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        自動(dòng)駕駛礦卡底盤(pán)線控改裝設(shè)計(jì)研究*

        2021-07-03 04:10:20袁政米承繼劉洲陶曉
        汽車(chē)實(shí)用技術(shù) 2021年12期
        關(guān)鍵詞:原車(chē)線控駐車(chē)

        袁政,米承繼,劉洲,陶曉

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

        前言

        近年來(lái)隨著AI人工智能的興起,世界正吹起一股自動(dòng)駕駛的浪潮。目前,自動(dòng)駕駛這一技術(shù)已日趨成熟,一方面各類(lèi)型的創(chuàng)業(yè)公司層出不窮,另一方面各級(jí)政府也出臺(tái)了支持智能駕駛的相關(guān)政策[1]。就目前來(lái)看,相對(duì)封閉的礦區(qū),可能是自動(dòng)駕駛最有可能落地的場(chǎng)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(kāi)放式道路環(huán)境下的自動(dòng)駕駛以及列隊(duì)行駛已進(jìn)入全面井噴的局面[2]。

        自動(dòng)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(yùn)輸問(wèn)題,直接關(guān)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(dòng)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(xiǎn),另一方面可以改善司機(jī)的工作環(huán)境,減少司機(jī)的人員成本[4]。因此,發(fā)展自動(dòng)駕駛礦卡有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

        線控技術(shù)是實(shí)現(xiàn)礦卡自動(dòng)駕駛的基礎(chǔ),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(duì)一種車(chē)型實(shí)施,且各大主機(jī)廠也沒(méi)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(fù)制。后裝線控就是在礦卡出廠后,對(duì)礦卡進(jìn)行線控化升級(jí)改造。即通過(guò)更改、加裝的方式將車(chē)輛的油門(mén)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、擋位、手剎、車(chē)燈、雨刮等功能升級(jí)為電信號(hào)控制,智能線控化改造的目的在于能夠?yàn)樽詣?dòng)駕駛提供電信號(hào)接口。這種技術(shù)路線能適用于不同品牌、不同型號(hào)、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(jìn)行線控改裝升級(jí),能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)?;瘡?fù)制和推廣,極大節(jié)省了成本,避免了已有資源的浪費(fèi)[5]。

        為了滿(mǎn)足某水泥礦山建設(shè)智能裝運(yùn)系統(tǒng)的需求,在礦山已有的2臺(tái)載重32噸的礦卡上進(jìn)行智能化線控改裝升級(jí),實(shí)現(xiàn)礦卡能夠進(jìn)行自動(dòng)駕駛的需求。

        1 自動(dòng)駕駛整體方案設(shè)計(jì)

        為了實(shí)現(xiàn)礦卡的自動(dòng)駕駛,需要搭載先進(jìn)的車(chē)載傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置,并融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)等,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛礦卡具備復(fù)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(shí)現(xiàn)礦卡能夠在礦區(qū)自動(dòng)駕駛來(lái)進(jìn)行物料轉(zhuǎn)運(yùn)的功能。

        整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示,礦卡自動(dòng)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(chē)輛底盤(pán)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(mǎn)足擁有路端定位導(dǎo)航能力。并利用激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、攝像頭、超聲波雷達(dá)等多種傳感器感知車(chē)輛周邊環(huán)境,通過(guò)感知融合算法提取環(huán)境信息,包括道路、車(chē)輛和行人信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛、行人、石頭等障礙物地準(zhǔn)確識(shí)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(jìn)行融合,根據(jù)自動(dòng)駕駛的任務(wù)需求進(jìn)行決策,避開(kāi)行駛道路上可能存在的障礙物[8],并通過(guò)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(chē)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(chē)控制算法做出控制決策。車(chē)輛控制技術(shù)通過(guò)環(huán)境感知技術(shù)對(duì)車(chē)輛自身和周邊環(huán)境的感知,根據(jù)決策規(guī)劃出目標(biāo)軌跡,通過(guò)縱向和橫向控制系統(tǒng)的配合使汽車(chē)跟蹤目標(biāo)軌跡準(zhǔn)確穩(wěn)定行駛,同時(shí)使汽車(chē)在行駛過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)車(chē)速調(diào)節(jié)、車(chē)距保持、換道、超車(chē)等基本操作[9-10]。

