基于轉(zhuǎn)鼓/制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)的自動(dòng)駕駛整車在環(huán)虛擬仿真測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘要】為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向條件下自動(dòng)駕駛車輛的功能測(cè)試，設(shè)計(jì)了一種整車在環(huán)虛擬仿真測(cè)試系統(tǒng)，在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)鼓/制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的前軸輥筒組上增加由線性電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)板實(shí)現(xiàn)整車行駛中最大10°的轉(zhuǎn)向功能，并結(jié)合軟件仿真技術(shù)，針對(duì)自動(dòng)駕駛車輛轉(zhuǎn)向行駛時(shí)車速?gòu)?0 km/h下降到20 km/h的工況進(jìn)行動(dòng)態(tài)制動(dòng)力測(cè)試，以及車速下降到0 km/h過(guò)程的制動(dòng)摩擦力測(cè)試，最后，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析驗(yàn)證，結(jié)果表明，該測(cè)試系統(tǒng)能夠在±10°的轉(zhuǎn)向角范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛車輛的預(yù)期制動(dòng)加速度變化，并控制測(cè)試制動(dòng)力精度在±5 N的范圍內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證了該測(cè)試系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)駕駛 轉(zhuǎn)向功能 動(dòng)態(tài)制動(dòng)力測(cè)試 整車在環(huán)

中圖分類號(hào)：U467.1" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20240038

Design of Virtual Simulation Test System for Autonomous Vehicle

in the Loop Based on the Roll/Brake Test Stand

Tian Changqing

（Schenck Shanghai Machinery Corp. Ltd.， Shanghai 200444）

【Abstract】To test the steering function of autonomous vehicles， a vehicle in the loop virtual simulation testing system design is designed. A rotating plate driven by a linear motor is added to the front axle drum group on the traditional drum/brake testing platform to achieve a maximum 10° steering function during vehicle driving. Combined with software simulation technology， dynamic braking force testing is carried out for the speed reduction of autonomous vehicles from 80 km/h to 20 km/h during steering operation， as well as braking friction force testing during the speed reduction to 0 km/h. The test results are analyzed and verified. The analysis results indicate that the testing system can achieve the expected braking ability of autonomous vehicles within a steering angle range of ±10°， and control the testing braking force accuracy within the range of ±5 N， whitch further verifies the effectiveness of the testing system.

Key words： Autonomous driving， Steering function， Dynamic braking force test， Vehicle in the loop

【引用格式】 田常青. 基于轉(zhuǎn)鼓/制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)的自動(dòng)駕駛整車在環(huán)虛擬仿真測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 汽車工程師， 2024（7）： 18-23.

TIAN C Q. Design of Virtual Simulation Test System for Autonomous Vehicle in the Loop Based on the Roll/Brake Test Stand[J]. Automotive Engineer， 2024（7）： 18-23.

1 前言

自動(dòng)駕駛車輛的功能測(cè)試主要依托試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試和道路測(cè)試。目前，傳統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)車輛高速工況下轉(zhuǎn)向時(shí)的制動(dòng)測(cè)試，而道路測(cè)試時(shí)車輛轉(zhuǎn)向角度不可控，且車輛在特定轉(zhuǎn)角下的制動(dòng)數(shù)據(jù)難以采集，僅依靠實(shí)車道路試驗(yàn)難以滿足自動(dòng)駕駛車輛的測(cè)試需求。

