舒望

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南株洲，412001）

0 引言

近年來，各汽車研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)紛紛涉足自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，研發(fā)出已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的擁有自動(dòng)駕駛功能的汽車，例如，美國(guó)的特斯拉汽車已經(jīng)能夠在高速和城市特定道路上實(shí)現(xiàn)部分自動(dòng)駕駛功能。根據(jù)美國(guó)高速公路安全管理局(NHTSA)和美國(guó)機(jī)動(dòng)車工程師學(xué)會(huì)（SAE）的定義，特斯拉汽車的自動(dòng)駕駛屬于L3等級(jí)。雖然特斯拉公司已量產(chǎn)了具有自動(dòng)駕駛功能的車輛，但是其自動(dòng)駕駛技術(shù)并不是十分成熟。因?yàn)閾?jù)新聞報(bào)道，其自動(dòng)駕駛汽車曾在高速行駛過程中出現(xiàn)過幾起比較大的交通安全事故，這說明其自動(dòng)駕駛的控制系統(tǒng)和算法還需不斷的優(yōu)化和升級(jí)。國(guó)內(nèi)也有很多企業(yè)從事自動(dòng)駕駛技術(shù)的研究，如阿波羅智能技術(shù)(北京)有限公司與中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司共同打造了國(guó)內(nèi)首款達(dá)到L4級(jí)別的自動(dòng)駕駛乘用車紅旗E·界，該車能夠在高速和城市道路實(shí)現(xiàn)有條件的自動(dòng)駕駛。

近年來，國(guó)家和地方紛紛出臺(tái)相關(guān)政策鼓勵(lì)和刺激自動(dòng)駕駛汽車市場(chǎng)，例如，工業(yè)和信息化部、交通運(yùn)輸部等部委大力支持推進(jìn)國(guó)家智能網(wǎng)聯(lián)汽車應(yīng)用（北方）示范區(qū)、國(guó)家智能汽車與智慧交通（京冀）示范區(qū)、浙江5G車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范區(qū)等10多個(gè)國(guó)家級(jí)測(cè)試示范區(qū)的建設(shè)，北京、上海、天津、廣州、深圳、長(zhǎng)沙等市均開放自動(dòng)駕駛測(cè)試道路。由此看來，自動(dòng)駕駛汽車的市場(chǎng)前景將十分廣闊。在現(xiàn)有的技術(shù)路線和法律法規(guī)下，要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛汽車上路行駛還有一定的難度，但可以在一些特定的場(chǎng)合開展自動(dòng)駕駛運(yùn)營(yíng)，如旅游園區(qū)、校園、廠區(qū)等對(duì)汽車的行駛速度要求不高，可以在這些場(chǎng)所中行駛路線固定的地方配置具有自動(dòng)駕駛功能的汽車，這對(duì)推進(jìn)自動(dòng)駕駛技術(shù)的研究具有非常重要的意義。因此，現(xiàn)階段研究和量產(chǎn)一種能夠在特定區(qū)域行駛、對(duì)行駛速度要求不太高、具有完全自動(dòng)駕駛功能的汽車，具有非常大的理論研究?jī)r(jià)值和市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

1 觀光車整車及電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

本文選用綠友機(jī)械集團(tuán)股份有限公司制造的一臺(tái)8座觀光車（型號(hào)為GVG6/48AC）作為載體，對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)駕駛功能改造與升級(jí)。觀光車采用后輪雙三相異步交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)向方式為前輪機(jī)械液壓轉(zhuǎn)向，制動(dòng)方式為液壓后輪鼓剎，檔位控制為機(jī)械船型開關(guān)換擋控制，觀光車電氣系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可以看出，觀光車的電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，車輛驅(qū)動(dòng)速度控制由油門踏板實(shí)現(xiàn)，車輛的行駛方向由檔位開關(guān)實(shí)現(xiàn)，車輛的制動(dòng)和轉(zhuǎn)向?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)部件。

圖1 觀光車電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 觀光車自動(dòng)駕駛定位及控制系統(tǒng)工作原理

觀光車自動(dòng)駕駛定位及控制系統(tǒng)由決策與控制模塊、障礙物檢測(cè)模塊、衛(wèi)星導(dǎo)航模塊、底盤控制模塊等組成，系統(tǒng)控制模型圖如圖2所示。

圖2 觀光車自動(dòng)駕駛定位及控制系統(tǒng)控制模型圖

其中，障礙物檢測(cè)模塊主要由激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)傳感器組成，可以對(duì)車輛前方和周邊的環(huán)境、障礙物進(jìn)行檢測(cè)，然后利用上位機(jī)的障礙物檢測(cè)模塊進(jìn)行計(jì)算和處理，得到相應(yīng)的障礙物信息，從而為決策與控制模塊提供車輛控制決策依據(jù)；衛(wèi)星導(dǎo)航模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的高精度定位；底盤控制模塊的功能是對(duì)車輛底盤進(jìn)行控制[1]。

