基于行车制动踏板主动控制的坡道起步辅助系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了基于行车制动踏板主动控制的坡道起步辅助系统，由信号采集部分、电子控制部分和执行机构组成；信号采集部分检测汽车车轮的旋转情况和后车桥受力时发生的扭曲变化情况以及档位位置，并将这些信息提供给电子控制部分作为辅助起步信息；电子控制部分收集信号采集部分发送来的信息并进行处理，将处理后得到的控制信息发送给执行机构；执行机构得到控制信息并执行，利用步进电动机驱动制动踏板来辅助坡道起步。本发明的有益效果是系统结构简单，造价低，能很好地辅助汽车坡道起步。
【专利说明】基于行车制动踏板主动控制的坡道起步辅助系统
【技术领域】
[0001]本发明属于汽车坡道起步辅助设备【技术领域】，涉及基于行车制动踏板主动控制的坡道起步辅助系统。
【背景技术】
[0002]随着我国经济的持续发展，人们的生活水平不断提高，越来越多的家庭开始购买汽车，截止2013年时，我国的汽车占有量达到了 1.37亿辆。然而在汽车坡道起步的时候如果操纵不当，就很容易导致汽车熄火或者后溜，甚至撞上后面的车辆。所以笔者想在此设计出一款针对手动挡汽车的坡道起步辅助系统，该辅助系统通过对制动踏板进行主动控制，在车辆发生溜车的时候代替驾驶员踩下制动踏板，从而防止了汽车在坡道起步时的后溜现象，简化了汽车坡道起步的操作过程，缓解了驾驶员对坡道起步的恐惧感，而且不影响平地驾驶。特别是对于重庆这种坡道很多的山城来说，汽车坡道辅助系统不仅可以防止车辆后溜，还能减少汽车起步时的油耗以及磨损。
[0003]对于汽车坡道起步辅助系统(HAS, Hill-start Assist System)的研究，国内外都已经取得了一定的成果，现阶段的主要研究成果以控制原理的不同归纳为三大类:1、基于电子驻车制动系统(EPB)的坡道起步辅助系统；2、基于防抱死制动系统(ABS)的汽车坡道起步辅助系统；3、其它类型的HAS系统。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供基于行车制动踏板主动控制的坡道起步辅助系统，解决了目前国内没有汽车坡道起步辅助系统的问题。
[0005]本发明所采用的技术方案是由信号采集部分、电子控制部分和执行机构组成；
[0006]所述信号采集部分检测汽车车轮的旋转情况和后车桥受力时发生的扭曲变化情况以及档位位置，并将这些信息提供给电子控制部分作为辅助起步信息；
[0007]所述电子控制部分收集信号采集部分发送来的信息并进行处理，将处理后得到的控制信息发送给执行机构；
[0008]所述执行机构得到控制信息并执行，利用步进电动机驱动制动踏板来辅助坡道起止/J/ O
[0009]进一步，所述信号采集部分包括轮速传感器、轮速传感器测量轮速，扭矩传感器，测量扭矩，一档开关信号测量模块和R档开关信号测量模块采集挡位状态；
[0010]所述电子控制部分为ECU模块，ECU模块分别通过电路连接轮速传感器、扭矩传感器、一档开关信号测量模块、R档开关信号测量模块和步进电机；
[0011]所述执行机构包括步进电机、制动踏板和制动系统；步进电机连接制动踏板，制动踏板连接制动系统。
[0012]进一步，所述E⑶模块由AT89C51芯片构成的小系统电路组成。
[0013]本发明的有益效果是系统结构简单，造价低，能很好地辅助汽车坡道起步。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明基于行车制动踏板主动控制的坡道起步辅助系统结构示意图；
[0015]图2是本发明E⑶模块小系统电路原理图；
[0016]图3是本发明辅助控制方法示意图；
[0017]图4是本发明E⑶监测保持与解除制动示意图；
[0018]图5是本发明汽车坡道受力情况示意图。
[0019]图中，1.轮速传感器，2.扭矩传感器，3.—档开关信号测量模块，4.R档开关信号测量模块，5.ECU模块，6.步进电机，7.制动踏板，8.制动系统。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0021]本发明基于行车制动踏板7主动控制的MT汽车坡道起步辅助系统由信号采集部分、电子控制部分和执行机构组成；
[0022]信号采集部分检测汽车车轮的旋转情况和后车桥受力时发生的扭曲变化情况以及档位位置，并将这些信息提供给电子控制部分作为辅助起步信息；
