基于載波相位差分技術(shù)的特定區(qū)域自動駕駛觀光車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

舒望

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南株洲，412001）

0 引言

近年來，各汽車研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)紛紛涉足自動駕駛領(lǐng)域，研發(fā)出已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的擁有自動駕駛功能的汽車，例如，美國的特斯拉汽車已經(jīng)能夠在高速和城市特定道路上實(shí)現(xiàn)部分自動駕駛功能。根據(jù)美國高速公路安全管理局(NHTSA)和美國機(jī)動車工程師學(xué)會（SAE）的定義，特斯拉汽車的自動駕駛屬于L3等級。雖然特斯拉公司已量產(chǎn)了具有自動駕駛功能的車輛，但是其自動駕駛技術(shù)并不是十分成熟。因?yàn)閾?jù)新聞報(bào)道，其自動駕駛汽車曾在高速行駛過程中出現(xiàn)過幾起比較大的交通安全事故，這說明其自動駕駛的控制系統(tǒng)和算法還需不斷的優(yōu)化和升級。國內(nèi)也有很多企業(yè)從事自動駕駛技術(shù)的研究，如阿波羅智能技術(shù)(北京)有限公司與中國第一汽車集團(tuán)有限公司共同打造了國內(nèi)首款達(dá)到L4級別的自動駕駛乘用車紅旗E·界，該車能夠在高速和城市道路實(shí)現(xiàn)有條件的自動駕駛。

近年來，國家和地方紛紛出臺相關(guān)政策鼓勵和刺激自動駕駛汽車市場，例如，工業(yè)和信息化部、交通運(yùn)輸部等部委大力支持推進(jìn)國家智能網(wǎng)聯(lián)汽車應(yīng)用（北方）示范區(qū)、國家智能汽車與智慧交通（京冀）示范區(qū)、浙江5G車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范區(qū)等10多個國家級測試示范區(qū)的建設(shè)，北京、上海、天津、廣州、深圳、長沙等市均開放自動駕駛測試道路。由此看來，自動駕駛汽車的市場前景將十分廣闊。在現(xiàn)有的技術(shù)路線和法律法規(guī)下，要實(shí)現(xiàn)自動駕駛汽車上路行駛還有一定的難度，但可以在一些特定的場合開展自動駕駛運(yùn)營，如旅游園區(qū)、校園、廠區(qū)等對汽車的行駛速度要求不高，可以在這些場所中行駛路線固定的地方配置具有自動駕駛功能的汽車，這對推進(jìn)自動駕駛技術(shù)的研究具有非常重要的意義。因此，現(xiàn)階段研究和量產(chǎn)一種能夠在特定區(qū)域行駛、對行駛速度要求不太高、具有完全自動駕駛功能的汽車，具有非常大的理論研究價值和市場應(yīng)用價值。

1 觀光車整車及電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

本文選用綠友機(jī)械集團(tuán)股份有限公司制造的一臺8座觀光車（型號為GVG6/48AC）作為載體，對其進(jìn)行自動駕駛功能改造與升級。觀光車采用后輪雙三相異步交流電機(jī)驅(qū)動，轉(zhuǎn)向方式為前輪機(jī)械液壓轉(zhuǎn)向，制動方式為液壓后輪鼓剎，檔位控制為機(jī)械船型開關(guān)換擋控制，觀光車電氣系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可以看出，觀光車的電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，車輛驅(qū)動速度控制由油門踏板實(shí)現(xiàn)，車輛的行駛方向由檔位開關(guān)實(shí)現(xiàn)，車輛的制動和轉(zhuǎn)向?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)部件。

圖1 觀光車電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

2 觀光車自動駕駛定位及控制系統(tǒng)工作原理

觀光車自動駕駛定位及控制系統(tǒng)由決策與控制模塊、障礙物檢測模塊、衛(wèi)星導(dǎo)航模塊、底盤控制模塊等組成，系統(tǒng)控制模型圖如圖2所示。

圖2 觀光車自動駕駛定位及控制系統(tǒng)控制模型圖

其中，障礙物檢測模塊主要由激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)傳感器組成，可以對車輛前方和周邊的環(huán)境、障礙物進(jìn)行檢測，然后利用上位機(jī)的障礙物檢測模塊進(jìn)行計(jì)算和處理，得到相應(yīng)的障礙物信息，從而為決策與控制模塊提供車輛控制決策依據(jù)；衛(wèi)星導(dǎo)航模塊可以實(shí)現(xiàn)對車輛的高精度定位；底盤控制模塊的功能是對車輛底盤進(jìn)行控制[1]。