觀光車自動(dòng)駕駛定位及控制系統(tǒng)的工作原理是：首先，在啟動(dòng)自動(dòng)駕駛功能前，預(yù)先設(shè)定車輛行駛軌跡及行駛速度，將軌跡和速度信息傳遞給決策與控制模塊，啟動(dòng)自動(dòng)駕駛功能；其次決策與控制模塊向底盤控制模塊發(fā)送車輛控制目標(biāo)值，由底盤控制模塊對(duì)車輛實(shí)現(xiàn)橫向和縱向控制，包括轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、檔位、油門等；然后利用障礙物檢測(cè)模塊中的毫米波雷達(dá)對(duì)遠(yuǎn)距離的障礙物進(jìn)行探測(cè)，激光雷達(dá)對(duì)近距離的障礙物進(jìn)行精確探測(cè)，由兩者配合實(shí)時(shí)采集車輛前方的狀況，并反饋給決策與控制模塊提供決策依據(jù)；同時(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航模塊對(duì)車輛的行駛位置和速度信息進(jìn)行采集，并反饋給決策與控制模塊提供決策依據(jù)；最后決策與控制模塊通過對(duì)比行駛軌跡和車速的反饋值、設(shè)定值，實(shí)時(shí)調(diào)整傳給底盤控制模塊的控制量，再由控制車輛的相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變車輛的行駛軌跡和速度，從而實(shí)現(xiàn)車輛的閉環(huán)自動(dòng)駕駛控制。

3 觀光車自動(dòng)駕駛定位及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)觀光車電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和自動(dòng)駕駛定位及控制系統(tǒng)控制模型，本文設(shè)計(jì)出觀光車自動(dòng)駕駛定位及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 觀光車自動(dòng)駕駛定位及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

觀光車自動(dòng)駕駛定位及控制系統(tǒng)由上位機(jī)、車載差分定位移動(dòng)站、激光雷達(dá)、電源/數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、以太網(wǎng)-CAN轉(zhuǎn)換器、毫米波雷達(dá)、底盤嵌入式控制板等組成。其中，車載差分定位移動(dòng)站包括衛(wèi)星定位定向接收機(jī)、無線電臺(tái)天線、GPS主天線、GPS輔天線等設(shè)備[2]；以太網(wǎng)-CAN轉(zhuǎn)換器通過CAN總線外接車輛的電動(dòng)轉(zhuǎn)向器，在原有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)線控轉(zhuǎn)向機(jī)，在上位機(jī)的控制下對(duì)車輛的轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制；底盤嵌入式控制板分別連接觀光車的檔位開關(guān)、油門位置傳感器、剎車系統(tǒng)，并在上位機(jī)的控制下對(duì)這3個(gè)部分進(jìn)行控制，另外，剎車系統(tǒng)的控制采用推桿電機(jī)直接推動(dòng)制動(dòng)踏板的方式實(shí)現(xiàn)。

該系統(tǒng)各部件之間的連接關(guān)系和功能為：

1）GPS主天線、GPS輔天線、無線電臺(tái)天線都與衛(wèi)星定位定向接收機(jī)相連，與差分定位基準(zhǔn)站配合實(shí)現(xiàn)車輛的高精度定位；

2）衛(wèi)星定位定向接收機(jī)通過串行通信接口（RS232）與上位機(jī)進(jìn)行通信，將車輛的精確位置信息發(fā)送給上位機(jī)，以實(shí)現(xiàn)車輛的軌跡規(guī)劃和行走路線控制；

3）電源/數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器為激光雷達(dá)提供工作電源，同時(shí)將激光雷達(dá)檢測(cè)到的障礙物信息通過以太網(wǎng)接口（RJ45）發(fā)送給上位機(jī)的LAN2端口，用以實(shí)現(xiàn)障礙物的檢測(cè)，在自動(dòng)駕駛中實(shí)現(xiàn)障礙物的檢測(cè)與避障功能；

4）以太網(wǎng)-CAN轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)和CAN總線通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，毫米波雷達(dá)通過CAN總線與以太網(wǎng)-CAN轉(zhuǎn)換器相連，并將檢測(cè)到的障礙物信息通過以太網(wǎng)-CAN轉(zhuǎn)換器發(fā)送給上位機(jī)，在車輛進(jìn)入自動(dòng)駕駛模式時(shí)為上位機(jī)的車輛控制提供決策依據(jù)。

4 高精衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)

目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)的定位精度是10m，若在自動(dòng)駕駛中采用這兩種定位系統(tǒng)進(jìn)行車輛定位則無法滿足定位精度要求，通常采用差分定位技術(shù)，而差分可分為位置差分、偽距差分、相位差分。常見的差分定位系統(tǒng)基準(zhǔn)站和車載差分定位移動(dòng)站之間誤差值的傳輸可通過多種方式實(shí)現(xiàn)，本文選用運(yùn)行成本較低的無線電臺(tái)的方式，高精度衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示[3]。