[0023]电子控制部分收集信号采集部分发送来的信息并进行处理，将处理后得到的控制信息发送给执行机构；
[0024]执行机构得到控制信息并执行，利用步进电动机驱动制动踏板7来辅助坡道起止/J/ O
[0025]如图1所示，所述信号采集部分包括轮速传感器1、轮速传感器I测量轮速，扭矩传感器2，测量扭矩，一档开关信号测量模块3和R档开关信号测量模块4采集挡位状态；
[0026]所述电子控制部分为E⑶模块5，E⑶模块5可选择AT89C51小系统电路组成，对轮速传感器1、扭矩传感器2、一档开关信号测量模块3和R档开关信号测量模块4采集的信号进行处理，得到控制命令发送给步进电机6，从而通过步进电机6控制制动踏板7对整个制动系统8进行控制；
[0027]所述执行机构包括步进电机6、制动踏板7和制动系统8，步进电机6执行控制命令，直接控制制动踏板7，制动踏板7带动制动系统8制动。
[0028]其中，E⑶模块5分别电路连接轮速传感器1、扭矩传感器2、一档开关信号测量模块3、R档开关信号测量模块4和步进电机6，步进电机6机械连接制动踏板7，制动踏板7机械连接制动系统8。
[0029]其中E⑶模块5肩负着信息处理的重任，要将传感器传来的电信号通过A/D转换变为数字信号以供CPU进行处理、运算，最后将处理后得到的控制命令从数字信号通过D/A转换成电信号发送到执行器，ECU模块5是实现该系统逻辑控制能力的部分，是系统的核心所在。本发明设计的汽车坡道起步辅助系统由一个ECU模块5中的两个程序分别控制上陡坡起步和下陡坡起步，开始运行需要轮速传感器I的监测数据和设置在档位上的开关来完成，制动的执行部分则是由步进电机6控制制动踏板7从而控制制动系统8来完成的，终止辅助需要扭矩传感器2来提供相关检测数据。对于ECU模块5单片机的选择，采用MCS系列的80C196KC单片机，该单片机是一款16位高性能单片机，它除了被用于ABS外还被用于点火系统及燃料系统中，这点足以证明它很适合要求很高的实时控制场合，而本发明就采用了这种快速做出反应的单片机。
[0030]执行机构的选择:
[0031]因为汽车一般使用的是液压制动系统，但是改动制动系统8的结构方法比较复杂，且成本较高。本发明选用专门制作的步进电机6拉制动踏板7的方式进行控制制动系统8，与改动制动系统8结构相比它具有以下优点:
[0032]I)步进电机6转动的角度容易控制，只需要开环控制既可。
[0033]2)步进电机6可以转动一定角度后维持不动，这样保持一种刹车状态并维持一段时间。
[0034]3)步进电机6可以来回转动可以模拟驾驶员常使用的点刹。
[0035]4)这样对汽车的改动小，对汽车伤害小。
[0036]由于步进电机6的驱动电流较大，所以E⑶模块5采用ULN2003驱动芯片作为与步进电机6的接口及驱动电路。如图2中的(a)至(c)所示为ECU模块5的小系统电路图，图中E⑶模块5小系统分别连接了信号采集系统，及通过ULN2003驱动芯片连接步进电机6。
[0037]如图3所示为本发明的辅助控制方法示意图，本发明基于行车制动踏板7主动控制的MT汽车坡道起步辅助系统工作流程为:
[0038]步骤1:启动汽车；
[0039]步骤2:当一档开关信号测量模块3检测到汽车挂I档时，进行步骤3，当R档开关信号测量模块4检测到汽车挂R档时，跳转至步骤5 ；
[0040]步骤3:E⑶模块5运行上陡坡E⑶程序；
[0041]步骤4:轮速传感器I检查轮速是否为0，如果为0，执行前进挡起步辅助，如果不为0，结束上陡坡ECU程序；
[0042]步骤5:E⑶模块5运行下陡坡E⑶程序；
[0043]步骤6:轮速传感器I检查轮速是否为0，如果为0，执行倒挡起步辅助，如果不为O，结束下陡坡E⑶程序。
[0044]本文设计的坡道起步辅助系统由于是自动运行的，所以对两个起始运行条件的判断将是关键。挂入I档或倒档并且轮速传感器I所测得轮速为0，则相应的运行坡道起步辅助程序，少了任何一样将不会启动坡道辅助系统。
[0045]如图4所示，对于解除制动而言，只需要ECU采集制动时的扭矩情况，记录下来与后面采集的数据进行对比，如果扭矩恢复到了在平路时的状态，即驱动力与下滑力达到平衡，这是就可以解除制动，从而起步了。
[0046]另外，本设计对于驾驶员在有些时候可能希望汽车下滑的情况也有考虑，并设置了相关功能。当驾驶员希望下滑时，可以把换挡杆挂入空挡，这样I档、倒档开关将不会被激活，坡道起步辅助程序也就不会启动，驾驶员就可以按自己的想法使汽车下滑了。
