一種小型無人駕駛物流車線控底盤的研究

石添華

(廈門金龍旅行車有限公司 福建省新能源汽車企業重點實驗室, 福建 廈門 361022)

隨著互聯網技術和汽車行業的高速發展,自動駕駛已然成為當下車聯網技術熱點[1]。工信部裝備工業司發布的《新能源汽車產業發展規劃(2021—2035年)》(征求意見稿)中提出,自動駕駛智能網聯汽車銷量將占比 30%,2035年自動駕駛汽車將成為新車銷售主流,自動駕駛將對人類出行方式產生深遠的影響[2]。目前受限于相關法律法規,小型無人駕駛物流車是自動駕駛主流應用研究之一,市場對于小型無人駕駛物流車的需求也在逐漸提高。為能滿足市場的多功能化、高精度化以及車聯網關鍵數據快速響應需求,本文設計一種基于大型自動駕駛客車底盤研發的小型無人駕駛物流車線控底盤。

1 小型線控底盤技術

小型線控底盤作為小型無人車的“大腦和四肢”進行車輛的控制和執行,是整個小型無人車的核心硬件。

1.1 小型線控底盤結構

小型線控底盤結構如圖1所示,從系統方面可劃分為底盤系統、電控系統、儲能系統[3]。

1-伺服轉向電機; 2-制動電機; 3-三元鋰動力電池圖1 小型線控底盤結構

1) 底盤系統設計。為滿足小型無人駕駛物流車的使用場景需求,線控底盤的整體長度設計為2 m。因小型無人駕駛物流車對裝載能力有一定要求,所以在底盤系統的設計中采用高剛度、高強度的桁架結構和可調減震器的雙橫臂獨立懸架。考慮到雨天的使用場景,其中的電控和儲能系統采用鈑金整體密閉封裝,使其達到IP64防護等級[4]。

2) 電控系統設計。電控系統采用規格為雙核、32位、主頻160 MHz的MPC5744P處理器的電子控制單元(ECU);電控系統轉向模塊采用伺服轉向電機(如圖1中1所示);電控系統制動模塊采用后輪單電機(如圖1中2所示),通過電機的反向拖動實現制動。電控系統全域采用CAN通訊方式[5]。

3) 儲能系統設計。儲能系統采用5 kW·h的三元鋰動力電池(如圖1中3所示);考慮到車輛日常中遇到的儲能系統過充、過放、高溫等問題,針對性地設計符合安全保護性的電池管理系統;儲能系統還通過全域底盤CAN與ECU連接,可使底盤實時獲取剩余電量、電流、電壓、電池溫度等儲能系統關鍵參數[6]。

1.2 線控轉向

線控轉向系統(SBW),是在車身電子穩定系統(EPS)上發展起來的,相對于EPS,SBW具有冗余功能,并能獲得更快的響應速度[7]。對于L3及以上的自動駕駛汽車,部分會脫離駕駛員的操控,自動駕駛控制系統對于轉向系統的控制精確、可靠性要求更高,只有線控轉向才能夠滿足要求。

SBW主要分為電子控制系統和轉向系統兩個部分:電子控制系統包括車速傳感器、橫擺角速度傳感器、加速度傳感器和ECU,以提高車輛的操縱穩定性;轉向系統包括角位移傳感器、轉向電動機、齒輪齒條轉向機構和其他機械轉向裝置等[8]。SBW工作原理如下:首先,將轉向指令通過數字信號傳遞給轉向齒輪執行機構,然后根據不同的車速及駕駛工況提供的方向盤力矩反饋,轉向齒輪執行機構接收到轉向指令信號,將轉向指令信號轉換成輪胎的角度擺動,同時給轉向伺服電機發送電信號指令,從而實現對轉向系統的控制。此外還配備遠程遙控模塊,可在人工遙控模式下對線控底盤進行遙控。

1.3 線控制動

據相關試驗和文獻表明[9],制動躍遷響應測試更能說明小型無人車線控底盤性能,所以本文選用線控制動測試以表征小型無人車線控底盤部分性能。

線控制動系統由ECU、機械傳動系統、車輪制動模塊等組成[10]。工作原理如下:線控指令通過數字信號傳遞給ECU,ECU根據各傳感器輸入信號判斷車輛所處的工況并決策各工況下電機的目標轉矩,然后通過CAN總線將目標值發送給電機控制器,電機控制器根據接收到的命令對車輪制動模塊進行控制,以保證車輛的正常制動[11]。

