无人驾驶电动游览车底盘集成控制研究

2007年(第29卷)第8期

汽　车　工　程Aut omotive Engineering

2007(Vol .29)No .8

2007158

无人驾驶电动游览车底盘集成控制研究

修改稿收到日期为2007年6月28日。

王　伟

1,2

,陈　慧1,刁增祥

2

(11同济大学汽车学院,上海　201804;　21总装汽车试验场,南京　210028)

[摘要]　介绍了具有自动寻迹行驶和遥控行驶2种模式的无人驾驶电动游览车,该车采用光电传感器自动辨

识行驶路径,自动完成寻迹行驶,且在自主行驶过程中通过超声波传感器探测技术自动检测障碍物信息,具有防碰撞功能,在底盘控制上实现了无人驾驶技术、轮毂电机驱动技术和线控转向技术以及防碰撞技术等的集成控制,对于实现车辆的智能驾驶具有重要意义。

关键词:无人驾驶;轮毂电机驱动;线控转向;底盘集成控制

A Study on I ntegrated Chassis Contr ol for Un manned Electric Touring Vehicle

W ang W e i 1,2

,Chen Hu i 1

&D i a o Zengx i a ng

2

11College of Auto m obile,Tongji U niversity,Shanghai 201804;　21A uto m otive P roving Ground of D epart m ent of General Equip m ent,N anjing 210028

[Abstract]　An unmanned electric t ouring vehicle with t w o driving modes (aut omatic path tracking and re 2

mote contr ol )is p resented .The vehicle uses phot oelectric sens ors t o aut omatically identify the driving path and uti 2lizes the ultras onic sens ors t o aut omatically detect the obstacle inf or mati on in the course of aut onomous driving,s o possessing the collisi on avoidance functi on .I n additi on,the integrated chassis contr ol,covering the technol ogies of un manned driving,in 2wheel mot or driving,steer 2by 2wire and collisi on avoidance is realized,having a great signifi 2cance f or achieving intelligent driving of vehicles .

Keywords:Unmanned dr i v i n g;I n 2wheel m otor dr i v i n g;Steer 2by 2w i re;I n tegra ted cha ssis con trol

前言

先进的车辆控制系统(AVCS )是智能交通系统(I TS )的重要组成部分[1-2],无人驾驶技术是实现车辆先进控制和智能驾驶的集中体现,对于研发智能交通系统和主动安全辅助驾驶系统具有重要意义。电动汽车在节能和环保方面具有无与伦比的优势,是未来汽车的发展方向。轮毂电机驱动电动汽车由于在动力源配置、底盘结构等方面具有独特的技术特征和优势,近年来得到快速发展。

文中介绍的无人驾驶电动游览车是在轮毂电机驱动电动汽车的基础上研发的智能电动汽车,该车

没有转向盘、加速和制动踏板以及驾驶员,与传统汽车在结构上具有明显的差异(图1)。该车具有自动寻迹行驶和遥控行驶2种模式,且在自主行驶过程中通过超声波传感器探测技术自动检测障碍物信

息,具有防碰撞功能。该车在底盘控制上实现了无人驾驶技术、轮毂电机驱动技术和线控转向技术以及防碰撞技术等的集成控制,文中主要介绍该车在底盘系统组成和集成控制方面开展的部分研究工作。

图1　无人驾驶电动游览车

1　车辆底盘系统组成

?682　?汽　车　工　程2007年(第29卷)第8期

无人驾驶电动游览车底盘由传感器、集成控制系统和执行机构以及电源系统等组成(图2),其中传感器包括路径传感器、防撞传感器、启/停、遥控等系统;执行机构包括轮毂电机驱动、线控转向、液压制动以及灯光和喇叭等系统;电源系统主要为控制系统和车辆部件供应电能,控制系统主要将各系统进行集成控制并使车辆按预定模式行驶

。

图2　无人驾驶电动游览车底盘系统组成图

111　路径传感器系统

路径传感器系统主要由光源、光电传感器、信号采集板和电源等部分组成。光源部分采用高亮白光LED,共48个。光电传感器部分采用2%精度硫化

镉光敏电阻共40个,等距7168mm 排列。信号采集为2块8位单片机,每块单片机负责20个通道数据的采集和发送,采样频率2m s 。电源部分为光源和传感器供电,输入电压DC12V ,输出电压DC5V ,主要由稳压器和2个电容组成。

