智能實驗汽車執行機構的設計*

管 欣,崔文鋒,賈 鑫,洪 峰,陳永尚

(吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

2016211

智能實驗汽車執行機構的設計*

管 欣,崔文鋒,賈 鑫,洪 峰,陳永尚

(吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

針對在量產車基礎上增加執行機構改裝成的具有自主駕駛功能的智能汽車，提出執行機構的功能要求，并為各輔助操控機構設計了一整套解決方案。采用MicroAutoBox作為執行控制器，以實現執行機構的集成。針對制動系統的強非線性，提出了基于壓力外環的主缸壓力控制策略。基于LabWindows開發了智能車遠程監控界面。實驗結果表明，所設計的執行機構精度較高、響應較快、功能全面，能較好地滿足智能汽車實驗要求。

智能車；執行機構；主缸壓力控制；遠程監控

前言

在智能汽車技術研究中，開展實車實驗是驗證感知系統和控制策略的重要手段。當前智能車技術還處在研究階段，市場上還沒有能夠直接用于研究智能駕駛的車輛。因此，基于普通量產車加裝執行機構，實現自主駕駛是一個重要途徑。執行機構作為智能駕駛系統決策得出目標控制量的最終執行者，其執行效果直接影響整體性能，是實現智能駕駛的關鍵技術之一[1]。

目前，多數關于智能車的研究都將重點放在感知和控制策略上，對執行機構及其性能研究較少。文獻[2]中實施了油門、制動、方向和擋位的控制，利用EPS助力電機實現轉向的控制，但該電機提供的轉向力矩有限，不滿足所有工況的轉向需求。文獻[3]中提出了包括燈光和喇叭等在內的整套改裝方案，但方案占用駕駛室空間較大，存在加裝的轉向機構逆效率低的問題。國外對智能車研究較為深入，多采用合作方式，整車廠開放控制接口，由原車的ECU和執行器等實現自主駕駛。國內近年也出現校企聯合研究智能車的實例[4]，但普及率不高。在汽車場地實驗用駕駛機器人領域，也有實現無人駕駛的駕駛機器人[5]，這類系統控制精度高，但多采用在駕駛室安裝的方案，占用空間大，且控制機構少。

本文中針對基于量產車改裝成智能車這一思路，提出執行機構的功能需求，進而對汽車各個操控機構設計了一套完整解決方案。采用MicroAutoBox作為執行控制器，實現了執行機構的集成。針對汽車制動系統的強非線性，提出了制動執行機構基于位置內環主缸壓力外環的控制策略。為對智能車進行監控和實驗，開發了一套用于遠程監視和控制介入的監控界面程序。實驗結果表明，所設計的執行機構滿足功能需求，具有較高控制精度和響應速度。

1 功能定義與總體方案

1.1 執行機構功能定義

智能駕駛技術要求執行機構具備以下功能。

系統獨立：執行機構是不依賴上層控制器而能實時獨立運行的系統，不會因上層控制系統的故障而失效。

功能完備：能夠實現對車輛各個必要操縱系統的改裝，實現完備的控制，滿足各種智能駕駛實驗需求。

接口開放：能對上層控制器開放接口和協議，并允許對系統進行配置，如只研究縱向控制時可以關閉對方向的控制。

高性能：對車輛操控效果有關鍵影響的系統，執行機構要具有較高的控制精度和響應速度，如轉向和制動的控制，既要快速又要準確。

安全可靠：加裝的執行機構對原車性能影響要小，不能降低車輛可靠性；執行機構要有多套急停裝置，且能實施遠程遙控急停。

人機協調：改裝后的車輛，既要能實施自主駕駛，也要保留正常駕駛功能；自主駕駛時，執行機構要能識別駕駛員操作并允許駕駛員隨時介入對汽車的控制；執行機構占用駕駛室空間要小，不妨礙人的正常操作，同時兼顧美觀。

1.2 執行機構總體方案

基于以上需求分析，設計的智能車執行機構總體方案如圖1所示。

采用MicroAutoBox作為執行控制器，它具有接口多、運行實時和開發方便的特點，可以直接把Simulink模型生成實時代碼下載到控制器中運行。執行控制器與上位機通過以太網通信。各個執行子系統分別通過電機或電路實現，它們通過CAN總線或IO接口與MicroAutoBox相連。為實現正常駕駛與自主駕駛模式的切換，加入了切換開關。為保證安全，在車內外布置了多個急停開關。為從車外對智能車進行操控介入和急停，加入了遙控器。為實施遠程監控，加入了4G模塊并開發了遠程監控軟件，通過互聯網和中心服務器，實現遠程監控計算機與自主車的實時通信。為利用車輛本身的傳感信息和狀態信息，將車載CAN總線接到執行控制器中。

