汽車自動(dòng)駕駛儀的研發(fā)

張?zhí)m娣，李常勝，王少雷，張燦果

（河北建筑工程學(xué)院，張家口 075024）

0 引言

機(jī)器人駕駛員已經(jīng)成為汽車制造商們的“試車員”，在設(shè)計(jì)和檢測(cè)新車的性能時(shí)大顯身手。例如，在試驗(yàn)中有時(shí)汽車只是局部作一些細(xì)微的改動(dòng)，真人試車員往往難以把握，導(dǎo)致人為誤差而影響試驗(yàn)結(jié)果，而機(jī)器人的操作卻可以達(dá)到理想的求，與其聯(lián)動(dòng)的檢測(cè)系統(tǒng)也可以準(zhǔn)確無(wú)誤地給出結(jié)果，非常適合需要長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行的汽車性能和壽命試驗(yàn)。

目前，汽車自動(dòng)駕駛技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)發(fā)展得相對(duì)成熟，但也存在一些問(wèn)題，例如：1）據(jù)資料介紹，美國(guó)研發(fā)的一項(xiàng)自動(dòng)駕駛技術(shù)的成本在30萬(wàn)美元左右，而這樣的價(jià)位對(duì)相對(duì)來(lái)說(shuō)是非常昂貴的，并不十分適用于商業(yè)生產(chǎn)；2）已經(jīng)研究成功的產(chǎn)品大部分只具備“三踏”和換擋功能，但不具備自動(dòng)點(diǎn)火功能，從這一角度講，其功能是不完善的；3）由于已研發(fā)的產(chǎn)品大部分都具有專業(yè)傾向，故適用范圍非常有限，只適用于一種或某一型號(hào)的幾種車型。因而研制開(kāi)發(fā)適合我國(guó)汽車企業(yè)生產(chǎn)的汽車自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)我國(guó)汽車優(yōu)良車種、車型的國(guó)產(chǎn)化以及中國(guó)汽車趕超世界先進(jìn)水平的必要保證。

1 對(duì)汽車自動(dòng)駕駛儀的性能要求

汽車自動(dòng)駕駛儀并非構(gòu)建在特殊的車體結(jié)構(gòu)上，而完全基于現(xiàn)有的商品車型，且對(duì)原車輛內(nèi)部的改動(dòng)與改裝盡量少。因此駕駛機(jī)器人應(yīng)具有如下基本性能：

1）整個(gè)系統(tǒng)易于裝配與拆卸：采用輕質(zhì)元件的積木化設(shè)計(jì)，一個(gè)人就能快速方便地裝配與拆卸系統(tǒng)，整個(gè)過(guò)程無(wú)需使用任何工具，安裝和調(diào)整時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)。

2）控制軟件易于試驗(yàn)與安裝：控制軟件的運(yùn)行應(yīng)是自動(dòng)的，界面是用戶友好的；操作人員僅在監(jiān)控室內(nèi)進(jìn)行操作，不需要對(duì)任何控制參數(shù)進(jìn)行手工調(diào)整。控制軟件對(duì)長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)引起車輛性能變化具有補(bǔ)償、容錯(cuò)能力。

3）適用于多種車輛的不同項(xiàng)目的試驗(yàn)：駕駛機(jī)器人能適用于各種車輛，不管是手動(dòng)變速，還是自動(dòng)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(dòng)車輛、混合動(dòng)力車輛等。能適合耐久性排放試驗(yàn)、燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)、整車及零部件強(qiáng)化試驗(yàn)、惡劣環(huán)境試驗(yàn)、噪聲試驗(yàn)、車輛的研究與開(kāi)發(fā)等各種試驗(yàn)的應(yīng)用。

4）具有自學(xué)習(xí)能力：具有自動(dòng)學(xué)習(xí)駕駛員環(huán)境幾何尺寸特性的能力，如離合器踏板結(jié)合點(diǎn)、離合器踏板行程、加速踏板行程、制動(dòng)踏板行程、變速器換檔位置等。能自動(dòng)確定油門踏板位移與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、加速度、不同檔位下車速之間的關(guān)系及制動(dòng)踏板行程與減速度之間的關(guān)系。

