于濤 張河寧

關(guān)鍵詞：無人控制 遙控操作 自主行駛

1前言

近年來，無人駕駛已經(jīng)引起社會(huì)各方面的關(guān)注。作為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的無人駕駛產(chǎn)業(yè)，無人駕駛技術(shù)是發(fā)展趨勢(shì)。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展。自動(dòng)控制被應(yīng)用于無人駕駛領(lǐng)域。

2國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代科技發(fā)達(dá)國(guó)家開始率先進(jìn)行無人駕駛汽車研究。1984年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃署（DARPA）與陸軍合作，發(fā)起自主地面車輛（ALV）計(jì)劃。為了推進(jìn)無人駕駛技術(shù)更快、更好地發(fā)展。DAPRA于2004～2007年共舉辦了三屆DARPA無人駕駛挑戰(zhàn)賽。20世紀(jì)80年代開始，美國(guó)著名的大學(xué)如卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院等都先后加入無人駕駛汽車的研究工作中，直接研發(fā)SAE Level4級(jí)別的無人駕駛汽車。2016年8月.nuTnomy成為了新加坡第一家在試點(diǎn)項(xiàng)目下推出自動(dòng)駕駛的出租車公司。

3國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)汽車制造廠商對(duì)無人駕駛汽車的研究與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)相比稍晚.從20世紀(jì)80年代末才開始。清華大學(xué)在國(guó)防科工委和國(guó)家863計(jì)劃的資助下，從1988年開始研究開發(fā)THMR系列智能車。THMR-V智能車能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的車道自動(dòng)跟蹤。1992年.國(guó)防科技大學(xué)成功研制出中國(guó)第一輛真正意義上的無人駕駛汽車。2011年7月。由一汽集團(tuán)與國(guó)防科技大學(xué)共同研制的紅旗HQ3無人駕駛汽車完成286 km的面向高速公路的全程無人駕駛試驗(yàn)。2012年，軍事交通學(xué)院的“軍交猛師III號(hào)”以無人駕駛狀態(tài)行駛114km.最高速度為105km/h。

4無人控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

無人控制系統(tǒng)包含行車控制器、行駛軌跡跟蹤控制、環(huán)境信息檢測(cè)系統(tǒng)、系統(tǒng)安全監(jiān)管模塊及系統(tǒng)安全監(jiān)控機(jī)制、便攜式遙控操作臺(tái)、電池箱組.如圖1所示。行車控制器與環(huán)境信息檢測(cè)系統(tǒng)集成安裝在車輛上，通過便攜式遙控操作臺(tái).可實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛近距離遙控操作、遠(yuǎn)距離遙控操作以及按任務(wù)規(guī)劃自主行駛等控制模式。

4.1行車控制器

行車控制器采用四核處理器i.MX6。i.MX6處理器基于ARM Cortex A9架構(gòu)。針對(duì)消費(fèi)電子、工業(yè)控制和汽車應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)，含4個(gè)ARM。CortexTM-A9內(nèi)核，運(yùn)行頻率可達(dá)1.2GHz.并帶有1MBL2緩存和64位DDR或2通道、32位LPDDR2支持。這個(gè)系列的器件集成FlexCAN、MLB總線、PCI Express。和SATA-2，具有卓越的連接性，同時(shí)集成LVDS、MIPI顯示器端口、MIPI攝像機(jī)端口和HDMI v1.4.是先進(jìn)的消費(fèi)電子、汽車和工業(yè)多媒體的理想應(yīng)用平臺(tái)。

行車控制器主板見圖2。除上述技術(shù)特征.板上還集成了10/100M以太網(wǎng)口，USB HOST接口，雙路隔離CAN總線接口，RS232接口，RS485接口，HDMI顯示接口以及豐富的IO接口及SPI串行接口。