圖1 執行機構總體架構

執行機構提供了駕駛員手動駕駛、自主駕駛、遙控駕駛和監控平臺遠程控制4種模式。不同模式優先級不同，自主駕駛模式優先級最低，可以隨時切換到其它駕駛模式，以保證安全。

2 執行機構子系統

2.1 轉向子系統

轉向執行機構實施對車輛的方向控制，對機構響應速度和控制精度要求高。文獻[5]中提到的ABD轉向機器人采用轉矩電機不加減速機構直接控制轉向盤，這種設計對原車結構和性能影響最小，但安裝復雜，占用空間大。本文中設計出利用空心軸轉矩電機直接驅動轉向柱的方案。電機套裝在轉向柱末端，安裝狀況如圖2所示。由于沒有傳動機構，不存在逆效率問題和傳動間隙問題，具有最佳的控制效果。同時不占用駕駛空間，不影響駕駛員的操作。所選擇的轉矩電機能夠提供最大10N·m的轉矩，滿足控制需求。

圖2 轉向機構安裝狀況

電機控制采用基于位置環、速度環和電流環的串級控制方式[6]，位置環采用比例控制，速度環和電流環采用PI控制。控制器通過CANopen與執行控制器進行通信。對控制效果進行實驗驗證，給定轉角輸入為60°階躍信號時的響應效果如圖3所示。從圖中可以看出，所設計的轉向執行機構可以快速、精確地響應目標指令，經約100ms即可達到目標位置，穩態誤差為零，可滿足智能駕駛對制動執行機構的需求。

2.2 制動子系統

制動執行機構對于保證安全起關鍵作用。因此要求制動執行機構可靠性高，系統能提供最大的制動力滿足緊急制動的需求，加裝的執行機構不能影響原車制動系統性能，且要保證駕駛員可隨時介入對制動系統的控制，實現緊急停車。

文獻[7]～文獻[9]中提出用電子真空助力器(EVB)施加制動的方案。但EVB響應較慢，且存在較大非線性，不能滿足對制動響應速度的要求。文獻[10]和文獻[11]中提出一種利用電磁閥控制的液壓執行機構。這種機構占用空間小，但對原車制動系統做出了較大的改動，不利于原車制動系統的可靠性和安全性。文獻[12]中提出利用電機帶動繞線器拉動制動踏板的方案，但占用駕駛室空間。

圖4 制動執行機構示意圖

本文中分析了制動系統模型，提出用電動缸通過拉線拉動制動踏板施加制動控制，并通過主缸壓力反饋形成控制閉環的方案。電動缸安裝在車輛地板下方，通過滑輪改變拉線方向最終拉動制動踏板，如圖4所示。該方案不占用駕駛室空間，在制動主缸與ESP控制器之間安裝壓力傳感器以采集主缸壓力。拉線采用軟質鋼絲，在自主駕駛時，駕駛員可隨時介入制動控制。

2.2.1 制動系統模型

制動力矩與制動壓力成正比[13]，即

Tb=Kbpw,des

(1)

式中：Tb為制動力矩；Kb為比例系數；pw,des為目標制動壓力。

忽略輪缸的非線性和動態特性，以及制動管路的特性，可認為在低頻下，制動主缸壓力等于制動壓力，即

(2)

式中pmc,des為主缸壓力。

不考慮制動踏板回位彈簧的影響時，可將制動踏板簡化成杠桿模型，即

Fp=FbL1/L3

(3)

式中：Fp為真空助力器控制閥推桿推力；Fb為制動踏板力；L1為踏板輸入力到支點的距離；L3為真空助力器控制閥推桿到支點距離。

真空助力器控制閥推桿位移與控制閥推桿推力的關系[14]為

(4)

式中：x為真空助力器控制閥推桿位移；xvb_free為真空助力的空行程；Fcut_in為始動力；Fvb_first為真空助力控制閥推桿回位彈簧預緊力。

圖5 制動踏板力和主缸壓力與踏板位移的關系曲線

由于真空助力器存在較強的遲滯特性[15]，使制動踏板位移與制動踏板力之間也存在遲滯特性，實驗測得該對應關系如圖5(a)所示。這種特性使得控制難度增大，普通控制器無法取得較好的控制效果，而實驗發現踏板位移與制動主缸壓力之間的關系比較接近單調特性，如圖5(b)所示。

2.2.2 制動控制策略

為給上層控制器提供一個線性被控對象，根據式(2)，選擇制動主缸壓力為閉環控制對象。根據圖5(b)所示主缸壓力與踏板位置之間的單調函數關系，采用主缸壓力閉環包容位置環的串級控制結構[16]。控制器結構如圖6所示。

圖6 制動執行機構控制器結構

控制器輸入為目標主缸壓力，主缸壓力控制器采用PID控制，控制器輸出為制動踏板速度，經過積分變成目標踏板位置。位置控制器及其內部采用與轉向執行機構相同的三環控制方法。

