基于5G的遠(yuǎn)程駕駛操控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

段 軍,高 瞻,屠曉棟

(國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033)

1 引言

車輛的遠(yuǎn)程駕駛指駕駛員根據(jù)攝像頭拍攝的道路畫(huà)面，遠(yuǎn)程操控車輛行駛的行為，駕駛員可通過(guò)遠(yuǎn)程操控實(shí)現(xiàn)車輛的加速、減速、轉(zhuǎn)彎、換擋、制動(dòng)等常規(guī)操作，是一種人車分離的駕駛模式[1]。遠(yuǎn)程駕駛模式的應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛，可避免駕駛員在車輛行駛過(guò)程的人身危險(xiǎn)。因此，遠(yuǎn)程駕駛操控技術(shù)已成為當(dāng)前汽車領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究話題[2]。國(guó)外對(duì)遠(yuǎn)程駕駛操控系統(tǒng)的研究時(shí)間較長(zhǎng)，主要集中在機(jī)器人和航空航天領(lǐng)域。上世紀(jì)末期，美國(guó)遙控機(jī)器人成功發(fā)射，通過(guò)地面控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程遙控，接收到火星上視頻圖像信息。目前，遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域中[3]；國(guó)內(nèi)對(duì)遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的研究不斷深入，主要集中在軍工領(lǐng)域，在交通等其他領(lǐng)域也日漸成熟[4]。

李志騰等人為了滿足水稻穴直播機(jī)在作業(yè)過(guò)程中的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了自主駕駛控制系統(tǒng)，通過(guò)改造自主駕駛機(jī)電，設(shè)計(jì)控制器和油門(mén)檔位控制系統(tǒng)，滿足系統(tǒng)的功能要求，通過(guò)分析穴直播機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型和控制模型，建立雙閉環(huán)控制算法，并經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，確定控制器的參數(shù)[5]。該系統(tǒng)可以達(dá)到很好的跟蹤效果，但該系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程較為復(fù)雜，且操控系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。黎仕增等人為了防止駕駛員在車輛緊急制動(dòng)過(guò)程中，將油門(mén)當(dāng)剎車踩踏而發(fā)生交通事故，將車輛油門(mén)位置的電壓信號(hào)及變化率作為判別參數(shù)，以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)防油門(mén)誤踩控制系統(tǒng)，將該系統(tǒng)安裝在不同車型上進(jìn)行試驗(yàn)，該系統(tǒng)可以判斷車輛是否處于油門(mén)誤踩狀態(tài)，并執(zhí)行制動(dòng)操作，有效防止交通事故[6]，但該系統(tǒng)針對(duì)遠(yuǎn)程駕駛操控研究?jī)?nèi)容甚少，存在遠(yuǎn)程駕駛操控誤差較高等問(wèn)題。

基于上述背景，本文將5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到遠(yuǎn)程駕駛操控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。在5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，分析遠(yuǎn)程駕駛操控器的運(yùn)行原理，設(shè)計(jì)操控器的分層架構(gòu)，完成遠(yuǎn)程駕駛操控器的設(shè)計(jì)；根據(jù)遠(yuǎn)程駕駛操控系統(tǒng)的功能需求，在光電編碼器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程駕駛角位移傳感器，完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)；分析轉(zhuǎn)向操控、換擋操控及踏板操控的動(dòng)力學(xué)，建立轉(zhuǎn)向操控模型、換擋操控模型及踏板操控模型，完成遠(yuǎn)程駕駛操控模型的建立，結(jié)合遠(yuǎn)程駕駛操控程序設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)可有效提高遠(yuǎn)程駕駛操控系統(tǒng)的性能，具有一定優(yōu)勢(shì)性。

2 遠(yuǎn)程駕駛操控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 遠(yuǎn)程駕駛操控器設(shè)計(jì)

5G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程駕駛操控是基于遠(yuǎn)程駕駛二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，操控器硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程駕駛操控器硬件結(jié)構(gòu)

在遠(yuǎn)程駕駛二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，通過(guò)UART 接口搭載遠(yuǎn)程駕駛操控器，平臺(tái)的對(duì)外接口是UART 接口和總線接口，UART接口是目前最受開(kāi)發(fā)者歡迎的硬件[7]。

