無人駕駛電動越野行駛系統(tǒng)

電機驅(qū)動的電動汽車先進的車輛管理系統(tǒng)（avcs）是智能交通系統(tǒng)（as）的重要組成部分。無人駕駛技術是實現(xiàn)車輛先進控制和智能駕駛的集中體現(xiàn)，對智能交通系統(tǒng)的研發(fā)和主動安全輔助駕駛系統(tǒng)具有重要意義。電動汽車在節(jié)能和環(huán)保方面具有無與倫比的優(yōu)勢,是未來汽車的發(fā)展方向。輪轂電機驅(qū)動電動汽車由于在動力源配置、底盤結(jié)構(gòu)等方面具有獨特的技術特征和優(yōu)勢,近年來得到快速發(fā)展。文中介紹的無人駕駛電動游覽車是在輪轂電機驅(qū)動電動汽車的基礎上研發(fā)的智能電動汽車,該車沒有轉(zhuǎn)向盤、加速和制動踏板以及駕駛員,與傳統(tǒng)汽車在結(jié)構(gòu)上具有明顯的差異(圖1)。該車具有自動尋跡行駛和遙控行駛2種模式,且在自主行駛過程中通過超聲波傳感器探測技術自動檢測障礙物信息,具有防碰撞功能。該車在底盤控制上實現(xiàn)了無人駕駛技術、輪轂電機驅(qū)動技術和線控轉(zhuǎn)向技術以及防碰撞技術等的集成控制,文中主要介紹該車在底盤系統(tǒng)組成和集成控制方面開展的部分研究工作。1傳感器及執(zhí)行機構(gòu)無人駕駛電動游覽車底盤由傳感器、集成控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)以及電源系統(tǒng)等組成(圖2),其中傳感器包括路徑傳感器、防撞傳感器、啟/停、遙控等系統(tǒng);執(zhí)行機構(gòu)包括輪轂電機驅(qū)動、線控轉(zhuǎn)向、液壓制動以及燈光和喇叭等系統(tǒng);電源系統(tǒng)主要為控制系統(tǒng)和車輛部件供應電能,控制系統(tǒng)主要將各系統(tǒng)進行集成控制并使車輛按預定模式行駛。1.1信號和電源組成路徑傳感器系統(tǒng)主要由光源、光電傳感器、信號采集板和電源等部分組成。光源部分采用高亮白光LED,共48個。光電傳感器部分采用2%精度硫化鎘光敏電阻共40個,等距7.68mm排列。信號采集為2塊8位單片機,每塊單片機負責20個通道數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送,采樣頻率2ms。電源部分為光源和傳感器供電,輸入電壓DC12V,輸出電壓DC5V,主要由穩(wěn)壓器和2個電容組成。光源的燈光照射到白紙和地面上后,由于白紙和地面對可見光的反射程度不同,因此光電傳感器測得的反射光強度就不同,對應位置處傳感器的輸出電壓也不同,從而可以根據(jù)傳感器的輸出電壓來判斷車輛與白線的相對位置。1.2超聲波傳感器安裝量防撞傳感器系統(tǒng)由3套超聲波傳感器組成,傳感器在車輛上的安裝位置見圖3。第1套(A)為1塊CJ-3超聲波測距板,安裝于車頭正中,測試最大范圍3.5m;第2套(B)為2個BANNER公司的超聲波傳感器,安裝于車頭兩側(cè),測試最大范圍4.5m;第3套(C)為2組數(shù)碼顯示超聲波倒車防撞雷達,每組4個傳感器,安裝于車頭兩角及車身兩側(cè),測試最大范圍1.5m。1.3啟動和消失開關控制車輛是否開始自動尋跡行駛啟/停系統(tǒng)主要由通電開關、遙控信號開關、啟動開關和暫停開關等部件組成。通電開關控制整個系統(tǒng)是否上電,遙控信號開關控制車輛是處于自動尋跡行駛狀態(tài)還是遙控行駛狀態(tài),啟動和暫停開關控制車輛是否開始自動尋跡行駛。啟/停系統(tǒng)的功能為任何一個啟動開關按下車輛都實現(xiàn)啟動功能(保持觸發(fā)脈沖),在行駛過程中,任何一個暫停開關按下,車輛都暫停(保持暫停觸發(fā)脈沖,同時取消啟動觸發(fā)脈沖)。