無人駕駛電動(dòng)越野行駛系統(tǒng)

無人駕駛電動(dòng)越野行駛系統(tǒng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車先進(jìn)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(shù)是實(shí)現(xiàn)車輛先進(jìn)控制和智能駕駛的集中體現(xiàn)，對(duì)智能交通系統(tǒng)的研發(fā)和主動(dòng)安全輔助駕駛系統(tǒng)具有重要意義。電動(dòng)汽車在節(jié)能和環(huán)保方面具有無與倫比的優(yōu)勢(shì),是未來汽車的發(fā)展方向。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車由于在動(dòng)力源配置、底盤結(jié)構(gòu)等方面具有獨(dú)特的技術(shù)特征和優(yōu)勢(shì),近年來得到快速發(fā)展。文中介紹的無人駕駛電動(dòng)游覽車是在輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)上研發(fā)的智能電動(dòng)汽車,該車沒有轉(zhuǎn)向盤、加速和制動(dòng)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(dòng)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(cè)技術(shù)自動(dòng)檢測(cè)障礙物信息,具有防碰撞功能。該車在底盤控制上實(shí)現(xiàn)了無人駕駛技術(shù)、輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和線控轉(zhuǎn)向技術(shù)以及防碰撞技術(shù)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(jī)構(gòu)無人駕駛電動(dòng)游覽車底盤由傳感器、集成控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)包括輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)、線控轉(zhuǎn)向、液壓制動(dòng)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(yīng)電能,控制系統(tǒng)主要將各系統(tǒng)進(jìn)行集成控制并使車輛按預(yù)定模式行駛。1.1信號(hào)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(hào)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(gè)。光電傳感器部分采用2%精度硫化鎘光敏電阻共40個(gè),等距7.68mm排列。信號(hào)采集為2塊8位單片機(jī),每塊單片機(jī)負(fù)責(zé)20個(gè)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(gè)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(duì)可見光的反射程度不同,因此光電傳感器測(cè)得的反射光強(qiáng)度就不同,對(duì)應(yīng)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(duì)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(cè)距板,安裝于車頭正中,測(cè)試最大范圍3.5m;第2套(B)為2個(gè)BANNER公司的超聲波傳感器,安裝于車頭兩側(cè),測(cè)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(dá),每組4個(gè)傳感器,安裝于車頭兩角及車身兩側(cè),測(cè)試最大范圍1.5m。1.3啟動(dòng)和消失開關(guān)控制車輛是否開始自動(dòng)尋跡行駛啟/停系統(tǒng)主要由通電開關(guān)、遙控信號(hào)開關(guān)、啟動(dòng)開關(guān)和暫停開關(guān)等部件組成。通電開關(guān)控制整個(gè)系統(tǒng)是否上電,遙控信號(hào)開關(guān)控制車輛是處于自動(dòng)尋跡行駛狀態(tài)還是遙控行駛狀態(tài),啟動(dòng)和暫停開關(guān)控制車輛是否開始自動(dòng)尋跡行駛。啟/停系統(tǒng)的功能為任何一個(gè)啟動(dòng)開關(guān)按下車輛都實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)功能(保持觸發(fā)脈沖),在行駛過程中,任何一個(gè)暫停開關(guān)按下,車輛都暫停(保持暫停觸發(fā)脈沖,同時(shí)取消啟動(dòng)觸發(fā)脈沖)。遙控系統(tǒng)主要由信號(hào)發(fā)射器、信號(hào)接收器和天線組成,其中信號(hào)發(fā)射器選用Futaba公司制造的飛機(jī)模型用遙控器,并改造增加了一路信號(hào)輸入通道,其遙控距離可達(dá)500m。信號(hào)接收器在原有接收器基礎(chǔ)上增加了電路設(shè)計(jì),以使接收器的輸出信號(hào)便于控制器接收。1.4車輛階段式工況,充料電制動(dòng)功能輪轂電機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)用于實(shí)現(xiàn)無人駕駛電動(dòng)游覽車的驅(qū)動(dòng)及電制動(dòng)功能,使車能按照指定的速度行駛。系統(tǒng)主要由4個(gè)增量式光電編碼器、2個(gè)電機(jī)控制器(也稱電機(jī)驅(qū)動(dòng)器)和4個(gè)DC120V輪轂電機(jī)等組成。1.5電機(jī)、電機(jī)、電機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由1個(gè)BI傳感器和1個(gè)增量式光電編碼器以及直流轉(zhuǎn)向電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(cè)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(cè)量轉(zhuǎn)向輪的相對(duì)轉(zhuǎn)角。