CN100523770C - 摩托车自动模拟无人驾驶系统 - Google Patents

Abstract

摩托车自动模拟无人驾驶系统主要由工业控制计算机、步进电机驱动器、信号采集系统、试验台架四部分组成。其中试验台架可分为传感器部分、离合器执行机构、换档机构、油门执行机构及制动执行机构。用于实现摩托车在室外人为驾驶时的各种动作和试验过程。通过测试程序，系统能够方便的选择各种不同车型如无级变速车型、自动离合器车型或手动离合器车型，并对各种车型进行耐久性测试。系统能够准确控制、实现摩托车的各种动作，实时在线对试验车辆的和各项参数进行采样、计算，可随机对当前测试点的试验数据进行采样，试验结果及数据都将自动保存到数据库中，供操作人员查询、找印。同时，系统具备超限报警功能以保护试验车辆。

Description

摩托车自动模拟无人驾驶系统

技术领域

本发明涉及一种在车辆运行状况下控制车辆速度的试验设备，属于摩托车检测试验设备制造技术领域。

背景技术

现有的摩托车耐久性试验，都是通过驾驶员来实现车辆油门、离合器、换档机构的操作，这种实验的安全性很低，效率低，无法保证每次实验状况的一致性和数据的可靠性，目前国内还没有在道路阻力模拟试验台上进行摩托车耐久性试验的报道。

发明内容

本发明目的正是在于针对现有技术的不足而推出一种结构简单合理，制造方便，成本低，便于操作，性能优良的摩托车自动模拟无人驾驶系统。

实现本发明目的的技术方案是摩托车自动模拟无人驾驶系统由工业控制计算机、步进电机驱动器、信号采集系统、试验台架四部分组成，其中试验台架可分为传感器部分、离合器执行机构、换档机构、油门执行机构及制动执行机构五部分，其特征是

在摩托车油门把手上安装控制机构，通过油门拉线和电机连接，控制电机的旋转角度来实现对车辆油门的控制；

在摩托车离合器把手上安装控制机构，通过拉线和电机连接，控制电机的旋转角度来实现对车辆离合器的控制；

通过电机带动摩托车换档花键轴，达到加档和减档的目的，并且为了防止车辆的移动，可以使用万向轴连接，若由于车辆原因的档位出错可以自检报警，手动按钮控制重新切换；

在道路阻力模拟试验台转鼓的传动轴上安装制动盘，通过计算机控制电机推动制动系统，实现减速度的跟踪；

同时离合器反馈信号、换档反馈信号、油门反馈信号、制动反馈信号通过采集板的采集反馈到工业控制计算机系统；信号采集系统对试验台架主控机上的各种实验数据进行采集，通过工业控制计算机和测试软件对采集到的车辆数据进行判断、处理并控制各执行机构进行需要的动作，使摩托车按照预先设定的运行模式行驶，并保存在行驶工程中需要的车辆的数据。

系统工作原理

在道路阻力模拟试验台上进行摩托车耐久性试验时，摩托车自动模拟无人驾驶系统替代驾驶员实现车辆油门、离合器、换档机构的自动操作，按照设定的运行模式曲线进行摩托车性能的耐久性试验，采集车辆行驶过程中产生的数据，并通过对这些数据的判断对摩托车的油门、离合器、换档机构、制动的模拟操作，使摩托车按照预先设定的运行模式行驶，来实现对摩托车的模拟人工控制。