遙控系統(tǒng)主要由信號發(fā)射器、信號接收器和天線組成,其中信號發(fā)射器選用Futaba公司制造的飛機模型用遙控器,并改造增加了一路信號輸入通道,其遙控距離可達500m。信號接收器在原有接收器基礎上增加了電路設計,以使接收器的輸出信號便于控制器接收。1.4車輛階段式工況,充料電制動功能輪轂電機系統(tǒng)驅(qū)動用于實現(xiàn)無人駕駛電動游覽車的驅(qū)動及電制動功能,使車能按照指定的速度行駛。系統(tǒng)主要由4個增量式光電編碼器、2個電機控制器(也稱電機驅(qū)動器)和4個DC120V輪轂電機等組成。1.5電機、電機、電機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由1個BI傳感器和1個增量式光電編碼器以及直流轉(zhuǎn)向電機、電機驅(qū)動器、齒輪齒條轉(zhuǎn)向器等部件組成。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用的BI傳感器用于測量轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的初始位置,而增量式光電編碼器用于測量轉(zhuǎn)向輪的相對轉(zhuǎn)角。1.6電動推桿系統(tǒng)電控液壓制動系統(tǒng)是在普通液壓制動系統(tǒng)的基礎上,將制動主缸的制動踏板促動改為電動推桿促動。該液壓制動系統(tǒng)主要由直流電機驅(qū)動器、電動推桿和鉗盤式制動器等組成,電動推桿由直流有刷電機和減速機構(gòu)組成。電動推桿中直流電機的轉(zhuǎn)動經(jīng)過減速機構(gòu)作用后轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的平動,推動主缸活塞產(chǎn)生制動液壓,從而完成整車的制動過程。1.7模式正常駕駛的植物燈光系統(tǒng)主要由大燈、轉(zhuǎn)向燈、制動燈和倒車燈等組成,燈光的變化符合正常駕駛習慣,例如車輛轉(zhuǎn)向時相應的轉(zhuǎn)向燈閃爍,制動時制動燈亮。當防撞傳感器檢測到障礙處于危險范圍時,車輛自動鳴笛報警。2自動辨識行駛路徑無人駕駛電動游覽車處于自動尋跡行駛模式時,車輛將利用路徑傳感器自動辨識行駛路徑,在控制器的控制下自動完成尋跡行駛,且在自主行駛過程中可通過防撞傳感器探測技術自動檢測障礙物信息,具有防碰撞功能。當處于遙控行駛模式時,車輛可人工手動遙控行駛。2.1傳感器控制方案設計底盤集成控制系統(tǒng)主要由dSPACE公司的2塊MicroAutoBox控制器組成,MicroAutoBox控制器可對車輛實現(xiàn)實時控制,可與Matlab/Simulink進行無縫銜接,可以進行各種控制算法設計和軟件設計。集成控制器的總體控制原理見圖4,2塊控制器之間采用CAN通信。MicroAutoBox1為主控器,其主要處理遙控、線控轉(zhuǎn)向、液壓制動、啟/停、防撞和光電傳感器以及主要控制程序等信號,并將驅(qū)動速度指令通過CAN發(fā)送給Box2。MicroAutoBox2主要處理輪轂電機驅(qū)動和燈光喇叭等系統(tǒng)的控制,并可用于控制系統(tǒng)的功能擴展。光電傳感器系統(tǒng)的控制原理見圖5,由于光電傳感器的信號通道為40路,而控制器的A/D輸入口相對缺乏,因此需要將傳感器信號通過單片機系統(tǒng)采集之后再轉(zhuǎn)發(fā)給控制器。單片機將所有通道的采集結(jié)果通過3個8BCAN標準數(shù)據(jù)幀發(fā)送給控制器。