车辆载荷和所具有的制动能力进行编队车辆重新排序，载荷大而制动能力较小的车辆排在编队前面，载荷小而制动能力大的车辆排在编队后方，载荷与制动能力相匹配的车辆排在编队中间位置。
根据不同路面的附着系数、道路情况和天气情况进行多模式识别，编队行驶的多模式包括根据道路情况划分的城市公路行驶模式、高速公路行驶模式、山区行驶模式和根据天气情况划分的晴天行驶模式、雾天行驶模式和雨天冰雪天气行驶模式和根据路面附着系数划分的干燥路面行驶模式和湿滑路面行驶模式；车头上方摄像头根据不同行驶模式根据角度调整的不同从而检测车辆前方不同距离下的路况；在城市公路行驶模式下，车速小且制动频繁，摄像头与行驶路面所成角度在所有行驶模式中最大，探测距离为前方50米；高速公路行驶模式下编队车速快，摄像头调整角度与行驶路面最小，摄像头可以检测到前方300米的路况；山区行驶模式下道路坡度变化大，车头摄像头调整角度与行驶路面的角度居中，通过摄像头检测车辆前方150米路况；根据天气情况划分的行驶模式下，晴天行驶模式下摄像头与地面角度在三种模式中最小，探测距离为前方300米，雾天行驶模式下摄像头与地面角度在三种模式中最大，探测距离为前方50米，雨天冰雪天气行驶模式下摄像头与地面角度居中，检测车辆前方150米路况；根据路面附着系数划分的模式中，干燥路面行驶模式下摄像头检测车辆前方150米路况，湿滑路面行驶模式下摄像头检测车辆前方150米路况。
制动逻辑控制依托于发动机制动形式、电涡流缓速器制动形式、轮毂电机制动形式、可升降浮桥制动形式和电子机械式制动形式，不同位置的车辆制动***为以上制动形式中几种或多种形式的组合，车辆所具有的制动形式越多则制动能力越大；其中编队中的头车和尾车具有所有制动形式，但头车制动形式只根据实际制动情况发挥部分制动形式，尾车所有制动形式在实际制动中全部发挥，头车和尾车具有最大制动能力，可进行位置互换；编队中间车辆的制动能力根据车辆在编队中的顺序从前向后呈增大趋势，当编队车辆为偶数辆单车时，中间车辆的制动形式为从前向后相邻两辆单车的制动形式和制动能力相同，并且中间车辆的制动形式和制动能力从前先后呈提高和增加的趋势；当编队车辆为奇数辆单车时，编队最中间的车辆所受空气阻力最小，最中间车辆的制动形式和制动能力与头车和尾车相同，剩余中间车辆的制动形式和制动能力与编队为偶数辆单车时的制动形式和能力相同。
可升降浮桥制动形式对称安装于底盘中间的车架两侧，由安装有轮毂电机的车轮和两个产生垂直运动的直线电机组成；ECU检测到制动信号时，在行驶过程中控制直线电机使浮桥下降，接触地面后浮桥车轮利用轮毂电机产生制动力并且车轮转动使轮毂电机发电，产生的电能存储后为车辆用电***供电；可升降浮桥式直线电机与现有的升降浮桥控制***相比响应迅速，直线电机在控制浮桥车轮下降过程中，轮毂电机使车轮向内旋转一定角度形成前束，根据***识别的制动减速度的不同而调节车轮前束角度；直线电机控制浮桥升降，制动结束后直线电机带动浮桥上升使轮胎脱离地面；出现爆胎情况时，车辆ECU自动判断发生爆胎车轮位置，产生纵向运动的直线电机控制浮桥向爆胎位置移动，使可升降浮桥的车轮替代爆胎车轮，从而保证车辆紧急工况时的行驶稳定性。
为使缓速器制动形式中电涡流缓速器在安全工作温度下进行制动，在车辆底盘下方安装电机控制的扇叶，车辆未制动时扇叶平面平行于实时路面，当接收到制动信号时扇叶打开与地面垂直，由于空气阻力的作用使扇叶旋转，旋转的扇叶一方面利用风能为缓速器降温，另一方面扇叶的旋转也为车辆制动减速提供一部分阻力，根据两个功能的比重自动调节扇叶与地面的角度，当缓速器温度达到安全工作温度上限时，电机调整扇叶与地面角度为能提供最大风速的角度，当缓速器未达到安全工作温度上限时，电机调整扇叶角度为能产生最大制动力的角度。
