专利名称：汽车自动调速用的油门及刹车执行器的制作方法
技术领域：
本发明涉及汽车的油门(节汽门)及刹车(制动器)执行器，特别是涉及汽车闭环调速实时控制安全距离和安全速度的汽车自动调速用的油门及刹车执行器。
背景技术：
至今为止在中国乃至全世界都根本设有闭环控制汽车实时保持安全距离和安全速度，确保不追尾撞车的汽车自动调速用的油门及刹车执行器。
至今汽车各种防撞技术有1、在发生碰撞后采取各种减轻碰撞后果的措施，如气囊、保险杠等；2、防撞报警类，如专利号为97105850的中国专利公开的汽车防撞雷达，专利号为90211840的中国专利公开的红外激光防撞装置等；3、倒车防撞报警，如专利号为98233344的中国专利公开的倒车防撞报警器、专利号为95202028的中国专利公开的汽车倒车防撞雷达等；4、防撞报警自动刹车类，如专利号为92112911的中国专利公开的防撞紧急制动装置、专利号为92229804的中国专利公开的汽车防撞报警刹车器、专利号为92200823的中国专利公开的汽车安全行驶防撞模糊控制器等；5、“汽车自动防撞器”类，如专利号为93246207.3；02158775.2；02294607.1-泰远公司的汽车自动防撞器。6、网上查寻德国s型新型防撞汽车(“长眼睛的汽车”)；丰田、日产在新车上配备距离传感器；毫米波汽车防撞雷达系统等主动汽车防碰撞技术；7、“汽车防撞全自动驾驶仪”是专利号为02235051.9，02121002.0的中国公开专利。
上述除7、以外的现有各种防撞技术都是开环防撞，其中1、2、3、对油门及刹车都根本不控制；其中4、5、6也只能对油门及刹车给出二位(开与关)的继电器控制，他们对油门及刹车既不需要，也根本不能给出P(比例)或PD(比例微分)或PID(比例积分微分)控制作用。
在《智能车辆》(交通类学科学术著作)，人民交通出版社2002年11月出版，王武宏等编译。该书6.2“碰撞避免系统”中的“图6.16防碰撞系统简图”也是开环防撞系统，图中列出了“节气门的调整”和“制动器的调整”，由于开环系统，所以对节气门及刹车执行器都不能要求PD或PID控制，开关控制已足够。
汽车中的巡航控制系统是控制性能要求较差的以恒速为给定的PI(比例积分)闭环控制系统，该系统允许有超调量，但安全距离为给定的闭环控制系统绝对不许有超调量，即绝不允许汽车车身产生纵向前后振荡，否则会严重损害汽车，因汽车不挂倒车档无后退功能，所以执行器必须执行快响应、无振荡、无超调的PD或PID控制。巡航控制系统用来执行控制的仅是油门执行器，根本没有刹车执行器，与刹车执行器相比，所需输出的力远比刹车执行器的输出力要小；巡航是执行比例积分PI动作，比执行PD动作要慢很多，由于是巡航而不是防撞，所以不要求越快越好，而防撞则完全不同，争取提前动作一秒或半秒时间，撞车即可避免或损失大大减少，所以刹车执行器更为重要，必须实现PD或PID有预见性的超前控制。
在《汽车系统集成与模块化技术》(庄继德、庄蔚敏著，机械工业出版社2003年2月出版)中第71-72页中写着“因为电-机制动系统需要很强的电力，故现今车上的12V系统已经不够用，电-机制动系统的设计应基于42V的工作电压之上。”本发明实验实践证明无论是电-机制动，还是节气门控制，只需12V电压，最大电流2.8A，即可给出大于11kg×9.81m/s2＝107.9N的力作用于油门或刹车踏板或其连杆上，足以代替司机踏给踏板的力，用于汽车自动调节安全速度。本发明打破了专家的断言，如果需要更大的力，只需加大电流，或设计得当不需加大电流，也都能获得更大力的输出，本发明中试验实践证明目前车载12v、24v电源电压已足够，42V的工作电压不应提倡，因为众所周知安全电压是交流36v，直流36v要比交流36v严重很多，直流42v远远超过安全电压，此外直流42v给电子电路元器件正常工作电压和耐压都够成了严重危害，为此必须对处理电子电路低电压元器件正常工作电压和耐压而花费更大的成本、增加麻烦和浪费大量车载电能。
