CN107966980A - 一种智能电动汽车避撞算法硬件在环验证系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能电动汽车避撞算法硬件在环验证系统，包括下位机传感控制执行层、上位机决策监控层和无线通讯模块；上位机决策监控层包括车辆动力学仿真平台、上层避撞算法控制模块以及车辆状态与传感器信息显示装置。下位机传感执行层将模型实验车周围交通环境信息和车辆运动信息的相关数据通过无线通讯模块发送至上层避撞算法控制模块，计算出目标制动压力和目标方向盘转角后，分别发送至下层控制器和车辆动力学仿真平台的虚拟车进行执行，同时车辆实时状态与传感器信息在显示装置上予以显示，通过虚拟车和实验车运动状态来验证避撞算法是否有效。本发明不仅实现对主动避撞算法的验证且提高了验证精度和研究效率。

Description

一种智能电动汽车避撞算法硬件在环验证系统

技术领域

本发明涉及自动驾驶技术领域，尤其涉及一种智能电动汽车避撞算法硬件在环验证系统。

背景技术

汽车的转向与制动系统是保证汽车安全性能最基本也是最重要的组成，两者工作的可靠性在很大程度上决定着汽车行驶的安全性。电动汽车制动转向主动避撞算法在仿真软件中验证不能真实客观反映汽车感知与执行的状况，仿真验证得到的算法应用具有一定的局限性。而硬件在环(HIL)仿真将嵌入式控制单元及执行器等硬件连接到系统回路中进行仿真, 在实验条件下发现并解决问题, 从而提高开发效率，同时相较于软件仿真，对于算法验证更具真实性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种智能电动汽车避撞算法硬件在环验证系统。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种智能电动汽车避撞算法硬件在环验证系统，包括下位机传感控制执行层、上位机决策监控层和无线通讯模块；

所述无线通讯模块包括车辆端无线通讯模块和计算机端无线通讯模块，所述车辆端无线通讯模块和计算机端无线通讯模块基于Zigbee协议无线通信；

所述下位机传感执行层包括模型车、传感器模块、制动转向执行机构、车速控制装置以及制动转向控制器；

所述传感器模块包括第一至第三超声波传感器、轮速传感器、转角传感器和加速度传感器；

所述第一至第三超声波传感器分别安装在模型车的前端和两侧，用于采集模型车前方以及双侧障碍物的距离信息，并将其传递给所述制动转向控制器；

所述轮速传感器用于采集车轮轮速信息，并将其传递给所述制动转向控制器；

所述转角传感器安装在模型车的转向杆上，用于采集方向盘转角信息，并将其传递给所述制动转向控制器；

所述加速度传感器安装在模型车质心处，用于测量汽车的制动减速度信息，并将其传递给所述制动转向控制器；

所述制动压力传感器安装在模型车的制动回路中，用于测量汽车的制动压力大小，并将其传递给所述制动转向控制器；

所述车速控制装置用于设定车辆避撞时的车速，并将车速信息传递给所述制动转向控制器；

所述制动转向执行机构包括制动机构和转向机构；

所述制动机构用于实现模型车的制动控制；

所述转向机构用于实现模型车的转向控制；

所述制动转向控制器分别和第一至第三超声波传感器、轮速传感器、制动压力传感器、转角传感器、加速度传感器、车速控制装置、制动机构、转向机构、车辆端无线通讯模块电气相连，用于将第一至第三超声波传感器、轮速传感器、转角传感器、制动压力传感器、加速度传感器、车速控制装置采集的信号转换为数字信号后传递给所述上位机决策监控层，并根据上位机决策监控层发送的目标制动压力和目标方向盘转角控制制动机构、转向机构工作；

所述上位机决策监控层包括车辆动力学仿真平台、上层避撞算法控制模块、以及车辆状态与传感器信息显示装置；

所述上层避撞算法控制模块分别和车辆动力学仿真平台、车辆状态与传感器信息显示装置、计算机无线通讯模块电气相连；

所述车辆动力学仿真平台内预先设定有所述模型车的仿真虚拟车，用于根据所述上层避撞算法控制模块发送的目标制动压力和目标方向盘转角控制所述仿真虚拟车进行制动和转向，并将所述仿真虚拟车的纵向速度、纵向加速度、质心侧偏角、横摆角速度、制动压力、方向盘转角传递给所述上层避撞算法控制模块；

所述上层避撞算法控制模块用于根据接收到的传感器模块和车速控制装置的信息，依据设定的避撞算法计算出目标制动压力和目标方向盘转角后，将其分别输出至车辆动力学仿真平台和制动转向控制器；同时，将接收到的传感器模块和车速控制装置的信息、以及仿真虚拟车的纵向速度、纵向加速度、质心侧偏角、横摆角速度、制动压力、方向盘转角传递给车辆状态与传感器信息显示装置；

