周元豪，黃茂，楊大磊，林森

（陜西重型汽車(chē)有限公司，陜西 西安 710200）

前言

隨著智能技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人駕駛技術(shù)憑借其廣闊的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為航空、航天、汽車(chē)、軍事等行業(yè)的研究熱點(diǎn)。在汽車(chē)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了各種各樣的無(wú)人駕駛車(chē)輛，雖然這些無(wú)人駕駛車(chē)輛大部分還都處于原理樣機(jī)階段，但已經(jīng)顯示出了無(wú)人駕駛的巨大優(yōu)勢(shì)。

國(guó)內(nèi)的無(wú)人駕駛車(chē)輛絕大部分都是在現(xiàn)有的量產(chǎn)乘用車(chē)上進(jìn)行改裝，其底盤(pán)大都采用電噴發(fā)動(dòng)機(jī)及自動(dòng)變速箱，以便于適應(yīng)無(wú)人駕駛改裝。油門(mén)、換擋、剎車(chē)等車(chē)輛操作機(jī)構(gòu)均采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的方式，這種方式純粹模擬駕駛員的操作動(dòng)作，系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性難以保障。另外電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)一般都需要配合減速器使用，整套裝置體積較大，需占用一定車(chē)內(nèi)空間。隨著汽車(chē)電子技術(shù)的快速發(fā)展，車(chē)輛底盤(pán)的電控化、總線化為無(wú)人駕駛系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛底盤(pán)的控制提供了新的途徑。比如，大部分發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱的電控系統(tǒng)本身預(yù)留了供第三方控制的總線接口及I/O接口，無(wú)人駕駛計(jì)算機(jī)可以直接利用這些接口控制發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱，省去了電機(jī)、減速器、機(jī)械臂等一種套驅(qū)動(dòng)裝置，簡(jiǎn)化了整個(gè)無(wú)人駕駛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

1 無(wú)人駕駛底盤(pán)改裝技術(shù)方案

隨著近些年我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展，特別是汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)重型車(chē)輛大多采用電噴發(fā)動(dòng)機(jī)，電控自動(dòng)變速箱，CAN總線及自診斷等先進(jìn)技術(shù)，這些先進(jìn)總成及先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用使我國(guó)重型車(chē)輛實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛控制成為可能。

1.1 無(wú)人駕駛底盤(pán)改裝要求

重型車(chē)輛區(qū)別于普通乘用車(chē)輛，根據(jù)目前實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛后的用途及應(yīng)用前景，其改裝后的功能要求主要有以下幾個(gè)方面：

1）無(wú)人駕駛系統(tǒng)可以控制車(chē)輛油門(mén)、剎車(chē)、轉(zhuǎn)向、檔位；

2）車(chē)輛既可以無(wú)人駕駛也可以有人駕駛，且無(wú)人駕駛模式與有人駕駛模式可以快速切換；

3）無(wú)人駕駛系統(tǒng)可以控制車(chē)輛的燈光、起動(dòng)、熄火、喇叭；

4）無(wú)人駕駛系統(tǒng)可以控制車(chē)輛的全輪驅(qū)動(dòng)裝置，包括輪軸差、分動(dòng)器；

5）無(wú)人駕駛模式車(chē)輛具有緊急停車(chē)功能；

6）無(wú)人駕駛系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)汽車(chē)車(chē)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、檔位及方向盤(pán)轉(zhuǎn)角等信號(hào)的監(jiān)測(cè)。

1.2 無(wú)人駕駛底盤(pán)電控化改裝方案

本系統(tǒng)目標(biāo)車(chē)型采用高壓共軌電控發(fā)動(dòng)機(jī)，電控液力自動(dòng)變速箱，整車(chē)電子/電器系統(tǒng)采用多路CAN總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具備故障自診斷能力。本系統(tǒng)采用 CAN總線及電控方式實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛底盤(pán)的控制，其核心是采用了無(wú)人駕駛底盤(pán)控制器，該控制器采用 32位微控制器芯片，含有 4路CAN總線接口及豐富的I/O接口。系統(tǒng)方案如圖1所示。