光源的灯光照射到白纸和地面上后,由于白纸和地面对可见光的反射程度不同,因此光电传感器测得的反射光强度就不同,对应位置处传感器的输出电压也不同,从而可以根据传感器的输出电压来判断车辆与白线的相对位置。112　防撞传感器系统

防撞传感器系统由3套超声波传感器组成,传

感器在车辆上的安装位置见图3。第1套(A )为1块CJ 23超声波测距板,安装于车头正中,测试最大范围315m;第2套(B )为2个BANNER 公司的超声波传感器,安装于车头两侧,测试最大范围415m;第3套(C )为2组数码显示超声波倒车防撞雷达,每组4个传感器,安装于车头两角及车身两侧,测试最大

范围115m 。

113　启/停和遥控系统

启/停系统主要由通电开关、遥控信号开关、

启

图3　防撞传感器安装图

动开关和暂停开关等部件组成。通电开关控制整个

系统是否上电,遥控信号开关控制车辆是处于自动寻迹行驶状态还是遥控行驶状态,启动和暂停开关控制车辆是否开始自动寻迹行驶。启/停系统的功能为任何一个启动开关按下车辆都实现启动功能(保持触发脉冲),在行驶过程中,任何一个暂停开关按下,车辆都暂停(保持暂停触发脉冲,同时取消启动触发脉冲)。

遥控系统主要由信号发射器、信号接收器和天线组成,其中信号发射器选用Futaba 公司制造的飞机模型用遥控器,并改造增加了一路信号输入通道,其遥控距离可达500m 。信号接收器在原有接收器基础上增加了电路设计,以使接收器的输出信号便于控制器接收。114　轮毂电机驱动系统

轮毂电机系统驱动用于实现无人驾驶电动游览车的驱动及电制动功能,使车能按照指定的速度行驶。系统主要由4个增量式光电编码器、2个电机控制器(也称电机驱动器)和4个DC120V 轮毂电机等组成。115　线控转向系统

转向系统主要由1个B I 传感器和1个增量式光电编码器以及直流转向电机、电机驱动器、齿轮齿条转向器等部件组成。线控转向系统采用的B I 传感器用于测量转向轮转角的初始位置,而增量式光电编码器用于测量转向轮的相对转角。116　电控液压制动系统

电控液压制动系统是在普通液压制动系统的基

2007(Vol .29)No .8王伟,等:无人驾驶电动游览车底盘集成控制研究?683　?

础上,将制动主缸的制动踏板促动改为电动推杆促动。该液压制动系统主要由直流电机驱动器、电动推杆和钳盘式制动器等组成,电动推杆由直流有刷电机和减速机构组成。电动推杆中直流电机的转动经过减速机构作用后转变为推杆的平动,推动主缸活塞产生制动液压,从而完成整车的制动过程。117　灯光和喇叭

灯光系统主要由大灯、转向灯、制动灯和倒车灯等组成,灯光的变化符合正常驾驶习惯,例如车辆转向时相应的转向灯闪烁,制动时制动灯亮。当防撞传感器检测到障碍处于危险范围时,车辆自动鸣笛报警。

2　底盘集成控制系统

无人驾驶电动游览车处于自动寻迹行驶模式时,车辆将利用路径传感器自动辨识行驶路径,在控制器的控制下自动完成寻迹行驶,且在自主行驶过程中可通过防撞传感器探测技术自动检测障碍物信息,具有防碰撞功能。当处于遥控行驶模式时,车辆可人工手动遥控行驶。211　集成控制原理

底盘集成控制系统主要由dSP ACE 公司的2块M icr oAut oBox 控制器组成,M icr oAut oBox 控制器可

对车辆实现实时控制,可与Matlab /Si m ulink 进行无

缝衔接,可以进行各种控制算法设计和软件设计。

集成控制器的总体控制原理见图4,2块控制器之间采用CAN 通信。M icr oAut oBox1为主控器,其主要处理遥控、线控转向、液压制动、启/停、防撞和光电传感器以及主要控制程序等信号,并将驱动速度指令通过CAN 发送给Box2。M icr oAut oBox2主要处理轮毂电机驱动和灯光喇叭等系统的控制,并可用于控制系统的功能扩展

