CN109343531A - 车辆底盘系统以及包含其的自动驾驶车辆 - Google Patents

车辆底盘系统以及包含其的自动驾驶车辆 Download PDF

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Abstract

提供了车辆底盘系统以及包含其的自动驾驶车辆。该车辆底盘系统包括：底层适配单元(BAU)，其耦合到车辆的自动驾驶车机，配置为与所述自动驾驶车机进行通信；以及车辆的运动执行机构，其耦合到所述底层适配单元，配置为在所述底层适配单元的控制下，实现车辆的运动。

Description

车辆底盘系统以及包含其的自动驾驶车辆
技术领域
本发明涉及自动驾驶车辆，特别地涉及用于自动驾驶车辆的车辆底盘系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是为了提供与本发明相关的背景信息，这些背景信息并不一定构成现有技术。
自动驾驶车辆又称无人驾驶车辆、电脑驾驶车辆或轮式移动机器人等，是一种可以辅助人类驾驶操作或者实现无人驾驶的智能车辆。需要说明的是，本文中的提到的自动驾驶车辆或者本发明的底盘系统所适用的自动驾驶车辆不限于完全自动化的无人驾驶车辆，而是还包括如下类型的自动驾驶车辆：
高度自动化的无人驾驶车辆：其能够在或长或短的时间段内代替驾驶者承担操控车辆的职责，但是仍需驾驶者对驾驶活动进行监控；
部分自动化的无人驾驶车辆：其在驾驶者收到警告却未能及时采取相应行动时能够自动进行干预，如“自动紧急制动”(AEB)和“应急车道辅助”(ELA)等。
自动驾驶车辆依靠人工智能、视觉计算、雷达、监控装置、全球定位系统、地图等协同合作，让其中的自动驾驶车机可以辅助人类的驾驶操作，或者可以在没有人类主动操作的情况下自动安全地操作机动车辆。
自动驾驶车机可以是电子控制单元(ECU)形式的嵌入式车载控制器，也可以是性能优越的工控机，其作为自动驾驶车辆的必要组成部分，通常具备强大的计算能力，可以担任路径规划、传感器数据采集、传感器数据处理、多传感器融合等计算密集型任务。多数的自动驾驶车机实际物理形态为x86架构的通用计算机或者工控机，运行Windows或者Linux操作系统。
从硬件系统架构上来看，自动驾驶车辆系统以自动驾驶车机为系统核心，所有外围硬件系统均连接到自动驾驶车机；从软件系统架构上来看，外设驱动、数据处理以及自动驾驶软件均在统一的自动驾驶车机平台上完成，开发平台统一、系统数据流顺畅。但是，这种集中式的、以自动驾驶车机为核心的系统架构存在着以下缺陷：
1)由于外围硬件多种多样，且没有统一的接口形式，因此通常需要采用相应的接口电路形式的适配板卡，这些适配板卡非专门设计，可靠性不佳，适配性不够，集成度低；
2)自动驾驶车机需要考虑不同型号的自动驾驶车辆的底层硬件配置，使得其通用性差，难以适配到不同型号的自动驾驶车辆；
3)自动驾驶车辆的传感器系统多与硬件相关，并需要频繁地与自动驾驶车机进行通信以传递实时信息，因此其对自动驾驶车机的输入/输出端口资源占用严重，并会严重占用CPU资源，影响自动驾驶车机作为一个计算核心的性能发挥。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种车辆底盘系统，包括：底层适配单元(BAU)，其耦合到车辆的自动驾驶车机，配置为与所述自动驾驶车机进行通信；以及车辆的运动执行机构，其耦合到所述底层适配单元，配置为在所述底层适配单元的控制下，实现车辆的运动。
优选地，所述底层适配单元包括：处理器，配置用于转发或分解来自所述自动驾驶车机的运动任务。
优选地，所述处理器中包括运动任务分解模块、横向运动控制模块和纵向运动控制模块，所述运动任务分解模块用于将来自所述自动驾驶车机的运动任务分解为横向控制任务和纵向控制任务，所述横向控制任务和纵向控制任务分别被发送到所述横向运动控制模块和纵向运动控制模块，所述横向运动控制模块耦合到所述运动执行机构中的横向运动执行机构，所述纵向运动控制模块耦合到所述运动执行机构中的纵向运动执行机构。