1.6電動(dòng)推桿系統(tǒng)電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)是在普通液壓制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,將制動(dòng)主缸的制動(dòng)踏板促動(dòng)改為電動(dòng)推桿促動(dòng)。該液壓制動(dòng)系統(tǒng)主要由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)推桿和鉗盤式制動(dòng)器等組成,電動(dòng)推桿由直流有刷電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)組成。電動(dòng)推桿中直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)作用后轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的平動(dòng),推動(dòng)主缸活塞產(chǎn)生制動(dòng)液壓,從而完成整車的制動(dòng)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(dòng)燈和倒車燈等組成,燈光的變化符合正常駕駛習(xí)慣,例如車輛轉(zhuǎn)向時(shí)相應(yīng)的轉(zhuǎn)向燈閃爍,制動(dòng)時(shí)制動(dòng)燈亮。當(dāng)防撞傳感器檢測(cè)到障礙處于危險(xiǎn)范圍時(shí),車輛自動(dòng)鳴笛報(bào)警。2自動(dòng)辨識(shí)行駛路徑無人駕駛電動(dòng)游覽車處于自動(dòng)尋跡行駛模式時(shí),車輛將利用路徑傳感器自動(dòng)辨識(shí)行駛路徑,在控制器的控制下自動(dòng)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(cè)技術(shù)自動(dòng)檢測(cè)障礙物信息,具有防碰撞功能。當(dāng)處于遙控行駛模式時(shí),車輛可人工手動(dòng)遙控行駛。2.1傳感器控制方案設(shè)計(jì)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(duì)車輛實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制,可與Matlab/Simulink進(jìn)行無縫銜接,可以進(jìn)行各種控制算法設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。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(dòng)、啟/停、防撞和光電傳感器以及主要控制程序等信號(hào),并將驅(qū)動(dòng)速度指令通過CAN發(fā)送給Box2。MicroAutoBox2主要處理輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(kuò)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(hào)通道為40路,而控制器的A/D輸入口相對(duì)缺乏,因此需要將傳感器信號(hào)通過單片機(jī)系統(tǒng)采集之后再轉(zhuǎn)發(fā)給控制器。單片機(jī)將所有通道的采集結(jié)果通過3個(gè)8BCAN標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀發(fā)送給控制器。輪轂電機(jī)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(cè)得的實(shí)際車速相比較,其差值通過力矩轉(zhuǎn)換后得到電機(jī)驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)力矩,將此力矩指令傳給電機(jī)控制器,電機(jī)控制器則輸出相應(yīng)的電流來控制輪轂電機(jī),從而控制車輛按給定的車速運(yùn)動(dòng)。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(cè)得的實(shí)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(jī)驅(qū)動(dòng)器,電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出相應(yīng)的電流指令驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向齒輪執(zhí)行電機(jī),從而實(shí)現(xiàn)預(yù)定的轉(zhuǎn)角。電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)總體上采用開環(huán)控制,而電動(dòng)推桿的控制采用直流電機(jī)控制器對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行電流閉環(huán)控制,其兩個(gè)輸入端的電壓差信號(hào)有效,而且差值的符號(hào)確定了控制器輸出電流的方向,輸入電壓差信號(hào)與輸出電流的放大倍數(shù)可以通過控制器上的電位計(jì)調(diào)整。當(dāng)車輛處于遙控行駛模式時(shí),信號(hào)發(fā)射器發(fā)出的信號(hào)給接收器,接收器將信號(hào)傳輸給控制器,控制器根據(jù)接收到的信號(hào)來控制輪轂電機(jī)、線控轉(zhuǎn)向和電控液壓制動(dòng)以及燈光喇叭等系統(tǒng)。2.2自動(dòng)駕駛性能模塊控制系統(tǒng)的集成控制主要體現(xiàn)在:(1)進(jìn)行行駛模式和工況設(shè)計(jì),控制車輛按預(yù)定模式和工況行駛,并可自動(dòng)適應(yīng)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(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,實(shí)現(xiàn)車輛的無人自動(dòng)駕駛,同時(shí)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(xí)慣要求;(3)在尋跡行駛模式下,可根據(jù)路徑傳感器的檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)識(shí)別行駛路徑,并可根據(jù)“駕駛員”預(yù)瞄控制駕駛原理,實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)尋跡行駛功能;(4)在尋跡行駛模式下,可自動(dòng)檢測(cè)障礙物信息,自動(dòng)實(shí)現(xiàn)車輛的防撞功能。