汽車自主駕駛碰撞試驗的控制系統設計

方遒， 楊福清， 俞劍斌

(1. 廈門理工學院 機械與汽車工程學院， 福建 廈門 361024；

2. 廈門理工學院 福建省客車先進設計與制造重點實驗室， 福建 廈門 361024)

汽車自主駕駛碰撞試驗的控制系統設計

方遒1,2， 楊福清1， 俞劍斌1

(1. 廈門理工學院 機械與汽車工程學院， 福建 廈門 361024；

2. 廈門理工學院 福建省客車先進設計與制造重點實驗室， 福建 廈門 361024)

摘要：為降低汽車研發過程的碰撞試驗成本和縮短研發周期，對無牽引裝置的汽車正面碰撞試驗進行系統研究，論述正面碰撞試驗車自主控制系統的設計.根據C-NCAP碰撞試驗法規，對車輛進行了行進方向和行車速度控制的實車試驗.結果表明:試驗車行進方向與縱向中心線的重合度最大正負偏差分別為+95 mm和-105 mm，在汽車碰撞試驗法規規定范圍±150 mm內，車速快速提高到64 km·h-1后，系統仍能夠保證汽車直線穩速行駛，滿足現有試驗法規的基本要求，具有實用性和推廣價值.

關鍵詞：汽車； 控制系統； 無人駕駛； 碰撞試驗； 驅動機構

隨著汽車安全法規的日趨嚴格，整車廠對汽車安全性日益重視，汽車安全性試驗也不斷提高，汽車智能化試驗研究成為重點之一.無人駕駛汽車是汽車智能化的一種體現，國內外對其開展了很多方面的研究工作.目前，無人駕駛汽車得到快速發展，但將其應用到汽車碰撞試驗中甚少.根據GB 11551-2003《乘用車正面碰撞的乘員保護》、GB/T 20913-2007《乘用車正面偏置碰撞的乘員保護》等標準的技術要求，汽車碰撞試驗車通常通過交直流電機或液壓馬達牽引絲繩,利用地面上導軌進行車輛導向.牽引機構比較復雜，一般只適用于室內試驗，需投入昂貴的試驗場建設費用[1].目前，國內只有幾家大型的試驗場和汽車廠才具備碰撞試驗的條件，而且極少人實現任意角度的碰撞試驗；再者碰撞前碰撞車輛與鋼絲繩脫鉤后處于自由狀態，無法準確控制碰撞車速，存在碰撞臨界車速的閃差.因此，本文提出一種無人駕駛汽車碰撞試驗控制系統的設計,包括橫向控制機構和縱向控制機構設計，經過反復的實車試驗驗證，滿足現有碰撞法規的基本要求.

1試驗方法

利用無人駕駛的汽車碰撞試驗方法主要有如下6個步驟.

步驟1選擇一塊開闊平地以便進行碰撞試驗(如室外水泥地面).

步驟2按碰撞試驗標準預設固定壁障.

步驟3在試驗車(含臺車)的行進方向的中心線設一條黑色標識線，使得該中心線與擬被碰的壁障或車輛形成相應碰撞試驗所需要的角度，如圖1所示.圖1中：α為行進方向與固定壁障的夾角.

圖1　汽車碰撞方案示意圖Fig.1　Schematic diagram of the vehicle collision scheme

步驟4利用無人駕駛技術，對試驗車進行改造，使得試驗車能自主進行車輛的橫向(前進方向)控制和縱向(車速)控制.改造對象主要包括對轉向盤、加速踏板、制動踏板、離合器踏板等.

步驟5在試驗車上按標準規定安裝試驗假人、線束電纜及設備，包括能識別行進方向中心線的前置傳感器、后置傳感器、無人駕駛控制器、緊急情況處理器等，并進行接線如圖2，3所示.

圖2　前、后置傳感器安裝位置示意圖 　　　　圖3　無人駕駛控制器接線示意圖Fig.2　Schematic diagram of front and rear 　　　　Fig.3　Schematic diagram of unmanned sensors installation location 　　　　　　　　controller connection

步驟6在行進方向中心線的起點，發動準備好的試驗車，駕駛狀態設定為無人駕駛，撥好起始檔位，起動已設定好碰撞速度的無人駕駛控制器、緊急情況處理器，就可以開始進行碰撞試驗.