在上述背景下，虛擬仿真測(cè)試系統(tǒng)仍是當(dāng)下的研究熱點(diǎn)，王潤(rùn)民等[2]搭建了整車在環(huán)虛擬仿真測(cè)試平臺(tái)，集成了試驗(yàn)臺(tái)、虛擬場(chǎng)景和自動(dòng)駕駛車輛，用于測(cè)試車輛的感知、決策等功能，并提出一種轉(zhuǎn)向隨動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上車輛轉(zhuǎn)向角的采集。該測(cè)試平臺(tái)轉(zhuǎn)向隨動(dòng)系統(tǒng)依靠轉(zhuǎn)向臺(tái)的激光距離傳感器和被測(cè)車輛轉(zhuǎn)向盤上的陀螺儀實(shí)現(xiàn)車輛的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)向檢測(cè)，單片機(jī)采用模糊PID控制算法對(duì)檢測(cè)到的車輪轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角進(jìn)行處理，生成控制驅(qū)動(dòng)器的符號(hào)脈沖和方向脈沖，通過(guò)控制伺服電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)跟隨被測(cè)車輛的轉(zhuǎn)向而轉(zhuǎn)動(dòng)。從實(shí)現(xiàn)目的上，這種隨動(dòng)系統(tǒng)高度依賴激光傳感器的靈敏度，以及驅(qū)動(dòng)器的反饋無(wú)滯后；從測(cè)試需求上，由于該測(cè)試系統(tǒng)轉(zhuǎn)向角度范圍為±1°，轉(zhuǎn)鼓組無(wú)法實(shí)現(xiàn)隨輪胎轉(zhuǎn)向，則無(wú)法開展需依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)加載實(shí)現(xiàn)的制動(dòng)摩擦力測(cè)試。

因此，本文提出一種自動(dòng)駕駛整車在環(huán)虛擬仿真測(cè)試系統(tǒng)，在現(xiàn)有轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上增加可操縱輥筒組的功能，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向條件下的測(cè)試，并配備額外的傳感器和驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行輥筒組控制，實(shí)現(xiàn)不同駕駛工況均速和變速狀態(tài)下的測(cè)試，在保證仿真測(cè)試道路真實(shí)性的同時(shí)，結(jié)合仿真測(cè)試軟件中對(duì)交通環(huán)境的多樣化建模，可保證測(cè)試結(jié)果的有效性，并滿足車輛實(shí)際駕駛工況下的測(cè)試要求。

2 自動(dòng)駕駛車輛仿真試驗(yàn)臺(tái)集成轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 仿真試驗(yàn)臺(tái)集成轉(zhuǎn)向輥筒組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)駕駛車輛仿真試驗(yàn)臺(tái)以轉(zhuǎn)鼓/制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)。試驗(yàn)臺(tái)主要包括支撐車輪的4套轉(zhuǎn)鼓組，每套轉(zhuǎn)鼓組與一個(gè)矢量控制交流電機(jī)連接，電機(jī)由變頻器控制并以驅(qū)動(dòng)或發(fā)電機(jī)模式單獨(dú)工作，一套中央控制單元監(jiān)測(cè)電機(jī)獨(dú)立同步運(yùn)行所需的參數(shù)（轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩），電機(jī)間的能量交換由直流電路完成，數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)總線系統(tǒng)進(jìn)行。

轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與整車質(zhì)量相匹配，使其盡可能接近實(shí)際行駛工況。通過(guò)轉(zhuǎn)鼓之間輪胎的幾何關(guān)系，即輪胎在轉(zhuǎn)鼓上的2個(gè)落點(diǎn)與車輪中心連線的角度關(guān)系，計(jì)算得出轉(zhuǎn)鼓組在車輛行駛方向及其反方向上提供的大部分保持力，并由此確定輪胎向轉(zhuǎn)鼓傳遞的最大驅(qū)動(dòng)力。

前橋由2個(gè)單獨(dú)的輥筒組組成，安裝在同一機(jī)架上。每個(gè)輥筒組單元由一個(gè)可在x方向（車輛行駛方向）上移動(dòng)的旋轉(zhuǎn)板和一個(gè)用于輥筒安裝的框架組成。

當(dāng)車輛進(jìn)入或駛出試驗(yàn)臺(tái)時(shí)，旋轉(zhuǎn)板的旋轉(zhuǎn)及其在x方向上的移動(dòng)均被阻擋，旋轉(zhuǎn)板的轉(zhuǎn)向位置通過(guò)線性編碼器檢測(cè)。如圖1所示為前軸集成轉(zhuǎn)向輥筒組結(jié)構(gòu)。

