趙洪雷， 袁 芬， 何亞麗， 江 磊， 鄧秦丹， 黨睿娜

(1. 中國北方車輛研究所，北京 100072；2. 北京北方車輛智能裝備技術(shù)有限公司，北京 100072)

我國已經(jīng)開始進入老齡化社會，勞動力成本越來越高，因此在社會的生產(chǎn)和生活中用機器取代人已經(jīng)成為了社會共識.在交通領(lǐng)域，采用自動駕駛汽車取代人類駕駛具有重要的意義.在開放的復雜路況下，自動駕駛汽車還在進行大量的安全性測試，還不完全具備推廣應用的條件，但是在港口、變電站、礦井等封閉場所或廠區(qū)、園區(qū)等半封閉的場所，自動駕駛汽車已經(jīng)在逐步投入測試應用.本研究針對園區(qū)內(nèi)現(xiàn)有的有人駕駛電動觀光車，對驅(qū)動、轉(zhuǎn)向、制動系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)進行了智能化改造，實現(xiàn)了對執(zhí)行機構(gòu)的協(xié)調(diào)控制，通過驅(qū)動、轉(zhuǎn)向、制動性能測試，該智能化設(shè)計改造方案能夠滿足自動駕駛電動觀光車的要求.

1 原電動觀光車的操控系統(tǒng)

圖1是待改造的有人駕駛的電動觀光車的操控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖.該車采用72 V蓄電池組供電，通過撥動車輛的啟動鑰匙開關(guān)S，接通直流接觸器KM的線圈端，在磁場作用下，直流接觸器的觸點端吸合接通，72 V電源通過保險絲FU，一路連接到驅(qū)動電機的控制器的電源端，為整車的驅(qū)動電機提供電源；另一路通過DC/DC模塊從72 V變?yōu)?2 V的直流電源，為加速踏板、車燈、車門、喇叭、雨刮等用電設(shè)備供電.

圖1 電動觀光車操控系統(tǒng)框圖

駕駛該車時，通過撥動鑰匙開關(guān)S給整車通電，通電后通過數(shù)顯電壓表查看蓄電池的電壓值，從而判斷蓄電池組的狀態(tài)；通過擋位選擇開關(guān)T，可以選擇接通前進擋D、空擋N、駐車擋P或倒車擋R之一.手握好方向盤，腳踏加速踏板即可實現(xiàn)該車輛的駕駛控制.加速踏板上固定有旋轉(zhuǎn)電位計，通過腳踏加速踏板，其上的旋轉(zhuǎn)電位計隨著踏板的位置變化將輸出不同的電壓值，該電壓值被驅(qū)動電機控制器的模擬量采集口采集，從而驅(qū)動電機控制器控制驅(qū)動電機的輸出力矩正比于該電壓值，從而實現(xiàn)了通過加速踏板實現(xiàn)車輛的力矩控制，驅(qū)動電機的電機軸后端配備有增量編碼器，通過對編碼器的檢測實現(xiàn)對車輛的速度計算.驅(qū)動電機控制器還能夠把速度值傳遞給車速數(shù)顯表，從而顯示給駕駛員.車輛的轉(zhuǎn)向通過駕駛員手動旋轉(zhuǎn)方向盤來實現(xiàn)控制.車輛的制動通過駕駛員腳踏制動踏板實現(xiàn)，該踏板通過杠桿機構(gòu)帶動液壓缸的運動，從而通過液壓油的流動實現(xiàn)車輛的液壓制動.駕駛員能夠手動撥動組合開關(guān)，從而實現(xiàn)對車燈、車門、喇叭和雨刮等的操作[1].

2 電動觀光車的智能化設(shè)計

自動駕駛汽車利用車載傳感器探測周圍環(huán)境信息，車輛控制單元(ECU)對傳感器的數(shù)據(jù)進行分析處理，同時結(jié)合車輛的任務需求對車輛上的驅(qū)動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、車燈車門系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等系統(tǒng)進行控制，以保證汽車能夠按照任務需求安全行駛.車輛的底層執(zhí)行機構(gòu)的控制是自動駕駛汽車實現(xiàn)復雜控制的基礎(chǔ)，具有重要的意義.為了實現(xiàn)自動駕駛觀光車的任務目標，需要對原車進行智能化改造設(shè)計，具體包括驅(qū)動系統(tǒng)的智能化設(shè)計、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的智能化設(shè)計、制動系統(tǒng)的智能化設(shè)計.其設(shè)計框圖如圖2所示.

