汽車自動駕駛儀的研發

張蘭娣，李常勝，王少雷，張燦果

（河北建筑工程學院，張家口 075024）

0 引言

機器人駕駛員已經成為汽車制造商們的“試車員”，在設計和檢測新車的性能時大顯身手。例如，在試驗中有時汽車只是局部作一些細微的改動，真人試車員往往難以把握，導致人為誤差而影響試驗結果，而機器人的操作卻可以達到理想的求，與其聯動的檢測系統也可以準確無誤地給出結果，非常適合需要長時間進行的汽車性能和壽命試驗。

目前，汽車自動駕駛技術在國外已經發展得相對成熟，但也存在一些問題，例如：1）據資料介紹，美國研發的一項自動駕駛技術的成本在30萬美元左右，而這樣的價位對相對來說是非常昂貴的，并不十分適用于商業生產；2）已經研究成功的產品大部分只具備“三踏”和換擋功能，但不具備自動點火功能，從這一角度講，其功能是不完善的；3）由于已研發的產品大部分都具有專業傾向，故適用范圍非常有限，只適用于一種或某一型號的幾種車型。因而研制開發適合我國汽車企業生產的汽車自動駕駛儀系統是實現我國汽車優良車種、車型的國產化以及中國汽車趕超世界先進水平的必要保證。

1 對汽車自動駕駛儀的性能要求

汽車自動駕駛儀并非構建在特殊的車體結構上，而完全基于現有的商品車型，且對原車輛內部的改動與改裝盡量少。因此駕駛機器人應具有如下基本性能：

1）整個系統易于裝配與拆卸：采用輕質元件的積木化設計，一個人就能快速方便地裝配與拆卸系統，整個過程無需使用任何工具，安裝和調整時間不能過長。

2）控制軟件易于試驗與安裝：控制軟件的運行應是自動的，界面是用戶友好的；操作人員僅在監控室內進行操作，不需要對任何控制參數進行手工調整。控制軟件對長時間試驗引起車輛性能變化具有補償、容錯能力。

3）適用于多種車輛的不同項目的試驗：駕駛機器人能適用于各種車輛，不管是手動變速，還是自動變速；不管是小型車輛，還是大型車輛；不管是通用車輛，還是新型車輛如低排放車輛、電動車輛、混合動力車輛等。能適合耐久性排放試驗、燃油經濟性試驗、整車及零部件強化試驗、惡劣環境試驗、噪聲試驗、車輛的研究與開發等各種試驗的應用。

4）具有自學習能力：具有自動學習駕駛員環境幾何尺寸特性的能力，如離合器踏板結合點、離合器踏板行程、加速踏板行程、制動踏板行程、變速器換檔位置等。能自動確定油門踏板位移與發動機轉速、加速度、不同檔位下車速之間的關系及制動踏板行程與減速度之間的關系。

5）具有高精度與高重復性：在進行燃油經濟性試驗與排放試驗時，駕駛機器人應具有高度的可重復性；長時間試驗能保證車速跟蹤精度、行駛里程累計偏差符合規定。

6）駕駛特性與人類駕駛吳力求-致：駕駛機器人需要真實模擬人類駕駛員的駕駛操作，在動作上具有人體肌肉的彈性和柔順性，在操作配合上要具有人的協調性。

7）安全可靠：適用溫度范圍廣(如-40℃~80 ℃ )，對于惡劣環境下長時間的試驗，系統具有很強的安全性、可靠性，如整個系統必須具有電磁兼容性、故障檢測與報警功能、自動停車功能。

2 汽車駕駛儀的結構組成

汽車自動駕駛儀是汽車研發公司為了測試成品汽車動力特性的全自動化機器人。研發的目的在于啟動汽車以后自動調節汽車檔位，合理使用離合、油門和制動三個踏板，使汽車能夠合理的按照給定的運行速度曲線運行，保證一定速度的運行進度。因而具體要求為：

1）駕駛儀根據排放分析儀的控制信號進行自動點火，點火形式包括旋轉鑰匙啟動和按鈕點擊式啟動兩種方式。軟件中可以設置點火延遲時間、具備發動機點火是否成功的判斷及處理措施，并可以測量鑰匙的旋轉力；

