自動(dòng)駕駛技術(shù)測(cè)試車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為提高車輛自動(dòng)駕駛測(cè)試時(shí)的安全性，降低測(cè)試成本，設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路及上位機(jī)軟件，開(kāi)發(fā)一種滿足自動(dòng)駕駛技術(shù)測(cè)試要求的測(cè)試車樣機(jī)，對(duì)測(cè)試車進(jìn)行實(shí)地直線和曲線軌跡跟蹤試驗(yàn)場(chǎng)景測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明：該測(cè)試車底盤低、防撞擊，可以有效保護(hù)被測(cè)車輛的安全；測(cè)試車控制系統(tǒng)能夠滿足運(yùn)行軌跡控制、運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)處理等功能要求；測(cè)試車能滿足自動(dòng)駕駛技術(shù)的測(cè)試要求，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有較高的軌跡跟蹤精度。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)駕駛；測(cè)試車；整車控制器；上位機(jī)

中圖分類號(hào)：U467文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2024）05-0064-06

引用格式：潘馳，張志鵬，陳忠言，等.自動(dòng)駕駛技術(shù)測(cè)試車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2024，41（5）：64-69.

PAN Chi，ZHANG Zhipeng，CHEN Zhongyan，et al.Design of control system for a autonomous driving test vehicle［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（5）：64-69.

0 引言

自動(dòng)駕駛技術(shù)有利于提高交通安全，提高交通效率，降低環(huán)境污染，是當(dāng)前汽車領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一^[1-3]。為了提高自動(dòng)駕駛車輛的安全性，自動(dòng)駕駛車輛出廠前需進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試方法包括軟件仿真測(cè)試、硬件在環(huán)測(cè)試、試驗(yàn)場(chǎng)景測(cè)試和實(shí)車道路測(cè)試等^[4-7]。測(cè)試環(huán)節(jié)中如果直接人工駕駛車輛測(cè)試，安全風(fēng)險(xiǎn)大、測(cè)試成本高，因此國(guó)內(nèi)外研究人員積極開(kāi)發(fā)采用滿足自動(dòng)駕駛技術(shù)測(cè)試要求的測(cè)試車進(jìn)行自動(dòng)駕駛測(cè)試，提高測(cè)試安全性，降低測(cè)試成本^[8-9]。

目前眾多學(xué)者圍繞滿足自動(dòng)駕駛技術(shù)要求的測(cè)試車開(kāi)展了相關(guān)研究：李文禮等^[10]總結(jié)了車輛先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（advanced driving assistant system，ADAS）測(cè)試的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了盡量減小或避免被試車輛的損傷、車輛動(dòng)態(tài)性能和軌跡跟蹤能力良好、測(cè)試成本較低、自我保護(hù)能力和快速修復(fù)能力較好的目的；袁琦等^[11]分析了測(cè)試車的外形結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了材料選擇和牽引裝置設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了一款自動(dòng)駕駛技術(shù)測(cè)試車；張鵬程等^[12]基于歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（economic commission for Europe，ECE）制定的R131標(biāo)準(zhǔn)提出了3種測(cè)試車開(kāi)發(fā)方案，并比較了不同方案的優(yōu)、缺點(diǎn)；張喜濤^[13]針對(duì)自動(dòng)駕駛車輛性能測(cè)試，完成了測(cè)試車的結(jié)構(gòu)及軟硬件設(shè)計(jì)；高振銘等^[14]搭建了自動(dòng)駕駛技術(shù)測(cè)試車，利用遠(yuǎn)程指令實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)試車的姿態(tài)矯正和速度控制；楊新鵬等^[15]根據(jù)自動(dòng)駕駛車輛的測(cè)試需求設(shè)計(jì)測(cè)試車，通過(guò)差分定位模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)試車的定位和運(yùn)行控制；羅慧超^[16]針對(duì)自動(dòng)駕駛車輛的可靠性需求，設(shè)計(jì)了一種具有急停裝置的自動(dòng)駕駛測(cè)試車。

如果自動(dòng)駕駛被測(cè)車失控時(shí)與測(cè)試車發(fā)生碰撞，會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。為減小碰撞損失，本文中設(shè)計(jì)一種低底盤自動(dòng)駕駛測(cè)試車，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的控制系統(tǒng)及上位機(jī)平臺(tái)軟件，通過(guò)試驗(yàn)場(chǎng)景測(cè)試驗(yàn)證了測(cè)試車及控制系統(tǒng)均滿足設(shè)計(jì)要求。