所述车辆状态与传感器信息显示装置用于显示接收到的传感器模块和车速控制装置的信息、以及仿真虚拟车的纵向速度、纵向加速度、质心侧偏角、横摆角速度、制动压力、方向盘转角。

作为本发明一种智能电动汽车避撞算法硬件在环验证系统进一步的优化方案，所述制动转向控制器的主控制芯片采用16位飞思卡尔单片机。

作为本发明一种智能电动汽车避撞算法硬件在环验证系统进一步的优化方案，所述转向机构包含步进电机、主动锥齿轮和从动锥齿轮，其中，所述从动锥齿轮套接在汽车的转向杆上、和汽车的转向杆固连；所述步进电机的输出轴和所述主动锥齿轮的转轴固连；所述主动锥齿轮和所述从动锥齿轮啮合。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

对后轮驱动模型车进行制动转向系统进行线控改装，并安装相关传感器，实现下位机依据上位机的决策信息，执行电动汽车的自动制动转向操作，为传统有人驾驶车辆向无人驾驶车辆在制动转向系统改装提供新方案。

实现对制动转向主动避撞算法的验证同时，由于硬件在环的引入，在上位机强大的运算能力和存储资源的支持下, 充分发挥了其资源优势，主动避撞控制算法的编写不受局限，提高了验证精度和研究效率。

电动汽车在真实道路工况下运行的同时，可以在监控界面上实时监控电动汽车的状态参数和周围障碍物距离信息，以及在Carsim软件中生成电动汽车在道路上运行状况的仿真动画，对比在实际工况下和仿真条件下的车辆状态参数和运行状态，验证电动汽车的下位机执行制动转向操作的有效性。

附图说明

图1是硬件在环验证系统的整体逻辑框架；

图2是硬件在环验证系统的整体软硬件实现；

图3是硬件在环验证系统的硬件功能实施细节；

图4是车辆状态与传感器信息监控界面。

图3中，1-制动转向控制器，2-转角传感器，3-锥齿轮，4-转向电机，5-轮速传感器，6-驱动系统电子控制单元，7-电源系统，8-车轮，9-加速度传感器，10-线控制动推杆，11-超声波雷达。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。

如图1、图2所示，一种智能电动汽车避撞算法硬件在环验证系统，由上位机决策监控层、无线通讯模块和下位机传感执行层组成，上位机决策监控层包括车辆动力学仿真平台、上层避撞算法控制模块、以及车辆状态与传感器信息显示装置。车辆动力学仿真平台基于Carsim软件搭建；上层避撞算法控制模块基于PC机上Matlab/Simulink搭建，车辆状态与传感器信息显示基于Labview搭建可视化监控界面。无线通讯模块基于CC2530芯片搭建硬件电路，通讯协议采用Zigbee协议；下位机传感执行层包括下层控制器、传感器、执行器三部分。下层控制器基于飞思卡尔DP512单片机搭建硬件电路，传感器部分包括第一至第三转角传感器、超声波雷达、轮速传感器、加速度传感器、制动压力和方向盘转角传感器，执行器包括转向步进电机、线控制动推杆等。整个系统开始运行，当前电动汽车超声波传感器和车速信息传给下层控制器，下层控制器将该信息传给车辆端无线模块通过无线通讯传给计算机端无线模块再将该信息传给上层避撞算法控制器经过计算后将制动与转向操纵信息分别传给车辆动力学仿真平台和计算机端无线模块，计算机端无线模块将操纵信息传给车辆端无线模块再传给下层控制器，下层控制器控制执行器完成实际模型车的操纵，同时根据制动压力与方向盘转角传感器信息进行操纵控制的反馈修正，保证实际操纵值与算法输出期望值偏差在允许误差范围内。

具体来说上位机决策监控层由基于Labview软件包括输入型控件和显示型控件的程序监控界面、避撞控制算法接口以及Carsim动力学模型组成。其中，根据智能电动汽车的转向机构、制动机构、电源系统、前轮独立悬架、车轮等，在Carsim软件中设置智能电动汽车的车辆结构和动力学参数，包括车辆的长、宽、高、轴距、质心高度等，生成Carsim动力学模型，以S-function模块的形式导入到Labview上位机程序界面中。避撞控制算法由用户按照避撞场景自行创建和编写, 其导入接口有基于Labview的子VI满足控制算法模块的导入格式要求。

