汽车工业研究·季刊2020年第4期
设计及实现
▶◀
……………………………………………………………………………赵凤贤尚阔孙梦阳
前言
现阶段的中国已成为世界第一大
汽车生产国和消费国，其保有量已超过3亿辆，预计到2025年与欧洲持
平，由此带来的能源紧张、环境污染、交通拥堵和事故频发等问题日益突出[1,2]。在此背景下，国家政策大力扶持新能源汽车产业发展，并在新能源汽车基础上研发无人驾驶技术，通过车载传感系统感知道路环境，自动
规划行车路线并控制车辆实现自动驾驶的目的，彻底地改变传统的驾驶习汽车qq
惯，减轻汽车驾驶员操纵负担和提高车辆行驶安全性[3]。
2017年，首届中国大学生无人
驾驶方程式大赛（Formula Student
Autonomous China,FSAC ）的成功举
办，进一步促进了企业与高校“产学研”深度合作，为未来智能网联和无人驾驶技术发展作出了极大贡献。而底盘控制系统作为无人驾驶技术的核心部件之一，其任务是接收感知层处理过的环境信息、车辆本身的状态信息和车辆期望运动路径信息，通过控制策略作出相应决策，控制车辆的转向、制动和速
度，保证车辆安全可靠的在赛道上行驶，并完成期望的目标路径。
无人驾驶电动赛车底盘控制系统由机械系统和电控系统两部分构成，本文重点研究电控系统设计与开发。在原有底盘电控系统基础上增加无人驾驶控制系统、转向控制系统、线控制动控制系统、驱动控制系统和紧急安全制动系统，采用分层式集中控制思想，利用Matlab/Simulink/Stateflow 软件搭建整车控制模型，下载至RAPIDEDU 快速原型控制器，编译并生成嵌入式C 代码，通过CAN 总线通讯方式与感知系统层进行数据交互以及对驱动部件进行控制，从而实现对赛车底盘机械系统控制。在控制策略方面，引入了模型预测控制（MPC ）算法、牵引力控制（TCS ）算法，使得控制更加精确。通过对无人驾驶电动赛车底盘电控系统调试与实车测试，证明了无人驾驶电动赛车底盘电
控系统及控制策略的可行性与可靠性。
底盘电控系统结构及子部件功能
1.1底盘电控系统结构
底盘电控系统是指车辆上的传感器与车上的机械系统配合使用（通常
30
汽车工业研究·季刊
2020年第4期
与动力系统、底盘系统和车身系统中的子系统融合），并利用电缆或无线电波互相传输讯息，即所谓的“机电整合”。为确保电动赛车在无人驾驶过程中可靠运行，其底盘电控系统需增加了无人驾驶控制系统、转向控制系统、线控制动系统、驱动控制系统、紧急安全制动系统（EBS ），具体构架见图1所示，感知系统、电机驱动系统、制动控制系统、电池管理系统（BMS ）和转角传感器均采用CAN 总线通讯[4]；对于仪表、急停遥控器和调试遥控器采用RS232串口通讯；对于转向电机采用RS485通讯；对于车上启动按钮、加速踏板及制动踏板传感器、指示灯和继电器等采用普通IO 口通讯。
底层电控系统通过自定义CAN 传输协议，将感知系统对赛道轨迹及车身姿态等相关信息传送至整车控制器，设定控制目标值，对转向电机、制动电机及驱动电机进行控制，满足实时性与稳定性的要求。
1.2子部件功能
1.2.1无人驾驶控制系统
为保证电动赛车在无人驾驶的过程中可靠运行，本文设计无人驾驶控制系统，在不同状态需要不同条件进行触发，例如当无人驾驶赛车处于系
统准备状态，当接收到“GO ”信号时，自动跳到无人驾驶系统行使状态，见图2所示，“关闭”为驱动器切断电源，可执行手动转向；“激活”为根据无人驾驶系统指令立即响应；“脱离”是指驱动器切断电源，可执行手动制动；“占用”是指在tan=0.15的坡度上，赛车不允许发生移动。