無(wú)人駕駛控制系統(tǒng)通過(guò)無(wú)人駕駛控制總線向無(wú)人駕駛底盤(pán)控制器發(fā)送油門(mén)、檔位、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等控制指令，無(wú)人駕駛底盤(pán)控制器將油門(mén)等指令轉(zhuǎn)換為底盤(pán)各電控系統(tǒng)可以識(shí)別的信號(hào)或指令，通過(guò)底盤(pán)動(dòng)力總線接口或底盤(pán)各電控單元I/O進(jìn)行控制，對(duì)于喇叭、電磁閥等車(chē)輛電器負(fù)載，則通過(guò)無(wú)人駕駛底盤(pán)控制器本身的功率驅(qū)動(dòng)口進(jìn)行控制。無(wú)人駕駛底盤(pán)控制器能夠?qū)④?chē)輛最基本的車(chē)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、檔位及方向盤(pán)轉(zhuǎn)角等信息通過(guò) CAN總線傳遞給無(wú)人駕駛控制層，做到精準(zhǔn)控制。

圖1 無(wú)人駕駛重型車(chē)輛底盤(pán)電控化改裝方案

無(wú)人駕駛車(chē)輛系統(tǒng)通訊采用SAE1939，控制指令采用“專(zhuān)有A”報(bào)文，信息報(bào)文采用SAEJ1939-71規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)SPN，如信息無(wú)定義則可自主定義SPN。根據(jù)SAE1939定義及控制器功能，系統(tǒng)對(duì)控制器都規(guī)定了源地址如表1。

表1 無(wú)人駕駛車(chē)輛系統(tǒng)控制器源地址分配

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)控制

目標(biāo)車(chē)輛的發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)具有完善的第三方總線控制接口及I/O接口。無(wú)人駕駛對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制主要是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)的控制。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)控制功能的開(kāi)放程度，本方案采用總線方式直接對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)進(jìn)行控制，控制協(xié)議遵循SAEJ1939-71。底盤(pán)控制器直接向發(fā)動(dòng)機(jī)ECU轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)人駕駛控制系統(tǒng)發(fā)出的油門(mén)開(kāi)度控制指令。

無(wú)論車(chē)輛處于有人駕駛模式或無(wú)人駕駛模式，無(wú)人駕駛控制系統(tǒng)都能夠接收底盤(pán)控制器轉(zhuǎn)發(fā)的有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要信息，可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，同時(shí)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，還可以遠(yuǎn)程故障診斷。

1.4 變速箱檔位控制

目標(biāo)車(chē)輛采用的電控液力自動(dòng)變速箱，其電控單元支持雙換擋機(jī)構(gòu)控制器（主換擋器和輔換擋器），且為總線控制方式，主換擋控制器的源地址為0x05，輔換擋控制器的源地址為0x06。

換擋器選擇開(kāi)關(guān)用于告知變速箱換擋操作由哪個(gè)換擋器控制，換擋器選擇開(kāi)關(guān)由底盤(pán)控制器驅(qū)動(dòng)換擋器選擇繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)車(chē)輛處于有人駕駛模式時(shí)，換擋器選擇繼電器斷開(kāi)，變速箱電控系統(tǒng)響應(yīng)主換擋器發(fā)出的報(bào)文；當(dāng)車(chē)輛處于無(wú)人駕駛模式時(shí)，底盤(pán)控制器驅(qū)動(dòng)換擋器選擇繼電器閉合，變速箱電控系統(tǒng)響應(yīng)輔換擋器發(fā)出的報(bào)文，此時(shí)，底盤(pán)控制器接收無(wú)人駕駛控制總線上傳輸?shù)膿Q擋信息并向變速箱電控單元傳輸換擋信息。如果要在雙換擋器之間進(jìn)行切換時(shí)，兩個(gè)換擋器都必須處于空檔且車(chē)輛靜止。

