基于EtherCAT實時以太網(wǎng)的汽車自動駕駛儀的設計

張坤良 彭秀英 洪 彬 李志宏 王嘉鈞 黃志勇 龐曉偉 李建興 董 云

（1-天津大學內燃機研究所天津3000722-天津市天波科達科技有限公司）

·設計·計算·

基于EtherCAT實時以太網(wǎng)的汽車自動駕駛儀的設計

張坤良1彭秀英1洪 彬1李志宏1王嘉鈞1黃志勇1龐曉偉2李建興2董 云2

（1-天津大學內燃機研究所天津3000722-天津市天波科達科技有限公司）

國Ⅴ排放標準中對汽車排放耐久性能提出了更高的要求，結合國內車輛和實際使用情況，開發(fā)了能夠在底盤測功機上使用的自動駕駛儀。該自動駕駛儀基于EtherCAT實時以太網(wǎng)，實現(xiàn)了對油門、離合器、換擋、剎車等多工位協(xié)同的多軸運動控制。試驗結果表明，該系統(tǒng)具有良好的實用性和可靠性。

EtherCAT以太網(wǎng)汽車自動駕駛儀

引言

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，人們對汽車可靠性及環(huán)保性能的要求不斷提高，汽車廠家為此進行大量的試驗來改進設計，尤其是《GB 18352.5—2013輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）》標準中對整車排放污染控制裝置耐久性試驗要求規(guī)定：汽車在底盤測功機上或試驗跑道上進行耐久性試驗，耐久性里程不得少于160 000 km。為了減輕駕駛員的勞動強度，試驗機構可采用駕駛機器人來進行試驗。駕駛機器人可用于室內底盤測功機上操作車輛進行性能試驗和耐久性試驗。駕駛機器人不僅可以減輕試驗人員的勞動強度，減少試驗費用，提高試驗效率，而且還能夠消除人為因素的影響，從而保證了試驗數(shù)據(jù)的準確性和有效性。但國外進口的駕駛機器人價格非常昂貴，所以有必要開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的駕駛機器人，以滿足國內各汽車廠家對耐久性試驗的需求。

自動駕駛系統(tǒng)需要在不同的車輛上進行工作，工作過程中車輛的油門、離合器、換擋、剎車等各機械手必須平順地協(xié)調工作，主控系統(tǒng)與各機械手之間數(shù)據(jù)要求實時通訊，并需要穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強，EtherCAT實時工業(yè)以太網(wǎng)很好地實現(xiàn)了上述要求，EtherCAT是開放的實時以太網(wǎng)通信協(xié)議，由德國倍福自動化有限公司研發(fā)。采用EtherCAT總線技術，利用TwinCAT軟件及其控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了網(wǎng)絡化的多軸實時自動化控制。

1 EtherCAT的技術特點

EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動化技術）是一個以以太網(wǎng)為基礎的開放架構的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，由德國倍福自動化有限公司研發(fā)，具有開放性好、網(wǎng)絡速度快、實時性好、可靠性高及兼容性好等特點，并且具有靈活的拓撲結構及簡單的系統(tǒng)配置，得到了越來越多的開發(fā)商的關注，2014年10月21日成為我國的推薦性國家標準GB/T31230-2014。

EtherCAT支持幾乎所有的拓撲結構：線型、樹型或星型結構，可以選用的物理介質有標準以太網(wǎng)電纜100Base-TX、倍福公司的E-bus以及光纜。使用100Base-TX電纜時站間距離可到100 m，整個網(wǎng)絡最多可以連接65 535個設備。使用快速以太網(wǎng)的全雙工通信技術，使EtherCAT成為主從式的環(huán)型結構，如圖1所示[1]。

圖1 EtherCAT協(xié)議運行原理

EtherCAT協(xié)議使用一個特殊類型的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀。如圖2a）所示，EtherCAT以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)區(qū)由多個子報文組成，每個子報文都服務于一個特定的邏輯映像區(qū)。數(shù)據(jù)幀在設備中持續(xù)傳輸，每個設備中的FMMU（Fieldbus Memory Management Unit，現(xiàn)場總線存儲器管理單元）在數(shù)據(jù)幀通過時讀出該數(shù)據(jù)幀中映射到此設備的邏輯地址中的數(shù)據(jù)，如數(shù)字伺服控制指令數(shù)據(jù)等[2]。