        執(zhí)行層是指底層的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如油門(mén)、剎車(chē)、轉(zhuǎn)向和擋位控制作相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作。執(zhí)行是實(shí)現(xiàn)智能駕駛的重要環(huán)節(jié),車(chē)輛的縱向和橫向控制系統(tǒng)控制汽車(chē)按照決策環(huán)節(jié)規(guī)劃的行駛軌跡平穩(wěn)準(zhǔn)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(chē)輛的線控系統(tǒng)是自動(dòng)駕駛技術(shù)最終執(zhí)行端,車(chē)輛線控系統(tǒng)直接影響車(chē)輛的轉(zhuǎn)向、油門(mén)、制動(dòng)、擋位、駐車(chē)、燈光、喇叭、雨刮等系統(tǒng)的性能,線控系統(tǒng)也是影響車(chē)輛安全的重大要素。

        2 自動(dòng)駕駛線控底盤(pán)技術(shù)方案

        線控底盤(pán),即通過(guò)更改、加裝的方式將車(chē)輛油門(mén)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、擋位、手剎、車(chē)燈、雨刮等功能升級(jí)為電信號(hào)控制。線控底盤(pán)改造的目的在于能夠?yàn)樽詣?dòng)行駛提供電信號(hào)接口。

        2.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

        如下圖2所示,礦卡原車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng),方向盤(pán)通過(guò)轉(zhuǎn)向柱帶動(dòng)轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)輪子轉(zhuǎn)向。為了實(shí)現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向,需要在方向盤(pán)和轉(zhuǎn)向器之間增加一套電控驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。電控驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般由伺服電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、角度傳感器、控制器、扭矩傳感器等組成。通過(guò)閉環(huán)控制策略,實(shí)現(xiàn)電控轉(zhuǎn)向。

        圖2 原車(chē)全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理圖

        在實(shí)際應(yīng)用中,我們采用在原車(chē)轉(zhuǎn)向柱上增加一套EPS執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方案。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安裝原理如圖3所示。通過(guò)在方向盤(pán)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(dòng)原車(chē)轉(zhuǎn)向器。該EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成了電機(jī)、減速機(jī)、角度傳感器和扭矩傳感器,并且可以通過(guò)CAN總線控制。

        圖3 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)升級(jí)示意圖

        由于原車(chē)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(wèn)題,方向盤(pán)角度和車(chē)輪角度關(guān)系是不對(duì)應(yīng)的、非線性、不固定傳動(dòng)比的。所以在車(chē)輪上加裝角度傳感器,實(shí)現(xiàn)車(chē)輪絕對(duì)轉(zhuǎn)角的反饋。該絕對(duì)角度通過(guò)模擬信號(hào)發(fā)送給EPS控制器。

        在自動(dòng)駕駛模式下,線控執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器通過(guò)CAN總線接收到車(chē)輪目標(biāo)轉(zhuǎn)向角度和方向信息,同時(shí)通過(guò)CAN總線下發(fā)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角指令給EPS控制器。EPS控制器結(jié)合線控執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器提供的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角指令信號(hào)對(duì)前輪位置進(jìn)行伺服控制,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛功能。在自動(dòng)駕駛的過(guò)程中,如果人工介入接管方向盤(pán),該EPS內(nèi)置的扭矩傳感器會(huì)檢測(cè)到扭矩差,EPS能夠及時(shí)切換到EPS隨動(dòng)模式,從而退出自動(dòng)駕駛模式。當(dāng)車(chē)輛由人工駕駛時(shí),則EPS進(jìn)入隨動(dòng)模式,也可以輕松轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán),不影響人工模式下正常開(kāi)車(chē)。

        2.2 油門(mén)系統(tǒng)

        原礦卡油門(mén)踏板信號(hào)與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU直接連接,為了兼顧自動(dòng)駕駛和人工駕駛,如下圖4所示,在油門(mén)信號(hào)傳輸路徑中加入長(zhǎng)沙智能駕駛研究院自主研發(fā)的油門(mén)信號(hào)切換模塊,通過(guò)駕駛模式切換開(kāi)關(guān)來(lái)選擇ECU油門(mén)踏板信號(hào)輸入源,從而實(shí)現(xiàn)人工駕駛和自動(dòng)駕駛的切換。

