一种基于ZigBee的挂车主动液压制动系统及方法
阅读说明：本技术 一种基于ZigBee的挂车主动液压制动系统及方法 (Active hydraulic braking system and method for trailer based on ZigBee ) 是由 何刚 王洪亮 皮大伟 谢伯元 王显会 于 2020-12-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于ZigBee的挂车主动液压制动系统及方法,该系统包括牵引车的检测单元、ZigBee通信发送单元和挂车的ZigBee通信接收单元、车间挂钩力检测单元、电控单元及电机液压制动单元；首先通过检测单元获取牵引车辆的加速度、速度以及车辆方向盘转角角度,其次将检测到的牵引车辆状态信息通过ZigBee无线传输方式发送给挂车的接收单元,然后挂车的电控单元根据牵引车的运动状态信息和车间挂钩力进行内部判断,最后对电机液压制动单元输出相应的控制信号使挂车进行制动。本发明将ZigBee通讯和汽车制动控制相结合,能够及时获取牵引车的车辆状态信息,有效对挂车制动控制,使挂车制动变得更加安全可靠,降低汽车列车间的碰撞冲突。(The invention discloses a ZigBee-based trailer active hydraulic braking system and a ZigBee-based trailer active hydraulic braking method, wherein the system comprises a detection unit of a tractor, a ZigBee communication sending unit, a ZigBee communication receiving unit of a trailer, a workshop hook force detection unit, an electric control unit and a motor hydraulic braking unit; the method comprises the steps of firstly obtaining the acceleration and the speed of a towing vehicle and the steering wheel angle of the vehicle through a detection unit, secondly sending detected state information of the towing vehicle to a receiving unit of a trailer through a ZigBee wireless transmission mode, then internally judging the state information of the trailer according to the motion state information of a towing vehicle and workshop hooking force through an electric control unit of the trailer, and finally outputting a corresponding control signal to a motor hydraulic braking unit to brake the trailer. The invention combines ZigBee communication with automobile brake control, can acquire the vehicle state information of the tractor in time, effectively controls the trailer brake, makes the trailer brake more safe and reliable, and reduces collision conflict between automobile trains.)
技术领域
本发明属于汽车底盘制动技术领域，具体涉及一种基于ZigBee的挂车主动液压制动系统及方法。
背景技术
随着我国交通基础设施建设的快速发展，以及国民经济对现代化物流的紧迫需求，公路运输朝着集约化的方向发展，而汽车列车由于其高效率、低成本等特点成为公路运输中主要的运输工具。在汽车列车化运输方式高速发展的同时，道路交通安全问题逐渐显现出来，根据交通管理局的相关统计显示，交通事故的发生原因90％以上是由于刹车制动引起前后车发生碰撞造成的，由此越来越多的研究人员逐渐开始重视挂车制动系统的研究。
