无人观光车底盘嵌入式控制系统设计论文

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       摘要：针对特定区域行驶的具有自动驾驶功能的观光车，  结合自动驾驶上位机控制系统，  设计一种基于嵌入式技术的自动驾驶观 光车底盘控制系统。该控制系统在上位机的控制下能控制观光车的油门、制动、转向系统；  通过模拟油门踏板位置传感器信号、 在原车制动踏板上加装推杆电机、切断原车挡位控制信号由嵌入式控制器模拟挡位信号的方式对原车的油门、制动、挡位系统 进行自动化改造。结果表明：  利用该系统输出的油门模拟信号能控制观光车的行驶速度，  其输出模拟信号与理论信号的误差仅 为-0.847%；  该系统控制精度高且响应速度快，  具有一定的应用和推广价值。

        关键词：无人观光车；  上位机；  嵌入式控制器；  底盘控制 


        Abstract: Combined with the automatic driving principal computer control system, a self driving sightseeing car chassis control system was designed based on embedded technology for sightseeing car chassis with automatic driving function in a specific area . The system can be use to control the throttle, brake and steering system of sightseeing car under the control of the principal computer; through simulating the signal of accelerator pedal position sensor, adding push rod motor on the brake pedal of the original vehicle, cutting off the gear control signal of the original vehicle and simulating the gear signal by the embedded controller, the automatic transformations of the accelerator, brake and gear system of the original vehicle were carried out. The results show that by using the throttle analog signal output by the system, the driving speed of the sightseeing vehicle can be controlled, and the deviation between the analog throttle signal and the theoretical output is only -0.847%; the system has high control precision and fast response speed, which has certain application and promotion value.

        Key words:  unmanned sightseeing car; principal computer; embedded controller; chassis control
 
        0    引言

       自动驾驶技术是汽车领域的新技术，  根据国家推荐标 准《汽车驾驶自动化分级》，  将汽车自动驾驶划分为0 级到 5 级，  各量产车型的车道保持、自适应巡航、主动安全等 ADAS 系统属于1 级，  而部分车型在某些特定的场景，  如高 速公路等环境下可实现汽车自动驾驶功能，  属于 2 级自动 驾驶。要实现真正无人驾驶的4 级、5 级自动驾驶还有一定的难度，但在一些交通环境单一、行驶路线固定的特定区 域，  如景区、园区、码头等场所开展自动驾驶车辆布置， 对自动驾驶技术的研究和发展有一定的促进作用[1-2]。

       车辆的自动驾驶主要由传感器模块、定位模块、轨 迹规划模块、决策控制模块、底盘线控模块等部分组 成[3]。其中底盘线控模块属于执行器，  其控制精度和线 控化程度直接决定自动驾驶系统的性能。罗宁延[4] 提出 智能汽车线控系统主要由油门、转向、制动、换挡 4 个 子系统组成。袁政等[5] 提出增加转向电控驱动机构、油 门信号切换模块、副踏板制动装置的方式对原车的底盘进行自动化改造。本文以特定区域行驶的无人观光车为 研究对象，  设计一种用于无人观光车自动驾驶的底盘嵌 入式控制板，  对现有观光车进行自动驾驶功能改造。

        1   观光车底盘结构

        选用某 8 座观光车  (型号 GVG6/48AC)  为载体进行 自动驾驶功能改造与升级，  车辆采用后轮双三相异步交 流电机驱动、前轮机械液压转向，  制动方式为液压后轮鼓刹，  挡位控制为机械三挡船形开关换挡控制。该观光车电气系统基本结构如图 1 所示。

 
        该观光车驱动速度控制由油门踏板实现，  车辆的行驶方向由船形挡位开关实现，  车辆的制动和转向系统为机械系统部件。

        2   底盘嵌入式控制系统

        2.1   观光车挡位控制

        如图 2 所示，  观光车的原车挡位控制通过单刀双掷的船形开关进行切换， 开关与车辆底盘控制器相连，  公共端一般为地信号，  当开关打向前进挡位时前进信号线为低电平，  另一个后退信号则为高电平。而当开关处于后退挡位时后退挡位信号为低电平，  另一个前进挡位信号则为高电平。


        制动驱动器在控制器的控制下，  对原车制动系统加装的制动踏板推杆电机进行伸缩控制，  从而实现车辆的 制动控制。

        3    系统硬件设计

        3.1    油门信号产生及切换模块

        车辆底盘嵌入式控制系统的模拟油门信号产生模块和油门信号切换模块如图 8 所示。通过 2 个 DA 转换器产 生两路油门模拟信号，  两路信号之间的关系如图 5 所示。 由 TL431 构成的 5 V 精密稳压电源为 DA 转换器提供基准 电压，  以提高 DA 转换电路模拟输出电压的精度[9- 10]。


