一種小型無人駕駛物流車線控底盤的研究

石添華

(廈門金龍旅行車有限公司 福建省新能源汽車企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福建 廈門 361022)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和汽車行業(yè)的高速發(fā)展,自動(dòng)駕駛已然成為當(dāng)下車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)熱點(diǎn)[1]。工信部裝備工業(yè)司發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》(征求意見稿)中提出,自動(dòng)駕駛智能網(wǎng)聯(lián)汽車銷量將占比 30%,2035年自動(dòng)駕駛汽車將成為新車銷售主流,自動(dòng)駕駛將對(duì)人類出行方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[2]。目前受限于相關(guān)法律法規(guī),小型無人駕駛物流車是自動(dòng)駕駛主流應(yīng)用研究之一,市場對(duì)于小型無人駕駛物流車的需求也在逐漸提高。為能滿足市場的多功能化、高精度化以及車聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)快速響應(yīng)需求,本文設(shè)計(jì)一種基于大型自動(dòng)駕駛客車底盤研發(fā)的小型無人駕駛物流車線控底盤。

1 小型線控底盤技術(shù)

小型線控底盤作為小型無人車的“大腦和四肢”進(jìn)行車輛的控制和執(zhí)行,是整個(gè)小型無人車的核心硬件。

1.1 小型線控底盤結(jié)構(gòu)

小型線控底盤結(jié)構(gòu)如圖1所示,從系統(tǒng)方面可劃分為底盤系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)[3]。

1-伺服轉(zhuǎn)向電機(jī); 2-制動(dòng)電機(jī); 3-三元鋰動(dòng)力電池圖1 小型線控底盤結(jié)構(gòu)

1) 底盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為滿足小型無人駕駛物流車的使用場景需求,線控底盤的整體長度設(shè)計(jì)為2 m。因小型無人駕駛物流車對(duì)裝載能力有一定要求,所以在底盤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用高剛度、高強(qiáng)度的桁架結(jié)構(gòu)和可調(diào)減震器的雙橫臂獨(dú)立懸架?？紤]到雨天的使用場景,其中的電控和儲(chǔ)能系統(tǒng)采用鈑金整體密閉封裝,使其達(dá)到IP64防護(hù)等級(jí)[4]。

2) 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電控系統(tǒng)采用規(guī)格為雙核、32位、主頻160 MHz的MPC5744P處理器的電子控制單元(ECU);電控系統(tǒng)轉(zhuǎn)向模塊采用伺服轉(zhuǎn)向電機(jī)(如圖1中1所示);電控系統(tǒng)制動(dòng)模塊采用后輪單電機(jī)(如圖1中2所示),通過電機(jī)的反向拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。電控系統(tǒng)全域采用CAN通訊方式[5]。

3) 儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)。儲(chǔ)能系統(tǒng)采用5 kW·h的三元鋰動(dòng)力電池(如圖1中3所示);考慮到車輛日常中遇到的儲(chǔ)能系統(tǒng)過充、過放、高溫等問題,針對(duì)性地設(shè)計(jì)符合安全保護(hù)性的電池管理系統(tǒng);儲(chǔ)能系統(tǒng)還通過全域底盤CAN與ECU連接,可使底盤實(shí)時(shí)獲取剩余電量、電流、電壓、電池溫度等儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)[6]。

1.2 線控轉(zhuǎn)向

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(SBW),是在車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)(EPS)上發(fā)展起來的,相對(duì)于EPS,SBW具有冗余功能,并能獲得更快的響應(yīng)速度[7]。對(duì)于L3及以上的自動(dòng)駕駛汽車,部分會(huì)脫離駕駛員的操控,自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)對(duì)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制精確、可靠性要求更高,只有線控轉(zhuǎn)向才能夠滿足要求。

