(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)实用新型专利
(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201821849825.0
(22)申请日 2018.11.08
(73)专利权人 湖南汽车工程职业学院
地址 412001 湖南省株洲市荷塘区红旗北
路476号
(72)发明人 程泊静　陈刚　胥刚　陈标　
(74)专利代理机构 广州三环专利商标代理有限
公司 44202
代理人 肖宇扬
(51)Int.Cl.
B60W  30/165(2012.01)
B62D  15/02(2006.01)
B60W  50/00(2006.01)
(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利
(54)实用新型名称
一种自动驾驶汽车跟车工况控制系统
(57)摘要
本实用新型公开了一种自动驾驶汽车跟车
工况控制系统。包括摄像头、上位机、整车控制
器、加速度传感器、方向盘转角传感器、霍尔车速
传感器；整车控制器连接有驾驶员接管接口，用
于接收驾驶员行动信号；汽车的制动踏板连接有
制动推杆电机；摄像头实时拍摄车道前方路况得
到视频流，上位机接收视频流中的目标图像，得
到实时车距、偏航角、横向距离和弯道曲率；霍尔
车速传感器，方向盘转角传感器和整车加速度传
感器分别实时检测车速，转向角和加速度信号并
输入到整车控制器中；整车控制器根据接收的各
信号，控制汽车轮毂电机、转向步进电机、制动推
杆电机动作。本实用新型能实现智能汽车在跟车
自主行驶下的智能化和实时性的纵向和横向的
耦合运动控制。权利要求书1页  说明书8页  附图4页CN 209037558 U 2019.06.28
C N  209037558
U
1.一种自动驾驶汽车跟车工况控制系统，其特征在于，包括摄像头、上位机、整车控制器、加速度传感器、方向盘转角传感器、霍尔车速传感器；所述整车控制器连接有驾驶员接管接口，用于接收驾驶员行动信号；所述汽车的制动踏板连接有制动推杆电机；
所述摄像头实时拍摄车道前方路况得到视频流，上位机接收视频流中的目标图像，得到实时车距、偏航角、横向距离和弯道曲率；所述霍尔车速传感器，方向盘转角传感器和整车加速度传感器分别实时检测车速，转向角和加速度信号并输入到整车控制器中，作为闭环控制系统的反馈信号；所述整车控制器与汽车轮毂电机、转向步进电机、制动推杆电机连接，根据接收的各信号，控制汽车轮毂电机、转向步进电机、制动推杆电机动作。
2.根据权利要求1所述自动驾驶汽车跟车工况控制系统，其特征在于，所述方向盘转角传感器包括磁钢、从动轮、旋转角度位置传感芯片、主动齿轮、电路板、CPU控制单元、转向管柱以及光电开关；所述转向管柱与汽车方向盘连接，转向管柱的另一端连接主动齿轮，主动齿轮与从动轮相互啮合，磁钢设置在从动齿轮上方；所述光电开关用于感应磁钢周围磁场变化，由旋转角度位置传感芯片感应并将处理后的信号发送给CPU控制单元；所述CPU控制单元与整车控制器连接。
3.根据权利要求2所述自动驾驶汽车跟车工况控制系统，其特征在于，所述旋转角度位置传感芯片采用MLX90316。
4.根据权利要求1所述自动驾驶汽车跟车工况控制系统，其特征在于，所述汽车的后轮轮毂上均布有磁钢，霍尔车速传感器用于感应磁钢信号变化，并将其信号传送给整车控制器。
5.根据权利要求1至4任意一项所述自动驾驶汽车跟车工况控制系统，其特征在于，所述整车控制器采用微控制器STM32F103R8T6。
6.根据权利要求5所述自动驾驶汽车跟车工况控制系统，其特征在于，所述整车控制器STM32F103R8T6依次通过数字电位器、轮毂电机控制器与轮毂电机连接。
7.根据权利要求6所述自动驾驶汽车跟车工况控制系统，其特征在于，所述整车控制器STM32F103R8T6
的引脚PBO ,PBl和PB2分别与数字电位器X9C103的引脚INC ,CS和UlD连接，自动调节数字电位器X9C103的阻值，进而控制PWM信号调节推杆电机速率；引脚PB5、PB6、PB7、PB8分别与继电器连接，PBS和PB8置低电平时继电器的反转开关开启，推杆缩回，PB7置低电平时继电器的正转开关开启，推杆伸出，自动控制电机通电时间和推杆的运动方向。
8.根据权利要求7所述自动驾驶汽车跟车工况控制系统，其特征在于，驾驶员接管接口的硬件连接如下：包括与整车控制器I/O口连接的接管按键A，接管按键A控制整车控制器PB10置高低电平；当按下接管按键A时，PB10置低电平，驱动轮毂电机控制模块输出电压为OV ，制动推杆电机控制模块的数字电位器输出最大阻值，同时继电器开启，使推杆电机推杆行程在短时间内达到最大。广州汽车展
