袁政，米承繼，劉洲，陶曉

（1.長沙智能駕駛研究院有限公司，湖南 長沙 410006；2.湖南工業(yè)大學，湖南 株洲 410200）

前言

近年來隨著AI人工智能的興起，世界正吹起一股自動駕駛的浪潮。目前，自動駕駛這一技術(shù)已日趨成熟，一方面各類型的創(chuàng)業(yè)公司層出不窮，另一方面各級政府也出臺了支持智能駕駛的相關政策[1]。就目前來看，相對封閉的礦區(qū)，可能是自動駕駛最有可能落地的場景之一，隨著人工智能、5G、V2X等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，封閉式/半開放式道路環(huán)境下的自動駕駛以及列隊行駛已進入全面井噴的局面[2]。

自動駕駛礦卡作為智慧礦山重要組成部分，主要解決礦區(qū)的運輸問題，直接關系到礦區(qū)的采礦效率，所以礦區(qū)都非常重視[3]。一方面自動駕駛可以減少礦區(qū)的安全事故，提高工作效率，降低了工作危險，另一方面可以改善司機的工作環(huán)境，減少司機的人員成本[4]。因此，發(fā)展自動駕駛礦卡有重要的現(xiàn)實意義。

線控技術(shù)是實現(xiàn)礦卡自動駕駛的基礎，目前礦卡線控技術(shù)主要有前裝線控和后裝線控兩種技術(shù)路線。前裝線控只能針對一種車型實施，且各大主機廠也沒推出成熟可落地的線控解決方案。因此前裝線控技術(shù)路線不能規(guī)?；茝V復制。后裝線控就是在礦卡出廠后，對礦卡進行線控化升級改造。即通過更改、加裝的方式將車輛的油門、制動、轉(zhuǎn)向、擋位、手剎、車燈、雨刮等功能升級為電信號控制，智能線控化改造的目的在于能夠為自動駕駛提供電信號接口。這種技術(shù)路線能適用于不同品牌、不同型號、不同噸位的礦卡。并且，后裝線控技術(shù)路線能夠?qū)Υ罅楷F(xiàn)存的礦卡進行線控改裝升級，能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；瘡椭坪屯茝V，極大節(jié)省了成本，避免了已有資源的浪費[5]。

為了滿足某水泥礦山建設智能裝運系統(tǒng)的需求，在礦山已有的2臺載重32噸的礦卡上進行智能化線控改裝升級，實現(xiàn)礦卡能夠進行自動駕駛的需求。

1 自動駕駛整體方案設計

為了實現(xiàn)礦卡的自動駕駛，需要搭載先進的車載傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置，并融合網(wǎng)絡技術(shù)、人工智能技術(shù)等，實現(xiàn)自動駕駛礦卡具備復雜環(huán)境多重冗余感知、高精定位、智能決策、協(xié)同控制等功能，最終實現(xiàn)礦卡能夠在礦區(qū)自動駕駛來進行物料轉(zhuǎn)運的功能。

整體設計方案如圖1所示，礦卡自動駕駛系統(tǒng)由四大部分組成，分別是：定位與感知層、決策和規(guī)劃層、控制層、執(zhí)行層。

定位與感知層是利用GNSS、RTK、LiDAR、IMU、車輛底盤等多傳感器數(shù)據(jù)融合優(yōu)化建圖與高精度定位能力，滿足擁有路端定位導航能力。并利用激光雷達、毫米波雷達、攝像頭、超聲波雷達等多種傳感器感知車輛周邊環(huán)境，通過感知融合算法提取環(huán)境信息，包括道路、車輛和行人信息，實現(xiàn)對車輛、行人、石頭等障礙物地準確識別[6-7]。

決策和規(guī)劃環(huán)節(jié)將多傳感器收集的感知結(jié)果和地圖信息等進行融合，根據(jù)自動駕駛的任務需求進行決策，避開行駛道路上可能存在的障礙物[8]，并通過一些約束條件規(guī)劃多條可選安全路徑，并在這些路徑中選取最優(yōu)路徑作為車輛最終的行駛軌跡。

控制層是根據(jù)路徑規(guī)劃算法、軌跡跟蹤算法和整車控制算法做出控制決策。車輛控制技術(shù)通過環(huán)境感知技術(shù)對車輛自身和周邊環(huán)境的感知，根據(jù)決策規(guī)劃出目標軌跡，通過縱向和橫向控制系統(tǒng)的配合使汽車跟蹤目標軌跡準確穩(wěn)定行駛，同時使汽車在行駛過程中能夠?qū)崿F(xiàn)車速調(diào)節(jié)、車距保持、換道、超車等基本操作[9-10]。

執(zhí)行層是指底層的驅(qū)動系統(tǒng)如油門、剎車、轉(zhuǎn)向和擋位控制作相應的執(zhí)行動作。執(zhí)行是實現(xiàn)智能駕駛的重要環(huán)節(jié)，車輛的縱向和橫向控制系統(tǒng)控制汽車按照決策環(huán)節(jié)規(guī)劃的行駛軌跡平穩(wěn)準確行駛，并保證礦卡的舒適性、穩(wěn)定性等性能。

