智能汽車(chē)試驗(yàn)平臺(tái)的底層控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘" 要】隨著計(jì)算機(jī)及人工智能技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外各大公司及高校都開(kāi)始搭建自己的智能汽車(chē)試驗(yàn)平臺(tái)。由于高校缺少智能汽車(chē)試驗(yàn)平臺(tái)且大多面臨高成本等問(wèn)題，文章利用車(chē)輛的配件及傳感元件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一套智能汽車(chē)試驗(yàn)平臺(tái)。該控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向與制動(dòng)系統(tǒng)等子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)以及底層控制器與上層控制器之間均采用CAN通信。該系統(tǒng)搭建成本低、設(shè)計(jì)合理、穩(wěn)定性高、控制準(zhǔn)確，為上層控制提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的試驗(yàn)與研究平臺(tái)，對(duì)今后智能駕駛技術(shù)的研究具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】智能汽車(chē)；底層控制；CAN通信；車(chē)輛裝配

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.6" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（2025）03-0014-04

Design of the Bottom Control System of the Intelligent Vehicle Experimental Platform

【Abstract】With the development of computer and artificial intelligence technology，major companies and universities at home and abroad have begun to build their own intelligent vehicle experiment platform.Due to the lack of intelligent vehicle experimental platform in colleges and universities and most of them are faced with high costs and other problems，this paper uses vehicle accessories and sensing components to design and implement a set of intelligent vehicle experimental platform.The control system includes steering system，braking system，speed system and other subsystems，and each subsystem as well as the bottom controller and the upper controller adopt CAN communication.The system has the advantages of low construction cost，reasonable design，high stability and accurate control，which provides a reliable experimental and research platform for upper control，and has important significance for the future research of unmanned driving technology.

【Key words】smart car；bottom control；the CAN communication；vehicle assembly

0" 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)的發(fā)展方向越來(lái)越趨于智能化，智能駕駛技術(shù)的研究變成了一個(gè)熱門(mén)的領(lǐng)域，因此各大高校及企業(yè)紛紛涉足該領(lǐng)域并搭建了試驗(yàn)平臺(tái)。智能車(chē)可以分為環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、決策控制和底層控制4個(gè)模塊，其中底層控制的準(zhǔn)確以及響應(yīng)速度尤為重要。

智能汽車(chē)的底層控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能駕駛穩(wěn)定性控制的基礎(chǔ)[1]，它可以接收上層工控機(jī)的控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)解析，準(zhǔn)確地下發(fā)指令（如自動(dòng)制動(dòng)[2]、自動(dòng)轉(zhuǎn)向[3]等）到各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。若由真實(shí)車(chē)輛改裝而成，造價(jià)成本較高。若用循跡小車(chē)則試驗(yàn)平臺(tái)過(guò)小[4]，不能模仿真實(shí)的汽車(chē)行駛情況。

本文綜合考慮智能車(chē)平臺(tái)的搭建成本、指令下發(fā)速度、控制精度、穩(wěn)定性和可延展性以及接近真實(shí)汽車(chē)等因素，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種智能汽車(chē)試驗(yàn)平臺(tái)。該試驗(yàn)平臺(tái)包含了真實(shí)汽車(chē)的大部分元件，可以很好地模擬車(chē)輛的真實(shí)情況并且成本較低，也可以添加各種傳感器元件，例如激光雷達(dá)、雙目相機(jī)、超聲波雷達(dá)進(jìn)行算法方面[5]以及路徑規(guī)劃和路徑跟蹤[6]等智能駕駛[7]方面的研究。

1" 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1" 整車(chē)控制硬件

智能車(chē)底層控制選擇DSP為主控芯片。整車(chē)主要組件包括2個(gè)800W的輪轂電機(jī)、48V鋰電池、轉(zhuǎn)向電機(jī)、直流電動(dòng)推桿、轉(zhuǎn)角傳感器和輪轂電機(jī)控制器等。硬件平臺(tái)主要組件見(jiàn)表1。

1.2" 整車(chē)控制

智能汽車(chē)底層控制分為縱向控制和橫向控制。其中縱向控制指對(duì)智能汽車(chē)的速度進(jìn)行控制，橫向控制指對(duì)智能汽車(chē)的轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制[8]。