优选地，所述运动执行机构包括：用于实现车辆的纵向运动的纵向运动执行机构；以及用于实现车辆的横向运动的横向运动执行机构。
优选地，所述横向运动执行机构包括：转向执行模块，用于控制车辆的转向系来实现转向。所述纵向运动执行机构包括：动力控制模块，用于控制车辆的动力系统；以及制动执行模块，用于控制车辆的制动系来实现制动。
优选地，所述底层适配单元还包括：用于所述自动驾驶车机、所述转向执行模块、所述动力控制模块、所述制动执行模块的多个通信接口。
优选地，所述通信接口是总线。
优选地，所述处理器中还包括用于实现局部路径规划的路径规划模块。
优选地，所述底层适配单元还耦合到一个或多个传感器，用于获取车辆的位置或姿态。
本发明的另一个方面涉及一种自动驾驶车辆，包括：上述的车辆底盘系统，以及与所述车辆底盘系统进行通信的自动驾驶车机。
本发明的再一个方面涉及一种使用车辆底盘系统实现的方法，所述车辆底盘系统包括底层适配单元(BAU)和运动执行机构，所述方法包括：所述底层适配单元从车辆的自动驾驶车机接收运动任务；以及所述底层适配单元根据所述运动任务控制所述运动执行机构来实现车辆的运动。
优选地，其中，所述底层适配单元根据所述运动任务控制所述运动执行机构来实现车辆的运动包括：所述底层适配单元转发或分解来自所述自动驾驶车机的所述运动任务。
优选地，其中，所述分解来自所述自动驾驶车机的所述运动任务包括：将来自所述自动驾驶车机的所述运动任务分解为横向控制任务和纵向控制任务。
优选地，上述方法还包括：将所述横向控制任务和纵向控制任务分别发送到所述底层适配单元中的横向运动控制模块和纵向运动控制模块，所述横向运动控制模块根据所述横向控制任务控制所述运动执行机构中的横向运动执行机构来实现车辆的横向运动，所述纵向运动控制模块根据所述纵向控制任务控制所述运动执行机构中的纵向运动执行机构来实现车辆的纵向运动。
优选地，其中，所述底层适配单元通过总线与所述自动驾驶车机和所述运动执行机构进行通信。
优选地，上述方法还包括：所述底层适配单元进行局部路径规划。
优选地，上述方法还包括：所述底层适配单元从耦合到其的一个或多个传感器获取车辆的位置或姿态。
本发明的车辆底盘系统为上层的自动驾驶车机提供了统一的通信接口，其向自动驾驶车机屏蔽了底盘机电系统的各种物理实现细节，将底盘模型化、抽象化，从而可以使得自动驾驶车机的系统设计和功能实现不需要考虑底盘机电系统的不同物理实现，如此，自动驾驶车机能够在不同型号的自动驾驶车辆之间进行无缝切换，极大地改善了自动驾驶车机的通用性和可移植性。另外，本发明的底盘系统的功能更为强大，相比于现有技术中的仅要求动力、转向、制动系统可控的底盘，本发明的底盘系统可以具备完善的运动控制能力，并可以具备一定程度的环境感知和障碍物识别能力，还可以实施基本的路径规划。通过将基本的运动控制、环境感知或路径规划等在底盘系统中实现，可以使得相应的计算或控制过程运行于底层嵌入式平台中，其速度更快、控制系统闭环路径更短，改善了整个系统的效率和安全性。
附图说明
以下参照附图对本发明的实施例作进一步说明，其中：
图1示出了根据本发明的一个实施例的具有底盘系统的自动驾驶车辆的分层架构；
图2示出了根据本发明的一个实施例的底盘系统的结构框图；
图3示出了根据本发明的一个实施例的底层适配单元(BAU)的结构框图；
图4示出了根据本发明的另一个实施例的底盘系统的结构框图；
图5示出了PID方法的示意框图；以及
图6示出了制动停车的四个阶段的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了根据本发明的一个实施例的具有底盘系统的自动驾驶车辆的分层架构，其包括用户层101、自动驾驶车机102和底盘系统103。