[0047]如图5所示为汽车坡道受力情况示意图，当车辆在坡道上停驻并准备起步时会发生一个动作和存在一个状态，分别是挂档和轮速为零，这两个条件就是汽车坡道起步辅助系统开始工作的条件了。为了能够实现坡道辅助系统上坡道起步防止后溜、下坡道起步防止前滑的功能，根据所获得信号的不同分别控制上坡道起步和下坡道起步。这里我们假设是在上坡道起步，首先驾驶员在起步时会挂入I档，然后ECU就会先收集轮速传感器的数据，监测在接下来的起步过程中车辆是否发生了下滑，以此来判断是否需要启动坡道辅助系统，但该辅助系统旨在防止汽车起步时下滑，在没有下滑的情况下(驾驶员操作得当，完美起步)就不需要启动辅助系统了。当车辆发生下滑时，车轮会向后旋转，该现象将被轮速传感器检测到并将数据传递给ECU，ECU在收到该信号后就会向步进电动机发出控制信号，让步进电动机代替驾驶员踩踏制动踏板7至最深处并保持制动，这样防后溜工作就完成了，辅助系统的功能也实现了一半了。
[0048]当汽车完成了起步操作后，车辆要前进就需要解除制动，在步进电动机完成制动操作之后，ECU就开始收集扭矩传感器的信号了。当车辆出于斜坡上时，他本来应该在由自身重量而产生的下滑分力F下滑力的作用下产生后溜，车轮本来应该做逆时针旋转运动的，但是在制动的作用下轮胎被锁死，下滑力F下滑力被地面给予车轮的摩擦力f所抵消掉，从而使车辆能够停在斜坡上。虽然轮胎停止运动但在下滑力的作用下依然存在逆时针旋转的趋势，这个趋势通过制动盘反映到阻止制动盘旋转的制动钳上，使得制动钳在与制动盘接触的位置受到了与制动盘圆边相切的摩擦力f钳。制动钳是通过支架安装在后车桥上的，后车桥与制动盘同轴且与车身相连，车桥的作用本来就是传递轮胎与车身之间各种力、力矩的，而且制动钳与后车桥在f钳的垂直方向上存在一段距离，这就使得后车桥上(准确的说是车桥壳体上)产生了一个逆时针扭矩。该扭转值被扭矩传感器2检测出来传给ECU，只要这个扭矩值存在，ECU就不会解除制动。当驾驶员缓抬离合器踏板同时配合缓踏油门踏板时，汽车的驱动力逐渐上升，驱动力通过驱动轴、主减速器、差速器传到驱动半轴，半轴带动制动盘产生顺时针运动趋势，逐渐克服了由于下滑力产生的逆时针旋转趋势，这样就逐渐减少了车桥上的扭矩。当扭矩传感器2检测到后车桥上扭矩值为0，甚至检测到后车桥上产生顺时针的扭矩时，说明此时驱动力已经克服了下滑分离，足以使坡道上的汽车前进了，这个时候ECU向步进电动机发出指令解除制动，从而使汽车平稳地起步。
[0049]至于下坡道挂倒档向后起步实际上是一个道理，挂入倒挡后倒档开关连接，倒档ECU开始工作检测轮速，若轮速为O则开始坡道辅助，若车辆前滑就采取制动，解除制动时所检测的扭矩传感器2的数据与前文相反便是。
[0050]以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
【权利要求】
1.基于行车制动踏板主动控制的坡道起步辅助系统，其特征在于:由信号采集部分、电子控制部分和执行机构组成； 所述信号采集部分检测汽车车轮的旋转情况和后车桥受力时发生的扭曲变化情况以及档位位置，并将这些信息提供给电子控制部分作为辅助起步信息； 所述电子控制部分收集信号采集部分发送来的信息并进行处理，将处理后得到的控制信息发送给执行机构； 所述执行机构得到控制信息并执行，利用步进电动机驱动制动踏板来辅助坡道起步。
2.按照权利要求1所述基于行车制动踏板主动控制的坡道起步辅助系统，其特征在于: 所述信号采集部分包括轮速传感器(I)、轮速传感器(I)测量轮速，扭矩传感器(2)，测量扭矩，一档开关信号测量模块(3)和R档开关信号测量模块(4)采集挡位状态； 所述电子控制部分为ECU模块(5)，ECU模块(5)分别通过电路连接轮速传感器(I)、扭矩传感器(2)、一档开关信号测量模块(3)、R档开关信号测量模块(4)和步进电机(6)；所述执行机构包括步进电机￠)、制动踏板(7)和制动系统(8);步进电机(6)连接制动踏板(7)，制动踏板(7)连接制动系统(8)。
3.按照权利要求1所述基于行车制动踏板主动控制的坡道起步辅助系统，其特征在于:所述E⑶模块(5)由AT89C51芯片构成的小系统电路组成。
【文档编号】B60T7/06GK104176022SQ201410384290
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】王亮亮 申请人:重庆工业职业技术学院