如圖2所示，整車控制器通過RS232串口與駕駛腦主機(控制自動駕駛車輛上層感知、運動規(guī)劃、智能決策的控制單元)進行通信，接收其命令信息，并反饋自身狀態(tài)信息給駕駛腦主機.當車輛處于關(guān)閉狀態(tài)時，鑰匙開關(guān)S3處于斷開狀態(tài)，單刀雙擲開關(guān)S1和S2(三擋三腳)處于中間擋位(不接通狀態(tài)).當車輛需要啟動時，通過手動閉合開關(guān)S3，整車控制器、CAN常開繼電器模組[2]和A/D采樣3模塊[3]開始工作，整車控制器通過CAN總線讀取A/D采樣3的電壓值，從而根據(jù)分壓電路的比例關(guān)系計算出電池的初始電壓值，對電池組的能量狀態(tài)做一個估計[4]，從而決定是否提醒充電操作.

驅(qū)動、轉(zhuǎn)向、制動系統(tǒng)有手動控制通斷電和程序控制通斷電兩種方式.當S1處于1位置時，此時直流接觸器KM1的線圈通電，其觸點在磁場的作用下吸合，蓄電池組的72 V電源經(jīng)直流接觸器KM1的觸點和保險絲FU1到達驅(qū)動電機控制器的電源端，則驅(qū)動系統(tǒng)手動通電成功.當S2處于1位置時，則在直流接觸器KM2的作用下，蓄電池的72 V電源經(jīng)過保險絲FU2和72 V轉(zhuǎn)24 V的DC/DC模塊后為轉(zhuǎn)向、制動、車燈、車門等系統(tǒng)供電，此時手動通電成功.當S1處于2位置時，整車控制器能夠通過CAN總線控制CAN常開繼電器模組節(jié)點1的導通來實現(xiàn)程序控制驅(qū)動系統(tǒng)通電.當S2處于2位置時，整車控制器能夠通過CAN總線控制CAN常開繼電器模組節(jié)點2導通來實現(xiàn)程序控制轉(zhuǎn)向、制動、車燈、車門等系統(tǒng)的通電.在車輛行駛過程中，遇到故障等緊急情況時，可以通過CAN總線控制繼電器斷開驅(qū)動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向、制動等系統(tǒng)的電源；當故障更加嚴重，不能控制CAN常開繼電器模組時，能夠通過將S1撥到中間擋位來斷開驅(qū)動系統(tǒng)電源，也可以通過將S2撥到中間擋位來斷開轉(zhuǎn)向、制動等系統(tǒng)的電源.

圖2 電動觀光車智能化設(shè)計框圖

圖3為電動觀光車底層控制與監(jiān)測節(jié)點的通信框圖.整車控制器通過CAN總線能控制并監(jiān)測驅(qū)動電機控制器、轉(zhuǎn)向電機控制器、制動電機控制器、CAN常開繼電器模組、基于CAN總線的3個A/D采樣模塊.駕駛腦主機通過RS232串口，每隔50 ms向整車控制器發(fā)送指令.整車控制器通過中斷接收該指令，并按照與駕駛腦主機約定的協(xié)議對該指令進行解析，解析后通過CAN總線控制相應的CAN總線節(jié)點執(zhí)行相應的操作，并通過中斷接收CAN節(jié)點返回來的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息.整車控制器把接收到的CAN節(jié)點信息，按照與駕駛腦主機約定的協(xié)議形式通過RS232串口發(fā)送給駕駛腦主機.為了保證整車控制器能夠隨時接收到駕駛腦主機的指令，設(shè)置串口中斷優(yōu)先級高于CAN中斷優(yōu)先級.

圖3 電動觀光車底層控制與檢測節(jié)點的通信框圖

2.1 驅(qū)動系統(tǒng)的智能化設(shè)計

如圖2所示，選用具有CAN總線接口且能夠?qū)崿F(xiàn)對電機的電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制的電機控制器作為驅(qū)動電機的控制器.整車控制器在接收到駕駛腦主機的命令并解析后，通過CAN總線把命令傳遞給電機控制器.電機控制器控制驅(qū)動電機工作在相應的工作模式下：當車輛上坡行駛，需要電機工作在低速大扭矩的模式下時，此時控制電機工作在力矩模式下，輸出指定的力矩；當車輛在良好路面行駛需要定速巡航時，此時控制電機工作在速度模式下，按照指令的速度行駛；當車輛即將達到指定位置，需要車輛低速行駛并停止到指定的位置時，此時電機控制器控制電機以一個較低的速度運轉(zhuǎn)到指定的位置，然后停止.電機控制器隨時監(jiān)測電機的狀態(tài)信息(如電流、速度、位置、溫度、故障信息等)，并反饋給整車控制器，便于其作出相應的控制決策.