。

图4　集成控制系统总体控制原理图

光电传感器系统的控制原理见图5,由于光电传感器的信号通道为40路,而控制器的A /D 输入口相对缺乏,因此需要将传感器信号通过单片机系

统采集之后再转发给控制器。单片机将所有通道的采集结果通过3个8B CAN 标准数据帧发送给控制器

。

图5　路径传感器系统控制原理图

轮毂电机系统的控制原理如图6所示,总体上是速度闭环控制。集成控制器给出的指令车速与由

光电编码器测得的实际车速相比较,其差值通过力矩转换后得到电机驱动/制动力矩,将此力矩指令传给电机控制器,电机控制器则输出相应的电流来控制轮毂电机,从而控制车辆按给定的车速运动

。

图6　轮毂电机系统控制原理图

线控转向系统的控制原理见图7,总体上是角度闭环控制。集成控制器给出的角度指令与B I 传感器和光电编码器测得的实际转角的差值,经过力矩转换后作为力矩指令输出到电机驱动器,电机驱动器输出相应的电流指令驱动转向齿轮执行电机,从而实现预定的转角

。

图7　线控转向系统控制原理图

电控液压制动系统总体上采用开环控制,而电

动推杆的控制采用直流电机控制器对直流电机进行电流闭环控制,其两个输入端的电压差信号有效,而且差值的符号确定了控制器输出电流的方向,输入电压差信号与输出电流的放大倍数可以通过控制器上的电位计调整。

当车辆处于遥控行驶模式时,信号发射器发出

的信号给接收器,接收器将信号传输给控制器,控制

器根据接收到的信号来控制轮毂电机、线控转向和电控液压制动以及灯光喇叭等系统。212　集成控制设计

?684　?汽　车　工　程2007年(第29卷)第8期

控制系统的集成控制主要体现在:(1)进行行驶模式和工况设计,控制车辆按预定模式和工况行驶,并可自动适应行驶模式和工况的切换;(2)在行驶过程中将车辆的线控转向系统、轮毂电机驱动系统以及电控液压制动系统进行协调控制,实现车辆的无人自动驾驶,同时在行驶过程中控制灯光和喇叭等附件系统,使灯光和喇叭符合行驶习惯要求;(3)在寻迹行驶模式下,可根据路径传感器的检测结果自动识别行驶路径,并可根据“驾驶员”预瞄控制驾驶原理,实现车辆的自动寻迹行驶功能;(4)在寻迹行驶模式下,可自动检测障碍物信息,自动实现车辆的防撞功能。21211　行驶模式设计图8　行驶模式设计流程图

无人驾驶电动游览车共有遥控行驶和自动寻迹行驶2种行驶模式,具体可分为遥控、启/停、防撞和寻迹行驶等4种工况。各种工况的优先级设计为:遥控>启/停>防撞>寻迹,行驶模式设计流程图见图8。

在车辆实际的行驶

过程中,控制器上电后将首先判断车辆是否处于人工遥控控制模式,若否

则进入自动寻迹行驶模

式。此时若按下任一个启动开关,车辆将自动寻迹行驶,在行驶过程中若检测到障碍物处于危险距离内,车辆会自动减速直至停车,在障碍物离开后自动恢复寻迹行驶。在自动寻迹行驶过程中的任何时机按下暂停开关,车辆都会停车,直到启动开关重新按下为止。系统整个程序循环执行的周期为2m s,可满足车辆实时控制的需要。

当车辆处于人工遥控行驶模式时,控制器将接收遥控器的指令,设计的遥控程序主要用于实现车辆的模式切换,并在遥控模式时使控制器在接收到遥控器指令后延迟1s 反应。21212　无人自动行驶无人驾驶电动游览车通过2块M icr oAut oBox 控制器协调控制车辆的线控转向、轮毂电机驱动和电控制动等系统,实现车辆的无人自动行驶,其控制结构见图9。21213　

自动寻迹行驶

图9　无人自动行驶控制结构

集成控制器首先根据光电传感器系统40路检

测数据来自动辨识行驶轨迹,控制器将40路通道分别赋予相应的数字y i =i (i =1,2,…,40),将接收的40路数据U i 分别与预先设定的阈值U 比较取相应的a i 为

a i =

1　U i >U

0　U i ≤U

(1)则行驶路径与车辆纵向中轴线的横向偏差Δy 为

Δy =b

∑40

i =1

y i

a i

/∑40

i =1

a

i

-20

(2)

式中b 为相邻两路光电传感器的间隔距离。图10　车辆根据预瞄点行驶示意图

在得出预瞄点P 点相对于车辆纵向中轴线的横向偏差后,车辆自动跟踪预瞄点行驶的示意图见图10,图中x 0轴方向为车辆行驶的理想轨迹,SP 点为车辆质心,D 为预瞄点与前轴中心的距离,y P 和y S P 分别为预瞄点和质心行驶轨迹与理想轨迹的横向偏差。控制系统自动寻迹行驶的转向控制原理见图11,其中θ是为弥补偏差Δy (即图10中的y P )折算到车辆齿轮齿条转向系转向小齿轮需要转过的角度,δ为弥补偏差Δy 折算到车辆左前轮的转角。当

2007(Vol .29)No .8王伟,等:无人驾驶电动游览车底盘集成控制研究?685　?

