基于轉鼓/制動試驗平臺的自動駕駛整車在環虛擬仿真測試系統設計

【摘要】為實現轉向條件下自動駕駛車輛的功能測試，設計了一種整車在環虛擬仿真測試系統，在傳統轉鼓/制動試驗臺的前軸輥筒組上增加由線性電機驅動的旋轉板實現整車行駛中最大10°的轉向功能，并結合軟件仿真技術，針對自動駕駛車輛轉向行駛時車速從80 km/h下降到20 km/h的工況進行動態制動力測試，以及車速下降到0 km/h過程的制動摩擦力測試，最后，對測試數據進行了分析驗證，結果表明，該測試系統能夠在±10°的轉向角范圍內實現自動駕駛車輛的預期制動加速度變化，并控制測試制動力精度在±5 N的范圍內，進一步驗證了該測試系統的有效性。

關鍵詞：自動駕駛 轉向功能 動態制動力測試 整車在環

中圖分類號：U467.1" "文獻標志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20240038

Design of Virtual Simulation Test System for Autonomous Vehicle

in the Loop Based on the Roll/Brake Test Stand

Tian Changqing

（Schenck Shanghai Machinery Corp. Ltd.， Shanghai 200444）

【Abstract】To test the steering function of autonomous vehicles， a vehicle in the loop virtual simulation testing system design is designed. A rotating plate driven by a linear motor is added to the front axle drum group on the traditional drum/brake testing platform to achieve a maximum 10° steering function during vehicle driving. Combined with software simulation technology， dynamic braking force testing is carried out for the speed reduction of autonomous vehicles from 80 km/h to 20 km/h during steering operation， as well as braking friction force testing during the speed reduction to 0 km/h. The test results are analyzed and verified. The analysis results indicate that the testing system can achieve the expected braking ability of autonomous vehicles within a steering angle range of ±10°， and control the testing braking force accuracy within the range of ±5 N， whitch further verifies the effectiveness of the testing system.

Key words： Autonomous driving， Steering function， Dynamic braking force test， Vehicle in the loop

【引用格式】 田常青. 基于轉鼓/制動試驗平臺的自動駕駛整車在環虛擬仿真測試系統設計[J]. 汽車工程師， 2024（7）： 18-23.

TIAN C Q. Design of Virtual Simulation Test System for Autonomous Vehicle in the Loop Based on the Roll/Brake Test Stand[J]. Automotive Engineer， 2024（7）： 18-23.

1 前言

自動駕駛車輛的功能測試主要依托試驗臺測試和道路測試。目前，傳統試驗臺無法實現車輛高速工況下轉向時的制動測試，而道路測試時車輛轉向角度不可控，且車輛在特定轉角下的制動數據難以采集，僅依靠實車道路試驗難以滿足自動駕駛車輛的測試需求。

在上述背景下，虛擬仿真測試系統仍是當下的研究熱點，王潤民等[2]搭建了整車在環虛擬仿真測試平臺，集成了試驗臺、虛擬場景和自動駕駛車輛，用于測試車輛的感知、決策等功能，并提出一種轉向隨動系統，實現了傳統轉鼓試驗臺上車輛轉向角的采集。該測試平臺轉向隨動系統依靠轉向臺的激光距離傳感器和被測車輛轉向盤上的陀螺儀實現車輛的實時轉向檢測，單片機采用模糊PID控制算法對檢測到的車輪轉角和轉向盤轉角進行處理，生成控制驅動器的符號脈沖和方向脈沖，通過控制伺服電機帶動轉向機構跟隨被測車輛的轉向而轉動。從實現目的上，這種隨動系統高度依賴激光傳感器的靈敏度，以及驅動器的反饋無滯后；從測試需求上，由于該測試系統轉向角度范圍為±1°，轉鼓組無法實現隨輪胎轉向，則無法開展需依靠電機驅動加載實現的制動摩擦力測試。

因此，本文提出一種自動駕駛整車在環虛擬仿真測試系統，在現有轉鼓試驗臺上增加可操縱輥筒組的功能，實現轉向條件下的測試，并配備額外的傳感器和驅動器進行輥筒組控制，實現不同駕駛工況均速和變速狀態下的測試，在保證仿真測試道路真實性的同時，結合仿真測試軟件中對交通環境的多樣化建模，可保證測試結果的有效性，并滿足車輛實際駕駛工況下的測試要求。