輪轂電機系統(tǒng)的控制原理如圖6所示,總體上是速度閉環(huán)控制。集成控制器給出的指令車速與由光電編碼器測得的實際車速相比較,其差值通過力矩轉(zhuǎn)換后得到電機驅(qū)動/制動力矩,將此力矩指令傳給電機控制器,電機控制器則輸出相應的電流來控制輪轂電機,從而控制車輛按給定的車速運動。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制原理見圖7,總體上是角度閉環(huán)控制。集成控制器給出的角度指令與BI傳感器和光電編碼器測得的實際轉(zhuǎn)角的差值,經(jīng)過力矩轉(zhuǎn)換后作為力矩指令輸出到電機驅(qū)動器,電機驅(qū)動器輸出相應的電流指令驅(qū)動轉(zhuǎn)向齒輪執(zhí)行電機,從而實現(xiàn)預定的轉(zhuǎn)角。電控液壓制動系統(tǒng)總體上采用開環(huán)控制,而電動推桿的控制采用直流電機控制器對直流電機進行電流閉環(huán)控制,其兩個輸入端的電壓差信號有效,而且差值的符號確定了控制器輸出電流的方向,輸入電壓差信號與輸出電流的放大倍數(shù)可以通過控制器上的電位計調(diào)整。當車輛處于遙控行駛模式時,信號發(fā)射器發(fā)出的信號給接收器,接收器將信號傳輸給控制器,控制器根據(jù)接收到的信號來控制輪轂電機、線控轉(zhuǎn)向和電控液壓制動以及燈光喇叭等系統(tǒng)。2.2自動駕駛性能模塊控制系統(tǒng)的集成控制主要體現(xiàn)在:(1)進行行駛模式和工況設計,控制車輛按預定模式和工況行駛,并可自動適應行駛模式和工況的切換;(2)在行駛過程中將車輛的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)以及電控液壓制動系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制,實現(xiàn)車輛的無人自動駕駛,同時在行駛過程中控制燈光和喇叭等附件系統(tǒng),使燈光和喇叭符合行駛習慣要求;(3)在尋跡行駛模式下,可根據(jù)路徑傳感器的檢測結(jié)果自動識別行駛路徑,并可根據(jù)“駕駛員”預瞄控制駕駛原理,實現(xiàn)車輛的自動尋跡行駛功能;(4)在尋跡行駛模式下,可自動檢測障礙物信息,自動實現(xiàn)車輛的防撞功能。2.2.1自動尋跡行駛控制程序設計無人駕駛電動游覽車共有遙控行駛和自動尋跡行駛2種行駛模式,具體可分為遙控、啟/停、防撞和尋跡行駛等4種工況。各種工況的優(yōu)先級設計為:遙控>啟/停>防撞>尋跡,行駛模式設計流程圖見圖8。在車輛實際的行駛過程中,控制器上電后將首先判斷車輛是否處于人工遙控控制模式,若否則進入自動尋跡行駛模式。此時若按下任一個啟動開關,車輛將自動尋跡行駛,在行駛過程中若檢測到障礙物處于危險距離內(nèi),車輛會自動減速直至停車,在障礙物離開后自動恢復尋跡行駛。在自動尋跡行駛過程中的任何時機按下暫停開關,車輛都會停車,直到啟動開關重新按下為止。系統(tǒng)整個程序循環(huán)執(zhí)行的周期為2ms,可滿足車輛實時控制的需要。當車輛處于人工遙控行駛模式時,控制器將接收遙控器的指令,設計的遙控程序主要用于實現(xiàn)車輛的模式切換,并在遙控模式時使控制器在接收到遙控器指令后延遲1s反應。2.2.2utofig控制器無人駕駛電動游覽車通過2塊MicroAutoBox控制器協(xié)調(diào)控制車輛的線控轉(zhuǎn)向、輪轂電機驅(qū)動和電控制動等系統(tǒng),實現(xiàn)車輛的無人自動行駛,其控制結(jié)構(gòu)見圖9。