由以上可知，車輛的線控系統(tǒng)是自動駕駛技術(shù)最終執(zhí)行端，車輛線控系統(tǒng)直接影響車輛的轉(zhuǎn)向、油門、制動、擋位、駐車、燈光、喇叭、雨刮等系統(tǒng)的性能，線控系統(tǒng)也是影響車輛安全的重大要素。

2 自動駕駛線控底盤技術(shù)方案

線控底盤，即通過更改、加裝的方式將車輛油門、制動、轉(zhuǎn)向、擋位、手剎、車燈、雨刮等功能升級為電信號控制。線控底盤改造的目的在于能夠為自動行駛提供電信號接口。

2.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

如下圖2所示，礦卡原車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，方向盤通過轉(zhuǎn)向柱帶動轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)動，從而帶動油缸驅(qū)動輪子轉(zhuǎn)向。為了實現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向，需要在方向盤和轉(zhuǎn)向器之間增加一套電控驅(qū)動機構(gòu)。電控驅(qū)動機構(gòu)一般由伺服電機、減速機構(gòu)、角度傳感器、控制器、扭矩傳感器等組成。通過閉環(huán)控制策略，實現(xiàn)電控轉(zhuǎn)向。

圖2 原車全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理圖

在實際應用中，我們采用在原車轉(zhuǎn)向柱上增加一套EPS執(zhí)行機構(gòu)的方案。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安裝原理如圖3所示。通過在方向盤與轉(zhuǎn)向器之間的轉(zhuǎn)向管柱上增加一套EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，用以直接驅(qū)動原車轉(zhuǎn)向器。該EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成了電機、減速機、角度傳感器和扭矩傳感器，并且可以通過CAN總線控制。

圖3 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)升級示意圖

由于原車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，液壓存在內(nèi)泄漏和溢流的問題，方向盤角度和車輪角度關系是不對應的、非線性、不固定傳動比的。所以在車輪上加裝角度傳感器，實現(xiàn)車輪絕對轉(zhuǎn)角的反饋。該絕對角度通過模擬信號發(fā)送給EPS控制器。

在自動駕駛模式下，線控執(zhí)行機構(gòu)控制器通過CAN總線接收到車輪目標轉(zhuǎn)向角度和方向信息，同時通過CAN總線下發(fā)方向盤轉(zhuǎn)角指令給EPS控制器。EPS控制器結(jié)合線控執(zhí)行機構(gòu)控制器提供的方向盤轉(zhuǎn)角指令信號對前輪位置進行伺服控制，實現(xiàn)自動駕駛功能。在自動駕駛的過程中，如果人工介入接管方向盤，該EPS內(nèi)置的扭矩傳感器會檢測到扭矩差，EPS能夠及時切換到EPS隨動模式，從而退出自動駕駛模式。當車輛由人工駕駛時，則EPS進入隨動模式，也可以輕松轉(zhuǎn)動方向盤，不影響人工模式下正常開車。

2.2 油門系統(tǒng)

原礦卡油門踏板信號與發(fā)動機ECU直接連接，為了兼顧自動駕駛和人工駕駛，如下圖4所示，在油門信號傳輸路徑中加入長沙智能駕駛研究院自主研發(fā)的油門信號切換模塊，通過駕駛模式切換開關來選擇ECU油門踏板信號輸入源，從而實現(xiàn)人工駕駛和自動駕駛的切換。

圖4 線控油門系統(tǒng)示意圖

2.3 制動系統(tǒng)

2.3.1 行車制動系統(tǒng)

原車制動系統(tǒng)為氣制動系統(tǒng)，但是不帶EBS系統(tǒng)，不能使用EBS的電控繼動閥來進行線控制動。如果改氣路增加電控閥來實現(xiàn)線控制動，對原車的影響較大。為了實現(xiàn)線控制動，本文在原車制動踏板前方加裝一塊副踏板和線控制動裝置。如圖5所示，線控制動裝置通過螺釘固定在原車底板上，副踏板通過螺釘固定在原車制動踏板上。直線執(zhí)行器裝置帶動搖臂來踩踏板，可以根據(jù)制動需求自動控制執(zhí)行器的伸縮長度和位置，且此裝置沒有改動原車的氣路系統(tǒng)，因此改裝方案可靠性高、成本低、大大提高了車輛的安全性。

圖5 線控制動裝置改裝圖

在人工駕駛模式下，如下圖所示，駕駛員踩下原車制動踏板，加裝副踏板也跟隨原車制動踏板一起下降，與線控制動裝置的滾動軸承分離，線控制動裝置和原車制動踏板互不干涉。

圖6 人工踩下制動踏板狀態(tài)圖

自動駕駛模式下，如下圖所示，線控執(zhí)行機構(gòu)控制器通過CAN總線發(fā)指令給執(zhí)行器，直線執(zhí)行器收到制動指令后收縮，從而帶動搖臂繞支架轉(zhuǎn)動，搖臂通過軸承將副踏板壓下，從而實現(xiàn)電控制動。

圖7 線控制動裝置制動圖

2.3.2 駐車制動系統(tǒng)