        圖4 線控油門(mén)系統(tǒng)示意圖

        2.3 制動(dòng)系統(tǒng)

        2.3.1 行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)

        原車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)為氣制動(dòng)系統(tǒng),但是不帶EBS系統(tǒng),不能使用EBS的電控繼動(dòng)閥來(lái)進(jìn)行線控制動(dòng)。如果改氣路增加電控閥來(lái)實(shí)現(xiàn)線控制動(dòng),對(duì)原車(chē)的影響較大。為了實(shí)現(xiàn)線控制動(dòng),本文在原車(chē)制動(dòng)踏板前方加裝一塊副踏板和線控制動(dòng)裝置。如圖5所示,線控制動(dòng)裝置通過(guò)螺釘固定在原車(chē)底板上,副踏板通過(guò)螺釘固定在原車(chē)制動(dòng)踏板上。直線執(zhí)行器裝置帶動(dòng)搖臂來(lái)踩踏板,可以根據(jù)制動(dòng)需求自動(dòng)控制執(zhí)行器的伸縮長(zhǎng)度和位置,且此裝置沒(méi)有改動(dòng)原車(chē)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(chē)輛的安全性。

        圖5 線控制動(dòng)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(chē)制動(dòng)踏板,加裝副踏板也跟隨原車(chē)制動(dòng)踏板一起下降,與線控制動(dòng)裝置的滾動(dòng)軸承分離,線控制動(dòng)裝置和原車(chē)制動(dòng)踏板互不干涉。

        圖6 人工踩下制動(dòng)踏板狀態(tài)圖

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

        圖7 線控制動(dòng)裝置制動(dòng)圖

        2.3.2 駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)

        原車(chē)駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)如下圖8所示,當(dāng)?shù)V卡需要駐坡或停放時(shí),需要使用駐車(chē)制動(dòng),扳動(dòng)駐車(chē)手閥到駐車(chē)位置,壓縮空氣經(jīng)駐車(chē)?yán)^動(dòng)閥控制口4,使駐車(chē)?yán)^動(dòng)閥底部的排氣口打開(kāi),使前后彈簧制動(dòng)器駐車(chē)制動(dòng)室的氣體通過(guò)駐車(chē)?yán)^動(dòng)閥排氣口排入大氣。手制動(dòng)腔內(nèi)的彈簧推動(dòng)皮碗帶動(dòng)推桿,使凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)制動(dòng)蹄壓緊制動(dòng)鼓,使前后輪同時(shí)鎖死。

        圖8 原車(chē)駐車(chē)制動(dòng)原理圖

        解除駐車(chē)制動(dòng)時(shí),壓縮空氣經(jīng)駐車(chē)手閥進(jìn)入駐車(chē)?yán)^動(dòng)閥1口,再進(jìn)入前后橋的手制動(dòng)氣室,壓縮空氣把壓力輸送到活塞的另一側(cè),氣壓移動(dòng)活塞,克服彈簧的力量,帶動(dòng)推桿向后運(yùn)動(dòng),解除手制動(dòng)狀態(tài)。

        如圖9所示,為了實(shí)現(xiàn)線控駐車(chē),把原車(chē)駐車(chē)手閥改成兩位三通常閉電磁閥,電磁閥開(kāi)關(guān)分別并聯(lián)按鍵開(kāi)關(guān)和繼電器。在人工駕駛模式下,可以通過(guò)開(kāi)關(guān)按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)駐車(chē)和解除駐車(chē);在自動(dòng)駕駛模式下,可以通過(guò)線控底盤(pán)控制器來(lái)控制繼電器的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)駐車(chē)和解除駐車(chē)。

        圖9 線控駐車(chē)改裝方案圖

        2.4 擋位系統(tǒng)

        原車(chē)采用的電控液力自動(dòng)變速箱,擋位是CAN總線控制的,可以通過(guò)原車(chē)總線接口和協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)擋位線控,不需要進(jìn)行改裝。