2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的智能化設(shè)計

如圖2所示，將原車的轉(zhuǎn)向盤去掉，在轉(zhuǎn)向柱上同軸固定安裝齒輪，該齒輪與減速器的輸出軸上固連的齒輪嚙合(減速比為1∶1)，減速器的輸入軸與帶有絕對編碼器的轉(zhuǎn)向電機的輸出軸固連.轉(zhuǎn)向電機控制器在接收到整車控制器通過CAN總線發(fā)來的轉(zhuǎn)向速度和轉(zhuǎn)向角度信息后，能夠控制轉(zhuǎn)向電機按照要求的速度轉(zhuǎn)向到相應的角度，并反饋速度和角度信息給整車控制器，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的程序控制.為了防止轉(zhuǎn)向電機后端固定的絕對編碼器損壞，導致因無法正常反饋速度和角度值給整車控制器而造成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失控，所以對角度檢測系統(tǒng)進行了冗余設(shè)計，即是通過測量一個多圈(10圈)旋轉(zhuǎn)電位計的輸出電壓來實現(xiàn)的.該旋轉(zhuǎn)電位計的轉(zhuǎn)動端與轉(zhuǎn)向柱同軸固定安裝，旋轉(zhuǎn)電位計的固定部分固定安裝在車體上，從而該旋轉(zhuǎn)電位計的輸出電壓值會隨著轉(zhuǎn)向柱的轉(zhuǎn)向角度的變化而變化.在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)標定階段對絕對編碼器的脈沖數(shù)和旋轉(zhuǎn)電位計的輸出電壓值進行聯(lián)合標定，絕對編碼器的脈沖數(shù)和旋轉(zhuǎn)電位計的電壓值之間成線性關(guān)系.在車輛控制過程中，整車控制器通過CAN總線定期查詢具有CAN總線通信功能的A/D采樣1節(jié)點采集到的旋轉(zhuǎn)電位計的電壓值，并對該值與轉(zhuǎn)向電機控制器返回來的編碼器值進行對比分析，從而判斷絕對編碼器是否失效，一旦判斷出絕對編碼器失效，則切換到通過該旋轉(zhuǎn)電位計進行位置反饋的控制，并報告故障信息給駕駛腦主機，駕駛腦主機在接收到故障信息后，經(jīng)過綜合分析判斷，控制車輛的后續(xù)安全操作，如減速停車等.

2.3 制動系統(tǒng)的智能化設(shè)計

原車輛的制動是通過駕駛員腳踏制動踏板來實現(xiàn)的，該踏板通過杠桿機構(gòu)帶動液壓缸的運動，從而通過液壓油的流動實現(xiàn)車輛的液壓制動.如圖2所示，在原車的制動踏板之前布置1個由電機驅(qū)動的滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，電機的動力輸出軸通過1∶1的齒輪組帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，滾珠絲杠的導程為5 mm，滾珠絲杠的滑動端與制動踏板接觸但不固連.當制動電機運動時，滾珠絲杠便把電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滾珠絲杠的直線運動，從而踏動制動踏板到達不同位置，滾珠絲杠的行程能夠完全覆蓋制動踏板從不制動到最大制動之間的行程(75 mm).制動踏板的不同位置代表了制動缸中的油壓不同，從而實現(xiàn)不同的制動強度.

制動電機后軸端帶有多圈(4 096圈)12位絕對編碼器并配有抱閘，能夠在抱閘斷電時完全抱死電機輸出軸.為了防止制動電機軸端固定的絕對編碼器損壞，導致因無法正常反饋速度和位置值給制動電機控制器而造成制動系統(tǒng)失控，特對制動位置檢測系統(tǒng)進行了冗余設(shè)計，即是通過測量一個直線電位計的輸出電壓來實現(xiàn)的.該直線電位計平行安裝在滾珠絲杠上面，其固定端與滾珠絲杠的固定端固連，滑動端與滾珠絲杠桿的滑動端固連，且直線電位計能夠完全覆蓋滾珠絲杠的行程.當整車控制器收到駕駛腦主機發(fā)送的制動命令時，整車控制器通過CAN總線發(fā)送制動速度和制動位置信息給制動電機控制器，制動電機控制器控制制動電機按照要求的速度旋轉(zhuǎn)到要求的位置，經(jīng)過滾珠絲杠轉(zhuǎn)換為制動踏板的制動速度和制動位置.在制動系統(tǒng)標定階段對絕對編碼器的脈沖數(shù)和直線電位計的輸出電壓值進行聯(lián)合標定，絕對編碼器的脈沖數(shù)和直線電位計的電壓值之間成線性關(guān)系.在車輛控制過程中，整車控制器通過CAN總線定期查詢具有CAN總線通信功能的A/D采樣2節(jié)點采集到的直線電位計的電壓值，并對該值與制動電機控制器返回來的編碼器值進行對比分析，從而判斷絕對編碼器是否失效.一旦判斷出絕對編碼器失效，則切換到通過該直線電位計進行位置反饋的控制，并報告故障信息給駕駛腦主機，駕駛腦主機在接收到故障信息后，經(jīng)過綜合分析判斷，控制車輛的后續(xù)安全操作，如減速停車等.

