一种纯电动无人车的紧急制动电路系统

摘要

本发明提出一种纯电动无人车的紧急制动电路系统，包括监测制动系统和冗余制动系统，监测制动系统和冗余制动系统是两套近乎独立的系统，二者供电电源相互独立，制动执行机构相互独立，监测制动系统的制动执行机构为线控制动系统，冗余制动系统的制动执行机构为气动制动系统；监测制动系统与冗余制动系统的控制器互相监测，当任何一个子系统出现工作故障时，另一个子系统将进行紧急制动以保证无人车的行驶安全性；同时，各子系统对各自系统内部进行监测，当出现供电电压过低或者电压丢失的异常情况时，该子系统将进行紧急制动以使无人车停止；本发明可以显著提高纯电动无人车的制动系统可靠性及冗余性，从而大幅提高无人车的整车安全性。

权利要求

1.一种纯电动无人车的紧急制动电路系统，其特征在于，监测制动系统和冗余制动系统；

监测制动系统包括整车控制器、整车低压电源、整车开关、安全回路以及制动系统；

整车低压电源为整车控制器和制动系统供电，整车控制器实时监测安全回路、整车开关和制动系统中传感器的状态，当出现异常情况时，整车控制器给制动系统下发紧急制动指令，使得纯电动无人车制动；

整车控制器实时监测整车低压电源和制动系统中的舵机电源，当整车低压电源异常或者舵机电源异常，整车控制器会发送报错指令给冗余制动系统；

冗余制动系统包括冗余电源、冗余整车控制器和气动制动系统；

冗余电源为冗余整车控制器和气动制动系统供电，当冗余整车控制器接收到监测制动系统的整车控制器传来的报错，冗余整车控制器控制气动制动系统使得纯电动无人车的紧急制动；

整车控制器通过电路板实现紧急制动的控制，该电路板包括：4个74LS74触发器K1-K4和9个逻辑电路的与或门K5-K13；

整车低压电源是否给电路板供电的信号接入K1的S端；整车控制器上电激活的信号进入“看门狗”，然后从“看门狗”出去分别接入K1的R端、K2的S端、K3的S端、K6的输入端和K9的输入端；整车开关中的无人开关状态与K4的 端接入K5；K5的输出接入K6的输入端；安全回路检测信号接入K6的输入端；K6的输出接入K7的输入端和K10的输入端；K1的 端接入K7的输入端；K7的输出接入K2的R端；K2的输出Q端接入K10的输入端；K10的输出分别接入K11的输入端、K12的输入端、K13的输入端；安全回路的断开信号接入K8的输入端；行驶完成状态接入K3的R端；车辆在驶状态接入K4的S端；K3的输出Q端接入K8的输入端和K9的输入端；K9的输出接入K4的R端；K8的输出接入K13的输入端；K1的Q端输出整车低压电源是否给电路板供电的信号,舵机电源的上电检测信号分别接入K11的输入端和K12的输入端，K11输出紧急制动是否触发的信号,K12输出冗余紧急制动是否激活的信号,K13输出安全回路继电器的状态信号,K4的Q端输出当前车辆状态，紧急制动是否触发的信号、冗余紧急制动是否激活的信号、安全回路继电器的状态信号和当前车辆状态信号经过整车控制器处理后发送给制动系统。

2.如权利要求1所述的一种纯电动无人车的紧急制动电路系统，其特征在于，所述安全回路、整车开关和制动系统中传感器的异常情况为安全回路处于断开或整车开关中的低压开关或无人开关打开或传感器的实时反馈数据超出阈值。

3.如权利要求1所述的一种纯电动无人车的紧急制动电路系统，其特征在于，气动制动系统包括常闭电磁阀、气缸、制动主缸、制动油路、制动卡钳和制动盘；

当冗余电源异常断电时，常闭电磁阀断开，气缸推动制动主缸控制制动油路的压力，从而使得制动卡钳摩擦制动盘实行紧急制动。

说明书

一种纯电动无人车的紧急制动电路系统

技术领域

[0001] 本发明属于纯电动无人车的技术领域，具体涉及一种纯电动无人车的紧急制动电路系统。

背景技术

[0002] 无人车是指具有自主行为能力并完全省略人类驾驶机构的车辆，其具有智能化、线控化、机器人化的特点，其使用目的为替代人类执行作业任务，包括打击、作战、巡逻、侦察、物流、运输、摆渡、配送等任务，在民用或军用领域具有广阔应用前景。在我国中国制造2025、新一代人工智能发展规划、新一代陆军装备发展等国家战略中，无人车都成为了民用及军用车辆领域的重要发展方向，被认为将改变未来人类生活方式及新一代陆军装备作战形式，对我国国民经济发展与国防安全建设具有重要战略意义。

