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无人驾驶汽车转向控制单元设计rm

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微处理器应用󰀁󰀁电󰀁子󰀁测󰀁量󰀁技󰀁术󰀁󰀁ELECTRONICMEASUREMENTTECHNOLOGY第30卷第3期2007年3月󰀁

无人驾驶汽车转向控制单元设计

付其军󰀁丁润涛󰀁王󰀁豪󰀁李志杰(天津大学电子信息工程学院󰀁天津󰀁300072)

摘󰀁要:无人驾驶汽车转向控制单元控制转向系统工作,是实现无人驾驶的关键技术。本文介绍了一种结构简单、易于实现且工作可靠的无人驾驶汽车转向控制单元设计方案。无人驾驶汽车转向控制单元通过CAN总线接收来自中央控制系统发送的转向指令,并按一定的控制策略控制转向系统工作,实现自动转向。文中给出了转向控制单元硬件电路与控制策略设计思路。对设计的转向控制单元进行了实车试验,结果表明,该单元能够控制转向系统实现准确、快速、平稳转向,满足了无人驾驶汽车转向要求。关键词:无人驾驶汽车;转向控制单元;CAN总线中图分类号:TN29󰀁󰀁文献标识码:ADesignofautonomousvehiclesteeringcontrolunitFuQijun󰀁DingRuntao󰀁WangHao󰀁LiZhijie(SchoolofElectronicandInformationEngineering,TianjinUniversity,Tianjing300072)Abstract:Autonomousvehiclesteeringcontrolunitisthekeytorealizeautonomousdriving.Thispaperintroducesadesignmethodofautonomousvehiclesteeringcontrolunitwhichissimpleandreliable.SteeringcontrolunitreceivesthesteeringinstructionsemittedbycentralcontrolsystemthroughCANbus.Steeringcontrolunitcontrolsthesteeringsystemaccordingtosomecontrolstrategy.Designofhardwareandcontrolstrategyisgiven.Experimentsonvehicleshaveshownthatthesteeringsystemcansteeraccurately,smoothlyandrapidly.Thissystemcanmeetthesteeringrequestofautonomousvehicles.Keywords:autonomousvehicle;steeringcontrolunit;CANbus

0󰀁引󰀁󰀁言现代高科技与汽车技术相结合,已经能够制成多种类型的无人驾驶汽车,目前发展较快的是自主控制型无人驾驶汽车[1-3],其借助车载雷达与中央控制系统导引汽车实现安全行驶。自主控制型无人驾驶汽车的中央控制系统[4]依据检测到的路况信息发送前行、加速、转向、避让、刹车等各种指令到执行机构,由执行机构完成相应操作。其中转向系统需要精确完成指定角度与角速度的转向,是无人驾驶汽车的重要执行机构。1󰀁无人驾驶汽车转向控制单元设计无人驾驶汽车转向系统由转向控制单元、执行电机、转向盘角度传感器和连接器等部件构成。执行电机为12V/120W的直流电机,它通过蜗轮蜗杆与转向轴机械连接。转向控制单元控制执行电机转动

,实现对无人驾驶汽车的转向控制。其中转向控制单元接收中央控制系统的指令,控制整个转向系统运行,是转向系统的核心。转向控制单元由MCU主控制芯片、电机驱动、CAN总线通讯、电流检测、故障保护及故障显示等模块组成。整体结构如图1所示。