同樣，無(wú)人駕駛控制系統(tǒng)接收變速箱的重要信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)變速箱運(yùn)轉(zhuǎn)狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，同時(shí)當(dāng)變速箱出現(xiàn)故障時(shí)，可以遠(yuǎn)程故障診斷。

1.5 制動(dòng)控制

為了實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛控制系統(tǒng)對(duì)重型車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的控制，必須進(jìn)行制動(dòng)系統(tǒng)電控化改裝。系統(tǒng)采用國(guó)內(nèi)技術(shù)成熟可靠的EBS系統(tǒng)。行車(chē)制動(dòng)方面，在前橋制動(dòng)回路中串入單模塊電控繼動(dòng)閥，用雙模塊電控繼動(dòng)閥取代傳統(tǒng)后橋制動(dòng)回路中的氣控繼動(dòng)閥，同時(shí)電控繼動(dòng)閥保留了傳統(tǒng)氣控方式；駐車(chē)制動(dòng)方面，在傳統(tǒng)的駐車(chē)制動(dòng)回路并入脈沖式電磁開(kāi)關(guān)閥。

當(dāng)車(chē)輛處于有人駕駛模式時(shí)，底盤(pán)控制器不使能EBS系統(tǒng)，EBS保持原有的控制邏輯。處于無(wú)人駕駛模式時(shí)：行車(chē)制動(dòng)方面，底盤(pán)控制器通過(guò)無(wú)人駕駛控制總線接收無(wú)人駕駛控制系統(tǒng)發(fā)出的剎車(chē)踏板位置報(bào)文，底盤(pán)控制器按照規(guī)定的協(xié)議解析剎車(chē)踏板位置報(bào)文，控制EBS控制器進(jìn)而控制底盤(pán)電控繼動(dòng)閥使車(chē)輛制動(dòng)。同時(shí)電控繼動(dòng)閥上集成有壓力傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)制動(dòng)氣室壓力，底盤(pán)控制器采集壓力傳感器的值并通過(guò)無(wú)人駕駛控制總線傳輸制動(dòng)壓力信息；駐車(chē)制動(dòng)方面，底盤(pán)控制器接收到無(wú)人駕駛控制總線上發(fā)送的解除手剎指令時(shí)，底盤(pán)控制器控制電磁開(kāi)關(guān)閥通氣，反之則控制電磁開(kāi)關(guān)閥斷氣。

1.6 轉(zhuǎn)向控制

由于目前車(chē)輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)構(gòu)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)線控方式，必須采取硬連接，因此無(wú)人駕駛重型車(chē)輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還需采用機(jī)電控制系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，但是部分部件可以實(shí)現(xiàn)總線控制。

系統(tǒng)方案中伺服電機(jī)外接行星減速器與轉(zhuǎn)向管柱機(jī)械連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向管柱轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人駕駛越野車(chē)輛的轉(zhuǎn)向控制。當(dāng)車(chē)輛處于無(wú)人駕駛模式，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)無(wú)人駕駛控制總線接收目標(biāo)轉(zhuǎn)向角度及轉(zhuǎn)動(dòng)方向信息，同時(shí)通過(guò)總線接收角度傳感器發(fā)出的實(shí)際方向盤(pán)角度信息，通過(guò)計(jì)算后驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)向角度；當(dāng)車(chē)輛處于有人駕駛模式時(shí)，電機(jī)不通電，電機(jī)可跟隨方向盤(pán)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是無(wú)人駕駛車(chē)輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心，該驅(qū)動(dòng)器采用16位飛思卡爾微控制器芯片，含電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電流檢測(cè)模塊、CAN驅(qū)動(dòng)模塊。在電機(jī)的控制策略上，采用雙閉環(huán)PID控制，外環(huán)為位置環(huán)、內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，這樣能夠確保轉(zhuǎn)向系統(tǒng)準(zhǔn)確、快速、平穩(wěn)的要求。