容错控制层包括单车容错控制策略和编队容错控制策略；编队车辆中只有头车和尾车上配有驾驶员，中间车辆上为无人驾驶；头车通过传感器测得的车辆行驶参数和道路参数通过无线通信技术同时传递给编队中的其他车辆；当头车出现故障时，故障信号传递到尾车中，尾车可根据实际行驶情况与头车进行位置互换，在不影响正常行驶的条件下继续保持编队行驶；当编队中间车辆制动***出现故障时，ECU向驾驶员发出警报，故障车辆对正常工作的制动形式和故障后车辆所具有的制动能力进行评估，并按照新的制动能力进行编队车辆排序，重新排序后故障车辆的前车在允许加速行驶的情况下进行加速，故障车辆的后车进行制动，增大故障车辆前后车距，从而保障故障车辆的制动有效性；当尾车出现故障时，驾驶员识别故障类型是否影响正常编队行驶，如果不影响正常行驶则从自动驾驶模式切换到手动操作模式，如果故障影响编队行驶，则驾驶员控制故障车辆靠边停车，编队其他车辆在头车带领下继续编队行驶。
编队车距控制采用多模式门限值控制方法，车辆识别的道路交通情况，将编队行驶模式分为城市公路行驶模式、高速公路行驶模式和山区行驶模式；三种模式下编队车距都随车速的提高而增大；在城市公路行驶模式下，由于车速较低设置的最小安全车距最小，且在此模式下编队中不允许非编队车辆***；在高速公路行驶模式下编队车辆车速快设置的最小安全车距最大；编队车辆在前两种行驶模式下均为等车距行驶；在山区行驶模式下，道路起伏和转弯工况频繁出现，设置编队车辆为变间距行驶，相邻两车制动能力较大时车距设置较大值，相邻两车制动能力较小时车距设置为较小值；制动过程中如果检测到目标车辆的前车距与后车距差值超过某一限值时，***调整车辆制动力，使车辆前后车距均匀；根据天气情况划分的行驶模式下，车辆判断是否处于山区行驶模式下，如果是则编队按照变车距行驶，如果不是则按照等车距行驶，车距根据天气情况进行调整，晴天车距最小，雨天冰雪天气车距最大，雾天车距居中；根据路面附着系数划分的模式中，干燥路面行驶模式间距比湿滑路面行驶间距大。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为基于重型车辆编队的制动集成控制方法的控制流程图。
图2为编队车辆制动形式和制动能力分布图。
图3为基于行驶多模式的摄像头角度调整图。
图4为报警***控制流程图。
图5为编队车辆插车判断流程图。
图6为可升降式浮桥制动***图。
具体实施方式
该方法适用于单车数量大于等于三辆且车型相同的重型车辆编队制动集成控制；其中信号感知层分为车辆状态感知和外部环境感知，车辆状态感知装置有轮速传感器、制动力矩传感器、制动减速度传感器和载荷传感器；外部环境感知装置有风速传感器、雷达和摄像头；其中风速传感器、载荷传感器和轮速传感器只安装于编队车辆的头车和尾车上，而制动力矩传感器、制动减速度传感器、雷达和摄像头感知装置安装为每一辆编队车辆所具备；编队中头车和尾车具有功能最多的传感器并且所具有的制动形式和制动能力相同，在行驶过程中头车出现故障或驾驶员驾驶疲劳时头车和尾车可以互换位置，减少头车驾驶员的驾驶疲劳程度和提高编队***的容错控制能力。
编队车辆为相同车型，所以车辆固有参数相同，通过对比不同空气阻力条件下车辆的制动力可以精确估计出车辆载荷。安装于头车和尾车上的轮速传感器得到编队车辆当前行驶车速，与编队中间车辆通信控制编队车辆以相同车速行驶；安装于头车和尾车上的风速传感器测量风速得到编队车辆中头车和尾车所受空气阻力，根据编队车辆中不同位置车辆所受空气阻力不同拟合空气阻力在编队车辆中非线性函数关系，从而得到中间车辆所受空气阻力，制动力矩传感器和制动减速度传感器测得中间车辆制动时车轮制动力矩和制动减速度；由传感器精确得到前车和尾车的车辆载荷，在考虑非线性空气阻力变化和中间车辆制动力矩条件下实时估计中间车辆载荷可得到更为精确的估计结果。
