摘要：設(shè)計(jì)了一種創(chuàng)新性的自動(dòng)駕駛洗掃車方案。該方案通過對(duì)原有純電動(dòng)車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)以及行駛系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性改裝，成功實(shí)現(xiàn)了線控轉(zhuǎn)向與線控制動(dòng)，顯著提升了車輛的操控精準(zhǔn)度與響應(yīng)速度。同時(shí)，上裝系統(tǒng)借助決策控制器的CAN通信技術(shù)，能夠高效執(zhí)行相關(guān)指令，完成自動(dòng)化的上裝控制，有效提高了洗掃作業(yè)的智能化與自動(dòng)化水平。完整闡述了自動(dòng)駕駛洗掃車從設(shè)計(jì)構(gòu)思、改制實(shí)施到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的全流程開發(fā)過程，不僅為自動(dòng)駕駛洗掃車的實(shí)際應(yīng)用提供了系統(tǒng)且可行的技術(shù)路徑，也為環(huán)衛(wèi)車類自動(dòng)駕駛技術(shù)的開發(fā)提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與參考范例，對(duì)推動(dòng)環(huán)衛(wèi)領(lǐng)域的智能化升級(jí)具有重要的理論與實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：線控制動(dòng)；線控轉(zhuǎn)向；自動(dòng)駕駛系統(tǒng)；洗掃車

中圖分類號(hào)：U4636" " " 收稿日期：2025-02-10" " " DOI：1019999/jcnki1004-0226202504001

Design on an Automatic Driving Sweeper-washer Vehicle Solution

Shi Yujie" Zhang Yong" Yang Yun" Tang Shian" Yuan Xiangzhi

CRRC Electric Vehicle Co.，Ltd.，Zhu Zhou 412000，China

Abstract：This paper designs an innovative autonomous driving sweeper-washer vehicle solution. This solution achieves steer-by-wire and brake-by-wire through targeted modifications to the steering system， braking system， and driving system of the original pure electric vehicle， significantly enhancing the vehicle's control accuracy and response speed. Meanwhile， the upper system utilizes the CAN communication technology of the decision-making controller to efficiently execute relevant commands and complete automated control of the superstructure， effectively improving the intelligence and automation level of the sweeping and cleaning operations. This paper comprehensively expounds the entire process of the development of the autonomous driving Sweeper-washer Vehicle， from the design concept， the implementation of the modifications to the experimental verification. It not only provides a systematic and feasible technical route for the practical application of the autonomous driving sweeper truck， but also offers valuable practical experience and a reference example for the development of autonomous driving technology for sanitation vehicles. It is of great theoretical and practical significance for promoting the intelligent upgrading of the sanitation field.

Key words：Brake-by-wire;Steer-by-wire;Automatic driving vehicle system;Sweeper-washer vehicle

1 前言

自動(dòng)駕駛技術(shù)被認(rèn)為是未來人工智能發(fā)展的重要突破口，在當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)突飛猛進(jìn)的浪潮下，我國將自動(dòng)駕駛列入重點(diǎn)規(guī)劃層面［1］。2022年9月，上海頒布國內(nèi)首批智能網(wǎng)聯(lián)汽車載人示范應(yīng)用牌照，標(biāo)志著國內(nèi)先行企業(yè)探索自動(dòng)駕駛汽車商業(yè)化運(yùn)營的開端。目前，北京、上海、深圳、江蘇、長沙、重慶等各地均已開放自動(dòng)駕駛車輛路測(cè)。

隨著自動(dòng)駕駛、智能控制等技術(shù)的發(fā)展，激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等零部件成本不斷降低，環(huán)衛(wèi)專用車的無人化可行性與市場化程度不斷提高。環(huán)衛(wèi)洗掃作業(yè)具有行駛速度低、行駛路線重復(fù)固定等特點(diǎn)，易于無人化改造，能較快實(shí)現(xiàn)無人駕駛的商業(yè)落地。

無人駕駛的洗掃車逐漸成為城市環(huán)衛(wèi)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，由此本文詳細(xì)描述了自動(dòng)駕駛洗掃車的自動(dòng)駕駛開發(fā)方案、標(biāo)定等內(nèi)容。

2 總體方案設(shè)計(jì)