2橫向控制機構設計

橫向控制是在導向標識的引導下,通過車載傳感器檢測道路信號,經控制器處理分析，從而控制車輛的轉向盤轉動,使車輛能夠自動行駛在預定的車道上.通過檢測車輛相對于期望行駛軌跡的偏移量，根據一定的數學模型計算出車輛轉向盤轉角的大小和方向，使車輛按照正面碰撞試驗預定的直線軌跡行駛.利用光電檢測來識別黑色標識線，信號通過紅外濾波放大后送入無人駕駛控制器MCU(micro controller unit)，經過偏移量以及偏移歷程的辨識，再經過模糊PID(proportion integration differentiation)控制算法得出控制指令.該指令對步進電機進行轉向控制，步進電機通過減速齒輪機構傳遞到試驗車的轉向盤上，并不斷地修正行駛路徑，使試驗車無需牽引裝置實現車道保持的動態實時控制[2].控制系統結構,如圖4所示.

2.1　傳感器選擇

根據《乘用車正面碰撞的乘員保護》的技術要求，正面碰撞試驗車偏離理論中心線的偏差不得超過±150 mm.碰撞試驗車設計要求是樣車沿著預設軌道直線行駛，更重要的是如何盡可能快且準確地檢測到軌道，從而修正前輪的轉向.行駛軌道一般采用黑白[3]兩種鮮明對比顏色的材料,采用整體式紅外光電傳感器,可靠性好，易于實現.為提高傳感器組的測量精度，在每個光電傳感器上加裝黑色塑膠套管[4]，從而避免相鄰光源和太陽光的的干擾.

2.2　車載傳感器分布和控制原理

車載傳感器的分布對試驗車行進方向的線性度和試驗結果將產生很大的影響,如圖5所示.在試驗車的前保險杠和后保險桿中心對稱軸上分別安裝一組車載紅外光電式傳感器,每組有5個傳感器，其安裝位置離保險桿最前端或最后端至少要100 mm,減少碰撞時傳感器對車輛碰撞試驗結果的影響.試驗準備過程中，應將試驗車擺正放置，前后傳感器組的中心一個傳感器應照射到黑線中心，無人駕駛控制器對傳感器輸出信號進行判斷，計算車輛的橫向偏差量.

為試驗車往左偏，前置傳感器C和D輸出低電平信號，此時需調整轉向電機使行駛方向往右旋轉一定的角度，再實時調整試驗車行駛方向.為提高這種仿人控制模型[5]橫向控制精度，根據試驗上的前后傳感器組相對于黑色膠帶中心線的位置計算出車輛行駛的航向角[6].航向角表明：車輛橫向運動的趨勢作為控制模型的輸入量，明顯改善整車橫向控制的滯后性.

圖4　控制系統流程圖 　　　　　圖5　車載傳感器分布示意圖　　　Fig.4　Flow chart of control system　　　　　　　Fig.5　Schematic diagram of on-board sensors distribution

充分利用前橫向偏差和航向角這2個輸入量,引入模糊PID控制模型來替代仿人控制模型，建立基于PID控制的數學模型，對步進電機的轉動量進行控制.由于車輛駕駛系統中的計算機控制是一種隨機采樣控制,軟件只能夠根據采樣時刻的輸入偏差值計算出輸出控制量，因而對應的積分和微分環節需要做離散化處理.因此，整車橫向控制PID模型的控制規律為

(1)

式(1)中：e(k)為控制模型的偏差輸入量;KP,KI，KD分別為輸入量的比例、積分和微分系數[7].

由式(1)可得前橫向偏差控制量ue和航向角控制量ua.設經過實驗得到的ue的控制權值為ke，a,ua的權值為1-ke，a, 則可以得到PID控制模型給出的總控制量為

(2)

根據阿克曼轉向幾何原理，通過汽車轉向盤轉角可以計算出汽車行駛轉彎半徑.無人駕駛控制器根據減速齒輪的傳動比等因素對車輛偏差總控制量進行計算分析.發出指令給轉向步進電機進行轉向控制，通過反饋,實時地檢測和調整試驗車的行駛路徑.針對試驗車轉向的瞬態響應特性，不同的工況(正、反轉和制動)可采用不同的步進電機換向時序、控制目標和運動方程.采用混雜切換原理[8]設計其控制系統.以轉角跟蹤性能為控制目標，以車速為影響因子，車速具有時變、滯后等特性.考慮到碰撞試驗控制精度要求，建立合理的隸屬函數和恰當的模糊控制規則表，再將去模糊化得出查詢表控制轉向盤轉向、轉速及轉角.通過模糊PID控制參數，加快系統響應過程的同時消除靜態誤差，提高控制精度.

