智能汽車試驗平臺的底層控制系統設計

【摘" 要】隨著計算機及人工智能技術的發展，國內外各大公司及高校都開始搭建自己的智能汽車試驗平臺。由于高校缺少智能汽車試驗平臺且大多面臨高成本等問題，文章利用車輛的配件及傳感元件設計實現一套智能汽車試驗平臺。該控制系統包括轉向與制動系統等子系統，各子系統以及底層控制器與上層控制器之間均采用CAN通信。該系統搭建成本低、設計合理、穩定性高、控制準確，為上層控制提供一個穩定可靠的試驗與研究平臺，對今后智能駕駛技術的研究具有重要意義。

【關鍵詞】智能汽車；底層控制；CAN通信；車輛裝配

中圖分類號：U463.6" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（2025）03-0014-04

Design of the Bottom Control System of the Intelligent Vehicle Experimental Platform

【Abstract】With the development of computer and artificial intelligence technology，major companies and universities at home and abroad have begun to build their own intelligent vehicle experiment platform.Due to the lack of intelligent vehicle experimental platform in colleges and universities and most of them are faced with high costs and other problems，this paper uses vehicle accessories and sensing components to design and implement a set of intelligent vehicle experimental platform.The control system includes steering system，braking system，speed system and other subsystems，and each subsystem as well as the bottom controller and the upper controller adopt CAN communication.The system has the advantages of low construction cost，reasonable design，high stability and accurate control，which provides a reliable experimental and research platform for upper control，and has important significance for the future research of unmanned driving technology.

【Key words】smart car；bottom control；the CAN communication；vehicle assembly

0" 引言

隨著互聯網技術的發展，汽車的發展方向越來越趨于智能化，智能駕駛技術的研究變成了一個熱門的領域，因此各大高校及企業紛紛涉足該領域并搭建了試驗平臺。智能車可以分為環境感知、路徑規劃、決策控制和底層控制4個模塊，其中底層控制的準確以及響應速度尤為重要。

智能汽車的底層控制系統是實現智能駕駛穩定性控制的基礎[1]，它可以接收上層工控機的控制信號，經過信號解析，準確地下發指令（如自動制動[2]、自動轉向[3]等）到各執行機構。若由真實車輛改裝而成，造價成本較高。若用循跡小車則試驗平臺過小[4]，不能模仿真實的汽車行駛情況。

本文綜合考慮智能車平臺的搭建成本、指令下發速度、控制精度、穩定性和可延展性以及接近真實汽車等因素，設計實現一種智能汽車試驗平臺。該試驗平臺包含了真實汽車的大部分元件，可以很好地模擬車輛的真實情況并且成本較低，也可以添加各種傳感器元件，例如激光雷達、雙目相機、超聲波雷達進行算法方面[5]以及路徑規劃和路徑跟蹤[6]等智能駕駛[7]方面的研究。

1" 系統總體方案設計

1.1" 整車控制硬件

智能車底層控制選擇DSP為主控芯片。整車主要組件包括2個800W的輪轂電機、48V鋰電池、轉向電機、直流電動推桿、轉角傳感器和輪轂電機控制器等。硬件平臺主要組件見表1。

1.2" 整車控制

智能汽車底層控制分為縱向控制和橫向控制。其中縱向控制指對智能汽車的速度進行控制，橫向控制指對智能汽車的轉向進行控制[8]。

整車控制系統框架如圖1所示，整車控制器VCU下發制動指令到制動控制板，制動控制板控制直流電動推桿工作進行制動。VCU整合轉向電機后端的轉向傳感器反饋指令與目標轉角后下發指令到EPS（轉向控制器），EPS控制轉向電機轉向。整車速度控制采用經典的PID控制，VCU整合編碼器的反饋值與目標車速后下發指令到MCU（輪轂電機控制器），MCU控制輪轂電機工作。整車48V用電直接由鋰電池供電，整車12V用電由48V電池經DC-DC轉換而來。為了防止緊急情況發生，智能汽車整車控制器上加裝了遙控器接收板，可以在緊急狀況切換到人工駕駛模式。