图1󰀁控制单元硬件示意图中央控制系统[4]通过CAN总线将转向角度、角速度及转动方向等信号传输给转向控制单元MCU,MCU对接收到的指令进行解码处理,同时采集转向盘当前的角度,通过计算后控制转向执行机构采取相应操作。当转向系统出现故障或接收到指令要求进入人工转向时,MCU会自动切断转向控制功能,转向系统切换到人工转向。转向󰀁66󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁付其军等:无人驾驶汽车转向控制单元设计第3期控制单元还设有故障保护和显示模块,主要监测角度传感器、电流传感器、电机及MCU内部的故障。一旦上述部件发生故障,转向控制单元会采取相应的处理措施,同时给出故障显示。2󰀁信息通讯实现转向控制单元与中央控制系统之间通过CAN总线进行通讯[5-7]。CAN总线传输的数据包括:人工/智能信号、转向角度、转向角速度、回传角度、回传角速度、回传力矩。本文所应用的通讯协议设计数据场为8个字节共64位,具体分配如表1所示。表1󰀁传输协议8位2位11位8位起始码人工/智能角度角速度11位8位8位8位回传角度回传角速度回传力矩校验码其中,起始码采用0x55,校验码采用循环冗余校验方式,角度与回传角度采用有符号数表示,左转为正,右转为负,这样角度信号同时包括了转向方向信息。3󰀁转向单元控制策略转向控制单元实时采集转向角度信号,依据中央控制系统发出的指令,通过电机驱动模块控制电机工作。转向控制单元的重点在于对执行电机角度与角速度的控制。转向控制单元采用双闭环PID调节的控制策略来满足转向系统准确、快速、平稳的要求[8]。为了满足对转向角度和转向角速度双重控制的要求,外环选择角度增量󰀁󰀁作为目标控制量,角度增量󰀁󰀁的基准是前一个外环周期结束时的转向盘实际角度󰀁。在目标角度󰀁*和实际角度󰀁差大于临界值󰀁的时候,角度增量󰀁󰀁等于给定角速度󰀁和外环周期T的乘积;当目标角度󰀁*和实际角度󰀁差小于临界值󰀁的时候,角度增量󰀁󰀁正比于目标角度󰀁*和实际角度󰀁差,最终趋近于零。角度增量的计算如下:󰀁󰀁=󰀁T,󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁*-󰀁󰀁󰀁K(󰀁*-󰀁),󰀁󰀁*-󰀁<󰀁(1)式中:K为比例系数。内环是电流环,

以外环的输出作为给定量,内环周期短,响应快,保证系统满足快速性和平稳性的要求。控制流程框图如图2所示。4󰀁实验验证设计及调试成功后,先在实验台架上进行转向控制模拟实验。使用一片MCU模拟无人驾驶汽车中央控制系

统,发送目标角度与角速度信号,在上位机中监测转向盘实际角度与角速度响应。给定目标角速度:23󰀁/s,转动角图2󰀁控制流程框图度:190󰀁,图3为上位机监测到的转向盘实际转动情况。由图可见,转向角速度响应快且转向过程中角速度稳定,转向角度变化平稳,控制精确。

图3󰀁转向角度与角速度监测波形经台架验证后,将该转向单元改装到猎豹无人驾驶汽车系统中。在不同的操作工况下进行了转向试验,转向系统响应迅速、角度控制精确,满足实车运行要求。5󰀁结󰀁󰀁论本文介绍了一种无人驾驶汽车转向控制单元设计方案。该方案控制效果稳定可靠,且易于实现,不仅适用于自主控制型无人驾驶汽车,在做部分更改的情况下,同样适用于其它类型的无人驾驶汽车。参考文献[1]󰀁林一平.不断创新发展的现代无人驾驶汽车[J].专用汽车,2003(1):12-14,18.[2]󰀁闫民.无人驾驶汽车的研究现状及发展方向[J].汽车维修,2004(l2):9-10.[3]󰀁林一平.无人驾驶汽车和汽车工业[J].上海汽车,2002(10):42-44.[4]󰀁林一平.现代无人驾驶汽车核心制导技术[J].汽车情报,2002(19):9-13.[5]󰀁李志杰,许镇琳.CAN总线在EPS系统中的应用研究[J].制造业自动化,2004,26(7):46-47.[6]󰀁王轶,张凡.CAN总线技术在智能汽车系统中的应用[J].微计算机信息,2005(7):48-50.(下转第114页)󰀁67󰀁󰀁第30卷电󰀁子󰀁测󰀁量󰀁技󰀁术CM_SCO_CONNECT_REQ,请求建立SCO连接。如果双方都得到了正确的状态返回,语音链路就接通了。4.4󰀁音频信号验证图4是信号发生器产生的2kHz正弦波,将它从语音网关的MIC口输入。图5是经过5m的无线传输后,从耳机端输出的波形。可以看出前后波形基本一致,信号完整性良好。