2 自動駕駛車輛仿真試驗臺集成轉向結構設計

2.1 仿真試驗臺集成轉向輥筒組結構設計

自動駕駛車輛仿真試驗臺以轉鼓/制動試驗平臺為基礎。試驗臺主要包括支撐車輪的4套轉鼓組，每套轉鼓組與一個矢量控制交流電機連接，電機由變頻器控制并以驅動或發電機模式單獨工作，一套中央控制單元監測電機獨立同步運行所需的參數（轉速、轉矩），電機間的能量交換由直流電路完成，數據傳輸通過總線系統進行。

轉鼓的轉動慣量與整車質量相匹配，使其盡可能接近實際行駛工況。通過轉鼓之間輪胎的幾何關系，即輪胎在轉鼓上的2個落點與車輪中心連線的角度關系，計算得出轉鼓組在車輛行駛方向及其反方向上提供的大部分保持力，并由此確定輪胎向轉鼓傳遞的最大驅動力。

前橋由2個單獨的輥筒組組成，安裝在同一機架上。每個輥筒組單元由一個可在x方向（車輛行駛方向）上移動的旋轉板和一個用于輥筒安裝的框架組成。

當車輛進入或駛出試驗臺時，旋轉板的旋轉及其在x方向上的移動均被阻擋，旋轉板的轉向位置通過線性編碼器檢測。如圖1所示為前軸集成轉向輥筒組結構。

2.2 仿真試驗臺集成轉向控制系統設計

保持轉鼓/制動試驗臺原有功能不變，額外配備了傳感器和執行器，可以快速可靠地控制旋轉板的旋轉運動，從而控制輥筒組的旋轉運動。輥筒組旋轉板驅動組如圖2所示，新增傳感器和執行器如下：

a. 用于檢測車輛的側向運動或者分別檢測車輪角度的傳感器；

b. 用于檢測旋轉板角度的傳感器和用于驅動旋轉板的驅動單元；

c. 用于驅動輥筒組在x方向上運動的驅動單元。

為了最大限度地減少車輛的橫向運動，必須快速檢測車輪的角度和車輛位置，并相應地控制驅動器，此外，使用集成在傳感器中的軟件評估來自點激光傳感器的測量值，計算車輪角度。仿真試驗臺的控制系統如圖3所示。

除進行常規測試外，還可以在考慮車輛轉向的情況下，進行高速行駛條件下的車輛測試。當車輛轉角達到極限時，試驗臺電機在調整輥筒組速度時產生的加速度會轉化為反向摩擦力作用于輪胎。同時，集成轉向功能的控制系統具有高度的靈活性，體現在智能驅動控制、自動化系統的通用性，以及從可能的運行模式中產生不同的測試工況和加載水平。

3 自動駕駛仿真測試過程

3.1 仿真測試系統框架結構

如圖4所示，測試系統硬件包含前軸帶轉向功能的試驗臺、計算機和顯示器。試驗臺的控制通過一套基本軟件的參數設定完成。系統和測試軟件的操作通過工業計算機、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、數據接口以及現場總線系統實現。采用x-line和Windows 10 64位操作系統實現界面操作和控制程序的開發。圖5所示為無人操作的自動駕駛車輛仿真測試系統的測試過程。

3.2 仿真測試系統測試流程

自動駕駛測試通過外部ECU與無人駕駛車輛通信，通過前軸輥筒組將車輛在試驗臺上定位，先進行直線行駛測試，再進行轉向條件下的測試。詳細步驟為：車輛進入試驗臺后，通過轉鼓組在前軸上繞z軸旋轉對其進行定位；以不同的速度直行或進行全功能測試，包括轉鼓試驗臺典型測試，如制動、加速、傳感器測試；車輛以不同速度轉向并以不同的轉向角度向前行駛。表1所示為多功能測試試驗臺的技術參數。測試系統中轉鼓組電機技術參數、電機和發電機運行曲線分別如表2、圖6所示。其中，連續工作工況是指在恒定負載下的運行時間足以達到熱穩定狀態的工況，周期運行工況是指按照由一段啟動時間、一段恒定負載運行時間、一段快速電制動時間和一段斷能停轉時間構成的固定周期運行的工況。