用户层101位于该分层架构的最上层，其与自动驾驶车机102耦合，用于向自动驾驶车机提供用户级指令。用户级指令可以具有三种来源形式：乘员控制指令、自主控制指令和远程控制指令。乘员控制指令通常指的是自动驾驶车辆的乘客(包括驾驶员)通过车载的人机交互设备(例如车辆动力控制(VDM))对自动驾驶车辆进行控制时发出的指令，例如选择目的地、选择行驶路线、控制车载设备、等等。自主控制指令通常指的是自动驾驶车辆依据系统设置执行既定任务时发出的指令。远程控制指令通常指的是从位于不同物理空间的操纵地点(利于远离自动驾驶车辆的地点)通过无线数据链路对自动驾驶车辆进行控制时发出的指令。远程控制指令可以来源于对自动驾驶车辆实施远程控制的人，但是也可以来源于其他智能算法实体。
自动驾驶车机102位于该分层架构的中间层，其可以接收来自用户层101的用户级指令，并对其进行解析，以生成可供底盘系统103执行的控制命令。自动驾驶车机102可以是一个具备自动驾驶能力的系统，由高级传感器系统、高精度定位系统、通信系统以及数据处理系统等组成。自动驾驶车机可以接收和处理传感器系统的数据，提取路权信息和障碍物信息，实施总体路径规划和局部路径规划，并生成车辆决策和规划命令。
底盘系统103位于该分层架构的最下层，其可以接收来自自动驾驶车机102的控制命令，并执行这些控制命令以实现对自动驾驶车辆的各种控制。
为了简洁，在图1中仅仅示出了从用户层101至自动驾驶车机102以及从自动驾驶车机102至底盘系统103的通信链路，但是，在实践中，可以另外实现反向的通信链路，也即从底盘系统103至自动驾驶车机102和/或从自动驾驶车机102至用户层101的通信链路，以例如用于反馈车辆的状态信息。
本发明的底盘系统103与普通的自动驾驶系统架构下的底盘之间存在显著不同。具体地，本发明的底盘系统103为自动驾驶车机102提供了统一的通信接口，其物理形态例如可以为总线。在逻辑层面上，通过该通信接口传递的信息可以是简洁的下行命令帧(作为要执行的控制命令)和上行状态帧(作为反馈的状态信息)。从而，底盘系统103可以向上层的自动驾驶车机102屏蔽底盘机电系统的各种物理实现细节，将底盘模型化、抽象化，从而可以使得自动驾驶车机102能够在不同型号的自动驾驶车辆之间进行无缝切换，极大地改善了自动驾驶车机102的通用性和可移植性。另外，本发明的底盘系统103可以具备完善的运动控制能力，并可以具备一定程度的环境感知和障碍物识别能力，在某些实施例中还能实施基本的路径规划。而在普通的自动驾驶系统架构下，对底盘的要求仅为动力、转向、制动系统可控。
图2示出了根据本发明的一个实施例的底盘系统203的结构框图，该底盘系统203与自动驾驶车机耦合并进行通信。
底盘系统203中包括底层适配单元(Base System Adapter Unit，BAU)、电机驱动模块、转向执行模块、制动执行模块、动力电池、动力电机、转向系、制动系等。
需要说明的是，图2中所示的底盘系统203是用于电动车辆的底盘系统，因此其中示出了相应的电机驱动模块、动力电池和动力电机，以为电动车辆提供动力。但是，可以理解，电机驱动模块只是车辆动力控制模块的一种特定形式，本发明的底盘系统同样可以适用于其他类型的车辆(例如，燃油动力车辆或混合动力车辆)，在这种情况下，可以替代地或另外地使用其他动力控制模块来代替电机驱动模块，以控制车辆的动力提供。
底层适配单元(BAU)是底盘系统203的核心部件，其中采用处理器作为控制核心，并设计了针对自动驾驶车辆的电机驱动模块、转向执行模块、制动执行模块、动力电池等的通信接口。另外，在底层适配单元(BAU)中，基于自动驾驶车辆的特定的底层硬件配置，设计了相应的控制算法和控制参数。如此，通过与车辆的自动驾驶车机进行通信，底层适配单元(BAU)可以通过统一的通信接口(例如CAN总线)接收来自自动驾驶车机的控制命令，并通过其中的控制算法和控制参数对该控制命令进行解析，以基于这些控制命令来对自动驾驶车辆进行各种控制。
