無人駕駛重型車輛底盤電控化改裝技術研究

周元豪，黃茂，楊大磊，林森

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

隨著智能技術的不斷發展，無人駕駛技術憑借其廣闊的應用前景，已經成為航空、航天、汽車、軍事等行業的研究熱點。在汽車領域，國內外已經出現了各種各樣的無人駕駛車輛，雖然這些無人駕駛車輛大部分還都處于原理樣機階段，但已經顯示出了無人駕駛的巨大優勢。

國內的無人駕駛車輛絕大部分都是在現有的量產乘用車上進行改裝，其底盤大都采用電噴發動機及自動變速箱，以便于適應無人駕駛改裝。油門、換擋、剎車等車輛操作機構均采用電機驅動機械臂的方式，這種方式純粹模擬駕駛員的操作動作，系統復雜，可靠性難以保障。另外電機驅動機械臂運動一般都需要配合減速器使用，整套裝置體積較大，需占用一定車內空間。隨著汽車電子技術的快速發展，車輛底盤的電控化、總線化為無人駕駛系統對車輛底盤的控制提供了新的途徑。比如，大部分發動機、變速箱的電控系統本身預留了供第三方控制的總線接口及I/O接口，無人駕駛計算機可以直接利用這些接口控制發動機、變速箱，省去了電機、減速器、機械臂等一種套驅動裝置，簡化了整個無人駕駛系統的結構。

1 無人駕駛底盤改裝技術方案

隨著近些年我國汽車工業的迅速發展，特別是汽車電子技術的發展，我國重型車輛大多采用電噴發動機，電控自動變速箱，CAN總線及自診斷等先進技術，這些先進總成及先進技術的應用使我國重型車輛實現無人駕駛控制成為可能。

1.1 無人駕駛底盤改裝要求

重型車輛區別于普通乘用車輛，根據目前實現無人駕駛后的用途及應用前景，其改裝后的功能要求主要有以下幾個方面：

1）無人駕駛系統可以控制車輛油門、剎車、轉向、檔位；

2）車輛既可以無人駕駛也可以有人駕駛，且無人駕駛模式與有人駕駛模式可以快速切換；

3）無人駕駛系統可以控制車輛的燈光、起動、熄火、喇叭；

4）無人駕駛系統可以控制車輛的全輪驅動裝置，包括輪軸差、分動器；

5）無人駕駛模式車輛具有緊急停車功能；

6）無人駕駛系統能夠實現汽車車速、發動機轉速、檔位及方向盤轉角等信號的監測。

1.2 無人駕駛底盤電控化改裝方案

本系統目標車型采用高壓共軌電控發動機，電控液力自動變速箱，整車電子/電器系統采用多路CAN總線網絡架構，具備故障自診斷能力。本系統采用 CAN總線及電控方式實現無人駕駛系統對車輛底盤的控制，其核心是采用了無人駕駛底盤控制器，該控制器采用 32位微控制器芯片，含有 4路CAN總線接口及豐富的I/O接口。系統方案如圖1所示。

無人駕駛控制系統通過無人駕駛控制總線向無人駕駛底盤控制器發送油門、檔位、制動、轉向等控制指令，無人駕駛底盤控制器將油門等指令轉換為底盤各電控系統可以識別的信號或指令，通過底盤動力總線接口或底盤各電控單元I/O進行控制，對于喇叭、電磁閥等車輛電器負載，則通過無人駕駛底盤控制器本身的功率驅動口進行控制。無人駕駛底盤控制器能夠將車輛最基本的車速、發動機轉速、檔位及方向盤轉角等信息通過 CAN總線傳遞給無人駕駛控制層，做到精準控制。

圖1 無人駕駛重型車輛底盤電控化改裝方案

無人駕駛車輛系統通訊采用SAE1939，控制指令采用“專有A”報文，信息報文采用SAEJ1939-71規定的標準SPN，如信息無定義則可自主定義SPN。根據SAE1939定義及控制器功能，系統對控制器都規定了源地址如表1。

表1 無人駕駛車輛系統控制器源地址分配

1.3 發動機油門控制

目標車輛的發動機電控系統具有完善的第三方總線控制接口及I/O接口。無人駕駛對發動機的控制主要是對發動機油門的控制。根據發動機控制功能的開放程度，本方案采用總線方式直接對發動機油門進行控制，控制協議遵循SAEJ1939-71。底盤控制器直接向發動機ECU轉發無人駕駛控制系統發出的油門開度控制指令。

無論車輛處于有人駕駛模式或無人駕駛模式，無人駕駛控制系統都能夠接收底盤控制器轉發的有關發動機的重要信息，可實現對發動機運轉狀況進行實時遠程監測，同時當發動機出現故障時，還可以遠程故障診斷。

1.4 變速箱檔位控制

目標車輛采用的電控液力自動變速箱，其電控單元支持雙換擋機構控制器（主換擋器和輔換擋器），且為總線控制方式，主換擋控制器的源地址為0x05，輔換擋控制器的源地址為0x06。

換擋器選擇開關用于告知變速箱換擋操作由哪個換擋器控制，換擋器選擇開關由底盤控制器驅動換擋器選擇繼電器來實現。當車輛處于有人駕駛模式時，換擋器選擇繼電器斷開，變速箱電控系統響應主換擋器發出的報文；當車輛處于無人駕駛模式時，底盤控制器驅動換擋器選擇繼電器閉合，變速箱電控系統響應輔換擋器發出的報文，此時，底盤控制器接收無人駕駛控制總線上傳輸的換擋信息并向變速箱電控單元傳輸換擋信息。如果要在雙換擋器之間進行切換時，兩個換擋器都必須處于空檔且車輛靜止。