3.2.1 制動摩擦力測試

制動過程中，摩擦力測試流程如下：

a. 將轉鼓試驗臺加速至100 km/h（或任何其他速度）；

b. 關閉電機，使輥筒組自由運行，直到0 km/h；

c. 記錄從最大速度到靜止狀態的100個值（按照3σ取值原則）；

d. 使用記錄的速度計算摩擦力并存儲平均值；

e. 對速度取平均值；

f. 將速度和力同時存儲在“校準存儲器”中，用于操作模式下的計算校準；

g. 如果記錄中車速高于最大校準速度100 km/h，將該值作為最大校準速度；

h. 在2個存儲值之間進行插值。

以通過摩擦力校準和摩擦力測試確定的兩條曲線之間的差值作為質量標準，如允許的最大值為7 N，4個輥筒組的摩擦力曲線如圖7所示。

3.2.2 動態制動力測試

動態制動力測試流程如下：

a. 對輥筒組用不同的力加速幾次；

b. 通過安裝在逆變器上的軟件程序對測得的電機力和加速力進行比較；

c. 在校準期間記錄電機力和加速力之間的差異，并將用于試驗臺操作模式下的電機力縮放和校正；

d. 對每個軸進行力校準，可同時對2組輥筒組進行校準，以避免進給返回裝置過載；

e. 選擇車輛在轉鼓組上停止時，輪胎面落在鼓面的5個不同的轉鼓位置作為測量點，每個測量點電機加載力均從最大值開始，如3 000 N、2 000 N、1 000 N、500 N、250 N；

f. 對中間值進行線性插值；

g. 完成力校準后，在“測試”模式下記錄測量值，以便對力進行評估。

3.3 自動駕駛車輛轉向測試結果分析

車輛在不同的模塊中進行測試，由模塊自動處理，系統告知工人必要的操作和程序步驟，通過遠程控制操作各程序步驟。車輛測試完成或中止后，系統返回原位。

電機力通過加速力進行校準。加速力通過電機編碼器記錄的加速度和整個系統的已知折算質量（減少質量）計算，折算質量是一個完整輥筒組（輥筒、皮帶輪、皮帶、電機）質量慣性的測量單位，通過測量系統x-cal確定，包括所有旋轉部件（輥筒、驅動電機、齒形墊圈、齒形皮帶等）的質量減少。

因此，在校準系統的幫助下確定輥筒組的減小質量：

FInertia=mreda （1）

式中：FInertia為輥筒組質量慣性力，mred為輥筒組的折算質量，a為輥筒組的加速度。

輥筒組的折算質量通過特殊流程確定。試驗臺和測試設備x-cal熱機后進行5次重復測試，確定輥筒組折算質量的平均值，并檢查重復測試結果間的誤差。x-cal測試的重復性精度為4.5 kg。在校準過程中，將記錄不同力范圍內電機力與加速力的偏差；在運行過程中，電機力用檢測值校正，該值與速度和力無關；對于本文所述的校準，不需要扭矩測量軸。

對于動態制動力驗證，x-cal首先用恒定加速力（一般為約500 N）將試驗臺的輥筒組驅動到約80 km/h，然后向輥筒組施加恒定的減速力（一般為約300 N）。x-cal產生的力由其自身測量并與轉鼓制動測試平臺顯示的力進行比較，評估力的偏差是否在允許的范圍內。x-cal的測試精度為±5 N（測量不確定性K=2.95%的測試值在實際值的±5 N范圍內）。

力校準結果分析如圖8所示。

由圖8可知，測量摩擦力與校準摩擦力在測試過程中的力偏差在±5 N以內，符合GB 7258《機動車運行安全技術條件》中“當進行制動力檢驗時，汽車、汽車列車各車輪的阻滯力均應小于等于輪荷的10%”的要求。

圖9所示為自動駕駛條件下力校準中速度變化特性曲線，由圖9可知，在自動駕駛模式下，動態力校準中，加速度變化特性大致符合預期，并在計算值范圍內。

從試驗結果可以看出，基于轉鼓/制動試驗平臺搭建的自動駕駛車輛仿真試驗臺為自動駕駛車輛的性能測試提供了高穩定性的可控駕駛環境，實現狀態和結果的實時記錄測試，可為被測系統提供高度真實的原始數據，也證明了該整車仿真測試平臺在自動駕駛工況下測試系統的仿真效果良好。

4 結束語

本文基于轉鼓/制動試驗平臺，通過增加前軸轉鼓的轉向功能，搭建了自動駕駛車輛仿真試驗臺，提供一種車輛在真實交通環境下的自動駕駛狀態，在動態制動力校準過程中記錄電機力與加速度力間的差異，并在試驗臺操作模式下對電機力進行縮放和校正。數據分析結果驗證了該仿真測試平臺的有效性。

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（責任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2024年3月27日。