智能汽車包括圖1所示的控制系統框架，具備智能駕駛研究中的一系列基本要求，如制動控制、線控轉向、擋位變換。該試驗平臺模擬真實車輛情況，實用性較好，可以解決一部分高校因資金不足使用虛擬仿真平臺或硬件在環不能達到真實效果的問題。

2" 底層控制子系統設計

底層控制系統包括轉向控制系統、制動控制系統、速度控制系統和擋位控制系統。通過在MATLAB/Simulink的Stateflow中搭建控制邏輯，搭建控制模型后轉成C代碼，經USB轉CAN燒錄到整車控制器中實現整車控制。

2.1" 轉向控制設計

智能汽車是一個高度非線性和參數不確定性的復雜系統，所以其橫向控制具有一定的難度，尤其在一些復雜的路況下[9]。控制理論的發展也帶動著智能汽車的發展，智能汽車的橫向控制從經典的PID控制、單一的調節裝置發展到了傳遞函數的經典控制，然后發展到狀態空間模型的現代化控制，目前正在使用的是比較復雜的智能控制。所以智能汽車的橫向控制也是智能車控制領域的重要研究方向，同時，橫向控制作為底層控制系統，其性能的好壞對智能車輛行為控制起著決定性的作用[10]。本文設計的底層控制的轉向系統是實現智能汽車橫向控制的前提。

目前由于大多數試驗平臺較小，所以一般選擇的是兩輪差速進行轉向。兩輪差速轉向控制實現起來較為簡單，但是與真實車輛的前橋轉向方式大為不同，所以不能很好地反映真實的轉向情況。本文設計的智能汽車采用阿克曼轉向，可以實現線控轉向，圖2為齒輪齒條轉向機構及總成，與傳統的轉向方式相同，并且在轉向電機后端加裝了霍爾傳感器，實時掌握智能汽車轉向狀態以實現閉環控制。

轉向控制邏輯如圖3所示，為了給智能汽車研究做好接口，分別預留了網關指令接口、智能駕駛上位機控制指令接口、硬件接口以及車身自身的轉向接口。由于安全問題，車速大小對轉角大小的影響因素也添加到了轉角控制邏輯中。

2.2" 制動控制設計

制動控制的快速準確響應是安全問題的關鍵。為提高智能車的自動制動系統的性能及可靠性，本文設計的制動系統采用液壓碟剎制動。當整車控制器VCU接收到控制指令后下發給制動控制板，制動控制板接收到輸出方向開關量時，制動電機控制直流電動推桿向制動主缸中的液壓油施加壓力，液壓油通過管道將壓力傳到2個車輪制動卡鉗的活塞上，活塞驅動制動卡鉗夾緊制動盤，從而產生巨大的摩擦力令智能汽車制動。

制動控制邏輯如圖4所示，制動可分為3種情況。第1種為行車制動或上位機下發指令制動，第2種是駐車制動，第3種是緊急制動。

2.3" 速度控制設計

智能汽車整車驅動系統可以分為兩部分，即輪轂電機和輪轂電機控制系統，它們之間通過CAN通信。智能汽車的目標速度值和擋位信號傳遞給整車控制器VCU，對轉矩進行計算后輸出轉矩信息。VCU中的轉矩信息通過CAN通信傳遞給輪轂電機控制器MCU，MCU得到相應的信號后經過處理后下發指令到執行機構（輪轂電機）。為了減小智能汽車的車速目標值與實際值的誤差，選擇增量式光電編碼器作為智能汽車的速度編碼器來測量智能汽車的實時速度，以此來實現閉環控制。MCU把測量得到的車速值反饋給VCU，VCU根據反饋值與目標車速的差值實現對驅動電機的精準控制。