觀光車自動駕駛定位及控制系統(tǒng)的工作原理是：首先，在啟動自動駕駛功能前，預(yù)先設(shè)定車輛行駛軌跡及行駛速度，將軌跡和速度信息傳遞給決策與控制模塊，啟動自動駕駛功能；其次決策與控制模塊向底盤控制模塊發(fā)送車輛控制目標(biāo)值，由底盤控制模塊對車輛實(shí)現(xiàn)橫向和縱向控制，包括轉(zhuǎn)向、制動、檔位、油門等；然后利用障礙物檢測模塊中的毫米波雷達(dá)對遠(yuǎn)距離的障礙物進(jìn)行探測，激光雷達(dá)對近距離的障礙物進(jìn)行精確探測，由兩者配合實(shí)時采集車輛前方的狀況，并反饋給決策與控制模塊提供決策依據(jù)；同時衛(wèi)星導(dǎo)航模塊對車輛的行駛位置和速度信息進(jìn)行采集，并反饋給決策與控制模塊提供決策依據(jù)；最后決策與控制模塊通過對比行駛軌跡和車速的反饋值、設(shè)定值，實(shí)時調(diào)整傳給底盤控制模塊的控制量，再由控制車輛的相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變車輛的行駛軌跡和速度，從而實(shí)現(xiàn)車輛的閉環(huán)自動駕駛控制。

3 觀光車自動駕駛定位及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)觀光車電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和自動駕駛定位及控制系統(tǒng)控制模型，本文設(shè)計(jì)出觀光車自動駕駛定位及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 觀光車自動駕駛定位及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

觀光車自動駕駛定位及控制系統(tǒng)由上位機(jī)、車載差分定位移動站、激光雷達(dá)、電源/數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、以太網(wǎng)-CAN轉(zhuǎn)換器、毫米波雷達(dá)、底盤嵌入式控制板等組成。其中，車載差分定位移動站包括衛(wèi)星定位定向接收機(jī)、無線電臺天線、GPS主天線、GPS輔天線等設(shè)備[2]；以太網(wǎng)-CAN轉(zhuǎn)換器通過CAN總線外接車輛的電動轉(zhuǎn)向器，在原有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一個線控轉(zhuǎn)向機(jī)，在上位機(jī)的控制下對車輛的轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制；底盤嵌入式控制板分別連接觀光車的檔位開關(guān)、油門位置傳感器、剎車系統(tǒng)，并在上位機(jī)的控制下對這3個部分進(jìn)行控制，另外，剎車系統(tǒng)的控制采用推桿電機(jī)直接推動制動踏板的方式實(shí)現(xiàn)。

該系統(tǒng)各部件之間的連接關(guān)系和功能為：

1）GPS主天線、GPS輔天線、無線電臺天線都與衛(wèi)星定位定向接收機(jī)相連，與差分定位基準(zhǔn)站配合實(shí)現(xiàn)車輛的高精度定位；

2）衛(wèi)星定位定向接收機(jī)通過串行通信接口（RS232）與上位機(jī)進(jìn)行通信，將車輛的精確位置信息發(fā)送給上位機(jī)，以實(shí)現(xiàn)車輛的軌跡規(guī)劃和行走路線控制；

3）電源/數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器為激光雷達(dá)提供工作電源，同時將激光雷達(dá)檢測到的障礙物信息通過以太網(wǎng)接口（RJ45）發(fā)送給上位機(jī)的LAN2端口，用以實(shí)現(xiàn)障礙物的檢測，在自動駕駛中實(shí)現(xiàn)障礙物的檢測與避障功能；

4）以太網(wǎng)-CAN轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)和CAN總線通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，毫米波雷達(dá)通過CAN總線與以太網(wǎng)-CAN轉(zhuǎn)換器相連，并將檢測到的障礙物信息通過以太網(wǎng)-CAN轉(zhuǎn)換器發(fā)送給上位機(jī)，在車輛進(jìn)入自動駕駛模式時為上位機(jī)的車輛控制提供決策依據(jù)。

4 高精衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)

目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)的定位精度是10m，若在自動駕駛中采用這兩種定位系統(tǒng)進(jìn)行車輛定位則無法滿足定位精度要求，通常采用差分定位技術(shù)，而差分可分為位置差分、偽距差分、相位差分。常見的差分定位系統(tǒng)基準(zhǔn)站和車載差分定位移動站之間誤差值的傳輸可通過多種方式實(shí)現(xiàn)，本文選用運(yùn)行成本較低的無線電臺的方式，高精度衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示[3]。