外部环境感知包括交通信号识别、道路坡度估计和路面附着系数估计；编队车辆在车头上部安装有一个可上下摆动一定角度的摄像头和一个雷达，车头底部位置安装有一个雷达；安装于车头上部的雷达用于车辆间距的识别，摄像头用于识别道路附着情况和交通信号识别，安装于车头底部位置的雷达用于检测是否有插队车辆进行插队并用于进行路面附着系数和道路坡度的识别；当头车摄像头检测到前方交通信号灯时，由头车发出的制动信号同步发送到编队车辆ECU中，控制编队车辆提前进行制动；当车头底部雷达识别到有插队车辆出现时，ECU发出报警信号；摄像头可进行上下摆动，识别道路交通状况并进行路面附着系数识别。
警报***分为车辆故障报警***和编队插车报警***；车辆故障报警***是编队容错控制中的一部分功能；车辆故障报警***检测到编队车辆故障时会将故障位置和故障类型发送到车载显示屏上，并控制报警器发出警报，在头车和尾车均安装报警器，位于头车和尾车的驾驶员会根据警报信息采取措施进行处理；在编队行驶过程中，位于车头底部的雷达如果检测到有非编队车辆***编队时，为降低***车辆并行超车时间和并行距离提高行驶安全性，雷达识别编队中车辆***位置，ECU控制编队***位置后面的车辆进行制动，使***车辆快速***，设置***车辆在编队中的插车时间上限值，当插车车辆在编队中超过一定时间后，编队插车报警***将发出语音警报警示***车辆迅速离开编队，***位置后面的车辆鸣笛提示***车辆离开编队。当编队行驶中有新的编队单车***时，***识别***单车的制动能力，并根据单车具有的制动能力确定单车要***的位置，***点前方编队车辆加速行驶，***点后方的车辆进行制动，降低新***车辆的并行***时间和***过程中的行驶距离；当车辆运输中因增减货物使车辆制动能力发生改变时，车辆识别载荷并根据车辆载荷和所具有的制动能力进行编队车辆重新排序，载荷大而制动能力较小的车辆排在编队前面，载荷小而制动能力大的车辆排在编队后方，载荷与制动能力相匹配的车辆排在编队中间位置。
根据不同路面的附着系数、道路情况和天气情况进行多模式识别，编队行驶的多模式包括根据道路情况划分的城市公路行驶模式、高速公路行驶模式、山区行驶模式和根据天气情况划分的晴天行驶模式、雾天行驶模式和雨天冰雪天气行驶模式和根据路面附着系数划分的干燥路面行驶模式和湿滑路面行驶模式；车头上方摄像头根据不同行驶模式根据角度调整的不同从而检测车辆前方不同距离下的路况；在城市公路行驶模式下，车速小且制动频繁，摄像头与行驶路面所成角度在所有行驶模式中最大，探测距离为前方50米；高速公路行驶模式下编队车速快，摄像头调整角度与行驶路面最小，摄像头可以检测到前方300米的路况；山区行驶模式下道路坡度变化大，车头摄像头调整角度与行驶路面的角度居中，通过摄像头检测车辆前方150米路况；根据天气情况划分的行驶模式下，晴天行驶模式下摄像头与地面角度在三种模式中最小，探测距离为前方300米，雾天行驶模式下摄像头与地面角度在三种模式中最大，探测距离为前方50米，雨天冰雪天气行驶模式下摄像头与地面角度居中，检测车辆前方150米路况；根据路面附着系数划分的模式中，干燥路面行驶模式下摄像头检测车辆前方150米路况，湿滑路面行驶模式下摄像头检测车辆前方150米路况。
制动逻辑控制依托于发动机制动形式、电涡流缓速器制动形式、轮毂电机制动形式、可升降浮桥制动形式和电子机械式制动形式，不同位置的车辆制动***为以上制动形式中几种或多种形式的组合，车辆所具有的制动形式越多则制动能力越大；其中编队中的头车和尾车具有所有制动形式，但头车制动形式只根据实际制动情况发挥部分制动形式，尾车所有制动形式在实际制动中全部发挥，头车和尾车具有最大制动能力，可进行位置互换；编队中间车辆的制动能力根据车辆在编队中的顺序从前向后呈增大趋势，当编队车辆为偶数辆单车时，中间车辆的制动形式为从前向后相邻两辆单车的制动形式和制动能力相同，并且中间车辆的制动形式和制动能力从前先后呈提高和增加的趋势；当编队车辆为奇数辆单车时，编队最中间的车辆所受空气阻力最小，最中间车辆的制动形式和制动能力与头车和尾车相同，剩余中间车辆的制动形式和制动能力与编队为偶数辆单车时的制动形式和能力相同。