洗掃車作業(yè)主要是對(duì)城市主干道進(jìn)行洗掃作業(yè)，作業(yè)車速一般為1～15 km/h，作業(yè)時(shí)間段主要分為白天與夜晚，作業(yè)環(huán)境固定，車速慢，因此較容易實(shí)現(xiàn)無人駕駛功能。為實(shí)現(xiàn)完全的無人化作業(yè)，需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)作業(yè)、自動(dòng)排污、自動(dòng)泊車、自動(dòng)洗掃、自動(dòng)充電、平臺(tái)規(guī)劃等功能。自動(dòng)駕駛洗掃車總體的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。整車分為以下四大系統(tǒng)：底盤控制系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、上裝控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)。

a.底盤控制系統(tǒng)主要對(duì)決策控制器的期望轉(zhuǎn)角、減速度、加速度、牽引力矩等相關(guān)指令進(jìn)行精準(zhǔn)執(zhí)行。

b.智能控制系統(tǒng)通過整車布置的激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、攝像頭信號(hào)判斷整車環(huán)境，并根據(jù)環(huán)境輸出最佳的車速與駕駛路徑，輸出指令傳輸?shù)降妆P控制系統(tǒng)。

c.上裝控制系統(tǒng)則主要控制整車執(zhí)行洗掃路面、調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、掃盤轉(zhuǎn)速等功能。根據(jù)智能控制系統(tǒng)反饋的路面情況，實(shí)時(shí)調(diào)整自身的洗掃狀態(tài)，在完成洗掃后執(zhí)行自動(dòng)傾倒垃圾等工作任務(wù)。

d.通信系統(tǒng)完成整車與云平臺(tái)的通信，整車關(guān)鍵信息通過T-BOX發(fā)送到云平臺(tái)，通過主機(jī)端可查看到整車的關(guān)鍵信息，同時(shí)可以遠(yuǎn)程操作車輛，防止路面交通環(huán)境過于復(fù)雜時(shí)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)無法進(jìn)行的情況，可以通過遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)進(jìn)行人為介入，保證整車行駛安全等。

各個(gè)部件控制的詳情可以參考表1。

3 線控底盤

線控底盤主要由底盤VCU、燈光雨刮喇叭系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、交互系統(tǒng)等構(gòu)成（圖2）。線控底盤之所以叫線控，是因?yàn)槭褂昧司€（電信號(hào)）的形式來取代傳統(tǒng)的機(jī)械、液壓或氣動(dòng)等形式的連接，不需要駕駛員的力或扭矩的輸出，從而達(dá)到操控汽車的目的。傳統(tǒng)的18 t純電動(dòng)洗掃車采用電液轉(zhuǎn)向、ABS制動(dòng)系統(tǒng)，駕駛員操作油門踏板開度，整車控制器反饋扭矩、轉(zhuǎn)速指令給電機(jī)控制器。也就是整車皆由人員對(duì)制動(dòng)踏板、方向盤、車載控制屏或者按鍵進(jìn)行控制。自動(dòng)駕駛洗掃車需要更改整個(gè)底盤方案，將原有ABS制動(dòng)系統(tǒng)更改為線控制動(dòng)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更改為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（具備自動(dòng)調(diào)整方向盤的功能），并由決策控制器收集環(huán)境信息后輸出目標(biāo)車速與加速度信號(hào)給整車控制器，再由整車控制器輸出信號(hào)給電機(jī)控制器來控制整車的加速和減速。

3.1 BCM控制部分

在雨刮燈光喇叭系統(tǒng)的指令執(zhí)行過程中，一般為VCU通過CAN網(wǎng)絡(luò)下達(dá)指令給BCM，并由BCM輸出高電平來控制燈光、雨刮、喇叭的開啟和關(guān)閉。如在黑夜小雨的情況下，通過視覺攝像頭輸入環(huán)境信號(hào)，決策控制器輸出指令給底盤控制系統(tǒng)，控制BCM打開雨刮與燈光系統(tǒng)。喇叭與警示信息則直接由決策控制器對(duì)當(dāng)前場景判斷后輸出BCM報(bào)文，BCM直接控制喇叭與語音系統(tǒng)等。

3.2 線控制動(dòng)部分

3.2.1 基本原理

整個(gè)EBS系統(tǒng)方案主要為決策控制器發(fā)出減速指令，EBS響應(yīng)指令，通過決策控制器輸出目標(biāo)減速度結(jié)合制動(dòng)能回收系統(tǒng)來控制。EBS系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器通信，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器響應(yīng)EBS系統(tǒng)電機(jī)制動(dòng)扭矩請(qǐng)求，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收。制動(dòng)系統(tǒng)依靠制動(dòng)總閥與單通道與雙通道電磁閥對(duì)氣路進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)控制鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)力大小。