1.7 底盤(pán)電器控制

無(wú)人駕駛控制系統(tǒng)對(duì)底盤(pán)電器控制主要包括起動(dòng)、熄火、燈光及電磁閥控制。系統(tǒng)通過(guò)在原有車(chē)型上增加轉(zhuǎn)換式繼電器實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛控制系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛底盤(pán)電器的控制，同時(shí)，為了采集車(chē)身信息，底盤(pán)控制器需連接到底盤(pán)車(chē)身總線上，將車(chē)輛底盤(pán)車(chē)速、氣壓、油量信號(hào)打包成 CAN報(bào)文發(fā)送至無(wú)人駕駛控制總線上供無(wú)人駕駛頂層控制使用。系統(tǒng)對(duì)底盤(pán)電器控制的改裝方式無(wú)須更改原有車(chē)輛車(chē)身控制器的控制協(xié)議，只需增加控制線路轉(zhuǎn)換繼電器來(lái)進(jìn)行控制信號(hào)切換。

無(wú)人駕駛控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)及熄火控制主要通過(guò)動(dòng)力總線采用事先定義的起動(dòng)、熄火 CAN指令直接控制發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、熄火的目的。

系統(tǒng)對(duì)車(chē)身信息的采集是通過(guò)底盤(pán)控制器間接轉(zhuǎn)發(fā)CAN報(bào)文的方式實(shí)現(xiàn)，底盤(pán)控制器充當(dāng)網(wǎng)關(guān)對(duì)CAN信息進(jìn)行過(guò)濾，只對(duì)所需的信息進(jìn)行打包重組，最后發(fā)送至無(wú)人駕駛控制總線上供無(wú)人駕駛控制使用，其優(yōu)點(diǎn)在于：減輕無(wú)人駕駛控制總線上的負(fù)載率，確?？偩€通訊順暢。

1.8 控制報(bào)文匯總

系統(tǒng)中CAN通訊采用SAE1939協(xié)議，控制報(bào)文采用“專(zhuān)有 A”報(bào)文，結(jié)合 SAEJ1939-71，系統(tǒng)控制報(bào)文信息如表 2所示。

表2 無(wú)人駕駛控制系統(tǒng)控制報(bào)文匯總

2 結(jié)論

本文首先對(duì)重型車(chē)輛底盤(pán)無(wú)人駕駛改裝現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)重型車(chē)輛無(wú)人駕駛改裝要求進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了重型車(chē)輛底盤(pán)無(wú)人駕駛電控化改裝的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)、起動(dòng)、熄火的控制，對(duì)變速箱檔位的控制，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制，對(duì)重型車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的控制以及對(duì)底盤(pán)電器的控制。通過(guò)設(shè)計(jì)合理的 CAN總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛控制系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)的檢測(cè)、對(duì)車(chē)身系統(tǒng)壓力、油量、車(chē)速等重要信息的監(jiān)測(cè)以及無(wú)人駕駛控制系統(tǒng)對(duì)底盤(pán)的控制。

與以往基于機(jī)電系統(tǒng)的改裝方案相比，基于電控化及總線化的重型車(chē)輛無(wú)人駕駛改裝方案具有如下優(yōu)勢(shì)：

1）簡(jiǎn)化了系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)可靠性，節(jié)省了駕駛室寶貴的安裝空間。

2）省去了以往車(chē)型改裝需要進(jìn)行的大量機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，只需更改部分通訊協(xié)議，即可實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛系統(tǒng)在不同車(chē)型之間的移植，具體較強(qiáng)的適應(yīng)性。

3）無(wú)人駕駛系統(tǒng)通過(guò)車(chē)輛總線可以獲得車(chē)輛底盤(pán)豐富的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用于修正無(wú)人駕駛的智能控制策略，有助于提高無(wú)人駕駛重型車(chē)輛的整體性能。

[1] Vehicle Application Layer-SAE J1939/71.SAE.2008.

[2] CX28.CX31和CX35公路用變速箱應(yīng)用與安裝指南（電氣）.卡特彼勒,2010.

[3] 濰柴WISE15電器匹配手冊(cè).濰柴動(dòng)力,2014.