        2.5 舉升系統(tǒng)

        如下圖10所示,原車(chē)舉升系統(tǒng)為氣推油舉升系統(tǒng),通過(guò)氣遙控閥來(lái)驅(qū)動(dòng)舉升操縱閥來(lái)實(shí)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(jìn)氣口前方加了一個(gè)電磁閥來(lái)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(guò)搬到搖桿,來(lái)控制氣閥的開(kāi)關(guān)。向后推動(dòng)時(shí),靠氣壓推動(dòng)舉升操縱閥內(nèi)的閥芯,使得舉升操縱閥的B口開(kāi)啟,從而實(shí)現(xiàn)舉升功能;向前搬到時(shí),氣壓推動(dòng)舉升操縱閥的閥芯反向移動(dòng),使得舉升操縱閥的A口開(kāi)啟,從而實(shí)現(xiàn)下降功能;不搬動(dòng)搖桿時(shí),舉升操縱閥的A、B口均關(guān)閉,液壓油經(jīng)過(guò)P、T口流回液壓油箱。

        圖10 原車(chē)舉升機(jī)構(gòu)工作原理圖

        如下圖所示,為了兼顧自動(dòng)駕駛和人工駕駛,把原車(chē)的手動(dòng)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(kāi)關(guān)和繼電器。在人工駕駛模式下,可以通過(guò)開(kāi)關(guān)按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)舉升和下降;在自動(dòng)駕駛模式下,可以通過(guò)控制器控制繼電器的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)舉升和下降功能。把原車(chē)的電磁閥開(kāi)關(guān)再并入一個(gè)繼電器來(lái)控制電磁閥的開(kāi)關(guān)。

        圖11 舉升機(jī)構(gòu)線控改裝原理圖

        2.6 底盤(pán)電器控制

        車(chē)身電器線控主要包括:燈光、喇叭、雨刮、熄火等電信號(hào)回路改裝,實(shí)現(xiàn)燈光、喇叭、雨刮、熄火等車(chē)身電器設(shè)備控制。因?yàn)樵?chē)這些功能都是電信號(hào)控制的,所以只需要在原車(chē)電器開(kāi)關(guān)按鈕上分別并聯(lián)繼電器,再通過(guò)線控底盤(pán)控制器來(lái)控制繼電器的通斷就可以實(shí)現(xiàn)車(chē)身電器的線控。同時(shí),線控底盤(pán)控制器通過(guò)CAN總線連接到原車(chē)車(chē)身總線上,將車(chē)輛底盤(pán)車(chē)速、油位等信息發(fā)送至智駕控制器的總線上供自動(dòng)駕駛規(guī)劃、決策及控制使用。無(wú)需更改原車(chē)控制協(xié)議,只需增加控制線路加裝繼電器來(lái)進(jìn)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(jìn)行自動(dòng)駕駛的需求,在不改變?cè)?chē)底盤(pán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,提出了一種針對(duì)傳統(tǒng)礦卡進(jìn)行線控改裝升級(jí)的解決方案。首先介紹了自動(dòng)駕駛礦卡的整體方案設(shè)計(jì)和系統(tǒng)組成。再次設(shè)計(jì)了自動(dòng)駕駛礦卡轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、油門(mén)、擋位、舉升、電器的線控改裝技術(shù)方案,實(shí)現(xiàn)了對(duì)方向盤(pán)控制,對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的控制,對(duì)油門(mén)系統(tǒng)控制,對(duì)變速箱換擋的控制,對(duì)貨斗舉升和下降的控制,以及對(duì)燈光、雨刮、喇叭等電器的控制。本改裝方案具有如下優(yōu)勢(shì):

        1)對(duì)原車(chē)改動(dòng)很小,易于安裝和實(shí)現(xiàn)。

        2)可實(shí)現(xiàn)人工駕駛和自動(dòng)駕駛的無(wú)縫切換。

        3)應(yīng)用車(chē)規(guī)級(jí)EPS、直線執(zhí)行器、油門(mén)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(chē)型、不同噸位的礦卡改裝,通用性好,便于大規(guī)模復(fù)制和推廣。

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