3.2.2 標(biāo)定測(cè)試

標(biāo)定測(cè)試的主要控制參數(shù)是減速度穩(wěn)態(tài)誤差。減速度響應(yīng)誤差小于0.5 m/s2，在上下坡時(shí)能夠自動(dòng)補(bǔ)償?shù)缆翻h(huán)境對(duì)車輛減速度的影響。也就是說，要在各種道路環(huán)境下都能保持目標(biāo)值和實(shí)際值的誤差小于目標(biāo)誤差值，才能保證車輛的精準(zhǔn)控制。EBS與整車控制器進(jìn)行通信，它作為執(zhí)行單元，響應(yīng)整車控制器發(fā)出的外部制動(dòng)減速度請(qǐng)求。為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，需要讀取整車姿態(tài)參數(shù)等信息，如轉(zhuǎn)角傳感器、橫擺率傳感器等信息，不斷修正自身控制參數(shù)，通過不同道路附著系數(shù)的標(biāo)定，不斷修改程序參數(shù)，達(dá)到精準(zhǔn)控制減速度誤差的目的。

減速度控制精度需要標(biāo)定，在試驗(yàn)場地對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間與減速度精度做出評(píng)價(jià)，查看是否滿足目標(biāo)值，這是因?yàn)闇p速度指標(biāo)響應(yīng)精度直接關(guān)系到整車的精準(zhǔn)停車功能與車輛制動(dòng)控制。目前主要的幾個(gè)參數(shù)分別為制動(dòng)指令響應(yīng)時(shí)間、控制量分辨率、能響應(yīng)的最大加速度、最大減速度變化率、減速度穩(wěn)態(tài)誤差、減速度動(dòng)態(tài)誤差、制動(dòng)動(dòng)作完成時(shí)間（從減速度輸出到穩(wěn)態(tài)減速度的時(shí)間）、制動(dòng)范圍。

實(shí)際標(biāo)定時(shí)要參考目標(biāo)值，對(duì)產(chǎn)品參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，分別進(jìn)行滿載與空載的實(shí)驗(yàn)，以保證性能參數(shù)。在不同的車速與載重下，分別輸出不同的減速度指令，查看整車的響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差、超調(diào)量、階躍響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)，如表2所示。由表2可以明顯看出車輛重量與較高的減速度輸出特性。當(dāng)減速度數(shù)值增大時(shí)，相應(yīng)的車輛控制精度也會(huì)下降，因此需要不斷調(diào)整整車參數(shù)，使之實(shí)際車輛減速度貼近目標(biāo)減速度曲線。

3.3 線控轉(zhuǎn)向部分

3.3.1 線控轉(zhuǎn)向方案

由于車輛定義為18 t洗掃車，采用的是液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)由儲(chǔ)油罐、控制單元、電動(dòng)泵、轉(zhuǎn)向機(jī)、傳感器等組成。轉(zhuǎn)向油泵由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電控系統(tǒng)根據(jù)車速和VCU的控制信號(hào)來控制轉(zhuǎn)向電機(jī)輸出轉(zhuǎn)向扭矩，以便達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)向角度與轉(zhuǎn)向角速度的大??；同時(shí)在停車與車道保持中實(shí)現(xiàn)主動(dòng)回正控制。

3.3.2 線控轉(zhuǎn)向方案標(biāo)定

線控轉(zhuǎn)向標(biāo)定主要是對(duì)目標(biāo)轉(zhuǎn)角精度進(jìn)行測(cè)試，例如以90°的步長設(shè)定期望轉(zhuǎn)角，記錄實(shí)際轉(zhuǎn)角的角度、響應(yīng)時(shí)間、執(zhí)行時(shí)間、超調(diào)量、最大穩(wěn)態(tài)誤差等關(guān)鍵信息（表3），并對(duì)程序進(jìn)行修正，從而保證決策控制器發(fā)出的角度指令能夠精確執(zhí)行，確保轉(zhuǎn)向精度。

3.4 線控驅(qū)動(dòng)

電動(dòng)車是由VCU、電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)來控制的，所以比傳統(tǒng)燃油車更改為線控單元更有優(yōu)勢(shì)，只需要將原來的油門踏板信號(hào)與擋位信號(hào)交由決策控制器發(fā)布即可。這里所涉及的主要控制參數(shù)為加速度響應(yīng)延遲時(shí)間、加速度穩(wěn)態(tài)誤差、加速度超調(diào)量、加速度階躍響應(yīng)時(shí)間等。

3.5 交互系統(tǒng)

L3級(jí)別自動(dòng)駕駛保留了駕駛員的方向盤、油門、制動(dòng)踏板等原件，需要在手動(dòng)駕駛與自動(dòng)駕駛中切換，其控制主要分為緊急條件接管與整車流程接管。緊急接管流程由駕駛員遇到緊急情況接管方向盤，如剎車，或急停開關(guān)，或自動(dòng)駕駛模式切換按鈕等實(shí)現(xiàn)。顯示界面注入自動(dòng)駕駛UI與感知地圖。

