一種八輪車(chē)電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)及其軟硬件實(shí)現(xiàn)

周慧強(qiáng)， 熊璐

（同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車(chē)工程中心，上海 201804）

0 引 言

自主導(dǎo)航車(chē)輛是具有先進(jìn)的傳感技術(shù)，不需要駕駛員可自主導(dǎo)航行走的車(chē)輛［1］。隨著自主導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展及對(duì)自主導(dǎo)航車(chē)輛的需求，自主導(dǎo)航車(chē)輛的應(yīng)用越來(lái)越廣，在軍用和民用方面都得到了大力的發(fā)展。在軍用方面，為了降低人員傷亡，美國(guó)、以色列、英國(guó)、德國(guó)、日本和俄羅斯等國(guó)家都在積極研制各種軍用無(wú)人自主車(chē)輛，已有許多車(chē)型裝備使用［2-6］。本文將介紹一種無(wú)人控制八輪車(chē)的電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)，使其能自適應(yīng)各種復(fù)雜路況。

1 整車(chē)電氣架構(gòu)

該無(wú)人控制八輪車(chē)包含無(wú)人控制計(jì)算機(jī)，整車(chē)控制器，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，變速器TCU等控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整車(chē)的控制。具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 整車(chē)的電氣構(gòu)架

其中無(wú)人控制器計(jì)算機(jī)主要用于車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制，通過(guò)對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行感知，規(guī)劃行車(chē)路徑。獲得行車(chē)路徑后，無(wú)人控制計(jì)算機(jī)通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)將行車(chē)信息（包括縱向加速度和轉(zhuǎn)向半徑等）發(fā)送給整車(chē)控制器，整車(chē)控制器根據(jù)這些信息進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)控制，同時(shí)整車(chē)控制器還完成一些車(chē)輛的一些基本管理，如車(chē)輛的啟停和電池電壓檢測(cè)等功能。

無(wú)人車(chē)的路徑規(guī)劃問(wèn)題暫不在本文討論，本文將主要探討基于以上架構(gòu)的整車(chē)管理以及動(dòng)力學(xué)控制的問(wèn)題。

2 整車(chē)管理

鑰匙開(kāi)關(guān)打到ON擋，VCU和除主控之外的其它控制器完成上電。VCU通用功能模塊開(kāi)始工作，VCU完成必要的初始化工作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低壓電源監(jiān)測(cè)、傳感器信號(hào)處理、EMS熄火控制、CAN通訊、故障診斷等功能。除了完成上述基本功能，整車(chē)控制器在滿(mǎn)足一定條件的情況下，無(wú)人控制計(jì)算機(jī)上電并開(kāi)始工作，主控與VCU正常通訊，在滿(mǎn)足一定條件的情況下，無(wú)人控制功能模塊使能，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火控制、發(fā)動(dòng)機(jī)熄火控制、擋位選擇控制、換擋控制、駐車(chē)制動(dòng)控制、緊急制動(dòng)控制、無(wú)人動(dòng)力學(xué)控制和附件控制等功能。

為了清晰系統(tǒng)地描述本功能模塊，結(jié)合車(chē)輛系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，將車(chē)輛工作模式劃分為停機(jī)模式、駐車(chē)制動(dòng)模式、怠速運(yùn)轉(zhuǎn)模式、行車(chē)模式、倒車(chē)模式、緊急制動(dòng)模式和原地轉(zhuǎn)向模式。其中，行車(chē)模式包括加減速和轉(zhuǎn)向，倒車(chē)模式包括倒車(chē)加減速和轉(zhuǎn)向。根據(jù)實(shí)際駕駛情況，各模式之間存在如圖2所示的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

