無(wú)人駕駛車輛自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制探究

黃琦 黃珊 楊雷

1.河北省秦皇島市海港區(qū)燕山大學(xué) 河北省秦皇島市 066004 2.奧特貝睿(天津)科技有限公司 天津市 300399

對(duì)于當(dāng)前無(wú)人自動(dòng)駕駛控制而言，自動(dòng)轉(zhuǎn)向是其關(guān)鍵技術(shù)，所以，研究無(wú)人駕駛車輛自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制技術(shù)，對(duì)于后續(xù)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述

1.1 結(jié)構(gòu)組成

針對(duì)汽車自動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，主要是基于整車模型以及減速機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向軸、雙行星齒輪等構(gòu)成的，其自動(dòng)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)具體見下圖1所示。

1.2 結(jié)構(gòu)與原理

自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)于汽車轉(zhuǎn)向動(dòng)力的控制主要依賴電機(jī)，電機(jī)的輸出力矩能夠通過(guò)減速增距向前輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)移，充分滿足轉(zhuǎn)向要求，從而取代人的控制。與其實(shí)際的結(jié)構(gòu)相互結(jié)合分析，具體見圖2所示。

2 無(wú)人駕駛車輛自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分析

2.1 交叉路口的仿真模擬

在對(duì)無(wú)人駕駛汽車的自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)、分析時(shí)，可以通過(guò)Matlab實(shí)現(xiàn)仿真模擬與控制。其跑道設(shè)置主要依靠直道及三個(gè)大曲率轉(zhuǎn)彎，車輛從A點(diǎn)出發(fā)，在經(jīng)過(guò)110°、70°、90°差異化轉(zhuǎn)向之后最終達(dá)到終點(diǎn)，通過(guò)車輛模型的調(diào)整及控制，有針對(duì)性地對(duì)方向盤進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角度的調(diào)整。方向盤最大的速度調(diào)整值是360°/s。針對(duì)前輪轉(zhuǎn)角應(yīng)將其控制在±40°以內(nèi)，針對(duì)方向盤調(diào)整轉(zhuǎn)角的范圍應(yīng)不超過(guò)±540°。對(duì)于這一個(gè)跑道，基于不同速度進(jìn)行仿真處理，然后記錄下運(yùn)動(dòng)軌跡[1]?；趯?shí)際情況分析，以不同速度加以模擬，在不同速度下，基本上自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)都可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)向，這樣也可以滿足預(yù)期的歸集運(yùn)動(dòng)與控制要求[2]。

圖1 自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)框架

2.2 實(shí)車實(shí)驗(yàn)及結(jié)果對(duì)比

2.2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

在完成無(wú)人駕駛汽車的自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之后，通過(guò)Matlab就能對(duì)其進(jìn)行有效性檢驗(yàn)。借助仿真模型也能對(duì)其實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)，不過(guò)要以其可用性為基礎(chǔ)才能驗(yàn)證。此次研究主要針對(duì)大眾帕沙特，測(cè)試時(shí)A車選擇常規(guī)控制器，B車選擇自動(dòng)換向控制系統(tǒng)。A車選擇固定的路線進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)向、行駛，而B車要根據(jù)算法優(yōu)化以及自動(dòng)控制精度進(jìn)行，從而實(shí)施仿真模擬，然后進(jìn)行兩者的相互比較[3]。在搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)要以系統(tǒng)總線、主控制器以及道路環(huán)境等為基礎(chǔ)進(jìn)行。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)

在對(duì)無(wú)人駕駛車輛進(jìn)行橫向控制時(shí)，控制其垂直運(yùn)動(dòng)方向就能讓汽車轉(zhuǎn)向。其目的在于針對(duì)無(wú)人駕駛車輛要注意自動(dòng)保持行車的期望路線，加強(qiáng)控制，并且能夠在風(fēng)阻、車速、路況等存在差異的情況下也能夠保持穩(wěn)定性和舒適性。針對(duì)無(wú)人駕駛車輛的橫向控制，其主要包含：第一，基于駕駛?cè)藛T模擬的轉(zhuǎn)向控制設(shè)計(jì)。第二，基于汽車橫向運(yùn)動(dòng)力學(xué)模型來(lái)調(diào)整橫向控制。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，還需要控制運(yùn)動(dòng)方式和動(dòng)力變化控制等角度，對(duì)算法處理及應(yīng)用實(shí)現(xiàn)控制，從而有效控制數(shù)據(jù)信息，同時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制。此次應(yīng)用自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)時(shí)以路線的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、調(diào)整等為基礎(chǔ)，根據(jù)車輛的狀態(tài)測(cè)量以及轉(zhuǎn)向控制等實(shí)施檢驗(yàn)，其控制見圖4所示。

