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)汽車制造商也同時在研究自動駕駛系統(tǒng)。自動駕駛汽車是通過計算機操作的汽車[1]。結(jié)合各項高科技技術(shù)，汽車能夠在沒有人的情況下完成自己駕駛，汽車行業(yè)的發(fā)展自然也帶動了人們對于汽車服務的需要。因此，作為汽車主要發(fā)展趨勢的獨創(chuàng)性吸引了制造商的更多關(guān)注。在不久未來，汽車將實現(xiàn)無人駕駛。但伴隨著汽車駕駛率的不斷提高，如何正確評估和驗證自動駕駛汽車系統(tǒng)的性能和智能自動駕駛算法已成為重要的環(huán)節(jié)。

1 智能汽車仿真

仿真是自動駕駛領(lǐng)域的一項相當重要的新技術(shù)，近年來，越來越多的自動駕駛技術(shù)得以運用，仿真作為自動駕駛中的一個重要領(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路況，也大大節(jié)省了實驗的開支；發(fā)展自主仿真軟件可作為行業(yè)研發(fā)的備用系統(tǒng)，當不具備實驗所需的條件時，仿真測試的存在就顯得尤為重要；仿真測試是自動駕駛技術(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，先進行仿真測試，再進行具體試驗[2]。

2 仿真設(shè)計方法

2.1 仿真方法

本設(shè)計的研究方法將基于Ubuntu16.04系統(tǒng)的ROS操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上來展開，充分利用仿真軟件Gazebo來進行虛擬車輛的仿真以及部分自動駕駛功能的實現(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將會在三維空間內(nèi)模擬真實的Velodyne激光雷達產(chǎn)生的波以及當它的波在遇到障礙物時所發(fā)生的方向的改變。這些功能都是Gazebo所不具備的，對于此次設(shè)計來說，Rviz也是不可或缺的一個重要部分。本設(shè)計的主要仿真環(huán)節(jié)將在Gazebo中進行，通過在Ubuntu系統(tǒng)的終端中輸入的相應代碼來一一調(diào)用對應的傳感器，并通過指令來實現(xiàn)在Gazebo中的仿真。還可以通過構(gòu)建環(huán)境地圖來實現(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，應該充分利用DBW車與ROS的連接，因為只有通過DBW通信，才能實現(xiàn)本設(shè)計的最終目的，一輛具有初步自動駕駛功能的仿真汽車，通過相應的指令實現(xiàn)與車輛的通信后，便可使用操縱桿來測試汽車。

2.2 準備工作

本設(shè)計所需的Ubuntu系統(tǒng)既可以在Windows的基礎(chǔ)上安裝虛擬機，也可以安裝雙系統(tǒng)，但由于本設(shè)計的仿真工作將消耗大量內(nèi)存，故性能普通的電腦上安裝虛擬機的方法并不適合本設(shè)計，因其只能分配2核至虛擬機，運行Gazebo軟件過于吃力；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行。

先下載安裝制作工具UltraISO并完成安裝；接著準備一個空白的（USB3.0接口，16GB及以上）U盤；打開安裝好的UltralSO，當彈出對話框時，點繼續(xù)試用；選擇打開頁面；在彈出的文件選擇對話框中找到已經(jīng)下載的Ubuntu16.04 LTS鏡像文件；再通過點擊啟動按鈕，選擇寫入硬盤映像；對剛才的U盤寫入方式進行設(shè)置為USBHDD+，再格式化，再點擊寫入，耐心等待寫入過程結(jié)束后，點擊返回，至此，啟動盤已經(jīng)制作完畢。

再給予Ubuntu一定的空間，再點擊存儲/磁盤管理；在磁盤區(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)閉目標主機，插入啟動盤，再開機，按住F12按鈕進入bios界面，選擇Boot Menu選項，進入界面后選擇Install Ubuntu，開始安裝。

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

3 仿真設(shè)計

3.1 整車參數(shù)

整車基本參數(shù)和目標性能參數(shù)如表1所示。

表1 性能參數(shù)

3.2 驅(qū)動電機的參數(shù)匹配與選型

因永磁同步電機具有功率高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，所以本設(shè)計選擇汽車永磁同步電機。從最高車速和最大爬坡度計算所需的電機峰值功率，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)電機自身的額定轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)速計算出40kw的額定功率，汽車50kw的最大功率是從最大爬坡計算出來的。

3.3 動力電池選型與參數(shù)匹配

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

計算得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個電池組并聯(lián)?？偰芰咳?0kw·h。

3.4 仿真驗證

本文利用Gazebo來開發(fā)完整的電動汽車模型，其中包括動力電池、汽車驅(qū)動器、制動器等模塊。通過本文對車輛類型和駕駛操作的設(shè)計，明確設(shè)計項目，車輛模型以及與車輛模型相對應的零件模型。根據(jù)純電動物流車的標準布局和設(shè)計，選擇兼容的部件模塊，并設(shè)置每個模擬計算模塊的主要參數(shù)。依據(jù)構(gòu)造方案，使用Gazebo和ROS功能對電氣和機械進行連接。完全掌握各部件的傳遞關(guān)系，并根據(jù)這之間的關(guān)系，建立整車的各個部件信號聯(lián)系，最終設(shè)計出整車模型。

在開發(fā)了車輛模型之后，本文標準工況下選擇NEDC循環(huán)工況以模擬和分析所構(gòu)建的模型。在Gazebo工作位置頁面上，在0.01秒內(nèi)設(shè)置模擬步驟，然后選擇標準驅(qū)動程序模型和標準交通模型。在完成設(shè)置任務后，根據(jù)NEDC的工作條件進行了模擬測試。

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

4 結(jié)語

本設(shè)計對自動駕駛汽車及其實現(xiàn)的仿真過程進行了簡單的研究。首先，通過查找資料，了解了自動駕駛汽車的技術(shù)及其歷史，亦知曉了一輛自動駕駛汽車的核心部分。然后，通過查找自動駕駛汽車常用的不同傳感器和部件，確定了本設(shè)計所需要組裝的自動駕駛汽車的方案。最后，著手安裝相關(guān)軟件，并開始在Gazebo中仿真一輛自動駕駛汽車，將其與ROS這一關(guān)鍵目標連接，實現(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，可以為后期的開發(fā)提供參考依據(jù)。