該制動系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：能夠通過CAN總線控制制動電機的速度和位置，從而精確控制制動踏板的制動速度和制動強度；在位置監(jiān)測方面，直線電位計和絕對編碼器構(gòu)成冗余設(shè)計，提高了車輛制動系統(tǒng)的可靠性，從而提高了車輛的安全性；制動電機后端帶有抱閘，能夠在斷電后保持當前的位置，從而保障車輛在駐車狀態(tài)下的穩(wěn)定；滾珠絲杠的可動端與制動踏板之間為非固連結(jié)構(gòu)，在緊急情況下可以通過人來踏下制動踏板，從而保障人員和車輛的安全.

3 車輛性能測試

3.1 車輛驅(qū)動系統(tǒng)性能測試

1)最大速度測試.

該車作為觀光車，設(shè)計的最高時速是30 km/h.選用7.5 kW的交流異步電機，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min.減速器減速比為10∶1，車輪的半徑為0.27 m.電機工作在額定轉(zhuǎn)速下，車輛的理論行駛速度為30.52 km/h(=3000/60/10×2×3.14×0.27×3.6).

駕駛腦主機通過串口給整車控制器下發(fā)速度指令，整車控制器把該指令解析為電機驅(qū)動器能夠接收的指令，并用CAN總線下發(fā)給驅(qū)動器.在驅(qū)動器的控制下，電機按照要求的速度運轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動車輛運動，通過安裝在車體上的GPS接收系統(tǒng)能夠?qū)崟r讀取到車輛實際運行的速度.通過給車輛下發(fā)30 km/h的速度，能夠在GPS接收機上讀取到約30 km/h的速度，說明該車輛設(shè)計滿足最大速度為30 km/h的要求.

2)速度連續(xù)性測試.

駕駛腦主機通過串口給整車控制器下發(fā)從零緩慢變化到最大速度的指令，通過GPS接收機讀取車輛的實際速度，可以看到該車能夠?qū)崿F(xiàn)在從零到最大速度之間的任何速度下行駛.

3)速度穩(wěn)定性測試.

該車驅(qū)動系統(tǒng)采用電機的速度閉環(huán)控制，車速能夠保持穩(wěn)定，不會因負載的變化而變化.具體測試方法如下：駕駛腦主機給車輛一個固定的速度指令，使車輛通過上坡、下坡、平路3種不同的路況，從GPS接收機反饋回來的數(shù)據(jù)可以看出，車速保持恒定，與所處路況無關(guān).

4)爬坡性能測試.

該車驅(qū)動力量強勁，能夠在載荷約600 kg(8個人)的情況下，以10 km/h的速度，輕松爬上25 m長的15°坡道.在坡道上，給車輛零速度指令，車輛能夠穩(wěn)穩(wěn)地保持位置不動.

3.2 車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能測試

1)轉(zhuǎn)向速度測試.

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的參數(shù)如下：轉(zhuǎn)向電機額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，減速器減速比為25∶1，轉(zhuǎn)向柱旋轉(zhuǎn)±2圈對應車輪轉(zhuǎn)角±40°，轉(zhuǎn)向電機軸上安裝了12位多圈(4 096圈)絕對編碼器.

