基于CAN總線的專用車輛遙控系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

羅平 鄧云海 鄧希來 延偉

三一汽車制造有限公司 湖南省長(zhǎng)沙市 410100

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化已成為未來車輛的發(fā)展趨勢(shì)。為使工作人員遠(yuǎn)離惡劣、危險(xiǎn)的作業(yè)環(huán)境，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，確保人身安全，本文對(duì)專用車輛遙控技術(shù)進(jìn)行研究，在普通專用車輛（內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)和AT自動(dòng)變速箱）的基礎(chǔ)上，經(jīng)過機(jī)械及電氣化等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單的改造，在不消除專用車輛原先手控能力的基礎(chǔ)上，基于CAN總線分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，無線射頻通信技術(shù)，PID控制技術(shù)，設(shè)計(jì)研發(fā)并改造出一種可用于危險(xiǎn)區(qū)域的偵查和排險(xiǎn)工作等特殊環(huán)境和場(chǎng)合的無線遙控車輛，實(shí)現(xiàn)其遙控和手工駕駛并用。

圖1

2 遙控駕駛車輛系統(tǒng)概述[1]

遙控駕駛車輛系統(tǒng)是由遙控駕駛員、遙控駕駛裝置、車輛構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)方式：被控車輛的運(yùn)行狀態(tài)和前方的景物圖像、位置等環(huán)境信息，由車前攝像裝置、毫米波雷達(dá)等環(huán)境感知器件和GPS等各種傳感器定位融合器件，經(jīng)無線射頻傳輸，在遙控顯示器上顯示。遙控駕駛員依據(jù)這些信息，操作遙控手柄，將駕駛意圖以數(shù)據(jù)代碼的形式通過通信系統(tǒng)傳輸?shù)奖豢剀囕v上的整車控制器，來執(zhí)行對(duì)車輛的最終操縱控制，使車輛按照意圖行駛。如圖1所示：

3 總體設(shè)計(jì)方案

本文所研究的對(duì)象是基于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)以及AT變速箱的專用車輛。

根據(jù)功能需求，對(duì)遙控車輛關(guān)鍵部件進(jìn)行合理選型設(shè)計(jì)以及機(jī)械接口和電氣接口的改造。具體包括轉(zhuǎn)向控制、制動(dòng)控制、換擋控制、油門控制、遙控裝置的方案設(shè)計(jì)、器件選型和改造。整體架構(gòu)基于CAN總線分布式網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。子系統(tǒng)與整車控制器之間交互獨(dú)立進(jìn)行，互不干擾，以增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。為保證控制器對(duì)底層子系統(tǒng)的絕對(duì)控制權(quán)，4個(gè)子控制系統(tǒng)中采用中斷方式接受CAN總線的指令，并將CAN中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置為最高優(yōu)先級(jí)，如圖2：

4 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

4.1 轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)

原車輛采用液壓助力動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，如圖3所示：

遙控轉(zhuǎn)向控制設(shè)計(jì)采用：EPS+HPS集成電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案。在傳統(tǒng)循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的輸入端布置電動(dòng)助力裝置。由集成轉(zhuǎn)角和扭矩傳感器以及電機(jī)的轉(zhuǎn)向油泵、轉(zhuǎn)向控制器、儲(chǔ)油罐、轉(zhuǎn)向器等組成。改造費(fèi)用低，結(jié)構(gòu)變化小，周期短?？刂圃韴D如圖4：

具體實(shí)施過程：操作者通過遙控操作裝置先進(jìn)行遙控和手動(dòng)駕駛模式切換，再發(fā)出轉(zhuǎn)向信號(hào)，通過無線射頻方式發(fā)送，由遙控接收裝置接收，并通過CAN總線傳輸給整車控制器接收，再由其通過CAN總線發(fā)給轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器，由其發(fā)出轉(zhuǎn)向角指令，驅(qū)動(dòng)伺服轉(zhuǎn)向電機(jī)，實(shí)現(xiàn)駕駛轉(zhuǎn)向功能。為保證駕駛安全性，在駕駛員手動(dòng)介入時(shí)，可通過方向盤下方的扭矩傳感器優(yōu)先切換到EPS輔助助力模式，退出遙控模式。 具體聯(lián)調(diào)過程則采取PID控制技術(shù)進(jìn)行車輛轉(zhuǎn)向角和轉(zhuǎn)向響應(yīng)時(shí)間調(diào)整，保證轉(zhuǎn)向的平順性以及快速響應(yīng)。

