無人駕駛車輛自動轉向控制探究

黃琦　黃珊　楊雷

摘 要：現階段，隨著交通安全問題日益嚴重，人們對于智能車輛技術的重視度越來越高。雖然目前擁有ESP、ABS等主動安全技術，能夠實現車輛駕駛安全性的提升，但是還沒有真正改變以往的駕駛模式，無法從根本上杜絕安全隱患。所以，本文將重點放置在無人駕駛車輛自動轉向控制的層次上，希望對于無人駕駛技術有深入的了解。

關鍵詞：無人駕駛;自動轉向;控制

對于當前無人自動駕駛控制而言，自動轉向是其關鍵技術，所以，研究無人駕駛車輛自動轉向控制技術，對于后續的研究具有重要的現實意義。

1 自動轉向系統概述

1.1 結構組成

針對汽車自動轉向機構與控制系統的實際應用，主要是基于整車模型以及減速機構、轉向軸、雙行星齒輪等構成的，其自動轉向結構具體見下圖1所示。

1.2 結構與原理

自動轉向系統對于汽車轉向動力的控制主要依賴電機，電機的輸出力矩能夠通過減速增距向前輪驅動轉移，充分滿足轉向要求，從而取代人的控制。與其實際的結構相互結合分析，具體見圖2所示。

2 無人駕駛車輛自動轉向系統的分析

2.1 交叉路口的仿真模擬

在對無人駕駛汽車的自動轉向控制系統進行檢驗、分析時，可以通過Matlab實現仿真模擬與控制。其跑道設置主要依靠直道及三個大曲率轉彎，車輛從A點出發，在經過110°、70°、90°差異化轉向之后最終達到終點，通過車輛模型的調整及控制，有針對性地對方向盤進行控制，實現速度和轉動角度的調整。方向盤最大的速度調整值是360°/s。針對前輪轉角應將其控制在±40°以內，針對方向盤調整轉角的范圍應不超過±540°。對于這一個跑道，基于不同速度進行仿真處理，然后記錄下運動軌跡[1]。基于實際情況分析，以不同速度加以模擬，在不同速度下，基本上自動轉向控制系統都可以實現準確的轉向，這樣也可以滿足預期的歸集運動與控制要求[2]。

2.2 實車實驗及結果對比

2.2.1 實驗平臺搭建

在完成無人駕駛汽車的自動轉向控制系統設計之后，通過Matlab就能對其進行有效性檢驗。借助仿真模型也能對其實際運動狀態進行檢驗，不過要以其可用性為基礎才能驗證。此次研究主要針對大眾帕沙特，測試時A車選擇常規控制器，B車選擇自動換向控制系統。A車選擇固定的路線進行自動轉向、行駛，而B車要根據算法優化以及自動控制精度進行，從而實施仿真模擬，然后進行兩者的相互比較[3]。在搭建實驗平臺時要以系統總線、主控制器以及道路環境等為基礎進行。

2.2.2 實驗控制系統

在對無人駕駛車輛進行橫向控制時，控制其垂直運動方向就能讓汽車轉向。其目的在于針對無人駕駛車輛要注意自動保持行車的期望路線，加強控制，并且能夠在風阻、車速、路況等存在差異的情況下也能夠保持穩定性和舒適性。針對無人駕駛車輛的橫向控制，其主要包含：第一，基于駕駛人員模擬的轉向控制設計。第二，基于汽車橫向運動力學模型來調整橫向控制。在實際應用環節，還需要控制運動方式和動力變化控制等角度，對算法處理及應用實現控制，從而有效控制數據信息，同時實現轉向控制。此次應用自動轉向控制系統時以路線的規劃、設計、調整等為基礎，根據車輛的狀態測量以及轉向控制等實施檢驗，其控制見圖4所示。

在具體的試驗之中，電源連接端點位δr，d1、d2，基于轉向控制算法應用的角度去分析，就可以掌握車輛自動轉動控制與數據通信，并且促進數據通信、數據測量等檢驗與分析的實現。控制系統的其他組成部分主要在主控制計算機里運行，兩者通過UDP廣播完成數據通信，轉向主控計算機和執行機構、車輛系統則要通過CAN總線完成數據通信。在分析和檢驗的過程中，利用完善的通信控制狀態就能編寫針對性的控制算法，也就可以滿足對車輛的檢驗與控制[4]。

2.2.3 實驗結果對比分析

針對控制效果的實際分析，選擇直路和直角轉彎等路線，對無人駕駛車輛在各個路段的轉向機運行狀態進行檢驗，了解期望路徑和實際轉向路線的區別。

對于初步測試而言，自動轉向控制B車的行駛比較穩定，和期望軌跡的差異也處于可以控制的范圍，盡管和仿真結果還有一定的偏差，不過基本能保證行車安全。對于實車試驗而言，遇到彎道高速行駛的情況，面朝內車道進行換道行駛時，車輛受到離心力作用的影響，容易出現在兩車道之間，然而不能成功向內車道并入。因此，在識別換道狀態以后，車輛始終不能換道，需要主動補償方向盤轉角，直到車輛換道的實現。利用試驗驗證，發現該算法能夠滿足高速急彎行駛要求，保證車輛安全實現向內換道。

在經過后續的蛇形工況與雙移線工況的運行結果分析之后，基于質心側偏角、轉角、橫擺角度作為對應的指標，在轉向精度提高的同時，就可以提升車輛的側向穩定性，最終滿足自動轉向控制準確性的提升。

通過對比分析，以實驗安全性及相應的路徑選擇為基礎展開分析，在實驗道路上多次實驗，由于無法模擬高速公路的真實場景，因而在檢驗過程中對于道路的選擇見圖4所示。

通過試驗車運行路線的分析，B車能夠實現穩定行駛，而A車在轉角位置上出現了便宜。所以，安全就是無人駕駛車輛是否成功的關鍵所在，目前，對于常見的避障傳感器，其主要包含了微波雷達、激光雷達、超聲傳感器等，這就說明本次研究的自動轉向控制系統是可用的，并且也具有一定的效果。

3 結語

總而言之，基于無人駕駛車輛自動轉向控制作為研究中心，基于可靠性和精準度作為核心目標，通過各個方面的研究分析與仿真，這樣就可以建立對應的仿真模型，從而通過仿真模擬來實現對比分析處理，這樣就可以對其實際應用效果加以檢驗，最終滿足自動轉向控制要求，更好的服務后續的研究。

（通訊作者：楊雷）

參考文獻：

[1]王歲紅.淺談基于線控轉向系統的無人駕駛技術發展[J].科技經濟導刊，2019（19）：21.

[2]朱林峰，楊家富，施楊洋，方朋朋.無人駕駛車輛橫向控制策略研究進展[J].世界科技研究與發展，2018（05）：506-518.

[3]何文鋒.一種無人駕駛汽車差動轉向路徑跟蹤控制器研究[J].艦船電子工程，2018（10）：65-68.

[4]趙卓，薛世海，高純友，張文康，李濤，張銳.全自動無人駕駛列車轉向架的研制[J].城市軌道交通研究，2018（05）：161-166.