自動駕駛礦卡底盤線控改裝設(shè)計研究＊

袁政，米承繼，劉洲，陶曉

（1.長沙智能駕駛研究院有限公司，湖南 長沙 410006；2.湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲 410200）

前言

近年來隨著AI人工智能的興起，世界正吹起一股自動駕駛的浪潮。目前，自動駕駛這一技術(shù)已日趨成熟，一方面各類型的創(chuàng)業(yè)公司層出不窮，另一方面各級政府也出臺了支持智能駕駛的相關(guān)政策[1]。就目前來看，相對封閉的礦區(qū)，可能是自動駕駛最有可能落地的場景之一，隨著人工智能、5G、V2X等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，封閉式/半開放式道路環(huán)境下的自動駕駛以及列隊行駛已進(jìn)入全面井噴的局面[2]。

自動駕駛礦卡作為智慧礦山重要組成部分，主要解決礦區(qū)的運輸問題，直接關(guān)系到礦區(qū)的采礦效率，所以礦區(qū)都非常重視[3]。一方面自動駕駛可以減少礦區(qū)的安全事故，提高工作效率，降低了工作危險，另一方面可以改善司機(jī)的工作環(huán)境，減少司機(jī)的人員成本[4]。因此，發(fā)展自動駕駛礦卡有重要的現(xiàn)實意義。

線控技術(shù)是實現(xiàn)礦卡自動駕駛的基礎(chǔ)，目前礦卡線控技術(shù)主要有前裝線控和后裝線控兩種技術(shù)路線。前裝線控只能針對一種車型實施，且各大主機(jī)廠也沒推出成熟可落地的線控解決方案。因此前裝線控技術(shù)路線不能規(guī)?；茝V復(fù)制。后裝線控就是在礦卡出廠后，對礦卡進(jìn)行線控化升級改造。即通過更改、加裝的方式將車輛的油門、制動、轉(zhuǎn)向、擋位、手剎、車燈、雨刮等功能升級為電信號控制，智能線控化改造的目的在于能夠為自動駕駛提供電信號接口。這種技術(shù)路線能適用于不同品牌、不同型號、不同噸位的礦卡。并且，后裝線控技術(shù)路線能夠?qū)Υ罅楷F(xiàn)存的礦卡進(jìn)行線控改裝升級，能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；瘡?fù)制和推廣，極大節(jié)省了成本，避免了已有資源的浪費[5]。

為了滿足某水泥礦山建設(shè)智能裝運系統(tǒng)的需求，在礦山已有的2臺載重32噸的礦卡上進(jìn)行智能化線控改裝升級，實現(xiàn)礦卡能夠進(jìn)行自動駕駛的需求。

1 自動駕駛整體方案設(shè)計

為了實現(xiàn)礦卡的自動駕駛，需要搭載先進(jìn)的車載傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置，并融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)等，實現(xiàn)自動駕駛礦卡具備復(fù)雜環(huán)境多重冗余感知、高精定位、智能決策、協(xié)同控制等功能，最終實現(xiàn)礦卡能夠在礦區(qū)自動駕駛來進(jìn)行物料轉(zhuǎn)運的功能。

整體設(shè)計方案如圖1所示，礦卡自動駕駛系統(tǒng)由四大部分組成，分別是：定位與感知層、決策和規(guī)劃層、控制層、執(zhí)行層。

定位與感知層是利用GNSS、RTK、LiDAR、IMU、車輛底盤等多傳感器數(shù)據(jù)融合優(yōu)化建圖與高精度定位能力，滿足擁有路端定位導(dǎo)航能力。并利用激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、攝像頭、超聲波雷達(dá)等多種傳感器感知車輛周邊環(huán)境，通過感知融合算法提取環(huán)境信息，包括道路、車輛和行人信息，實現(xiàn)對車輛、行人、石頭等障礙物地準(zhǔn)確識別[6-7]。