EtherCAT的高性能特性使它還可以處理分布式驅動器的電流（轉矩）控制。EtherCAT UDP（User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）可以將Ether－CAT協(xié)議打包至UDP/IP（Internet Protocol，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）的數(shù)據(jù)幀內，如圖2b）所示。此時，任何帶以太網(wǎng)協(xié)議堆棧的控制都可以尋址EtherCAT系統(tǒng)，甚至允許經(jīng)路由器和其它子網(wǎng)通信。在這種情況下，在EtherCAT網(wǎng)絡內部，UDP幀只須在第一個從站解壓包，EtherCAT網(wǎng)絡本身的響應時間幾乎不受影響[2]。

同樣，輸入數(shù)據(jù)，如數(shù)字伺服狀態(tài)數(shù)據(jù)，可以在數(shù)據(jù)幀通過時插入到相應的邏輯地址區(qū)中，數(shù)據(jù)幀在整個過程僅有幾納秒的延時。通常每個通信周期只需傳輸一個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，這個數(shù)據(jù)幀沿著邏輯環(huán)傳輸一周，完成所有的廣播式、多播式以及從站間的通信，大大提高了EtherCAT的通信速率和有效數(shù)據(jù)率?？刂?00個輸入輸出數(shù)據(jù)均為8字節(jié)的伺服軸只需要100 μs。而1 000個I/O的刷新只需要30 μs[3]。

圖2 EtherCAT數(shù)據(jù)幀結構

2 自動駕駛系統(tǒng)設計

本設計是基于EtherCAT的伺服運動控制系統(tǒng)，總體結構主站采用工業(yè)PC機，操作系統(tǒng)選用大家熟悉的Windows操作系統(tǒng)，以VB（Visual Basic）軟件為基礎，編寫EtherCAT主站應用程序，實現(xiàn)人機界面、從站信息配置、EtherCAT數(shù)據(jù)幀發(fā)送接收和數(shù)據(jù)處理等功能。

該汽車自動駕駛控制系統(tǒng)的硬件組成部分主要有：計算機系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、油門機械腿、離合機械腿、制動機械腿、換擋機械手以及相應的位置檢測、車速檢測和發(fā)動機轉速檢測等，系統(tǒng)構成如圖3所示。

圖3 自動駕駛儀控制邏輯圖

本套自動駕駛儀需和汽車底盤測功機配合使用，試驗人員將車輛固定在底盤測功機上，并將自動駕駛儀安裝在車輛上，自動駕駛儀通過各機械手對車輛行駛進行自動控制，通過模擬人的駕駛習慣，控制車輛油門、離合器、換擋及剎車等，使車輛按照標準或用戶要求的檔位及工況曲線進行行駛。其中，EtherCAT主控系統(tǒng)接收各執(zhí)行機構的當前位置、車速等信息，然后根據(jù)所采集到的輸入數(shù)據(jù)與預先輸入至存儲器的數(shù)據(jù)進行計算比較，實時地輸出指令給執(zhí)行結構（伺服驅動控制系統(tǒng)），伺服控制單元接收主控單元信號后驅動伺服電機，從而實現(xiàn)汽車駕駛機器人對車輛的控制。本套自動駕駛儀是面向大多數(shù)輕型汽車車型設計開發(fā)的，所以在設計中考慮了如下特點：

1）駕駛機器人執(zhí)行機構的設計。駕駛機器人執(zhí)行機構小巧靈活，適合不同車型駕駛室內無損快速安裝；無需對汽車內部結構做任何改動；執(zhí)行機構能夠實現(xiàn)運動軌跡解耦控制。

2）多機械手的協(xié)調能夠達到中等熟練駕駛員的水平。駕駛機器人根據(jù)駕駛經(jīng)驗庫協(xié)調汽車換擋、制動、離合機械手的動作，使各執(zhí)行機構的運動關系、時序關系符合駕駛動作的要求。

3）車速的跟蹤控制。車速的穩(wěn)定跟蹤控制精度滿足±2 km/h。

4）駕駛機器人在完成起步、換擋、加速、減速、等速等工況的車速跟蹤控制時，保持油門踏板平順，在滿足車速跟蹤精度的條件下，使油門的變化柔和平滑，以減少頻繁的油門操作對排放產(chǎn)生影響。

5）控制參數(shù)的在線補償與優(yōu)化。在長時間的試驗過程中，汽車各個組成部件會磨損。為保證長時間試驗的控制精度，駕駛機器人能在線自動調節(jié)和優(yōu)化控制參數(shù)以匹配汽車的特征變量，使駕駛機器人對長時間試驗引起的車輛性能參數(shù)變化具有自補償和容錯能力。

駕駛機器人具有自學習車輛各工位運動特性的能力，如離合器踏板行程、加速踏板行程、制動踏板行程、變速器換擋位置等，系統(tǒng)模擬駕駛員的駕駛操作，在操作配合上要具有人的一些協(xié)調性和柔順性。駕駛系統(tǒng)根據(jù)駕駛員的操作經(jīng)驗，對車輛起步特性、油門離合器配合特性、擋位離合器配合特性、制動特性、急加急減特性、運行軌跡突變控制等特性進行優(yōu)化，使自動駕駛更具人性化，使各工位的配合聯(lián)動更加合理化，從而減小在汽車性能以及耐久性試驗中設備對測試結果的影響。