行車控制器還集成了帶備用電池的RTC.為運(yùn)行日志文件提供時(shí)間基準(zhǔn)。

4.2行駛軌跡跟蹤控制

無人駕駛作業(yè)時(shí)，行車控制器上運(yùn)行行駛控制軟件，基于車輛行駛狀態(tài)反饋信息，實(shí)時(shí)決策車速與轉(zhuǎn)向機(jī)轉(zhuǎn)角.從而精確控制車輛行駛軌跡。此控制過程中涉及車輛行駛過程的軌跡跟蹤控制。

車輛的軌跡跟隨控制包含兩部分：一部分是速度跟隨控制，這部分反映的是車輛的縱向動(dòng)力學(xué)控制;另一部分是路徑跟隨控制，它反映的是車輛的側(cè)向動(dòng)力學(xué)控制。軌跡跟隨控制的首要目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)對(duì)期望路徑與期望速度的跟蹤，本質(zhì)上反映的就是對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制;其次，在進(jìn)行軌跡跟隨控制的過程中，還需要確保車輛的穩(wěn)定性.尤其是在極限工況下的穩(wěn)定性。

4.3環(huán)境信息檢測(cè)系統(tǒng)

4.3.1環(huán)境信息檢測(cè)系統(tǒng)傳感器

為確保自動(dòng)行駛狀態(tài)以及遙控行駛狀態(tài)的安全.構(gòu)建環(huán)境信息檢測(cè)系統(tǒng)傳感器布置方案。

左前攝像頭和右前攝像頭并列安裝在車體前方，通過雙目視覺算法，并與前向激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，測(cè)定行駛前方50m距離內(nèi)的障礙物距離，保證前向行駛安全。

左后激光雷達(dá)與右后激光雷達(dá)安裝在車體后方，通過交叉設(shè)置，可測(cè)量車尾半徑20m內(nèi)的障礙物距離，以保證車輛倒車時(shí)的安全。

車體正中上方安裝云臺(tái)攝像頭，可遠(yuǎn)程遙控，360°旋轉(zhuǎn).視頻數(shù)據(jù)流通過圖傳電臺(tái)回傳控制端，用于工作人員遠(yuǎn)程監(jiān)視車輛運(yùn)行狀態(tài)。

車體上還將安裝多模定位單元與電子羅盤，以實(shí)現(xiàn)車輛本體的定位。

4.3.2環(huán)境信息檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

環(huán)境信息檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成見圖3。三路激光雷達(dá)與三路攝像頭接入車載網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。環(huán)境信息處理計(jì)算機(jī)通過局域網(wǎng)訪問各設(shè)備.實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)。環(huán)境計(jì)算機(jī)通過RS232151連接多模定位單元與電子羅盤，實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)，精確定位車輛。

遠(yuǎn)程控制單元通過圖傳電臺(tái)連接的車內(nèi)局域網(wǎng).可直接連接視頻數(shù)據(jù)流.或者通過TCP/IP協(xié)議與環(huán)境計(jì)算機(jī)交互數(shù)據(jù)包.實(shí)現(xiàn)指令下達(dá)與狀態(tài)數(shù)據(jù)回讀。

4.4系統(tǒng)安全監(jiān)管模塊及系統(tǒng)安全監(jiān)控機(jī)制

系統(tǒng)安全監(jiān)管模塊將集成獨(dú)立的電源轉(zhuǎn)換芯片、數(shù)傳電臺(tái)、單片機(jī)以及接口電路。系統(tǒng)安全監(jiān)管模塊可關(guān)斷母線電源.可超越行車控制器，為制動(dòng)控制器提供明確的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。在“遙操控”和“自主行駛”控制模式，系統(tǒng)安全監(jiān)管模塊作為系統(tǒng)安裝監(jiān)管的“看門狗”.行車控制器需通過RS232接口定時(shí)向本模塊提供喂狗信號(hào)，遙控地面站需通過安全監(jiān)管數(shù)傳電臺(tái)定時(shí)向本模塊提供喂狗信號(hào)。任何定時(shí)周期內(nèi)沒有喂狗信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)安全監(jiān)管模塊判定系統(tǒng)異常，如果車輛正在行駛，本模塊可直接切斷主電源，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)停轉(zhuǎn)，同時(shí)發(fā)出制動(dòng)指令。

