無人駕駛車輛自動轉(zhuǎn)向控制探究

黃琦 黃珊 楊雷

1.河北省秦皇島市海港區(qū)燕山大學 河北省秦皇島市 066004 2.奧特貝睿(天津)科技有限公司 天津市 300399

對于當前無人自動駕駛控制而言，自動轉(zhuǎn)向是其關(guān)鍵技術(shù)，所以，研究無人駕駛車輛自動轉(zhuǎn)向控制技術(shù)，對于后續(xù)的研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1 自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述

1.1 結(jié)構(gòu)組成

針對汽車自動轉(zhuǎn)向機構(gòu)與控制系統(tǒng)的實際應用，主要是基于整車模型以及減速機構(gòu)、轉(zhuǎn)向軸、雙行星齒輪等構(gòu)成的，其自動轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)具體見下圖1所示。

1.2 結(jié)構(gòu)與原理

自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對于汽車轉(zhuǎn)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(qū)動轉(zhuǎn)移，充分滿足轉(zhuǎn)向要求，從而取代人的控制。與其實際的結(jié)構(gòu)相互結(jié)合分析，具體見圖2所示。

2 無人駕駛車輛自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)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(zhuǎn)向控制系統(tǒng)進行檢驗、分析時，可以通過Matlab實現(xiàn)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(zhuǎn)彎，車輛從A點出發(fā)，在經(jīng)過110°、70°、90°差異化轉(zhuǎn)向之后最終達到終點，通過車輛模型的調(diào)整及控制，有針對性地對方向盤進行控制，實現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)動角度的調(diào)整。方向盤最大的速度調(diào)整值是360°/s。針對前輪轉(zhuǎn)角應將其控制在±40°以內(nèi)，針對方向盤調(diào)整轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向控制系統(tǒng)都可以實現(xiàn)準確的轉(zhuǎn)向，這樣也可以滿足預期的歸集運動與控制要求[2]。

圖1 自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)框架

2.2 實車實驗及結(jié)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(zhuǎn)向控制系統(tǒng)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(tài)進行檢驗，不過要以其可用性為基礎(chǔ)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(guī)控制器，B車選擇自動換向控制系統(tǒng)。A車選擇固定的路線進行自動轉(zhuǎn)向、行駛，而B車要根據(jù)算法優(yōu)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(tǒng)總線、主控制器以及道路環(huán)境等為基礎(chǔ)進行。

2.2.2 實驗控制系統(tǒng)

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(zhuǎn)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(wěn)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?cè)藛T模擬的轉(zhuǎn)向控制設計。第二，基于汽車橫向運動力學模型來調(diào)整橫向控制。在實際應用環(huán)節(jié)，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(xiàn)控制，從而有效控制數(shù)據(jù)信息，同時實現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制。此次應用自動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)時以路線的規(guī)劃、設計、調(diào)整等為基礎(chǔ)，根據(jù)車輛的狀態(tài)測量以及轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向控制算法應用的角度去分析，就可以掌握車輛自動轉(zhuǎn)動控制與數(shù)據(jù)通信，并且促進數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)測量等檢驗與分析的實現(xiàn)。控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)通信，轉(zhuǎn)向主控計算機和執(zhí)行機構(gòu)、車輛系統(tǒng)則要通過CAN總線完成數(shù)據(jù)通信。在分析和檢驗的過程中，利用完善的通信控制狀態(tài)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(jié)果對比分析

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

對于初步測試而言，自動轉(zhuǎn)向控制B車的行駛比較穩(wěn)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(jié)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(nèi)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(xiàn)在兩車道之間，然而不能成功向內(nèi)車道并入。因此，在識別換道狀態(tài)以后，車輛始終不能換道，需要主動補償方向盤轉(zhuǎn)角，直到車輛換道的實現(xiàn)。利用試驗驗證，發(fā)現(xiàn)該算法能夠滿足高速急彎行駛要求，保證車輛安全實現(xiàn)向內(nèi)換道。

在經(jīng)過后續(xù)的蛇形工況與雙移線工況的運行結(jié)果分析之后，基于質(zhì)心側(cè)偏角、轉(zhuǎn)角、橫擺角度作為對應的指標，在轉(zhuǎn)向精度提高的同時，就可以提升車輛的側(cè)向穩(wěn)定性，最終滿足自動轉(zhuǎn)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(chǔ)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。

圖3 大眾帕薩特的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)

圖4 實驗道路

通過試驗車運行路線的分析，B車能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定行駛，而A車在轉(zhuǎn)角位置上出現(xiàn)了便宜。所以，安全就是無人駕駛車輛是否成功的關(guān)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(zhuǎn)向控制系統(tǒng)是可用的，并且也具有一定的效果。

3 結(jié)語

總而言之，基于無人駕駛車輛自動轉(zhuǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)向控制要求，更好的服務后續(xù)的研究。