決策和規(guī)劃環(huán)節(jié)將多傳感器收集的感知結(jié)果和地圖信息等進(jìn)行融合，根據(jù)自動駕駛的任務(wù)需求進(jìn)行決策，避開行駛道路上可能存在的障礙物[8]，并通過一些約束條件規(guī)劃多條可選安全路徑，并在這些路徑中選取最優(yōu)路徑作為車輛最終的行駛軌跡。

控制層是根據(jù)路徑規(guī)劃算法、軌跡跟蹤算法和整車控制算法做出控制決策。車輛控制技術(shù)通過環(huán)境感知技術(shù)對車輛自身和周邊環(huán)境的感知，根據(jù)決策規(guī)劃出目標(biāo)軌跡，通過縱向和橫向控制系統(tǒng)的配合使汽車跟蹤目標(biāo)軌跡準(zhǔn)確穩(wěn)定行駛，同時使汽車在行駛過程中能夠?qū)崿F(xiàn)車速調(diào)節(jié)、車距保持、換道、超車等基本操作[9-10]。

執(zhí)行層是指底層的驅(qū)動系統(tǒng)如油門、剎車、轉(zhuǎn)向和擋位控制作相應(yīng)的執(zhí)行動作。執(zhí)行是實現(xiàn)智能駕駛的重要環(huán)節(jié)，車輛的縱向和橫向控制系統(tǒng)控制汽車按照決策環(huán)節(jié)規(guī)劃的行駛軌跡平穩(wěn)準(zhǔn)確行駛，并保證礦卡的舒適性、穩(wěn)定性等性能。

由以上可知，車輛的線控系統(tǒng)是自動駕駛技術(shù)最終執(zhí)行端，車輛線控系統(tǒng)直接影響車輛的轉(zhuǎn)向、油門、制動、擋位、駐車、燈光、喇叭、雨刮等系統(tǒng)的性能，線控系統(tǒng)也是影響車輛安全的重大要素。

2 自動駕駛線控底盤技術(shù)方案

線控底盤，即通過更改、加裝的方式將車輛油門、制動、轉(zhuǎn)向、擋位、手剎、車燈、雨刮等功能升級為電信號控制。線控底盤改造的目的在于能夠為自動行駛提供電信號接口。

2.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

如下圖2所示，礦卡原車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，方向盤通過轉(zhuǎn)向柱帶動轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)動，從而帶動油缸驅(qū)動輪子轉(zhuǎn)向。為了實現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向，需要在方向盤和轉(zhuǎn)向器之間增加一套電控驅(qū)動機(jī)構(gòu)。電控驅(qū)動機(jī)構(gòu)一般由伺服電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、角度傳感器、控制器、扭矩傳感器等組成。通過閉環(huán)控制策略，實現(xiàn)電控轉(zhuǎn)向。

圖2 原車全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理圖

在實際應(yīng)用中，我們采用在原車轉(zhuǎn)向柱上增加一套EPS執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方案。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安裝原理如圖3所示。通過在方向盤與轉(zhuǎn)向器之間的轉(zhuǎn)向管柱上增加一套EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，用以直接驅(qū)動原車轉(zhuǎn)向器。該EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成了電機(jī)、減速機(jī)、角度傳感器和扭矩傳感器，并且可以通過CAN總線控制。

圖3 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)升級示意圖

由于原車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，液壓存在內(nèi)泄漏和溢流的問題，方向盤角度和車輪角度關(guān)系是不對應(yīng)的、非線性、不固定傳動比的。所以在車輪上加裝角度傳感器，實現(xiàn)車輪絕對轉(zhuǎn)角的反饋。該絕對角度通過模擬信號發(fā)送給EPS控制器。