借助于底层适配单元(BAU)的独特设计，上层的自动驾驶车机不需要了解自动驾驶车辆的底层硬件配置情况，也不需要在自动驾驶车机上针对特定型号的自动驾驶车辆设计相应的硬件接口和控制算法，而是只需要提供抽象的控制命令，只要这些控制命令能够被底层适配单元(BAU)理解即可，如此，显著提高了自动驾驶车机的通用性和可移植性。另外，这也有助于快速搭建基于普通车辆的自动驾驶硬件系统，满足普通车辆到自动驾驶车辆升级所必须解决的便捷化、定制化需求。
在本发明的底层适配单元(BAU)中，还可以提供运动控制模块，用于实现运动控制能力。在现有的自动驾驶车辆方案中，运动控制模块被实现在自动驾驶车机中。本发明通过将运动控制模块设计于底层适配单元(BAU)中，提供了如下优势：
a)对于自动驾驶车机而言，可以做到平台无关。自动驾驶车机和底盘系统之间只需要进行逻辑层面的控制信息交互，而不需要考虑具体执行运动控制的硬件配置。
b)对于底盘系统而言，可以通过接收自动驾驶车机提供的当前坐标和目标坐标，自行依据运动控制算法和车辆动力学模型计算运动控制输出参数，全部过程运行于底层嵌入式平台中，速度快、控制系统闭环路径短。
c)底盘系统作为独立的实体部件，自身的软硬件系统一体化设计，利于模型和算法的优化，提高底盘动力学性能；相应地，自动驾驶系统开发可以忽略车辆的机械特点，专注于环境感知和决策系统的开发和优化。
图3示出了根据本发明的一个实施例的底层适配单元(BAU)的结构框图。在该底层适配单元(BAU)中包括处理器，处理器中可以包括运动任务分解模块、横向运动控制模块和纵向运动控制模块，其中横向运动控制模块耦合到转向执行模块，纵向运动控制模块耦合到电机驱动模块和制动执行模块。上述运动任务分解模块、横向运动控制模块和纵向运动控制模块可以统称为运动控制模块。
底层适配单元(BAU)在接收到来自自动驾驶车机的运动任务之后，可以通过其中的运动任务分解模块将该运动任务分解为横向控制任务(对应于车辆的转向)和纵向控制任务(对应于车辆的加速或减速)，并将横向控制任务和纵向控制任务分别发送给横向运动控制模块和纵向运动控制模块，以进行执行。在另一种情形，如果底层适配单元(BAU)从自动驾驶车机接收的运动任务已经是分解后的横向控制任务和纵向控制任务，则底层适配单元(BAU)中的处理器可以仅仅转发这些横向控制任务和纵向控制任务，而不需要使用运动任务分解模块来进行运动任务的分解。
横向运动控制模块可以基于横向控制任务计算所需的横向控制指令(例如转角角度和速度)，并将这些横向控制指令发送给转向执行模块，以实现自动驾驶车辆的转向；纵向运动控制模块可以基于纵向控制任务计算所需的纵向控制指令(例如用于动力电机的加速度值和/或用于制动系统的制动等级)，并将这些纵向控制指令发送给电机驱动模块和/或制动执行模块，以实现自动驾驶车辆的加速或减速。
底盘系统203中的转向执行模块耦合到车辆的转向系，用于控制转向系来最终实现车辆的转向。转向执行模块中可以包括转向控制器、助力电机、角度和扭矩传感器等。从外部角度看，转向执行模块通过总线(例如CAN总线)与底层适配单元(BAU)通信，接收转向指令(也即，横向控制指令)，并相应地驱动车辆的转向系动作，最终实现底盘转向控制。在一个实施例中，所述转向执行模块是线控转向总成，其具体型号可以是天隼(FALCON)的SDM。
底盘系统203中的制动执行模块耦合到车辆的制动系，用于控制制动系来最终实现车辆的减速。制动执行模块可以包括控制器、液压泵、电磁阀、传感器等。从外部角度看，制动执行模块通过总线(例如CAN总线)与底层适配单元(BAU)通信，接收制动指令(属于纵向控制指令)，并相应地执行增压、泄压、保压操作，最终通过制动系的油路和制动器等，实现底盘制动。在一个实施例中，所述制动执行模块是线控电子液压制动总成，其具体型号可以是天隼(FALCON)的EHB。
底盘系统203中的电机驱动模块耦合到动力电池和动力电机，用于控制动力电池和动力电机以为车辆提供适当的动力。电机驱动模块可以接收加速指令、减速指令或保持速度指令等(均属于纵向控制指令)，实现对动力电机的相应的驱动控制，最终控制底盘的速度。在一个实施例中，所述电机驱动模块是线控电机驱动器。