圖2 模式切換關(guān)系

各工作模式之間的切換需滿(mǎn)足一定的條件。根據(jù)實(shí)際駕駛需求，可能存在的模式切換包括：停機(jī)模式切換怠速運(yùn)轉(zhuǎn)模式、怠速運(yùn)轉(zhuǎn)模式切換駐車(chē)制動(dòng)模式、駐車(chē)制動(dòng)模式切換停機(jī)模式、怠速運(yùn)轉(zhuǎn)模式切換行車(chē)模式、行車(chē)模式切換怠速運(yùn)轉(zhuǎn)模式、怠速運(yùn)轉(zhuǎn)模式切換原地轉(zhuǎn)向模式、原地轉(zhuǎn)向模式切換怠速模式、怠速運(yùn)轉(zhuǎn)模式切換倒車(chē)模式、倒車(chē)模式切換怠速運(yùn)轉(zhuǎn)模式、行車(chē)模式切換緊急制動(dòng)模式、緊急制動(dòng)模式切換行車(chē)模式、原地轉(zhuǎn)向模式切換緊急制動(dòng)模式、緊急制動(dòng)模式切換原地轉(zhuǎn)向模式、倒車(chē)模式切換緊急制動(dòng)模式、緊急制動(dòng)模式切換倒車(chē)模式、緊急制動(dòng)模式切換怠速運(yùn)轉(zhuǎn)模式、原地轉(zhuǎn)向模式切換行車(chē)模式、原地轉(zhuǎn)向模式切換倒車(chē)模式、行車(chē)模式切換原地轉(zhuǎn)向模式、倒車(chē)模式切換原地轉(zhuǎn)向模式、行車(chē)模式切換倒車(chē)模式、倒車(chē)模式切換行車(chē)模式。

3 動(dòng)力學(xué)控制

無(wú)人控制八輪車(chē)能夠在野外復(fù)雜的環(huán)境下基于自身的視覺(jué)、紅外等傳感器設(shè)備來(lái)感知環(huán)境，并根據(jù)GPS等導(dǎo)航、定位系統(tǒng)提供的地形信息，由決策系統(tǒng)自主地規(guī)劃好路徑并實(shí)現(xiàn)安全可靠行駛。其中，動(dòng)力學(xué)控制器的主要作用就是根據(jù)上層決策系統(tǒng)提供的路徑信息（這里主要是運(yùn)動(dòng)學(xué)控制器提供的車(chē)輛行駛需求的縱向車(chē)速和橫擺角速度）來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的穩(wěn)定行駛。整體控制構(gòu)架如圖3所示。

圖3 整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于該無(wú)人控制八輪車(chē)是一款差動(dòng)轉(zhuǎn)向輪式車(chē)輛，且擁有獨(dú)立的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)——機(jī)械液壓差動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置，通過(guò)該裝置發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)力傳送給車(chē)輪來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向；而車(chē)輛的直駛是發(fā)動(dòng)機(jī)直接將動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)傳送給車(chē)輪?？紤]到這種特點(diǎn)，從整車(chē)的角度控制車(chē)輛的難度較大，對(duì)車(chē)輛的控制被下放到對(duì)車(chē)輪的輪速進(jìn)行控制。但是又由于機(jī)械液壓差動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置將車(chē)輛的左右側(cè)車(chē)輪相耦合，使得兩側(cè)車(chē)輪又不能獨(dú)立控制，車(chē)輪控制系統(tǒng)將是一個(gè)雙執(zhí)行器系統(tǒng)。因此，為了避免這兩種系統(tǒng)的響應(yīng)帶寬相差太大，影響動(dòng)力學(xué)控制器的穩(wěn)定性，這里開(kāi)發(fā)的動(dòng)力學(xué)控制器將對(duì)車(chē)輛進(jìn)行解耦，分別對(duì)轉(zhuǎn)向和直駛進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 建模與仿真

根據(jù)上述整車(chē)管理構(gòu)架和動(dòng)力學(xué)控制構(gòu)架，搭建了整車(chē)管理simulink/stateflow模型和動(dòng)力學(xué)控制算法simulink模型，如圖4、圖5所示。

為了驗(yàn)證整車(chē)管理策略以及車(chē)輛運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，同時(shí)也建立了整車(chē)模型，如圖6所示。

圖4 整車(chē)管理stateflow模型

圖5 整車(chē)運(yùn)動(dòng)學(xué)算法模型

圖6 整車(chē)模型

仿真實(shí)驗(yàn)：這里主要驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的動(dòng)力學(xué)控制算法能夠跟蹤上主控要求的車(chē)輛行駛需求的縱向車(chē)速和橫擺角速度。從仿真圖中可以看出車(chē)輛控制算法能夠很好地跟蹤無(wú)人控制計(jì)算機(jī)給定的目標(biāo)車(chē)速和目標(biāo)橫擺角速度。從而在軟件仿真環(huán)節(jié)驗(yàn)證了整車(chē)動(dòng)力學(xué)控制算法的正確性。