對制動執行機構性能進行實驗驗證，用階躍信號作為制動執行機構的輸入,通過對比期望壓力與實際制動壓力來驗證輔助制動系統性能。圖7為實驗結果曲線。由圖可見，制動執行機構可快速、精確地響應制動指令,大約100ms即可達到目標壓力，200ms即可穩定，穩態誤差為零，可滿足智能駕駛對制動執行機構的需求。

圖7 主缸壓力階躍響應曲線

2.3 油門子系統

改裝的SUV使用電子節氣門，它傳給發動機的信號是與踏板位移呈線性關系的兩路模擬電壓信號。據此特性，只要能提供適當模擬電壓給發動機ECU即可實現對油門的控制。文獻[17]中提出一種用單片機模擬踏板位移量的方案，但該方案未考慮保留原車電子節氣門正常駕駛功能。本文中采用在加速踏板位置傳感器輸出端與發動機ECU之間增加多路切換器的方案，如圖8所示。

圖8 油門執行電路示意圖

當使能端為高電平時，油門執行電路的多路切換器切換到執行控制器模擬電壓輸出端口，執行控制器改變電壓值相當于改變加速踏板位移，因此可實現自主駕駛。使能端為低電平或執行機構不工作時，多路切換器切換到加速踏板輸出端，此時為手動駕駛模式。

采用電壓比較器作為邏輯部件，它采集加速踏板輸出信號，當檢測到踏板被踩下時，邏輯組件將多路切換器切換到加速踏板傳感器一端，實現駕駛員控制的介入。

2.4 換擋執行機構

因SUV采用自動變速器，且擋桿只做一個方向推拉運動，故通過步進電機帶動曲柄連桿與擋桿構成四連桿機構實現擋位的控制，如圖9所示。為了美觀和不占用駕駛室空間，執行機構安裝在中央扶手箱的杯座下方空間中，而杯座則改裝成電源和USB接口的插座，從駕駛室看不到換擋機構的存在。由于步進電機不經減速器直接帶動換擋手柄，所以逆效率高，不影響駕駛員的換擋操作。

圖9 換擋執行機構

2.5 輔助操控機構

所改裝的SUV采用無鑰匙起動系統，駐車制動系統為電子駐車。它們操作按鈕內部電路都是簡單的開關結構。因此通過在原車線束上并聯繼電器，由執行控制器通過DO信號即可實現對點火和駐車制動的控制。同理，電子駐車、轉向燈、喇叭、雙閃和遠近閃光的控制也都是通過類似的方式在控制電路上關聯繼電器實現無人控制。

3 遠程監控平臺

監控平臺主要實現車輛遠程控制介入、狀態實時監視和數據記錄等功能[18]。本文中采用LabWindows軟件開發控制界面程序，如圖10所示。該程序能實現模式選擇、車輛信息顯示、遠程急停和遠程控制功能。該程序與執行控制器之間通過固定IP的中心服務器中轉數據，實現無人車與遠程監控平臺的通信[19]。

圖10 遠程監控界面

4 總體控制策略

在Simulink下開發了執行機構的總體控制程序。通過RTI模塊實現網絡通信、CAN通信和IO控制。通過StateFlow實現不同控制模式之間的切換控制和急停控制，切換邏輯如圖11所示。

圖11 駕駛模式切換邏輯

5 結論

本文中在量產汽車的基礎上改裝成可自主駕駛的智能汽車實驗平臺，分析了執行機構的功能需求，并提出一套完整的解決方案。

所有加裝機構均不影響車輛正常駕駛，也不占用駕駛室空間，并全部實現隱蔽安裝，看不出改裝痕跡。

針對制動系統存在強非線性和遲滯特性的特點，提出基于主缸壓力外環、位置內環的控制結構。對智能駕駛系統來說，制動系統變成一個線性被控對象，簡化了上層控制的復雜度。

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Design of Actuators for Experimental Intelligent Vehicle

Guan Xin, Cui Wenfeng, Jia Xin, Hong Feng & Chen Yongshang

JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130022

The functional requirements of actuators are proposed for an intelligent vehicle with autonomous driving function retrofitted by adding actuators on a mass-produced vehicle, and a complete set of solving scheme for all auxiliary handling mechanisms is designed. MicroAutoBox is used as actuator controller to fulfill the integration of actuators. In view of the strong nonlinearity of brake system, a control strategy for master cylinder pressure is put forward based on pressured outer ring, and a remote monitoring interface for intelligent vehicle is developed based on LabWindows. The results of experiments show that the actuators designed have higher accuracy, quicker response and all-around functions and can better meet the requirements of intelligent vehicle experiments.

intelligent vehicle; actuators; master cylinder pressure control; remote monitoring

*教育部長江學者和創新團隊發展計劃(IRT0626)資助。

原稿收到日期為2016年3月30日，修改稿收到日期為2016年6月6日。