3 根據(jù)自動駕駛儀原理進行Ether－CAT網(wǎng)絡配置

本套自動駕駛儀以搭載TwinCAT系統(tǒng)的倍福PLC作為EtherCAT實時以太網(wǎng)的主站，以具有EtherCAT接口的松下伺服驅動器作為從站，通過TwinCAT系統(tǒng)管理器（System Manager）配置PLC的各通訊接口，使PLC軟件與各從站伺服驅動器建立通訊。通過EtherCAT總線，主控系統(tǒng)可以設置伺服的位置、轉速、啟停等參數(shù)，也可以讀取伺服工作過程中的實時位置、實時轉速以及運行狀態(tài)等信號，與老式系統(tǒng)相比，節(jié)省了大量接線。

該汽車自動駕駛控制系統(tǒng)的組成部分主要有：計算機系統(tǒng)、EtherCAT控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、預學習示教系統(tǒng)、伺服驅動控制系統(tǒng)、油門機械腿、離合機械腿、制動機械腿、換擋機械手等，系統(tǒng)構成如圖4所示。

圖4 EtherCAT總線結構原理圖

4 試驗結果與分析

為了驗證駕駛機器人的駕駛效果，在底盤測功機上進行污染物排放控制裝置耐久性試驗（Ⅴ型試驗），該Ⅴ型試驗的一組試驗由11個循環(huán)組成，所以簡稱為11LAPS耐久工況試驗，試驗車型為哈飛，五擋手動變速，根據(jù)11LAPS中每一種循環(huán)車速的要求，對各循環(huán)進行試驗驗證，考慮到驗證曲線的可視效果，將不同車速循環(huán)的驗證曲線分別截取出來，如圖5所示。

圖5 Ⅴ型試驗驗證結果

對各LAPS試驗結果分析可知，測試曲線滿足《GB18352.5-2013輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）》標準中要求的車速跟蹤誤差±2 km/h、時間誤差±0.5 s的要求。該11LAPS耐久工況Ⅴ型試驗曲線看似比較簡單，但有兩個難點，一是加速向等速轉換的過渡過程，二是減速到32 km/h時突然加速的過渡過程。本系統(tǒng)根據(jù)駕駛經(jīng)驗庫，引進提前預判功能，避免了車速在曲線轉折點時過度上沖或過度下沖，使車速更好地滿足標準對曲線跟蹤精度的要求。

5 結論

汽車自動駕駛儀是集信號處理、電子電路、自動控制、機電一體化、汽車工程等多學科交叉應用的自動化設備。試驗結果表明，該自動駕駛儀能夠替代試驗人員從事長時間、高重復性的汽車試驗，對于提高汽車試驗的自動化水平，降低試驗費用，提高試驗結果的準確度具有重要意義及實用價值。

1單春榮，劉艷強，郇極，等.工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線EtherCAT及驅動程序設計[J].制造業(yè)自動化，2007，29（11）：79-82

2德國倍福公司.EtherCAT-實時以太網(wǎng)現(xiàn)場總線[M].德國：倍福公司EtherCAT技術組，2015

3康存鋒，林志磊，馬春敏，等.基于TwinCAT主站的Ether－CAT實時以太網(wǎng)分析與研究[J].現(xiàn)代制造工程，2010（11）：16-18

Design of Vehicle Robot Driver based on the Real-time Ethernet EtherCAT

Zhang Kunliang1,Peng Xiuying1,Hong Bin1,Li Zhihong1,Wang Jiajun1, Huang Zhiyong1,Pang Xiaowei2,Li Jianxing2,Dong Yun2
1-Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute,Tianjin University(Tianjin,300072,China) 2-Tianjin Tianbo-Keda Technology Co,Ltd.

In the NationalⅤemission standard,the durability performance of vehicle emission is put forward higher requirements,combined with the domestic vehicles and the actual usage,we developed the Vehicle robot driver which can be used on the chassis dynamometer.Based on the EtherCAT real time Ethernet,Vehicle robot driver realizes the multi axis motion control of the throttle,clutch,Gear shift and brake etc.The test results show that the system has good practicability and reliability.

EtherCAT,Ethernet,Vehicle robot driver

U473.1+2

A

2095-8234（2016）05-0057-04

2016-06-13）

張坤良（1978—），男，工程師，主要研究方向為工控技術與車輛檢測技術。