1 測(cè)試車樣車設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)試車設(shè)計(jì)包括樣車設(shè)計(jì)和電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，測(cè)試車車框采用金屬材料，能較好地承受被測(cè)車的碾壓；測(cè)試車上部安裝仿汽車外形泡沫，并在整個(gè)泡沫上粘貼車衣，方便被測(cè)車輛識(shí)別。為保證被測(cè)車與測(cè)試車不發(fā)生結(jié)構(gòu)碰撞，測(cè)試車四周設(shè)計(jì)為角度較小的斜面，斜面最低點(diǎn)距地面4 cm左右。被測(cè)車迅速正確反應(yīng)時(shí)，可快速避讓測(cè)試車；若被測(cè)車不能迅速正確反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致碰撞或其他事故發(fā)生，測(cè)試車上部的軟質(zhì)泡沫不會(huì)對(duì)被測(cè)車產(chǎn)生撞擊，可保護(hù)被測(cè)車和測(cè)試車，降低測(cè)試成本。車體內(nèi)部分割為若干安裝槽，用于安裝全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）接收機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸單元（data transfer unit，DTU）、整車控制器等；安裝槽上部安裝金屬板，防止被測(cè)車碾壓測(cè)試車時(shí)損壞重要設(shè)備。GPS接收機(jī)的天線固定在測(cè)試車前、后端，2個(gè)天線的距離大于1 m，且盡量保持在同一平面。測(cè)試車電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，微控制器是電氣系統(tǒng)的核心部件，4塊鋰電池（記為電源1、2、3、4）為整個(gè)系統(tǒng)供電，4個(gè)伺服電機(jī)在控制器的作用下，分別控制4個(gè)車輪的運(yùn)行速度。

1.2 控制方案

測(cè)試車樣機(jī)總體控制方案如圖2所示。測(cè)試車有2種控制模式：無(wú)線遙控方式和上位機(jī)設(shè)定軌跡自動(dòng)運(yùn)行方式。無(wú)線遙控方式通過(guò)操縱手柄設(shè)定車輛運(yùn)行軌跡，將運(yùn)行控制參數(shù)轉(zhuǎn)化為脈寬調(diào)制（pulse width modulation，PWM）信號(hào)傳送給微控制器，電機(jī)控制車輛按照需求軌跡行駛。以遠(yuǎn)程通信方式為例，上位機(jī)軟件設(shè)定軌跡自動(dòng)運(yùn)行方式是指微控制器通過(guò)GPS設(shè)備實(shí)時(shí)接收測(cè)試車經(jīng)緯度和航向角，通過(guò)串口發(fā)送到DTU設(shè)備，DTU以無(wú)連接的用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（user datagram protocol，UDP）的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器上位機(jī)。此外，微控制器通過(guò)傳感器測(cè)量4個(gè)車輪的當(dāng)前運(yùn)行速度，并發(fā)送至上位機(jī)。上位機(jī)根據(jù)接收的GPS數(shù)據(jù)及輪速數(shù)據(jù)，利用軌跡跟蹤算法計(jì)算當(dāng)前測(cè)試車左、右兩側(cè)車輪的目標(biāo)速度，通過(guò)DTU設(shè)備將目標(biāo)速度發(fā)送給微控制器，結(jié)合RS485通信方式發(fā)送控制指令給伺服電機(jī)控制器，控制左、右兩側(cè)的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，使測(cè)試車沿預(yù)定軌跡行駛。

1.3 硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試車的控制運(yùn)行，整車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖3所示。控制系統(tǒng)主要電路包括電源電路、通信電路、伺服電機(jī)控制電路、輸入捕獲電路及電壓采集電路。

電源電路包括電壓為24 V的車載電源及電壓為5 V的供電電路，其中，24 V車載電源給測(cè)試車提供電源，用于驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)行；5 V供電電路通過(guò)直流電平轉(zhuǎn)換器（direct current-direct current converter，DC/DC）將電源電壓由24 V轉(zhuǎn)換為5 V，用于給單片機(jī)等模塊供電，并結(jié)合低壓差線性穩(wěn)壓器（low dropout regulator，LDO）將電源電壓由5.0 V轉(zhuǎn)換為3.3 V，為無(wú)線模塊ESP8266供電。