2.2 仿真試驗(yàn)臺(tái)集成轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

保持轉(zhuǎn)鼓/制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)原有功能不變，額外配備了傳感器和執(zhí)行器，可以快速可靠地控制旋轉(zhuǎn)板的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而控制輥筒組的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。輥筒組旋轉(zhuǎn)板驅(qū)動(dòng)組如圖2所示，新增傳感器和執(zhí)行器如下：

a. 用于檢測(cè)車輛的側(cè)向運(yùn)動(dòng)或者分別檢測(cè)車輪角度的傳感器；

b. 用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)板角度的傳感器和用于驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)板的驅(qū)動(dòng)單元；

c. 用于驅(qū)動(dòng)輥筒組在x方向上運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)單元。

為了最大限度地減少車輛的橫向運(yùn)動(dòng)，必須快速檢測(cè)車輪的角度和車輛位置，并相應(yīng)地控制驅(qū)動(dòng)器，此外，使用集成在傳感器中的軟件評(píng)估來(lái)自點(diǎn)激光傳感器的測(cè)量值，計(jì)算車輪角度。仿真試驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)如圖3所示。

除進(jìn)行常規(guī)測(cè)試外，還可以在考慮車輛轉(zhuǎn)向的情況下，進(jìn)行高速行駛條件下的車輛測(cè)試。當(dāng)車輛轉(zhuǎn)角達(dá)到極限時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)在調(diào)整輥筒組速度時(shí)產(chǎn)生的加速度會(huì)轉(zhuǎn)化為反向摩擦力作用于輪胎。同時(shí)，集成轉(zhuǎn)向功能的控制系統(tǒng)具有高度的靈活性，體現(xiàn)在智能驅(qū)動(dòng)控制、自動(dòng)化系統(tǒng)的通用性，以及從可能的運(yùn)行模式中產(chǎn)生不同的測(cè)試工況和加載水平。

3 自動(dòng)駕駛仿真測(cè)試過(guò)程

3.1 仿真測(cè)試系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

如圖4所示，測(cè)試系統(tǒng)硬件包含前軸帶轉(zhuǎn)向功能的試驗(yàn)臺(tái)、計(jì)算機(jī)和顯示器。試驗(yàn)臺(tái)的控制通過(guò)一套基本軟件的參數(shù)設(shè)定完成。系統(tǒng)和測(cè)試軟件的操作通過(guò)工業(yè)計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、數(shù)據(jù)接口以及現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。采用x-line和Windows 10 64位操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)界面操作和控制程序的開發(fā)。圖5所示為無(wú)人操作的自動(dòng)駕駛車輛仿真測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試過(guò)程。

3.2 仿真測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試流程

自動(dòng)駕駛測(cè)試通過(guò)外部ECU與無(wú)人駕駛車輛通信，通過(guò)前軸輥筒組將車輛在試驗(yàn)臺(tái)上定位，先進(jìn)行直線行駛測(cè)試，再進(jìn)行轉(zhuǎn)向條件下的測(cè)試。詳細(xì)步驟為：車輛進(jìn)入試驗(yàn)臺(tái)后，通過(guò)轉(zhuǎn)鼓組在前軸上繞z軸旋轉(zhuǎn)對(duì)其進(jìn)行定位；以不同的速度直行或進(jìn)行全功能測(cè)試，包括轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)典型測(cè)試，如制動(dòng)、加速、傳感器測(cè)試；車輛以不同速度轉(zhuǎn)向并以不同的轉(zhuǎn)向角度向前行駛。表1所示為多功能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)的技術(shù)參數(shù)。測(cè)試系統(tǒng)中轉(zhuǎn)鼓組電機(jī)技術(shù)參數(shù)、電機(jī)和發(fā)電機(jī)運(yùn)行曲線分別如表2、圖6所示。其中，連續(xù)工作工況是指在恒定負(fù)載下的運(yùn)行時(shí)間足以達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)的工況，周期運(yùn)行工況是指按照由一段啟動(dòng)時(shí)間、一段恒定負(fù)載運(yùn)行時(shí)間、一段快速電制動(dòng)時(shí)間和一段斷能停轉(zhuǎn)時(shí)間構(gòu)成的固定周期運(yùn)行的工況。