权　利　要　求　书1/1页CN 209037558 U
一种自动驾驶汽车跟车工况控制系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及自动驾驶汽车领域，具体为一种自动驾驶汽车跟车工况控制系统。
背景技术
[0002]在城市化的快速推进过程中，全球汽车保有量不断增长，汽车在人们的生活工作得到了越来越广泛的应用。汽车在给人们的出行带来极大的便利，随之而来的比如交通安全、环境污染和交通拥堵等问题也成为日益成为城市治理的难题。为了有效应对上述挑战，发达国家，如日本，美国，欧洲等己经投入了大量人力物力研究并应用智能交通系统。智能交通系统的核心理念是用系统的观念来将道路环境和智能车辆看作一个不可分割的有机整体来进行分析研究。因此，智能车辆系统是智能交通系统的一个重要组成部分，它的原理是利用车载传感器来感知和获取外部的道路环境信息、内部的车辆自身状态信息等，车辆的转向，速度和换道实现实时的自动控制，最终实现车辆的自动驾驶。
[0003]自动驾驶由传感器、计算机和控制系统取代人完成驾驶行为，杜绝了驾驶员的主观因素，在控制策略足够完善的前提下，从理论上将事故率降为零。从驾驶的劳动强度上，自动驾驶将人完全从驾驶中解放出来，增加了人的自由时间，降低人的劳动强度。与此同时，自动驾驶技术的进步，既能促进现有的车辆的控制方式的发展和革新，又能有效促进辅助驾驶的发展，可以加速相关学科的研究，如车辆控制、计算机、多传感器系统等，智能化水平正逐渐成为衡量汽车工业水平和研发实力的一个重要指标。
[0004]因此，需要设计一种自动驾驶汽车跟车工况控制系统来解决此类问题。
[0005]本文中，横摆运动是指绕垂直的Z轴的转动，横向运动是在平面内的平移运动。
实用新型内容
[0006]本实用新型为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种自动驾驶汽车跟车工况控制系统，能实现对汽车的自动跟车控制。
[0007]为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
[0008]提供一种自动驾驶汽车跟车工况控制系统，包括摄像头、上位机、整车控制器、整车加速度传感器、方向盘转角传感器、霍尔车速传感器；所述整车控制器连接有驾驶员接管接口，用于接收驾驶员行动信号；所述汽车的制动踏板连接有制动推杆电机；
[0009]所述摄像头实时拍摄车道前方路况得到视频流，上位机接收视频流中的目标图像，得到实时车距、偏航角、横向距离和弯道曲率；所述霍尔车速传感器，方向盘转角传感器和整车加速度传感器分别实时检测车速，转向角和加速度信号并输入到整车控制器中，作为闭环控制的反馈信号；所述整车控制器与汽车轮毂电机、转向步进电机、制动推杆电机连接，根据接收的各信号，控制汽车轮毂电机、转向步进电机、制动推杆电机动作。
[0010]进一步地，所述方向盘转角传感器包括磁钢、从动轮、旋转角度位置传感芯片、主动齿轮、电路板、CPU控制单元、转向管柱以及光电开关；所述转向管柱与汽车方向盘连接，
转向管柱的另一端连接主动齿轮，主动齿轮与从动轮相互啮合，磁钢设置在从动齿轮上方；所述光电开
关用于感应磁钢周围磁场变化，由旋转角度位置传感芯片感应并将处理后的信号发送给CPU控制单元；所述CPU控制单元与整车控制器连接。
[0011]进一步地，所述旋转角度位置传感芯片采用MLX90316。
[0012]进一步地，所述汽车的后轮轮毂上均布有磁钢，霍尔车速传感器用于感应磁钢信号变化，并将其信号传送给整车控制器。
[0013]进一步地，所述整车控制器采用微控制器STM32F103R8T6。
[0014]进一步地，所述整车控制器STM32F103R8T6依次通过数字电位器、轮毂电机控制器与轮毂电机连接。
[0015]进一步地，所述整车控制器STM32F103R8T6的引脚PBO,PBl和PB2分别与数字电位器X9C103的引脚INC,CS和UlD连接，自动调节数字电位器X9C103的阻值，进而控制PWM信号调节推杆电机速率；引脚PB5、PB6、PB7、PB8分别与继电器连接，PBS和PB8置低电平时继电器的反转开关开启，推杆缩回，PB7置低电平时继电器的正转开关开启，推杆伸出，自动控制电机通电时间和推杆的运动方向。
[0016]进一步地，驾驶员接管接口的硬件连接如下：包括与整车控制器I/O口连接的接管按键A，接管按键A控制整车控制器PB10置高低电平；当按下接管按键A时，PB10置低电平，驱动轮毂电机控制模块输