通信電路包括RS232、RS485 兩種遠(yuǎn)程方式及近程通信方式，微控制器通過(guò)RS485通信電路，實(shí)時(shí)接收測(cè)試車的經(jīng)緯度和航向角，結(jié)合RS232通信方式將參數(shù)傳輸?shù)紻TU后傳送到上位機(jī)；微控制器也可通過(guò)ESP8266采用近程通信方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上位機(jī)采用軌跡跟蹤算法計(jì)算控制信號(hào)（即測(cè)試車左、右兩側(cè)車輪的速度），并通過(guò)DTU采用遠(yuǎn)程通信或通過(guò)ESP8266采用近程通信發(fā)送至微控制器。微控制器通過(guò)輸入/輸出接口（input/output，I/O）電路改變輸出電平，控制伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)。伺服電機(jī)控制電路將微控制器信號(hào)通過(guò)RS485通信方式發(fā)送給伺服電機(jī)控制器，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

輸入捕獲電路用于獲取無(wú)線遙控模塊發(fā)出的PWM信號(hào)，根據(jù)PWM占空比改變左、右兩側(cè)車輪的速度和方向，通過(guò)無(wú)線遙控方式實(shí)現(xiàn)車輛的運(yùn)行控制。

電壓采集電路用于采集車載電源電壓，單片機(jī)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog-to-digital converter，ADC）將采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，判斷電池的電量，當(dāng)電量過(guò)低時(shí)，發(fā)出提醒信號(hào)，防止測(cè)試車電量不足，導(dǎo)致試驗(yàn)意外中斷。

1.4 上位機(jī)軟件及界面設(shè)計(jì)

由于軌跡跟蹤算法計(jì)算量較大，單片機(jī)運(yùn)算能力有限，影響軌跡跟蹤效果，因此開(kāi)發(fā)上位機(jī)，用于軌跡跟蹤算法；上位機(jī)軟件通過(guò)通信的方式獲取

微控制器上傳的運(yùn)行數(shù)據(jù)并通過(guò)圖形界面實(shí)時(shí)顯示，將軌跡跟蹤算法計(jì)算結(jié)果發(fā)送至微控制器。上位機(jī)軟件主要包括實(shí)時(shí)顯示、通信方式及數(shù)據(jù)處理3大模塊，設(shè)計(jì)方案如圖4所示。實(shí)時(shí)顯示模塊顯示測(cè)試車電池電量、各車輪運(yùn)行速度、平面坐標(biāo)行駛軌跡及電子地圖行駛軌跡。通信方式模塊包括UDP、傳輸控制協(xié)議（transmission control protocol，TCP）及串口通信等功能，目前主要采用UDP通信方式與微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)保存和計(jì)算控制量3部分，數(shù)據(jù)解析將微控制器獲得的車輛位置信息（經(jīng)緯度、航向角）、傳感器測(cè)得的當(dāng)前速度等參數(shù)進(jìn)行保存，結(jié)合軌跡跟蹤算法計(jì)算各車輪的運(yùn)行速度及方向。

上位機(jī)軟件運(yùn)行界面可以通過(guò)起動(dòng)和停止按鈕控制測(cè)試車；測(cè)試車行駛過(guò)程中，可實(shí)時(shí)顯示車輛電量、所處位置經(jīng)緯度、左右兩側(cè)車輪速度、平面坐標(biāo)行駛軌跡及地圖行駛軌跡。

2 測(cè)試車實(shí)地試驗(yàn)

為檢測(cè)測(cè)試車性能，進(jìn)行直線和曲線軌跡實(shí)地跟蹤試驗(yàn)，測(cè)試車位置及航向角為（x₁，y₁，θ），表示測(cè)試車在x軸、y軸距離初始位置的距離及車輛航向角，定義測(cè)試車初始位置和航向角為（0，0，0），設(shè)置底盤車目標(biāo)速度為0.2 m/s，直線軌跡跟蹤試驗(yàn)預(yù)設(shè)軌跡為y₂（y方向偏離初始位置的距離）為3.5 m，試驗(yàn)跟蹤時(shí)間為50 s。曲線軌跡跟蹤試驗(yàn)預(yù)設(shè)軌跡為圓心坐標(biāo)為（0，3）、直徑為5 m的圓形，試驗(yàn)跟蹤時(shí)間為80 s。直線、曲線軌跡跟蹤試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知：直線軌跡跟蹤試驗(yàn)時(shí)，測(cè)試車約在x₁=5.08 m，y₁=3.49 m處跟蹤到預(yù)設(shè)軌跡；曲線軌跡跟蹤試驗(yàn)時(shí)，測(cè)試車約在x₁=2.10 m，y₁=1.50 m處跟蹤到預(yù)設(shè)軌跡；2次試驗(yàn)中，測(cè)試車跟蹤到預(yù)設(shè)軌跡后均能較為精確地沿著預(yù)設(shè)軌跡行駛。不同跟蹤軌跡的位置偏差對(duì)比曲線如圖6所示。