本发明是专利号为02235051.9，02121002.0的“汽车防撞全自动驾驶仪”中国公开专利的再发明专利，在专利02235051.9，02121002.0中提出汽车闭环防撞，要杜绝汽车撞车就必须实时保持安全速度和安全距离，要想实时保持安全速度和安全距离，就必须对汽车油门(节汽门)和刹车(制动器)进行实时快响应、无振荡、无超调、强鲁棒、动及静态误差均趋于零的PD(比例微分)或PID(比例积分微分)控制，具体用什么样的执行器来实现对油门和刹车进行实时PD或PID控制？乃是本发明专利的核心技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种汽车自动调速用的油门及刹车执行器。
一种汽车自动调速用的油门及刹车执行器，其特征在于包括有一、二、三的三种总体设计方案所述的设计方案一包括低压电动机、液压或汽压泵、液或汽体恒压缸、贮液槽、液或汽体管路、放大器、比较器、继电器(或模拟开关)、加压电磁阀、减压电磁阀、液压或汽压执行机构、受力(或位置)传感器；所述的设计方案二包括减速电动机、圆周变直线运动机构、限位开关(如加装电磁离合器可去掉限位开关)、钢丝拉索、继电器、电压放大与功率放大器、受力(或位置)传感器；所述的设计方案三包括一对电磁铁心、漆包线绕制线圈、移动框架、滚珠轴承、导轨、弹簧、钢丝拉索、外壳、(用于防抱死刹车的还有方波发生器、加法器、摸拟开关或继电器、控制电路)、电压及功率放大器、受力(或位置)传感器；所述的设计方案一包括低压电动机采用12v或24v永磁直流电机，电机由车载电源供电驱动液压或汽压泵向恒压缸充压，所述的恒压缸控制电机驱动泵自动恒压，加压电磁阀与减压电磁阀的控制线圈接放大器的输入，采用继电器的接点(或模拟开关)的接通与断开分时控制来自安全距离给定值与实测距离之差或希望车速给定值与实测车速之差的PD或PID输入，输入＞0，比较器控制继电器常开接点闭合(或模拟开关1闭合，倒向器控制模拟开关2断开)，输出接入加压电磁阀、断开减压电磁阀控制线圈，加压电磁阀控制线圈接入放大器放大的PI或PID输入，电磁阀按PI或PID控制恒压缸中的液或汽体通过管路流入执行机构，至使执行机构的活塞杆申出作用于踏板或踏板连杆，即实现增大油门或加大刹车力度的自动控制作用；输入＜0，比较器控制继电器常闭接点闭合(或模拟开关1断开，倒向器控制模拟开关2闭合)，输出接入减压电磁阀控制线圈，断开加压电磁阀控制线圈，减压电磁阀在PI或PID输入的控制下把执行机构和加压管路中的液体按PI或PID控制规律排放至贮液槽，或对管路中的汽体按PI或PID控制规律放空，执行机构的活塞杆在踏板弹簧力作用下收缩而作用于踏板或连杆，即实现减小油门或刹车力度的自动控制；所述的设计方案一的受力(或位置)传感器把作用于踏板或其连杆上的力或位移转换为成比例的电信号经放大器放大后送显示器显示；所述的设计方案二减速电动机采用永磁直流电机或步进电机，电压放大器的输入接安全距离给定值与实测距离之差或希望车速给定值与实测车速之差的PI或PID输入，经电压放大后送功率放大器，功率放大器输出与电机一端相连，电机另一端接地；输入误差的PI或PID＞0，电机正转；输入误差的PI或PID＜0，电机反转，转动快慢与输入PI或PID成比例；所述的圆周变直线运动机构将电机正向或反向转动变成往复直线运动，直线运动机构经与受力(或位置)传感器连接钢丝拉索，钢丝拉索另一端与踏板或踏板连杆相连，将直线运动输出的平衡力作用于踏板或连杆，达到自动调节油门及刹车而实现汽车自动调速的目的；所述的受力(或位置)传感器把作用于刹车踏板或其连杆上的力转换为成比例的电信号，经放大器放大后由显示器显示，输出极限力控制信号；所述设计方案三的漆包线绕制线圈固定在所述的一支电磁铁心上，连同