[0003] 与传统车辆相比，无人车的总体构型、布局形式、控制系统、执行机构等都完全不同，因此，无人车的研发对车辆总体设计、动力学与控制等理论与技术提出了巨大的挑战。无人车完全省略人类操作机构，因此，其底盘必须采用全线控架构，即转向系统、驱动系统及制动系统完全由电子控制系统控制，实现完全的线控转向、线控驱动及线控制动。线控制动系统是无人车全线控底盘各子系统中的重要部分，其必须保证无人车在自主行驶状态下可以准确的进行减速并跟随目标行驶速度，同时，其还必须保证无人车在自主行驶状态下的安全性，即在危险工况下自动使车辆进行紧急制动。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本发明提供了一种纯电动无人车的紧急制动电路系统，该系统以预防为辅，检测为主，将常规制动与冗余制动相结合，能够提高电动无人车的安全性，减少事故发生。

[0005] 实现本发明的技术方案如下：

[0006] 一种纯电动无人车的紧急制动电路系统，包括：监测制动系统和冗余制动系统；

[0007] 监测制动系统包括整车控制器、整车低压电源、整车开关、安全回路以及制动系统；

[0008] 整车低压电源为整车控制器和制动系统供电，整车控制器实时监测安全回路、整车开关和制动系统中传感器的状态，当出现异常情况时，整车控制器给制动系统下发紧急制动指令，使得纯电动无人车制动；

[0009] 整车控制器实时监测整车低压电源和制动系统中的舵机电源，当整车低压电源异常或者舵机电源异常，整车控制器会发送报错指令给冗余制动系统；

[0010] 冗余制动系统包括冗余电源、冗余整车控制器和气动制动系统；

[0011] 冗余电源为冗余整车控制器和气动制动系统供电，当冗余整车控制器接收到监测制动系统的整车控制器传来的报错，冗余整车控制器控制气动制动系统使得纯电动无人车的紧急制动。

[0012] 进一步地，所述安全回路、整车开关和制动系统中传感器的异常情况为安全回路处于断开或整车开关中的低压开关或无人开关打开或传感器的实时反馈数据超出阈值。

[0013] 进一步的，气动制动系统包括常闭电磁阀、气缸、制动主缸、制动油路、制动卡钳和制动盘；

[0014] 当冗余电源异常断电时，常闭电磁阀断开，气缸推动制动主缸控制制动油路的压力，从而使得制动卡钳摩擦制动盘实行紧急制动。

[0015] 进一步地，整车控制器通过电路板实现紧急制动的控制，该电路板包括：4个74LS74触发器K1-K4和9个逻辑电路的与或门K5-K13；

[0016] 整车低压电源是否给电路板供电的信号接入K1的S端；整车控制器上电激活的信号进入“看门狗”，然后从“看门狗”出去分别接入K1的R端、K2的S端、K3的S端、K6的输入端和K9的输入端；整车开关中的无人开关状态与K4的Q端接入K5；K5的输出接入K6的输入端；安全回路检测信号接入K6的输入端；K6的输出接入K7的输入端和K10的输入端；K1的Q端接入K7的输入端；K7的输出接入K2的R端；K2的输出Q端接入K10的输入端；K10的输出分别接入K11的输入端、K12的输入端、K13的输入端；安全回路的断开信号接入K8的输入端；行驶完成状态接入K3的R端；车辆在驶状态接入K4的S端；K3的输出Q端接入K8的输入端和K9的输入端；K9的输出接入K4的R端；K8的输出接入K13的输入端；K1的Q端输出整车低压电源是否给电路板供电的信号,舵机电源的上电检测信号分别接入K11的输入端和K12的输入端，K11输出紧急制动是否触发的信号,K12输出冗余紧急制动是否激活的信号,K13输出安全回路继电器的状态信号,K4的Q端输出当前车辆状态，紧急制动是否触发的信号、冗余紧急制动是否激活的信号、安全回路继电器的状态信号和当前车辆状态信号经过整车控制器处理后发送给制动系统。

[0017] 有益效果：

[0018] 1、本发明的两套控制系统都可以独立实行紧急制动，使制动方案多样化。

[0019] 2、本发明监测制动系统和冗余制动系统相辅相成，控制器之间相互监测，一方有问题，则启动另一个。

[0020] 3、本发明监测制动系统完全由被动的非编程逻辑实施，更加稳定可靠。

附图说明

[0021] 图1为本发明紧急制动系统示意图。

[0022] 图2本发明监测制动系统逻辑简图。

[0023] 图3为整车控制器电路板部分的逻辑图。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

[0025] 现在市场上，对于纯电动汽车的安全方面基本上形成一套安全系统的解决方案，但是层出不穷的事故证明这些安全保障是远远不够的，还需要在此基础上进行各种行车情况下的安全改进和安全系统创新设计。