5）具有高精度與高重復(fù)性：在進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)與排放試驗(yàn)時(shí)，駕駛機(jī)器人應(yīng)具有高度的可重復(fù)性；長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)?zāi)鼙ＷC車速跟蹤精度、行駛里程累計(jì)偏差符合規(guī)定。

6）駕駛特性與人類駕駛吳力求-致：駕駛機(jī)器人需要真實(shí)模擬人類駕駛員的駕駛操作，在動(dòng)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(xié)調(diào)性。

7）安全可靠：適用溫度范圍廣(如-40℃~80 ℃ )，對(duì)于惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的安全性、可靠性，如整個(gè)系統(tǒng)必須具有電磁兼容性、故障檢測(cè)與報(bào)警功能、自動(dòng)停車功能。

2 汽車駕駛儀的結(jié)構(gòu)組成

汽車自動(dòng)駕駛儀是汽車研發(fā)公司為了測(cè)試成品汽車動(dòng)力特性的全自動(dòng)化機(jī)器人。研發(fā)的目的在于啟動(dòng)汽車以后自動(dòng)調(diào)節(jié)汽車檔位，合理使用離合、油門和制動(dòng)三個(gè)踏板，使汽車能夠合理的按照給定的運(yùn)行速度曲線運(yùn)行，保證一定速度的運(yùn)行進(jìn)度。因而具體要求為：

1）駕駛儀根據(jù)排放分析儀的控制信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)點(diǎn)火，點(diǎn)火形式包括旋轉(zhuǎn)鑰匙啟動(dòng)和按鈕點(diǎn)擊式啟動(dòng)兩種方式。軟件中可以設(shè)置點(diǎn)火延遲時(shí)間、具備發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火是否成功的判斷及處理措施，并可以測(cè)量鑰匙的旋轉(zhuǎn)力；

2）根據(jù)車速自動(dòng)換檔，適用不同形式的換檔機(jī)構(gòu)；

3）根據(jù)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(dòng)踏板）。

因此研發(fā)的汽車自動(dòng)駕駛儀的結(jié)構(gòu)主要由三踏板調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、擋位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和啟動(dòng)機(jī)構(gòu)三部分組成。

3 執(zhí)行元件的選取及方案的實(shí)施

3.1 三踏板調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

基于離合、油門、制動(dòng)三個(gè)踏板的位置排列的實(shí)際情況，可采用并聯(lián)的三個(gè)電動(dòng)推桿通過(guò)線性伸縮來(lái)分別推動(dòng)三個(gè)踏板完成動(dòng)力的續(xù)斷、油門的增減以及減速停車操作。電動(dòng)推桿前端安裝球形頭與踏板接觸。其大體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三踏板調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)原理示意圖

并聯(lián)的三個(gè)電動(dòng)推桿以螺栓聯(lián)結(jié)平行固定于同一連桿上，連桿由兩個(gè)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(jī)構(gòu)就有兩個(gè)自由度：調(diào)節(jié)伸縮支架可改變機(jī)構(gòu)俯仰角度適應(yīng)踏板高度，調(diào)節(jié)推桿與連桿的相對(duì)位置改變推桿間距以適應(yīng)踏板間距。推桿動(dòng)力裝置選用交流伺服電動(dòng)機(jī)，電機(jī)通過(guò)安裝法蘭與推桿平行固聯(lián)，動(dòng)力則以同步帶傳遞。

3.2 換擋調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

實(shí)際操作中的換擋動(dòng)作是由前后和左右兩個(gè)關(guān)聯(lián)動(dòng)作來(lái)完成的，因此運(yùn)用兩個(gè)相互垂直的線性執(zhí)行裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)作，用兩個(gè)垂直疊放的直線導(dǎo)軌固定于底座支架上，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)滑塊直線移動(dòng)。固定導(dǎo)軌滑塊橫向往復(fù)移動(dòng)，隨動(dòng)導(dǎo)軌隨著固定導(dǎo)軌滑塊運(yùn)動(dòng)，而隨動(dòng)導(dǎo)軌上的滑塊可縱向往復(fù)移動(dòng)，將其與檔柄聯(lián)結(jié)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)換擋動(dòng)作。

