自動駕駛技術測試車控制系統設計

摘要：為提高車輛自動駕駛測試時的安全性，降低測試成本，設計機械結構、硬件電路及上位機軟件，開發一種滿足自動駕駛技術測試要求的測試車樣機，對測試車進行實地直線和曲線軌跡跟蹤試驗場景測試。試驗結果表明：該測試車底盤低、防撞擊，可以有效保護被測車輛的安全；測試車控制系統能夠滿足運行軌跡控制、運行狀態實時顯示、實時通信和數據處理等功能要求；測試車能滿足自動駕駛技術的測試要求，設計的控制系統具有較高的軌跡跟蹤精度。

關鍵詞：自動駕駛；測試車；整車控制器；上位機

中圖分類號：U467文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）05-0064-06

引用格式：潘馳，張志鵬，陳忠言，等.自動駕駛技術測試車控制系統設計［J］.內燃機與動力裝置，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

自動駕駛技術有利于提高交通安全，提高交通效率，降低環境污染，是當前汽車領域研究熱點之一^[1-3]。為了提高自動駕駛車輛的安全性，自動駕駛車輛出廠前需進行嚴格的測試驗證，測試方法包括軟件仿真測試、硬件在環測試、試驗場景測試和實車道路測試等^[4-7]。測試環節中如果直接人工駕駛車輛測試，安全風險大、測試成本高，因此國內外研究人員積極開發采用滿足自動駕駛技術測試要求的測試車進行自動駕駛測試，提高測試安全性，降低測試成本^[8-9]。

目前眾多學者圍繞滿足自動駕駛技術要求的測試車開展了相關研究：李文禮等^[10]總結了車輛先進駕駛輔助系統（advanced driving assistant system，ADAS）測試的關鍵技術，實現了盡量減小或避免被試車輛的損傷、車輛動態性能和軌跡跟蹤能力良好、測試成本較低、自我保護能力和快速修復能力較好的目的；袁琦等^[11]分析了測試車的外形結構，進行了材料選擇和牽引裝置設計，開發了一款自動駕駛技術測試車；張鵬程等^[12]基于歐洲經濟委員會（economic commission for Europe，ECE）制定的R131標準提出了3種測試車開發方案，并比較了不同方案的優、缺點；張喜濤^[13]針對自動駕駛車輛性能測試，完成了測試車的結構及軟硬件設計；高振銘等^[14]搭建了自動駕駛技術測試車，利用遠程指令實現了對測試車的姿態矯正和速度控制；楊新鵬等^[15]根據自動駕駛車輛的測試需求設計測試車，通過差分定位模塊實現了對測試車的定位和運行控制；羅慧超^[16]針對自動駕駛車輛的可靠性需求，設計了一種具有急停裝置的自動駕駛測試車。

如果自動駕駛被測車失控時與測試車發生碰撞，會造成嚴重的經濟損失。為減小碰撞損失，本文中設計一種低底盤自動駕駛測試車，開發相應的控制系統及上位機平臺軟件，通過試驗場景測試驗證了測試車及控制系統均滿足設計要求。

1 測試車樣車設計

1.1 結構設計

測試車設計包括樣車設計和電氣系統設計，測試車車框采用金屬材料，能較好地承受被測車的碾壓；測試車上部安裝仿汽車外形泡沫，并在整個泡沫上粘貼車衣，方便被測車輛識別。為保證被測車與測試車不發生結構碰撞，測試車四周設計為角度較小的斜面，斜面最低點距地面4 cm左右。被測車迅速正確反應時，可快速避讓測試車；若被測車不能迅速正確反應，會導致碰撞或其他事故發生，測試車上部的軟質泡沫不會對被測車產生撞擊，可保護被測車和測試車，降低測試成本。車體內部分割為若干安裝槽，用于安裝全球定位系統（global positioning system，GPS）接收機、數據傳輸單元（data transfer unit，DTU）、整車控制器等；安裝槽上部安裝金屬板，防止被測車碾壓測試車時損壞重要設備。GPS接收機的天線固定在測試車前、后端，2個天線的距離大于1 m，且盡量保持在同一平面。測試車電氣系統結構示意圖如圖1所示，微控制器是電氣系統的核心部件，4塊鋰電池（記為電源1、2、3、4）為整個系統供電，4個伺服電機在控制器的作用下，分別控制4個車輪的運行速度。

1.2 控制方案

測試車樣機總體控制方案如圖2所示。測試車有2種控制模式：無線遙控方式和上位機設定軌跡自動運行方式。無線遙控方式通過操縱手柄設定車輛運行軌跡，將運行控制參數轉化為脈寬調制（pulse width modulation，PWM）信號傳送給微控制器，電機控制車輛按照需求軌跡行駛。以遠程通信方式為例，上位機軟件設定軌跡自動運行方式是指微控制器通過GPS設備實時接收測試車經緯度和航向角，通過串口發送到DTU設備，DTU以無連接的用戶數據報協議（user datagram protocol，UDP）的方式將數據發送到云服務器上位機。此外，微控制器通過傳感器測量4個車輪的當前運行速度，并發送至上位機。上位機根據接收的GPS數據及輪速數據，利用軌跡跟蹤算法計算當前測試車左、右兩側車輪的目標速度，通過DTU設備將目標速度發送給微控制器，結合RS485通信方式發送控制指令給伺服電機控制器，控制左、右兩側的伺服電機轉速，使測試車沿預定軌跡行駛。