SBW主要分為電子控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩個(gè)部分:電子控制系統(tǒng)包括車速傳感器、橫擺角速度傳感器、加速度傳感器和ECU,以提高車輛的操縱穩(wěn)定性;轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括角位移傳感器、轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)、齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和其他機(jī)械轉(zhuǎn)向裝置等[8]。SBW工作原理如下:首先,將轉(zhuǎn)向指令通過數(shù)字信號(hào)傳遞給轉(zhuǎn)向齒輪執(zhí)行機(jī)構(gòu),然后根據(jù)不同的車速及駕駛工況提供的方向盤力矩反饋,轉(zhuǎn)向齒輪執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收到轉(zhuǎn)向指令信號(hào),將轉(zhuǎn)向指令信號(hào)轉(zhuǎn)換成輪胎的角度擺動(dòng),同時(shí)給轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)發(fā)送電信號(hào)指令,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制。此外還配備遠(yuǎn)程遙控模塊,可在人工遙控模式下對(duì)線控底盤進(jìn)行遙控。

1.3 線控制動(dòng)

據(jù)相關(guān)試驗(yàn)和文獻(xiàn)表明[9],制動(dòng)躍遷響應(yīng)測試更能說明小型無人車線控底盤性能,所以本文選用線控制動(dòng)測試以表征小型無人車線控底盤部分性能。

線控制動(dòng)系統(tǒng)由ECU、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、車輪制動(dòng)模塊等組成[10]。工作原理如下:線控指令通過數(shù)字信號(hào)傳遞給ECU,ECU根據(jù)各傳感器輸入信號(hào)判斷車輛所處的工況并決策各工況下電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩,然后通過CAN總線將目標(biāo)值發(fā)送給電機(jī)控制器,電機(jī)控制器根據(jù)接收到的命令對(duì)車輪制動(dòng)模塊進(jìn)行控制,以保證車輛的正常制動(dòng)[11]。

2 實(shí)車試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)場景搭建

本文試驗(yàn)場地選擇整車企業(yè)車輛測試試驗(yàn)場,該試驗(yàn)場滿足車輛傳統(tǒng)性能測試的各項(xiàng)要求,同時(shí)也能提供假人橫穿馬路、設(shè)置障礙物等環(huán)境多變的測試場景。試驗(yàn)場地由圍成的矩形跑道組成。測試項(xiàng)目包含線控底盤制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等性能測試,故選擇低速測試場景,不包含上下坡,避免因重力等因素影響測試結(jié)果。

為了驗(yàn)證上述線控底盤的響應(yīng)能力(精度),對(duì)裝備該線控底盤的小型無人物流整車進(jìn)行循跡試驗(yàn)和信號(hào)對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)過程使用自動(dòng)駕駛模式,當(dāng)遇到危險(xiǎn)情況時(shí)使用遙控器接管車輛控制權(quán),待危險(xiǎn)解除后再將控制權(quán)交還給自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。

2.2 試驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果

2.2.1 高精度RTK差分定位導(dǎo)航

采用自行者ZNAV2000高精度RTK-IMU車載組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備,將該組合導(dǎo)航設(shè)備與試驗(yàn)車輛連接,并以試驗(yàn)車輛作為用戶流動(dòng)站。隨后進(jìn)行組合導(dǎo)航的初始化設(shè)置。完成上述工作后將試驗(yàn)車輛停在試驗(yàn)場地的起點(diǎn)位置。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)開啟車輛自動(dòng)駕駛模式,讓車輛在該模式下繞試驗(yàn)場地一周,采集自行者ZNAV2000高精度RTK車載組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備的輸出定位報(bào)文記錄經(jīng)緯度信號(hào)繪制路徑圖進(jìn)行對(duì)比。

試驗(yàn)結(jié)果:車輛執(zhí)行自動(dòng)駕駛模式狀態(tài)下高精度RTK車載組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備輸出的定位報(bào)文記錄經(jīng)緯度信號(hào)如圖2所示,說明了無人線控底盤響應(yīng)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)輸出良好,能準(zhǔn)確執(zhí)行自動(dòng)駕駛系統(tǒng)輸出報(bào)文信號(hào)。