板載嵌入式是操控器與遠(yuǎn)程駕駛二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)之間傳輸數(shù)據(jù)的橋梁，可以接收駕駛數(shù)據(jù)并將其打包成數(shù)據(jù)幀，在通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到操控器，并且還會(huì)分析操控器發(fā)送的操控指令，最后轉(zhuǎn)發(fā)到駕駛操控模塊來(lái)執(zhí)行。

根據(jù)遠(yuǎn)程駕駛操控器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將操控器的總體架構(gòu)分為硬件層、系統(tǒng)層以及應(yīng)用層，如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)程駕駛操控器分層架構(gòu)圖

遠(yuǎn)程駕駛操控器的硬件層決定遠(yuǎn)程駕駛操控系統(tǒng)性能的上限，也是整個(gè)系統(tǒng)層的載體，系統(tǒng)層可以為軟件的運(yùn)行提供操作環(huán)境和數(shù)據(jù)傳輸接口，操控器的應(yīng)用層需要支撐整個(gè)操控業(yè)務(wù)的全部功能，為軟件的設(shè)計(jì)提供便利。

2.2 遠(yuǎn)程駕駛角位移傳感器設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程駕駛角位移傳感器用于檢測(cè)5G 遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角大小、踏板角度位置變化情況、作業(yè)桿旋轉(zhuǎn)角度以及電機(jī)軸的轉(zhuǎn)角大小，是遠(yuǎn)程駕駛操控系統(tǒng)所有轉(zhuǎn)角的檢測(cè)元件，影響轉(zhuǎn)角檢測(cè)的透明性和遠(yuǎn)程駕駛操控性和安全性。本文選用的角位移傳感器型號(hào)為JDXF01-M180-420A，是一款國(guó)產(chǎn)的傳感器。其具有較高的可靠性，該傳感器轉(zhuǎn)子軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能夠產(chǎn)生線性輸出信號(hào)，可以適應(yīng)多種不良環(huán)境的影響，自帶信號(hào)調(diào)節(jié)功能，可將信息快速傳遞，保證車輛運(yùn)行時(shí)操控命令的執(zhí)行，從而保證遠(yuǎn)程駕駛的安全性。該傳感器如圖3所示。

圖3 角位移傳感器實(shí)物圖

為保證遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的運(yùn)行性能，需要選擇分辨率高、響應(yīng)速度快且體積小的光電編碼器，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程駕駛角位移傳感器。光電編碼器的結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

圖4 光電編碼器的結(jié)構(gòu)原理

光電編碼器通過(guò)光與電的轉(zhuǎn)換，將遠(yuǎn)程駕駛的位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字傳感器。根據(jù)碼盤(pán)上刻度方法以及信號(hào)輸出形式，將光電編碼器的輸出波形分為增量式和絕對(duì)式。增量式利用光電信號(hào)轉(zhuǎn)換原理輸出三相脈沖波，波形圖如圖5所示。

圖5 增量式光電編碼器輸出波形

增量式光電編碼器的旋轉(zhuǎn)角度大于360°且踏板和掛擋機(jī)構(gòu)小于45°時(shí)，編碼器的轉(zhuǎn)速比較小，具有較高分辨能力，可提高遠(yuǎn)程駕駛角度位移傳感器的精度。

將5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到遠(yuǎn)程駕駛操控器的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過(guò)分析遠(yuǎn)程駕駛操控器的運(yùn)行原理，設(shè)計(jì)操控器的分層架構(gòu)，完成遠(yuǎn)程駕駛操控器的設(shè)計(jì)，根據(jù)遠(yuǎn)程駕駛操控系統(tǒng)的功能需求，在光電編碼器結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程駕駛角位移傳感器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

3 遠(yuǎn)程駕駛操控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 遠(yuǎn)程駕駛操控模型構(gòu)建

遠(yuǎn)程駕駛操控模型的建立分為轉(zhuǎn)向操控模型、換擋操控模型及踏板操控模型。首先確定遠(yuǎn)程控制駕駛員的控制電機(jī)與方向盤(pán)轉(zhuǎn)角的關(guān)系，即：

式中，δs表示遠(yuǎn)程操控電機(jī)軸轉(zhuǎn)過(guò)的實(shí)際角度，δm表示被控部分轉(zhuǎn)過(guò)的角度，ir表示減速器的傳動(dòng)比，為了保證操控的精確度，通常將ir定為1。

根據(jù)控制電機(jī)與方向盤(pán)轉(zhuǎn)角關(guān)系，得到車輛方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度與電機(jī)的角速度之間的關(guān)系為：