在自動駕駛模式下，線控執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器通過CAN總線接收到車輪目標(biāo)轉(zhuǎn)向角度和方向信息，同時通過CAN總線下發(fā)方向盤轉(zhuǎn)角指令給EPS控制器。EPS控制器結(jié)合線控執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器提供的方向盤轉(zhuǎn)角指令信號對前輪位置進(jìn)行伺服控制，實現(xiàn)自動駕駛功能。在自動駕駛的過程中，如果人工介入接管方向盤，該EPS內(nèi)置的扭矩傳感器會檢測到扭矩差，EPS能夠及時切換到EPS隨動模式，從而退出自動駕駛模式。當(dāng)車輛由人工駕駛時，則EPS進(jìn)入隨動模式，也可以輕松轉(zhuǎn)動方向盤，不影響人工模式下正常開車。

2.2 油門系統(tǒng)

原礦卡油門踏板信號與發(fā)動機(jī)ECU直接連接，為了兼顧自動駕駛和人工駕駛，如下圖4所示，在油門信號傳輸路徑中加入長沙智能駕駛研究院自主研發(fā)的油門信號切換模塊，通過駕駛模式切換開關(guān)來選擇ECU油門踏板信號輸入源，從而實現(xiàn)人工駕駛和自動駕駛的切換。

圖4 線控油門系統(tǒng)示意圖

2.3 制動系統(tǒng)

2.3.1 行車制動系統(tǒng)

原車制動系統(tǒng)為氣制動系統(tǒng)，但是不帶EBS系統(tǒng)，不能使用EBS的電控繼動閥來進(jìn)行線控制動。如果改氣路增加電控閥來實現(xiàn)線控制動，對原車的影響較大。為了實現(xiàn)線控制動，本文在原車制動踏板前方加裝一塊副踏板和線控制動裝置。如圖5所示，線控制動裝置通過螺釘固定在原車底板上，副踏板通過螺釘固定在原車制動踏板上。直線執(zhí)行器裝置帶動搖臂來踩踏板，可以根據(jù)制動需求自動控制執(zhí)行器的伸縮長度和位置，且此裝置沒有改動原車的氣路系統(tǒng)，因此改裝方案可靠性高、成本低、大大提高了車輛的安全性。

圖5 線控制動裝置改裝圖

在人工駕駛模式下，如下圖所示，駕駛員踩下原車制動踏板，加裝副踏板也跟隨原車制動踏板一起下降，與線控制動裝置的滾動軸承分離，線控制動裝置和原車制動踏板互不干涉。

圖6 人工踩下制動踏板狀態(tài)圖

自動駕駛模式下，如下圖所示，線控執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器通過CAN總線發(fā)指令給執(zhí)行器，直線執(zhí)行器收到制動指令后收縮，從而帶動搖臂繞支架轉(zhuǎn)動，搖臂通過軸承將副踏板壓下，從而實現(xiàn)電控制動。

圖7 線控制動裝置制動圖

2.3.2 駐車制動系統(tǒng)

原車駐車制動系統(tǒng)如下圖8所示，當(dāng)?shù)V卡需要駐坡或停放時，需要使用駐車制動，扳動駐車手閥到駐車位置，壓縮空氣經(jīng)駐車?yán)^動閥控制口4，使駐車?yán)^動閥底部的排氣口打開，使前后彈簧制動器駐車制動室的氣體通過駐車?yán)^動閥排氣口排入大氣。手制動腔內(nèi)的彈簧推動皮碗帶動推桿，使凸輪軸轉(zhuǎn)動，帶動制動蹄壓緊制動鼓，使前后輪同時鎖死。

圖8 原車駐車制動原理圖

解除駐車制動時，壓縮空氣經(jīng)駐車手閥進(jìn)入駐車?yán)^動閥1口，再進(jìn)入前后橋的手制動氣室，壓縮空氣把壓力輸送到活塞的另一側(cè)，氣壓移動活塞，克服彈簧的力量，帶動推桿向后運動，解除手制動狀態(tài)。

如圖9所示，為了實現(xiàn)線控駐車，把原車駐車手閥改成兩位三通常閉電磁閥，電磁閥開關(guān)分別并聯(lián)按鍵開關(guān)和繼電器。在人工駕駛模式下，可以通過開關(guān)按鍵來實現(xiàn)駐車和解除駐車；在自動駕駛模式下，可以通過線控底盤控制器來控制繼電器的通斷來實現(xiàn)駐車和解除駐車。