车辆寻迹行驶时,控制器自动实现预瞄点偏差为0的转向控制策略,从而使车辆能够沿预定轨迹自动行驶

。

图11　控制系统自动寻迹行驶控制原理图

文中采用的2自由度车辆模型见文献[3],传感器P 处的模型“驾驶员”线性控制模型见文献[4]。自动寻迹过程中车速首先保持为恒速,在防撞

传感器检测到障碍物处于危险范围时,车辆自动减速直至停车。在障碍物移开后,车辆又自动恢复为恒速行驶。当按下暂停开关时,车速降为0实现电机制动,同时电动液压制动系统开始工作实现车辆的可靠停车。当启动开关按下时,液压制动系统的电动推杆拉回,车辆的液压制动解除。21214　自动防撞功能

在自动寻迹行驶过程中,利用3套超声波雷达传感器来实时检测障碍物信息,超声波测距算法为

S =

ct

2

(7)c =20

273+T

(8)

式中S 为传感器到障碍物的距离,m;c 为超声波在空气中的传播速度,m /s;t 为超声波在空气中从传感器到障碍物往返一次的时间,s;T 为空气温度,℃。

集成控制器接受3套超声波雷达传感器检测的数据,并将数据与预定阈值进行实时比较,任一数据达到阈值即启动防撞功能。其中第1套传感器的阈值设为2m ,第2套传感器的2个阈值均为1m ,第3套传感器的2个阈值(每组一个阈值)均为015m 。

3　试验结果

实车试验中路径传感器测取的路径和背景的信号见图12,图中为路径传感器分别测取的背景和路径信号的一组数据,从图中可以看出,设计的光电传感器系统可容易地辨识路径,采用的阈值为U =130。

实车试验的路径见图13,试验过程中车辆沿路径逆时针行驶一周,车速保持5k m /h 。图

14为试验

图12　路径传感器信号对比(路径和背景)

过程中偏差与转角指令的变化曲线,从图中可以看

出,在偏差变化时控制器转角指令会随之迅速变化,具有很好的响应性。图15为测得的转角指令与实际转角的差值,从图中可以看出转角指令与实际转角的偏差在0值附近摆动,其幅值基本不超过20°(即前轮转角误差不超过1145°

),控制精度较高。

图13　车辆试验的路径

图14　路径偏差与转角

指令变化曲线

图16为车辆以2km /h 的恒速沿预定路径行驶时车辆的速度指令变化曲线图,在105s 时防撞传感器检测到障碍物,车辆速度迅速降为0,

从而说明无人驾驶电动游览车可有效实现自动防撞功能。

图

15　转角指令与实际

转角之差的变化

图16　速度指令变化曲线

(105s 时有障碍)

(下转第697页)

2007(Vol.29)No.8李以农,等:车辆转向与驱动综合控制及横向速度观测器的设计?697

　?

吻合,所设计的综合控制器以状态观测器作为状态输入也可以取得较好的控制效果;

(3)由于建模时没有考虑垂直动力学和侧倾对控制系统的影响,与实际模型有一定差距。

参考文献

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(上接第685页)

4　结论

对无人驾驶电动游览车底盘系统进行了集成设计和研究,整车具有自动寻迹行驶和遥控行驶2种行驶模式。在自动寻迹行驶时,车辆采用光电传感器作为路径传感器来自动检测车辆的预定行驶轨迹,采用dSP ACE实时控制器实现了电动汽车轮毂电机驱动系统、线控转向系统和电控液压制动系统以及灯光喇叭系统等的初步集成控制,并采用超声波雷达传感器自动检测车前和车侧障碍物信息,实现了车辆自动行驶中的被动防碰撞功能。在遥控行驶时,车辆可根据遥控器的指令进行相应的动作。经仿真试验和实车试验验证,该车集成控制技术方案可行,车辆自动行驶操纵稳定性好,转向轮控制精度约为±1145°。

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