無人駕駛新能源汽車轉(zhuǎn)向制動(dòng)避障控制策略設(shè)計(jì)及試驗(yàn)*

劉存香 劉學(xué)軍 林土淦 陳健健 黃文光

（1-江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212013 2-廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 3-廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 4-南寧市第四職業(yè)技術(shù)學(xué)校 5-廣西機(jī)電工程學(xué)校）

引言

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的蓬勃發(fā)展，推動(dòng)交通運(yùn)輸以信息化與智能化深度融合，使運(yùn)輸服務(wù)更加富有個(gè)性化和人性化，使交通運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)行模式、管理方式，乃至社會(huì)治理模式都將產(chǎn)生巨大的變革。

未來交通的三個(gè)革命就是汽車的電動(dòng)化、駕駛的自動(dòng)化和出行方式的共享化。物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等信息物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使得信息繞過人類，成為一個(gè)獨(dú)立于物理空間、社會(huì)空間之外的信息空間，交通將進(jìn)入三元空間時(shí)代，自動(dòng)駕駛將很大程度促進(jìn)智能車路系統(tǒng)應(yīng)用，大幅度提高交通運(yùn)輸服務(wù)的效率，服務(wù)的品質(zhì)和管理的效能。車路協(xié)同-無人駕駛的應(yīng)用，將降低交通事故發(fā)生率、緩解交通擁堵問題、降低駕駛員駕駛疲勞。

在國外，2019 年4 月，博世公司針對無人駕駛汽車開發(fā)了PEBS 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車輛處于無人駕駛狀態(tài)下緊急制動(dòng)[1]；韓國現(xiàn)代汽車表示，到2025 年，現(xiàn)代旗下所有車型都可搭載L2 和L3 級制動(dòng)駕駛系統(tǒng)，以及可用于泊車的高級駕駛員輔助系統(tǒng)ADAS[2]。保時(shí)捷公司在2019 年12 月4 日表示，將對公司開發(fā)的無人駕駛車輛的召喚功能以及autopilot 功能進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明，車主可以借助這個(gè)功能在離車60 m 范圍內(nèi)，通過手機(jī)APP 使汽車自動(dòng)駕駛到司機(jī)面前。

在國內(nèi)，陳丁等人提出了一種采用距離欺騙干擾的評估方法，結(jié)合一種波形編輯軟件，研制出了一種可產(chǎn)生含有虛假距離信息的欺騙干擾信號的試驗(yàn)平臺(tái)[3]。吉林大學(xué)夏海鵬針對改進(jìn)RRT 算法的無人駕駛車輛開展了路徑規(guī)劃方法的研究[4]。東南大學(xué)李曉凡針對全自動(dòng)無人駕駛汽車人機(jī)界面概念開展了設(shè)計(jì)工作[5]。國內(nèi)外無論從公司、研究院到高等學(xué)校都有研發(fā)工程師、研究員對無人駕駛的部分關(guān)鍵技術(shù)開展研究。國外公司通過安裝ACC、ADAS 等裝置部分實(shí)現(xiàn)了無人駕駛的功能，但距離L4 級無人駕駛汽車還有很大差距。而國內(nèi)研究更多聚焦在仿真研究，或是結(jié)合地理信息系統(tǒng)進(jìn)行路徑規(guī)劃工作。

無人駕駛新能源汽車從車身設(shè)計(jì)、策略設(shè)計(jì)等需要統(tǒng)籌考慮，只針對某一個(gè)技術(shù)開展研究將導(dǎo)致臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果和道路試驗(yàn)結(jié)果存在很大差異。為此，在設(shè)計(jì)無人駕駛新能源汽車整車的基礎(chǔ)上，研究控制策略是無人駕駛汽車推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

1 UNEV 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1a 和圖1b 所示為設(shè)計(jì)的UNEV 結(jié)構(gòu)圖，該車車身長2 200 mm，寬度1 100 mm，高度1 340 mm；輪胎前外徑350 mm，前內(nèi)徑220 mm，后外徑350 mm，后內(nèi)徑220 mm，軸距1 180 mm，前輪距740 mm，后輪距740 mm；離地間隙110 mm；車重100 kg；滿載質(zhì)量200 kg；轉(zhuǎn)向方式為電動(dòng)助力，轉(zhuǎn)向電機(jī)采用傳統(tǒng)齒條齒輪式結(jié)構(gòu)；前后橋采用后輪驅(qū)動(dòng)，前橋轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)；采用電磁制動(dòng)方式，輪邊線圈為四組，每組線圈為400 匝；采用5 節(jié)12 V 鉛酸電池組，電池容量為20 Ah；采用激光雷達(dá)進(jìn)行路面識別。UNEV 其余參數(shù)為：轉(zhuǎn)向電機(jī)額定電壓：12 V，最大輸出電流10 A，額定功率為100 W；控制器最大輸出電壓：60 V，最大輸出電流：85 A 功率：1 500 W；轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號和參數(shù)：電壓：48V，電流：32A，功率：1500W；轉(zhuǎn)向控制器芯片采用STM32。