原先为了配合不同形式制动系统的牵引车，国内外挂车制动系统一般采用惯性制动系统。然而当采用机械式惯性制动系统时，由于机械式惯性制动系统制动效能低，有一定的滞后性，容易出现侧滑，制动协调性差，易产生制动冲击等不利结果；当采用液压式惯性制动系统时，由于液压式惯性制动系统制动不灵敏，在转弯制动过程中，易造成挂车顶开牵引车的现象，并且制动特性无法调节。为此又有人提出一种主动式液压制动系统，挂车上液压制动系统以传感器和主车的刹车信号为依据产生制动信号主动控制挂车制动，如中国发明专利“一种主动式挂车制动系统”(申请号：201810430889.5)，根据牵引车的制动信号和传感器检测的车辆间相对位置信号对挂车进行制动控制。这套系统相比于传统的惯性液压制动系统，虽然更加可靠，但是安装要求高且不够灵敏，而且挂车通过线束插口只能获取牵引车的制动信号，不能再获得牵引车其他的运动状态信息，不能准确应对复杂工况下的制动情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于ZigBee的挂车主动液压制动系统及方法。该系统引入物联网概念，通过前后车的信息交互，有效利用信息资源，改善汽车列车的制动情况。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于ZigBee的挂车主动液压制动系统，包括检测单元，ZigBee发送单元，ZigBee接收单元，车间挂钩力检测单元、电控单元以及电机液压制动单元；
所述的检测单元将检测到牵引车辆的速度、减速度及方向盘转角信息打包输送给ZigBee发送单元，通过ZigBee通讯的方式发送给挂车的ZigBee接收单元，挂车上的挂钩力检测单元检测牵引车和挂车之间的挂钩作用力，电控单元根据挂车的ZigBee接收单元和挂钩力检测单元发送的信息，通过内部算法进行计算，判断是否对挂车进行制动，并将计算输出的控制信号发送给电机液压制动单元。
进一步的，所述检测单元包括速度检测单元、减速度检测单元以及方向盘转角检测单元；
所述速度检测单元和减速度检测单元分别通过速度传感器和加速度传感器来完成检测牵引车速度和减速度的任务，方向盘转角检测单元通过方向盘上的角度传感器进行检测牵引车的方向盘角度。
进一步的，所述电机液压制动单元包括电机、蜗杆、蜗轮、小齿轮、齿条、储液罐、第一活塞腔、第二活塞腔、制动轮缸左以及制动轮缸右；
所述电机的控制端与电控单元的输出端相连，并且电机、蜗杆、蜗轮、小齿轮和齿条依次串联，储液罐通过液体管路与制动主缸的第一活塞腔和第二活塞腔、制动轮缸左以及制动轮缸右相连；
所述电控单元接收到牵引车的运动状态信息和车间挂钩力信息，经过计算输出给电机控制信号，电机开始旋转，经蜗杆、蜗轮组成的减速机构和小齿轮、齿条组成的运动转换机构，推动制动主缸内的活塞，使第一活塞腔和第二活塞腔产生压强，从而给制动轮缸左和制动轮缸右加压，促使挂车进行制动。
一种利用上述的控制系统进行控制的方法，包括如下步骤：
S1)牵引车进行制动时，挂车的电控单元通过ZigBee接收单元和车间挂钩力检测单元收到牵引车运动状态信息和车间挂钩力信息，经过内部算法输出控制信号给电机产生扭矩，扭矩经过减速机构和运动转换机构后转换为直线作用力，并作用到与之相连的制动主缸活塞推杆上，使第一活塞腔和第二活塞腔产生压强，对制动轮缸左和制动轮缸右进行加压，从而迫使挂车进行制动，此为加压过程；
S2)牵引车解除制动时，挂车的电控单元收到牵引车解除制动信号，根据车辆间挂钩作用力进行判断是否需要对挂车进行制动控制，如果车辆间挂钩作用力超出一定临界值则需要对挂车进行制动，则保持电机转子当前位置，保有一定制动压力，此为保压过程；如果车辆间挂钩作用力没有达到一定临界值则不需要对挂车进行制动，则电控单元驱使电机反转，经过减速机构和运动转换机构拉回制动主缸中的活塞，对制动轮缸左和制动轮缸右进行泄压，此为减压过程；
S3)牵引车进行倒车时，挂车的电控单元收到牵引车进行倒车信号后，不考虑牵引车和挂车的状态信息，内部判断挂车不需要进行制动控制，电机不工作，直到完成倒车任务，此为无压过程。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明在挂车液压制动系统基础上，引入物联网概念，采用ZigBee通信系统，其具备低功耗、低成本、自配置和安全性高等特点，使得挂车能够快速准确接受牵引车的速度、减速度及方向盘转角信息，挂车电控单元根据这些信息能够精确和及时的对挂车进行控制，实现挂车主动式制动，让挂车制动更加实时可靠，大大降低汽车列车间的冲撞概率，并且能够避免在制动过程中汽车列车与道路中的其他车辆产生碰撞。
(2)本发明中采用的电机液压制动系统，通过接收电控单元的控制信号，使电机旋转产生扭矩，经过减速机构和运动转换机构转换为直线推力，推动制动主缸内的活塞，对制动轮缸产生液压力，使挂车进行制动，能够满足较大液压力的需求。该电机液压制动系统结合ZigBee通信系统，使得挂车的主动制动变得更加高效，有利于面对各种复杂工况，并且安装ZigBee通信单元，使布置更加简便，故障检修更为方便。
附图说明
图1是本发明中基于ZigBee的挂车主动液压制动系统原理示意图。
图2是本发明中汽车列车模型图。
图3是本发明中挂车电机液压制动系统的工作原理图。
图4是本发明中基于ZigBee的挂车主动液压制动控制方法步骤流程图。
附图标记说明：
