羅平 鄧云海 鄧希來 延偉

三一汽車制造有限公司 湖南省長沙市 410100

1 引言

隨著科學技術的發(fā)展，電子化、信息化、網(wǎng)絡化和智能化已成為未來車輛的發(fā)展趨勢。為使工作人員遠離惡劣、危險的作業(yè)環(huán)境，降低勞動強度，確保人身安全，本文對專用車輛遙控技術進行研究，在普通專用車輛（內(nèi)燃發(fā)動機和AT自動變速箱）的基礎上，經(jīng)過機械及電氣化等系統(tǒng)結構進行簡單的改造，在不消除專用車輛原先手控能力的基礎上，基于CAN總線分布式網(wǎng)絡結構，無線射頻通信技術，PID控制技術，設計研發(fā)并改造出一種可用于危險區(qū)域的偵查和排險工作等特殊環(huán)境和場合的無線遙控車輛，實現(xiàn)其遙控和手工駕駛并用。

圖1

2 遙控駕駛車輛系統(tǒng)概述[1]

遙控駕駛車輛系統(tǒng)是由遙控駕駛員、遙控駕駛裝置、車輛構成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。實現(xiàn)方式：被控車輛的運行狀態(tài)和前方的景物圖像、位置等環(huán)境信息，由車前攝像裝置、毫米波雷達等環(huán)境感知器件和GPS等各種傳感器定位融合器件，經(jīng)無線射頻傳輸，在遙控顯示器上顯示。遙控駕駛員依據(jù)這些信息，操作遙控手柄，將駕駛意圖以數(shù)據(jù)代碼的形式通過通信系統(tǒng)傳輸?shù)奖豢剀囕v上的整車控制器，來執(zhí)行對車輛的最終操縱控制，使車輛按照意圖行駛。如圖1所示：

3 總體設計方案

本文所研究的對象是基于內(nèi)燃發(fā)動機以及AT變速箱的專用車輛。

根據(jù)功能需求，對遙控車輛關鍵部件進行合理選型設計以及機械接口和電氣接口的改造。具體包括轉向控制、制動控制、換擋控制、油門控制、遙控裝置的方案設計、器件選型和改造。整體架構基于CAN總線分布式網(wǎng)絡實現(xiàn)。子系統(tǒng)與整車控制器之間交互獨立進行，互不干擾，以增強系統(tǒng)的可靠性。為保證控制器對底層子系統(tǒng)的絕對控制權，4個子控制系統(tǒng)中采用中斷方式接受CAN總線的指令，并將CAN中斷優(yōu)先級設置為最高優(yōu)先級，如圖2：

4 分系統(tǒng)設計方案

4.1 轉向控制系統(tǒng)

原車輛采用液壓助力動力轉向系統(tǒng)，如圖3所示：

遙控轉向控制設計采用：EPS+HPS集成電液轉向系統(tǒng)方案。在傳統(tǒng)循環(huán)球轉向器的輸入端布置電動助力裝置。由集成轉角和扭矩傳感器以及電機的轉向油泵、轉向控制器、儲油罐、轉向器等組成。改造費用低，結構變化小，周期短?？刂圃韴D如圖4：

具體實施過程：操作者通過遙控操作裝置先進行遙控和手動駕駛模式切換，再發(fā)出轉向信號，通過無線射頻方式發(fā)送，由遙控接收裝置接收，并通過CAN總線傳輸給整車控制器接收，再由其通過CAN總線發(fā)給轉向電機控制器，由其發(fā)出轉向角指令，驅動伺服轉向電機，實現(xiàn)駕駛轉向功能。為保證駕駛安全性，在駕駛員手動介入時，可通過方向盤下方的扭矩傳感器優(yōu)先切換到EPS輔助助力模式，退出遙控模式。 具體聯(lián)調過程則采取PID控制技術進行車輛轉向角和轉向響應時間調整，保證轉向的平順性以及快速響應。

圖2

圖3

圖4

4.2 制動控制系統(tǒng)：

原車上的制動系統(tǒng)是一套安裝有ABS系統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng)[2]，其工作原理示意框圖如圖五所示，駕駛員踩踏制動踏板，產(chǎn)生對制動主缸中制動液的壓力，將制動液通過制動管路壓入車載ABS系統(tǒng)中，ABS系統(tǒng)經(jīng)過壓力調節(jié)，產(chǎn)生控制制動輪缸的制動壓力，進而使車輛發(fā)生制動動作。

車輛遙控制動有多種方式，比如使用EMB電控制動。為方便改造采用直線電機作為驅動，采用拉線分別與電機推桿和制動踏板連接。遙控駕駛時，通過遙控器控制直線電機進行動作，電機推桿的縮回和伸出，拉動拉線和放松拉線，從而實現(xiàn)制動踏板進行制動和制動解除。工作原理如圖6：

遙控駕駛時，車外人員通過遙控信號發(fā)生器3發(fā)出制動信號，車內(nèi)的遙控信號接收器4接收信號，傳送給整車控制器5，控制器輸出信號至電機6，電機動作，推桿縮回，拉動鋼絲滑動，鋼絲拉動踏板下壓，實現(xiàn)車輛制動；反之，電機推桿推出，制動踏板依靠本身的回位功能自行回位，制動解除。