3.2.1 制動(dòng)摩擦力測(cè)試

制動(dòng)過(guò)程中，摩擦力測(cè)試流程如下：

a. 將轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)加速至100 km/h（或任何其他速度）；

b. 關(guān)閉電機(jī)，使輥筒組自由運(yùn)行，直到0 km/h；

c. 記錄從最大速度到靜止?fàn)顟B(tài)的100個(gè)值（按照3σ取值原則）；

d. 使用記錄的速度計(jì)算摩擦力并存儲(chǔ)平均值；

e. 對(duì)速度取平均值；

f. 將速度和力同時(shí)存儲(chǔ)在“校準(zhǔn)存儲(chǔ)器”中，用于操作模式下的計(jì)算校準(zhǔn)；

g. 如果記錄中車速高于最大校準(zhǔn)速度100 km/h，將該值作為最大校準(zhǔn)速度；

h. 在2個(gè)存儲(chǔ)值之間進(jìn)行插值。

以通過(guò)摩擦力校準(zhǔn)和摩擦力測(cè)試確定的兩條曲線之間的差值作為質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，如允許的最大值為7 N，4個(gè)輥筒組的摩擦力曲線如圖7所示。

3.2.2 動(dòng)態(tài)制動(dòng)力測(cè)試

動(dòng)態(tài)制動(dòng)力測(cè)試流程如下：

a. 對(duì)輥筒組用不同的力加速幾次；

b. 通過(guò)安裝在逆變器上的軟件程序?qū)y(cè)得的電機(jī)力和加速力進(jìn)行比較；

c. 在校準(zhǔn)期間記錄電機(jī)力和加速力之間的差異，并將用于試驗(yàn)臺(tái)操作模式下的電機(jī)力縮放和校正；

d. 對(duì)每個(gè)軸進(jìn)行力校準(zhǔn)，可同時(shí)對(duì)2組輥筒組進(jìn)行校準(zhǔn)，以避免進(jìn)給返回裝置過(guò)載；

e. 選擇車輛在轉(zhuǎn)鼓組上停止時(shí)，輪胎面落在鼓面的5個(gè)不同的轉(zhuǎn)鼓位置作為測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)電機(jī)加載力均從最大值開始，如3 000 N、2 000 N、1 000 N、500 N、250 N；

f. 對(duì)中間值進(jìn)行線性插值；

g. 完成力校準(zhǔn)后，在“測(cè)試”模式下記錄測(cè)量值，以便對(duì)力進(jìn)行評(píng)估。

3.3 自動(dòng)駕駛車輛轉(zhuǎn)向測(cè)試結(jié)果分析

車輛在不同的模塊中進(jìn)行測(cè)試，由模塊自動(dòng)處理，系統(tǒng)告知工人必要的操作和程序步驟，通過(guò)遠(yuǎn)程控制操作各程序步驟。車輛測(cè)試完成或中止后，系統(tǒng)返回原位。

電機(jī)力通過(guò)加速力進(jìn)行校準(zhǔn)。加速力通過(guò)電機(jī)編碼器記錄的加速度和整個(gè)系統(tǒng)的已知折算質(zhì)量（減少質(zhì)量）計(jì)算，折算質(zhì)量是一個(gè)完整輥筒組（輥筒、皮帶輪、皮帶、電機(jī)）質(zhì)量慣性的測(cè)量單位，通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)x-cal確定，包括所有旋轉(zhuǎn)部件（輥筒、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、齒形墊圈、齒形皮帶等）的質(zhì)量減少。