5 硬件在環(huán)測(cè)試

在整車(chē)控制的開(kāi)發(fā)流程中我們采用了自動(dòng)代碼生成技術(shù)，將通過(guò)仿真驗(yàn)證的控制策略模型與算法模型自動(dòng)生成控制器可以直接燒錄的代碼。由于仿真并不能驗(yàn)證算法生成代碼后運(yùn)行的狀況，而且對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的CAN通信也無(wú)法經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證，所以我們需要將算法生成代碼，燒錄到控制器中進(jìn)行硬件在環(huán)試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證在近似真實(shí)的情況下算法和通信的運(yùn)行狀況。對(duì)于硬件在環(huán)測(cè)試，我們的基本思路是通過(guò)兩個(gè)控制器（分別為車(chē)輛模型控制器和整車(chē)控制模型控制器）進(jìn)行試驗(yàn)，其中車(chē)輛模型控制器燒錄整車(chē)模型，整車(chē)控制模型控制器燒錄整車(chē)控制器策略，其中車(chē)輛模型控制器是用于模擬整車(chē)的運(yùn)行控制器，整車(chē)控制模型控制器中燒錄的是真實(shí)的需要用于整車(chē)控制VCU的程序。兩個(gè)控制器之間通過(guò)CAN通信來(lái)交換數(shù)據(jù)。試驗(yàn)臺(tái)如圖8所示。

圖7 控制算法仿真

圖8 硬件在環(huán)測(cè)試臺(tái)

其中上位機(jī)1通過(guò)INCA對(duì)車(chē)輛模型控制器進(jìn)行標(biāo)定觀測(cè)，上位機(jī)2通過(guò)CANape對(duì)整車(chē)控制模型控制器進(jìn)行標(biāo)定觀測(cè)。

對(duì)整車(chē)管理策略調(diào)試：當(dāng)整車(chē)控制器上電后進(jìn)入無(wú)人模式，隨后控制器進(jìn)入初始化，初始化正常后發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)繼電器閉合，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在800 r/min以上持續(xù)10 s，則說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)成功，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入怠速模式。啟動(dòng)繼電器吸合時(shí)間不超過(guò)30 s，圖9是硬件在環(huán)測(cè)試臺(tái)上上位機(jī)2觀測(cè)的數(shù)據(jù)，在各種模式之間設(shè)立了不同的標(biāo)志位（flg），從圖9中可以看出最后標(biāo)志位為301，即代表程序進(jìn)入了怠速模式。從中可以看到發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)邏輯控制策略在整車(chē)控制器中代碼運(yùn)行正確。

圖10表征的是整車(chē)動(dòng)力學(xué)控制的測(cè)試，無(wú)人控制計(jì)算機(jī)給整車(chē)控制器下達(dá)縱向速度指令，在第10 s速度從10 km/h上升到20 km/h，隨后上升到40 km/h，最后降到20 km/h，從CANape觀測(cè)得到的從整車(chē)模型控制器傳來(lái)的車(chē)速信息反饋也能很好地跟隨無(wú)人控制器給定的速度，同時(shí)也可以看到發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩需求的變化，與仿真的結(jié)果相似。

圖9 硬件在環(huán)測(cè)試臺(tái)上上位機(jī)2觀測(cè)的數(shù)據(jù)截圖

圖10 整車(chē)動(dòng)力學(xué)控制的測(cè)試界面

6 結(jié)語(yǔ)

本文較為詳細(xì)地介紹了一種無(wú)人控制八輪車(chē)的架構(gòu)設(shè)計(jì)及其控制策略與控制算法的開(kāi)發(fā)，并對(duì)其控制策略與控制算法進(jìn)行了Simulink仿真，最后通過(guò)硬件在環(huán)試驗(yàn)測(cè)試了控制策略與控制算法在代碼級(jí)別上的正確性。通過(guò)這個(gè)流程明顯縮短了控制算法的開(kāi)發(fā)周期，在工程實(shí)踐中具有明顯優(yōu)勢(shì)。

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