在具體的試驗(yàn)之中，電源連接端點(diǎn)位δr，d1、d2，基于轉(zhuǎn)向控制算法應(yīng)用的角度去分析，就可以掌握車輛自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)控制與數(shù)據(jù)通信，并且促進(jìn)數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)測(cè)量等檢驗(yàn)與分析的實(shí)現(xiàn)。控制系統(tǒng)的其他組成部分主要在主控制計(jì)算機(jī)里運(yùn)行，兩者通過(guò)UDP廣播完成數(shù)據(jù)通信，轉(zhuǎn)向主控計(jì)算機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)、車輛系統(tǒng)則要通過(guò)CAN總線完成數(shù)據(jù)通信。在分析和檢驗(yàn)的過(guò)程中，利用完善的通信控制狀態(tài)就能編寫針對(duì)性的控制算法，也就可以滿足對(duì)車輛的檢驗(yàn)與控制[4]。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

針對(duì)控制效果的實(shí)際分析，選擇直路和直角轉(zhuǎn)彎等路線，對(duì)無(wú)人駕駛車輛在各個(gè)路段的轉(zhuǎn)向機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)，了解期望路徑和實(shí)際轉(zhuǎn)向路線的區(qū)別。

對(duì)于初步測(cè)試而言，自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制B車的行駛比較穩(wěn)定，和期望軌跡的差異也處于可以控制的范圍，盡管和仿真結(jié)果還有一定的偏差，不過(guò)基本能保證行車安全。對(duì)于實(shí)車試驗(yàn)而言，遇到彎道高速行駛的情況，面朝內(nèi)車道進(jìn)行換道行駛時(shí)，車輛受到離心力作用的影響，容易出現(xiàn)在兩車道之間，然而不能成功向內(nèi)車道并入。因此，在識(shí)別換道狀態(tài)以后，車輛始終不能換道，需要主動(dòng)補(bǔ)償方向盤轉(zhuǎn)角，直到車輛換道的實(shí)現(xiàn)。利用試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該算法能夠滿足高速急彎行駛要求，保證車輛安全實(shí)現(xiàn)向內(nèi)換道。

在經(jīng)過(guò)后續(xù)的蛇形工況與雙移線工況的運(yùn)行結(jié)果分析之后，基于質(zhì)心側(cè)偏角、轉(zhuǎn)角、橫擺角度作為對(duì)應(yīng)的指標(biāo)，在轉(zhuǎn)向精度提高的同時(shí)，就可以提升車輛的側(cè)向穩(wěn)定性，最終滿足自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制準(zhǔn)確性的提升。

通過(guò)對(duì)比分析，以實(shí)驗(yàn)安全性及相應(yīng)的路徑選擇為基礎(chǔ)展開分析，在實(shí)驗(yàn)道路上多次實(shí)驗(yàn)，由于無(wú)法模擬高速公路的真實(shí)場(chǎng)景，因而在檢驗(yàn)過(guò)程中對(duì)于道路的選擇見圖4所示。

圖3 大眾帕薩特的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)

圖4 實(shí)驗(yàn)道路

通過(guò)試驗(yàn)車運(yùn)行路線的分析，B車能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定行駛，而A車在轉(zhuǎn)角位置上出現(xiàn)了便宜。所以，安全就是無(wú)人駕駛車輛是否成功的關(guān)鍵所在，目前，對(duì)于常見的避障傳感器，其主要包含了微波雷達(dá)、激光雷達(dá)、超聲傳感器等，這就說(shuō)明本次研究的自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)是可用的，并且也具有一定的效果。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，基于無(wú)人駕駛車輛自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制作為研究中心，基于可靠性和精準(zhǔn)度作為核心目標(biāo)，通過(guò)各個(gè)方面的研究分析與仿真，這樣就可以建立對(duì)應(yīng)的仿真模型，從而通過(guò)仿真模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)比分析處理，這樣就可以對(duì)其實(shí)際應(yīng)用效果加以檢驗(yàn)，最終滿足自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制要求，更好的服務(wù)后續(xù)的研究。