CN108357564A - 一种普适的主动驾驶改装车 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种普适的主动驾驶改装车，包括线控转向系统、电子油门控制系统、线控刹车系统、UWB无线测距及定位系统、与各系统电路连接的主控系统，所述的线控转向系统包括电路连接的转向助力电机、电机控制器、增量式光电编码器，所述的转向助力电机输出端通过减速机构与转向柱驱动连接，所述增量式光电编码器设置在连接方向盘的转向柱上；所述电子油门控制系统的输出端并联有与主控系统电路连接的外接控制电源；所述的线控刹车系统包括刹车踏板、推杆电机，电机控制器、套筒。本发明从较低成本及较高的可行性和安全性出发，给出了可移植到大多数车辆的主动驾驶改装方案，实现自动驾驶改装的同时不影响车辆的正常驾驶的目的。

Description

一种普适的主动驾驶改装车
技术领域
本发明涉及一种普适的主动驾驶改装方法，具体涉及对车辆线控转向、电子油门及线控刹车三项的技术改装，以及dSPACE工控机的应用。
技术背景
在节约能源构建可持续发展经济的大环境下，汽车的各种技术飞速发展。为了乘客的舒适与安全以及进一步探寻车辆节能的潜力，车载辅助系统孕育而生。从电动助力转向到辅助刹车系统，车载辅助系统无不朝向智能化与自动化发展，而这些发展的最终目标就是生产出能够实现完全自动驾驶的汽车。为了顺应发展的潮流，企业以及高校都在加大对无人驾驶技术研究的投入，而目前无人驾驶的实施实验平台较为匮乏。
除过谷歌、特斯拉等大公司，现有的无人驾驶车辆大多是在已有车辆的基础上改装而来的。对已有车辆的无人驾驶改装涉及到一个车辆选型的问题，目前较为成功的无人驾驶车辆大多改装来自纯电动汽车或者混动车，这是因为这类汽车大多有一套较为完善的线控刹车系统。但是配备有成熟线控刹车系统意味着车辆的购买价格将会偏高，这一点限制了部分科研团队的发展，尤其是限制了院校科研团队的成果转化。此外，部分无人驾驶车辆的改装过程严重地破坏了车辆的原有结构，使得车辆无法正常驾驶，本发明致力于在保持车辆可驾驶性的前提下，实现无人驾驶改装。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种对现有车辆进行无人驾驶改装的技术方案，主要侧重实现对不含线控刹车系统车辆的刹车控制。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种普适的主动驾驶改装车，包括线控转向系统、电子油门控制系统、线控刹车系统、UWB无线测距及定位系统、与各系统电路连接的主控系统，
所述的线控转向系统包括电路连接的转向助力电机、电机控制器、增量式光电编码器，所述的转向助力电机输出端通过减速机构与转向柱驱动连接，所述增量式光电编码器设置在连接方向盘的转向柱上，用于测出转向柱的实际转角大小经电机控制器反馈至主控系统，所述电机控制器用于控制转向助力电机执行相应方向的转向动作；
所述的电子油门控制系统的输出端并联有与主控系统电路连接的外接控制电源，用于向所述输出端额外输入一个相对于地线的控制电压信号；
所述的线控刹车系统包括刹车踏板、推杆电机，电机控制器、套筒，所述推杆电机通过电机支架固定在车体上并与电机控制器电路连接，所述套筒的一端与刹车踏板中部通过铰链连接，另一端套在所述推杆电机的输出轴上；
所述的UWB无线测距及定位系统用于测量车辆位置与状态信息并传输给主控系统；
所述的主控系统用于根据车辆位置与状态信息和所需的转向角及速度信息实时控制线控转向系统、电子油门控制系统及线控刹车系统。
进一步地，所述电机控制器还用于在控制转向助力电机执行相应方向的转向动作过程中，根据所测实际转角大小与所需转角大小的差值实时地控制转向助力电机调整转向柱的转向角。