同樣，無人駕駛控制系統接收變速箱的重要信息，實現對變速箱運轉狀況進行遠程監測，同時當變速箱出現故障時，可以遠程故障診斷。

1.5 制動控制

為了實現無人駕駛控制系統對重型車輛制動系統的控制，必須進行制動系統電控化改裝。系統采用國內技術成熟可靠的EBS系統。行車制動方面，在前橋制動回路中串入單模塊電控繼動閥，用雙模塊電控繼動閥取代傳統后橋制動回路中的氣控繼動閥，同時電控繼動閥保留了傳統氣控方式；駐車制動方面，在傳統的駐車制動回路并入脈沖式電磁開關閥。

當車輛處于有人駕駛模式時，底盤控制器不使能EBS系統，EBS保持原有的控制邏輯。處于無人駕駛模式時：行車制動方面，底盤控制器通過無人駕駛控制總線接收無人駕駛控制系統發出的剎車踏板位置報文，底盤控制器按照規定的協議解析剎車踏板位置報文，控制EBS控制器進而控制底盤電控繼動閥使車輛制動。同時電控繼動閥上集成有壓力傳感器用來監測制動氣室壓力，底盤控制器采集壓力傳感器的值并通過無人駕駛控制總線傳輸制動壓力信息；駐車制動方面，底盤控制器接收到無人駕駛控制總線上發送的解除手剎指令時，底盤控制器控制電磁開關閥通氣，反之則控制電磁開關閥斷氣。

1.6 轉向控制

由于目前車輛的轉向系統機構還無法實現線控方式，必須采取硬連接，因此無人駕駛重型車輛轉向系統還需采用機電控制系統進行轉向控制，但是部分部件可以實現總線控制。

系統方案中伺服電機外接行星減速器與轉向管柱機械連接，電機驅動器控制伺服電機轉動帶動轉向管柱轉動，實現對無人駕駛越野車輛的轉向控制。當車輛處于無人駕駛模式，電機驅動器通過無人駕駛控制總線接收目標轉向角度及轉動方向信息，同時通過總線接收角度傳感器發出的實際方向盤角度信息，通過計算后驅動電機轉動達到目標轉向角度；當車輛處于有人駕駛模式時，電機不通電，電機可跟隨方向盤進行轉動。

電機驅動器是無人駕駛車輛轉向系統的核心，該驅動器采用16位飛思卡爾微控制器芯片，含電機驅動模塊、電流檢測模塊、CAN驅動模塊。在電機的控制策略上，采用雙閉環PID控制，外環為位置環、內環為電流環，這樣能夠確保轉向系統準確、快速、平穩的要求。

1.7 底盤電器控制

無人駕駛控制系統對底盤電器控制主要包括起動、熄火、燈光及電磁閥控制。系統通過在原有車型上增加轉換式繼電器實現無人駕駛控制系統對車輛底盤電器的控制，同時，為了采集車身信息，底盤控制器需連接到底盤車身總線上，將車輛底盤車速、氣壓、油量信號打包成 CAN報文發送至無人駕駛控制總線上供無人駕駛頂層控制使用。系統對底盤電器控制的改裝方式無須更改原有車輛車身控制器的控制協議，只需增加控制線路轉換繼電器來進行控制信號切換。

無人駕駛控制系統對發動機起動及熄火控制主要通過動力總線采用事先定義的起動、熄火 CAN指令直接控制發動機ECU，達到發動機起動、熄火的目的。

系統對車身信息的采集是通過底盤控制器間接轉發CAN報文的方式實現，底盤控制器充當網關對CAN信息進行過濾，只對所需的信息進行打包重組，最后發送至無人駕駛控制總線上供無人駕駛控制使用，其優點在于：減輕無人駕駛控制總線上的負載率，確?？偩€通訊順暢。

1.8 控制報文匯總

系統中CAN通訊采用SAE1939協議，控制報文采用“專有 A”報文，結合 SAEJ1939-71，系統控制報文信息如表 2所示。

表2 無人駕駛控制系統控制報文匯總

2 結論

本文首先對重型車輛底盤無人駕駛改裝現狀進行了研究，通過對重型車輛無人駕駛改裝要求進行分析，設計了重型車輛底盤無人駕駛電控化改裝的技術方案，實現了對發動機油門、起動、熄火的控制，對變速箱檔位的控制，對轉向系統的控制，對重型車輛制動系統的控制以及對底盤電器的控制。通過設計合理的 CAN總線網絡架構，實現無人駕駛控制系統對動力系統狀態的檢測、對車身系統壓力、油量、車速等重要信息的監測以及無人駕駛控制系統對底盤的控制。

與以往基于機電系統的改裝方案相比，基于電控化及總線化的重型車輛無人駕駛改裝方案具有如下優勢：

1）簡化了系統復雜度，提高了系統可靠性，節省了駕駛室寶貴的安裝空間。

2）省去了以往車型改裝需要進行的大量機電系統設計工作，只需更改部分通訊協議，即可實現無人駕駛系統在不同車型之間的移植，具體較強的適應性。

3）無人駕駛系統通過車輛總線可以獲得車輛底盤豐富的數據，這些數據可以用于修正無人駕駛的智能控制策略，有助于提高無人駕駛重型車輛的整體性能。

[1] Vehicle Application Layer-SAE J1939/71.SAE.2008.

[2] CX28.CX31和CX35公路用變速箱應用與安裝指南（電氣）.卡特彼勒,2010.

[3] 濰柴WISE15電器匹配手冊.濰柴動力,2014.