4 多融合感知系統(tǒng)

4.1 感知方案綜述

采用多源感知的融合方案，能有效避免單個(gè)傳感器因性能問題或故障報(bào)警而導(dǎo)致感知缺陷，從而避免安全事故。決策與規(guī)劃子系統(tǒng)是感知子系統(tǒng)和執(zhí)行子系統(tǒng)間的銜接層。首先，接收多傳感器（攝像頭模塊、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等）獲取的車輛周圍障礙物的相對(duì)位置、相對(duì)速度、車道線、限速標(biāo)識(shí)等信息，然后對(duì)障礙物信息進(jìn)行融合、過濾。接收組合慣導(dǎo)獲取的實(shí)時(shí)高精度定位、航向等信息，結(jié)合全局速度規(guī)劃，進(jìn)行速度曲線最優(yōu)化求解和速度跟蹤控制，發(fā)出縱向控制指令。傳感器性能分析見表4。

安裝傳感器時(shí)，需要確保它們的相對(duì)位置和朝向符合設(shè)計(jì)規(guī)范，以便后續(xù)的校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)融合。對(duì)攝像頭進(jìn)行畸變矯正和焦距校準(zhǔn)，以準(zhǔn)確測(cè)量像素和實(shí)際物體之間的關(guān)系［2］。對(duì)于雷達(dá)，檢查和校準(zhǔn)其范圍和精度，確保測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

外部校準(zhǔn)時(shí)，確定各傳感器相對(duì)于車輛坐標(biāo)系的確切位置和朝向。使用標(biāo)定工具來測(cè)量和調(diào)整傳感器相對(duì)于車輛的具體位置［3］。

同時(shí)，還需要考慮洗掃車本身的工作特性，定義感知系統(tǒng)需求，使用場景需求特性如下：

a.低速動(dòng)態(tài)性：車速≤15 km/h，需高頻率（≥20 Hz）更新感知數(shù)據(jù)。

b.路沿貼合需求：掃盤需與路沿保持5 cm精度，需毫米級(jí)障礙物定位。

c.環(huán)境干擾：掃盤旋轉(zhuǎn)離心力、噴水水霧可能污染傳感器。

d.典型障礙物：垃圾袋、臨時(shí)錐桶、低矮路緣石（高度lt;10 cm）。

4.2 算法選擇依據(jù)

a.卡爾曼濾波（KF）：用于動(dòng)態(tài)障礙物軌跡預(yù)測(cè)，結(jié)合毫米波雷達(dá)速度信息與激光雷達(dá)位置信息。

b.深度學(xué)習(xí)多模態(tài)融合：基于PointNet++與YOLOv5的混合網(wǎng)絡(luò)，處理激光雷達(dá)點(diǎn)云與攝像頭圖像的特征級(jí)融合。

c.粒子濾波（PF）：針對(duì)水霧干擾下的傳感器噪聲抑制，通過重采樣優(yōu)化置信度分布。

4.3 算法優(yōu)化策略

a.硬件同步：采用PTP（精確時(shí)間協(xié)議）實(shí)現(xiàn)傳感器微秒級(jí)同步。

b.運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償：基于IMU數(shù)據(jù)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行位姿插值，補(bǔ)償車身振動(dòng)，公式如下：

P_corrected=R（Δθ）?P_raw+ΔdP_corrected?=R（Δθ）?P_raw?+Δd" " "（1）

式中，Δθ為角位移；Δd為線位移，由IMU積分計(jì)算。

c.掃盤干擾屏蔽。

d.幾何過濾：在點(diǎn)云中預(yù)設(shè)掃盤機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)包絡(luò)線，剔除半徑1.5 m內(nèi)的動(dòng)態(tài)點(diǎn)。