进一步地，所述控制电压信号的电压范围为0.5V～4.2V。
进一步地，所述推杆电机的输出轴移动行程比刹车踏板铰链设置处的移动行程长5mm。
进一步地，所述推杆电机的最大推力为1000N，速度为12mm/s。
进一步地，所述套筒沿垂直轴线的方向贯穿设置有限位销孔，所述的限位销孔内设置有限位销。
进一步地，所述的主控系统包括通过电路依次连接的电脑、工控机、信号类型转换装置，所述信号类型转换装置用于将车辆位置与状态信息、线控转向系统、电子油门控制系统的线控刹车系统的反馈信息转换类型后输送至工控机；所述的工控机将转换类型后的信息传输至电脑；所述的电脑计算出所需的转向角及速度信息，由所述工控机通过信号类型转换装置向线控转向系统、电子油门控制系统的线控刹车系统输出控制信号。
进一步地，所述的电脑安装有ControlDesk软件，所述的工控机采用dSPACE工控机。
进一步地，所述的电脑还用于根据所述线控转向系统、电子油门控制系统的线控刹车系统反馈的控制结果对做进一步的调整。
相比现有技术，本发明从较低成本及较高的可行性和安全性出发，给出了可移植到大多数车辆的主动驾驶改装方案，重点通过对线控转向系统、电子油门控制系统、线控刹车系统的改造，实现自动驾驶改装的同时不影响车辆的正常驾驶的目的。
附图说明
图1为本发明实施例的线控转向系统结构示意图。
图2为本发明实施例的线控刹车系统结构示意图。
图3为本发明实施例的推杆电机示意图。
图4为本发明实施例的套筒结构示意图。
图5为本发明实施例的线控刹车系统不同工作状态示意图。
图6为本发明实施例的电子油门控制系统接线示意图。
图7为本发明实施例的主控系统控制原理示意图。
图8为本发明实施例的整体工作流程示意图。
图中：1-转向柱；2-方向盘；3-转向助力电机；4-减速机构；5-增量式光电编码器；6-踏板固定架；7-车体；8-推杆电机；9-电机支架；10-套筒；11-刹车踏板；12-铰链孔；13-限位销孔；14-电子油门踏板；15-外接控制电源。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
一种普适的主动驾驶改装车，包括线控转向系统、电子油门控制系统、线控刹车系统、UWB无线测距及定位系统、与各系统电路连接的主控系统，
本实施例的目标车辆选择为众泰知豆D1，选型依据是该车体积小、结构较为简单，配备有电动车单速变速箱以及电子油门，容易对车速进行控制。此外，知豆D1行李箱离驾驶舱较近，方便数据采集系统系统以及控制设备的放置。最为重要的一点在于知豆D1的新车购买价格较低，很大程度的降低了无人驾驶改装的资金门槛。
如图1所示，所述的线控转向系统包括电路连接的转向助力电机3、电机控制器、增量式光电编码器5，所述的转向助力电机3输出端通过减速机构4与转向柱1驱动连接，所述增量式光电编码器5设置在连接方向盘2的转向柱1上，用于测出转向柱1的实际转角大小经电机控制器反馈至主控系统，所述电机控制器用于控制转向助力电机3执行相应方向的转向动作，进一步地，所述电机控制器还用于在控制转向助力电机执行相应方向的转向动作过程中，根据所测实际转角大小与所需转角大小的差值实时地控制转向助力电机调整转向柱的转向角。
解决线控转向最大难点在于目标车辆不含助力转向系统，为解决这一问题，国内部分高校采取了外置电机带动方向盘转动的方法，这种方法的缺点在于改装成本较大，并且改装后车辆无法正常驾驶。为了尽可能不改变车辆的原有结构，首先考虑在原转向系统上加装转向助力电机3，由于知豆的下一代产品D2上配置有转向助力系统，购买其套件进行改装显得最为便捷。运用该转向系统部件替换原有部件，对转向助力电机3进行控制，进而可以控制车辆实现自动转向。为了在控制转向的同时获取转向角的大小，在转向柱1上增加了一个增量式光电编码器5，通过串口实时输出转角信息。