转向系和制动系可以是现有车辆中的转向系和制动系。例如，转向系可以包括转向直拉杆、转向横拉杆、等等。转向系与转向执行模块之间可以通过齿轮等机械耦合装置连接，实现车辆转向。制动系可以包括真空助力泵、制动总泵、制动液、制动油路、ABS泵总成、制动分泵、车轮制动器等。制动执行模块可以接入制动系的制动油路，以通过主动增压的方式实现制动系的制动控制。
在上述实施例中，自动驾驶车机、转向执行模块、制动执行模块均通过总线连接到底层适配单元(BAU)。自动驾驶车机可以通过总线向底层适配单元(BAU)发送命令，并通过总线从底层适配单元(BAU)接收状态信息。底层适配单元(BAU)可以通过总线向转向执行模块和制动执行模块发送命令，并通过总线从转向执行模块和制动执行模块接收状态信息。如此，在自动驾驶车辆的核心功能模块之间实现了总线化控制。该总线可以是CAN总线，也可以是以太网总线或者USB总线等。
图4示出了根据本发明的另一个实施例的底盘系统403的结构框图。与图2所示的底盘系统203相比，底盘系统403(更为具体地，底盘系统403中的底层适配单元(BAU))进一步耦合到了油门踏板、制动踏板、转向器等驾驶操纵部件。
通过将底层适配单元(BAU)耦合到油门踏板、制动踏板、转向器等驾驶操纵部件，底盘系统403除了可以从自动驾驶车机接收控制命令(对应于线控模式)外，还可以在驾驶员操控油门踏板、制动踏板、转向器时从这些部件接收相应的控制命令(对应于人工驾驶模式)，从而使得底盘系统403既可以支持利用自动驾驶车机的线控模式，也可以支持利用驾驶操纵部件的人工驾驶模式，并可以在这两种模式之间进行切换。
在本发明的另一个实施例中，可以将一个或多个传感器直接耦合到底层适配单元(BAU)，从而为底盘系统提供相应的环境感知和/或障碍物识别能力。传感器可以是定位传感器、里程计、姿态传感器、障碍物探测传感器等中的一个或多个。在一个实施例中，所述定位传感器是差分GPS；所述里程计是轮速传感器；所述姿态传感器是6轴微机电陀螺仪；所述障碍物探测传感器可以包括金属障碍物探测传感器和非金属障碍物探测传感器，金属障碍物探测传感器可以是毫米波雷达，非金属障碍物探测传感器可以是二维激光雷达。
底层适配单元(BAU)可以从各个传感器接收信息，并对这些信息进行处理或基于这些信息执行相应的操作，以在底层适配单元(BAU)中实现多传感器信息融合。在一个实施例中，可以使用多传感器融合单元(其具体型号例如是天隼(FALCON)的MSIFM)来实现传感器信息处理或多传感器信息融合。另外，通过这种方式，可以避免过多占用自动驾驶车机的输入/输出端口资源，从而可以保证自动驾驶车机作为一个计算核心的性能发挥。
在本发明的另一个实施例中，在底层适配单元(BAU)中可以进一步提供路径规划模块，以实现一定的路径规划功能。路径规划方法可分为两大类：(1)基于完整环境信息的全局路径规划方法，例如，从上海到北京有很多条路，规划出一条作为行驶路线即为全局路径规划；(2)简单的局部场景下的局部路径规划方法。在本发明的底层适配单元(BAU)中的路径规划模块用于实现局部路径规划。
通过提供该路径规划模块，底层适配单元(BAU)可以从自动驾驶车机直接接收包含目标坐标信息的目标指令。在接收到包含目标坐标信息的目标指令之后，路径规划模块可以从定位传感器接收车辆的实时坐标信息，并基于目标坐标信息和实时坐标信息，规划出一系列具体的路径点，并将这些具体的路径点发送到运动控制模块。运动控制模块中的运动任务分解模块将针对每个路径点的运动任务分解为横向控制任务和纵向控制任务，并通过横向运动控制模块和纵向运动控制模块来进行运动控制(具体方式请参见上文，在此不再赘述)。
下面描述本发明的底盘系统对纵向速度进行控制的一个实施例，其中通过里程计与纵向运动控制模块形成闭环系统，以算法实现纵向速度的精确控制。