电磁铁心和漆包线绕制线圈一起固定在所述的外壳的一端，其线圈的一端接12v或24v车载电源的一端，另一端接功率放大器的一端，功率放大器另一端与车载电源的另一端相连，够成闭合回路；所述的电压放大器以安全距离给定值与实测距离之误差或希望车速给定值与实测车速误差的PI或PID为输入，输出送加法器；所述的加法器在控制电路控制下，只在刹车力(或位置)传感器感受到有足够大的力(或到某位置)作用到刹车踏板或其连杆上时，为防止刹车抱死(对已安装防抱死刹车装置的汽车，方波发生器、加法器、摸拟开关或继电器、控制电路全省略)，控制电路通过摸拟开关或继电器接点把方波发生器产生的方波加到加法器与控制信号相加，加法器输出送功率放大器；所述的功率放大器把输入的电压信号放大为电流送给绕在电磁铁心上的线圈，线圈在铁心上产生磁通吸引另一支电磁铁心而构成力的传递；所述的另一支电磁铁心固定在移动框架上，移动框架安装滚珠轴承和钢丝拉索及弹簧，钢丝拉索的另端与踏板或其连杆相接，所述的弹簧用以调位，移动框架上的滚珠轴承与固定在外壳上的滑轨滚动接触装配，使电磁铁心、移动框架、弹簧、钢丝拉索与踏板够成了一个在电磁力和踏板反力及弹簧力作用下产生位移运动平衡的整体，移动框架上的电磁铁心把电磁力通过钢丝拉索作用在踏板上或其连杆上，达到自动调节油门及刹车的目的；所述的受力(或位置)传感器输入作用于刹车踏板或其连杆上的力或位移，输出成比例的电信号送显示器显示同时送比较器，比较器输出“0”或“1”信号，当超出某一定值时摸拟开关或继电器控制方波发生器产生方波送加法器，加法器输出直流加方波信号经放大器放大后送刹车执行器控制线圈，线圈电磁铁心与铁心之间产生与信号成比例有方波振动的电磁力，振动的电磁力经钢丝拉索作用在踏板上或其连杆上，实现防抱死刹车控制。
本发明效果如今全世界每年死于道路交通事故的超过100万人，地球上平均每50秒钟就有1人死于交通事故，每2秒钟就有1人因车祸受伤。因此，道路交通事故已成为“现代社会的第一公害”。我国是世界上道路交通事故死亡人数最多的国家，2003年，中国因交通事故死亡的人数已达到十万四千人，我国道路交通万车死亡率为美国的8.6倍、日本的18倍，每万辆车死亡率为十点八，它给国家和人民造成无可挽回的经济和精神上的巨大损失。由此看出，我国更迫切急需采用高科技手段早日解决存在我国和全世界的“现代社会的第一公害”，即早日研制成功实时自动调节油门和刹车，实时保持安全距离和安全速度的全自动防撞汽车，这样就能彻底杜绝汽车追尾和大大减少撞车死人和伤人的事故发生率，确保道路交通通畅，在全自动防撞汽车研制中，汽车自动调速用的油门及刹车执行器是极重要关键的一环，如果执行器不满足设计要求，就不能成功研制全自动防撞汽车，也就不能根除“现代社会的第一公害”和确保道路交通通畅。所以本专利技术具有极其重大的社会效益和经济效益。
图1.本发明的原理方块图；图2.本发明控制和驱动电动机的放大器原理图；图3-1、本发明圆周变直线运动与力传递测量机构的照片；图3-2、圆周变直线运动与力传递测量机构壳盖及限位开关的照片。
具体实施例方式
本发明汽车自动调速用的油门及刹车执行器的具体实施实例所述的设计方案二包括①减速电动机、②圆周变直线运动机构、③受力(或位置)传感器及放大、显示与控制器；④钢丝拉索；⑤电压放大与功率放大器；⑥继电器常开、常闭接点；⑦加装电磁离合器。
①、减速电动机采用额定电压12v，转速分别为3200r/min；2000r/min，减速比分别为1∶20；1∶21的永磁直流电机和减速箱。
②、圆周变直线运动机构采用齿轮齿条滑块传动机构。齿轮装在电动机减速箱的输出轴上，在机箱内转动，机箱内装两条导轨，齿条滑块穿装在两条导轨上，齿轮和齿条滑块的齿相啮合，当齿轮正反转动时，齿条滑块沿导轨往复直线滑动。
