管 欣,崔文鋒,賈 鑫,洪 峰,陳永尚

(吉林大學(xué)，汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022)

2016211

智能實(shí)驗(yàn)汽車(chē)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)*

管 欣,崔文鋒,賈 鑫,洪 峰,陳永尚

(吉林大學(xué)，汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022)

針對(duì)在量產(chǎn)車(chē)基礎(chǔ)上增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)改裝成的具有自主駕駛功能的智能汽車(chē)，提出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能要求，并為各輔助操控機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一整套解決方案。采用MicroAutoBox作為執(zhí)行控制器，以實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的集成。針對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的強(qiáng)非線性，提出了基于壓力外環(huán)的主缸壓力控制策略?；贚abWindows開(kāi)發(fā)了智能車(chē)遠(yuǎn)程監(jiān)控界面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)精度較高、響應(yīng)較快、功能全面，能較好地滿(mǎn)足智能汽車(chē)實(shí)驗(yàn)要求。

智能車(chē)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)；主缸壓力控制；遠(yuǎn)程監(jiān)控

前言

在智能汽車(chē)技術(shù)研究中，開(kāi)展實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證感知系統(tǒng)和控制策略的重要手段。當(dāng)前智能車(chē)技術(shù)還處在研究階段，市場(chǎng)上還沒(méi)有能夠直接用于研究智能駕駛的車(chē)輛。因此，基于普通量產(chǎn)車(chē)加裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自主駕駛是一個(gè)重要途徑。執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為智能駕駛系統(tǒng)決策得出目標(biāo)控制量的最終執(zhí)行者，其執(zhí)行效果直接影響整體性能，是實(shí)現(xiàn)智能駕駛的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。

目前，多數(shù)關(guān)于智能車(chē)的研究都將重點(diǎn)放在感知和控制策略上，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其性能研究較少。文獻(xiàn)[2]中實(shí)施了油門(mén)、制動(dòng)、方向和擋位的控制，利用EPS助力電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的控制，但該電機(jī)提供的轉(zhuǎn)向力矩有限，不滿(mǎn)足所有工況的轉(zhuǎn)向需求。文獻(xiàn)[3]中提出了包括燈光和喇叭等在內(nèi)的整套改裝方案，但方案占用駕駛室空間較大，存在加裝的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)逆效率低的問(wèn)題。國(guó)外對(duì)智能車(chē)研究較為深入，多采用合作方式，整車(chē)廠開(kāi)放控制接口，由原車(chē)的ECU和執(zhí)行器等實(shí)現(xiàn)自主駕駛。國(guó)內(nèi)近年也出現(xiàn)校企聯(lián)合研究智能車(chē)的實(shí)例[4]，但普及率不高。在汽車(chē)場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)用駕駛機(jī)器人領(lǐng)域，也有實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛的駕駛機(jī)器人[5]，這類(lèi)系統(tǒng)控制精度高，但多采用在駕駛室安裝的方案，占用空間大，且控制機(jī)構(gòu)少。

本文中針對(duì)基于量產(chǎn)車(chē)改裝成智能車(chē)這一思路，提出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能需求，進(jìn)而對(duì)汽車(chē)各個(gè)操控機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一套完整解決方案。采用MicroAutoBox作為執(zhí)行控制器，實(shí)現(xiàn)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的集成。針對(duì)汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的強(qiáng)非線性，提出了制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)基于位置內(nèi)環(huán)主缸壓力外環(huán)的控制策略。為對(duì)智能車(chē)進(jìn)行監(jiān)控和實(shí)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)了一套用于遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制介入的監(jiān)控界面程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)滿(mǎn)足功能需求，具有較高控制精度和響應(yīng)速度。

1 功能定義與總體方案

1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能定義

智能駕駛技術(shù)要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)具備以下功能。

系統(tǒng)獨(dú)立：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不依賴(lài)上層控制器而能實(shí)時(shí)獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)，不會(huì)因上層控制系統(tǒng)的故障而失效。

功能完備：能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車(chē)輛各個(gè)必要操縱系統(tǒng)的改裝，實(shí)現(xiàn)完備的控制，滿(mǎn)足各種智能駕駛實(shí)驗(yàn)需求。

接口開(kāi)放：能對(duì)上層控制器開(kāi)放接口和協(xié)議，并允許對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置，如只研究縱向控制時(shí)可以關(guān)閉對(duì)方向的控制。

高性能：對(duì)車(chē)輛操控效果有關(guān)鍵影響的系統(tǒng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)要具有較高的控制精度和響應(yīng)速度，如轉(zhuǎn)向和制動(dòng)的控制，既要快速又要準(zhǔn)確。

安全可靠：加裝的執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)原車(chē)性能影響要小，不能降低車(chē)輛可靠性；執(zhí)行機(jī)構(gòu)要有多套急停裝置，且能實(shí)施遠(yuǎn)程遙控急停。