1.2.2转向控制系统
转向控制系统采用基于运动学模型的模型预测控制（Model Predictive Control ，MPC ），接收感知系统处理后的参考轨迹，从而实现轨迹的跟踪。
本文预测模型采用二自由度自行车模型，如图3所示，整个控制量可简化为（α，δf ），其中，α是车辆的加速度，踩加速踏板代表加速（α>0），踩刹车踏板代表减速（α<0）；δf 是方向盘转角。
根据当前状态，可计算出下一时的车速v t+1和车辆当前的偏航角φ，具体如下：
v t+1=v t +a×dt （1）
φt+1=φt +
v t
l r
sin(β)×dt （2）
雪佛兰开拓者2.4启动按钮轮速传感器
指示灯
库里南价格启动鸣笛数据信号采集
低压电路继电路
电机控制器
BMS
横摆传感器转角传感器感知系统
CANH CANL
RS485/串口/DBUS
加速踏板
传感器
制动压力传感器
悬架线位移传感器
电流传感器
显示仪表急停遥控器转向电机
调试遥控器
l400模拟信号采集
数字信号输出
CAN 收
发器
整车控制器
丰田兰德酷路泽4000图1底盘电控系统结构构架图
图2无人驾驶控制系统状态转换图
无人驾驶系统准备
低压系统：开启驱动系统：开启启动鸣笛：关闭转向驱动器：激活制动：占用紧急制动系统：使能状态指示灯：黄灯常亮
无人驾驶系统行驶
低压系统：开启驱动系统：开启启动鸣笛：开启转向驱动器：激活制动：激活紧急制动系统：使能状态指示灯：黄灯闪烁
“GO ”信号
无人驾驶系统关闭
低压系统：不限制驱动系统：不限制启动鸣笛：不限制转向驱动器：关闭制动：脱离紧急制动系统：脱离状态指示灯：关闭
无人驾驶系统完成
低压系统：开启驱动系统：关闭启动鸣笛：关闭转向驱动器：关闭制动：占用紧急制动系统：使能状态指示灯：蓝灯常亮紧急制动
低压系统：开启
驱动系统：关闭启动鸣笛：关闭转向驱动器：激活制动：不限制
紧急制动系统：激活
状态指示灯：蓝灯闪烁+
蜂鸣
安全回路断开
安全回路
意外断开
安全回路断开任务完成车速为
零无人驾驶主开关关闭
无人驾
驶主开关关
闭紧急制动系统手动释
放无人驾驶主开关关闭
无人驾驶主开关开启驱动系统开启无人驾驶任务进行选择紧急制动系统使能
31
开始
采集四个车轮
轮速、车速
计算滑转率
滑转率大于0.25？
Y
N
计算当前滑转率与
目标滑转率的差值
计算滑转率差值对
应的过剩驱动力矩
当前驱动力矩减
去过剩驱动力矩
输出驱动力矩
给车轮
结束
不干预驱动力矩
其中，β=tan-1(l r l f+l r tan(δf));l f
和l r分别为前轮和后轮到车辆重心的
距离。
1.2.3线控制动系统
在无人驾驶过程中，线控制动系统需模拟人踩踏板，根据实时工况调整制动压力，以达到相应的制动防抱死、驱动防滑及稳定性控制效果[5]。
1.2.4驱动控制系统
为了保证电动赛车在无人驾驶过程中驱动的稳定性，引入了牵引力控制系统（Traction Control System，TCS），其控制过程见图5所示。1.2.5紧急安全制动系统
在行车过程中，遥控急停触发、安全回路断开以及出现数据错误时，必须触发紧急安全制动系统，使
气缸快速推动制动踏板，将无人驾驶电动赛车立即进入停车状态，并断开高压系统，且在未解除状态前不允许移动。紧急制动系统存在三种状态，即：
u“脱离”是驱动器断开电源/系统能量储存脱离，
紧急制动行为不可能发生；
u“使能”是如果安全回路断开或者低压系统电路断开，将立即开始紧急制动动作；福州到泉州多少公里
u“激活”是闭合状态并仅可以在断开无人驾驶系统主开关开关或进