③、受力(或位置)传感器采用电阻应变传感器，由电阻为120Ω或300Ω的电阻应变片用502胶分别粘贴在弹性应变金属厚片的两面而构成，将金属厚片一端固定在齿条滑块上，另一端与钢丝拉索连接；再将120Ω或300Ω的电阻应变片接成桥路，±10v或±5v电压供电，输出接放大器放大送显示器显示，同时送比较器控制执行器输出最大力或极限位置。
④、钢丝拉索用轿车手刹拉线，一端与弹性应变金属厚片连接，另一端与踏板或其连杆相连。
⑤、图2是控制与驱动电动机M的电路图，ui1是闭环系统误差的PD或PID的输出，为本输入，ui2是最大力或极限位置和复位控制的输入。输入信号经数控增益放大器S放大后送经Q1Q2Q3倒相与相敏放大，再送Q4Q5、Q6Q7两组复合三极管进行相敏功率放大后输出至减速电动机Ma、ui1＞0时电机正转；b、ui1＜0时电机反转。电动机正反转动由齿轮和齿条滑块及导轨变成往复直线运动，经弹性金属片与贴在其上的电阻应变片将运动和所产生的平衡力传递给钢丝拉索，电阻应变片将力变成电信号，钢丝拉索将运动和所产生的平衡力传递给踏板或其连杆，则实现自动调节节气门及刹车功能。
为增加快速响应性能电动机M尽可能采用高转速和小减速比电机，数控增益放大器S尽可能采用最高增益。
⑥、继电器常开、常闭接点装在图2驱动电动机电路图的输入端控制ui1和ui2输入。ui2是逻辑控制输入a、钢丝拉索拉力f≥fm最大拉力时，常开接点闭合，ui2＝-10、-12v，控制电动机反转，自动控制f减小；b、当司机踏节汽门或刹车任一踏板并打转向灯时常开接点闭合，常开接点断开，此时应f＝0，如f≠0则控制s1常闭接点断开，放大器输入ui1＝0，常开接点闭合，ui2＝-12v加入放大器输入，驱动电动机快速反复位至f＝0，由自动控制切换为司机控制。
⑦、加装离合器，则控制离合器分离，自动复位至f＝0，优点是比电动机反转复位更快捷。
图3-1和图3-2是圆周变直线运动和力传递与检测机构的照片，其中1、齿轮，2、齿条滑块、3、导轨，4、弹簧，5、弹性金属片与贴在其上的电阻应变片，6、应变片引线，7、钢丝拉索，8、外壳，9、外壳盖，10、限位开关(如加装电磁离器，可去掉限位开关)。
权利要求
一种汽车自动调速用的油门及刹车执行器，其特征在于包括有一、二、三的三种总体设计方案所述的设计方案一包括低压电动机、液压或汽压泵、液或汽体恒压缸、贮液槽、液或汽体管路、放大器、比较器、继电器(或模拟开关)、加压电磁阀、减压电磁阀、液压或汽压执行机构、受力(或位置)传感器；所述的设计方案二包括减速电动机、圆周变直线运动机构、限位开关(如加装电磁离合器可去掉限位开关)、钢丝拉索、继电器、电压放大与功率放大器、受力(或位置)传感器；所述的设计方案三包括一对电磁铁心、漆包线绕制线圈、移动框架、滚珠轴承、导轨、弹簧、钢丝拉索、外壳、(用于防抱死刹车的还有方波发生器、加法器、摸拟开关或继电器、控制电路)、电压及功率放大器、受力(或位置)传感器；所述的设计方案一包括低压电动机采用12v或24v永磁直流电机，电机由车载电源供电驱动液压或汽压泵向恒压缸充压，所述的恒压缸控制电机驱动泵自动恒压，加压电磁阀与减压电磁阀的控制线圈接放大器的输入，采用继电器的接点(或模拟开关)的接通与断开分时控制来自安全距离给定值与实测距离之差或希望车速给定值与实测车速之差的PD或PID输入，输入＞0，比较器控制继电器常开接点闭合(或模拟开关1闭合，倒向器控制模拟开关2断开)，输出接入加压电磁阀、断开减压电磁阀控制线圈，加压电磁阀控制线圈接入放大器放大的PI或PID输入，电磁阀按PI或PID控制恒压缸中的液或汽体通过管路流入执行机构，至使执行机构的活塞杆申出作用于踏板或踏板连杆，即实现增大油门或加大刹车力度的自动控制作用；输入＜0，比较器控制继电器常闭接点闭合(或模拟开关1断开，倒向器控制模拟开关2闭合)，输出接入减压电磁阀控制线圈，断开加压电磁阀控制线圈，减压电磁阀在PI或PID输入的控制下把执行机构和加压管路中的液体按PI或PID控制规律排放至贮液槽，或对管路中的汽体按PI或PID控制规律放空，执行机构的活塞杆在踏板弹簧力作用下收缩而作用于踏板或连杆，即实现减小油门或刹车力度的自动控制；所述的设计方案一的受力(或位置)传感器把作用于踏板或其连杆上的力或位移转换为成比例的电信号经放大器放大后送显示器显示；所述的设计方案二减速电动机采用永磁直流电机或步进电机，电压放大器的输入接安全距离给定值与实测距离之差或希望车速给定值与实测车速之差的PI或PID输入，经电压放大后送功率放大器，功率放大器输出与电机一端相连，电机另一端接地；输入误差的PI或PID＞0，电机正转；输入误差的PI或PID＜0，电机反转，转动快慢与输入PI或PID成比例；所述的圆周变直线运动机构将电机正向或反向转动变成往复直线运动，直线运动机构经与受力(或位置)传感器连接钢丝拉索，钢丝拉索另一端与踏板或踏板连杆相连，将直线运动输出的平衡力作用于踏板或连杆，达到自动调节油门及刹车而实现汽车自动调速的目的；所述的受力(或位置)传感器把作用于刹车踏板或其连杆上的力转换为成比例的电信号，经放大器放大后由显示器显示，输出极限力控制信号；所述设计方案三的漆包线绕制线圈固定在所述的一支电磁铁心上，连同电磁铁心和漆包线绕制线圈一起固定在所述的外壳的一端，其线圈的一端接12v或24v车载电源的一端，另一端接功率放大器的一端，功率放大器另一端与车载电源的另一端相连，够成闭合回路；所述的电压放大器以安全距离给定值与实测距离之误差或希望车速给定值与实测车速误差的PI或PID为输入，输出送加法器；所述的加法器在控制电路控制下，只在刹车力(或位置)传感器感受到有足够大的力(或到某位置)作用到刹车踏板或其连杆上时，为防止刹车抱死(对已安装防抱死刹车装置的汽车，方波发生器、加法器、摸拟开关或继电器、控制电路全省略)，控制电路通过摸拟开关或继电器接点把方波发生器产生的方波加到加法器与控制信号相加，加法器输出送功率放大器；所述的功率放大器把输入的电压信号放大为电流送给绕在电磁铁心上的线圈，线圈在铁心上产生磁通吸引另一支电磁铁心而构成力的传递；所述的另一支电磁铁心固定在移动框架上，移动框架安装滚珠轴承和钢丝拉索及弹簧，钢丝拉索的另端与踏板或其连杆相接，所述的弹簧用以调位，移动框架上的滚珠轴承与固定在外壳上的滑轨滚动接触装配，使电磁铁心、移动框架、弹簧、钢丝拉索与踏板够成了一个在电磁力和踏板反力及弹簧力作用下产生位移运动平衡的整体，移动框架上的电磁铁心把电磁力通过钢丝拉索作用在踏板上或其连杆上，达到自动调节油门及刹车的目的；所述的受力(或位置)传感器输入作用于刹车踏板或其连杆上的力或位移，输出成比例的电信号送显示器显示同时送比较器，比较器输出“0”或“1”信号，当超出某一定值时摸拟开关或继电器控制方波发生器产生方波送加法器，加法器输出直流加方波信号经放大器放大后送刹车执行器控制线圈，线圈电磁铁心与铁心之间产生与信号成比例有方波振动的电磁力，振动的电磁力经钢丝拉索作用在踏板上或其连杆上，实现防抱死刹车控制。
全文摘要
一种汽车自动调速用的油门及刹车执行器，其特征在于包括有一、二、三共三种总体设计方案所述的设计方案一包括低压电动机、液压或汽压泵、液或汽体恒压缸、贮液槽、液或汽体管路、加压电磁阀、减压电磁阀、液压或汽压执行机构、受力或位置传感器；所述的设计方案二包括减速电动机、圆周变直线运动机构、钢丝拉索、受力或位置传感器、电磁离合器；所述的设计方案三包括一对电磁铁心、漆包线绕制线圈、移动框架、导轨、钢丝拉索、方波发生器、加法器、受力或位置传感器。执行器按误差信号PD或PID规律控制油门和刹车自动控制汽车实时保持安全距离和安全速度。
文档编号B60W10/184GK1623816SQ200410096009
公开日2005年6月8日 申请日期2004年11月26日 优先权日2004年11月26日
发明者李镇铭 申请人:李镇铭