管 欣,崔文鋒,賈 鑫,洪 峰,陳永尚

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

2016211

智能實驗汽車執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計*

管 欣,崔文鋒,賈 鑫,洪 峰,陳永尚

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

針對在量產(chǎn)車基礎(chǔ)上增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)改裝成的具有自主駕駛功能的智能汽車，提出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能要求，并為各輔助操控機(jī)構(gòu)設(shè)計了一整套解決方案。采用MicroAutoBox作為執(zhí)行控制器，以實現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的集成。針對制動系統(tǒng)的強(qiáng)非線性，提出了基于壓力外環(huán)的主缸壓力控制策略?；贚abWindows開發(fā)了智能車遠(yuǎn)程監(jiān)控界面。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的執(zhí)行機(jī)構(gòu)精度較高、響應(yīng)較快、功能全面，能較好地滿足智能汽車實驗要求。

智能車；執(zhí)行機(jī)構(gòu)；主缸壓力控制；遠(yuǎn)程監(jiān)控

前言

在智能汽車技術(shù)研究中，開展實車實驗是驗證感知系統(tǒng)和控制策略的重要手段。當(dāng)前智能車技術(shù)還處在研究階段，市場上還沒有能夠直接用于研究智能駕駛的車輛。因此，基于普通量產(chǎn)車加裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)自主駕駛是一個重要途徑。執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為智能駕駛系統(tǒng)決策得出目標(biāo)控制量的最終執(zhí)行者，其執(zhí)行效果直接影響整體性能，是實現(xiàn)智能駕駛的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。

目前，多數(shù)關(guān)于智能車的研究都將重點放在感知和控制策略上，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其性能研究較少。文獻(xiàn)[2]中實施了油門、制動、方向和擋位的控制，利用EPS助力電機(jī)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的控制，但該電機(jī)提供的轉(zhuǎn)向力矩有限，不滿足所有工況的轉(zhuǎn)向需求。文獻(xiàn)[3]中提出了包括燈光和喇叭等在內(nèi)的整套改裝方案，但方案占用駕駛室空間較大，存在加裝的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)逆效率低的問題。國外對智能車研究較為深入，多采用合作方式，整車廠開放控制接口，由原車的ECU和執(zhí)行器等實現(xiàn)自主駕駛。國內(nèi)近年也出現(xiàn)校企聯(lián)合研究智能車的實例[4]，但普及率不高。在汽車場地實驗用駕駛機(jī)器人領(lǐng)域，也有實現(xiàn)無人駕駛的駕駛機(jī)器人[5]，這類系統(tǒng)控制精度高，但多采用在駕駛室安裝的方案，占用空間大，且控制機(jī)構(gòu)少。

本文中針對基于量產(chǎn)車改裝成智能車這一思路，提出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能需求，進(jìn)而對汽車各個操控機(jī)構(gòu)設(shè)計了一套完整解決方案。采用MicroAutoBox作為執(zhí)行控制器，實現(xiàn)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的集成。針對汽車制動系統(tǒng)的強(qiáng)非線性，提出了制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)基于位置內(nèi)環(huán)主缸壓力外環(huán)的控制策略。為對智能車進(jìn)行監(jiān)控和實驗，開發(fā)了一套用于遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制介入的監(jiān)控界面程序。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的執(zhí)行機(jī)構(gòu)滿足功能需求，具有較高控制精度和響應(yīng)速度。

1 功能定義與總體方案

1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能定義

智能駕駛技術(shù)要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)具備以下功能。

系統(tǒng)獨立：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不依賴上層控制器而能實時獨立運行的系統(tǒng)，不會因上層控制系統(tǒng)的故障而失效。

功能完備：能夠?qū)崿F(xiàn)對車輛各個必要操縱系統(tǒng)的改裝，實現(xiàn)完備的控制，滿足各種智能駕駛實驗需求。

接口開放：能對上層控制器開放接口和協(xié)議，并允許對系統(tǒng)進(jìn)行配置，如只研究縱向控制時可以關(guān)閉對方向的控制。

高性能：對車輛操控效果有關(guān)鍵影響的系統(tǒng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)要具有較高的控制精度和響應(yīng)速度，如轉(zhuǎn)向和制動的控制，既要快速又要準(zhǔn)確。

安全可靠：加裝的執(zhí)行機(jī)構(gòu)對原車性能影響要小，不能降低車輛可靠性；執(zhí)行機(jī)構(gòu)要有多套急停裝置，且能實施遠(yuǎn)程遙控急停。