可升降浮桥制动形式对称安装于底盘中间的车架两侧，由安装有轮毂电机的车轮和两个产生垂直运动的直线电机组成；ECU检测到制动信号时，在行驶过程中控制直线电机使浮桥下降，接触地面后浮桥车轮利用轮毂电机产生制动力并且车轮转动使轮毂电机发电，产生的电能存储后为车辆用电***供电；可升降浮桥式直线电机与现有的升降浮桥控制***相比响应迅速，直线电机在控制浮桥车轮下降过程中，轮毂电机使车轮向内旋转一定角度形成前束，根据***识别的制动减速度的不同而调节车轮前束角度；直线电机控制浮桥升降，制动结束后直线电机带动浮桥上升使轮胎脱离地面；出现爆胎情况时，车辆ECU自动判断发生爆胎车轮位置，产生纵向运动的直线电机控制浮桥向爆胎位置移动，使可升降浮桥的车轮替代爆胎车轮，从而保证车辆紧急工况时的行驶稳定性。
为使缓速器制动形式中电涡流缓速器在安全工作温度下进行制动，在车辆底盘下方安装电机控制的扇叶，车辆未制动时扇叶平面平行于实时路面，当接收到制动信号时扇叶打开与地面垂直，由于空气阻力的作用使扇叶旋转，旋转的扇叶一方面利用风能为缓速器降温，另一方面扇叶的旋转也为车辆制动减速提供一部分阻力，根据两个功能的比重自动调节扇叶与地面的角度，当缓速器温度达到安全工作温度上限时，电机调整扇叶与地面角度为能提供最大风速的角度，当缓速器未达到安全工作温度上限时，电机调整扇叶角度为能产生最大制动力的角度。
容错控制层包括单车容错控制策略和编队容错控制策略；编队车辆中只有头车和尾车上配有驾驶员，中间车辆上为无人驾驶；头车通过传感器测得的车辆行驶参数和道路参数通过无线通信技术同时传递给编队中的其他车辆；当头车出现故障时，故障信号传递到尾车中，尾车可根据实际行驶情况与头车进行位置互换，在不影响正常行驶的条件下继续保持编队行驶；当编队中间车辆制动***出现故障时，ECU向驾驶员发出警报，故障车辆对正常工作的制动形式和故障后车辆所具有的制动能力进行评估，并按照新的制动能力进行编队车辆排序，重新排序后故障车辆的前车在允许加速行驶的情况下进行加速，故障车辆的后车进行制动，增大故障车辆前后车距，从而保障故障车辆的制动有效性；当尾车出现故障时，驾驶员识别故障类型是否影响正常编队行驶，如果不影响正常行驶则从自动驾驶模式切换到手动操作模式，如果故障影响编队行驶，则驾驶员控制故障车辆靠边停车，编队其他车辆在头车带领下继续编队行驶。
编队车距控制采用多模式门限值控制方法，车辆识别的道路交通情况，将编队行驶模式分为城市公路行驶模式、高速公路行驶模式和山区行驶模式；三种模式下编队车距都随车速的提高而增大；在城市公路行驶模式下，由于车速较低设置的最小安全车距最小，且在此模式下编队中不允许非编队车辆***；在高速公路行驶模式下编队车辆车速快设置的最小安全车距最大；编队车辆在前两种行驶模式下均为等车距行驶；在山区行驶模式下，道路起伏和转弯工况频繁出现，设置编队车辆为变间距行驶，相邻两车制动能力较大时车距设置较大值，相邻两车制动能力较小时车距设置为较小值；制动过程中如果检测到目标车辆的前车距与后车距差值超过某一限值时，***调整车辆制动力，使车辆前后车距均匀；根据天气情况划分的行驶模式下，车辆判断是否处于山区行驶模式下，如果是则编队按照变车距行驶，如果不是则按照等车距行驶，车距根据天气情况进行调整，晴天车距最小，雨天冰雪天气车距最大，雾天车距居中；根据路面附着系数划分的模式中，干燥路面行驶模式间距比湿滑路面行驶间距大。