原車駐車制動系統(tǒng)如下圖8所示，當?shù)V卡需要駐坡或停放時，需要使用駐車制動，扳動駐車手閥到駐車位置，壓縮空氣經(jīng)駐車繼動閥控制口4，使駐車繼動閥底部的排氣口打開，使前后彈簧制動器駐車制動室的氣體通過駐車繼動閥排氣口排入大氣。手制動腔內(nèi)的彈簧推動皮碗帶動推桿，使凸輪軸轉(zhuǎn)動，帶動制動蹄壓緊制動鼓，使前后輪同時鎖死。

圖8 原車駐車制動原理圖

解除駐車制動時，壓縮空氣經(jīng)駐車手閥進入駐車繼動閥1口，再進入前后橋的手制動氣室，壓縮空氣把壓力輸送到活塞的另一側(cè)，氣壓移動活塞，克服彈簧的力量，帶動推桿向后運動，解除手制動狀態(tài)。

如圖9所示，為了實現(xiàn)線控駐車，把原車駐車手閥改成兩位三通常閉電磁閥，電磁閥開關分別并聯(lián)按鍵開關和繼電器。在人工駕駛模式下，可以通過開關按鍵來實現(xiàn)駐車和解除駐車；在自動駕駛模式下，可以通過線控底盤控制器來控制繼電器的通斷來實現(xiàn)駐車和解除駐車。

圖9 線控駐車改裝方案圖

2.4 擋位系統(tǒng)

原車采用的電控液力自動變速箱，擋位是CAN總線控制的，可以通過原車總線接口和協(xié)議來實現(xiàn)擋位線控，不需要進行改裝。

2.5 舉升系統(tǒng)

如下圖10所示，原車舉升系統(tǒng)為氣推油舉升系統(tǒng)，通過氣遙控閥來驅(qū)動舉升操縱閥來實現(xiàn)舉升和下降。為了防止誤操作舉升操縱桿，在氣遙控閥的進氣口前方加了一個電磁閥來控制舉升控制系統(tǒng)是否與氣源相通。氣遙控閥（舉升操縱桿）是通過搬到搖桿，來控制氣閥的開關。向后推動時，靠氣壓推動舉升操縱閥內(nèi)的閥芯，使得舉升操縱閥的B口開啟，從而實現(xiàn)舉升功能；向前搬到時，氣壓推動舉升操縱閥的閥芯反向移動，使得舉升操縱閥的A口開啟，從而實現(xiàn)下降功能；不搬動搖桿時，舉升操縱閥的A、B口均關閉，液壓油經(jīng)過P、T口流回液壓油箱。

圖10 原車舉升機構(gòu)工作原理圖

如下圖所示，為了兼顧自動駕駛和人工駕駛，把原車的手動氣遙控閥改成三位五通電磁閥閥，三位五通電磁閥兩端分別并聯(lián)按鍵開關和繼電器。在人工駕駛模式下，可以通過開關按鍵來實現(xiàn)舉升和下降；在自動駕駛模式下，可以通過控制器控制繼電器的通斷來實現(xiàn)舉升和下降功能。把原車的電磁閥開關再并入一個繼電器來控制電磁閥的開關。

圖11 舉升機構(gòu)線控改裝原理圖

2.6 底盤電器控制

車身電器線控主要包括：燈光、喇叭、雨刮、熄火等電信號回路改裝，實現(xiàn)燈光、喇叭、雨刮、熄火等車身電器設備控制。因為原車這些功能都是電信號控制的，所以只需要在原車電器開關按鈕上分別并聯(lián)繼電器，再通過線控底盤控制器來控制繼電器的通斷就可以實現(xiàn)車身電器的線控。同時，線控底盤控制器通過CAN總線連接到原車車身總線上，將車輛底盤車速、油位等信息發(fā)送至智駕控制器的總線上供自動駕駛規(guī)劃、決策及控制使用。無需更改原車控制協(xié)議，只需增加控制線路加裝繼電器來進行控制即可。

3 結(jié)論

本文基于某水泥礦山傳統(tǒng)礦卡需要進行自動駕駛的需求，在不改變原車底盤系統(tǒng)的基礎上，提出了一種針對傳統(tǒng)礦卡進行線控改裝升級的解決方案。首先介紹了自動駕駛礦卡的整體方案設計和系統(tǒng)組成。再次設計了自動駕駛礦卡轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、油門、擋位、舉升、電器的線控改裝技術(shù)方案，實現(xiàn)了對方向盤控制，對制動系統(tǒng)的控制，對油門系統(tǒng)控制，對變速箱換擋的控制，對貨斗舉升和下降的控制，以及對燈光、雨刮、喇叭等電器的控制。本改裝方案具有如下優(yōu)勢：

1）對原車改動很小，易于安裝和實現(xiàn)。

2）可實現(xiàn)人工駕駛和自動駕駛的無縫切換。

3）應用車規(guī)級EPS、直線執(zhí)行器、油門切換模塊，保證系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定性。

4）此方案適用于不同品牌、不同車型、不同噸位的礦卡改裝，通用性好，便于大規(guī)模復制和推廣。