人機(jī)協(xié)調(diào)：改裝后的車輛，既要能實施自主駕駛，也要保留正常駕駛功能；自主駕駛時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)要能識別駕駛員操作并允許駕駛員隨時介入對汽車的控制；執(zhí)行機(jī)構(gòu)占用駕駛室空間要小，不妨礙人的正常操作，同時兼顧美觀。

1.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)總體方案

基于以上需求分析，設(shè)計的智能車執(zhí)行機(jī)構(gòu)總體方案如圖1所示。

采用MicroAutoBox作為執(zhí)行控制器，它具有接口多、運行實時和開發(fā)方便的特點，可以直接把Simulink模型生成實時代碼下載到控制器中運行。執(zhí)行控制器與上位機(jī)通過以太網(wǎng)通信。各個執(zhí)行子系統(tǒng)分別通過電機(jī)或電路實現(xiàn)，它們通過CAN總線或IO接口與MicroAutoBox相連。為實現(xiàn)正常駕駛與自主駕駛模式的切換，加入了切換開關(guān)。為保證安全，在車內(nèi)外布置了多個急停開關(guān)。為從車外對智能車進(jìn)行操控介入和急停，加入了遙控器。為實施遠(yuǎn)程監(jiān)控，加入了4G模塊并開發(fā)了遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，通過互聯(lián)網(wǎng)和中心服務(wù)器，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)與自主車的實時通信。為利用車輛本身的傳感信息和狀態(tài)信息，將車載CAN總線接到執(zhí)行控制器中。

圖1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)總體架構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供了駕駛員手動駕駛、自主駕駛、遙控駕駛和監(jiān)控平臺遠(yuǎn)程控制4種模式。不同模式優(yōu)先級不同，自主駕駛模式優(yōu)先級最低，可以隨時切換到其它駕駛模式，以保證安全。

2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)

2.1 轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)實施對車輛的方向控制，對機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度和控制精度要求高。文獻(xiàn)[5]中提到的ABD轉(zhuǎn)向機(jī)器人采用轉(zhuǎn)矩電機(jī)不加減速機(jī)構(gòu)直接控制轉(zhuǎn)向盤，這種設(shè)計對原車結(jié)構(gòu)和性能影響最小，但安裝復(fù)雜，占用空間大。本文中設(shè)計出利用空心軸轉(zhuǎn)矩電機(jī)直接驅(qū)動轉(zhuǎn)向柱的方案。電機(jī)套裝在轉(zhuǎn)向柱末端，安裝狀況如圖2所示。由于沒有傳動機(jī)構(gòu)，不存在逆效率問題和傳動間隙問題，具有最佳的控制效果。同時不占用駕駛空間，不影響駕駛員的操作。所選擇的轉(zhuǎn)矩電機(jī)能夠提供最大10N·m的轉(zhuǎn)矩，滿足控制需求。

圖2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)安裝狀況

電機(jī)控制采用基于位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的串級控制方式[6]，位置環(huán)采用比例控制，速度環(huán)和電流環(huán)采用PI控制。控制器通過CANopen與執(zhí)行控制器進(jìn)行通信。對控制效果進(jìn)行實驗驗證，給定轉(zhuǎn)角輸入為60°階躍信號時的響應(yīng)效果如圖3所示。從圖中可以看出，所設(shè)計的轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以快速、精確地響應(yīng)目標(biāo)指令，經(jīng)約100ms即可達(dá)到目標(biāo)位置，穩(wěn)態(tài)誤差為零，可滿足智能駕駛對制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的需求。

2.2 制動子系統(tǒng)

制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)對于保證安全起關(guān)鍵作用。因此要求制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)可靠性高，系統(tǒng)能提供最大的制動力滿足緊急制動的需求，加裝的執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能影響原車制動系統(tǒng)性能，且要保證駕駛員可隨時介入對制動系統(tǒng)的控制，實現(xiàn)緊急停車。

文獻(xiàn)[7]～文獻(xiàn)[9]中提出用電子真空助力器(EVB)施加制動的方案。但EVB響應(yīng)較慢，且存在較大非線性，不能滿足對制動響應(yīng)速度的要求。文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]中提出一種利用電磁閥控制的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)占用空間小，但對原車制動系統(tǒng)做出了較大的改動，不利于原車制動系統(tǒng)的可靠性和安全性。文獻(xiàn)[12]中提出利用電機(jī)帶動繞線器拉動制動踏板的方案，但占用駕駛室空間。