高精度衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)由衛(wèi)星、差分定位基準(zhǔn)站、車載差分定位移動站組成。其中，差分定位基準(zhǔn)站包括電臺發(fā)射天線、衛(wèi)星接收機(jī)（型號為XW-GNSS1061）、無線電臺(型號為HX-U202)、衛(wèi)星接收天線，基準(zhǔn)站安裝在車輛行駛區(qū)域內(nèi)最高的空曠位置；車載差分定位移動站包括衛(wèi)星定位定向接收機(jī)(型號為XW-SC3663)、衛(wèi)星接收天線、電臺接收天線。

高精度衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)的工作原理是：首先，在基準(zhǔn)站內(nèi)安置1臺衛(wèi)星接收機(jī)，對衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測，并通過無線電臺和電臺發(fā)射天線實(shí)時地將載波相位的修正量傳送給車載差分定位移動站；然后，車載差分定位移動站在接收衛(wèi)星信號的同時，通過電臺接收天線接收基準(zhǔn)站的差分定位信息，根據(jù)相對定位原理實(shí)時處理數(shù)據(jù)，并以厘米級精度給出車載差分定位移動站的三維坐標(biāo)，再通過串行通信接口發(fā)送給車載自動駕駛定位及控制系統(tǒng)中的上位機(jī)[4-6]。

5 實(shí)車試驗(yàn)及應(yīng)用效果

根據(jù)上述方案選用相應(yīng)的設(shè)備，筆者團(tuán)隊(duì)對觀光車的驅(qū)動、轉(zhuǎn)向、制動系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的線性化控制改造，對車輛自動駕駛定位及控制系統(tǒng)進(jìn)行通信調(diào)試和數(shù)據(jù)測試，確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，并且完成在測試道路上對車輛進(jìn)行閉環(huán)行駛、障礙物檢測、地圖錄制等相關(guān)測試。改造后的觀光車自動駕駛定位及控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 改造后的觀光車及自動駕駛定位與控制系統(tǒng)

通過實(shí)際道路測試，可以得出以下結(jié)論：

1）觀光車自動駕駛定位及控制系統(tǒng)能在安全員的控制下進(jìn)行人工和自動駕駛模式的便捷切換，系統(tǒng)對車輛轉(zhuǎn)向控制較平穩(wěn)，誤差在±1。以內(nèi)；

2）軌跡規(guī)劃系統(tǒng)能根據(jù)預(yù)先采集的地圖進(jìn)行行駛軌跡規(guī)劃，控制車輛在設(shè)定軌跡上的行駛誤差在10cm以內(nèi)；

3）搭載的激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)不僅能準(zhǔn)確地識別車輛前方的障礙物，還可以在下雨、濃霧等較惡劣的天氣下，精準(zhǔn)地控制車輛識別障礙物，并在障礙物前方1m的范圍內(nèi)停下來。

6 結(jié)語

當(dāng)前，自動駕駛技術(shù)十分火熱，因受限于道路交通環(huán)境復(fù)雜、法規(guī)限制等因素，故實(shí)現(xiàn)開放道路乘用車的自動駕駛還需較長的一段時間。但在特定場景下的自動駕駛卻具有先天的實(shí)施優(yōu)勢，在具有道路相對封閉、路線固定、交通環(huán)境單一等特點(diǎn)的特定區(qū)域內(nèi)行駛的車輛為自動駕駛技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了載體。

本文以特定區(qū)域內(nèi)行駛的觀光車為載體，采用載波相位差分定位方式，對觀光車進(jìn)行自動駕駛功能改造，試驗(yàn)結(jié)果表明：改造后的觀光車通過預(yù)設(shè)行駛路線，可以在固定的線路上實(shí)現(xiàn)自動駕駛，同時通過車輛自帶的激光雷達(dá)等傳感器也可實(shí)現(xiàn)對障礙物的檢測與停障功能。但是，觀光車自動駕駛定位及控制系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向控制中還存在轉(zhuǎn)向抖動、平滑度不夠等問題，系統(tǒng)雖然具備了障礙物的檢測和停障功能，但還不具備障礙物避讓功能，筆者團(tuán)隊(duì)后續(xù)將針對系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向和避障功能進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。