所示线控转向系统整体控制原理为：计算出所需转角方向与大小；电机控制器控制转向助力电机执行相应方向的转向动作；增量式光电编码器测出实际转角大小，反馈给电机控制器；电机控制器根据实际转角大小与所需转角大小的差值进一步调整转向柱的转向角，提高转向精度和可靠性。
如图2所示，所述的线控刹车系统包括刹车踏板11、推杆电机8，电机控制器、套筒10，所示刹车踏板11通过踏板固定架6与车体7相连接，所述推杆电机8通过电机支架9固定在车体7上并与电机控制器电路连接，所述套筒10的一端设置有铰链孔12，并与刹车踏板11中部通过铰链连接，另一端套在所述推杆电机的输出轴上；所述推杆电机8的输出轴移动行程比刹车踏板铰链设置处的移动行程长5mm。所述推杆电机8的最大推力为1000N，速度为12mm/s(见图3)。所述套筒10沿垂直轴线的方向贯穿设置有限位销孔13，所述的限位销孔13内设置有限位销(见图4)。
目标车辆不含线控刹车系统，因此线控刹车的实现成为改装的重点。行车制动系统主要包括制动踏板、液压主缸、真空助力泵、液压油管以及制动鼓，由于系统的液压部分结构较为复杂布局较为紧凑，不易进行改动，因此优先考虑对制动踏板进行改装。制动踏板可以通过电机进行控制，电机的选型一般有两种方案，分别是选用拉线电机以及推杆电机。拉线电机与踏板的连接较为简单，但是目标车辆踏板下方空间较小，不适合安装，并且如果拉线的弹性过大则容易导致控制精度的下降。而推杆电机主要面临的问题是：推杆电机一般自锁力较大，与踏板刚性连接后在紧急情况下，驾驶员无法通过人为踩踏制动踏板进行刹车，这将产生极大的安全隐患。
对比优劣选用推杆电机进行改装，而推杆电机存在的不足通过设计新的连接机构进行填补。连接机构的设计要求为：电机不工作时应不影响车辆的正常驾驶，电机工作时制动踏板能够跟随电机完成制动动作，踏板应保留有自动复位功能，且任何时候驾驶员都能够踩下踏板进行制动。针对要求设计如图2所示线控刹车装置。
如图5所示，所示线控刹车系统一共有三种工作状态：推杆电机8不工作，踏板处于初始位置；推杆电机8不工作，人为踩下刹车踏板11；推杆电机8工作，刹车踏板11跟随电机运动。在推杆电机8不工作时，套筒10在推杆上滑动，从而使得驾驶员能够踩下踏板进行制动。推杆电机8工作时套筒起导向作用，推杆沿着套筒10的方向推出，当推杆的行程大于设定的自由程后，推杆顶在套筒10内部的限位销上，推动套筒10向前运动，由于套筒10与刹车踏板11通过铰链连接，因此刹车踏板11将跟随套筒10运动从而完成刹车动作。
图3为推杆电机8，国标规定制动在产生最大制动效能时的踏板力，对于乘用车不应大于500N，一般乘用车的踏板力在(300～400)N之间。目标车辆原刹车踏板杠杆比约为6＝300÷50，在踏板中部设置铰链取新杠杆比为3＝150÷50，因此推杆电机8的推力应为(600～800)N。取推杆电机8推力为1000N，速度为12mm/s。测得刹车踏板在铰链设置处行程为35mm，取推杆电机8行程为40mm，预留5mm空行程，设计推杆电机8尺寸。根据目标车辆实际情况设计套筒10尺寸。
通过带铰链的电机支架9将推杆电机8安装完成后，连接电机控制器，对控制器输入控制信号即可实现对车辆刹车的线控，制动力的大小通过推杆电机8行程进行控制。
如图6所述的电子油门控制系统的输出端并联有与主控系统电路连接的外接控制电源15，用于向所述的电子油门控制系统的输出端额外输入一个相对于地线的控制电压信号，所述控制电压信号的电压范围为0.5V～4.2V。