[0026] 本发明灵感源于工程实践，基于各种预防、监控和应急方式的电动赛车的紧急制动方案。因此将紧急制动系统设计成一个以预防为辅，检测为主，常规制动与冗余制动相结合的系统，会在改进电动汽车的安全性设计和减少事故中做出贡献。总的设计思路是基于非可编程逻辑进行两套制动系统的设计，一套常规的线控制动，一套冗余的气动制动系统。

[0027] 一种纯电动无人车的紧急制动电路系统，包括：监测制动系统和冗余制动系统。图1表示监测制动系统和冗余制动系统是两套近乎独立的系统，供电电源相互独立，制动系统相互独立(一套常规的线控制动系统，一套气动制动系统)，只通过两个系统的各自的整车控制器进行相互监测，一旦一个系统出现了问题，则通过整车控制器将信号传给另一个控制器进行紧急制动。并且每个系统还各自监测系统内的电源情况，一旦出现电压过低或者电压丢失，控制器接收到低电平信号后发出指令实施紧急制动。

[0028] 监测制动系统包括整车控制器、整车开关、安全回路以及制动系统。所述制动系统为常规的线控制动系统。

[0029] 由图2所示，监测制动系统实时监测安全回路、整车开关和制动系统中传感器的状态，当出现异常情况时，通过整车控制器判断，整车控制器给制动系统下发紧急制动指令，使得纯电动无人车制动。

[0030] 图2中，整车控制器实时监测安全回路的状态，一旦急停被按下，整车的安全回路会断开，整车控制器给紧急制动逻辑发送紧急制动激活指令，进行紧急制动；

[0031] 低压开关控制纯电动无人车上的低压电源为整车控制器供电，无人开关控制整车的有人或无人驾驶模式，一旦低压开关或无人开关被断开，整车控制器失去驱动状态激活的信号，会给制动系统下发紧急制动指令；只有同时闭合低压开关和无人开关，紧急制动才会停止。

[0032] 整车控制器实时监测制动系统中的多个传感器的状态，当某个传感器的数据超出设定阈值，整车控制器给制动系统下发紧急制动指令，使得纯电动无人车制动。

[0033] 整车控制器实时监测整车低压电源和制动系统中的舵机电源，当整车控制器失去电源或者制动系统中的舵机失去电源，整车控制器会发送报错指令给冗余制动系统；

[0034] 冗余制动系统包括冗余电源、冗余整车控制器和气动制动系统；

[0035] 冗余电源为冗余整车控制器和气动制动系统供电，当冗余整车控制器接收到监测制动系统的整车控制器传来的报错，冗余整车控制器控制气动制动系统的电磁阀，实施纯电动无人车的紧急制动。

[0036] 气动制动系统包括常闭电磁阀、气缸、制动主缸、制动油路、制动卡钳和制动盘；

[0037] 当冗余电源异常断电时，常闭电磁阀断开，气缸推动制动主缸控制制动油路的压力，从而使得制动卡钳摩擦制动盘实行紧急制动。

[0038] 一个完全冗余的紧急制动意味着，即使单个系统失效，系统仍然能够达到安全状态。

[0039] 电路方面的冗余由冗余电源供给，即使紧急制动逻辑失败，冗余电源也能为冗余整车控制器供电，使冗余整车控制器触发紧急制动。在冗余整车控制器失效的情况下，紧急制动是由非可编程逻辑自动触发的。机械侧冗余取决于所选择的系统。

[0040] 冗余制动系统设计了气动制动系统，气动制动系统包括电磁阀、气缸、制动主缸、制动油路、制动卡钳和制动盘；

[0041] 制动能量存储在气缸中，并通过常闭电磁阀释放到制动主缸中，进而控制制动油路的压力，从而使得制动卡钳摩擦制动盘实行紧急制动。

[0042] 本发明整车控制器的控制基于非可编程逻辑的设计，针对紧急制动电路板是否上电激活、整车控制器上电激活、安全回路检测、无人开关、制动系统舵机上电检测、整车控制器断开安全回路、行驶完成状态、车辆在驶状态等多种输入，经过一系列的逻辑判断输出紧急制动电路板是否激活、紧急制动是否触发、冗余紧急制动是否激活、紧急制动电路板上安全回路继电器、当前车辆状态等状态，进行紧急制动的完整的准确的逻辑判断。

[0043] 图3为本发明的实现示意图。整车控制器通过电路板实现紧急制动的控制，该电路板包括：4个74LS74触发器K1-K4和9个逻辑电路的与或门K5-K13构成；