2.2.1自動(dòng)尋跡行駛控制程序設(shè)計(jì)無人駕駛電動(dòng)游覽車共有遙控行駛和自動(dòng)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(jí)設(shè)計(jì)為:遙控>啟/停>防撞>尋跡,行駛模式設(shè)計(jì)流程圖見圖8。在車輛實(shí)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(jìn)入自動(dòng)尋跡行駛模式。此時(shí)若按下任一個(gè)啟動(dòng)開關(guān),車輛將自動(dòng)尋跡行駛,在行駛過程中若檢測(cè)到障礙物處于危險(xiǎn)距離內(nèi),車輛會(huì)自動(dòng)減速直至停車,在障礙物離開后自動(dòng)恢復(fù)尋跡行駛。在自動(dòng)尋跡行駛過程中的任何時(shí)機(jī)按下暫停開關(guān),車輛都會(huì)停車,直到啟動(dòng)開關(guān)重新按下為止。系統(tǒng)整個(gè)程序循環(huán)執(zhí)行的周期為2ms,可滿足車輛實(shí)時(shí)控制的需要。當(dāng)車輛處于人工遙控行駛模式時(shí),控制器將接收遙控器的指令,設(shè)計(jì)的遙控程序主要用于實(shí)現(xiàn)車輛的模式切換,并在遙控模式時(shí)使控制器在接收到遙控器指令后延遲1s反應(yīng)。2.2.2utofig控制器無人駕駛電動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)和電控制動(dòng)等系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)車輛的無人自動(dòng)行駛,其控制結(jié)構(gòu)見圖9。2.2.3預(yù)瞄準(zhǔn)點(diǎn)行駛軌跡的自適應(yīng)識(shí)別集成控制器首先根據(jù)光電傳感器系統(tǒng)40路檢測(cè)數(shù)據(jù)來自動(dòng)辨識(shí)行駛軌跡,控制器將40路通道分別賦予相應(yīng)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(yù)先設(shè)定的閾值U比較取相應(yīng)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(yù)瞄點(diǎn)P點(diǎn)相對(duì)于車輛縱向中軸線的橫向偏差后,車輛自動(dòng)跟蹤預(yù)瞄點(diǎn)行駛的示意圖見圖10,圖中x0軸方向?yàn)檐囕v行駛的理想軌跡,SP點(diǎn)為車輛質(zhì)心,D為預(yù)瞄點(diǎn)與前軸中心的距離,yP和ySP分別為預(yù)瞄點(diǎn)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(dòng)尋跡行駛的轉(zhuǎn)向控制原理見圖11,其中θ是為彌補(bǔ)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(bǔ)偏差Δy折算到車輛左前輪的轉(zhuǎn)角。當(dāng)車輛尋跡行駛時(shí),控制器自動(dòng)實(shí)現(xiàn)預(yù)瞄點(diǎn)偏差為0的轉(zhuǎn)向控制策略,從而使車輛能夠沿預(yù)定軌跡自動(dòng)行駛。文中采用的2自由度車輛模型見文獻(xiàn),傳感器P處的模型“駕駛員”線性控制模型見文獻(xiàn)。自動(dòng)尋跡過程中車速首先保持為恒速,在防撞傳感器檢測(cè)到障礙物處于危險(xiǎn)范圍時(shí),車輛自動(dòng)減速直至停車。在障礙物移開后,車輛又自動(dòng)恢復(fù)為恒速行駛。當(dāng)按下暫停開關(guān)時(shí),車速降為0實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動(dòng),同時(shí)電動(dòng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)開始工作實(shí)現(xiàn)車輛的可靠停車。當(dāng)啟動(dòng)開關(guān)按下時(shí),液壓制動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)推桿拉回,車輛的液壓制動(dòng)解除。2.2.4傳感器檢測(cè)和數(shù)據(jù)集成在自動(dòng)尋跡行駛過程中,利用3套超聲波雷達(dá)傳感器來實(shí)時(shí)檢測(cè)障礙物信息,超聲波測(cè)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(shí)間,s;T為空氣溫度,℃。集成控制器接受3套超聲波雷達(dá)傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)與預(yù)定閾值進(jìn)行實(shí)時(shí)比較,任一數(shù)據(jù)達(dá)到閾值即啟動(dòng)防撞功能。其中第1套傳感器的閾值設(shè)為2m,第2套傳感器的2個(gè)閾值均為1m,第3套傳感器的2個(gè)閾值(每組一個(gè)閾值)均為0.5m。3實(shí)車試驗(yàn)路徑實(shí)車試驗(yàn)中路徑傳感器測(cè)取的路徑和背景的信號(hào)見圖12,圖中為路徑傳感器分別測(cè)取的背景和路徑信號(hào)的一組數(shù)據(jù),從圖中可以看出,設(shè)計(jì)的光電傳感器系統(tǒng)可容易地辨識(shí)路徑,采用的閾值為U=130。實(shí)車試驗(yàn)的路徑見圖13,試驗(yàn)過程中車輛沿路徑逆時(shí)針行駛一周,車速保持5km/h。圖14為試驗(yàn)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(shí)控制器轉(zhuǎn)角指令會(huì)隨之迅速變化,具有很好的響應(yīng)性。圖15為測(cè)得的轉(zhuǎn)角指令與實(shí)際轉(zhuǎn)角的差值,從圖中可以看出轉(zhuǎn)角指令與實(shí)際轉(zhuǎn)角的偏差在0值附近擺動(dòng),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(yù)定路徑行駛時(shí)車輛的速度指令變化曲線圖,在105s時(shí)防撞傳感器檢測(cè)到障礙物,車輛速度迅速降為0,從而說明無人駕駛電動(dòng)游覽車可有效實(shí)現(xiàn)自動(dòng)防撞功能。4車輛行駛軌跡檢測(cè)對(duì)無人駕駛電動(dòng)游覽車底盤系統(tǒng)進(jìn)行