式中，ωm表示電機(jī)的角速度，iu表示車輛方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。

根據(jù)拉格朗日方程[8]，求出遠(yuǎn)程駕駛轉(zhuǎn)向操控的動(dòng)力學(xué)方程為：

式中，L表示遠(yuǎn)程駕駛轉(zhuǎn)向操控距離，θ 代表駕駛轉(zhuǎn)向操控的角度。

將公式(4)代入相關(guān)數(shù)據(jù)，可以得到：

式中，J表示方向盤(pán)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω表示方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角的加速度。

換擋操控模型是將檔位機(jī)械手分解為三個(gè)子機(jī)構(gòu)，以O(shè)a為基坐標(biāo)的開(kāi)鏈表示為：

式中，I代表機(jī)械手分解運(yùn)行參量，m代表基坐標(biāo)數(shù)量，v代表檔位機(jī)械手運(yùn)行速度。

以O(shè)b為基坐標(biāo)的開(kāi)鏈表示為：

以O(shè)c為基坐標(biāo)的開(kāi)鏈表示為：

因此，可以得出檔位操控的驅(qū)動(dòng)方程為：

踏板操控建模也采用拉格朗日方程，建立腳踏板的動(dòng)力學(xué)

模型，腳踏板的動(dòng)能和勢(shì)能可以表示為：

式中，α代表腳踏板的動(dòng)能修正系數(shù)。

式中，g代表腳踏板的重力。

將腳踏板的動(dòng)能和勢(shì)能代入到拉格朗日方程，可以得到：

依據(jù)轉(zhuǎn)向操控模型、換擋操控模型及踏板操控模型，得到了遠(yuǎn)程駕駛操控模型為：

通過(guò)轉(zhuǎn)向操控、換擋操控及踏板操控的動(dòng)力學(xué)分析，分別建立轉(zhuǎn)向操控模型、換擋操控模型及踏板操控模型，從而完成遠(yuǎn)程駕駛操控模型的建立。

3.2 遠(yuǎn)程駕駛操控程序設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程駕駛操控程序的設(shè)計(jì)較復(fù)雜，首先初始化單片機(jī)的每一個(gè)部分，具體到每一個(gè)引腳，保證遠(yuǎn)程駕駛操控系統(tǒng)的單片機(jī)正常運(yùn)行；然后設(shè)計(jì)速度操控程序，也是遠(yuǎn)程駕駛操控系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)部分，從選擇遠(yuǎn)程駕駛操控算法到操控程序的編寫(xiě)，要給出詳細(xì)的調(diào)試和規(guī)劃，從而達(dá)到較好的操控效果。

由于遠(yuǎn)程駕駛操控程序的設(shè)計(jì)關(guān)系到系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)性能質(zhì)量，只有設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程駕駛操控程序，才能確保遠(yuǎn)程駕駛操控的可行性。遠(yuǎn)程駕駛操控流程如圖6所示。

圖6 遠(yuǎn)程駕駛操控流程

4 測(cè)試分析

4.1 測(cè)試平臺(tái)及環(huán)境

遠(yuǎn)程駕駛操控系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)由上位機(jī)和無(wú)人機(jī)端組成，測(cè)試平臺(tái)的具體構(gòu)成如表1所示。

表1 測(cè)試平臺(tái)組成

在表1測(cè)試平臺(tái)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了具體測(cè)試流程，如下：

Step1：先開(kāi)啟遠(yuǎn)程駕駛操控系統(tǒng)的操控程序，等待遠(yuǎn)程駕駛無(wú)人機(jī)端接入，當(dāng)遠(yuǎn)程駕駛無(wú)人機(jī)端接入到操控程序后，待無(wú)人機(jī)運(yùn)行之前，利用心跳信息和無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)的傳輸測(cè)試遠(yuǎn)程駕駛操控系統(tǒng)的連通性；

Step2：當(dāng)系統(tǒng)操控端與無(wú)人機(jī)端連接之后，操控程序會(huì)向無(wú)人機(jī)端發(fā)送操控指令，控制無(wú)人機(jī)的實(shí)際飛行，測(cè)試無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中的操控；

Step3：無(wú)人機(jī)飛行的同時(shí)，系統(tǒng)操控程序會(huì)顯示無(wú)人機(jī)回傳的飛行數(shù)據(jù)和視頻，測(cè)試無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)的回傳是否穩(wěn)定，是否可以達(dá)到操控要求；