具体地，自动驾驶车机可以通过CAN总线向底盘系统中的底层适配单元(BAU)发出速度控制指令(也即纵向控制任务)，底层适配单元(BAU)接收自动驾驶车机的速度控制指令并确认指令。速度控制指令也可以不是来自自动驾驶车机，而是由底层适配单元(BAU)中的运动控制模块根据目标坐标和当前坐标计算出来的速度控制数据。
里程计的输出为脉冲信号，占空比固定，频率与轮速成线形的倍数关系。多传感器融合单元(例如天隼(FALCON)的MSIFM)读取该脉冲信号，通过计数的方式将脉冲信号的频率转换为轮速信号，结合车轮的直径，即可得到实际的轮速信息，或者叫车辆直线速度。多传感器融合单元可以通过与底层适配单元(BAU)的总线发送包含轮速信息的数据帧。
底层适配单元(BAU)读取轮速信息、将其转换为速度值、并将速度值与目标速度相比较，如果当前速度低于目标速度，则控制电机驱动模块提高电机转速，加速车辆；反之，则控制电机驱动模块降低电机转速或者通过制动执行模块(例如天隼(FALCON)的EHB)向制动油路加压，对车辆减速。
在高级应用中，还可以进一步使用“姿态传感器”获取底盘姿态信息，结合转角指令等信息，按照安全性、舒适性原则，对纵向控制做出调整。该控制过程可以使用经典的PID方法，其过程可用图5所示的框图来表示。为了实现快速、平滑跟踪，可以使用模糊PID等高级算法。
纵向速度控制的一个应用实例如下：
场景：某平直道路，自动驾驶车机下发指令，要求车辆以100KM/H的速度巡航。
分析：目标速度值作为目标；从MSIFM回传的数据帧中提取当前速度值作为当前速度值；设定调节精度；以电机控制器的油门信号为速度值输入；
实现：当前速度值Vc，目标速度值Vt，电子油门调节输出Vs(0-1)，实施相应的PID调节。
下面描述本发明的底盘系统对横向运动(也即转向)进行控制的一个实施例。通过转向控制，实现车辆按照规划的轨迹行驶，同时保证车辆一定程度上的平稳性、安全性和舒适性。
具体地，自动驾驶车机向底层适配单元(BAU)发送目标点坐标。底层适配单元(BAU)基于MSIFM传送的当前车辆位置坐标，计算横向控制的转角，供转向系执行。在高级应用中，还可以使用“姿态传感器”获取底盘姿态信息，结合车速等信息，按照安全性、舒适性原则，对横向控制做出调整。
横向控制的一个应用实例如下：将车辆横向动力学简化为最基本的两自由度车辆动力学模型，即仅考虑车辆的横摆及横向运动，随后，在两自由基本动力学模型基础上将无人车辆轨迹跟踪的控制问题描述为状态空间的形式并设计了PID控制系统。在匀速小转向情况下，PID控制系统具有较好稳态特性和较高的控制精度。
在本发明的一个实施例中，可以利用惯性测量单元(Inertial measurementunit，简称IMU)获取车体状态，实时检测底盘状态，从而实现姿态感知能力。一般而言，需要对IMU数据进行如下的处理：数据校准、温飘处理、数据滤波、姿态解算。最终，IMU数据处理完毕，输出当前底盘的姿态角(pitch,yaw,roll)。对于数据校准，目前IMU校准简单方法就是去掉零点偏移量，采集一定的数据，求平均，这个平均值就是零点偏移，后续飞控所读的数据减去零点偏移即可。温飘处理用于消除或减轻由于温度变化而引起的IMU数据的偏移，一种方法是以硬件固定陀螺仪环境温度，另一种方法是以软件方式作先验的误差表格。数据滤波用于消除或减轻IMU输出数据中包含的大量噪声，常见的卡尔曼滤波即可取得较好效果。对于姿态解算，姿态角(Euler角)分为pitch、yaw和roll。姿态角并不是指哪个角度，而是三个角度的统称。它们分别是：俯仰、滚转、偏航。通过陀螺仪输出的数据，可以解算出姿态角，以表征当前底盘的姿态。
本发明的底盘系统可以进一步用于提高系统安全性。在车辆运动过程中，安全性始终是优先级最高的评估要素。运动过程中的安全性主要表现在如下几个方面：安全转向约束；安全速度约束；安全距离约束。具体在底盘系统上，系统安全也同样可以通过转向、速度、距离等三个安全相关的约束来保证。
(1)安全转向约束