行相关手动步骤的情况下释放。
底盘电控系统开发与实现
整车控制器采用汽车级微处理芯片MPC5674F的RAPIDEDU快速原型控制器实现，本文采用Matlab/Simu⁃link/Stateflow软件搭建整车控制系统模型，利用RAPIDEDU快速原型控制器
自带编译器编译并生成嵌入式C代码，下载至快速原型控制器中，从而实现对赛车的底盘控制，具体
见图6所示。
整车底层电控系统设计与程序开发是无人驾驶方程式赛车搭建的重要组成部分，本文采用分层集成控制思想实现底盘驱动系统、转向系统、紧急制动系统的协调控制，具体见图7所示。
整车控制器以CAN报文形式接收外部发来的数据，通过DBC软件建立CAN解析模块将CAN报文上的数据位上的数据进行提取，得到控制器里面算程序所需要的数据，此时为接受解析；而发送解析是通过DBC软件建立CAN解析模块，将算法模型求解得到的数据加载到CAN解析模块上，以CAN报文的形式与外部控制器进行数据交互，见图
7所示。
实车调试
3.1整车电控系统测试
在电机安装到赛车前利用奥地利AVL公司的测功机进行标定测功，以便能够精确得到电机实际输出扭矩，转速以及功率的特性曲线。同时，在整车电气元件和线束布置好之后，需对整个控制系统的通讯
进行测试，若通信正常无误，采用CANape标定软件进行实车标定，在控制模型中添加标定量与测量量，通过RAPIDEDU快
图3车辆二自由度自行车模型
图5TCS控制策略流程图32
汽车工业研究·季刊2020年第4期
汽车工业研究·季刊
2020
年第4
期
速原型控制器自带编译器将控制模型编译生成A2L 标定文件，导入CANape 软件工程中，将CANape 上位机软件
通过CAN 卡与快速原型控制器进行链接，实时的对执行部件在线标定，具体见图8所示。
3.2实车道路测试
实车道路测试是对赛车整车上各机械零部件之间和电控系统各部件之间的匹配进行一个整定。图9中，引
入遥控系统，使用遥控信号模拟环境感知系统向底盘电控系统发送数据，
能够验证其系统的稳定性和响应性。
结束语
本文针对无人驾驶电动赛车底盘
电控系统进行设计与实现，在传统电控系统基础上增加无人驾驶控制系统、转向、制动及驱动控制系统、紧急安全制动系统，并利用Matlab/Simu⁃link/Stateflow 搭建整车底盘电控系统模
型，下载至RAPIDEDU 快速原型控制器编译，从而实现对赛车底盘的控制。通过CAN 总线通讯方式与感知系统层进行数据交互以及对驱动部件的控制，满足实时性与稳定性的要求。通过对无人驾驶电动赛车底盘电控系统调试与实车测试，验证了其系统在无人驾驶电动赛车的可行性和可靠性，对新型式智能电动汽车的发展具有重要的参考价值。
参考文献
[1]程志刚.我国新能源汽车企业战略成本管理分析[J].重庆文理学院学报（社会科学版）,2020,39(1):49-55.
[2]刘牛.基于无人驾驶的电动汽车电机-变速器一体化系统研究[D].合肥：合肥工业大学,2016.
[3]王世峰，戴祥，徐宁等.无人驾驶汽车环境感知技术综述[J].长春理工大学学报（自然科学版）,2017,40(1):1-6.
[4]任建平，李刚，石晶等.无人驾驶电动赛车线控制动控制研究[J].汽车实用技术,2017,40(1):1-6.
[5]饶运涛，邹继军，郑勇芸.现场总
线CAN 原理与应用技术[M].北京：北京航天航空大学出版社,2017.
图6RAPIDEDU 快速原型控制器及控制程序界面
图7CAN 接收及发送解析程序
图8实车调试与标定
图9实车调试与标定
33
发布评论