方琳，劉暢，張瑩

（中汽數(shù)據(jù)（天津）有限公司，天津 300380）

0 引言

當(dāng)前智能汽車得到了大力的發(fā)展，很多大企業(yè)著重在該項(xiàng)領(lǐng)域的研究，比如特斯拉、谷歌，而其他傳統(tǒng)汽車制造商也同時(shí)在研究自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。自動(dòng)駕駛汽車是通過(guò)計(jì)算機(jī)操作的汽車[1]。結(jié)合各項(xiàng)高科技技術(shù)，汽車能夠在沒(méi)有人的情況下完成自己駕駛，汽車行業(yè)的發(fā)展自然也帶動(dòng)了人們對(duì)于汽車服務(wù)的需要。因此，作為汽車主要發(fā)展趨勢(shì)的獨(dú)創(chuàng)性吸引了制造商的更多關(guān)注。在不久未來(lái)，汽車將實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。但伴隨著汽車駕駛率的不斷提高，如何正確評(píng)估和驗(yàn)證自動(dòng)駕駛汽車系統(tǒng)的性能和智能自動(dòng)駕駛算法已成為重要的環(huán)節(jié)。

1 智能汽車仿真

仿真是自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的一項(xiàng)相當(dāng)重要的新技術(shù)，近年來(lái)，越來(lái)越多的自動(dòng)駕駛技術(shù)得以運(yùn)用，仿真作為自動(dòng)駕駛中的一個(gè)重要領(lǐng)域和重要環(huán)節(jié)，也扮演著日益重要的角色；仿真虛擬測(cè)試的根本是保證車輛安全上路，首先，最需要保障的是車輛安全，在Gazebo構(gòu)建的環(huán)境地圖中可以很大程度上地還原真實(shí)路況，也大大節(jié)省了實(shí)驗(yàn)的開(kāi)支；發(fā)展自主仿真軟件可作為行業(yè)研發(fā)的備用系統(tǒng)，當(dāng)不具備實(shí)驗(yàn)所需的條件時(shí)，仿真測(cè)試的存在就顯得尤為重要；仿真測(cè)試是自動(dòng)駕駛技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，目前在汽車行業(yè)中普遍存在的情況是，先進(jìn)行仿真測(cè)試，再進(jìn)行具體試驗(yàn)[2]。

2 仿真設(shè)計(jì)方法

2.1 仿真方法

本設(shè)計(jì)的研究方法將基于Ubuntu16.04系統(tǒng)的ROS操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上來(lái)展開(kāi)，充分利用仿真軟件Gazebo來(lái)進(jìn)行虛擬車輛的仿真以及部分自動(dòng)駕駛功能的實(shí)現(xiàn)。期間Rviz也扮演著重要的角色，例如，在Velodyne傳感器的仿真環(huán)節(jié)中，Rviz將會(huì)在三維空間內(nèi)模擬真實(shí)的Velodyne激光雷達(dá)產(chǎn)生的波以及當(dāng)它的波在遇到障礙物時(shí)所發(fā)生的方向的改變。這些功能都是Gazebo所不具備的，對(duì)于此次設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，Rviz也是不可或缺的一個(gè)重要部分。本設(shè)計(jì)的主要仿真環(huán)節(jié)將在Gazebo中進(jìn)行，通過(guò)在Ubuntu系統(tǒng)的終端中輸入的相應(yīng)代碼來(lái)一一調(diào)用對(duì)應(yīng)的傳感器，并通過(guò)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)在Gazebo中的仿真。還可以通過(guò)構(gòu)建環(huán)境地圖來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬駕駛的路況模擬，這將作為仿真車輛的駕駛環(huán)境。為了實(shí)現(xiàn)更好的傳感器模擬，往往需要在仿真?zhèn)鞲衅鞯闹車胖靡欢ǖ恼系K物，這能夠在Rivz中更好地體現(xiàn)傳感器的作用[3]。

同時(shí)，應(yīng)該充分利用DBW車與ROS的連接，因?yàn)橹挥型ㄟ^(guò)DBW通信，才能實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的最終目的，一輛具有初步自動(dòng)駕駛功能的仿真汽車，通過(guò)相應(yīng)的指令實(shí)現(xiàn)與車輛的通信后，便可使用操縱桿來(lái)測(cè)試汽車。

2.2 準(zhǔn)備工作

本設(shè)計(jì)所需的Ubuntu系統(tǒng)既可以在Windows的基礎(chǔ)上安裝虛擬機(jī)，也可以安裝雙系統(tǒng)，但由于本設(shè)計(jì)的仿真工作將消耗大量?jī)?nèi)存，故性能普通的電腦上安裝虛擬機(jī)的方法并不適合本設(shè)計(jì)，因其只能分配2核至虛擬機(jī)，運(yùn)行Gazebo軟件過(guò)于吃力；而雙系統(tǒng)的好處在于可以將所有的內(nèi)核都用于該系統(tǒng)，有利于仿真軟件的流暢運(yùn)行。

先下載安裝制作工具UltraISO并完成安裝；接著準(zhǔn)備一個(gè)空白的（USB3.0接口，16GB及以上）U盤(pán)；打開(kāi)安裝好的UltralSO，當(dāng)彈出對(duì)話框時(shí)，點(diǎn)繼續(xù)試用；選擇打開(kāi)頁(yè)面；在彈出的文件選擇對(duì)話框中找到已經(jīng)下載的Ubuntu16.04 LTS鏡像文件；再通過(guò)點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，選擇寫(xiě)入硬盤(pán)映像；對(duì)剛才的U盤(pán)寫(xiě)入方式進(jìn)行設(shè)置為USBHDD+，再格式化，再點(diǎn)擊寫(xiě)入，耐心等待寫(xiě)入過(guò)程結(jié)束后，點(diǎn)擊返回，至此，啟動(dòng)盤(pán)已經(jīng)制作完畢。