根据车辆动力学理论，车辆的转向特性有过度转向、中性转向、不足转向三种稳态转向特性。当车辆高速行驶时，在不足转向的情况下，在线性区间内容易操控。而具有中性转向的车辆极易变成过度转向，易发生稳定性问题造成车辆的失控。在附着系统的制约下，在较大侧偏角的情况下，改变车辆的转向角对车辆横摆角速度产生很小的改变，这与在低速下的横摆角速度有很大不同。在干燥路面上，车辆在侧偏角大于100的情况下会失去操控性，而在积雪路面上，侧偏角只要达到40车辆就会失去操控性。因此对于无人驾驶车辆来说，应当确保车辆横向力保持在线性范围内，这样，就可以保持车辆在道路上行驶时更加安全、平稳。考虑行车过程中的安全性策略，要确保无人车安全、平稳地跟随决策系统规划的路径，我们以侧偏角和横摆角速度安全限制为依据，计算车辆转向控制的输出量约束。如果路面摩擦系数不能提供高横摆角速度下的轮胎力，那么尝试去得到根据轨迹计算出的期望横摆角速度是不安全的，此时的期望轨迹为不合理的，为了保证车辆能够安全行驶应对其加以限制，理想的横摆角速度必须控制在根据轮胎路面摩擦系数所确定的上限值范围内。为了车辆行驶安全并考虑到乘坐舒适性，车辆的驾驶行为就应该尽可能的远离极限取值，车辆的横摆角速度和侧偏角不能过大。对于轨迹跟踪的横向控制器，输出过大的转向角容易引起控制系统超调，在速度较高的情况下，甚至会导致系统失控，失控后的车辆可能偏离期望轨迹而引起碰撞的危险。当自动驾驶车机发送的轨迹坐标和期望速度超出临界值后，系统可以根据设定，选择性地进行告警或者对危险指令实施纠正。
(2)安全速度约束
如前文所述，控制器同时输出过大的速度值和过大转角时，系统会失去稳定。因此需要对车辆的期望轨迹做出预先计算，期望轨迹的曲率较大时需要提前降低速度，让车辆平缓行驶过弯。车辆以速度V通过半径为R的圆轨道时，期望横摆角速度为：
当期望横摆角速度大于横摆角速度上限时，就应提前降低速度设定值。若定义θdes为控制器根据期望横摆角速度计算输出的期望前轮转角，根据极限情况下前轮转角与速度的关系，可以求出θdes转角对应的侧偏角极限速度Vs和横摆角速度极限速度Vy。此时定义纵向控制器的速度设定值为：
vdes(k)＝min[V0(k)，vs(k)，vy(k)，vE(k)]
其中V0(k)为该路段交通规则规定的速度限制；Vs(k)、Vy(k)上文已定义；Ve(k)为决策系统的速度设定，该速度考虑了其他车辆的前后安全车距及侧边的突发情况等。
(3)安全距离约束
制动距离是指驾驶员踩下制动踏板产生作用至车辆完全停止时，轮胎在路面上出现明显的拖印的距离。制动距离的长短与行驶速度、制动力、附着系数等有关。制动停车距离不仅是肉眼可见的刹车拖印距离，实际上它包括四个阶段：系统反应阶段、制动器作用阶段、持续制动阶段和解除制动阶段。图6示出了制动停车的四个阶段的示意图。从传感器发现障碍物到制动指令发出的间隔时间称之为反应时间，见图6的t1段。该时间的长短与传感器类型、传感器融合、系统决策有关。一般人类驾驶员反应时间为0.3-1秒。不同的反应时间和不同的车速得到不同的反应距离S1。制动器作用时间见图6的t2段，它包括制动踏板与制动鼓间隙消除时间t2’和制动力增长时间t2”。这一段时间的变化一方面取决于驾驶员踏制动踏板的速度，还受制动器结构型式的影响，一般液压制动0.2—0.3秒，气压制动为0.3—0.8秒。不同反应时间和不同车速得到不同的反应距离S2。持续制动时间见图6的t3段，此时地面上出现明显制动印痕。该距离长短主要取决于车速和路面性质即地面附着系数(不同的路面其附着系数不同)。制动距离S3用下式表示：S3＝V2/254φ(m)，其中：V—车速，φ—路面附着系数。不同的路面附着系数和不同的车速得到不同的反应距离S3。解除制动时间与制动距离没有太大影响，记为S4。所以整个制动过程的总距离应为S＝S1+S2+S3+S4。安全距离的约束体现在：通过底盘配属的传感器系统，监测行进方向上的静止或者移动物体，当距离小于当前速度下的安全距离时，给出报警或者做出其他决策。