Claims (10)
1.一种基于重型车辆编队的制动集成控制方法，其特征在于：该基于重型车辆编队的制动集成控制方法分为信号感知层、决策控制层和命令执行层三部分；信号感知层分为车辆状态感知和外部环境感知；决策控制层分为单车控制层、编队控制层和容错控制层；执行层包括传感器和制动器，其中制动形式包括发动机制动形式、电涡流缓速器制动形式、轮毂电机制动形式、可升降浮桥制动形式和电子机械式制动形式；根据车辆在编队中的不同位置设计车载传感器类型和制动形式，由前车和尾车传感器测得精确车辆载荷，在考虑非线性空气阻力变化和中间车辆制动力矩条件下实时估计中间车辆载荷可得到更精确的估计结果；控制方法中警报***分为车辆故障报警***和编队插车报警***，针对编队运行中的故障和突发情况采取相应报警形式；根据编队运行多模式识别结果，车载摄像头调整角度实现不同识别功能；针对编队中单车总量奇偶变化对制动集成控制策略进行相应改变；可升降浮桥制动形式根据实际制动情况改变前束角度获得不同制动力并设计防爆胎控制目标；电涡流缓速器制动形式中增加电机控制的扇叶，提高制动能力的同时为缓速器降温；根据行驶模式和故障类型采取相应容错控制和模式控制方法。
2.如权利要求1所述的一种基于重型车辆编队的制动集成控制方法，其特征在于该基于重型车辆编队的制动集成控制方法适用于单车数量大于等于三辆且车型相同的重型车辆编队制动集成控制；信号感知层中车辆状态感知装置有轮速传感器、制动力矩传感器、制动减速度传感器和载荷传感器；外部环境感知装置有风速传感器、雷达和摄像头；其中风速传感器、载荷传感器和轮速传感器只安装于编队头车和尾车上，而制动力矩传感器、制动减速度传感器、雷达和摄像头感知装置为每辆编队车辆所具备；编队中头车和尾车具有功能最多的传感器且有相同制动形式和制动能力，行驶中头车出现故障或驾驶员驾驶疲劳时头车和尾车可互换位置，减少头车驾驶员的驾驶疲劳程度和提高编队***容错控制能力；头车和尾车上轮速传感器得到编队车辆当前行驶车速，与编队中间车辆通信控制编队以相同车速行驶；安装于头车和尾车的风速传感器测量风速得到头车和尾车所受空气阻力，根据车辆在编队中的不同位置所受空气阻力不同拟合空气阻力在编队车辆中非线性函数关系，得到中间车辆所受空气阻力，制动力矩传感器和制动减速度传感器测得中间车辆制动时车轮制动力矩和制动减速度；由传感器精确得到前车和尾车的车辆载荷，在考虑非线性空气阻力变化和中间车辆制动力矩条件下实时估计中间车辆载荷可以得到更为精确的估计结果。
3.如权利要求1所述的一种基于重型车辆编队的制动集成控制方法，其特征在于该基于重型车辆编队的制动集成控制方法中外部环境感知包括交通信号识别、道路坡度估计和路面附着系数估计；编队车辆在车头上部安装有一个可上下摆动一定角度的摄像头和一个雷达，车头底部位置安装有一个雷达；安装于车头上部的雷达用于车辆间距的识别，摄像头用于识别道路附着情况和交通信号识别，安装于车头底部位置的雷达用于检测是否有插队车辆进行插队并用于进行路面附着系数和道路坡度识别；当头车摄像头检测到前方交通信号灯时，由头车发出的制动信号同步发送到其他编队车辆ECU中，后方编队车辆同时检测到制动信号，尾车首先开始制动，在编队中从后向前依次开始制动，提高编队制动响应速度并保证在编队车距下车辆能够充分制动；当车头底部雷达识别到有插队车辆出现时，ECU发出报警信号；摄像头可进行上下摆动，识别道路交通状况并进行路面附着系数识别。