Step4：測(cè)試結(jié)束后，分析無(wú)人機(jī)端生成的操控指令，從而來(lái)判斷遠(yuǎn)程駕駛操控系統(tǒng)的性能；

Step5：模擬無(wú)人機(jī)的飛行過(guò)程，利用軟件分析方法模擬突發(fā)事件，觀測(cè)遠(yuǎn)程駕駛操控系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

4.2 遠(yuǎn)程駕駛操控誤差對(duì)比測(cè)試

在搭建的測(cè)試平臺(tái)基礎(chǔ)上，采集一條無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中的路線，分別采用基于5G 的遠(yuǎn)程駕駛操控系統(tǒng)、文獻(xiàn)[5]的操控系統(tǒng)及文獻(xiàn)[6]的操控系統(tǒng)，對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，得到遠(yuǎn)程駕駛操控誤差對(duì)比結(jié)果，如圖7所示。

圖7 遠(yuǎn)程駕駛操控誤差對(duì)比結(jié)果

從圖7實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，采用基于5G 的遠(yuǎn)程駕駛操控系統(tǒng)來(lái)遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)時(shí)，由于該系統(tǒng)將5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到遠(yuǎn)程駕駛操控器設(shè)計(jì)中，加快操控器對(duì)無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)的傳輸速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行狀況的實(shí)時(shí)操控，使遠(yuǎn)程操控結(jié)果與采集的無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行路線接近吻合；采用文獻(xiàn)[5]操控系統(tǒng)遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)時(shí)，由于該系統(tǒng)硬件配置設(shè)計(jì)采用4G網(wǎng)絡(luò)，無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)傳輸速度較慢，無(wú)法實(shí)時(shí)接收到無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)飛行情況，導(dǎo)致遠(yuǎn)程操控結(jié)果與采集到無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行路線存在一定誤差；采用文獻(xiàn)[6]操控系統(tǒng)遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)時(shí)，由于該系統(tǒng)在操控?zé)o人機(jī)時(shí)，需要先識(shí)別無(wú)人機(jī)的飛行速度、與操控站的距離等因素，延長(zhǎng)系統(tǒng)接收無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)時(shí)間，使遠(yuǎn)程操控結(jié)果與采集的無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行路線之間存在很大誤差。

4.3 遠(yuǎn)程駕駛操控系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間對(duì)比測(cè)試

在搭建的測(cè)試平臺(tái)基礎(chǔ)上，找到三臺(tái)配置相同的無(wú)人機(jī)，分別采用基于5G 的遠(yuǎn)程駕駛操控系統(tǒng)、文獻(xiàn)[5]的操控系統(tǒng)及文獻(xiàn)[6]的操控系統(tǒng)，遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)，測(cè)試操控系統(tǒng)不同模塊的響應(yīng)時(shí)間情況，如圖8所示。

圖8 遠(yuǎn)程駕駛操控系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間對(duì)比結(jié)果

從圖8測(cè)試結(jié)果可以看出，采用基于5G 的遠(yuǎn)程駕駛操控系統(tǒng)來(lái)遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)時(shí)，由于該系統(tǒng)操控程序設(shè)計(jì)保證遠(yuǎn)程操控的可行性，并對(duì)遠(yuǎn)程操控的各個(gè)模塊進(jìn)行了建模，使系統(tǒng)每一個(gè)模塊的響應(yīng)時(shí)間都在1 分鐘以內(nèi)；采用文獻(xiàn)[5]的操控系統(tǒng)來(lái)遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)時(shí)，由于該系統(tǒng)只對(duì)檔位進(jìn)行了操控，無(wú)法控制無(wú)人機(jī)的具體位置，導(dǎo)致系統(tǒng)各個(gè)模塊的響應(yīng)時(shí)間都變長(zhǎng)；采用文獻(xiàn)[6]的操控系統(tǒng)來(lái)遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)時(shí)，由于該系統(tǒng)是利用普通編碼器設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程駕駛角位移傳感器，使系統(tǒng)操控端接收無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)的速度變慢，最終導(dǎo)致該系統(tǒng)各個(gè)模塊的響應(yīng)時(shí)間都很長(zhǎng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出基于5G 的遠(yuǎn)程駕駛操控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，將5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到遠(yuǎn)程駕駛操控系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程駕駛操控，測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)的操控性能更好。在今后研究中，將進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)操控范圍的改進(jìn)研究。