图4󰀁信号发生器产生的2kHz正弦波

图5󰀁耳机端输出的波形󰀁󰀁经过多人试用,HS和AG在10m范围内保持良好音质,能充分满足语音通话的要求,具有很高的实用价值。参考文献[1]󰀁TheBluetoothSpecialInterestGroup(SIG).BluetoothSpecificationCorev1.2[EB/OL].http://www.bluetooth.org/,2003.[2]󰀁CSRCorporation.BlueCore2-Externaldesignguidelines,[EB/OL].www.csr.com,2003[3]󰀁CSRCorporation.Headsetprofilev1.22003[EB/OL].www.csr.com.[4]󰀁张禄林,雷春娟,郎晓虹.蓝牙协议及其实现[M].北京:人民邮电出版社,2001.[5]󰀁金纯.蓝牙技术[M].北京:电子工业出版社,2001.[6]󰀁钱志鸿.蓝牙技术原理、开发与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.[7]󰀁蔡胜辉,朱绣鑫.蓝牙协议栈实现及HID设备开发[J].电子测量技术,2005,28(4):92,94.[8]󰀁吴昊,朱绣鑫.蓝牙技术应用[J].电子测量技术,2004,27(5):87,91.作者简介芮凯,男,1982年出生,天津人,天津大学通信专业硕士研究生,主要研究方向为蓝牙应用和计算机网络。戴居丰,男,1944年出生,教授,博士生导师,主要研究方向为通信网、光纤通信理论与技术。朱绣鑫,男,1945年出生,副研究员,硕士生导师,主要研究方向为测量技术、智能测试仪器与系统。

(上接第67页)[7]󰀁许鼎,何国瑜.CAN总线在油管自动化控制及测量系统中的应用[J].电子测量技术,2003,27(3):38-39.[8]󰀁陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,1997.作者简介付其军,男,1982年7月出生,2004年于厦门大学物理系电子信息科学与技术专业获得学士学位,现为天津大学电子信息工程学院信号与信息处理专业硕士研究生,主要研究方向为汽车电动助力转向与计算机信号处理。地址:天津大学电子信息工程学院2004级硕士研究生1#信箱,300072电话:E-mail:xiaofuaaa123@126.com󰀁114󰀁

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线控转向功能安全设计

线控转向功能安全设计

线控转向功能安全设计

摘要

在电动化与智能化两大发展趋势之下，我国正处于功能汽车向智能汽车转型的拐点，无数新兴技术得到长足进步，其中线控转向(SBW)系统是发展未来智能汽车的热点.大部分智能驾驶功能都直接和转向技术相关，为提高SBW系统的安全性,可靠性,根据国际标准组织(ISO)的"ISO26262"，分析了线控转向功能安全设计。

技术背景介绍

X-By-Wire线控技术背景

线控技术（By-Wire），通俗来讲就是由“电线”或者电信号来实现 动力学传递控制，而不是通过机械装置的“硬”连接来实现操作。其核心是智能机电传动装置，从应用于飞机驾驶控制上的Fly-By-Wire发展而来。该技术利用传感器将驾驶者输入信号传递到中央处理器、通过中央处理器的控制逻辑发送信号给相应的执行机构完成驾驶者的相关操作。这样可取代传统的机械结构，实现对汽车各种运动的电子线控。

X-By-Wire 包含有Steer-by-wire，Brake-by-Wire,

Shift-by-wire, Park-by-wire等，是无人驾驶车辆以及先进驾驶辅助系统的基础。

线控转向系统基本结构

线控转向系统主要由综合控制器、路感模拟器及转向执行器组成，如图1所示。

功能安全要求具有一定的继承性和独立性，因此在设计线控转向功能安全目标时的场景分析、危害辨识、汽车安全完整性等级（Automotive Safety Integration Level，ASIL）评估可以参考EPS系统设计经验，每一部分均具有一定的关联性。