人機(jī)協(xié)調(diào)：改裝后的車(chē)輛，既要能實(shí)施自主駕駛，也要保留正常駕駛功能；自主駕駛時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)要能識(shí)別駕駛員操作并允許駕駛員隨時(shí)介入對(duì)汽車(chē)的控制；執(zhí)行機(jī)構(gòu)占用駕駛室空間要小，不妨礙人的正常操作，同時(shí)兼顧美觀。

1.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)總體方案

基于以上需求分析，設(shè)計(jì)的智能車(chē)執(zhí)行機(jī)構(gòu)總體方案如圖1所示。

采用MicroAutoBox作為執(zhí)行控制器，它具有接口多、運(yùn)行實(shí)時(shí)和開(kāi)發(fā)方便的特點(diǎn)，可以直接把Simulink模型生成實(shí)時(shí)代碼下載到控制器中運(yùn)行。執(zhí)行控制器與上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)通信。各個(gè)執(zhí)行子系統(tǒng)分別通過(guò)電機(jī)或電路實(shí)現(xiàn)，它們通過(guò)CAN總線或IO接口與MicroAutoBox相連。為實(shí)現(xiàn)正常駕駛與自主駕駛模式的切換，加入了切換開(kāi)關(guān)。為保證安全，在車(chē)內(nèi)外布置了多個(gè)急停開(kāi)關(guān)。為從車(chē)外對(duì)智能車(chē)進(jìn)行操控介入和急停，加入了遙控器。為實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控，加入了4G模塊并開(kāi)發(fā)了遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和中心服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)與自主車(chē)的實(shí)時(shí)通信。為利用車(chē)輛本身的傳感信息和狀態(tài)信息，將車(chē)載CAN總線接到執(zhí)行控制器中。

圖1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)總體架構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供了駕駛員手動(dòng)駕駛、自主駕駛、遙控駕駛和監(jiān)控平臺(tái)遠(yuǎn)程控制4種模式。不同模式優(yōu)先級(jí)不同，自主駕駛模式優(yōu)先級(jí)最低，可以隨時(shí)切換到其它駕駛模式，以保證安全。

2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)

2.1 轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施對(duì)車(chē)輛的方向控制，對(duì)機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度和控制精度要求高。文獻(xiàn)[5]中提到的ABD轉(zhuǎn)向機(jī)器人采用轉(zhuǎn)矩電機(jī)不加減速機(jī)構(gòu)直接控制轉(zhuǎn)向盤(pán)，這種設(shè)計(jì)對(duì)原車(chē)結(jié)構(gòu)和性能影響最小，但安裝復(fù)雜，占用空間大。本文中設(shè)計(jì)出利用空心軸轉(zhuǎn)矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向柱的方案。電機(jī)套裝在轉(zhuǎn)向柱末端，安裝狀況如圖2所示。由于沒(méi)有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，不存在逆效率問(wèn)題和傳動(dòng)間隙問(wèn)題，具有最佳的控制效果。同時(shí)不占用駕駛空間，不影響駕駛員的操作。所選擇的轉(zhuǎn)矩電機(jī)能夠提供最大10N·m的轉(zhuǎn)矩，滿(mǎn)足控制需求。

圖2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)安裝狀況

電機(jī)控制采用基于位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的串級(jí)控制方式[6]，位置環(huán)采用比例控制，速度環(huán)和電流環(huán)采用PI控制?？刂破魍ㄟ^(guò)CANopen與執(zhí)行控制器進(jìn)行通信。對(duì)控制效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，給定轉(zhuǎn)角輸入為60°階躍信號(hào)時(shí)的響應(yīng)效果如圖3所示。從圖中可以看出，所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以快速、精確地響應(yīng)目標(biāo)指令，經(jīng)約100ms即可達(dá)到目標(biāo)位置，穩(wěn)態(tài)誤差為零，可滿(mǎn)足智能駕駛對(duì)制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的需求。

2.2 制動(dòng)子系統(tǒng)

制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)于保證安全起關(guān)鍵作用。因此要求制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可靠性高，系統(tǒng)能提供最大的制動(dòng)力滿(mǎn)足緊急制動(dòng)的需求，加裝的執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能影響原車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)性能，且要保證駕駛員可隨時(shí)介入對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)緊急停車(chē)。

文獻(xiàn)[7]～文獻(xiàn)[9]中提出用電子真空助力器(EVB)施加制動(dòng)的方案。但EVB響應(yīng)較慢，且存在較大非線性，不能滿(mǎn)足對(duì)制動(dòng)響應(yīng)速度的要求。文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]中提出一種利用電磁閥控制的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)占用空間小，但對(duì)原車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)做出了較大的改動(dòng)，不利于原車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和安全性。文獻(xiàn)[12]中提出利用電機(jī)帶動(dòng)繞線器拉動(dòng)制動(dòng)踏板的方案，但占用駕駛室空間。

