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纯电动汽车自动驾驶功能设计
李小润 钟日敏 黄祖朋 赵小羽 沈阳
上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心 广西柳州市 545007
际速度与驾驶员的期望速度一致，实现车辆自动驾驶的功能。通过实车验证和调试，该控制系统具有良好
的响应精度。相较于传统汽车通过控制喷油量的多少来控制车速，具有更好的鲁棒性和实时性。
关键词：纯电动车 自动驾驶 PID 控制
1 引言
在节能减排的法规日益严格及智能驾驶不断兴起的背景下，全球汽车行业关于纯电动车的关注和投入火速增加。美国学者麦肯锡预测，到2025年无人驾驶汽车可以产生2000亿～1.9万亿美元的产值；市场研究公司IHS 预测， 2035年4级完全无人驾驶车每年销量可达480万辆。对任何一个行业而言，这都具有足够的市场诱惑。[1]当前各主机厂都投入了大量的人才及资源进行开发。
无人驾驶，是指通过给车辆装备智能软件和多种感应设备，包括车载传感器、雷达、GPS 以及摄像头等，实现车辆的自主安全驾驶，安全高效地到达目的地并达到完全消除交通事故的目标。[2]无人驾驶的一大核心功能是实现汽车自动驾驶功能，能实现脱离油门踏板，以驾驶员通过上位机发出的任何期望速度行驶。并使得驾驶员能脱离转向系统、制动系统、换挡装置和油门踏板等，自动实现车辆的起步、换挡、加减速、停车等功能。如图1。
鉴于传统车在实现自动驾驶的PID 模块中，通过控制喷油量来调节车速，固然有一定的可靠性。然而出现不同工况或路况时，相同的喷油量输出的扭矩也必然不一样。会使得控制器缺乏精准的鲁棒性和实时性。文章对于纯电动车，设计一种自动驾驶控制系统，直接输
出对电机的扭矩请求值驱动车辆，具有更好的响应精度。
2 自动驾驶功能结构模块设计
自动驾驶功能控制系统的硬件模块主
要包括：1、整车控制器（Vehicle Control Unit，简称VCU）；2、电机控制器（Motor Control Unit，简称MCU）；3、驱动控制器（Drive Control Unit，简称DCU）；4、车速传感器；5、驱动电机。
Autonomous Driving Function Design for Pure Electric V ehicle
Li Xiaorun Zhong Rimin Huang Zupeng Zhao Xiaoyu Shen Yang
Abstract ：
I n the light of automatic driving of electric vehicle, a kind of control system is designed to control the actual torque to drive the vehicle based on PID controller, which makes the actual speed of vehicle constantly equal to the desired speed to achieve the goal of automatic driving of electric vehicle. The control system has been proved to respond to the desired speed accurately via the experiment in the vehicle, and it has a better performance on robustness and real-time function compared with traditional fuel vehicles, which control the vehicle speed via control the fuel supply.
Key words ：electric vehicle, automatic driving, PID controller
图1 无人驾驶车辆示例
精确的定位与导航
用于观察前方的前置视觉系统
雷达(激光或毫米波)系统
控制系统
车联网系统
近距雷达和环视系统
依靠精准地图的研发以及充分利用卫星导航技术精确定位车身位置，无人驾驶汽车就能实现最优化的路径规划。为了实现定位的准确，汽车需要将定位数据和收集到的实时数据进行综合，以保证在汽车不断前进的过程中，车内的实时地图也会及时更新。
挡风玻璃上方安装的摄像机可以更好地帮助汽车识别车前的物体，包括行人、其他车辆情况等等。这个摄像机还会负责记录行驶过程中的道路状况和交通信号标志，而控制软件则会对这些信息进行分析，给出信号。
装在车顶上方的旋转式激光雷达或77GHz的毫米波雷达，能探测前方150米范围内物体的距离。通过控制算法创建出环境模型，帮助汽车识别道路上潜在的危险。
所有传感器收集到的数据及车联网平台的数据，都会在汽车的ECU 上进行计算和整合，进而控制汽车自动驾驶，实现安全、舒适、畅行、绿的用户服务。
车联网是指车与车、车与路、车与人、车与云数据等交互，实现车辆与公众网络通信的动态移动通信系统。安可以通过车与车、车与人、车与路的互联互通，实现信息共享，收集车辆、道路和环境的信息，并在信息网络平台上对多源采集的信息进行加工、计算、共享和安全发布，根据不同的功能需求对车辆进行有效的引导与监管，并提供专业的多媒体与移动互联网应用服务。