基于電子地圖的作業(yè)路徑規(guī)劃軟件設(shè)計(jì)自動(dòng)行駛時(shí)，車輛的行駛軌跡采用離線規(guī)劃算法產(chǎn)生，這個(gè)過程由一套基于電子地圖的作業(yè)路徑規(guī)劃軟件（見圖4）來保障。

路徑規(guī)劃軟件采用C語(yǔ)言編寫，通過Qt集成開發(fā)環(huán)境編譯。該軟件通過百度地圖加載電子地圖.既可通過手動(dòng)制定路徑點(diǎn)的方式來人工規(guī)劃作業(yè)路徑，又可以通過設(shè)定電子圍欄設(shè)定約束條件，自動(dòng)規(guī)劃作業(yè)路徑。圖5為人工規(guī)劃作業(yè)路徑的示意圖。

路徑規(guī)劃軟件產(chǎn)生的路徑文件可以拷貝到行車控制系統(tǒng)后，車輛即可依據(jù)該文件讀取路徑點(diǎn)，自動(dòng)行駛。

4.5便攜式遙控操作臺(tái)

便攜式遙控操作臺(tái)作為控制設(shè)備輔助操作模式.主要用于接收車輛測(cè)與控制系統(tǒng)的參數(shù)及各項(xiàng)數(shù)據(jù).并對(duì)整車進(jìn)行過程監(jiān)控和控制。操作臺(tái)包含面板按鈕、指示燈、操作搖桿、數(shù)傳電臺(tái)、NanoPi2嵌入式計(jì)算機(jī)以及狀態(tài)顯示屏、鋰電池組及電源管理電路等主要部件。

該遙控操作臺(tái)提供了車輛本體以及環(huán)境感知設(shè)備的遙操作控制界面以及狀態(tài)信息顯示界面。通過組合搖桿以及操作按鈕，一個(gè)人即可通過圖像反饋，遙控操作車輛行駛、轉(zhuǎn)向、變速。

便攜式遙控操作臺(tái)具有參數(shù)顯示、過程監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制等功能.主要由遠(yuǎn)程過程監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制組成。通過車載攝像頭和激光雷達(dá)等設(shè)備對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行感知，通過4G網(wǎng)絡(luò)或無線電臺(tái)接收器傳輸?shù)奖銛y式遙控操作臺(tái)。

4.6電池箱組

電池箱組通過對(duì)比儲(chǔ)能電池的性能、用途、能量密度、正極材料選擇。電池箱組選用鋰電池箱組。其優(yōu)勢(shì)為：質(zhì)量比能量高、體積比能量高、功率密度高、電壓平臺(tái)較高。

充放電方式：電池組先串聯(lián)后并聯(lián).電池組需同時(shí)充電或放電。保證電池壽命的一致性。

溫控管理系統(tǒng)采用PTC加熱方式見圖6.PTC全稱為正溫度系數(shù)熱敏電阻材料，分為聚合物PTC和陶瓷PTc兩種，本方案采用陶瓷PTC。

PTC特性：隨著溫度的上升，自身導(dǎo)通電阻持續(xù)增加，從而實(shí)現(xiàn)自限溫及熱平衡。散熱越快.PTC發(fā)熱組件達(dá)到熱平衡的時(shí)間越長(zhǎng).維持電流越大。

5結(jié)語(yǔ)

無人控制系統(tǒng)技術(shù)將是未來發(fā)展方向。隨著無人技術(shù)的成熟，它將發(fā)揮更加安全、可靠、高效的作用，其發(fā)展空間更廣闊。