2 實車試驗

2.1 試驗場景搭建

本文試驗場地選擇整車企業車輛測試試驗場,該試驗場滿足車輛傳統性能測試的各項要求,同時也能提供假人橫穿馬路、設置障礙物等環境多變的測試場景。試驗場地由圍成的矩形跑道組成。測試項目包含線控底盤制動、轉向等性能測試,故選擇低速測試場景,不包含上下坡,避免因重力等因素影響測試結果。

為了驗證上述線控底盤的響應能力(精度),對裝備該線控底盤的小型無人物流整車進行循跡試驗和信號對比試驗。試驗過程使用自動駕駛模式,當遇到危險情況時使用遙控器接管車輛控制權,待危險解除后再將控制權交還給自動駕駛系統。

2.2 試驗項目及結果

2.2.1 高精度RTK差分定位導航

采用自行者ZNAV2000高精度RTK-IMU車載組合導航系統設備,將該組合導航設備與試驗車輛連接,并以試驗車輛作為用戶流動站。隨后進行組合導航的初始化設置。完成上述工作后將試驗車輛停在試驗場地的起點位置。進行試驗時開啟車輛自動駕駛模式,讓車輛在該模式下繞試驗場地一周,采集自行者ZNAV2000高精度RTK車載組合導航系統設備的輸出定位報文記錄經緯度信號繪制路徑圖進行對比。

試驗結果:車輛執行自動駕駛模式狀態下高精度RTK車載組合導航系統設備輸出的定位報文記錄經緯度信號如圖2所示,說明了無人線控底盤響應自動駕駛系統輸出良好,能準確執行自動駕駛系統輸出報文信號。

圖2 RTK導航信號與實車循跡圖

2.2.2 自動駕駛模式轉向測試

采用周立功CAN-2E-U、USB-CAN硬件卡,將CAN硬件卡與試驗車輛整車CAN連接,試驗全程通過該設備監控和記錄試驗車輛線控底盤的控制層線路報文。完成設備連接后將試驗車輛停在試驗場地大角度彎道的起點位置。小型無人物流車設置轉向速度為5 km/h。試驗車輛在起點處平地自動駕駛起步,從0 km/h加速至5 km/h并保持該速度在試驗場地大角度彎道保持轉向自動駕駛模式行駛。離線保存該階段由傳感器檢測的車輛底盤反饋力矩信號。

試驗結果:車輛平地自動駕駛時,接收到的轉向力矩反饋信號與車輛轉向實際執行信號對比如圖3所示。該圖顯示,車輛在平地自動駕駛起步后80～100 s期間,轉向信號與車輛底盤轉向執行信號各區間波形趨近,車輛線控底盤在轉向執行方面滿足要求。

圖3 轉向輸出信號與執行反饋對比

2.2.3 自動駕駛模式制動測試

采用周立功CAN-2E-U、USB-CAN硬件卡,將CAN硬件卡與試驗車輛整車CAN連接,試驗全程通過該設備監控和記錄試驗車輛線控底盤的控制層線路報文。完成設備連接后將試驗車輛停在試驗場地低速長直道的起點位置。考慮到小型無人駕駛物流車在自動無監督環境下執行物流運輸的最高速度限制,速度節點設定在15～0 km/h。試驗車輛在起點處平地自動駕駛起步并保持15 km/h時速在長直道上保持直線自動駕駛模式行駛后,車輛從15 km/h減速至0 km/h。離線保存該階段傳感器檢測的制動壓力信號。

試驗結果:車輛制動時,接收到的制動壓力信號與車輛實際制動壓力信號對比如圖4所示。測試環境為正常城市道路,測試道路無較大坡度。該圖顯示,車輛在自動駕駛模式下從15 km/h減速至0 km/h期間,VCU反饋信號與制動壓力執行信號躍遷波形趨近,無人線控底盤在制動執行方面滿足要求。

圖4 制動壓力輸出信號與執行反饋對比

3 結束語

本文介紹了一種小型無人駕駛物流車的線控底盤。通過所設計的一系列RTK差分定位導航、制動、轉向性能測試試驗,驗證了這種小型無人駕駛物流車線控底盤的各項線控性能滿足要求,印證了其在日后應用場景中的準確性和可靠性。