整車(chē)控制系統(tǒng)框架如圖1所示，整車(chē)控制器VCU下發(fā)制動(dòng)指令到制動(dòng)控制板，制動(dòng)控制板控制直流電動(dòng)推桿工作進(jìn)行制動(dòng)。VCU整合轉(zhuǎn)向電機(jī)后端的轉(zhuǎn)向傳感器反饋指令與目標(biāo)轉(zhuǎn)角后下發(fā)指令到EPS（轉(zhuǎn)向控制器），EPS控制轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)向。整車(chē)速度控制采用經(jīng)典的PID控制，VCU整合編碼器的反饋值與目標(biāo)車(chē)速后下發(fā)指令到MCU（輪轂電機(jī)控制器），MCU控制輪轂電機(jī)工作。整車(chē)48V用電直接由鋰電池供電，整車(chē)12V用電由48V電池經(jīng)DC-DC轉(zhuǎn)換而來(lái)。為了防止緊急情況發(fā)生，智能汽車(chē)整車(chē)控制器上加裝了遙控器接收板，可以在緊急狀況切換到人工駕駛模式。

智能汽車(chē)包括圖1所示的控制系統(tǒng)框架，具備智能駕駛研究中的一系列基本要求，如制動(dòng)控制、線(xiàn)控轉(zhuǎn)向、擋位變換。該試驗(yàn)平臺(tái)模擬真實(shí)車(chē)輛情況，實(shí)用性較好，可以解決一部分高校因資金不足使用虛擬仿真平臺(tái)或硬件在環(huán)不能達(dá)到真實(shí)效果的問(wèn)題。

2" 底層控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

底層控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、制動(dòng)控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)和擋位控制系統(tǒng)。通過(guò)在MATLAB/Simulink的Stateflow中搭建控制邏輯，搭建控制模型后轉(zhuǎn)成C代碼，經(jīng)USB轉(zhuǎn)CAN燒錄到整車(chē)控制器中實(shí)現(xiàn)整車(chē)控制。

2.1" 轉(zhuǎn)向控制設(shè)計(jì)

智能汽車(chē)是一個(gè)高度非線(xiàn)性和參數(shù)不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)，所以其橫向控制具有一定的難度，尤其在一些復(fù)雜的路況下[9]?？刂评碚摰陌l(fā)展也帶動(dòng)著智能汽車(chē)的發(fā)展，智能汽車(chē)的橫向控制從經(jīng)典的PID控制、單一的調(diào)節(jié)裝置發(fā)展到了傳遞函數(shù)的經(jīng)典控制，然后發(fā)展到狀態(tài)空間模型的現(xiàn)代化控制，目前正在使用的是比較復(fù)雜的智能控制。所以智能汽車(chē)的橫向控制也是智能車(chē)控制領(lǐng)域的重要研究方向，同時(shí)，橫向控制作為底層控制系統(tǒng)，其性能的好壞對(duì)智能車(chē)輛行為控制起著決定性的作用[10]。本文設(shè)計(jì)的底層控制的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能汽車(chē)橫向控制的前提。

目前由于大多數(shù)試驗(yàn)平臺(tái)較小，所以一般選擇的是兩輪差速進(jìn)行轉(zhuǎn)向。兩輪差速轉(zhuǎn)向控制實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為簡(jiǎn)單，但是與真實(shí)車(chē)輛的前橋轉(zhuǎn)向方式大為不同，所以不能很好地反映真實(shí)的轉(zhuǎn)向情況。本文設(shè)計(jì)的智能汽車(chē)采用阿克曼轉(zhuǎn)向，可以實(shí)現(xiàn)線(xiàn)控轉(zhuǎn)向，圖2為齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及總成，與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向方式相同，并且在轉(zhuǎn)向電機(jī)后端加裝了霍爾傳感器，實(shí)時(shí)掌握智能汽車(chē)轉(zhuǎn)向狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

轉(zhuǎn)向控制邏輯如圖3所示，為了給智能汽車(chē)研究做好接口，分別預(yù)留了網(wǎng)關(guān)指令接口、智能駕駛上位機(jī)控制指令接口、硬件接口以及車(chē)身自身的轉(zhuǎn)向接口。由于安全問(wèn)題，車(chē)速大小對(duì)轉(zhuǎn)角大小的影響因素也添加到了轉(zhuǎn)角控制邏輯中。