上位机决策监控层接收到车辆端无线通讯模块发送的车轮转速信号，周围障碍物距离信号、方向盘转角信号以及制动减速度信号作为上位机决策监控层的智能避撞控制算法的输入参数，依据设定的避撞算法计算并输出当前工况下能有效避撞的控制变量值，输出决策信息，即方向盘转角和制动压力。将方向盘转角和制动压力输入到Carsim动力学模型中，同时输入到计算机端无线通讯模块，通过无线通信发送至车辆端无线通讯模块。

车辆端无线通讯模块接收方向盘转角和制动压力执行信息，输入到飞思卡尔单片机，经过电机驱动模块给转向机构和制动机构输入相应的PWM控制信号，实现对电动汽车的制动转向控制。

Carsim动力学模型在接收到方向盘转角和制动压力执行信息，输出仿真车辆状态参数。将实际车辆车速信号、方向盘转角信号和制动压力信号以及Carsim动力学模型输出的纵向车速信号、方向盘转角信号、制动加速度信号、质心侧偏角信号、横摆角速度信号和制动主缸压力信号输入到Labview监控界面的显示型控件中并予以实时显示， Labview监控界面实时监测智能电动汽车在当前工况下的运动状态，通过对比实际与仿真的纵向车速信号、方向盘转角信号、制动压力信号来验证下位机执行有效性，通过观察智能电动汽车实际运行情况、仿真平台中的车辆运动情况和监控界面显示车辆运动状态参数来验证智能算法的有效性，从而实现的避撞算法验证及硬件在环仿真。

如图3所示，智能电动汽车本身由车架，蓄电池组，驱动系统电子控制单元、直流电机、车轮、悬架、转向系统，制动系统等部件组成。整个硬件系统除车辆本身构造还包括多种传感器、上层避撞控制器以及制动与转向执行器（下层控制器）。

转向执行器由在电动汽车的转向杆上套入从动锥齿轮，焊接使之成为一体，在电动汽车前端通过铁杆和铁片焊接固定步进电机，步进电机的输出轴通过键与键槽装配主动锥齿轮，与转向杆上的从动锥齿轮成90度啮合，当转向电机工作时，其动力传输路线分别是主动锥齿轮、从动锥齿轮、转向杆、转向器和转向拉杆的传动，最后带动车轮的转动。转向机构通过单片机控制转向电机，实现对电动汽车的转向控制。

制动执行器由用铁杆和铁片将电动推杆焊接在电动汽车的后端，在电动推杆的伸缩杆端部与制动手把的端部通过螺钉连接，制动机构通过单片机控制电动推杆的电机工作，电机输出轴的转动转化为电动推杆的伸缩运动，电动推杆的伸缩带动制动手把的摆动，从而改变制动主缸液压，实现电动汽车的制动控制。

第一至第三超声波传感器分别安装在电动汽车前端和两侧，用于采集自车与前方以及双侧障碍物的距离信息，根据检测到不同距离，间歇性地输出高电平信号，通过算法计算出与障碍物的距离。轮速传感器安装在电动汽车半轴中央处的由带20个阑珊的编码盘和光电传感器组成，用于采集车轮轮速信息，不同的转速，输出不同周期性脉冲信号达到检测车速的目的。安装在电动汽车转向杆上的转角传感器，由两个霍尔传感器组成，增大了检测转角的范围，用于采集方向盘转角信息，不同的方向盘转角，输出不同电压信号。安装在电动汽车质心处的加速度传感器，用于测量电动汽车的制动减速度。

制动转向下层控制器的主控制芯片采用16位飞思卡尔单片机，由电动汽车的车载电源5v供电，同时采集经过滤波电路的超声波传感器、轮速传感器、转角传感器和加速度传感器的模拟信号，将其分别转化成自车与前方以及双侧障碍物的距离、车轮转速、方向盘转角和制动减速度的数字信号，通过无线模块发送至上位机决策监控层。

如图4所示，智能汽车避撞实时状态监控界面包括程序开关、仿真车辆状态参数显示窗口、真实车辆状态参数显示窗口、仿真设置单元、串口设置单元、控制命令输入窗口、数据接收窗口、紧急停止按钮。