圖2

圖3

圖4

4.2 制動(dòng)控制系統(tǒng)：

原車上的制動(dòng)系統(tǒng)是一套安裝有ABS系統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)[2]，其工作原理示意框圖如圖五所示，駕駛員踩踏制動(dòng)踏板，產(chǎn)生對(duì)制動(dòng)主缸中制動(dòng)液的壓力，將制動(dòng)液通過制動(dòng)管路壓入車載ABS系統(tǒng)中，ABS系統(tǒng)經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)，產(chǎn)生控制制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力，進(jìn)而使車輛發(fā)生制動(dòng)動(dòng)作。

車輛遙控制動(dòng)有多種方式，比如使用EMB電控制動(dòng)。為方便改造采用直線電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，采用拉線分別與電機(jī)推桿和制動(dòng)踏板連接。遙控駕駛時(shí)，通過遙控器控制直線電機(jī)進(jìn)行動(dòng)作，電機(jī)推桿的縮回和伸出，拉動(dòng)拉線和放松拉線，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)踏板進(jìn)行制動(dòng)和制動(dòng)解除。工作原理如圖6：

遙控駕駛時(shí)，車外人員通過遙控信號(hào)發(fā)生器3發(fā)出制動(dòng)信號(hào)，車內(nèi)的遙控信號(hào)接收器4接收信號(hào)，傳送給整車控制器5，控制器輸出信號(hào)至電機(jī)6，電機(jī)動(dòng)作，推桿縮回，拉動(dòng)鋼絲滑動(dòng)，鋼絲拉動(dòng)踏板下壓，實(shí)現(xiàn)車輛制動(dòng)；反之，電機(jī)推桿推出，制動(dòng)踏板依靠本身的回位功能自行回位，制動(dòng)解除。

4.3 換擋控制系統(tǒng)

目前原車采用AT自動(dòng)變速箱和操縱桿式換檔器，手動(dòng)從N檔進(jìn)到D或者R檔位，再通過變速箱TCM根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)CAN 總線發(fā)送的扭矩要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋。

遙控?fù)Q擋控制：遙控時(shí)，采用繼電器斷開換擋器2#針腳，手動(dòng)換擋器停止工作，再通過整車控制器發(fā)送CAN報(bào)文模擬換檔器發(fā)生信號(hào)和變速箱通訊，實(shí)現(xiàn)遙控前進(jìn)后退。分三種工況實(shí)施換擋：N擋，N擋→D擋或N擋→R擋，D擋→N擋或R擋→N擋。具體檔位變化仍由變速箱TCM依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載扭矩以及油門開度自動(dòng)切換。

圖5 制動(dòng)系統(tǒng)原理示意框圖

圖6

4.4 油門控制系統(tǒng)

原車油門控制是發(fā)動(dòng)機(jī)ECU讀取油門踏板不同角度的電壓值，結(jié)合負(fù)載扭矩、水溫、油壓、尾氣排放等條件實(shí)施轉(zhuǎn)速控制。

遙控油門控制：首先通過模式切換按鈕進(jìn)入遙控模式，通過一個(gè)繼電器斷開油門踏板模擬量信號(hào)，再由遙控發(fā)射裝置輸出數(shù)字量信號(hào)，遙控接收裝置接收后，通過CAN總線發(fā)送給整車控制器。再由其轉(zhuǎn)換計(jì)算為油門開度百分比數(shù)字信號(hào)（手柄最大開度時(shí)定義為100%，手柄未動(dòng)作時(shí)開度定義為0%）發(fā)送給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。工作原理圖如圖7：

4.5 遙控控制系統(tǒng)