目标车辆带有一套成熟的电子油门控制系统，这给改装带来了极大的方便。电子油门控制系统主要由电子油门踏板14、踏板位移传感器、ECU(电控单元)、数据总线等构成，由于目标车辆是纯电动汽车，因此相较于传统燃油车，该车的电子油门控制系统没有伺服电机与节气门执行机构。对电子油门施加控制的方法主要有两种：1、加装电机对油门踏板进行控制，通过电机行程控制电子油门的输出。2、对踏板位移传感器的输出信号进行控制，或者直接替代位移传感器输出相应信号，进而对电子油门的输出进行控制。两种方法各有优缺点，方法一的缺点是通过行程进行控制往往不足以满足控制对精度的要求，并且由于机械结构存在惯性，控制系统将会出现较为明显的滞后现象。而方法二虽然机构简单，控制精度以及实时性好，但是需要对电子油门的位移传感器的输入输出关系有充分的了解。
通过比对优劣对电子油门的改装部分决定采用方法二。目标车辆的电子油门控制系统中，踏板位移传感器类型为双霍尔传感器，一根带有六个输入输出端子。测得5号端子在工作情况下输入5v电压，因此5号端子为电源端。在拆下的情况下用弱电输入各个端子测量其余端子的响应，测得1、2、6号端子以及3、4、5号端子分别内部连通。在正常工作情况下分别测得表1所示各端子输入输出信号。
表1电子油门响应实验
表中所示电压为各工况下各端子的对地电压，接地电压定义为车门处搭铁电压，从数据可以看出传感器状态良好，各端子电压稳定。根据测量结果可以得出：
(1)3、4、5号端子对应一组正常工作的霍尔传感器，1、2、6号端子对应为另一组冗余的霍尔传感器，一般情况下不启用。
(2)在工作的一组霍尔传感器中，5号端子为电源线，输入5V电压；4号端子为地线，与车门搭铁有+0.11V的电压偏差；3号端子为信号线，相对于车门搭铁的输出电压范围为0.5～4.2V，其中0.5V是为了避免误触的踏板自由程。输出电压越高则电动机输出的功率越大，相同工况下获得的车速越高。
(3)踏板位移传感器在启动后的各工况下(D、N、R档位)，输入输出信号的对应关系不变。
主动行驶时，对信号线3额外输入一个相对于地线的控制电压，电压的范围为0.5～4.2V，进而对车速进行控制，其优势在于：未输入控制电压时，可以由电子油门踏板14对电子油门进行控制，即不影响正常驾驶；在主动驾驶过程中，将电子油门踏板14固定在初始位置不动，即可完全由输入的控制电压信号对车速进行控制。
所述的UWB(Ultra Wideband)无线测距及定位系统用于测量车辆位置与状态信息并传输给主控系统；该系统运用三个基站以直角三角形形式摆放分别标记原点与两个坐标轴，通过无线定位模块与三个基站之间的相对位置对定位模块的绝对位置进行追踪。在高频(1600Hz)测距模式下该系统能够达到较高的定位精度，此外其测距的范围超过150米，符合实车转向控制过程中对车辆轨迹追踪范围的要求。在供电上，每个基站使用小型充电宝供电，避免了寻找电源的麻烦。基站与定位模块均提供串口与USB两种数据传输模式，可以方便地与电脑进行连接，读取车辆运动信息。
所述的主控系统用于根据车辆位置与状态信息和所需的转向角及速度信息实时控制线控转向系统、电子油门控制系统及线控刹车系统，具体包括通过电路依次连接的电脑、工控机、信号类型转换装置(见图7)，所述的电脑安装有ControlDesk软件，所述的工控机采用dSPACE工控机。所述信号类型转换装置用于将车辆位置与状态信息、线控转向系统、电子油门控制系统的线控刹车系统的反馈信息转换类型后输送至工控机；所述的工控机将转换类型后的信息传输至电脑；所述的电脑计算出所需的转向角及速度信息，由所述工控机通过信号类型转换装置向线控转向系统、电子油门控制系统的线控刹车系统输出控制信号，同时接收并将控制结果反馈回电脑进行进一步控制，从而实现自动驾驶。