圖1 UNEV

圖2 所示為UNEV 控制系統(tǒng)原理圖，由控制器模塊、信號模塊及執(zhí)行器等組成?？刂破髂KECU由32 位處理器STM32、信號調(diào)理電路、脈寬調(diào)節(jié)電路、信號調(diào)理電路組成；激光雷達(dá)信號、車速信號、輪速信號以及節(jié)氣門位置信號等經(jīng)信號調(diào)理電路輸入處理器，處理器根據(jù)各路信號計(jì)算出與前方障礙物距離、當(dāng)前汽車行駛車速等關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)相應(yīng)控制策略做出判斷后，輸出控制信號，并經(jīng)脈寬調(diào)節(jié)電路控制電磁制動(dòng)器線圈以及方向盤舵機(jī)等執(zhí)行器工作。

圖2 UNEV 控制系統(tǒng)原理圖

行駛過程中，UNEV 有兩種控制模式，即：駕駛員控制模式和無人駕駛模式。

當(dāng)駕駛員將手置于方向盤時(shí)，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)方向盤的力矩將反饋到方向盤力矩傳感器中，力矩傳感器識別到當(dāng)前狀態(tài)為駕駛員控制模式，并將信號反饋給控制器模塊，UNEV 將不對執(zhí)行器進(jìn)行控制。

當(dāng)駕駛員手不放置在方向盤上時(shí)，方向盤力矩傳感器沒有監(jiān)測到轉(zhuǎn)向助力，將識別當(dāng)前狀態(tài)為無人駕駛模式，并將信號反饋給控制器模塊，UNEV 處于無人駕駛狀態(tài)。此時(shí)，控制器模塊將不斷監(jiān)測紅外避障傳感器信號、方向盤力矩傳感器信號、激光雷達(dá)信號等，并根據(jù)控制策略對車輛行駛速度、轉(zhuǎn)向角度、電磁線圈等進(jìn)行控制。

2 控制策略設(shè)計(jì)

駕駛員在轉(zhuǎn)向避障時(shí)通常伴有制動(dòng)操作行為，這將會(huì)影響轉(zhuǎn)向避障的效果，即使車輛在避障過程中。然而，在無人駕駛汽車中，通過協(xié)調(diào)利用制動(dòng)和轉(zhuǎn)向可以使前后車撞擊的距離最小化。為此，本試驗(yàn)所采用的控制方法遵循Biral 等人提出的“最大方向盤轉(zhuǎn)速最小”原則，并確保駕駛過程沖擊感最小。

UNEV 處于無人駕駛模式時(shí)，根據(jù)多傳感器信息融合，判斷車輛能夠穩(wěn)定到達(dá)且不會(huì)發(fā)生碰撞縱向距離（處于可行距離）時(shí)，則制動(dòng)系統(tǒng)做單一避障控制；若前后車安全距離裕量雖不會(huì)導(dǎo)致車輛碰撞，但存在著高風(fēng)險(xiǎn)性時(shí)，則進(jìn)行單一轉(zhuǎn)向避撞控制；若前后車發(fā)生事故的可能性非常高（處于危險(xiǎn)距離），則需要通過對電磁制動(dòng)器線圈通電電流和方向盤舵機(jī)通電電流同時(shí)控制，以確保車輛行駛軌跡與預(yù)期軌跡一致。

例如，正常行駛時(shí)，紅外避障傳感器在車輛前方安全距離內(nèi)未監(jiān)測到任何障礙物時(shí)，UNEV 以30 km/h時(shí)速運(yùn)輸行駛。整車驅(qū)動(dòng)電機(jī)將輸出大電流，驅(qū)動(dòng)車輛直線行駛。

當(dāng)紅外避障傳感器在UNEV 前方安全距離內(nèi)監(jiān)測到障礙物時(shí)，避撞方式將存在：單一制動(dòng)避撞、單一轉(zhuǎn)向避撞以及轉(zhuǎn)向及制動(dòng)同時(shí)避撞等三種方式，不同的避撞方式根據(jù)UNEV 與前方障礙物或前方車輛的縱向距離進(jìn)行選擇。在開發(fā)制動(dòng)駕駛緊急避撞控制策略時(shí)，需要對制動(dòng)和轉(zhuǎn)向所需要的最短縱向距離進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析，以確定在不同工況下哪種避撞方式可行。

且L≥HS，

則Iw=0；Ib=0

式中：△t 為檢測時(shí)間，s；vi為i 時(shí)刻汽車速度，m/s；L為與前車距離，m；HS為安全距離，m；Iw為方向盤舵機(jī)通電電流，A；Ib為電磁制動(dòng)器線圈通電電流，A；