4.如权利要求1所述的一种基于重型车辆编队的制动集成控制方法，其特征在于该基于重型车辆编队的制动集成控制方法的警报***分为车辆故障报警***和编队插车报警***；车辆故障报警***是编队容错控制中的部分功能；车辆故障报警***检测到编队车辆故障时将故障位置和故障类型发送到车载显示屏，并控制报警器发出警报，在头车和尾车均安装报警器，位于头车和尾车的驾驶员根据警报信息采取措施进行处理；在编队行驶过程中，位于车头底部的雷达若检测到有非编队车辆***编队，为降低***车辆并行超车时间和并行距离提高行驶安全性，雷达识别编队中车辆***位置，ECU控制编队***位置后方车辆进行制动，使***车辆快速***，设置***车辆在编队中的插车时间上限值，当插车车辆在编队中超过一定时间，编队插车报警***将发出语音警报警示***车辆迅速离开编队，并且***位置后方车辆鸣笛提示***车辆离开编队；当编队行驶中有新编队单车要***编队，***识别***单车的制动能力，根据单车具有的制动能力确定单车要***的位置，***点前方编队车辆加速行驶，***点后方车辆进行制动，降低新***车辆并行***时间和并行距离；当车辆运输中因增减货物使车辆制动能力发生改变时，车辆识别载荷并根据车辆载荷和所具有的制动能力进行编队重新排序，载荷大而制动能力较小的车辆排在编队前面，载荷小而制动能力大的车辆排在编队后方，载荷与制动能力相匹配的车辆排在编队中间位置。
5.如权利要求3所述的一种基于重型车辆编队的制动集成控制方法，其特征在于该基于重型车辆编队的制动集成控制方法根据不同路面的附着系数、道路情况和天气情况进行多模式识别，编队行驶的多模式包括根据道路情况划分的城市公路行驶模式、高速公路行驶模式、山区行驶模式和根据天气情况划分的晴天行驶模式、雾天行驶模式和雨天冰雪天气行驶模式和根据路面附着系数划分的干燥路面行驶模式和湿滑路面行驶模式；车头上方摄像头根据不同行驶模式根据角度调整的不同从而检测车辆前方不同距离下的路况；在城市公路行驶模式下，车速小且制动频繁，摄像头与行驶路面所成角度在所有行驶模式中最大，探测距离为前方50米；高速公路行驶模式下编队车速快，摄像头调整角度与行驶路面最小，摄像头可以检测到前方300米的路况；山区行驶模式下道路坡度变化大，车头摄像头调整角度与行驶路面的角度居中，通过摄像头检测车辆前方150米路况；根据天气情况划分的行驶模式下，晴天行驶模式下摄像头与地面角度在三种模式中最小，探测距离为前方300米，雾天行驶模式下摄像头与地面角度在三种模式中最大，探测距离为前方50米，雨天冰雪天气行驶模式下摄像头与地面角度居中，检测车辆前方150米路况；根据路面附着系数划分的模式中，干燥路面行驶模式下摄像头检测车辆前方150米路况，湿滑路面行驶模式下摄像头检测车辆前方150米路况。
6.如权利要求1所述的一种基于重型车辆编队的制动集成控制方法，其特征在于该基于重型车辆编队的制动集成控制方法的制动逻辑控制依托于发动机制动、电涡流缓速器制动形式、轮毂电机制动形式、可升降浮桥制动形式和电子机械式制动形式，不同位置的车辆制动***为以上制动形式中几种或多种形式的组合，车辆所具有的制动形式越多则制动能力越大；其中编队头车和尾车具有所有制动形式，但头车制动形式只根据实际制动情况发挥部分制动形式，尾车所有制动形式在实际制动中全部发挥，头车和尾车具有最大制动能力，可进行位置互换；编队中间车辆的制动能力根据车辆在编队中的顺序从前向后呈增大趋势，当编队车辆为偶数辆单车时，中间车辆的制动形式为从前向后相邻两辆单车的制动形式和制动能力相同，并且中间车辆的制动形式和制动能力从前先后呈提高和增加的趋势；当编队车辆为奇数辆单车时，编队最中间的车辆所受空气阻力最小，最中间车辆的制动形式和制动能力与头车和尾车相同，剩余中间车辆的制动形式和制动能力与编队为偶数辆单车时的制动形式和能力相同。