基于系統(tǒng)傳動(dòng)精度及抗震要求，此機(jī)構(gòu)滾珠絲杠的動(dòng)力裝置也擬選用與三踏機(jī)構(gòu)同類型的交流伺服電機(jī)，為合理利用有限空間，可將電機(jī)與導(dǎo)軌垂直安裝，電機(jī)到滾珠絲杠的傳動(dòng)可通過(guò)完全相同的兩個(gè)45°錐度角的錐齒輪實(shí)現(xiàn)。機(jī)構(gòu)與檔柄聯(lián)結(jié)處應(yīng)設(shè)計(jì)成柔性接觸以適應(yīng)檔桿端部動(dòng)作時(shí)的弧線軌跡。

3.3 點(diǎn)火機(jī)械手

點(diǎn)火機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為空間機(jī)械手的形式，機(jī)械手尾端固定于底座支架上，其前端安裝擺動(dòng)電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)鑰匙啟動(dòng)開(kāi)關(guān)的擺轉(zhuǎn)操作，安裝線性伸縮執(zhí)行機(jī)構(gòu)用以實(shí)現(xiàn)對(duì)啟動(dòng)按鈕的線性操作。前端的執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)若干可相對(duì)回轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)最終連于底座支架上，而通過(guò)對(duì)關(guān)鍵的中間關(guān)節(jié)進(jìn)行適當(dāng)設(shè)計(jì)，可使該機(jī)械手具備一定的使用范圍，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種不同車型的可行點(diǎn)火啟動(dòng)操作。

點(diǎn)火機(jī)械手由七個(gè)關(guān)節(jié)六個(gè)空間自由度組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。前三個(gè)關(guān)節(jié)組成平行四連桿機(jī)構(gòu)，提供一個(gè)自由度，其中a3桿主要用于加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度。其余四個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)為末端執(zhí)行器提供所需的空間自由度，其中d、e、f三者的聯(lián)結(jié)可參照三自由度轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

點(diǎn)火機(jī)械手采用關(guān)節(jié)式手動(dòng)調(diào)節(jié)手動(dòng)緊固形式，即手動(dòng)相對(duì)回轉(zhuǎn)各個(gè)關(guān)節(jié)，調(diào)整到滿足工作要求的位置時(shí)，再擰緊聯(lián)結(jié)螺栓，靠聯(lián)結(jié)面之間的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的定位。關(guān)節(jié)可設(shè)計(jì)成普通柄桿和音叉兩種結(jié)構(gòu)形式以便于聯(lián)結(jié)。末端的擺動(dòng)電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)擬選用擺動(dòng)電磁閥實(shí)現(xiàn)鑰匙開(kāi)關(guān)的旋轉(zhuǎn)操作，線性伸縮機(jī)構(gòu)擬選用伸縮電磁閥實(shí)現(xiàn)按按鈕點(diǎn)火操作，此二者均受控于控制系統(tǒng)，通過(guò)已編好的程序指令實(shí)現(xiàn)預(yù)定點(diǎn)火動(dòng)作。

圖2 點(diǎn)火機(jī)械手的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

4 結(jié)論

汽車試驗(yàn)用駕駛機(jī)器人即汽車自動(dòng)駕駛儀是

汽車試驗(yàn)中代替人類駕駛員進(jìn)行操作的工業(yè)機(jī)器人，它主要由油門機(jī)械腿、制動(dòng)機(jī)械腿、離合器機(jī)械腿、換檔機(jī)械手、點(diǎn)火機(jī)械手等組成。具有工作準(zhǔn)確、耐久性好、速度快、重復(fù)性精度高等優(yōu)點(diǎn)，可以完成人類難以忍受的長(zhǎng)時(shí)間、高效率的汽車性能與壽命試驗(yàn)、汽車工況排放試驗(yàn)，尤其是一系列的對(duì)比性強(qiáng)的性能試驗(yàn)，能消除駕駛中人為因素的影響，而得到較精確的測(cè)試結(jié)果。汽車自動(dòng)駕駛儀的研發(fā)也是衡量一個(gè)國(guó)家科研實(shí)力和工業(yè)水平的一個(gè)重要標(biāo)志，在國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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