一种用于无人驾驶汽车的紧急制动和辅助换挡装置和方法

1.本发明涉及无人驾驶汽车领域，尤其是涉及一种用于无人驾驶汽车的紧急制动和辅助换挡装置和方法。


背景技术：

2.近年来，无人驾驶技术发展迅猛，国内外众多企业高校均以无人驾驶汽车为平台，探索感知、决策、规划和控制前沿技术。目前，多数无人驾驶汽车均是以普通汽车为基础，增加传感器、控制器等设备，实现无人驾驶功能。其中，面对危险情况时如何紧急停车保障安全，是构建无人驾驶平台时首要考虑的问题。
3.无人驾驶汽车的紧急停车系统(以下简称“急停”)应独立于汽车的线控系统以及无人驾驶控制系统，不应受任意系统故障的影响。现有的无人车急停系统一部分依赖于线控系统进行制动；另一部分在监控到工业控制计算机出现故障时依赖外部装置进行急停。但是在无人驾驶汽车平台的开发阶段，一方面需要无人驾驶系统感知到紧急情况后进行自主急停，另一方面在无人驾驶系统无法感知到时需要人为干预进行急停。因此适用于无人驾驶开发平台的急停系统既需要具备面向无人驾驶控制系统的接口，又需要具备面向人的接口。此外，本系统可用于无法获取线控协议的汽车，具有较强的可移植性。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于无人驾驶汽车的紧急制动和辅助换挡装置和方法，该方案使得系统的稳定性不受汽车底层线控协议和无人驾驶控制系统的影响，因此可应用于无法获取线控协议的汽车，具有较强的可移植性。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种用于无人驾驶汽车的紧急制动和辅助换挡装置，包括电源、电磁继电器、急停开关、可编程逻辑控制器、步进电机、第一接近开关、第二接近开关和无人车控制器，所述电源分别并联在所述可编程逻辑控制器和步进电机的正负端，所述电磁继电器的公共端连接电源，所述电磁继电器的常闭端连接所述急停开关后接入所述可编程逻辑控制器，所述无人车控制器的一端连接所述电磁继电器的信号输入端、另一端接入所述可编程逻辑控制器，
7.所述步进电机的输出端通过连接件连接无人驾驶汽车中的制动踏板，所述第一接近开关正对制动踏板的制动起始位，所述第二接近开关正对制动踏板的制动终止位，所述步进电机、第一接近开关和第二接近开关均通信连接所述可编程逻辑控制器。
8.进一步地，所述急停开关接入所述可编程逻辑控制器的第一端口，用于传输第一信号；
9.当所述急停开关断开或无人车控制器控制电磁继电器断开后，所述可编程逻辑控制器失去第一信号，判断需要急停，生成驱动控制信号，驱动所述步进电机转动；
10.所述无人车控制器接入所述可编程逻辑控制器的第二端口，用于传输第二信号；
11.当所述无人车控制器向所述所述可编程逻辑控制器的第二端口传输第二信号时，所述可编程逻辑控制器接收到第二信号，判断需要换挡，生成驱动控制信号，驱动所述步进电机转动。
12.进一步地，所述第一接近开关接入所述可编程逻辑控制器的第三端口，用于传输第三信号；所述第二接近开关接入所述可编程逻辑控制器的第四端口，用于传输第四信号；
13.当所述可编程逻辑控制器接收到第三信号或第四信号，并且所述步进电机处于转动过程中时，所述可编程逻辑控制器生成停止控制信号，控制所述步进电机停止转动。
14.进一步地，所述连接件包括滑轮和钢丝绳，所述钢丝绳的一端连接所述步进电机的输出端、另一端连接在制动踏板的下方，所述滑轮固定在无人驾驶汽车内，并位于制动踏板下方，所述钢丝绳还绕过所述滑轮。
15.进一步地，所述可编程逻辑控制器通过can线连接所述步进电机。
16.进一步地，所述急停开关的数量为多个，多个急停开关均串联在电磁继电器和可编程逻辑控制器之间。
17.进一步地，所述急停开关、第一接近开关、第二接近开关和无人车控制器均接入所述可编程逻辑控制器的信号输入端口。
18.进一步地，所述制动起始位和制动终止位分别为制动踏板可移动范围的起点和终点。
19.本发明还提供一种如上任一所述的一种用于无人驾驶汽车的紧急制动和辅助换挡装置的控制方法，包括急停工况控制过程，该急停工况控制过程包括以下步骤：
20.s101：当急停开关断开时，或者无人车控制器向电磁继电器发送继电器控制信号控制电磁继电器断开后，可编程逻辑控制器失去电源信号，然后执行步骤s102；
21.s102：可编程逻辑控制器生成驱动控制信号，并传输给步进电机，驱动步进电机旋转，带动制动踏板从制动起始位往制动终止位转动，执行步骤s103；
22.s103：当第二接近开关生成制动终止位接近信号后，传输给可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器根据制动终止位接近信号生成停止控制信号，并传输给步进电机，控制步进电机停止转动，执行步骤s104；
