貫懷光 郭蓬,2 楊建森,2 何佳,2 曹展 張志國(guó)

（1.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

1 前言

輔助駕駛技術(shù)以車輛為載體，輔助駕駛車輛性能和控制精度測(cè)試能夠直觀、全面地反映車輛底盤技術(shù)性能和各系統(tǒng)總成的技術(shù)狀況[1-2]，發(fā)現(xiàn)和避免故障，為后續(xù)車輛性能優(yōu)化提供參考[3]。

四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)（4 Wheel Independent Drive，4WID）技術(shù)由4 個(gè)獨(dú)立的輪轂電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)車輛，可有效減少整車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)量，可以較快、較準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)整車橫擺力矩控制[4-14]。車輛控制系統(tǒng)的核心是控制精度和穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)底盤系統(tǒng)相比，智能底盤具有更高的解耦度和更多的可控自由度，極大地提升了車輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)的潛力，同時(shí)使整車控制策略更加復(fù)雜[15-16]。

因此，本文提出一種智能底盤輔助駕駛系統(tǒng)控制精度測(cè)試方法，驗(yàn)證自動(dòng)駕駛算法和自動(dòng)駕駛域控制器對(duì)其他控制器的功能邏輯是否正確，整車自動(dòng)駕駛功能是否流暢。首先，利用CANoe 總線分析工具解析智能底盤整車通信協(xié)議，獲取信息幀數(shù)據(jù)域中各信息的定義，然后，根據(jù)整車性能要求和車輛實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行功能及控制精度性能測(cè)試。

2 試驗(yàn)平臺(tái)與場(chǎng)地

2.1 智能底盤試驗(yàn)平臺(tái)

本文的試驗(yàn)對(duì)象是一款集成式、模塊化的智能底盤車輛，搭載線控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和輔助駕駛系統(tǒng)，如圖1 所示。使用的測(cè)量和試驗(yàn)設(shè)備包括Vector CANoe、Vector VN1640A、組合慣導(dǎo)570D 及輔助駕駛控制器等。

圖1 集成模塊化智能底盤

輪轂電機(jī)控制器集成在電機(jī)本體上，該底盤采用PID 控制器作為基礎(chǔ)控制器，電機(jī)與控制單元可以直接通過CAN 總線通信，本文使用CANoe 總線分析工具對(duì)輪轂電機(jī)通信協(xié)議進(jìn)行解析，以獲取每個(gè)信息幀數(shù)據(jù)域的詳細(xì)定義，從而方便節(jié)點(diǎn)間的交互信息設(shè)計(jì)。采用循環(huán)冗余檢驗(yàn)（Cyclic Redundancy Check，CRC）的方法對(duì)信息幀數(shù)據(jù)域前7 B 進(jìn)行檢驗(yàn)，以增強(qiáng)整車輔助駕駛系統(tǒng)的安全性并檢測(cè)傳輸過程中是否存在錯(cuò)誤數(shù)據(jù)和信息幀，其中，CRC 校驗(yàn)碼為數(shù)據(jù)域的第8 B。

2.2 智能底盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

該智能底盤采用四輪驅(qū)動(dòng)形式，電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪間距離較近，因此無需使用繁瑣的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。同時(shí)，在行駛中可以使車輪相對(duì)于地面有較大的牽引力，提高車速和加速性能。然而，后輪負(fù)荷相對(duì)較輕，操縱性相對(duì)較差。集成模塊化智能底盤配置在搭載四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的車輛上，以提高操縱穩(wěn)定性[17]，如圖2所示。

圖2 集成模塊化智能底盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為滿足車輛峰值扭矩的需求并提高操縱的靈活性，智能底盤采用分布式四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制方案，采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)。制動(dòng)器采用電磁摩擦式盤式結(jié)構(gòu)，通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生推力實(shí)現(xiàn)對(duì)路面的反作用力，前、后車輪的制動(dòng)由兩路獨(dú)立的油路控制。輪轂電機(jī)不僅具備機(jī)械制動(dòng)能力，還具備回流電流制動(dòng)功能，從而實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)。

2.3 智能底盤控制系統(tǒng)架構(gòu)

車輛控制器（Vehicle Control Unit，VCU）接收遙控手柄和輔助駕駛控制器的指令，統(tǒng)籌上下電控制、手自動(dòng)工作模式管理、換擋策略、駐車和電機(jī)加速電壓信號(hào)計(jì)算等功能，并通過線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電機(jī)控制器、線控拉線制動(dòng)機(jī)構(gòu)等執(zhí)行器完成輔助駕駛?cè)蝿?wù)。VCU的控制架構(gòu)如圖3所示。