100-检测单元，101-ZigBee发送单元，102-ZigBee接收单元，103-车间挂钩力检测单元，104-电控单元，105-电机液压制动单元，100a-速度检测单元，100b-减速度检测单元，100c-方向盘转角检测单元，110-电机，111-蜗杆，112-蜗轮，113-小齿轮，114-齿条，115-储液罐，116-第一活塞腔，117-第二活塞腔，118-制动轮缸左，119-制动轮缸右。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明实施基于ZigBee的挂车主动液压制动系统是针对如图2所示的汽车列车模型，其中系统包括检测牵引车信息的检测单元100、牵引车的ZigBee发送单元101、挂车的ZigBee接收单元102、车间挂钩力检测单元103、处理相关信息的电控单元104以及执行挂车制动的电机液压制动单元105。
所述检测单元100包括速度检测单元100a、减速度检测单元100b和方向盘转角检测单元100c，速度检测单元100a用于测量牵引车的车速，减速度检测单元100b用于检测牵引车的加速度，方向盘转角检测单元100c用于检测牵引车方向盘转动角度。速度检测单元100a的传感器可以安装在牵引车的变速器上，检测输出车轴的转速，也可以安装在牵引车的车轮上，检测车轮上的角速度；减速度检测单元100b的传感器安装在牵引车的刹车踏板上，感知驾驶员制动踏板的位移；方向盘转角检测单元100c安装在牵引车方向盘上，检测牵引车方向盘转角程度。
所述车间挂钩力检测单元103是安装在牵引车和挂车的连接装置处，能够及时检测车辆间挂钩力状况，并把信息传输给挂车的电控单元104。
所述ZigBee通信单元是基于IEEE 802.15.4定义的物理层和媒体访问控制层上采用的一种低速无线个域网技术规范。在ZigBee网络中，有3种网络节点分别是协调器节点、路由器节点和终端设备节点。协调器节点是对ZigBee网络进行初始化工作，等完成ZigBee网络初始化工作后关闭该节点，不会对已经初始化的网络造成影响；路由器节点在网络工作过程中时刻保持开启状态，对网络中各个节点之间的信息进行转发；终端设备节点在工作时对信息进行接收，不具备转发功能，不工作时进入休眠模式降低功耗。通过ZigBee网络，读取传感器的运动状态信息打包给ZigBee发送单元101向外界发送，同时将ZigBee接收单元102接收到的数据包解析成有效的信息(速度、减速度、方向盘转角)输送给电控单元104，基于获取的车辆状态信息进行计算估计实现制动控制，降低交通运输风险。
如图3所示，挂车的电机液压制动单元105包括电机110、蜗杆111、蜗轮112、小齿轮113、齿条114、储液罐115、第一活塞腔116、第二活塞腔117、制动轮缸左118以及制动轮缸右119。
所述电机110、减速机构的蜗杆111和蜗轮112、运动转换机构的小齿轮113和齿条114依次串联，储液罐115通过液体管路与制动主缸的第一活塞腔116和第二活塞腔117、制动轮缸左118以及制动轮缸右119相连。
所述挂车的电机液压制动系统工作原理为，电控单元104接收到牵引车运动状态信息和车间挂钩力信息，经过计算输出给电机110控制信号，电机110开始旋转产生扭矩，经蜗杆111、蜗轮112组成的减速机构和小齿轮113、齿条114组成的运动转换机构转换为直线推力，推动制动主缸内的活塞，使第一活塞腔116和第二活塞腔117产生压强，从而给制动轮缸左118和制动轮缸右119加压，促使挂车进行制动。
如图4所述，基于ZigBee的挂车主动液压制动控制方法通过牵引车的检测单元100、ZigBee发送单元101、ZigBee接收单元102、车间挂钩力检测单元103、电控单元104以及电机液压制动单元105来实现挂车制动系统控制，具体控制方法包括以下步骤：
S1)牵引车进行制动时，挂车的电控单元104通过ZigBee接收单元102和车间挂钩力检测单元103收到牵引车运动状态信息和车间挂钩力信息，经过内部算法输出控制信号给电机110产生扭矩，扭矩经过减速机构和运动转换机构后转换为直线作用力，并作用到与之相连的制动主缸活塞推杆上，使第一活塞腔116和第二活塞腔117产生压强，对制动轮缸左118和制动轮缸右119进行加压，从而迫使挂车进行制动，此为加压过程。
S2)牵引车解除制动时，挂车的电控单元104收到牵引车解除制动信号，根据车辆间挂钩作用力进行判断是否需要对挂车进行制动控制，如果车辆间挂钩作用力超过一定临界值则需要对挂车进行制动，则保持电机110转子当前位置，保有一定制动压力，此为保压过程；如果车辆间挂钩作用力没有达到一定临界值则不需要对挂车进行制动，则电控单元104驱使电机110反转，经过减速机构和运动转换机构拉回制动主缸中的活塞，对制动轮缸左118和制动轮缸右119进行泄压，此为减压过程。
S3)牵引车进行倒车时，挂车的电控单元104收到牵引车进行倒车信号后，不考虑牵引车和挂车的状态信息，判断挂车不需要进行制动控制，电机110不工作，直到完成倒车任务，此为无压过程。
以上所述对本发明进行简单的说明，通过对挂车制动系统采用ZigBee通讯的方式，使挂车能够更加智能、及时做出反应，有效的平顺制动，避免汽车列车间的冲撞。本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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