23.s104：当急停开关接通时，并且无人车控制器停止向电磁继电器发送继电器控制信号，电磁继电器闭合后，可编程逻辑控制器重新得到电源信号，然后执行步骤s105；
24.s105：可编程逻辑控制器生成驱动控制信号，并传输给步进电机，驱动步进电机旋转，带动制动踏板从制动终止位往制动起始位转动，执行步骤s106；
25.s106：当第一接近开关生成制动起始位接近信号后，传输给可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器根据制动起始位接近信号生成停止控制信号，并传输给步进电机，控制步进电机停止转动。
26.进一步地，所述方法还包括刹车辅助换挡工况控制过程，该刹车辅助换挡工况控制过程包括以下步骤：
27.s201：无人车控制器向可编程逻辑控制器传输换挡信号，可编程逻辑控制器接收换挡信号后，生成驱动控制信号，并传输给步进电机，驱动步进电机旋转，带动制动踏板从制动起始位往制动终止位转动，执行步骤s202；
28.s202：当第二接近开关生成制动终止位接近信号后，传输给可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器根据制动终止位接近信号生成停止控制信号，并传输给步进电机，控制步进电机停止转动，执行步骤s203；
29.s203：无人车控制器向可编程逻辑控制器传输换挡完成信号，可编程逻辑控制器接收换挡完成信号后，生成驱动控制信号，并传输给步进电机，驱动步进电机旋转，带动制动踏板从制动终止位往制动起始位转动，执行步骤s204；
30.s204：当第一接近开关生成制动起始位接近信号后，传输给可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器根据制动起始位接近信号生成停止控制信号，并传输给步进电机，控制步进电机停止转动。
31.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
32.(1)本发明适用于无人车面对的绝大多数工况。本设计可应对无人驾驶汽车开发测试阶段与测试完成后应用阶段的绝大多数工况，既可以实现自动驾驶状态下，发现紧急情况的自动急停，也可以由安全员主动急停，同时还可以由程序控制，辅助无人车进行换挡。
33.(2)本发明具有较高的独立性与安全性。本设计由独立电源供电，不受车辆底层协议与无人车控制系统的影响，作为无人车安全的最后一道防线，最大限度保证急停系统的鲁棒性。
34.(3)本发明具有较强的可移植性。急停系统的绝大部分可适用于几乎所有的无人驾驶车辆，无论是否获得了线控协议。本系统安装方便，结构简单，针对不同的车型，只需简单改装，可移植性强，实用性高。
附图说明
35.图1为本发明实施例中提供的一种用于无人驾驶汽车的紧急制动和辅助换挡装置的结构示意图；
36.图中，1、24v电源，2、电磁继电器，3、急停开关，4、可编程逻辑控制器，5、步进电机，601、第一接近开关，602、第二接近开关，7、无人车控制器；
37.电磁继电器的com为公共端、no为常开端、nc为常闭端、in为信号输入端；可编程逻辑控制器的a、b、c、d为信号输入端口，e、f为can协议通讯端口；步进电机的g、h为can协议通讯端口；第一接近开关和第二接近开关的out为信号输出端口。
具体实施方式
38.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
39.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
41.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
42.需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
43.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
44.实施例1
45.如图1所示，本实施例提供一种用于无人驾驶汽车的紧急制动和辅助换挡装置，包括电源1、电磁继电器2、急停开关3、可编程逻辑控制器(plc)4、步进电机5、第一接近开关601、第二接近开关602和无人车控制器7，电源1分别并联在可编程逻辑控制器4和步进电机5的正负端，电磁继电器2的公共端连接电源1，电磁继电器2的常闭端连接急停开关3后接入可编程逻辑控制器4，无人车控制器7的一端连接电磁继电器2的信号输入端、另一端接入可编程逻辑控制器4，