2.2" 制動(dòng)控制設(shè)計(jì)

制動(dòng)控制的快速準(zhǔn)確響應(yīng)是安全問(wèn)題的關(guān)鍵。為提高智能車(chē)的自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的性能及可靠性，本文設(shè)計(jì)的制動(dòng)系統(tǒng)采用液壓碟剎制動(dòng)。當(dāng)整車(chē)控制器VCU接收到控制指令后下發(fā)給制動(dòng)控制板，制動(dòng)控制板接收到輸出方向開(kāi)關(guān)量時(shí)，制動(dòng)電機(jī)控制直流電動(dòng)推桿向制動(dòng)主缸中的液壓油施加壓力，液壓油通過(guò)管道將壓力傳到2個(gè)車(chē)輪制動(dòng)卡鉗的活塞上，活塞驅(qū)動(dòng)制動(dòng)卡鉗夾緊制動(dòng)盤(pán)，從而產(chǎn)生巨大的摩擦力令智能汽車(chē)制動(dòng)。

制動(dòng)控制邏輯如圖4所示，制動(dòng)可分為3種情況。第1種為行車(chē)制動(dòng)或上位機(jī)下發(fā)指令制動(dòng)，第2種是駐車(chē)制動(dòng)，第3種是緊急制動(dòng)。

2.3" 速度控制設(shè)計(jì)

智能汽車(chē)整車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以分為兩部分，即輪轂電機(jī)和輪轂電機(jī)控制系統(tǒng)，它們之間通過(guò)CAN通信。智能汽車(chē)的目標(biāo)速度值和擋位信號(hào)傳遞給整車(chē)控制器VCU，對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算后輸出轉(zhuǎn)矩信息。VCU中的轉(zhuǎn)矩信息通過(guò)CAN通信傳遞給輪轂電機(jī)控制器MCU，MCU得到相應(yīng)的信號(hào)后經(jīng)過(guò)處理后下發(fā)指令到執(zhí)行機(jī)構(gòu)（輪轂電機(jī)）。為了減小智能汽車(chē)的車(chē)速目標(biāo)值與實(shí)際值的誤差，選擇增量式光電編碼器作為智能汽車(chē)的速度編碼器來(lái)測(cè)量智能汽車(chē)的實(shí)時(shí)速度，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。MCU把測(cè)量得到的車(chē)速值反饋給VCU，VCU根據(jù)反饋值與目標(biāo)車(chē)速的差值實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的精準(zhǔn)控制。

圖5為速度控制原理示意圖，圖6為速度控制邏輯，上位機(jī)下發(fā)速度指令（智能車(chē)目標(biāo)速度）。目標(biāo)速度的影響因素包括轉(zhuǎn)角、電量等，當(dāng)目標(biāo)速度傳遞到轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊時(shí)，如圖7所示，轉(zhuǎn)矩控制邏輯根據(jù)目標(biāo)速度經(jīng)過(guò)PID控制器輸出轉(zhuǎn)矩。在轉(zhuǎn)矩控制模式下，MCU控制接收VCU傳遞過(guò)來(lái)的輪轂電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩值、電機(jī)運(yùn)行方向、電機(jī)運(yùn)行模式等信息。而MCU可以在輪轂電機(jī)控制系統(tǒng)正常工作時(shí)把智能汽車(chē)的狀態(tài)信息及故障信息，如控制器掉線(xiàn)問(wèn)題，回傳給VCU?？梢酝ㄟ^(guò)USB轉(zhuǎn)CAN在PC端看到智能汽車(chē)電機(jī)及控制系統(tǒng)報(bào)文信息（電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)工作電壓、電機(jī)工作電流、直流電壓故障等）。

2.4" 擋位控制設(shè)計(jì)

擋位之間切換平順，邏輯嚴(yán)謹(jǐn)對(duì)智能車(chē)行駛安全也是十分重要的。本文擋位設(shè)計(jì)中，GearCmd=1時(shí)為前進(jìn)擋（D擋），GearCmd=2時(shí)為空擋（N擋），GearCmd=3時(shí)為后退擋（R擋）。D擋與R擋主要用于控制汽車(chē)的前行方向，N擋控制汽車(chē)的隨動(dòng)。