再給予Ubuntu一定的空間，再點(diǎn)擊存儲(chǔ)/磁盤(pán)管理；在磁盤(pán)區(qū)的留出一定的空間，大約256GB的空間用于安裝Ubuntu。

2.3 安裝Ubuntu16.04

關(guān)閉目標(biāo)主機(jī)，插入啟動(dòng)盤(pán)，再開(kāi)機(jī)，按住F12按鈕進(jìn)入bios界面，選擇Boot Menu選項(xiàng)，進(jìn)入界面后選擇Install Ubuntu，開(kāi)始安裝。

待安裝完成，根據(jù)一系列指示選擇自己所需的選項(xiàng)，當(dāng)進(jìn)入選擇安裝類型的界面時(shí)，選擇其他選項(xiàng)，進(jìn)行手動(dòng)分區(qū)（由于選擇Windows與Ubuntu共存容易造成前者啟動(dòng)程序的丟失），分區(qū)過(guò)程不再贅述[4]。

3 仿真設(shè)計(jì)

3.1 整車參數(shù)

整車基本參數(shù)和目標(biāo)性能參數(shù)如表1所示。

表1 性能參數(shù)

3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)匹配與選型

因永磁同步電機(jī)具有功率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)選擇汽車永磁同步電機(jī)。從最高車速和最大爬坡度計(jì)算所需的電機(jī)峰值功率，由常規(guī)車速、額定轉(zhuǎn)速與峰值轉(zhuǎn)速的關(guān)系分別得出汽車電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)速分別為3061r/min和9183r/min，并且根據(jù)電機(jī)自身的額定轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)速計(jì)算出40kw的額定功率，汽車50kw的最大功率是從最大爬坡計(jì)算出來(lái)的。

3.3 動(dòng)力電池選型與參數(shù)匹配

本文選擇磷酸鋰鐵電池用作動(dòng)力電池，從額定電壓可看出為256V，一個(gè)磷酸鐵鋰電池的容量為3.2V，因此該系列需要80個(gè)電池串聯(lián)。電池電量可計(jì)算如下，其中P為功率，n為電池?cái)?shù)量，v為電壓，m*g為滿載質(zhì)量，f為滾動(dòng)阻尼系數(shù)，c為風(fēng)阻系數(shù)，A為迎風(fēng)面積，V2為平均車速，s為行駛距離，Cd代表風(fēng)阻系數(shù)，t為時(shí)間：

計(jì)算得W=39.85KW·h。全部串聯(lián)電池內(nèi)量為256V×20Ah=5120W（20Ah為電池的額定電流），因此需要8個(gè)電池組并聯(lián)?？偰芰咳?0kw·h。

3.4 仿真驗(yàn)證

本文利用Gazebo來(lái)開(kāi)發(fā)完整的電動(dòng)汽車模型，其中包括動(dòng)力電池、汽車驅(qū)動(dòng)器、制動(dòng)器等模塊。通過(guò)本文對(duì)車輛類型和駕駛操作的設(shè)計(jì)，明確設(shè)計(jì)項(xiàng)目，車輛模型以及與車輛模型相對(duì)應(yīng)的零件模型。根據(jù)純電動(dòng)物流車的標(biāo)準(zhǔn)布局和設(shè)計(jì)，選擇兼容的部件模塊，并設(shè)置每個(gè)模擬計(jì)算模塊的主要參數(shù)。依據(jù)構(gòu)造方案，使用Gazebo和ROS功能對(duì)電氣和機(jī)械進(jìn)行連接。完全掌握各部件的傳遞關(guān)系，并根據(jù)這之間的關(guān)系，建立整車的各個(gè)部件信號(hào)聯(lián)系，最終設(shè)計(jì)出整車模型。

在開(kāi)發(fā)了車輛模型之后，本文標(biāo)準(zhǔn)工況下選擇NEDC循環(huán)工況以模擬和分析所構(gòu)建的模型。在Gazebo工作位置頁(yè)面上，在0.01秒內(nèi)設(shè)置模擬步驟，然后選擇標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序模型和標(biāo)準(zhǔn)交通模型。在完成設(shè)置任務(wù)后，根據(jù)NEDC的工作條件進(jìn)行了模擬測(cè)試。

車速可以很好的隨著工況運(yùn)行。車輛在可以通過(guò)制動(dòng)能量充電，SOC的變化較為平穩(wěn)，電池運(yùn)行狀態(tài)良好[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)對(duì)自動(dòng)駕駛汽車及其實(shí)現(xiàn)的仿真過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)單的研究。首先，通過(guò)查找資料，了解了自動(dòng)駕駛汽車的技術(shù)及其歷史，亦知曉了一輛自動(dòng)駕駛汽車的核心部分。然后，通過(guò)查找自動(dòng)駕駛汽車常用的不同傳感器和部件，確定了本設(shè)計(jì)所需要組裝的自動(dòng)駕駛汽車的方案。最后，著手安裝相關(guān)軟件，并開(kāi)始在Gazebo中仿真一輛自動(dòng)駕駛汽車，將其與ROS這一關(guān)鍵目標(biāo)連接，實(shí)現(xiàn)了在 NEDC工況下的仿真分析，仿真結(jié)果顯示了本次研究的可靠性，可以為后期的開(kāi)發(fā)提供參考依據(jù)。