4.3 換擋控制系統(tǒng)

目前原車采用AT自動變速箱和操縱桿式換檔器，手動從N檔進到D或者R檔位，再通過變速箱TCM根據(jù)發(fā)動機CAN 總線發(fā)送的扭矩要求實現(xiàn)自動換擋。

遙控換擋控制：遙控時，采用繼電器斷開換擋器2#針腳，手動換擋器停止工作，再通過整車控制器發(fā)送CAN報文模擬換檔器發(fā)生信號和變速箱通訊，實現(xiàn)遙控前進后退。分三種工況實施換擋：N擋，N擋→D擋或N擋→R擋，D擋→N擋或R擋→N擋。具體檔位變化仍由變速箱TCM依據(jù)發(fā)動機轉速和負載扭矩以及油門開度自動切換。

圖5 制動系統(tǒng)原理示意框圖

圖6

4.4 油門控制系統(tǒng)

原車油門控制是發(fā)動機ECU讀取油門踏板不同角度的電壓值，結合負載扭矩、水溫、油壓、尾氣排放等條件實施轉速控制。

遙控油門控制：首先通過模式切換按鈕進入遙控模式，通過一個繼電器斷開油門踏板模擬量信號，再由遙控發(fā)射裝置輸出數(shù)字量信號，遙控接收裝置接收后，通過CAN總線發(fā)送給整車控制器。再由其轉換計算為油門開度百分比數(shù)字信號（手柄最大開度時定義為100%，手柄未動作時開度定義為0%）發(fā)送給發(fā)動機ECU，實現(xiàn)發(fā)動機轉速的控制。工作原理圖如圖7：

4.5 遙控控制系統(tǒng)

遙控發(fā)射裝置采用無線433MHZ頻段，為方便人員操作，選用搖桿式數(shù)字化手柄和鈕子開關實施遙控操作。左邊手柄實施轉向操作，右邊手柄實施油門加減速以及前進后退操作。同時中間布置一液晶顯示屏，實時顯示遠程傳回的視頻信息。面板上布置的鈕子開關用于各種開關量的控制。硬件框圖如下，實物照片如圖8：

圖7

圖8

4.6 整車安全性控制設計

為保證整車遙控安全性，在遙控裝置上增加急停開關，當遙控失效或各種異常情況下，可實施應急制動模式，緊急制動并熄火。

5 軟件系統(tǒng)方案

軟件系統(tǒng)分為遙控端控制系統(tǒng)軟件模塊設計和整車控制器軟件模塊設計兩大部分。遙控端控制系統(tǒng)軟件模塊包含數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序、發(fā)送數(shù)據(jù)程序三個主要的程序。整車控制系統(tǒng)軟件模塊設計主要包含數(shù)據(jù)接收程序、數(shù)據(jù)發(fā)送程序、檔位控制程序、轉向控制程序、油門控制程序、整車控制程序這七個主要的程序。

采用符合IEC 61131-3標準的結構化文本，選用ICS公司的ISaGRAF軟件編寫代碼。在系統(tǒng)分析控制器局域網(wǎng)CAN總線協(xié)議的基礎上，借鑒SAE J1939標準，自定義了基于CAN總線的無人車輛控制通信協(xié)議，并通過發(fā)送命令字的方式實現(xiàn)了車輛的總線遙控功能。

6 實車測試效果

整車集成設計改造完畢后，進行了場地實驗，驗證在一定車速下，車輛是否按照遙控方式進行相應的前進、后退、加速、減速、左右轉向和制動動作。并通過現(xiàn)場多次PID調節(jié)轉向控制器精度和響應時間，PWM調節(jié)制動效果，達到預期效果。主要表現(xiàn)在：

（1）控制精度高，以轉向為例，轉向系統(tǒng)的控制精度可以達到0.2度。響應時間在50ms以內(nèi)。100米直線行駛穩(wěn)定性可以達到0.5米以內(nèi)。

（2）響應時間短。每個子系統(tǒng)的控制周期均在20ms以內(nèi)。底層控制系統(tǒng)能夠做到制動敏捷，加油迅速，轉向靈敏，所達即所控。

7 結語

本文設計的4個遙控駕駛控制系統(tǒng)，均有各自不同的特點。轉向控制系統(tǒng)增加了轉向電機控制，油門和換擋控制系統(tǒng)通過簡單的切換控制信號，最大限度的使用原車系統(tǒng)。制動控制系統(tǒng)另外并聯(lián)一套步進電機拉絲結構，控制效果良好。使用CAN總線將4個控制系統(tǒng)以分布式方式連接，該遙控控制系統(tǒng)的設計方法，與原車兼容性非常好，可實現(xiàn)有人駕駛與遙控駕駛之間的方便快捷的切換。且沒有復雜的機械設計，對原車改動小，達到了控制精度高，響應快，開發(fā)周期短、費用低的優(yōu)點。實現(xiàn)了遙控車輛的機械結構和電氣化改造安裝，完成了控制系統(tǒng)軟件和硬件的設計與調試。

測試實驗以及整車集成試驗表明，該設計方案可實現(xiàn)遠程遙控操作車輛底層各子系統(tǒng)的目的，為用于危險區(qū)域的偵查和排險工作等特殊環(huán)境和場合的專用車輛的進一步研究奠定基礎。