1.3 硬件設計

為了實現對測試車的控制運行，整車控制系統設計方案如圖3所示。控制系統主要電路包括電源電路、通信電路、伺服電機控制電路、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車載電源給測試車提供電源，用于驅動伺服電機運行；5 V供電電路通過直流電平轉換器（direct current-direct current converter，DC/DC）將電源電壓由24 V轉換為5 V，用于給單片機等模塊供電，并結合低壓差線性穩壓器（low dropout regulator，LDO）將電源電壓由5.0 V轉換為3.3 V，為無線模塊ESP8266供電。

通信電路包括RS232、RS485 兩種遠程方式及近程通信方式，微控制器通過RS485通信電路，實時接收測試車的經緯度和航向角，結合RS232通信方式將參數傳輸到DTU后傳送到上位機；微控制器也可通過ESP8266采用近程通信方式將數據傳輸到上位機。上位機采用軌跡跟蹤算法計算控制信號（即測試車左、右兩側車輪的速度），并通過DTU采用遠程通信或通過ESP8266采用近程通信發送至微控制器。微控制器通過輸入/輸出接口（input/output，I/O）電路改變輸出電平，控制伺服電機正反轉。伺服電機控制電路將微控制器信號通過RS485通信方式發送給伺服電機控制器，控制電機的轉速。

輸入捕獲電路用于獲取無線遙控模塊發出的PWM信號，根據PWM占空比改變左、右兩側車輪的速度和方向，通過無線遙控方式實現車輛的運行控制。

電壓采集電路用于采集車載電源電壓，單片機通過模數轉換器（analog-to-digital converter，ADC）將采集的模擬信號轉換成數字信號，判斷電池的電量，當電量過低時，發出提醒信號，防止測試車電量不足，導致試驗意外中斷。

1.4 上位機軟件及界面設計

由于軌跡跟蹤算法計算量較大，單片機運算能力有限，影響軌跡跟蹤效果，因此開發上位機，用于軌跡跟蹤算法；上位機軟件通過通信的方式獲取

微控制器上傳的運行數據并通過圖形界面實時顯示，將軌跡跟蹤算法計算結果發送至微控制器。上位機軟件主要包括實時顯示、通信方式及數據處理3大模塊，設計方案如圖4所示。實時顯示模塊顯示測試車電池電量、各車輪運行速度、平面坐標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行數據交互。數據處理模塊包括數據解析、數據保存和計算控制量3部分，數據解析將微控制器獲得的車輛位置信息（經緯度、航向角）、傳感器測得的當前速度等參數進行保存，結合軌跡跟蹤算法計算各車輪的運行速度及方向。

上位機軟件運行界面可以通過起動和停止按鈕控制測試車；測試車行駛過程中，可實時顯示車輛電量、所處位置經緯度、左右兩側車輪速度、平面坐標行駛軌跡及地圖行駛軌跡。

2 測試車實地試驗

為檢測測試車性能，進行直線和曲線軌跡實地跟蹤試驗，測試車位置及航向角為（x₁，y₁，θ），表示測試車在x軸、y軸距離初始位置的距離及車輛航向角，定義測試車初始位置和航向角為（0，0，0），設置底盤車目標速度為0.2 m/s，直線軌跡跟蹤試驗預設軌跡為y₂（y方向偏離初始位置的距離）為3.5 m，試驗跟蹤時間為50 s。曲線軌跡跟蹤試驗預設軌跡為圓心坐標為（0，3）、直徑為5 m的圓形，試驗跟蹤時間為80 s。直線、曲線軌跡跟蹤試驗結果如圖5所示。

由圖5可知：直線軌跡跟蹤試驗時，測試車約在x₁=5.08 m，y₁=3.49 m處跟蹤到預設軌跡；曲線軌跡跟蹤試驗時，測試車約在x₁=2.10 m，y₁=1.50 m處跟蹤到預設軌跡；2次試驗中，測試車跟蹤到預設軌跡后均能較為精確地沿著預設軌跡行駛。不同跟蹤軌跡的位置偏差對比曲線如圖6所示。

由圖6a）可知：測試車開始行駛后，y方向偏差迅速減小，行駛大約20 s后，y方向偏差穩定在0附近；x方向無初始偏差，但行駛大約10 s后，出現最大反向偏差，隨后偏差逐漸減小，大約5 s后，x方向偏差穩定在0附近。原因為在跟蹤試驗剛開始時，測試車左、右側的輪速都為0，由于y方向偏差較大，x方向的偏差為0，為使測試車y方向偏差盡快減小，微控制器調節測試車左、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時，前7 s測試車y方向偏差迅速減小，x方向的行駛軌跡落后于預設軌跡，x方向偏差逐漸增大；當測試車接近預設軌跡后，x方向速度增加，x軸方向偏差逐漸減小，大約第20秒時，x方向和y方向位置偏差趨近于0。

3 結論

為了降低自動駕駛車輛的測試成本和風險，本文中對測試車樣車機械機構及控制系統進行設計，并通過實地跟蹤試驗場景測試，驗證車輛性能。

1）設計的測試車底盤低，車身四周為斜面結構，當被測車輛失控時，可以有效減小被測車輛的碰撞風險，降低測試成本。

2）根據測試車功能需求，確定了控制器硬件方案，實現了測試車行駛控制、實時通信等功能；開發了上位機軟件，設計了實時顯示模塊、通信模塊、數據處理模塊，實現了軌跡跟蹤算法運行、測試車運行數據實時展示和保存等功能。

3）測試車能快速、準確跟蹤預設直線軌跡和曲線軌跡，滿足自動駕駛技術測試要求。

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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

（責任編輯：胡曉燕）