因此，在校準(zhǔn)系統(tǒng)的幫助下確定輥筒組的減小質(zhì)量：

FInertia=mreda （1）

式中：FInertia為輥筒組質(zhì)量慣性力，mred為輥筒組的折算質(zhì)量，a為輥筒組的加速度。

輥筒組的折算質(zhì)量通過(guò)特殊流程確定。試驗(yàn)臺(tái)和測(cè)試設(shè)備x-cal熱機(jī)后進(jìn)行5次重復(fù)測(cè)試，確定輥筒組折算質(zhì)量的平均值，并檢查重復(fù)測(cè)試結(jié)果間的誤差。x-cal測(cè)試的重復(fù)性精度為4.5 kg。在校準(zhǔn)過(guò)程中，將記錄不同力范圍內(nèi)電機(jī)力與加速力的偏差；在運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)力用檢測(cè)值校正，該值與速度和力無(wú)關(guān)；對(duì)于本文所述的校準(zhǔn)，不需要扭矩測(cè)量軸。

對(duì)于動(dòng)態(tài)制動(dòng)力驗(yàn)證，x-cal首先用恒定加速力（一般為約500 N）將試驗(yàn)臺(tái)的輥筒組驅(qū)動(dòng)到約80 km/h，然后向輥筒組施加恒定的減速力（一般為約300 N）。x-cal產(chǎn)生的力由其自身測(cè)量并與轉(zhuǎn)鼓制動(dòng)測(cè)試平臺(tái)顯示的力進(jìn)行比較，評(píng)估力的偏差是否在允許的范圍內(nèi)。x-cal的測(cè)試精度為±5 N（測(cè)量不確定性K=2.95%的測(cè)試值在實(shí)際值的±5 N范圍內(nèi)）。

力校準(zhǔn)結(jié)果分析如圖8所示。

由圖8可知，測(cè)量摩擦力與校準(zhǔn)摩擦力在測(cè)試過(guò)程中的力偏差在±5 N以內(nèi)，符合GB 7258《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》中“當(dāng)進(jìn)行制動(dòng)力檢驗(yàn)時(shí)，汽車、汽車列車各車輪的阻滯力均應(yīng)小于等于輪荷的10%”的要求。

圖9所示為自動(dòng)駕駛條件下力校準(zhǔn)中速度變化特性曲線，由圖9可知，在自動(dòng)駕駛模式下，動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)中，加速度變化特性大致符合預(yù)期，并在計(jì)算值范圍內(nèi)。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于轉(zhuǎn)鼓/制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)搭建的自動(dòng)駕駛車輛仿真試驗(yàn)臺(tái)為自動(dòng)駕駛車輛的性能測(cè)試提供了高穩(wěn)定性的可控駕駛環(huán)境，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)和結(jié)果的實(shí)時(shí)記錄測(cè)試，可為被測(cè)系統(tǒng)提供高度真實(shí)的原始數(shù)據(jù)，也證明了該整車仿真測(cè)試平臺(tái)在自動(dòng)駕駛工況下測(cè)試系統(tǒng)的仿真效果良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于轉(zhuǎn)鼓/制動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)增加前軸轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)向功能，搭建了自動(dòng)駕駛車輛仿真試驗(yàn)臺(tái)，提供一種車輛在真實(shí)交通環(huán)境下的自動(dòng)駕駛狀態(tài)，在動(dòng)態(tài)制動(dòng)力校準(zhǔn)過(guò)程中記錄電機(jī)力與加速度力間的差異，并在試驗(yàn)臺(tái)操作模式下對(duì)電機(jī)力進(jìn)行縮放和校正。數(shù)據(jù)分析結(jié)果驗(yàn)證了該仿真測(cè)試平臺(tái)的有效性。

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（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2024年3月27日。