线控转向系统中控制器较多，且无法进行取代，同时参考博世的电子电气架构技术战略图（见图2）及整车需求，在当前阶段采用域中心控制器的架构设计。

综合控制器负责线控转向系统综合控制，对路感模拟器及转向执行器分别发出转矩及转角执行的信号请求，同时负责与整车及SBW系统内部的信息传递。路感模拟器由转角扭矩传感器、路感电机及其控制器组成，其中，转角扭矩传感器负责转角及扭矩的信号获取，路感电机控制器接收综合控制器的扭矩请求，控制路感电机实现路感控制，同时向综合控制器反馈转角及扭矩信息。

无人驾驶车辆的控制与系统设计

无人驾驶车辆的控制与系统设计

无人驾驶车辆的控制与系统设计

随着科技的不断进步和发展，无人驾驶车辆的技术也逐渐成熟，成为了汽车行业的一个重要方向。无人驾驶车辆具有自动驾驶、智能交通、车联网等丰富的技术要素，这些都离不开控制与系统设计的支持。在本文中，我们将讨论无人驾驶车辆的控制与系统设计。

一、无人驾驶车辆控制

无人驾驶车辆的控制技术是无人驾驶技术的核心部分。控制技术可以实现自动驾驶、自动刹车、自动避障等功能，并且在无人驾驶车辆的路线规划和路径选择中发挥着至关重要的作用。无人驾驶车辆控制的实现需要依靠计算机视觉、激光雷达、超声波探测器等多种传感器，并通过复杂的算法实现。这些算法主要包括目标检测、跟踪和识别、路径规划、位置估计等技术手段。

在无人驾驶车辆控制的过程中，车辆需要进行数据采集、数据处理、以及决策和执行等多个环节。其中，数据采集环节需要车辆通过传感器采集外界的信息，如环境信息、障碍物信息等。数据处理环节将采集到的数据进行处理和过滤，以便于后续的分析和决策。在决策和执行环节，车辆会实现算法计算和控制系统的操作，完成自动驾驶、自动刹车或自动避障等功能。

二、无人驾驶车辆的系统设计

无人驾驶车辆的系统设计也是无人驾驶技术的关键部分。无人驾驶车辆的功能涉及到车辆、传感器、计算机、通信等多个方面，并需要对这些方面进行系统的设计和集成。因此，无人驾驶车辆的系统设计需要考虑多方面的问题，如设计原则、系统架构、软硬件选择等。

设计原则：无人驾驶车辆的设计需要考虑安全、可靠、稳定等多重因素。设计中需要考虑到万无一失的要求，以避免影响驾驶员和路人的生命安全。此外，无人驾驶车辆的设计还需要考虑成本和可扩展性的问题。 系统架构：无人驾驶车辆的系统架构决定了系统的整体组织和设计。无人驾驶车辆的系统架构通常包括感知、决策、执行三大部分，感知部分负责采集周围的信息，决策部分通过分析、判断和预测，确定车辆的状态和行驶路线，执行部分负责操作驾驶系统、改变车辆状态等。

无人驾驶车辆控制系统设计简析

无人驾驶车辆控制系统设计简析

无人驾驶车辆控制系统设计简析

在21世纪，随着人工智能技术的快速发展，无人驾驶车辆不再是科幻电影中的幻想。随之而来的是一项核心技术——无人驾驶车辆控制系统。这个系统必须确保无人驾驶车辆能够像人一样安全、可靠地行驶。本文将从软件、硬件和传感器等三个方面简析无人驾驶车辆控制系统的设计。

一、软件控制系统

无人驾驶汽车的核心控制系统是软件。设计一个完善的软件控制系统是减少车辆出现故障和保证行驶的安全的基础之一。实际上，这个控制系统可以分为两个部分：核心控制和周边控制。