46.步进电机5的输出端通过连接件连接无人驾驶汽车中的制动踏板，第一接近开关601正对制动踏板的制动起始位，第二接近开关602正对制动踏板的制动终止位，步进电机5、第一接近开关601和第二接近开关602均通信连接可编程逻辑控制器4。
47.本实施例中，急停开关3接入可编程逻辑控制器4的第一端口a，用于传输第一信号；
48.当急停开关3断开或无人车控制器7控制电磁继电器2断开后，可编程逻辑控制器4失去第一信号，判断需要急停，生成驱动控制信号，驱动步进电机5转动；
49.无人车控制器7接入可编程逻辑控制器4的第二端口b，用于传输第二信号；
50.当无人车控制器7向可编程逻辑控制器4的第二端口传输第二信号时，可编程逻辑控制器4接收到第二信号，判断需要换挡，生成驱动控制信号，驱动步进电机5转动。
51.本实施例中，第一接近开关601接入可编程逻辑控制器4的第三端口c，用于传输第三信号；第二接近开关602接入可编程逻辑控制器4的第四端口d，用于传输第四信号；
52.当可编程逻辑控制器4接收到第三信号或第四信号，并且步进电机5处于转动过程中时，可编程逻辑控制器4生成停止控制信号，控制步进电机5停止转动。
53.连接件为在步进电机的带动下具有伸缩功能的连接部件，可以为绳索组件、伸缩杆组件等，作为一种优选的实施方式，连接件包括滑轮和钢丝绳，钢丝绳的一端连接步进电机5的输出端、另一端连接在制动踏板的下方，滑轮固定在无人驾驶汽车内，并位于制动踏板下方，钢丝绳还绕过滑轮。
54.作为一种优选的实施方式，急停开关3的数量为多个，多个急停开关3均串联在电磁继电器2和可编程逻辑控制器4之间，可实现多处急停控制。
55.本实施例中，可编程逻辑控制器4的第五端口e和第六端口f通过can线连接步进电机5的第一电机端口g和第二电机端口h。
56.急停开关3、第一接近开关601、第二接近开关602和无人车控制器7均接入可编程逻辑控制器4的信号输入端口。
57.制动起始位和制动终止位分别为制动踏板可移动范围的起点和终点。
58.工作原理：
59.24v独立电源为整个急停系统供电。24v独立电源的正极串联若干个急停开关(开关常态闭合)，并串联一个电磁继电器，连接至plc的一个模拟输入端口。其中，电磁继电器的公共端(com)和常闭端(nc)接入回路，电磁继电器的输入端连接至无人车控制器的数字信号输出端，接受无人车控制器的控制信号。当无人车安全员观察到紧急情况时，按下急停开关，急停开关断开，24v电源至plc模拟输入端口回路断开。当plc在此端口上无法检测到24v信号时，即可判断此时需要急停。同样的，当无人车感知到紧急情况，通过无人车控制器的一个数字信号输出端口输出控制信号至电磁继电器的信号输入端，此时电磁继电器断开，24v电源至plc模拟输入端口回路断开。同样的，此时plc可以判断需要急停。
60.无人车控制器的另一个信号输出端口直连至plc的另一个输入端口，当plc从此输入端口读取到无人车控制器的输出信号时，plc即可判断此时无人车即将换挡，需要拉动刹车踏板。
61.plc与步进电机之间通过can线连接，通过can协议传输信号。电机转轴上固定一根钢丝绳，将钢丝绳通过一根导管引导至刹车踏板下方，绕过固定于刹车踏板下方的滑轮，固定在刹车踏板底部。当步进电机转动时，会拉动钢丝绳，通过滑轮改变钢丝绳拉动的方向，将刹车踏板向下拉动，实现刹车动作。标定步进电机转动后钢丝绳的起始位与终止位，在起始位与终止位处固定两个接近开关，接近开关的信号输出线连接至plc的两个不同的输入端口。当plc控制步进电机拉动刹车时，电机转轴从起始位开始旋转，旋转至终止位时，终止位的接近开关输出信号至plc，plc判断此时步进电机应当停止转动。plc控制步进电机松开刹车的过程与此相反。
62.本实施例还提供一种如上任一的一种用于无人驾驶汽车的紧急制动和辅助换挡装置的控制方法，包括急停工况控制过程和刹车辅助换挡工况控制过程，急停工况控制过程包括以下步骤：
63.s101：当急停开关3断开时，或者无人车控制器7向电磁继电器2发送继电器控制信号控制电磁继电器2断开后，可编程逻辑控制器4失去电源1信号，然后执行步骤s102；
64.s102：可编程逻辑控制器4生成驱动控制信号，并传输给步进电机5，驱动步进电机5旋转，带动制动踏板从制动起始位往制动终止位转动，执行步骤s103；
65.s103：当第二接近开关602生成制动终止位接近信号后，传输给可编程逻辑控制器4，可编程逻辑控制器4根据制动终止位接近信号生成停止控制信号，并传输给步进电机5，控制步进电机5停止转动，执行步骤s104；