出电压为OV，制动推杆电机控制模块的数字电位器输出最大阻值，同时继电器开启，使推杆电机推杆行程在短时间内达到最大，即本车以最大减速度进行制动操作。
[0017]工作原理：整车控制器接收所述上位机传来的车距，偏航角，横向距离和弯道曲率等输入信号，以及方向盘转角传感器的转向角信号，霍尔车速传感器的车速信号和整车加速度传感器的加速度信号等反馈信号，自动调用自主变速，制动和转向的上层控制策略和下层控制算法，车辆姿态控制策略，实时控制驱动轮毂电机的调速电压，转向步进电机的电机转角和制动推杆电机的推杆行程，从而实时和智能化地控制了智能电动汽车的车速，加速度，制动轮缸压力和方向盘转角，即实现了智能电动汽车在跟车自主行驶下的智能化和实时性的纵向和横向的耦合运动控制。
[0018]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型通过自身传感器感知周围信息的智能汽车，针对智能汽车在跟车自主行驶工况下对横向和纵向运动实现智能化和实时性控制的要求，进行了跟车工况下整车控制系统的信息感知与输入研究，设计了自动变速和制动耦合上层控制策略和下层控制算法，及横向运动上层控制策略和下层控制算法，在此基础上完成整车控制系统的软硬件设计，并通过仿真和实车实验验证控制系统的性能，跟车控制效果好。
附图说明
[0019]图1为实施例1整车控制系统硬件总体结构框图。
[0020]图2为实施例1方向盘转角传感器整体结构图。
[0021]图3为实施例1霍尔式车速传感器控制逻辑原理图。
[0022]图4为实施例1加速度传感器电路原理图。
[0023]图5为实施例1驱动轮毂电机控制电路原理图。
[0024]图6为实施例1转向步进电机控制电路原理图。
[0025]图7为实施例1制动推杆电机控制电路原理图。
[0026]图8为实施例1控制主流程图。
[0027]图9为实施例1的自整定模糊PID纵向运动下层控制原理图。
[0028]附图标记中：1-整车控制器；2-驾驶员接管接口；3-单目摄像机；31-上位机；32-车距；33-偏航角；34-横向距离；35-弯道曲率；4-车速；41-霍尔式车速传感器；5-转向角；51-方向盘转角传感器；52-磁钢；53-从动齿轮；54-霍尔传感器；55-主动齿轮；56-电路板；57-CPU控制单元；58-转向管柱；59-光电开关；6-加速度；61-整车加速度传感器；7-调速电压；71-驱动轮毂电机；8-电机转角；81-转向步进电机；9-推杆行程；91-制动推杆电机；
具体实施方式
[0029]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。所述本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0030]实施例1
[0031]本实施例提供一种自动驾驶汽车跟车工况控制系统。如图1所示，控制系统包括摄像头3、上位机31、整车控制器1、整车加速度传感器61、方向盘转角传感器51、霍尔车速传感器41；所述整车控制器1连接有驾驶员接管接口2，用于接收驾驶员行动信号。
[0032]本实施例的摄像头3采用单目摄像机。
[0033]整车控制器1的输入参数包括车距32、偏航角33、横向距离34、弯道曲率35；所述车距32、偏航角33、横向距离34、弯道曲率35是通过述单目摄像机与上位机31连接，获取测量参数。
[0034]输入参数还包括车速4、转向角5、加速度6。车速4通过霍尔式车速传感器41测量。转向角5通过方向盘转角传感器51测量。加速度通过加速传感器61测量。
[0035]整车控制器1与驾驶员接管接口2连接，并接收驾驶员行动信号，并与输入参数结合，确定输出参数。
[0036]所述输出参数包括：
[0037]调速电压7，所述调速电压7通过驱动轮毂电机71完成电压调节；
[0038]电机转角8，所述电机转角通过转向步进电81确定；
[0039]推杆行程9；所述汽车的制动踏板连接有制动推杆电机91；所述推杆行程通过制动推杆电机91进行调节。
[0040]作为本实施例的一个具体实施方式，整车控制器1采用32位低功耗微控制器STM32F103R8T6。其参数为：工作电压2～3.6V，工作频率为72MHz，内置高速存储器(64K字节的闪存和20KB字节的SRAM)，32个增强I/0端口和联接到两条APB总线的外设；还包含2个12位的ADC，4个通用16位定时器和2个PWM定时器；同时还配置有标准和先进的通信接口：2个I2C、2个SPI、2个I2S、1个SDIO、3个USART、一个USB和一个CAN。
[0041]单目摄像机的功能是实时拍摄本车道前方路况得到视频流，对视频流进行每秒40帧的图像取样，得到某时刻单幅的目标图像。本实施例中，单目摄像机参数如表一所示：