核心控制采用了机器学习算法。硬件系统通过传感器获取数据，并把信息传递给核心控制系统。核心控制系统将分析和评估各种信息，例如道路上的障碍物、车速、车道、停车位等。依照分析的结果，控制中心将指挥车辆自动化地加速、减速、转向、制动等操作，同时保证车辆尽可能遵循交规。

周边控制系统同时处理各种其他任务，例如车内环境和系统科技处理。车内环境控制涵盖舒适性、娱乐和驾驶员互动。科技处理负责各种诸如发动机和其他电子设备的控制系统运行。

二、硬件控制系统

作为软件系统的承载体，硬件也是无人驾驶汽车不可或缺的重要组成部分。下面是一些有关无人驾驶汽车硬件控制系统的示例：

1. 高精度GPS定位

无人驾驶汽车必须精确定位，即使是在最复杂的路况下也能够确定车辆的位置。因此，高精度GPS定位非常关键。 2. 激光雷达技术

激光雷达技术用于跟踪汽车周围的任何障碍。激光雷达通过在车辆周围360度扫描地形，确定车辆周围的障碍物。这些数据传输到软件系统，以便让车辆自动避免障碍物。

3. 摄像头技术

摄像头技术是车辆掌握道路信息的另一种方式。摄像头可以捕捉周围环境，并传输给软件系统进行处理。这些摄像头可以看到路标、红绿灯和其他标志。

三、传感器设计

无人驾驶汽车所需要的大量数据来自传感器系统。因此，根据车辆运行环境的不同，选用的传感器也不同。下面是几个与无人驾驶汽车设计相关的传感器：

智能车辆自动驾驶域控制器设计与实现共3篇

智能车辆自动驾驶域控制器设计与实现共3篇

智能车辆自动驾驶域控制器设计与实现共3篇

智能车辆自动驾驶域控制器设计与实现1

智能车辆自动驾驶是当前汽车领域的热门话题之一。要实现自动驾驶，需要优秀的控制器的支持。对于自动驾驶控制器的设计和实现，我们首先要了解什么是控制器。

控制器是指一种将输入信号转换为输出信号的设备，用于控制设备或机器的工作。在自动驾驶领域，控制器负责根据传感器收集的数据，计算车辆需要执行的操作，然后向执行单元发送指令，实现控制车辆行驶的功能。

智能车辆自动驾驶控制器的设计基于传感器数据的处理，是一个非常复杂的过程。下面，我们将深入探讨智能车辆自动驾驶控制器的设计与实现。

1. 硬件平台

智能车辆自动驾驶控制器的硬件平台需要满足高性能和可靠性两大需求。通常采用的是嵌入式系统，内置故障检测机制，以确保在与车辆上其他系统的交互中出现故障时应对得当。

2. 控制策略

控制策略是指决定车辆如何运动的方法。智能车辆自动驾驶控制器的设计需要考虑到各种各样的情况，采用相应的控制策略来优化车辆的行驶。

例如，当车辆处于道路上时，需要保持在车道上行驶，防止与其他车辆发生碰撞；当车辆需要变道时，需要判断周围交通情况，避免和其他车辆撞车；当车辆需要停车时，需要保证停车的位置精确到位等等。

3. 传感器

传感器是智能车辆自动驾驶控制器的重要组成部分。传感器根据不同的应用场景可以有很多种选择，例如雷达、摄像头、激光雷达、超声波等等。

传感器的作用是实时采集车辆周围的信息，包括其位置、速度、加速度等等。通过处理这些信息可以使车辆更加智能化，感知周围环境的变化，提高车辆行驶安全性和可靠性。

4. 实时操作系统

由于智能车辆自动驾驶控制器需要实时响应传感器数据，因此需要采用实时操作系统来保证控制器的稳定性和实时性。

实时操作系统通常使用RTOS（Real-Time Operating System）来支持嵌入式应用程序。RTOS主要提供任务管理、时间管理、内存管理、设备管理等一系列任务，可以有效提高控制器的稳定性和可靠性。