圖4 制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖

本文中分析了制動(dòng)系統(tǒng)模型，提出用電動(dòng)缸通過(guò)拉線拉動(dòng)制動(dòng)踏板施加制動(dòng)控制，并通過(guò)主缸壓力反饋形成控制閉環(huán)的方案。電動(dòng)缸安裝在車(chē)輛地板下方，通過(guò)滑輪改變拉線方向最終拉動(dòng)制動(dòng)踏板，如圖4所示。該方案不占用駕駛室空間，在制動(dòng)主缸與ESP控制器之間安裝壓力傳感器以采集主缸壓力。拉線采用軟質(zhì)鋼絲，在自主駕駛時(shí)，駕駛員可隨時(shí)介入制動(dòng)控制。

2.2.1 制動(dòng)系統(tǒng)模型

制動(dòng)力矩與制動(dòng)壓力成正比[13]，即

Tb=Kbpw,des

(1)

式中：Tb為制動(dòng)力矩；Kb為比例系數(shù)；pw,des為目標(biāo)制動(dòng)壓力。

忽略輪缸的非線性和動(dòng)態(tài)特性，以及制動(dòng)管路的特性，可認(rèn)為在低頻下，制動(dòng)主缸壓力等于制動(dòng)壓力，即

(2)

式中pmc,des為主缸壓力。

不考慮制動(dòng)踏板回位彈簧的影響時(shí)，可將制動(dòng)踏板簡(jiǎn)化成杠桿模型，即

Fp=FbL1/L3

(3)

式中：Fp為真空助力器控制閥推桿推力；Fb為制動(dòng)踏板力；L1為踏板輸入力到支點(diǎn)的距離；L3為真空助力器控制閥推桿到支點(diǎn)距離。

真空助力器控制閥推桿位移與控制閥推桿推力的關(guān)系[14]為

(4)

式中：x為真空助力器控制閥推桿位移；xvb_free為真空助力的空行程；Fcut_in為始動(dòng)力；Fvb_first為真空助力控制閥推桿回位彈簧預(yù)緊力。

圖5 制動(dòng)踏板力和主缸壓力與踏板位移的關(guān)系曲線

由于真空助力器存在較強(qiáng)的遲滯特性[15]，使制動(dòng)踏板位移與制動(dòng)踏板力之間也存在遲滯特性，實(shí)驗(yàn)測(cè)得該對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5(a)所示。這種特性使得控制難度增大，普通控制器無(wú)法取得較好的控制效果，而實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)踏板位移與制動(dòng)主缸壓力之間的關(guān)系比較接近單調(diào)特性，如圖5(b)所示。

2.2.2 制動(dòng)控制策略

為給上層控制器提供一個(gè)線性被控對(duì)象，根據(jù)式(2)，選擇制動(dòng)主缸壓力為閉環(huán)控制對(duì)象。根據(jù)圖5(b)所示主缸壓力與踏板位置之間的單調(diào)函數(shù)關(guān)系，采用主缸壓力閉環(huán)包容位置環(huán)的串級(jí)控制結(jié)構(gòu)[16]?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器結(jié)構(gòu)

控制器輸入為目標(biāo)主缸壓力，主缸壓力控制器采用PID控制，控制器輸出為制動(dòng)踏板速度，經(jīng)過(guò)積分變成目標(biāo)踏板位置。位置控制器及其內(nèi)部采用與轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)相同的三環(huán)控制方法。

對(duì)制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，用階躍信號(hào)作為制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入,通過(guò)對(duì)比期望壓力與實(shí)際制動(dòng)壓力來(lái)驗(yàn)證輔助制動(dòng)系統(tǒng)性能。圖7為實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線。由圖可見(jiàn)，制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可快速、精確地響應(yīng)制動(dòng)指令,大約100ms即可達(dá)到目標(biāo)壓力，200ms即可穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差為零，可滿(mǎn)足智能駕駛對(duì)制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的需求。

圖7 主缸壓力階躍響應(yīng)曲線

2.3 油門(mén)子系統(tǒng)

改裝的SUV使用電子節(jié)氣門(mén)，它傳給發(fā)動(dòng)機(jī)的信號(hào)是與踏板位移呈線性關(guān)系的兩路模擬電壓信號(hào)。據(jù)此特性，只要能提供適當(dāng)模擬電壓給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU即可實(shí)現(xiàn)對(duì)油門(mén)的控制。文獻(xiàn)[17]中提出一種用單片機(jī)模擬踏板位移量的方案，但該方案未考慮保留原車(chē)電子節(jié)氣門(mén)正常駕駛功能。本文中采用在加速踏板位置傳感器輸出端與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU之間增加多路切換器的方案，如圖8所示。