3縱向控制機構設計

試驗車的縱向控制系統包括加速踏板、制動踏板和離合器踏板(對手動擋車而言)，通過無人駕駛控制器來協調控制車速.

由于試驗車在碰撞試驗時，駕駛員座椅上需要放置試驗假人、線束電纜及設備，對縱向控制機構安裝提出嚴格的要求,性能指標如下:1) 結構簡單,能夠安裝在狹小的空間內；2) 安裝通用性好,適合于不同行程和結構尺寸的踏板機構；3) 運動控制簡單可靠,定位精度高,運動速度可靈活調整.因此，采用步進電機驅動加速踏板、制動踏板和離合器踏.加速踏板驅動機構，如圖6所示.

圖6　加速踏板驅動機構示意圖Fig.6　Schematic diagram of accelerator pedal driving mechanism

在步進電機輸出軸上固定一個轉動齒輪，它與第一級減速齒輪嚙合,傳遞扭矩并減速，第一級減速齒輪和和小齒輪在同一個惰輪軸上，小齒輪與第二級減速齒輪嚙合，進一步減速增矩，并通過轉角傳感器實時拾取踏板的實際位置.轉臂通過銷釘與第二級減速齒輪軸固定，另外一端通過轉軸與內調節桿鉸接，內調節桿上有外螺紋，外調節桿有內螺紋，依據加速踏板上步進電機的最大運動行程決定預調長度.當踏板踩到最大踏板力時，轉臂與內調節桿的角度接近直角.轉臂的長度乘以轉過的角度的正弦值、再與轉臂和內調節桿的夾角的正弦值的乘積，近似為車輛踏板的行程.步進電機通過齒輪、轉臂、轉軸和內外調節桿構成的一個二力桿[9]，將旋轉運動變成踏板的下壓和回收動作，此機構具有類似駕駛員的腳踝關節一樣的柔性，能滿足不同踏板尺寸的試驗車型.

在試驗車碰撞控制系統中，為精確定位碰撞臨界車速，需要能夠對試驗車的制動踏板或離合器踏板進行智能控制.對于制動踏板驅動機構，要求能夠方便調節制動力，保證控制精度；對于離合器踏板驅動裝置，要求具有下壓運動速度快，分離徹底，回收速度可方便調節的特點.制動踏板或離合器踏板驅動機構，如圖7所示.采用直線型步進電機通過拉索滑輪機構驅動踏板能方便調節踏板位置，滿足制動踏板或離合器踏板的控制要求.

如果試驗車的變速器是自動檔的，在開始試驗前，試驗人員啟動發動機并處于怠速狀態，放開手剎裝置，擺正試驗車的車身后，將排擋桿撥到D檔，而車輛轉向則通過步進電機控制回正且制動轉向盤.對于試驗車轉向的瞬態響應控制在±2°，由于永磁步進電機采用永久性磁鐵，即使定子繞組斷電也能保持一定力矩，從而制止方向盤轉動.

對于手動擋汽車而言，自動換擋驅動機構，如圖8所示.橡膠套環包住掛檔把手上，通過選檔機構和換擋機構支撐.內層選檔機構上采用伺服電機通過螺紋傳動的方式進行選檔操作，而螺牙端部是橡膠套環的支架，通過拉動掛檔把手左右移動進行選檔.在選檔過程中，為了防止選檔機構的晃動，選檔支架左邊采用二個光滑軸套進行導向，但需保證支架不會發生脫節并穩定傳輸動力；對于換擋控制也采用類似的驅動機構，但考慮到掛檔與摘檔的力矩較大，換檔伺服電機最大扭矩比選檔電機大，整個換擋支架通過螺栓連接固定在試驗車排檔桿座上.