圖3 集成模塊化智能底盤控制架構(gòu)

在底層軟件中，模擬量和數(shù)字量的采集以及CAN 總線和串行通信接口（Serial Communication Interface，SCI）底層驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了高效的數(shù)據(jù)采集和處理。在車輛中應(yīng)用底層軟件后，可將大量復(fù)雜的信息集中到上層，為上層提供良好的服務(wù)。該智能底盤應(yīng)用層軟件能根據(jù)相關(guān)信號(hào)自動(dòng)更新整車狀態(tài)，從而提高整車的運(yùn)行效率。應(yīng)用層能夠識(shí)別電機(jī)的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，包括油門踏板信號(hào)和擋位信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)力矩的指令控制[18]。

2.4 測(cè)試設(shè)計(jì)指標(biāo)

結(jié)合項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)，底盤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能指標(biāo)主要包括：相對(duì)于傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間縮短10%，并可根據(jù)不同駕駛員需求，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)踏板感分級(jí)可調(diào)；集成線控制動(dòng)系統(tǒng)、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、線控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、智能車輪控制系統(tǒng)的模塊化，可適配不少于3種不同功能車型，實(shí)現(xiàn)多種場(chǎng)景應(yīng)用。然而，本文的主要目標(biāo)是驗(yàn)證底盤系統(tǒng)模塊化線控部分的相關(guān)性能指標(biāo)，包括線控底盤高精度控制，相較于目標(biāo)線路，車輛運(yùn)動(dòng)誤差≤5%。

參照GB/T 29307—2022《電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)方法》[19]，根據(jù)《智能網(wǎng)聯(lián)汽車自動(dòng)駕駛功能測(cè)試規(guī)程（試行）》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試流程，多數(shù)測(cè)試場(chǎng)景要求乘用車速度在20～30 km/h 范圍內(nèi)，并要求測(cè)試精度在2 km/h 以內(nèi)。然而，考慮本文智能底盤體積及實(shí)際測(cè)試道路的復(fù)雜情況，試驗(yàn)中底盤控制速度不超過15 km/h 也能滿足試驗(yàn)的可靠性要求。相關(guān)設(shè)計(jì)測(cè)試指標(biāo)如表1所示。

2.5 試驗(yàn)場(chǎng)地

在柳州測(cè)試場(chǎng)的特定場(chǎng)景下進(jìn)行實(shí)車測(cè)試，試驗(yàn)場(chǎng)地包含完整的路線，包括直行加減速、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、連續(xù)變道、S彎、掉頭等場(chǎng)景，路線如圖4所示。

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 直線速度測(cè)試

在加速、速度保持和減速試驗(yàn)中，試驗(yàn)場(chǎng)地為單車道試驗(yàn)道路（長(zhǎng)度不少于200 m）。車輛上電后，設(shè)置沿試驗(yàn)道路的直線軌跡，使用遙控手柄上電并進(jìn)入自動(dòng)模式。目標(biāo)車速和實(shí)際車速如圖5所示。

圖5 加速、速度保持、減速試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由圖5可知，車輛實(shí)際速度在第25 s、第36 s、第38 s等時(shí)刻出現(xiàn)明顯下降，可能由多種因素引起，包括路面濕滑、路面不平、輪胎打滑或者車輛動(dòng)力系統(tǒng)控制邏輯等。

針對(duì)加速、速度保持和減速工況在3次測(cè)試中均進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，該智能底盤可以實(shí)現(xiàn)一定控制精度范圍內(nèi)（±1 km/h）的速度控制。

表2 速度執(zhí)行能力測(cè)試km/h

3.2 車輛轉(zhuǎn)彎測(cè)試

利用轉(zhuǎn)彎能力測(cè)試驗(yàn)證智能底盤的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)能力，測(cè)試時(shí)控制請(qǐng)求速度為10 km/h。試驗(yàn)場(chǎng)地選取柳州測(cè)試場(chǎng)中至少包含一個(gè)直角彎的道路。車輛上電后設(shè)定沿試驗(yàn)道路的直線、右轉(zhuǎn)或左轉(zhuǎn)的行駛軌跡。使用遙控手柄上電并進(jìn)入輔助駕駛模式，測(cè)試時(shí)，將目標(biāo)車速定為10 km/h，并記錄車輛實(shí)際執(zhí)行情況。

在完成轉(zhuǎn)彎后，車輛減速至0 km/h 以獲取左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)協(xié)同控制的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖6、圖7所示。結(jié)果表明，該智能底盤可以實(shí)現(xiàn)正常的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)行駛。