系统特点

摩托车自动模拟无人驾驶系统可以在摩托车进行耐久性试验时替代驾驶员的操作，提高试验效率和试验的安全性，保持试验状况的一致性及数据的可靠性。

附图说明

图1是本发明系统组成框图。

图2是本发明信号采集、处理系统示意图。

图3是本发明无级变速车耐久性测试线程流程图。

图4是本发明油门最大开度测量程序流程图。

图5是本发明离合器动作流程图。

图6是本发明超限报警线程流程图。

图7是本发明机械结构示意图。

图8是本发明电气结构示意图。

具体实施例

为了更好地理解本发明的内容，从以下8个方面进行说明。

1、系统组成

摩托车自动模拟无人驾驶系统组成如图1所示，主要由工业控制计算机、步进电机驱动器、信号采集系统、试验台架四部分组成。其中试验台架可分为传感器部分、离合器执行机构、换档机构、油门执行机构及制动执行机构五部分。图7是本发明机械结构示意图，在摩托车10油门把手2上安装控制机构，通过油门拉线和电机1连接，控制电机1的旋转角度来实现对车辆油门的控制；在摩托车10离合器把手3上安装控制机构，通过拉线4和电机连接，控制电机的旋转角度来实现对车辆离合器的控制；参照摩托车10换档机构的结构，使用电机5带动摩托车10换档花键轴，达到加档和减档的目的；并且为了防止车辆的移动，可以使用万向轴6连接；若由于车辆原因的档位出错可以自检报警，手动按钮控制重新切换；在道路阻力模拟试验台转鼓9的传动轴上安装制动盘8，通过计算机控制电机推动制动系统7，实现减速度的跟踪；图8是本发明电气结构示意图，包括工控机系统和按钮操作系统，对采集到的车辆数据进行判断、处理并控制各执行机构进行需要的动作，使车辆按照预先设定的运行模式行驶，并保存在行驶过程中需要的车辆的数据。

2、系统功能实现

摩托车自动模拟无人驾驶系统用于实现摩托车在室外人为驾驶时的各种动作和试验过程。通过测试程序，系统能够方便的选择各种不同车型如无级变速车型、自动离合器车型或手动离合器车型，并对各种车型进行耐久性测试。系统能够准确控制、实现摩托车的各种动作，实时在线对试验车辆的和各项参数进行采样、计算，可随机对当前测试点的试验数据进行采样，试验结果及数据都将自动保存到数据库中，供操作人员查询、找印。同时，系统具备超限报警功能以保护试验车辆。

在试验台架上，利用道路阻力模拟试验台的滚动阻力模拟系统和离心风机来模拟摩托车的道路行驶阻力。通过道路阻力模拟试验台的变频调速器控制冷却风机的转速随车速的变化而变化，用以模拟实际道路行驶时的风阻以及空气对摩托车的冷却作用。离合器动作及档位切换是通过控制离合器执行机构及换档机构来实现。油门执行机构与试验车辆的油门线连接，通过油门执行电机的转动带动油门线，用以控制摩托车油门开度的大小，从而实现车速的调整。

在系统设置中有10种耐久性运行模式可供用户进行选择或自行设定，10种运行模式可以任意多次组合，形成试验车辆的设定运行曲线。测试开始后，系统按设定曲线自动调整油门大小及其它执行机构的动作进行曲线跟踪，实现耐久性测试。

3、信号的采集和处理

信号采集处理电路是测试软件和试验台架之间联系的纽带，用于实现各种试验数据的采样、工控机的信号输出以及各执行机构的动作控制。信号采集和处理电路的设计、各模板的选择是耐久性试验系统测试精度得以保证的基础，可以根据需要达到的控制效果来选择或自主设计信号采集处理模块和转换电路，这里是选择现有的模块来进行对信号的采集和处理。其结构如图2所示，试验台架上的油温、座温信号通过油温、座温传感器、热电偶转换器、变换器、模/数转换板传递到工业控制计算机；试验台架上的车速信号通过定时/计数板传递到工业控制计算机；试验台架上的发动机点火脉冲信号通过滤波、整形电路和定时/计数板传递到工业控制计算机；同时工业控制计算机通过定时/计数板和步进电机驱动器与试验台架上的步进电机连接；试验台架上的控制按钮执行器件通过开关量输入板与工业控制计算机连接；同时工业控制计算机通过开关量输出板和电磁继电器板与试验台架上的控制按钮执行器件连接。

4、测试步骤

测试时，先将试验车辆固定于道路阻力模拟试验台上，车轮置于道路阻力模拟试验台的转鼓上，试验车辆油门线与油门执行机构连接，并将发动机座温、油温传感器安装到车体相应位置。若进行自动离合器车型或手动离合器车型的试验则应安装好换档机构、离合器执行机构并对该试验车辆进行离合器的半开度、最大开度测量，将测量结果保存。在对每一种车型进行第一次测试时，都需对该试验车辆进行油门最大开度测量，并将测量结果保存。在试验程序主界面中选择将要进行的试验项目及试验车型，并设置相关测试用参数、临界报警参数，选择或自行设定车辆运行模式，启动试验过程中，试验人员可以使用控制台面板上的按钮来操作执行机构的动作，如使用“停止”按钮人为退出当前测试线程，使用“前踩”、“后踩”按钮调整有档位车辆的当前档位状态，若测试出现异常情况则使用“急停”按钮退出检测程序。测试线程结束后会自动退出当前测试界面回到主界面。