圖4 制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖

本文中分析了制動系統(tǒng)模型，提出用電動缸通過拉線拉動制動踏板施加制動控制，并通過主缸壓力反饋形成控制閉環(huán)的方案。電動缸安裝在車輛地板下方，通過滑輪改變拉線方向最終拉動制動踏板，如圖4所示。該方案不占用駕駛室空間，在制動主缸與ESP控制器之間安裝壓力傳感器以采集主缸壓力。拉線采用軟質(zhì)鋼絲，在自主駕駛時，駕駛員可隨時介入制動控制。

2.2.1 制動系統(tǒng)模型

制動力矩與制動壓力成正比[13]，即

Tb=Kbpw,des

(1)

式中：Tb為制動力矩；Kb為比例系數(shù)；pw,des為目標(biāo)制動壓力。

忽略輪缸的非線性和動態(tài)特性，以及制動管路的特性，可認(rèn)為在低頻下，制動主缸壓力等于制動壓力，即

(2)

式中pmc,des為主缸壓力。

不考慮制動踏板回位彈簧的影響時，可將制動踏板簡化成杠桿模型，即

Fp=FbL1/L3

(3)

式中：Fp為真空助力器控制閥推桿推力；Fb為制動踏板力；L1為踏板輸入力到支點的距離；L3為真空助力器控制閥推桿到支點距離。

真空助力器控制閥推桿位移與控制閥推桿推力的關(guān)系[14]為

(4)

式中：x為真空助力器控制閥推桿位移；xvb_free為真空助力的空行程；Fcut_in為始動力；Fvb_first為真空助力控制閥推桿回位彈簧預(yù)緊力。

圖5 制動踏板力和主缸壓力與踏板位移的關(guān)系曲線

由于真空助力器存在較強(qiáng)的遲滯特性[15]，使制動踏板位移與制動踏板力之間也存在遲滯特性，實驗測得該對應(yīng)關(guān)系如圖5(a)所示。這種特性使得控制難度增大，普通控制器無法取得較好的控制效果，而實驗發(fā)現(xiàn)踏板位移與制動主缸壓力之間的關(guān)系比較接近單調(diào)特性，如圖5(b)所示。

2.2.2 制動控制策略

為給上層控制器提供一個線性被控對象，根據(jù)式(2)，選擇制動主缸壓力為閉環(huán)控制對象。根據(jù)圖5(b)所示主缸壓力與踏板位置之間的單調(diào)函數(shù)關(guān)系，采用主缸壓力閉環(huán)包容位置環(huán)的串級控制結(jié)構(gòu)[16]?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器結(jié)構(gòu)

控制器輸入為目標(biāo)主缸壓力，主缸壓力控制器采用PID控制，控制器輸出為制動踏板速度，經(jīng)過積分變成目標(biāo)踏板位置。位置控制器及其內(nèi)部采用與轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)相同的三環(huán)控制方法。

對制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能進(jìn)行實驗驗證，用階躍信號作為制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入,通過對比期望壓力與實際制動壓力來驗證輔助制動系統(tǒng)性能。圖7為實驗結(jié)果曲線。由圖可見，制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)可快速、精確地響應(yīng)制動指令,大約100ms即可達(dá)到目標(biāo)壓力，200ms即可穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差為零，可滿足智能駕駛對制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的需求。

圖7 主缸壓力階躍響應(yīng)曲線

2.3 油門子系統(tǒng)

改裝的SUV使用電子節(jié)氣門，它傳給發(fā)動機(jī)的信號是與踏板位移呈線性關(guān)系的兩路模擬電壓信號。據(jù)此特性，只要能提供適當(dāng)模擬電壓給發(fā)動機(jī)ECU即可實現(xiàn)對油門的控制。文獻(xiàn)[17]中提出一種用單片機(jī)模擬踏板位移量的方案，但該方案未考慮保留原車電子節(jié)氣門正常駕駛功能。本文中采用在加速踏板位置傳感器輸出端與發(fā)動機(jī)ECU之間增加多路切換器的方案，如圖8所示。