[0044] 整车低压电源是否给电路板供电的信号接入K1的S端；整车控制器上电激活的信号进入“看门狗”，然后从“看门狗”出去分别接入K1的R端、K2的S端、K3的S端、K6和K9；整车开关中的无人开关状态与K4的Q端接入K5；K5的输出接入K6；安全回路检测信号接入K6；K6的输出接入K7和K10；K1的Q端接入K7；K7的输出接入K2的R端；K2的输出Q端接入K10；K10的输出分别接入K11、K12、K13；安全回路的断开信号接入K8；行驶完成状态接入K3的R端；车辆在驶状态接入K4的S端；K3的输出Q端接入K8和K9；K9的输出接入K4的R端；K8的输出接入K13；K1的Q端输出整车低压电源是否给电路板供电的信号,舵机电源的上电检测信号分别接入K11和K12，K11输出紧急制动是否触发的信号,K12输出冗余紧急制动是否激活的信号,K13输出安全回路继电器的状态信号,K4的Q端输出当前车辆状态。

[0045] 整体电路由低压电源供电，所有门电路芯片供电电压5V。

[0046] 1、当高低压电源接通后，进入有人驾驶的待驶状态，整车控制器开始工作，输出“整车控制器上电激活”信号；在通常情况下，安全回路在该电路板之前的部分全部闭合，安全回路一直输出高电平，即为1，断开安全回路的信号为0，激活紧急制动电路板信号为1，无人开关的信号为0，制动系统舵机上电检测信号为0，行驶完成信号和车辆在驶状态信号为1。

[0047] 在上述输入下，K1的S脚输入恒为1，R脚输入由0变为1，因此其Q输出0，Q输出为1，并锁存；K3的S脚输入由0变为1，R脚输入恒为1，因此Q脚输出1；K8输出1；K9的输出由0变为1；K4的S脚输入恒为1，R脚由0变为1，因此Q输出0，Q输出1；K5输出1，K6输出1，K7输出1；K2的S脚输入由0变为1，R脚输入为1，因此Q脚输出1，并锁存；K10输出1。

[0048] 综上，指示紧急制动电路板是否激活、冗余紧急制动是否激活和当前车辆状态都输出0；紧急制动是否触发和控制紧急制动电路板上安全回路继电器输出为1。

[0049] 由于紧急制动电路板是否激活信号为0，即紧急制动未进入“激活”状态；控制紧急制动电路板上安全回路继电器信号为1，该电路板上控制安全回路的继电器闭合。

[0050] 2、在第1种的情况下，闭合无人开关，进入无人驾驶待驶模式。无人开关信号变为1；激活紧急制动电路板信号变为0；整车控制器控制制动舵机制动，并根据油压变化判断制动系统是否正常，若制动后检测到油压上升，则证明制动系统工作正常，输出1，并保持1，反之则输出0。

[0051] K1的S脚输入由1变为0，R脚仍为1，所以Q输出1，Q输出0，并且锁存。制动系统舵机上电检测信号为1，冗余紧急制动激活，控制电磁阀信号为1，即电磁阀关闭，其余部分电路无影响。

[0052] 因此，当无人开关闭合后，紧急制动电路板激活是否激活信号激活紧急制动，且紧急制动状态除切断电源外不能重置。

[0053] 如果整车控制器失去电源或者故障或者安全回路信号为0(即紧急制动电路前的安全回路断开)，导致K6输出0、K10输出0，指示紧急制动是否触发、冗余紧急制动是否激活和控制紧急制动电路板上安全回路继电器变为0，指示整车控制器当前紧急制动处于触发状态、触发紧急制动机械组件并断开安全回路。

[0054] 3、在第2种情况下，设定驱动状态由1变成0后再返回1，进入无人驾驶模式。

[0055] K4的S脚输入由1变为0后返回1，R脚为1不变，因此，Q输出1，Q输出0，并且该状态锁存。

[0056] 由此，当前车辆状态信号变成1，指示当前处于在驶状态；K5的输出此时只与无人开关闭合有关，即代表着在驾驶状态时，无人系统主开关的状态开始有触发紧急制动的能力。

[0057] 如果整车控制器失去电源或者故障或者安全回路信号为0(即紧急制动电路前的安全回路断开)，导致K6输出0、K10输出0，指示紧急制动是否触发、冗余紧急制动是否激活和控制紧急制动电路板上安全回路继电器变为0，指示整车控制器当前紧急制动处于触发状态、触发紧急制动机械组件并断开安全回路。

[0058] 4、驾驶完成。设定完成状态置0。

[0059] K3的R脚输入变为0，S脚仍为1，所以，Q输出0；K8、K13输出0,；K9输出0；K4的S脚输入为1，R脚输入0，所以Q输出0，Q输出1。

[0060] 因此，控制紧急制动电路板上安全回路继电器信号变为0，即断开了安全回路，切断动力系统电源；当前车辆状态信号变成0，指示当前未处于驾驶状态；同时，由于K4的Q输出信号为1，所以K5信号输出与无人开关状态无关，即此时关闭无人系统主开关也不会触发紧急制动。

[0061] 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。