综上，本发明的底盘系统为上层的自动驾驶车机提供了统一的通信接口，其向自动驾驶车机屏蔽了底盘机电系统的各种物理实现细节，将底盘模型化、抽象化，从而可以使得自动驾驶车机的系统设计和功能实现不需要考虑底盘机电系统的不同物理实现，如此，自动驾驶车机能够在不同型号的自动驾驶车辆之间进行无缝切换，极大地改善了自动驾驶车机的通用性和可移植性。另外，本发明的底盘系统的功能更为强大，相比于现有技术中的仅要求动力、转向、制动系统可控的底盘，本发明的底盘系统可以具备完善的运动控制能力，并可以具备一定程度的环境感知和障碍物识别能力，还可以实施基本的路径规划。通过将基本的运动控制、环境感知或路径规划等在底盘系统中实现，可以使得相应的计算或控制过程运行于底层嵌入式平台中，其速度更快、控制系统闭环路径更短，改善了整个系统的效率和安全性。
本说明书中针对“各个实施例”、“一些实施例”、“一个实施例”、或“实施例”等的参考指代的是结合所述实施例所描述的特定特征、结构、或性质包括在至少一个实施例中。因此，短语“在各个实施例中”、“在一些实施例中”、“在一个实施例中”、或“在实施例中”等在整个说明书中各地方的出现并非必须指代相同的实施例。此外，特定特征、结构、或性质可以在一个或多个实施例中以任何合适方式组合。因此，结合一个实施例中所示出或描述的特定特征、结构或性质可以整体地或部分地与一个或多个其他实施例的特征、结构、或性质无限制地组合，只要该组合不是非逻辑性的或不能工作。在方法流程中按照一定顺序进行描述的各个步骤并非必须按照该顺序执行，相反，其中的一些步骤的执行顺序可以改变，并且一些步骤可以并发执行，只要不影响方案的实现即可。另外，本申请附图中的各个元素仅仅为了示意说明，并非按比例绘制。
由此描述了本发明的至少一个实施例的几个方面，可以理解，对本领域技术人员来说容易地进行各种改变、修改和改进。这种改变、修改和改进意于在本发明的精神和范围内。

Claims (10)

1.一种车辆底盘系统，包括：
底层适配单元(BAU)，其耦合到车辆的自动驾驶车机，配置为与所述自动驾驶车机进行通信；以及
车辆的运动执行机构，其耦合到所述底层适配单元，配置为在所述底层适配单元的控制下，实现车辆的运动。
2.根据权利要求1所述的车辆底盘系统，其中，所述底层适配单元包括：
处理器，配置用于转发或分解来自所述自动驾驶车机的运动任务。
3.根据权利要求2所述的车辆底盘系统，其中，所述处理器中包括运动任务分解模块、横向运动控制模块和纵向运动控制模块，所述运动任务分解模块用于将来自所述自动驾驶车机的运动任务分解为横向控制任务和纵向控制任务，所述横向控制任务和纵向控制任务分别被发送到所述横向运动控制模块和纵向运动控制模块，所述横向运动控制模块耦合到所述运动执行机构中的横向运动执行机构，所述纵向运动控制模块耦合到所述运动执行机构中的纵向运动执行机构。
4.根据权利要求1所述的车辆底盘系统，其中，所述运动执行机构包括：
用于实现车辆的纵向运动的纵向运动执行机构；以及
用于实现车辆的横向运动的横向运动执行机构。
5.根据权利要求4所述的车辆底盘系统，其中，
所述横向运动执行机构包括：
转向执行模块，用于控制车辆的转向系来实现转向；
所述纵向运动执行机构包括：
动力控制模块，用于控制车辆的动力系统；以及
制动执行模块，用于控制车辆的制动系来实现制动。
6.根据权利要求5所述的车辆底盘系统，其中，所述底层适配单元还包括：
用于所述自动驾驶车机、所述转向执行模块、所述动力控制模块、所述制动执行模块的多个通信接口。
7.根据权利要求6所述的车辆底盘系统，其中，所述通信接口是总线。
8.根据权利要求2所述的车辆底盘系统，其中，所述处理器中还包括用于实现局部路径规划的路径规划模块。
9.根据权利要求1所述的车辆底盘系统，其中，所述底层适配单元还耦合到一个或多个传感器，用于获取车辆的位置或姿态。
10.一种自动驾驶车辆，包括：
如权利要求1-9中任一项所述的车辆底盘系统；以及
与所述车辆底盘系统进行通信的自动驾驶车机。
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