e.語義分割：訓(xùn)練輕量化UNet模型識(shí)別噴水水霧區(qū)域，在圖像中標(biāo)記為無效感知區(qū)。

f.路沿特征增強(qiáng)。

g.邊緣檢測(cè)優(yōu)化：在激光雷達(dá)點(diǎn)云中提取垂直梯度突變點(diǎn)，擬合路沿曲線。

h.多傳感器投票機(jī)制：若攝像頭檢測(cè)到車道線而激光雷達(dá)未識(shí)別路沿，觸發(fā)超聲波雷達(dá)二次驗(yàn)證。

4.4 測(cè)試標(biāo)定

障礙物類別選取常見的車輛、行人、兒童、錐桶、水馬、柵欄、騎行人為測(cè)試對(duì)象，打開標(biāo)定工具并連接車端網(wǎng)絡(luò)，查看兩激光雷達(dá)點(diǎn)云平移誤差值及角度誤差值；啟動(dòng)雷達(dá)及相機(jī)程序，擺放錐桶障礙物至激光雷達(dá)及相機(jī)重疊區(qū)域，查看相機(jī)與激光雷達(dá)對(duì)障礙物探測(cè)的像素誤差；打開后臺(tái)啟動(dòng)四個(gè)激光雷達(dá)點(diǎn)云輸出時(shí)間日志，查看融合后數(shù)據(jù)之間的時(shí)間偏差值。注意以下幾點(diǎn)：

a.測(cè)試車輛不能存在感知類別錯(cuò)誤；b.測(cè)試車輛在無遮擋狀態(tài)下，不得存在未識(shí)別到目標(biāo)物；c.測(cè)試車輛在無遮擋狀態(tài)下，不得存在目標(biāo)物位置感知錯(cuò)誤；d.車身周圍目標(biāo)障礙無盲區(qū)感知，無碰撞風(fēng)險(xiǎn)；e.前向最大感知距離滿足設(shè)計(jì)要求；f.周界最大感知距離滿足設(shè)計(jì)要求；g.傳感器之間的標(biāo)定或時(shí)間偏差（誤差）小于設(shè)計(jì)要求。

5 上裝控制部分

自動(dòng)駕駛洗掃車的上裝控制，主要為上裝掃盤工作包括清掃、清洗、停掃等指令。上裝控制器通過CAN網(wǎng)絡(luò)與決策控制器溝通，執(zhí)行決策控制器的指令即可。云平臺(tái)可以遠(yuǎn)程調(diào)用車輛、規(guī)劃目標(biāo)路線、開啟關(guān)閉掃盤、查看車輛動(dòng)態(tài)。

6 自動(dòng)駕駛測(cè)試部分

自動(dòng)駕駛測(cè)試部分涵蓋項(xiàng)目主要包含功能調(diào)試、自動(dòng)駕駛平順性調(diào)試、感知范圍測(cè)試。模擬在廠區(qū)內(nèi)部示范運(yùn)營，模擬仿真主要包含：貼邊清掃場景，自動(dòng)避障場景，精準(zhǔn)停車測(cè)試場景（自動(dòng)加水點(diǎn)），自動(dòng)調(diào)頭等、交通信號(hào)燈的識(shí)別與響應(yīng)、障礙物的識(shí)別及響應(yīng)，行人、非機(jī)動(dòng)車和機(jī)動(dòng)車的識(shí)別及響應(yīng)，停車、功能檢測(cè)及響應(yīng)能力、人工操作接管，百公里人工接管次數(shù)測(cè)試等。目前在環(huán)衛(wèi)行業(yè)內(nèi)，由政府主導(dǎo)的深圳市全球人工智能清掃機(jī)器人大賽設(shè)計(jì)的測(cè)試場景包括環(huán)衛(wèi)掃地機(jī)器人的測(cè)試場景（僅限于小型環(huán)衛(wèi)車），長沙、北京等中汽研實(shí)驗(yàn)場地陸續(xù)發(fā)布了國家智能網(wǎng)聯(lián)汽車（長沙）測(cè)試區(qū)-智能清掃車測(cè)試規(guī)程等，可以取得自動(dòng)駕駛牌照，支撐自動(dòng)駕駛環(huán)衛(wèi)車輛的合法運(yùn)營。

7 結(jié)語

本研究圍繞自動(dòng)駕駛洗掃車的無人化作業(yè)需求，構(gòu)建了集底盤控制、上裝作業(yè)、智能感知與通訊交互與智能決策、系統(tǒng)測(cè)試于一體的完整技術(shù)體系。通過對(duì)四大核心系統(tǒng)（底盤控制、上裝控制、通訊系統(tǒng)、智能控制）的深度研發(fā)與協(xié)同優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了從環(huán)境感知、決策規(guī)劃到執(zhí)行控制的全流程自動(dòng)化，為城市環(huán)衛(wèi)作業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型提供了系統(tǒng)性解決方案。隨著技術(shù)迭代與標(biāo)準(zhǔn)體系的完善，無人化環(huán)衛(wèi)車將逐步從 “替代人力” 走向 “賦能城市”，成為智慧城市建設(shè)中高效、安全、綠色的環(huán)衛(wèi)新基建。

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作者簡介：

施宇杰，男，1994年生，工程師，研究方向?yàn)檎囯姎狻?/p>