2.2.3預瞄準點行駛軌跡的自適應識別集成控制器首先根據(jù)光電傳感器系統(tǒng)40路檢測數(shù)據(jù)來自動辨識行駛軌跡,控制器將40路通道分別賦予相應的數(shù)字yi=i(i=1,2,…,40),將接收的40路數(shù)據(jù)Ui分別與預先設定的閾值U比較取相應的ai為ai={1Ui＞U0Ui≤U(1)ai={1Ui＞U0Ui≤U(1)則行駛路徑與車輛縱向中軸線的橫向偏差Δy為Δy=b(40∑i=1yiai/40∑i=1ai-20)(2)式中b為相鄰兩路光電傳感器的間隔距離。在得出預瞄點P點相對于車輛縱向中軸線的橫向偏差后,車輛自動跟蹤預瞄點行駛的示意圖見圖10,圖中x0軸方向為車輛行駛的理想軌跡,SP點為車輛質(zhì)心,D為預瞄點與前軸中心的距離,yP和ySP分別為預瞄點和質(zhì)心行駛軌跡與理想軌跡的橫向偏差?？刂葡到y(tǒng)自動尋跡行駛的轉(zhuǎn)向控制原理見圖11,其中θ是為彌補偏差Δy(即圖10中的yP)折算到車輛齒輪齒條轉(zhuǎn)向系轉(zhuǎn)向小齒輪需要轉(zhuǎn)過的角度,δ為彌補偏差Δy折算到車輛左前輪的轉(zhuǎn)角。當車輛尋跡行駛時,控制器自動實現(xiàn)預瞄點偏差為0的轉(zhuǎn)向控制策略,從而使車輛能夠沿預定軌跡自動行駛。文中采用的2自由度車輛模型見文獻,傳感器P處的模型“駕駛員”線性控制模型見文獻。自動尋跡過程中車速首先保持為恒速,在防撞傳感器檢測到障礙物處于危險范圍時,車輛自動減速直至停車。在障礙物移開后,車輛又自動恢復為恒速行駛。當按下暫停開關時,車速降為0實現(xiàn)電機制動,同時電動液壓制動系統(tǒng)開始工作實現(xiàn)車輛的可靠停車。當啟動開關按下時,液壓制動系統(tǒng)的電動推桿拉回,車輛的液壓制動解除。2.2.4傳感器檢測和數(shù)據(jù)集成在自動尋跡行駛過程中,利用3套超聲波雷達傳感器來實時檢測障礙物信息,超聲波測距算法為S=ct2(7)c=20√273+Τ(8)式中S為傳感器到障礙物的距離,m;c為超聲波在空氣中的傳播速度,m/s;t為超聲波在空氣中從傳感器到障礙物往返一次的時間,s;T為空氣溫度,℃。集成控制器接受3套超聲波雷達傳感器檢測的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)與預定閾值進行實時比較,任一數(shù)據(jù)達到閾值即啟動防撞功能。其中第1套傳感器的閾值設為2m,第2套傳感器的2個閾值均為1m,第3套傳感器的2個閾值(每組一個閾值)均為0.5m。3實車試驗路徑實車試驗中路徑傳感器測取的路徑和背景的信號見圖12,圖中為路徑傳感器分別測取的背景和路徑信號的一組數(shù)據(jù),從圖中可以看出,設計的光電傳感器系統(tǒng)可容易地辨識路徑,采用的閾值為U=130。實車試驗的路徑見圖13,試驗過程中車輛沿路徑逆時針行駛一周,車速保持5km/h。圖14為試驗過程中偏差與轉(zhuǎn)角指令的變化曲線,從圖中可以看出,在偏差變化時控制器轉(zhuǎn)角指令會隨之迅速變化,具有很好的響應性。圖15為測得的轉(zhuǎn)角指令與實際轉(zhuǎn)角的差值,從圖中可以看出轉(zhuǎn)角指令與實際轉(zhuǎn)角的偏差在0值附近擺動,其幅值基本不超過20°(即前輪轉(zhuǎn)角誤差不超過1.45°),控制精度較高。圖16為車輛以2km/h的恒速沿預定路徑行駛時車輛的速度指令變化曲線圖,在105s時防撞傳感器檢測到障礙物,車輛速度迅速降為0,從而說明無人駕駛電動游覽車可有效實現(xiàn)自動防撞功能。4車輛行駛軌跡檢測對無人駕駛電動游覽車底盤系統(tǒng)進行