本塊控制邏輯在Stateflow中編寫(xiě)，未啟動(dòng)之前，智能汽車(chē)擋位一直保持為N擋，啟動(dòng)之后進(jìn)行相應(yīng)的擋位解析。切換駕駛模式時(shí)，先將擋位切換到該模式下的N擋，然后進(jìn)行相應(yīng)的擋位解析。從N擋向D擋切換時(shí)，或從N擋向R擋切換時(shí)，需待電機(jī)轉(zhuǎn)速降至100r/min之后再進(jìn)行切換。D擋和R擋之間直接切換時(shí)，系統(tǒng)將擋位先保持在N擋，待符合上述切換條件時(shí)再進(jìn)行擋位的切換。

3" 各系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了測(cè)試底層控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊響應(yīng)速度及各種性能，本文使用C++編寫(xiě)上位機(jī)控制界面，可以通過(guò)操控界面下發(fā)指令給底層控制系統(tǒng)來(lái)測(cè)試智能汽車(chē)各控制系統(tǒng)的性能，如圖8所示。

3.1" 轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)試驗(yàn)

智能汽車(chē)轉(zhuǎn)向電機(jī)為直流有刷轉(zhuǎn)向管柱型，方向機(jī)選擇齒條。經(jīng)測(cè)試轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)平均速率為14°/s，執(zhí)行系統(tǒng)在0°～6°時(shí)超調(diào)角度為2°，在6°～66°時(shí)超調(diào)角度為2°，執(zhí)行系統(tǒng)響應(yīng)延遲為0.5s，執(zhí)行系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為2°，執(zhí)行系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差上限值為3°。

3.2" 制動(dòng)控制系統(tǒng)試驗(yàn)

智能汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)為液壓抱閘，制動(dòng)控制系統(tǒng)響應(yīng)延時(shí)為20ms，建壓時(shí)間為0.5s，制動(dòng)方式采用液壓制動(dòng)聯(lián)合輪轂電機(jī)動(dòng)力反拖，可以實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)。最大制動(dòng)力時(shí)的整車(chē)減速度為0.05g。

3.3" 速度控制系統(tǒng)試驗(yàn)

智能汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇2個(gè)800W的永磁同步輪轂電機(jī)進(jìn)行獨(dú)立控制。驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制精度為0.1r/min，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制精度為0.2N·m，電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間為0.4s，電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間為20ms，電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速上升時(shí)間為8s，電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩上升時(shí)間為6s。經(jīng)測(cè)試，智能汽車(chē)在平地以及上下坡均可快速到達(dá)目標(biāo)速度且實(shí)際速度與目標(biāo)速度誤差在0.05m/s內(nèi)。

3.4" 擋位控制系統(tǒng)試驗(yàn)

經(jīng)測(cè)試，智能汽車(chē)擋位系統(tǒng)經(jīng)過(guò)連續(xù)加減速疊加或抵消，可以在智能車(chē)底盤(pán)系統(tǒng)報(bào)文上看到擋位切換平順，響應(yīng)迅速。

經(jīng)過(guò)以上智能汽車(chē)各子系統(tǒng)的測(cè)試可以看出，各個(gè)子系統(tǒng)對(duì)上位機(jī)的下發(fā)指令可以做出快速的響應(yīng)以及精準(zhǔn)的執(zhí)行，可以滿(mǎn)足智能駕駛方面的研究。通過(guò)后期對(duì)智能汽車(chē)上層模塊的完善，已經(jīng)完成了整個(gè)智能汽車(chē)試驗(yàn)平臺(tái)的搭建。經(jīng)測(cè)試，該試驗(yàn)平臺(tái)可以完成智能駕駛的自動(dòng)路徑規(guī)劃以及準(zhǔn)確跟蹤規(guī)劃的軌跡到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。

4" 結(jié)論

本文綜合考慮了各種因素，包括設(shè)計(jì)的難度、搭建費(fèi)用、智能車(chē)性能以及可靠性等方面，設(shè)計(jì)并搭建了智能汽車(chē)試驗(yàn)平臺(tái)的底層控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確執(zhí)行上位機(jī)下發(fā)的加減速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等指令，并且執(zhí)行延遲較低，且沒(méi)有使用真實(shí)車(chē)輛改裝，搭建成本較低。

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