當電機工作在最大速度2 000 r/min時，最大轉(zhuǎn)向速度為26.6 °/s(40°/((2×25×60)/2 000)).因電機能夠?qū)崿F(xiàn)無極調(diào)速控制，所以轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向速度能夠穩(wěn)定在0～26.6 °/s之間任何一個數(shù)值上.駕駛腦主機通過串口給整車控制器下發(fā)轉(zhuǎn)向速度和轉(zhuǎn)向角度指令，整車控制器把該指令解析為轉(zhuǎn)向電機控制器能夠接收的指令，并用CAN總線下發(fā)給轉(zhuǎn)向電機控制器.在轉(zhuǎn)向電機控制器的控制下，轉(zhuǎn)向電機按照要求的速度運轉(zhuǎn)到要求的位置，從而驅(qū)動車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運動.通過實際測量車輪的轉(zhuǎn)向角從0°到40°，大約耗時2 s，完全能夠滿足一個最高車速只有30 km/h的車輛的轉(zhuǎn)向速度要求.

2)轉(zhuǎn)向精度測試.

轉(zhuǎn)向電機軸上安裝了12位絕對編碼器，每旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，編碼器輸出4 096個脈沖信號，驅(qū)動器對其進行4倍頻，所以電機旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)對應驅(qū)動器上的脈沖數(shù)是4 096×4.車輪轉(zhuǎn)向40°角對應電機旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)為2×25，因為轉(zhuǎn)向電機控制器能夠控制電機穩(wěn)定在設(shè)定的每一個脈沖位置上，所以在不考慮機械間隙的情況下，車輪轉(zhuǎn)向角度的理論精度為40°/(2×25×4096×4)，遠遠小于機械間隙的影響，所以轉(zhuǎn)向精度完全取決于機械間隙.經(jīng)過實際測試，轉(zhuǎn)向精度在0.5°以內(nèi)，完全能夠滿足車輛轉(zhuǎn)向控制的要求.

3.3 車輛制動系統(tǒng)性能測試

當車輛需要制動時，整車控制器給制動電機控制器發(fā)送按照最大速度運轉(zhuǎn)到最大制動位置指令，同時給驅(qū)動電機控制器發(fā)送零速度指令，實現(xiàn)能耗制動，在兩者的協(xié)調(diào)作用下，車輛能夠迅速停下來.

駕駛腦主機通過串口給整車控制器下發(fā)一個固定行駛速度指令，待車輛勻速行駛后，通過按下車載端的緊急停止按鈕或手持端的遙控緊急停止開關(guān)，整車控制器檢測到開關(guān)按下后，以最高優(yōu)先級循環(huán)發(fā)送驅(qū)動電機控制器的零速度指令和制動電機控制器的按照最快速度運動到最大制動位置指令.通過測量從按下緊急停止開關(guān)的時刻到車輛完全停下來的時刻，便可知道車輛的制動時間.通過測量從按下緊急停止開關(guān)的位置到車輛完全停下來的位置之間的距離，便可知道車輛的制動距離.

通過多次測量取平均值的方法，測得數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 車輛在不同速度下的平均制動距離和平均制動時間

由表1可知，該車在最大速度時的制動時間在1 s以內(nèi)，制動距離在4 m以內(nèi)，能夠滿足自動駕駛電動觀光車的要求.

4 結(jié)束語

對現(xiàn)有的電動觀光車的操控系統(tǒng)進行了分析，按照自動駕駛電動觀光車的要求對其驅(qū)動、轉(zhuǎn)向、制動系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)進行了相應的改造設(shè)計.為了增加自動駕駛電動觀光車的安全性，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)都進行了位置檢測的冗余設(shè)計，特別是制動系統(tǒng)還保留著緊急情況下的人工操控.各系統(tǒng)之間通過CAN總線與整車控制器相連，實現(xiàn)了車輛在簡潔布線前提下的高效控制.車輛在改造完成后進行了驅(qū)動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)的相關(guān)測試，結(jié)果表明，該改造設(shè)計完全能夠滿足自動駕駛電動觀光車的要求.

[1] S型觀光車、貨車使用說明書[M]. 廣州綠通新能源電動車科技股份有限公司:5-9.

[2] Frenzel+berg electronic.Hipecs-CIO101: CANopen I/O module with 8 Relays[M/OL]. (2017-05-04) [2017-08-27]. http://www.frenzel-berg.com/fileadmin/Frenze lBerg/Datenblaetter/hipes/ds_cio101_en.pdf.

[3] 3Frenzel+berg electronic.Hipecs-CIO61:CANopen I/O module with 2/2 analog I/O[M/OL]. (2017-07-17) [2017-10-20]. http://www.frenzel-berg.com/fileadmin/FrenzelBerg/Datenblaetter/hipes/ds_cio61_en.pdf.

[4] 張 賓，郭連兌，崔忠彬，等. 電動汽車用動力鋰離子電池的電壓特性[J]. 電池工業(yè)，2009，14 (6):399-401.