5、总体结构及主要功能

测试软件主要由车型选择、测试项目选择、相关参数设定、测试结果查询四部分组成。

摩托车车型有无级变速车型、自动离合器车型、手动离合器车型三种。测试项目选择用来选定将要进行的测试类型，包括耐久性测试。除油门最大开度测试项目外，测试项目有对应的视图类、查询类以及测试线路，各测试界面、测试结果的存储、查询、打印功能都是在相应的“类”中得以实现。当车型和测试项目选定后，测试时所调用的工作线程也就确定了。

参数设置可分为测试环境参数设置、超限报警参数以及测试项目参数设置。测试环境参数包括试验人员的姓名、试验车辆号及编号、质量、前后轮气压、车体加载质量、润滑油型号、汽油型号及混合比，环境温度、模拟路面状况等，记录测试时的外部环境状况。超限报警参数包括发动机最高、最低转速以及油温、发动机座温的最高限定值，用以保护试验车辆或检测装置在测试中不受损坏。测试项目参数是指为各测试项目运行所设置的数据或运行曲线。对无级变速车型，在耐久性测试前，必须进行耐久性测试模式的选择或编辑，耐久性测试要给出测试循环模式。若试验车辆为自动离合器车型则要进行档位切换方式的选择，若为手动离合器车型，还需进行档位切换关系的设置。

测试结束后，测试结果将自动存盘。测试结果查询使用户在不操作数据库的情况下，直接通过主界面中的下接菜单即可查找相关测试项目的测试数据。行驶记录由操作人员填写，用以记录测试时所出现的各种异常情况。

6、测试项目

6.1 无线变速车型耐久性测试线程

无级变速车型是指不具备档位切换机构、离合器脱合机构的摩托车，行驶过程中车速的高低完全由油门开度的大小来确定。在测试系统中，所有线程采用的车速控制方法与无级变速车型耐久性测试线程的控制方法相同，在其它测试线程的流程图中车速控制部分均以“车速控制过程”代表。无级变速车型耐久性测试线的流程如图3所示，首先确定测试时所调用的工作线程，然后定义变量、初始化参数，然后按以下步骤进行测试：

①判断循环是否结束；

②如果结束，则保存测试数据，电机复位，返回主界面；

③如果不结束，则取当前运行模式各测试点参数；

④再判断当前模式是否结束；如果结束，则计算总运行时间、里程，然后循环次数加1，返回①；

⑤如果不结束，则判断当前时间是否小于下一点设定时间；

⑥如果不小于下一点设定时间，则测试点数加1，返回④；

⑦如果小于下一点设定时间，则计算速度、速度误差的变化量，按照控制规则，计算油门调整脉冲并送入油门执行电机，延时、采样，输出测试界面显示数据，然后回到⑥。

6.2 油门最大开度测量程序

在对每种车型进行第一次测试时，必须先对试验车辆的油门最大开度进行检测，这样可以得到在不损坏试验车辆的情况下，油门旋转到最大所对应的脉冲控制量。测量结果保存后，测试时通过对油门开度的实时监测，达到保护试验台架及车体的目的。油门最大开度的测量程序流程见图4所示：

①首先悬挂起越界报警线程，将油门开至最大，然后启动模/数转换电路，读入油门开度最大值openmax，松开油门；

②判断当前油门开度是否小于openmax；

③如果小于openmax则送2个控制脉冲，并将脉冲计数变量值加2，延时，启动并读油门开度A/D转换值，回到②；

④如果不小于openmax则输出油门开度最大脉冲数值，唤醒越界报警线程。

6.3 档位切换

摩托车的档位切换动作有前踩、后踩两种。

6.4 离合器动作

对手动离合器车型，测试程序在档位切换过程中，必须根据测试前所设置的试验车辆档位切换关系，对发动机转速进行判断、调整，若未达到切换关系所要求的发动机转速而切入离合器则会损坏试验车辆。在自动离合器车型的耐久性测试，每次换档前加入离合器动作程序就构成了手动离合器车型的各测试线程。图5说明了离合器的脱和工作过程：