无人驾驶汽车的前后保险杠上安装有四个雷达，在车的前后左右也各安装了一个摄像头，它们能够了解周围车况，配合汽车周边环境检测及控制算法，帮助汽车实现变道、自动泊车等。
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由车速传感器采集当前的车速信号，DCU
通过道路的实时工况，对整车提出相应的期望
车速信号，两者通过整车的CAN（Controller
Area Network）总线传输给VCU。VCU采
集二者信号后，通过内部的PID算法，转化
为对MCU相应的扭矩输出请求。MCU控制
电机输出期望的扭矩值，使得车辆能实时地以
DCU发出的期望车速行驶，达到自动驾驶的
目的。控制模块如图2所示。
图2 控制模块
车速传感器
采集信号
V(t)'
驱动控制器下发期望车速V(t)CAN
CAN
整车控
制器
整车控
制器
驱动电
机
扭矩值
CAN
3 PID控制模块设计
3.1 PID简介
东风风光560在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。[3]
其控制框图如图3所示
图3 PID控制框图
r(t)+e(t)
u(t)y(t) -
+
+
+
比例
积分
一汽大众召回微分
车载gps导航广义被控对象
其中，控制偏差e(t)=r(t)-y(t)，比例、积
分和微分的线性组合式为：
=++
∫
式中Kc为比例系数，T1为积分时间常数，Td为微分时间常数。理想PID控制器的传递函数为：
其中，
U(t)：为输出信号；
e(t)：为偏差信号；
Kp：为PID参数的比例系数；
Ti：为PID参数的时间积分常数；
TD：为PID参数的微分时间常数。
PID控制主要包括三大模块：
重型摩托（1）比例P控制
比例控制是最早较为容易且普遍的工具，
针对被控对象的输出与输入之间的差值为正比
关系。即当偏差e(t)出现的时候，比例调节器
通过运算控制，减小偏差的产生，使得系统稳
定运行。比例控制在线性对象里占着绝大部分
的比例。其中关键因素是比例系数Kp，一般
而言，当Kp较大时，误差会更快地减小，但
是此时会引起系统的振荡。当Kp较小时，则
造成稳定调节需要很长的时间的情况。油门线
（2）积分I控制
我们知道，比例控制难以避免稳态误差，
这时，引进了积分算法。积分的作用是对累积
的偏差调整，通过内部运算控制使得偏差慢慢
趋近于零。当系统运行时，积分项随之变大，
这时，即使误差比较小，积分项也会慢慢变大，
依此使输出也慢慢变大，稳态误差慢慢减小，
直至为零。
（3）微分D控制
微分控制的功能是敏感地感知误差变化
的趋向，在偏差值要变得较大的时候，提前加
入具有修正作用的调整信号，使得响应速度加
快，减少调节的时间。因为系统中存在较大的
滞后元件，使得变化滞后于误差的变化。所以
此时若想提高控制精度，必须使用微分控制项
以及早预防误差的出现。
3.2 自动驾驶控制策略
VCU采集当前车速V'(t)，和驾驶员通
过DCU控制器发出的期望速度V(t)，内部通
过PID算法的控制，输出对MCU的扭矩需求
Tq。MCU通过需求的扭矩输出，电机驱动车
辆以期望的速度行走。其控制框图如图4所示。
图4 模型控制框图
比例
积分
微分
-
v(t)+v'(t)
MCU
Tq
+
+
+
经实车测试后，可得出控制系统对DCU
期望车速的响应图，如图5
由图3可知，在城市路况低速调试中，实
际车速达到期望车速的初始时段，误差超调量
为±1.5km/h。达到稳态值后，实际车速与
期望车速基本一致，稳态误差小于0.5km/h。
因此，实际车速与驾驶员下发的期望车速有良
好的跟随性，且加速性良好。
4 总结
以自动驾驶为主要功能的无人驾驶，在智
能和环保的潮流下，如雨后春笋般涌现。与高
速环境研究相比，城市环境下的无人驾驶由于
速度较慢，因此更安全可靠，应用前景更好。
短期内 ，可作为城市大容量公共交通 (如地
铁等 )的一种补充，解决城市区域交通问题。
在此背景下，提出在纯电动车中，以PID算法
控制，由车速参数直接转化为对电机的扭矩控
制，具有良好的鲁棒性和实时性。实车验证中
表现出良好的响应精度，在无人驾驶市场领域
具有很好的推广性。
基金项目：广西创新驱动发展专项资
金资助项目（桂科AA18242039）；柳
州市科学研究与技术开发计划资助项目
（2019AD10202）
参考文献：
[1]杨帆. 汽车的发展现状和展望[J]. 《上海汽
车》，2014（3）：35-40．
[2]孙健，全兴.无人驾驶汽车发展现状及建
议[J].《科技视界》，2017（6）．
[3]何芝强.PID控制器参数整定方法及其应用
研究[D].杭州：浙江大学．
作者简介
李小润： （1990.03—），男，广西桂林人，上汽
通用五菱汽车股份有限公司技术中心电
动化部电动控制工程师。研究方向：新
能源汽车整车控制器软件开发。
图5 速度响应曲线
v(km/h)
25
20
15
10
5
1020304050607080t(s)
当前车速
期望车速
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