改装后的线控转向系统新增了转向助力电机3，在转向柱1上安装有增量式光电编码器5用于测量转向角大小。转向助力电机3输入电压为12V，以车载铅蓄电池作为电源，运用电机控制器对车辆进行转向控制。图6为电子油门及其接线图，引出的6根线中第3根为输出信号线，运用工控机通过信号类型转换装置直接在该线上施加一个0.5～4.2V的电压进行对车辆加速度的控制，电压的具体大小通过算法根据实时情况得出。线控刹车系统的三种工作状态，分别是：推杆电机8不工作，刹车未进行；推杆电机8不工作，刹车由人为进行，推杆在套筒中滑动不产生阻力；推杆电机8工作，带动刹车踏板进行刹车。套筒10的存在使得车辆在任何情况下可以进行人为刹车，提高了行车过程中的安全性。本发明的意义是从较低成本及较高的可行性出发，以某款车型为例，给出可移植到大多数车辆的主动驾驶改装方案。本发明的侧重点在于转向、油门以及刹车三项执行机构的改装，优点在于实现自动驾驶改装的同时不影响车辆的正常驾驶，主动驾驶时其整体工作流程如图8所示。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种普适的主动驾驶改装车，包括线控转向系统、电子油门控制系统、线控刹车系统、UWB无线测距及定位系统、与各系统电路连接的主控系统，其特征在于：
所述的线控转向系统包括电路连接的转向助力电机、电机控制器、增量式光电编码器，所述的转向助力电机输出端通过减速机构与转向柱驱动连接，所述增量式光电编码器设置在连接方向盘的转向柱上，用于测出转向柱的实际转角大小经电机控制器反馈至主控系统，所述电机控制器用于控制转向助力电机执行相应方向的转向动作；
所述的电子油门控制系统的输出端并联有与主控系统电路连接的外接控制电源，用于向所述输出端额外输入一个相对于地线的控制电压信号。
所述的线控刹车系统包括刹车踏板、推杆电机，电机控制器、套筒，所述推杆电机通过电机支架固定在车体上并与电机控制器电路连接，所述套筒的一端与刹车踏板中部通过铰链连接，另一端套在所述推杆电机的输出轴上；
所述的UWB无线测距及定位系统用于测量车辆位置与状态信息并传输给主控系统；
所述的主控系统用于根据车辆位置与状态信息和所需的转向角及速度信息实时控制线控转向系统、电子油门控制系统及线控刹车系统。
2.根据权利要求1所述的一种普适的主动驾驶改装车，其特征在于：所述电机控制器还用于在控制转向助力电机执行相应方向的转向动作过程中，根据所测实际转角大小与所需转角大小的差值实时地控制转向助力电机调整转向柱的转向角。
3.根据权利要求1所述的一种普适的主动驾驶改装车，其特征在于：所述控制电压信号的电压范围为0.5V～4.2V。
4.根据权利要求1所述的一种普适的主动驾驶改装车，其特征在于：所述推杆电机的输出轴移动行程比刹车踏板铰链设置处的移动行程长5mm。
5.根据权利要求1所述的一种普适的主动驾驶改装车，其特征在于：所述推杆电机的最大推力为1000N，速度为12mm/s。
6.根据权利要求1所述的一种普适的主动驾驶改装车，其特征在于：所述套筒沿垂直轴线的方向贯穿设置有限位销孔，所述的限位销孔内设置有限位销。
7.根据权利要求1所述的一种普适的主动驾驶改装车，其特征在于：所述的主控系统包括通过电路依次连接的电脑、工控机、信号类型转换装置，所述信号类型转换装置用于将车辆位置与状态信息、线控转向系统、电子油门控制系统的线控刹车系统的反馈信息转换类型后输送至工控机；所述的工控机将转换类型后的信息传输至电脑；所述的电脑计算出所需的转向角及速度信息，由所述工控机通过信号类型转换装置向线控转向系统、电子油门控制系统的线控刹车系统输出控制信号。
8.根据权利要求7所述的一种普适的主动驾驶改装车，其特征在于：所述的电脑安装有ControlDesk软件，所述的工控机采用dSPACE工控机。
9.根据权利要求7所述的一种普适的主动驾驶改装车，其特征在于：所述的电脑还用于根据所述线控转向系统、电子油门控制系统的线控刹车系统反馈的控制结果对做进一步的调整。
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