①首先脱开离合器；

②判断发动机转速是否满足切换关系；

③如果不满足则进行发动机转速调整，回到②；

④如果满足则进行档位切换，最后切入离合器。

6.5 超限报警线程

超限报警线程通过不断检测当前系统参数，以防止在测试过程中测试车辆由于长时间的运转，发动机座温及油温过高而损坏车体，最高车速、发动机转速的设定可以使超限报警线程实时监控油门执行机构的动作，防止油门执行电机转角过大而损坏油门执行机构及车体。超限报警线程通过对控制台按键的检测，可使程序实时响应操作人员的外部命令如开始、停止、采样、紧急停机等。超限报警线程流程如图6所示：

①读开关量输入板的值；

②判断是否有按键按下？

③如果没有按键按下，则启动A/D，读油温、发动机座温值；如果有，到⑩；

④判断是否超限；

⑤如果不超限，直接读取发动机转速值：

⑥如果超限，设置故障代码，然后读取发动机转速值；

⑦再判断是否超限；

⑧如果不超限，直接返回①；

⑨如果超限，先设置故障代码，然后返回①；

⑩判断是急停按钮吗？

如果不是急停按钮，则置开关量状态标志再返回①；

如果是急停按钮，先设置故障代码，然后返回①。

7、控制方案

摩托车自动模拟无人驾驶系统的主要功能就是实现在室内试验台架上控制摩托车完成对室外人为驾驶时所实现的测试过程、操作动作的模拟，如速度调整、换档、离合器动作等。在耐久性测试检测项目中，总是要求试验车辆在设定的时间段内保持某一相对稳定的速度范围，或是要求车辆能够在设定的时间内加速或减速至预定的速度范围以便进行参数的检测，而且档位切换、离合器脱和等动作执行的条件和时间都是由车速或发动机转速来确定。如果车速或发动机转速无法调整到设定值，则档位的切换、离合器的脱和等动作均无法执行，检测的参数也不能正确反映出测试点试验车辆的状态。因而在测试系统中，能否控制摩托车按照设定的运行曲线自动行驶以及控制效果的好坏是测试实验能否成功的重要条件。

8、控制对象分析

在检测系统中，车速是最终控制量，对车速有影响的控制量有模拟风阻、油温、发动机座温、油门开度、运行中各构件的磨损以及载荷的变化等，各参数均随着时间的变化而变化。其中油门开度对车速的影响是最主要的，而油温，发动机座温以及构件磨损等对车速的影响并不起关键作用。油门开度的大小随着油门执行电机调整脉冲的改变而变化，其大小又将直接影响到试验车辆的速度，油门开度与车速之间是正比但非线性关系。表1是按照本发明的测试方法所测得的实验数据。

Claims (7)

1、摩托车自动模拟无人驾驶系统由工业控制计算机系统、步进电机驱动器、信号采集系统、试验台架四部分组成，其中试验台架包括传感器部分、油门执行机构、离合器执行机构、换档机构及制动执行机构五部分，其特征是：

油门执行机构包括油门控制机构、油门拉线和第一电机(1)，油门控制机构安装在摩托车(10)油门把手(2)上，通过油门拉线和第一电机(1)连接，由工业控制计算机发出控制信号控制第一电机(1)的旋转角度来实现对车辆油门的控制；

离合器执行机构包括离合器控制机构、拉线(4)和第二电机，离合器控制机构安装在摩托车(10)离合器把手(3)上，通过拉线(4)和第二电机连接，由工业控制计算机发出控制信号控制第二电机的旋转角度来实现对车辆离合器的控制；

换档机构包括第三电机(5)和万向轴(6)，通过第三电机(5)带动摩托车(10)换档花键轴，达到加档和减档的目的，并且为了防止车辆的移动，可以使用万向轴(6)连接，若由于车辆原因导致的档位出错，摩托车自动模拟无人驾驶系统可以自检报警，并可以使用手动按钮控制重新切换档位；

制动执行机构包括第四电机和制动系统(7)，在道路阻力模拟试验台转鼓(9)的传动轴上安装制动盘(8)，通过工业控制计算机控制第四电机推动制动系统(7)，实现减速度的跟踪；