高精度衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)由衛(wèi)星、差分定位基準(zhǔn)站、車載差分定位移動(dòng)站組成。其中，差分定位基準(zhǔn)站包括電臺(tái)發(fā)射天線、衛(wèi)星接收機(jī)（型號(hào)為XW-GNSS1061）、無線電臺(tái)(型號(hào)為HX-U202)、衛(wèi)星接收天線，基準(zhǔn)站安裝在車輛行駛區(qū)域內(nèi)最高的空曠位置；車載差分定位移動(dòng)站包括衛(wèi)星定位定向接收機(jī)(型號(hào)為XW-SC3663)、衛(wèi)星接收天線、電臺(tái)接收天線。

高精度衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)的工作原理是：首先，在基準(zhǔn)站內(nèi)安置1臺(tái)衛(wèi)星接收機(jī)，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，并通過無線電臺(tái)和電臺(tái)發(fā)射天線實(shí)時(shí)地將載波相位的修正量傳送給車載差分定位移動(dòng)站；然后，車載差分定位移動(dòng)站在接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，通過電臺(tái)接收天線接收基準(zhǔn)站的差分定位信息，根據(jù)相對(duì)定位原理實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，并以厘米級(jí)精度給出車載差分定位移動(dòng)站的三維坐標(biāo)，再通過串行通信接口發(fā)送給車載自動(dòng)駕駛定位及控制系統(tǒng)中的上位機(jī)[4-6]。

5 實(shí)車試驗(yàn)及應(yīng)用效果

根據(jù)上述方案選用相應(yīng)的設(shè)備，筆者團(tuán)隊(duì)對(duì)觀光車的驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的線性化控制改造，對(duì)車輛自動(dòng)駕駛定位及控制系統(tǒng)進(jìn)行通信調(diào)試和數(shù)據(jù)測(cè)試，確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，并且完成在測(cè)試道路上對(duì)車輛進(jìn)行閉環(huán)行駛、障礙物檢測(cè)、地圖錄制等相關(guān)測(cè)試。改造后的觀光車自動(dòng)駕駛定位及控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 改造后的觀光車及自動(dòng)駕駛定位與控制系統(tǒng)

通過實(shí)際道路測(cè)試，可以得出以下結(jié)論：

1）觀光車自動(dòng)駕駛定位及控制系統(tǒng)能在安全員的控制下進(jìn)行人工和自動(dòng)駕駛模式的便捷切換，系統(tǒng)對(duì)車輛轉(zhuǎn)向控制較平穩(wěn)，誤差在±1。以內(nèi)；

2）軌跡規(guī)劃系統(tǒng)能根據(jù)預(yù)先采集的地圖進(jìn)行行駛軌跡規(guī)劃，控制車輛在設(shè)定軌跡上的行駛誤差在10cm以內(nèi)；

3）搭載的激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)不僅能準(zhǔn)確地識(shí)別車輛前方的障礙物，還可以在下雨、濃霧等較惡劣的天氣下，精準(zhǔn)地控制車輛識(shí)別障礙物，并在障礙物前方1m的范圍內(nèi)停下來。

6 結(jié)語

當(dāng)前，自動(dòng)駕駛技術(shù)十分火熱，因受限于道路交通環(huán)境復(fù)雜、法規(guī)限制等因素，故實(shí)現(xiàn)開放道路乘用車的自動(dòng)駕駛還需較長(zhǎng)的一段時(shí)間。但在特定場(chǎng)景下的自動(dòng)駕駛卻具有先天的實(shí)施優(yōu)勢(shì)，在具有道路相對(duì)封閉、路線固定、交通環(huán)境單一等特點(diǎn)的特定區(qū)域內(nèi)行駛的車輛為自動(dòng)駕駛技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了載體。

本文以特定區(qū)域內(nèi)行駛的觀光車為載體，采用載波相位差分定位方式，對(duì)觀光車進(jìn)行自動(dòng)駕駛功能改造，試驗(yàn)結(jié)果表明：改造后的觀光車通過預(yù)設(shè)行駛路線，可以在固定的線路上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，同時(shí)通過車輛自帶的激光雷達(dá)等傳感器也可實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的檢測(cè)與停障功能。但是，觀光車自動(dòng)駕駛定位及控制系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向控制中還存在轉(zhuǎn)向抖動(dòng)、平滑度不夠等問題，系統(tǒng)雖然具備了障礙物的檢測(cè)和停障功能，但還不具備障礙物避讓功能，筆者團(tuán)隊(duì)后續(xù)將針對(duì)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向和避障功能進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。