由圖6a）可知：測(cè)試車開(kāi)始行駛后，y方向偏差迅速減小，行駛大約20 s后，y方向偏差穩(wěn)定在0附近；x方向無(wú)初始偏差，但行駛大約10 s后，出現(xiàn)最大反向偏差，隨后偏差逐漸減小，大約5 s后，x方向偏差穩(wěn)定在0附近。原因?yàn)樵诟櫾囼?yàn)剛開(kāi)始時(shí)，測(cè)試車左、右側(cè)的輪速都為0，由于y方向偏差較大，x方向的偏差為0，為使測(cè)試車y方向偏差盡快減小，微控制器調(diào)節(jié)測(cè)試車左、右輪的輪速使車輛向y軸方向偏移，但x軸方向的速度較低，隨著y軸方向偏差減小，y軸方向速度降低，x軸方向速度增加，出現(xiàn)小幅度的位置偏差，在軌跡跟蹤算法作用下，x軸方向偏差逐漸減小。由圖6b）可知：曲線行駛軌跡跟蹤試驗(yàn)時(shí)，前7 s測(cè)試車y方向偏差迅速減小，x方向的行駛軌跡落后于預(yù)設(shè)軌跡，x方向偏差逐漸增大；當(dāng)測(cè)試車接近預(yù)設(shè)軌跡后，x方向速度增加，x軸方向偏差逐漸減小，大約第20秒時(shí)，x方向和y方向位置偏差趨近于0。

3 結(jié)論

為了降低自動(dòng)駕駛車輛的測(cè)試成本和風(fēng)險(xiǎn)，本文中對(duì)測(cè)試車樣車機(jī)械機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)地跟蹤試驗(yàn)場(chǎng)景測(cè)試，驗(yàn)證車輛性能。

1）設(shè)計(jì)的測(cè)試車底盤低，車身四周為斜面結(jié)構(gòu)，當(dāng)被測(cè)車輛失控時(shí)，可以有效減小被測(cè)車輛的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，降低測(cè)試成本。

2）根據(jù)測(cè)試車功能需求，確定了控制器硬件方案，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試車行駛控制、實(shí)時(shí)通信等功能；開(kāi)發(fā)了上位機(jī)軟件，設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)顯示模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊，實(shí)現(xiàn)了軌跡跟蹤算法運(yùn)行、測(cè)試車運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示和保存等功能。

3）測(cè)試車能快速、準(zhǔn)確跟蹤預(yù)設(shè)直線軌跡和曲線軌跡，滿足自動(dòng)駕駛技術(shù)測(cè)試要求。

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Design of control system for a autonomous driving test vehicle

PAN Chi¹， ZHANG Zhipeng¹， CHEN Zhongyan²， LIU Zhenge³， LIAO Guoliang¹，LU Yueqi¹， JI Shaobo^1，4*

1.School of Energy and Power Engineering， Shandong University， Jinan 250061，China；

2.Shandong Fuel Cell Power in Technology Co.，Ltd.， Jinan 250100， China；

3.School of Intelligent Transportation，Shandong Technician Institute， Jinan 250200， China；

4.Intelligent Testing and High-end Equipment of Automotive Power Systems， Shandong Province Engineering Research Center， Jinan 250357， China

Abstract：In order to improve the safety of autonomous driving test and reduce the test costs， a mechanical structure， hardware circuit and upper computer software are designed to develop a test vehicle prototype that meets the requirements of autonomous driving technology testing. The test vehicle is subjected to on-site straight and curved trajectory tracking test scenarios.The test results show that the test vehicle has low chassis and anti-collision， which can effectively protect the safety of the tested vehicle.The test vehicle control system can meet the functional requirements of trajectory control， real-time display of operating status， real-time communication， and data processing. The test vehicle can meet the testing requirements of autonomous driving technology， and the designed control system has high trajectory tracking accuracy.

Keywords：autonomous driving; test vehicle; vehicle controller; upper computer

（責(zé)任編輯：胡曉燕）