同时离合器反馈信号、换档反馈信号、油门反馈信号、制动反馈信号通过采集板的采集反馈到工业控制计算机系统；信号采集系统对工业控制计算机上需要的各种实验数据进行采集，通过工业控制计算机和测试软件对采集到的车辆数据进行判断、处理并控制各执行机构进行需要的动作，使摩托车按照预先设定的运行模式行驶，并保存行驶过程中需要的车辆的数据。

2、如权利要求1所述的摩托车自动模拟无人驾驶系统，其特征是试验台架上的油温、座温信号通过油温、座温传感器、热电偶转换器、变换器、模/数转换板传递到工业控制计算机；试验台架上的车速信号通过定时/计数板传递到工业控制计算机；试验台架上的发动机点火脉冲信号通过滤波、整形电路和定时/计数板传递到工业控制计算机；同时工业控制计算机通过定时/计数板和步进电机驱动器与试验台架上的步进电机连接；试验台架上的控制按钮执行器件通过开关量输入板与工业控制计算机连接；同时工业控制计算机通过开关量输出板和电磁继电器板与试验台架上的控制按钮执行器件连接。

3、如权利要求1所述的摩托车自动模拟无人驾驶系统，其特征是按以下步骤进行测试：测试时，先将试验车辆固定于道路阻力模拟试验台上，车轮置于道路阻力模拟试验台的转鼓上，试验车辆油门拉线与油门控制机构连接，并将发动机座温、油温传感器安装到车体相应位置；若进行自动离合器车型或手动离合器车型的试验则应安装好换档机构、离合器控制机构并对该试验车辆进行离合器的半开度、最大开度测量，将测量结果保存；在对每一种车型进行第一次测试时，都需对该试验车辆进行油门最大开度测量，并将测量结果保存；在试验程序主界面中选择将要进行的试验项目及试验车型，并设置相关测试用参数、临界报警参数，选择或自行设定车辆运行模式，启动试验过程中，试验人员可以使用控制台面板上的按钮来操作执行机构的动作，测试线程结束后会自动退出当前测试界面回到主界面。

4、如权利要求3所述的摩托车自动模拟无人驾驶系统，其特征是无级变速车型耐久性测试线的流程为：确定测试时所调用的工作线程，然后定义变量、初始化参数，然后按以下步骤进行测试：

①判断循环是否结束；

②如果结束，则保存测试数据，电机复位，返回主界面；

③如果不结束，则取当前运行模式各测试点参数；

④再判断当前模式是否结束；

⑤如果结束，则计算总运行时间、里程，然后循环次数加1，返回①；

⑥如果不结束，则判断当前时间是否小于下一点设定时间；

⑦如果不小于下一点设定时间，则测试点数加1，返回④；如果小于下一点设定时间，则计算速度、速度误差的变化量，按照控制规则，计算油门调整脉冲并送入油门执行电机，延时、采样，输出测试界面显示数据，然后回到⑥。

5、如权利要求3所述的摩托车自动模拟无人驾驶系统，其特征是油门最大开度测量流程为：

①首先悬挂起越界报警线程，将油门开至最大，然后启动模/数转换电路，读入油门开度最大值openmax，松开油门；

②判断当前油门开度是否小于openmax；

③如果小于openmax则送2个控制脉冲，并将脉冲计数变量值加2，延时，启动并读油门开度A/D转换值，回到②；

④如果不小于openmax则输出油门开度最大脉冲数值，唤醒越界报警线程。

6、如权利要求3所述的摩托车自动模拟无人驾驶系统，其特征是离合器的脱和工作过程为：

①首先脱开离合器；

②判断发动机转速是否满足切换关系；

③如果不满足切换关系则进行发动机转速调整，回到②；

④如果满足切换关系则进行档位切换，最后切入离合器。

7、如权利要求3所述的摩托车自动模拟无人驾驶系统，其特征是超限报警线程流程为：

①读开关量输入板的值；

②判断是否有按键按下；

③如果没有按键按下，则启动A/D，读油温、发动机座温值；如果有，到⑩；

④判断是否超限；

⑤如果不超限，直接读取发动机转速值；

⑥如果超限，设置故障代码，然后读取发动机转速值；

⑦再判断是否超限；

⑧如果不超限，直接返回①；

⑨如果超限，先设置故障代码，然后返回①；

⑩判断是不是急停按钮；

如果不是急停按钮，则置开关量状态标志再返回①；

如果是急停按钮，先设置故障代码，然后返回①。

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