圖5為速度控制原理示意圖，圖6為速度控制邏輯，上位機下發速度指令（智能車目標速度）。目標速度的影響因素包括轉角、電量等，當目標速度傳遞到轉矩計算模塊時，如圖7所示，轉矩控制邏輯根據目標速度經過PID控制器輸出轉矩。在轉矩控制模式下，MCU控制接收VCU傳遞過來的輪轂電機輸出轉矩值、電機運行方向、電機運行模式等信息。而MCU可以在輪轂電機控制系統正常工作時把智能汽車的狀態信息及故障信息，如控制器掉線問題，回傳給VCU。可以通過USB轉CAN在PC端看到智能汽車電機及控制系統報文信息（電機轉矩、電機轉速、電機工作電壓、電機工作電流、直流電壓故障等）。

2.4" 擋位控制設計

擋位之間切換平順，邏輯嚴謹對智能車行駛安全也是十分重要的。本文擋位設計中，GearCmd=1時為前進擋（D擋），GearCmd=2時為空擋（N擋），GearCmd=3時為后退擋（R擋）。D擋與R擋主要用于控制汽車的前行方向，N擋控制汽車的隨動。

本塊控制邏輯在Stateflow中編寫，未啟動之前，智能汽車擋位一直保持為N擋，啟動之后進行相應的擋位解析。切換駕駛模式時，先將擋位切換到該模式下的N擋，然后進行相應的擋位解析。從N擋向D擋切換時，或從N擋向R擋切換時，需待電機轉速降至100r/min之后再進行切換。D擋和R擋之間直接切換時，系統將擋位先保持在N擋，待符合上述切換條件時再進行擋位的切換。

3" 各系統試驗結果及分析

為了測試底層控制系統的各個模塊響應速度及各種性能，本文使用C++編寫上位機控制界面，可以通過操控界面下發指令給底層控制系統來測試智能汽車各控制系統的性能，如圖8所示。

3.1" 轉向控制系統試驗

智能汽車轉向電機為直流有刷轉向管柱型，方向機選擇齒條。經測試轉向執行系統平均速率為14°/s，執行系統在0°～6°時超調角度為2°，在6°～66°時超調角度為2°，執行系統響應延遲為0.5s，執行系統穩態誤差為2°，執行系統穩態誤差上限值為3°。

3.2" 制動控制系統試驗

智能汽車制動系統為液壓抱閘，制動控制系統響應延時為20ms，建壓時間為0.5s，制動方式采用液壓制動聯合輪轂電機動力反拖，可以實現快速制動。最大制動力時的整車減速度為0.05g。

3.3" 速度控制系統試驗

智能汽車的驅動電機選擇2個800W的永磁同步輪轂電機進行獨立控制。驅動電機系統轉速控制精度為0.1r/min，驅動電機系統轉矩控制精度為0.2N·m，電機系統轉速響應時間為0.4s，電機系統轉矩響應時間為20ms，電機系統轉速上升時間為8s，電機系統轉矩上升時間為6s。經測試，智能汽車在平地以及上下坡均可快速到達目標速度且實際速度與目標速度誤差在0.05m/s內。

3.4" 擋位控制系統試驗

經測試，智能汽車擋位系統經過連續加減速疊加或抵消，可以在智能車底盤系統報文上看到擋位切換平順，響應迅速。

經過以上智能汽車各子系統的測試可以看出，各個子系統對上位機的下發指令可以做出快速的響應以及精準的執行，可以滿足智能駕駛方面的研究。通過后期對智能汽車上層模塊的完善，已經完成了整個智能汽車試驗平臺的搭建。經測試，該試驗平臺可以完成智能駕駛的自動路徑規劃以及準確跟蹤規劃的軌跡到達目標點。

4" 結論

本文綜合考慮了各種因素，包括設計的難度、搭建費用、智能車性能以及可靠性等方面，設計并搭建了智能汽車試驗平臺的底層控制系統。經過測試，本系統可以準確執行上位機下發的加減速、制動、轉向等指令，并且執行延遲較低，且沒有使用真實車輛改裝，搭建成本較低。

參考文獻

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