且L≥HS，

則Iw=0；Ib=0；i=i+1

則Iw=0；Ib=Iaφ1；i=i+1

式中：Ia為電磁制動(dòng)器線圈最大通電電流，A ；φ1為當(dāng)前時(shí)刻輸出電壓占空比

汽車緩慢制動(dòng)，但仍沿當(dāng)前方向行駛。

則Iw=0；Ib=Iaφ2；i=i+1

式中：φ2為當(dāng)前時(shí)刻輸出電壓占空比

汽車進(jìn)一步制動(dòng)，但仍沿當(dāng)前方向行駛。

則Iw=Iw1；Ib=0；i=i+1

此時(shí)，UNEV 放棄對制動(dòng)的控制，轉(zhuǎn)為加速變道超車，此時(shí)汽車總的轉(zhuǎn)向角度將由兩部分構(gòu)成，一個(gè)是根據(jù)避撞路徑規(guī)劃得到的前饋轉(zhuǎn)向角輸入αFF[6]，另一個(gè)是根據(jù)UNEV 側(cè)向位置Y 和航向角φ 兩個(gè)參量計(jì)算得到的總反饋輸入角αFB。

考慮到UNEV 橫擺角速度的二次積分會(huì)引起角度輸入較大誤差的出現(xiàn)，為此測量時(shí)不引入積分控制。

式中：KPY、KIY、KDY分別為PID 控制器的比例增益、積分增益和微分增益參數(shù)。KPφ、KDφ分別是PD 控制器的比例增益和微分增益。

3 道路試驗(yàn)及結(jié)果分析

針對所設(shè)計(jì)的UNEV 進(jìn)行道路試驗(yàn)，試驗(yàn)道路為雙向單車道道路，測試規(guī)范參考工業(yè)和信息化部、公安部、交通運(yùn)輸部等三部制定的《智能網(wǎng)聯(lián)汽車道路測試管理規(guī)范（試行）》，測試項(xiàng)目包括：前方車輛（含對向車輛）行駛狀態(tài)的識別及響應(yīng)、障礙物的識別及響應(yīng)、跟車行駛（包括停車和起步）、超車以及人工操作接管等[7-8]。

行駛過程中，利用USB3106 隨車數(shù)據(jù)采集卡采集橫擺率傳感器信號及電磁制動(dòng)器線圈通電電流大小，利用攝像機(jī)記錄UNEV 與前車距離。通過程序設(shè)置安全距離Hs為10 m，汽車勻速行駛車速為3 m/s。

圖3a～圖3d 所示為UNEV 避開前方車輛行駛軌跡圖，前方車輛保持靜止?fàn)顟B(tài)。表1 所示為試驗(yàn)過程中各參數(shù)值。

表1 試驗(yàn)過程中不同時(shí)間下的各參數(shù)值

圖3 UNEV 壁障過程

圖4 為UNEV 與前車距離、方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度隨時(shí)間變化曲線圖。圖5 為電磁制動(dòng)器線圈通電電流隨行駛時(shí)間變化曲線圖。圖中橫坐標(biāo)為UNEV 行駛時(shí)間t，主縱坐標(biāo)為UNEV 與前方車輛距離L，次縱坐標(biāo)為方向盤轉(zhuǎn)過角度δ。在UNEV 與前方車輛距離超過10 m 時(shí)，UNEV 保持勻速行駛狀態(tài)。當(dāng)兩車距離小于10 m 時(shí)，此時(shí)電磁制動(dòng)器線圈通電電流為10 A，UNEV 減速。兩車距離進(jìn)一步減小至6.6 m 時(shí)，電磁制動(dòng)器線圈通電電流增大至20 A，車速進(jìn)一步降低；行駛時(shí)間到達(dá)5.15 s 時(shí)，兩車距離減小至3.3m時(shí)，車速迅速提升，電磁制動(dòng)器線圈不通電，此時(shí)方向盤快速轉(zhuǎn)動(dòng)至15°，UNEV 變道超越前車，兩車間的縱向距離進(jìn)一步縮短。5.22 s 時(shí)，UNEV 與前車平行行駛，方向盤轉(zhuǎn)角為0°。在5.35 s 時(shí)，UNEV 完全超越。6.1 s 時(shí)，UNEV 方向盤轉(zhuǎn)向角度為0°，UNEV完成超越。

圖4 UNEV 與前車距離、方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度隨時(shí)間變化曲線圖

圖5 電磁制動(dòng)器線圈通電電流隨行駛時(shí)間變化曲線圖

4 結(jié)論

針對UNEV 設(shè)計(jì)及整車控制策略設(shè)計(jì)等問題，本文進(jìn)行了車體設(shè)計(jì)及控制電路分析，將避撞方式分為了單一制動(dòng)避撞、單一轉(zhuǎn)向避撞以及轉(zhuǎn)向及制動(dòng)同時(shí)避撞等三種方式，并逐一進(jìn)行了策略設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)完成的UNEV 進(jìn)行了道路試驗(yàn)，并得出以下結(jié)論：

1）采用電磁制動(dòng)器控制車輛制動(dòng)、采用方向盤電機(jī)控制方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)等方式，結(jié)合所設(shè)計(jì)的三種避撞模式能提升無人駕駛車輛繞開障礙物行駛的穩(wěn)定性和可靠性，且降低了因復(fù)雜程序?qū)е碌能圀w控制過程出現(xiàn)抖動(dòng)及轉(zhuǎn)向卡死等問題。

2）采用32 位處理器STM32 能有效提升UNEV的識別及響應(yīng)速度。