2）根據車速自動換檔，適用不同形式的換檔機構；

3）根據一定的速度變化要求，合理使用三踏（離合踏板、油門踏板、制動踏板）。

因此研發的汽車自動駕駛儀的結構主要由三踏板調節機構、擋位調節機構和啟動機構三部分組成。

3 執行元件的選取及方案的實施

3.1 三踏板調節機構

基于離合、油門、制動三個踏板的位置排列的實際情況，可采用并聯的三個電動推桿通過線性伸縮來分別推動三個踏板完成動力的續斷、油門的增減以及減速停車操作。電動推桿前端安裝球形頭與踏板接觸。其大體結構如圖1所示。

圖1 三踏板調節機構原理示意圖

并聯的三個電動推桿以螺栓聯結平行固定于同一連桿上，連桿由兩個可伸縮支架支撐，推桿的尾端吊耳套在固定于底座支架的固定架上，這樣機構就有兩個自由度：調節伸縮支架可改變機構俯仰角度適應踏板高度，調節推桿與連桿的相對位置改變推桿間距以適應踏板間距。推桿動力裝置選用交流伺服電動機，電機通過安裝法蘭與推桿平行固聯，動力則以同步帶傳遞。

3.2 換擋調節機構

實際操作中的換擋動作是由前后和左右兩個關聯動作來完成的，因此運用兩個相互垂直的線性執行裝置來實現所要求的動作，用兩個垂直疊放的直線導軌固定于底座支架上，由電機驅動同步帶轉動來帶動滑塊直線移動。固定導軌滑塊橫向往復移動，隨動導軌隨著固定導軌滑塊運動，而隨動導軌上的滑塊可縱向往復移動，將其與檔柄聯結進而實現換擋動作。

基于系統傳動精度及抗震要求，此機構滾珠絲杠的動力裝置也擬選用與三踏機構同類型的交流伺服電機，為合理利用有限空間，可將電機與導軌垂直安裝，電機到滾珠絲杠的傳動可通過完全相同的兩個45°錐度角的錐齒輪實現。機構與檔柄聯結處應設計成柔性接觸以適應檔桿端部動作時的弧線軌跡。

3.3 點火機械手

點火機構設計為空間機械手的形式，機械手尾端固定于底座支架上，其前端安裝擺動電磁執行機構以實現鑰匙啟動開關的擺轉操作，安裝線性伸縮執行機構用以實現對啟動按鈕的線性操作。前端的執行機構通過若干可相對回轉的關節最終連于底座支架上，而通過對關鍵的中間關節進行適當設計，可使該機械手具備一定的使用范圍，從而實現對各種不同車型的可行點火啟動操作。

點火機械手由七個關節六個空間自由度組成，結構簡圖如圖2所示。前三個關節組成平行四連桿機構，提供一個自由度，其中a3桿主要用于加強結構剛度。其余四個回轉關節為末端執行器提供所需的空間自由度，其中d、e、f三者的聯結可參照三自由度轉臺的結構進行設計。

點火機械手采用關節式手動調節手動緊固形式，即手動相對回轉各個關節，調整到滿足工作要求的位置時，再擰緊聯結螺栓，靠聯結面之間的摩擦力來實現關節的定位。關節可設計成普通柄桿和音叉兩種結構形式以便于聯結。末端的擺動電磁執行機構擬選用擺動電磁閥實現鑰匙開關的旋轉操作，線性伸縮機構擬選用伸縮電磁閥實現按按鈕點火操作，此二者均受控于控制系統，通過已編好的程序指令實現預定點火動作。

圖2 點火機械手的結構簡圖

4 結論

汽車試驗用駕駛機器人即汽車自動駕駛儀是

汽車試驗中代替人類駕駛員進行操作的工業機器人，它主要由油門機械腿、制動機械腿、離合器機械腿、換檔機械手、點火機械手等組成。具有工作準確、耐久性好、速度快、重復性精度高等優點，可以完成人類難以忍受的長時間、高效率的汽車性能與壽命試驗、汽車工況排放試驗，尤其是一系列的對比性強的性能試驗，能消除駕駛中人為因素的影響，而得到較精確的測試結果。汽車自動駕駛儀的研發也是衡量一個國家科研實力和工業水平的一個重要標志，在國防和國民經濟領域具有廣闊的應用前景。

[1] 汪儉.機械設計與制造[M].機械工業出版社,2000.

[2] 杜虹.機械工程師[M].機械工業出版社,2000.

[3] 朱根龍.機械教學設計手冊[M].機械工業出版社,1997.

[4] 吳宗澤.機械設計實用手冊[M].第2版.化學工業出版社,2003.