圖8 油門(mén)執(zhí)行電路示意圖

當(dāng)使能端為高電平時(shí)，油門(mén)執(zhí)行電路的多路切換器切換到執(zhí)行控制器模擬電壓輸出端口，執(zhí)行控制器改變電壓值相當(dāng)于改變加速踏板位移，因此可實(shí)現(xiàn)自主駕駛。使能端為低電平或執(zhí)行機(jī)構(gòu)不工作時(shí)，多路切換器切換到加速踏板輸出端，此時(shí)為手動(dòng)駕駛模式。

采用電壓比較器作為邏輯部件，它采集加速踏板輸出信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到踏板被踩下時(shí)，邏輯組件將多路切換器切換到加速踏板傳感器一端，實(shí)現(xiàn)駕駛員控制的介入。

2.4 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)

因SUV采用自動(dòng)變速器，且擋桿只做一個(gè)方向推拉運(yùn)動(dòng)，故通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)曲柄連桿與擋桿構(gòu)成四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)擋位的控制，如圖9所示。為了美觀和不占用駕駛室空間，執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在中央扶手箱的杯座下方空間中，而杯座則改裝成電源和USB接口的插座，從駕駛室看不到換擋機(jī)構(gòu)的存在。由于步進(jìn)電機(jī)不經(jīng)減速器直接帶動(dòng)換擋手柄，所以逆效率高，不影響駕駛員的換擋操作。

圖9 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2.5 輔助操控機(jī)構(gòu)

所改裝的SUV采用無(wú)鑰匙起動(dòng)系統(tǒng)，駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)為電子駐車(chē)。它們操作按鈕內(nèi)部電路都是簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)。因此通過(guò)在原車(chē)線束上并聯(lián)繼電器，由執(zhí)行控制器通過(guò)DO信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)火和駐車(chē)制動(dòng)的控制。同理，電子駐車(chē)、轉(zhuǎn)向燈、喇叭、雙閃和遠(yuǎn)近閃光的控制也都是通過(guò)類(lèi)似的方式在控制電路上關(guān)聯(lián)繼電器實(shí)現(xiàn)無(wú)人控制。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)

監(jiān)控平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)車(chē)輛遠(yuǎn)程控制介入、狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視和數(shù)據(jù)記錄等功能[18]。本文中采用LabWindows軟件開(kāi)發(fā)控制界面程序，如圖10所示。該程序能實(shí)現(xiàn)模式選擇、車(chē)輛信息顯示、遠(yuǎn)程急停和遠(yuǎn)程控制功能。該程序與執(zhí)行控制器之間通過(guò)固定IP的中心服務(wù)器中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人車(chē)與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的通信[19]。

圖10 遠(yuǎn)程監(jiān)控界面

4 總體控制策略

在Simulink下開(kāi)發(fā)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的總體控制程序。通過(guò)RTI模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信、CAN通信和IO控制。通過(guò)StateFlow實(shí)現(xiàn)不同控制模式之間的切換控制和急?？刂?，切換邏輯如圖11所示。

圖11 駕駛模式切換邏輯

5 結(jié)論

本文中在量產(chǎn)汽車(chē)的基礎(chǔ)上改裝成可自主駕駛的智能汽車(chē)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分析了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能需求，并提出一套完整的解決方案。

所有加裝機(jī)構(gòu)均不影響車(chē)輛正常駕駛，也不占用駕駛室空間，并全部實(shí)現(xiàn)隱蔽安裝，看不出改裝痕跡。

針對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)存在強(qiáng)非線性和遲滯特性的特點(diǎn)，提出基于主缸壓力外環(huán)、位置內(nèi)環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。對(duì)智能駕駛系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，制動(dòng)系統(tǒng)變成一個(gè)線性被控對(duì)象，簡(jiǎn)化了上層控制的復(fù)雜度。

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Design of Actuators for Experimental Intelligent Vehicle

Guan Xin, Cui Wenfeng, Jia Xin, Hong Feng & Chen Yongshang

JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130022

The functional requirements of actuators are proposed for an intelligent vehicle with autonomous driving function retrofitted by adding actuators on a mass-produced vehicle, and a complete set of solving scheme for all auxiliary handling mechanisms is designed. MicroAutoBox is used as actuator controller to fulfill the integration of actuators. In view of the strong nonlinearity of brake system, a control strategy for master cylinder pressure is put forward based on pressured outer ring, and a remote monitoring interface for intelligent vehicle is developed based on LabWindows. The results of experiments show that the actuators designed have higher accuracy, quicker response and all-around functions and can better meet the requirements of intelligent vehicle experiments.

intelligent vehicle; actuators; master cylinder pressure control; remote monitoring

*教育部長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT0626)資助。

原稿收到日期為2016年3月30日，修改稿收到日期為2016年6月6日。