圖7　制動踏板或離合器踏板驅動機構示意圖　　　　　　　　圖8　自動換擋驅動機構示意圖　　Fig.7　Schematic diagram of brake pedal 　　　　　　　　Fig.8　Schematic diagram of automatic or clutch pedal driving mechanism 　　　　　　　shift drive mechanism

當要求試驗速度ua=64 km·h-1[10]，加速度du/dt≤0.3時，試驗車加速距離S≥53.75 m才可滿足加速要求.考慮到各車型發動機動力性能的差異，加速距離可放寬至150 m,車輛穩速距離控制在50 m以上.此時，必須切斷發動機動力，且松開制動踏板，壓下離合器踏板，掛到空檔，確保汽車處于完全自由狀態撞擊目標物.因此，為保證試驗的準確性和安全性，整個試驗跑道應設計在200 m以上.

4試驗車速的控制

為了降低試驗成本，避免無效的試驗碰撞，對試驗車實施車速風險控制.通過無人駕駛控制器利用無線射頻技術，將車速信號發射到緊急情況處理器上，實時顯示車輛的運行狀態；也可通過緊急情況處理器，人為微量調節車速，精確地控制試驗車速.若試驗車因動力系統、控制系統等原因在臨近固定壁障時都無法達到試驗車速時，緊急情況處理器將發射一個橫向控制信號給無人駕駛控制器，發出指令給轉向驅動電機.在試驗場上適當地調整轉向，只需試驗車避開與固定壁障即可，同時將制動踏板機構處于下壓狀態，這樣可避免無意義地進行碰撞試驗，防止發生車輛側翻等危險，提高試驗的可控性.

5實車試驗

與現有汽車碰撞方法相比，汽車自主駕駛進行碰撞試驗更加符合現實路況的實車碰撞，模擬碰撞現場的重發生，各項性能指標如表1所示.為盡量縮小與試驗法規的要求，同時又能體現車輛正面碰撞的安全性、真實性和客觀性，室外水平運動跑道的直線長度達到200 m以上，風速≤5 m·s-1，采用起亞千里馬自動擋試驗車模擬直線行駛.為減小試驗成本，暫不考慮與固定壁障碰撞.經過反復的模擬試驗，不斷地調試控制電機的脈沖頻率和個數，最終達到試驗法規加速要求.試驗結果表明：試驗車的縱向中心線與黑色膠帶中心線重合度最大偏差分別為+95 mm和-105 mm，車速加速到正面碰撞規定車速64 km·h-1后，仍能穩速直線行駛.因此，此方案可滿足碰撞試驗法規的要求.

表1　系統方案與碰撞試驗法規要求對比

6結束語

利用無人駕駛試驗車模擬碰撞車輛，替代傳統碰撞試驗臺上復雜的牽引裝置，能夠實現車與固定壁障之間和車與車之間任意角度的碰撞試驗.試驗場的選取可在室內或寬闊的室外進行，這可以大大降低汽車廠在汽車研制過程中的碰撞試驗成本，縮短整車的開發周期,同時也適合于社會公益機構或鑒定機構(如汽車召回中心、司法鑒定、技術鑒定等)對汽車碰撞試驗的要求，對于整車廠及零部件生產企業具有一定的實用性和推廣價值.

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(責任編輯： 陳志賢 英文審校： 楊建紅)

Control System Design for Crash Tests of Self-Driving Car

FANG Qiu1,2, YANG Fu-qing1, YU Jian-bin1

(1. College of Mechanical and Auto Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China;

2. Automobile Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture in Fujian Province,

Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China)

Abstract：In order to reduce the vehicle cost crash test and shorten the development cycle in vehicle research process, in this paper， a towingless vehicle frontal crash test is systematically studied and the autonomous control system is discussed as well. According to C-NCAP crash test standards, travelling direction control experiment and travelling speed control experiment were carried out on the vehicle. Test results indicate that, the maximum positive and negative deviations of the contact ratio between test car travelling direction and longitudinal center line are +95 mm and -105 mm respectively,which are within the range of ± 150 mm stipulated by car crash test regulations. Meanwhile the system is still able to ensure the test car driving 64 km·h-1, which meets the basicrequirements of existing test regulations and possesses practical and popular value of the system.

Keywords：automobile; controlling system; driverless; crash test; drive mechanism

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51305374)； 福建省科技計劃重點項目(2013I0008)

通信作者：方遒(1967-)，男，副教授，博士，主要從事汽車安全與電子控制技術的研究.E-mail:fangq@xmut.edu.cn.

收稿日期：2014-09-10

中圖分類號：U 467.1

文獻標志碼：A

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2015.01.0001

文章編號：1000-5013(2015)01-0001-06