        图 8 的切换原理：  油门信号切换模块通过继电器对 原车油门踏板信号和模拟油门踏板信号进行切换。继电 器的公共触点通过信号接口 P1 与原车辆的底盘控制器相 连，  常闭触点与原车辆的油门踏板输出信号相连，  在信 号切换电路发生故障的情况下，  车辆底盘控制器也能接 收到油门踏板的信号，  能提高系统的安全性。继电器的 常开触点与模拟油门信号产生模块中 DA 转换器的模拟 电压输出电路相连，  在自动驾驶模式时，  将 DA 转换器 产生的模拟油门信号输出给原车的底盘控制器，  对车辆的行驶速度进行控制。

        3.2    挡位切换模块

        车辆底盘嵌入式控制系统的挡位切换模块如图 9 所 示。挡位切换模块通过 3 个继电器对原车挡位开关的信 号进行切换和控制。原车的挡位开关与继电器的常闭触 点相连，  确保在系统故障的情况下，  原车底盘控制器也能接收到挡位信号。车辆进入自动驾驶模式时，  继电器 K2 工作，  断开原车挡位开关与底盘控制器的连接，  继电 器 K3 或者 K4 工作，  车辆底盘控制器的前进或者后退信 号线与公共端相连，  车辆进入前进或者后退模式。


        3.3    制动驱动器模块

        车辆底盘嵌入式控制系统的制动驱动模块如图 10 所 示。制动驱动模块采用 2 个半桥驱动器构成全桥驱动器。 驱动制动踏板的推杆电机在主控制器的 PWM0 和PWM1 的控制下可实现变速伸缩运动，  以实现不同力度的制动。

        3.4   控制器及CAN 总线驱动模块

        车辆底盘嵌入式控制系统的控制器及 CAN 总线模 块如图 11 所示，   电路主要由控制器及外围电路、  CAN总线驱动模块、调试接口、复位电路、两路 5 V 电源模 块 组 成 。  控 制 器 采 用 车 规 级 飞 思 卡 尔 单 片 机，   自 带 CAN 总线接口。  CAN 总线驱动模块选用 TJA1050 驱动 器，  在提高总线驱动能力的同时，  提高了电路的抗干扰 能力[11- 12]。


         4    系统软件设计

        所设计的自动驾驶观光车的转向、油门、制动的控 制，  通过利用上位机通过 CAN 总线向电动转向器、底盘 嵌入式控制系统发送控制命令实现。

        自动驾驶模式下数据包由 1 个字节的 ID 码、  1 个字 节的控制码、  1 个字节的驾驶模式、  2 个字节的油门和挡 位状态、  2 个字节的转向角、  1 个字节的制动状态共 7 个 字节数据组成，  其格式和含义如表 2 所示。


         5   试验分析

         为验证底盘嵌入式控制系统的可靠性和稳定性，  开 展了试验研究与分析。将制作后的嵌入式控制系统应用 于某 8 座观光车  (型号 GVG6/48AC)，  底盘嵌入式控制系 统及测试环境搭建如图 12 所示。根据表 2 所示的通信协 议向底盘嵌入式控制板发送测试数据帧：  40 03 17 D0 02 1C 00 48  (数据释义：   自动驾驶模式，  前进挡，  速度等 级 2000，  方向盘对中)，  底盘嵌入式控制系统回复数据 如图 13 所示。


        通过 CAN 卡向底盘嵌入式控制系统发送 0~4 095 等 级油门控制信号，  测试数据按 200 的等级进行递增，  分 别测试在不同等级下对应的电压值  (测试系统电路电源电压为 4.971 V)，  与理论值进行比较并计算出信号误差， 结果如表 3 所示。


        从试验结果来看，  底盘嵌入式控制系统输出的油门 模拟信号平均偏差为-0.847%，  产生偏差的原因为程序 进行 DA 转换时基准电压使用电源电压 5 V 进行的，  而试 验过程中 DA 的基准电源电压为 4.971 V，  与理论值原本 就存在-0.58% 的偏差，  去除电源电压误差值后系统输出 油门模拟信号与理论值十分接近。

        6    结束语

       底盘嵌入式控制系统是自动驾驶汽车上位机控制与 汽车底盘连接的重要设备，  在现阶段自动驾驶车辆没有 规模化和产业化的情况下，  无论是乘用车还是本文研究 的观光车，  在实现自动驾驶的过程中都离不开底盘线控 系统。针对特定区域行驶的观光车底盘，  采用嵌入式技 术设计了一种底盘线控系统，  通过在原车转向机构中增 加转向器、在原车油门信号中增加信号切换模块、在原 车制动机构中增加推杆电机的方式，  实现对原车油门、 制动机构、转向机构的自动化控制。结果表明：  该系统 在电源基准有偏差的情况下输出的油门信号与理论值的 平均偏差仅为-0.847%，  符合系统要求。

        参考文献：

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