遙控發(fā)射裝置采用無線433MHZ頻段，為方便人員操作，選用搖桿式數(shù)字化手柄和鈕子開關(guān)實(shí)施遙控操作。左邊手柄實(shí)施轉(zhuǎn)向操作，右邊手柄實(shí)施油門加減速以及前進(jìn)后退操作。同時(shí)中間布置一液晶顯示屏，實(shí)時(shí)顯示遠(yuǎn)程傳回的視頻信息。面板上布置的鈕子開關(guān)用于各種開關(guān)量的控制。硬件框圖如下，實(shí)物照片如圖8：

圖7

圖8

4.6 整車安全性控制設(shè)計(jì)

為保證整車遙控安全性，在遙控裝置上增加急停開關(guān)，當(dāng)遙控失效或各種異常情況下，可實(shí)施應(yīng)急制動(dòng)模式，緊急制動(dòng)并熄火。

5 軟件系統(tǒng)方案

軟件系統(tǒng)分為遙控端控制系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)和整車控制器軟件模塊設(shè)計(jì)兩大部分。遙控端控制系統(tǒng)軟件模塊包含數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序、發(fā)送數(shù)據(jù)程序三個(gè)主要的程序。整車控制系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)主要包含數(shù)據(jù)接收程序、數(shù)據(jù)發(fā)送程序、檔位控制程序、轉(zhuǎn)向控制程序、油門控制程序、整車控制程序這七個(gè)主要的程序。

采用符合IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化文本，選用ICS公司的ISaGRAF軟件編寫代碼。在系統(tǒng)分析控制器局域網(wǎng)CAN總線協(xié)議的基礎(chǔ)上，借鑒SAE J1939標(biāo)準(zhǔn)，自定義了基于CAN總線的無人車輛控制通信協(xié)議，并通過發(fā)送命令字的方式實(shí)現(xiàn)了車輛的總線遙控功能。

6 實(shí)車測(cè)試效果

整車集成設(shè)計(jì)改造完畢后，進(jìn)行了場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證在一定車速下，車輛是否按照遙控方式進(jìn)行相應(yīng)的前進(jìn)、后退、加速、減速、左右轉(zhuǎn)向和制動(dòng)動(dòng)作。并通過現(xiàn)場(chǎng)多次PID調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向控制器精度和響應(yīng)時(shí)間，PWM調(diào)節(jié)制動(dòng)效果，達(dá)到預(yù)期效果。主要表現(xiàn)在：

（1）控制精度高，以轉(zhuǎn)向?yàn)槔?，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制精度可以達(dá)到0.2度。響應(yīng)時(shí)間在50ms以內(nèi)。100米直線行駛穩(wěn)定性可以達(dá)到0.5米以內(nèi)。

（2）響應(yīng)時(shí)間短。每個(gè)子系統(tǒng)的控制周期均在20ms以內(nèi)。底層控制系統(tǒng)能夠做到制動(dòng)敏捷，加油迅速，轉(zhuǎn)向靈敏，所達(dá)即所控。

7 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的4個(gè)遙控駕駛控制系統(tǒng)，均有各自不同的特點(diǎn)。轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)增加了轉(zhuǎn)向電機(jī)控制，油門和換擋控制系統(tǒng)通過簡(jiǎn)單的切換控制信號(hào)，最大限度的使用原車系統(tǒng)。制動(dòng)控制系統(tǒng)另外并聯(lián)一套步進(jìn)電機(jī)拉絲結(jié)構(gòu)，控制效果良好。使用CAN總線將4個(gè)控制系統(tǒng)以分布式方式連接，該遙控控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，與原車兼容性非常好，可實(shí)現(xiàn)有人駕駛與遙控駕駛之間的方便快捷的切換。且沒有復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)，對(duì)原車改動(dòng)小，達(dá)到了控制精度高，響應(yīng)快，開發(fā)周期短、費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了遙控車輛的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣化改造安裝，完成了控制系統(tǒng)軟件和硬件的設(shè)計(jì)與調(diào)試。

測(cè)試實(shí)驗(yàn)以及整車集成試驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)方案可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控操作車輛底層各子系統(tǒng)的目的，為用于危險(xiǎn)區(qū)域的偵查和排險(xiǎn)工作等特殊環(huán)境和場(chǎng)合的專用車輛的進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。