圖6 左轉(zhuǎn)協(xié)同控制試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7 右轉(zhuǎn)協(xié)同控制試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 和圖7 中，車速在左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重波動(dòng)，可能原因之一是輪胎打滑。橫向運(yùn)動(dòng)會(huì)給輪胎帶來較大的負(fù)荷和摩擦力變化，如果路面附著力不足或轉(zhuǎn)彎過快，輪胎可能出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

為驗(yàn)證底盤控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)行了連續(xù)S彎轉(zhuǎn)彎測(cè)試。選擇至少包含2 個(gè)車道的長(zhǎng)度100 m以上的試驗(yàn)道路作為試驗(yàn)場(chǎng)地。車輛上電后，設(shè)定沿試驗(yàn)道路的直線軌跡，在中途繞行一固定障礙物后回到原軌跡。使用遙控手柄上電并進(jìn)入自動(dòng)模式，設(shè)定目標(biāo)車速為10 km/h 進(jìn)行測(cè)試，記錄車輛的反饋和實(shí)際執(zhí)行情況。在完成全部繞行動(dòng)作后，車輛減速至0 km/h。所得協(xié)同控制連續(xù)S 彎試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，該智能底盤控制精度滿足正常連續(xù)S形轉(zhuǎn)彎的要求。

圖8 協(xié)同控制連續(xù)S彎試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)測(cè)試

在轉(zhuǎn)向測(cè)試中，驗(yàn)證了該系統(tǒng)在原地執(zhí)行轉(zhuǎn)向角度的精度。車輛上電后使用遙控手柄進(jìn)入輔助駕駛模式，開始觀察并連續(xù)記錄車輛實(shí)際執(zhí)行的轉(zhuǎn)角反饋。該線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角范圍為-328°～328°，分別發(fā)送向左、向右轉(zhuǎn)動(dòng)10°、45°、90°、180°、270°自動(dòng)控制報(bào)文，并通過報(bào)文發(fā)送歸零的轉(zhuǎn)向角度命令，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 轉(zhuǎn)向角度執(zhí)行精度測(cè)試數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果顯示，該線控底盤實(shí)現(xiàn)的最小轉(zhuǎn)彎半徑為3.2 m，平均左側(cè)為3.25 m、右側(cè)為3.15 m。同時(shí)，該線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際執(zhí)行的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角控制精度誤差不超過1°，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 轉(zhuǎn)向角度執(zhí)行精度(°)

3.4 制動(dòng)效果測(cè)試

在制動(dòng)測(cè)試中，試驗(yàn)場(chǎng)地選擇長(zhǎng)度100 m 以上的單車道試驗(yàn)道路，請(qǐng)求速度和制動(dòng)距離分別為10 km/h和4.5 m。

車輛上電后，設(shè)定沿試驗(yàn)道路的直線軌跡，并使用遙控手柄進(jìn)入自動(dòng)模式。分別設(shè)定目標(biāo)速度為5 km/h和10 km/h，當(dāng)車輛達(dá)到目標(biāo)速度并保持至少5 s 后，向車輛發(fā)送制動(dòng)信號(hào)，直到車輛減速至0 km/h，如圖10所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，線控制動(dòng)系統(tǒng)支持車輛目標(biāo)減速度控制，制動(dòng)系統(tǒng)安全可靠。

圖10 制動(dòng)執(zhí)行能力測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

本文針對(duì)智能底盤輔助駕駛系統(tǒng)執(zhí)行器間的協(xié)調(diào)問題，測(cè)試了集成模塊化智能底盤輔助駕駛系統(tǒng)控制精度的穩(wěn)定性。通過直線速度測(cè)試、車輛左右轉(zhuǎn)彎測(cè)試、S 彎測(cè)試、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)測(cè)試以及制動(dòng)效果測(cè)試，并利用CANoe 工具對(duì)整車通信協(xié)議進(jìn)行解析，驗(yàn)證了集成模塊化智能底盤控制精度及準(zhǔn)確性。

然而，本文主要在特定底盤系統(tǒng)上對(duì)所提出的測(cè)試方法進(jìn)行了驗(yàn)證。底盤系統(tǒng)的性能和設(shè)計(jì)在很大程度上受到具體的工程參數(shù)的影響。在充分考慮智能底盤在不同場(chǎng)景下的控制需求的前提下，進(jìn)一步研究和測(cè)試可能需要針對(duì)不同的底盤系統(tǒng)，以確保廣泛的適用性。此外，未來的研究應(yīng)該側(cè)重于測(cè)試方法的多車協(xié)同，以應(yīng)對(duì)智能底盤輔助駕駛系統(tǒng)在多車輛場(chǎng)景下的控制需求。