7.如权利要求1所述的一种基于重型车辆编队的制动集成控制方法，其特征在于该基于重型车辆编队的制动集成控制方法中可升降浮桥制动形式对称安装于底盘中间的车架两侧，由安装有轮毂电机的车轮和两个能产生垂直运动的直线电机组成；ECU检测到制动信号时，在行驶过程中控制直线电机使浮桥下降，接触地面后浮桥车轮利用轮毂电机产生制动力并且车轮转动使轮毂电机发电，产生的电能存储后为车辆用电***提供电能；可升降浮桥式直线电机与现有的升降浮桥控制***相比响应迅速，在控制浮桥车轮下降的过程中，轮毂电机使车轮向内旋转一定角度形成前束，根据***识别的制动减速度的不同而调节车轮前束角度；直线电机控制浮桥升降，制动结束后直线电机带动浮桥上升使轮胎脱离地面；出现爆胎情况时，车辆ECU自动判断发生爆胎车轮的位置，产生纵向运动的直线电机控制浮桥上的车轮向爆胎位置移动，使可升降浮桥的车轮替代爆胎的车轮，保证车辆紧急工况时的行驶稳定性。
8.如权利要求1所述的一种基于重型车辆编队的制动集成控制方法，其特征在于该基于重型车辆编队的制动集成控制方法为使缓速器制动形式中电涡流缓速器在安全工作温度下进行制动，在车辆底盘下方安装电机控制的扇叶，车辆未制动时扇叶平面平行于实时路面，当接收到制动信号时扇叶打开与地面垂直，由于空气阻力的作用使扇叶旋转，旋转的扇叶一方面利用风能为缓速器降温，另一方面扇叶的旋转也为车辆制动减速提供一部分阻力，根据两个功能的比重自动调节扇叶与地面的角度，当缓速器温度达到安全工作温度上限时，电机调整扇叶与地面角度为能提供最大风速的角度，当缓速器未达到安全工作温度上限时，电机调整扇叶角度为能产生最大制动力的角度。
9.如权利要求4所述的一种基于重型车辆编队的制动集成控制方法，其特征在于该基于重型车辆编队的制动集成控制方法的容错控制层包括单车容错控制策略和编队容错控制策略；编队车辆中只有头车和尾车上配有驾驶员，中间车辆上为无人驾驶；头车通过传感器测得的车辆行驶参数和道路参数通过无线通信技术同时传递给编队中的其他车辆；当头车出现故障时，故障信号传递到尾车中，尾车可根据实际行驶情况与头车进行位置互换，在不影响正常行驶的条件下继续保持编队行驶；当编队中间车辆制动***出现故障时，ECU向驾驶员发出警报，故障车辆对正常工作的制动形式和故障后车辆所具有的制动能力进行评估，并按照新的制动能力进行编队车辆排序，重新排序后故障车辆的前车在允许加速行驶的情况下进行加速，故障车辆的后车进行制动，增大故障车辆前后车距，从而保障故障车辆的制动有效性；当尾车出现故障时，驾驶员识别故障类型是否影响正常编队行驶，如果不影响正常行驶则从自动驾驶模式切换到手动操作模式，如果故障影响编队行驶，则驾驶员控制故障车辆靠边停车，编队其他车辆在头车带领下继续编队行驶。
10.如权利要求5所述的一种基于重型车辆编队的制动集成控制方法，其特征在于该基于重型车辆编队的制动集成控制方法中，编队车距控制采用多模式门限值控制方法，车辆识别的道路交通情况，将编队行驶模式分为城市公路行驶模式、高速公路行驶模式和山区行驶模式；三种模式下编队车距都随车速的提高而增大；在城市公路行驶模式下，由于车速较低设置的最小安全车距最小，且在此模式下编队中不允许非编队车辆***；在高速公路行驶模式下编队车辆车速快设置的最小安全车距最大；编队车辆在前两种行驶模式下均为等车距行驶；在山区行驶模式下，道路起伏和转弯工况频繁出现，设置编队车辆为变间距行驶，相邻两车制动能力较大时车距设置较大值，相邻两车制动能力较小时车距设置为较小值；制动过程中如果检测到目标车辆的前车距与后车距差值超过某一限值时，***调整车辆制动力，使车辆前后车距均匀；根据天气情况划分的行驶模式下，车辆判断是否处于山区行驶模式下，如果是则编队按照变车距行驶，如果不是则按照等车距行驶，车距根据天气情况进行调整，晴天车距最小，雨天冰雪天气车距最大，雾天车距居中；根据路面附着系数划分的模式中，干燥路面行驶模式间距比湿滑路面行驶间距大。
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