圖9 線控駐車改裝方案圖

2.4 擋位系統(tǒng)

原車采用的電控液力自動變速箱，擋位是CAN總線控制的，可以通過原車總線接口和協(xié)議來實現(xiàn)擋位線控，不需要進(jìn)行改裝。

2.5 舉升系統(tǒng)

如下圖10所示，原車舉升系統(tǒng)為氣推油舉升系統(tǒng)，通過氣遙控閥來驅(qū)動舉升操縱閥來實現(xiàn)舉升和下降。為了防止誤操作舉升操縱桿，在氣遙控閥的進(jìn)氣口前方加了一個電磁閥來控制舉升控制系統(tǒng)是否與氣源相通。氣遙控閥（舉升操縱桿）是通過搬到搖桿，來控制氣閥的開關(guān)。向后推動時，靠氣壓推動舉升操縱閥內(nèi)的閥芯，使得舉升操縱閥的B口開啟，從而實現(xiàn)舉升功能；向前搬到時，氣壓推動舉升操縱閥的閥芯反向移動，使得舉升操縱閥的A口開啟，從而實現(xiàn)下降功能；不搬動搖桿時，舉升操縱閥的A、B口均關(guān)閉，液壓油經(jīng)過P、T口流回液壓油箱。

圖10 原車舉升機(jī)構(gòu)工作原理圖

如下圖所示，為了兼顧自動駕駛和人工駕駛，把原車的手動氣遙控閥改成三位五通電磁閥閥，三位五通電磁閥兩端分別并聯(lián)按鍵開關(guān)和繼電器。在人工駕駛模式下，可以通過開關(guān)按鍵來實現(xiàn)舉升和下降；在自動駕駛模式下，可以通過控制器控制繼電器的通斷來實現(xiàn)舉升和下降功能。把原車的電磁閥開關(guān)再并入一個繼電器來控制電磁閥的開關(guān)。

圖11 舉升機(jī)構(gòu)線控改裝原理圖

2.6 底盤電器控制

車身電器線控主要包括：燈光、喇叭、雨刮、熄火等電信號回路改裝，實現(xiàn)燈光、喇叭、雨刮、熄火等車身電器設(shè)備控制。因為原車這些功能都是電信號控制的，所以只需要在原車電器開關(guān)按鈕上分別并聯(lián)繼電器，再通過線控底盤控制器來控制繼電器的通斷就可以實現(xiàn)車身電器的線控。同時，線控底盤控制器通過CAN總線連接到原車車身總線上，將車輛底盤車速、油位等信息發(fā)送至智駕控制器的總線上供自動駕駛規(guī)劃、決策及控制使用。無需更改原車控制協(xié)議，只需增加控制線路加裝繼電器來進(jìn)行控制即可。

3 結(jié)論

本文基于某水泥礦山傳統(tǒng)礦卡需要進(jìn)行自動駕駛的需求，在不改變原車底盤系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種針對傳統(tǒng)礦卡進(jìn)行線控改裝升級的解決方案。首先介紹了自動駕駛礦卡的整體方案設(shè)計和系統(tǒng)組成。再次設(shè)計了自動駕駛礦卡轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、油門、擋位、舉升、電器的線控改裝技術(shù)方案，實現(xiàn)了對方向盤控制，對制動系統(tǒng)的控制，對油門系統(tǒng)控制，對變速箱換擋的控制，對貨斗舉升和下降的控制，以及對燈光、雨刮、喇叭等電器的控制。本改裝方案具有如下優(yōu)勢：

1）對原車改動很小，易于安裝和實現(xiàn)。

2）可實現(xiàn)人工駕駛和自動駕駛的無縫切換。

3）應(yīng)用車規(guī)級EPS、直線執(zhí)行器、油門切換模塊，保證系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定性。

4）此方案適用于不同品牌、不同車型、不同噸位的礦卡改裝，通用性好，便于大規(guī)模復(fù)制和推廣。