程序开关用来开启和关闭总程序；仿真虚拟车辆状态参数显示窗口包括纵向车速信号、方向盘转角信号、制动加速度信号、质心侧偏角信号和横摆角速度信号，用来显示仿真虚拟车辆的状态参数；真实车辆状态参数显示窗口包括车速信号、方向盘转角信号和制动压力信号，用来实时监控实车的状态参数；本实施例为车辆进行单一转向避撞算法验证工况，故制动压力曲线一直为零，实际车辆状态参数简化为车速和方向盘转向信息显示在图4右侧中部；仿真设置单元包括仿真开始时间、停止时间、仿真步长和当前仿真时间，用来设置仿真参数；串口设置单元用于无线通讯串口选择；控制命令输入窗口通过无线通信向下层控制器发送信号，控制电动车启停；数据接收窗口显示接收到的下层控制器传感信号。紧急停止按钮作为监控界面控制电动汽车的保护措施按钮，当电动汽车不能执行智能算法输出的决策信息或待验证智能算法的输出决策信息使电动汽车处于危险工况，不能避开障碍物时，按下紧急停止按钮，上层控制器通过无线通讯，给下层控制器发送最大制动信号，下层控制器接收制动信号，执行器实现电动汽车以最大制动减速度刹车，从而有效保障电动汽车的安全。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种智能电动汽车避撞算法硬件在环验证系统，其特征在于，包括下位机传感控制执行层、上位机决策监控层和无线通讯模块；

所述无线通讯模块包括车辆端无线通讯模块和计算机端无线通讯模块，所述车辆端无线通讯模块和计算机端无线通讯模块基于Zigbee协议无线通信；

所述下位机传感执行层包括模型车、传感器模块、制动转向执行机构、车速控制装置以及制动转向控制器；

所述传感器模块包括第一至第三超声波传感器、轮速传感器、转角传感器和加速度传感器；

所述第一至第三超声波传感器分别安装在模型车的前端和两侧，用于采集模型车前方以及双侧障碍物的距离信息，并将其传递给所述制动转向控制器；

所述轮速传感器用于采集车轮轮速信息，并将其传递给所述制动转向控制器；

所述转角传感器安装在模型车的转向杆上，用于采集方向盘转角信息，并将其传递给所述制动转向控制器；

所述加速度传感器安装在模型车质心处，用于测量汽车的制动减速度信息，并将其传递给所述制动转向控制器；

所述制动压力传感器安装在模型车的制动回路中，用于测量汽车的制动压力大小，并将其传递给所述制动转向控制器；

所述车速控制装置用于设定车辆避撞时的车速，并将车速信息传递给所述制动转向控制器；

所述制动转向执行机构包括制动机构和转向机构；

所述制动机构用于实现模型车的制动控制；

所述转向机构用于实现模型车的转向控制；

所述制动转向控制器分别和第一至第三超声波传感器、轮速传感器、制动压力传感器、转角传感器、加速度传感器、车速控制装置、制动机构、转向机构、车辆端无线通讯模块电气相连，用于将第一至第三超声波传感器、轮速传感器、转角传感器、制动压力传感器、加速度传感器、车速控制装置采集的信号转换为数字信号后传递给所述上位机决策监控层，并根据上位机决策监控层发送的目标制动压力和目标方向盘转角控制制动机构、转向机构工作；

所述上位机决策监控层包括车辆动力学仿真平台、上层避撞算法控制模块、以及车辆状态与传感器信息显示装置；

所述上层避撞算法控制模块分别和车辆动力学仿真平台、车辆状态与传感器信息显示装置、计算机无线通讯模块电气相连；

所述车辆动力学仿真平台内预先设定有所述模型车的仿真虚拟车，用于根据所述上层避撞算法控制模块发送的目标制动压力和目标方向盘转角控制所述仿真虚拟车进行制动和转向，并将所述仿真虚拟车的纵向速度、纵向加速度、质心侧偏角、横摆角速度、制动压力、方向盘转角传递给所述上层避撞算法控制模块；

所述上层避撞算法控制模块用于根据接收到的传感器模块和车速控制装置的信息，依据设定的避撞算法计算出目标制动压力和目标方向盘转角后，将其分别输出至车辆动力学仿真平台和制动转向控制器；同时，将接收到的传感器模块和车速控制装置的信息、以及仿真虚拟车的纵向速度、纵向加速度、质心侧偏角、横摆角速度、制动压力、方向盘转角传递给车辆状态与传感器信息显示装置；

所述车辆状态与传感器信息显示装置用于显示接收到的传感器模块和车速控制装置的信息、以及仿真虚拟车的纵向速度、纵向加速度、质心侧偏角、横摆角速度、制动压力、方向盘转角。

2.根据权利要求1所述的智能电动汽车避撞算法硬件在环验证系统，其特征在于，所述制动转向控制器的主控制芯片采用16位飞思卡尔单片机。

3.根据权利要求1所述的智能电动汽车避撞算法硬件在环验证系统，其特征在于，所述转向机构包含步进电机、主动锥齿轮和从动锥齿轮，其中，所述从动锥齿轮套接在汽车的转向杆上、和汽车的转向杆固连；所述步进电机的输出轴和所述主动锥齿轮的转轴固连；所述主动锥齿轮和所述从动锥齿轮啮合。