圖2 RTK導(dǎo)航信號(hào)與實(shí)車循跡圖

2.2.2 自動(dòng)駕駛模式轉(zhuǎn)向測試

采用周立功CAN-2E-U、USB-CAN硬件卡,將CAN硬件卡與試驗(yàn)車輛整車CAN連接,試驗(yàn)全程通過該設(shè)備監(jiān)控和記錄試驗(yàn)車輛線控底盤的控制層線路報(bào)文。完成設(shè)備連接后將試驗(yàn)車輛停在試驗(yàn)場地大角度彎道的起點(diǎn)位置。小型無人物流車設(shè)置轉(zhuǎn)向速度為5 km/h。試驗(yàn)車輛在起點(diǎn)處平地自動(dòng)駕駛起步,從0 km/h加速至5 km/h并保持該速度在試驗(yàn)場地大角度彎道保持轉(zhuǎn)向自動(dòng)駕駛模式行駛。離線保存該階段由傳感器檢測的車輛底盤反饋力矩信號(hào)。

試驗(yàn)結(jié)果:車輛平地自動(dòng)駕駛時(shí),接收到的轉(zhuǎn)向力矩反饋信號(hào)與車輛轉(zhuǎn)向?qū)嶋H執(zhí)行信號(hào)對(duì)比如圖3所示。該圖顯示,車輛在平地自動(dòng)駕駛起步后80～100 s期間,轉(zhuǎn)向信號(hào)與車輛底盤轉(zhuǎn)向執(zhí)行信號(hào)各區(qū)間波形趨近,車輛線控底盤在轉(zhuǎn)向執(zhí)行方面滿足要求。

圖3 轉(zhuǎn)向輸出信號(hào)與執(zhí)行反饋對(duì)比

2.2.3 自動(dòng)駕駛模式制動(dòng)測試

采用周立功CAN-2E-U、USB-CAN硬件卡,將CAN硬件卡與試驗(yàn)車輛整車CAN連接,試驗(yàn)全程通過該設(shè)備監(jiān)控和記錄試驗(yàn)車輛線控底盤的控制層線路報(bào)文。完成設(shè)備連接后將試驗(yàn)車輛停在試驗(yàn)場地低速長直道的起點(diǎn)位置。考慮到小型無人駕駛物流車在自動(dòng)無監(jiān)督環(huán)境下執(zhí)行物流運(yùn)輸?shù)淖罡咚俣认拗?速度節(jié)點(diǎn)設(shè)定在15～0 km/h。試驗(yàn)車輛在起點(diǎn)處平地自動(dòng)駕駛起步并保持15 km/h時(shí)速在長直道上保持直線自動(dòng)駕駛模式行駛后,車輛從15 km/h減速至0 km/h。離線保存該階段傳感器檢測的制動(dòng)壓力信號(hào)。

試驗(yàn)結(jié)果:車輛制動(dòng)時(shí),接收到的制動(dòng)壓力信號(hào)與車輛實(shí)際制動(dòng)壓力信號(hào)對(duì)比如圖4所示。測試環(huán)境為正常城市道路,測試道路無較大坡度。該圖顯示,車輛在自動(dòng)駕駛模式下從15 km/h減速至0 km/h期間,VCU反饋信號(hào)與制動(dòng)壓力執(zhí)行信號(hào)躍遷波形趨近,無人線控底盤在制動(dòng)執(zhí)行方面滿足要求。

圖4 制動(dòng)壓力輸出信號(hào)與執(zhí)行反饋對(duì)比

3 結(jié)束語

本文介紹了一種小型無人駕駛物流車的線控底盤。通過所設(shè)計(jì)的一系列RTK差分定位導(dǎo)航、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向性能測試試驗(yàn),驗(yàn)證了這種小型無人駕駛物流車線控底盤的各項(xiàng)線控性能滿足要求,印證了其在日后應(yīng)用場景中的準(zhǔn)確性和可靠性。