66.s104：当急停开关3接通时，并且无人车控制器7停止向电磁继电器2发送继电器控制信号，电磁继电器2闭合后，可编程逻辑控制器4重新得到电源1信号，然后执行步骤s105；
67.s105：可编程逻辑控制器4生成驱动控制信号，并传输给步进电机5，驱动步进电机5旋转，带动制动踏板从制动终止位往制动起始位转动，执行步骤s106；
68.s106：当第一接近开关601生成制动起始位接近信号后，传输给可编程逻辑控制器4，可编程逻辑控制器4根据制动起始位接近信号生成停止控制信号，并传输给步进电机5，控制步进电机5停止转动。
69.刹车辅助换挡工况控制过程包括以下步骤：
70.s201：无人车控制器7向可编程逻辑控制器4传输换挡信号，可编程逻辑控制器4接收换挡信号后，生成驱动控制信号，并传输给步进电机5，驱动步进电机5旋转，带动制动踏板从制动起始位往制动终止位转动，执行步骤s202；
71.s202：当第二接近开关602生成制动终止位接近信号后，传输给可编程逻辑控制器4，可编程逻辑控制器4根据制动终止位接近信号生成停止控制信号，并传输给步进电机5，控制步进电机5停止转动，执行步骤s203；
72.s203：无人车控制器7向可编程逻辑控制器4传输换挡完成信号，可编程逻辑控制器4接收换挡完成信号后，生成驱动控制信号，并传输给步进电机5，驱动步进电机5旋转，带动制动踏板从制动终止位往制动起始位转动，执行步骤s204；
73.s204：当第一接近开关601生成制动起始位接近信号后，传输给可编程逻辑控制器4，可编程逻辑控制器4根据制动起始位接近信号生成停止控制信号，并传输给步进电机5，控制步进电机5停止转动。
74.具体实施时，对于急停工况的控制过程包括以下步骤：
75.步骤11：根据刹车踏板可以移动的距离标定电机转动的起始位和终止位，在起始点和终止点处固定接近开关，执行步骤12；
76.步骤12：当安全员按下急停开关3时，急停开关3断开，执行步骤14；若无人车控制器7发出急停信号，执行步骤13；
77.步骤13：无人车控制器7向电磁继电器2的in端口发送高电平控制信号，使得电磁继电器com与nc断开，执行步骤14；
78.步骤14：plc4的a端口无法收到24v信号，执行步骤15；
79.步骤15：plc4通过e、f两个can端口与电机5的g、h两个can端口通信，使电机从起始位向终止位顺时针旋转，执行步骤16；
80.步骤16：电机旋转至终止位时，终止位的接近开关6输出信号至plc4的d端口，执行步骤17；
81.步骤17：plc4通过e、f两个can端口与电机5的g、h两个can端口通信，使电机停止旋转，执行步骤18；
82.步骤18：安全员抬起急停开关3且无人车控制器7停止向电磁继电器2的in端口发送高电平控制信号，执行步骤19；
83.步骤19：plc4通过e、f两个can端口与电机5的g、h两个can端口通信，使电机从终止位向起始位逆时针旋转，执行步骤110；
84.步骤110：电机旋转至起始位时，起始位的接近开关输出信号至plc4的c端口，执行步骤111；
85.步骤111：plc4通过e、f两个can端口与电机5的g、h两个can端口通信，使电机停止
旋转，完成整个急停过程。
86.对于刹车辅助换挡工况的控制过程包括以下步骤：
87.步骤21：根据刹车踏板可以移动的距离标定电机转动的起始位和终止位，在起始点和终止点处固定接近开关6，执行步骤22；
88.步骤22：无人车控制器7向plc4的b端口发送高电平控制信号，执行步骤23
89.步骤23：plc4通过e、f两个can端口与电机5的g、h两个can端口通信，使电机从起始位向终止位顺时针旋转，执行步骤24；
90.步骤24：电机旋转至终止位时，终止位的接近开关6输出信号至plc4的d端口，执行步骤25；
91.步骤25：plc4通过e、f两个can端口与电机5的g、h两个can端口通信，使电机停止旋转，执行步骤26；
92.步骤26：无人车换档完成，执行步骤27；
93.步骤27：无人车控制器7停止向plc4的b端口发送高电平控制信号，执行步骤28；
94.步骤28：plc4通过e、f两个can端口与电机5的g、h两个can端口通信，使电机从终止位向起始位逆时针旋转，执行步骤29；
95.步骤29：电机旋转至起始位时，起始位的接近开关6输出信号至plc4的c端口，执行步骤210；
96.步骤210：plc4通过e、f两个can端口与电机5的g、h两个can端口通信，使电机停止旋转，完成整个辅助换挡过程。
97.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。