圖8 油門執(zhí)行電路示意圖

當(dāng)使能端為高電平時，油門執(zhí)行電路的多路切換器切換到執(zhí)行控制器模擬電壓輸出端口，執(zhí)行控制器改變電壓值相當(dāng)于改變加速踏板位移，因此可實現(xiàn)自主駕駛。使能端為低電平或執(zhí)行機(jī)構(gòu)不工作時，多路切換器切換到加速踏板輸出端，此時為手動駕駛模式。

采用電壓比較器作為邏輯部件，它采集加速踏板輸出信號，當(dāng)檢測到踏板被踩下時，邏輯組件將多路切換器切換到加速踏板傳感器一端，實現(xiàn)駕駛員控制的介入。

2.4 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)

因SUV采用自動變速器，且擋桿只做一個方向推拉運動，故通過步進(jìn)電機(jī)帶動曲柄連桿與擋桿構(gòu)成四連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)擋位的控制，如圖9所示。為了美觀和不占用駕駛室空間，執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在中央扶手箱的杯座下方空間中，而杯座則改裝成電源和USB接口的插座，從駕駛室看不到換擋機(jī)構(gòu)的存在。由于步進(jìn)電機(jī)不經(jīng)減速器直接帶動換擋手柄，所以逆效率高，不影響駕駛員的換擋操作。

圖9 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2.5 輔助操控機(jī)構(gòu)

所改裝的SUV采用無鑰匙起動系統(tǒng)，駐車制動系統(tǒng)為電子駐車。它們操作按鈕內(nèi)部電路都是簡單的開關(guān)結(jié)構(gòu)。因此通過在原車線束上并聯(lián)繼電器，由執(zhí)行控制器通過DO信號即可實現(xiàn)對點火和駐車制動的控制。同理，電子駐車、轉(zhuǎn)向燈、喇叭、雙閃和遠(yuǎn)近閃光的控制也都是通過類似的方式在控制電路上關(guān)聯(lián)繼電器實現(xiàn)無人控制。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺

監(jiān)控平臺主要實現(xiàn)車輛遠(yuǎn)程控制介入、狀態(tài)實時監(jiān)視和數(shù)據(jù)記錄等功能[18]。本文中采用LabWindows軟件開發(fā)控制界面程序，如圖10所示。該程序能實現(xiàn)模式選擇、車輛信息顯示、遠(yuǎn)程急停和遠(yuǎn)程控制功能。該程序與執(zhí)行控制器之間通過固定IP的中心服務(wù)器中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)無人車與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺的通信[19]。

圖10 遠(yuǎn)程監(jiān)控界面

4 總體控制策略

在Simulink下開發(fā)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的總體控制程序。通過RTI模塊實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信、CAN通信和IO控制。通過StateFlow實現(xiàn)不同控制模式之間的切換控制和急停控制，切換邏輯如圖11所示。

圖11 駕駛模式切換邏輯

5 結(jié)論

本文中在量產(chǎn)汽車的基礎(chǔ)上改裝成可自主駕駛的智能汽車實驗平臺，分析了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能需求，并提出一套完整的解決方案。

所有加裝機(jī)構(gòu)均不影響車輛正常駕駛，也不占用駕駛室空間，并全部實現(xiàn)隱蔽安裝，看不出改裝痕跡。

針對制動系統(tǒng)存在強(qiáng)非線性和遲滯特性的特點，提出基于主缸壓力外環(huán)、位置內(nèi)環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。對智能駕駛系統(tǒng)來說，制動系統(tǒng)變成一個線性被控對象，簡化了上層控制的復(fù)雜度。

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Design of Actuators for Experimental Intelligent Vehicle

Guan Xin, Cui Wenfeng, Jia Xin, Hong Feng & Chen Yongshang

JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130022

The functional requirements of actuators are proposed for an intelligent vehicle with autonomous driving function retrofitted by adding actuators on a mass-produced vehicle, and a complete set of solving scheme for all auxiliary handling mechanisms is designed. MicroAutoBox is used as actuator controller to fulfill the integration of actuators. In view of the strong nonlinearity of brake system, a control strategy for master cylinder pressure is put forward based on pressured outer ring, and a remote monitoring interface for intelligent vehicle is developed based on LabWindows. The results of experiments show that the actuators designed have higher accuracy, quicker response and all-around functions and can better meet the requirements of intelligent vehicle experiments.

intelligent vehicle; actuators; master cylinder pressure control; remote monitoring

*教育部長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊發(fā)展計劃(IRT0626)資助。

原稿收到日期為2016年3月30日，修改稿收到日期為2016年6月6日。