CN110058532B - 一种智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台及其实验方法，该实验平台包括虚拟测试模块、数据采集模块以及控制执行模块。数据采集模块包括转角和转矩一体化传感器和压力传感器，控制执行模块包括转向执行机构和制动执行机构。转角和转矩一体化传感器用于检测智能汽车的转向盘转动时的转角和转矩，虚拟测试模块实时监控转角和转矩值，实时决策出下一时刻的期望转角以及转向阻力。压力传感器用于检测智能汽车制动压力，虚拟测试模块实时监控制动压力，实时决策出下一时刻的期望制动压力。本发明无需整车进行实验，实现了在非整车现场实验的条件下进行性能设计，验证和规避系统的失效模式，提升了实验效果。

Description

一种智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台及其实验方法

技术领域

本发明涉及智能驾驶技术领域的一种实验平台，尤其涉及一种智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台，还涉及一种智能汽车底盘纵横向集成控制实验方法。

背景技术

汽车的转向和制动系统是汽车运动的基础，也是未来智能驾驶的底层核心技术，具有无可替代的作用。智能汽车中，车辆横向控制的目的就是能够有足够稳定的路径跟踪能力以及车道变更能力，并且同时还要保证车上人员乘坐时的舒适性，而智能汽车的纵向控制就是为了使被控车能够跟随实际车速行驶，因此在智能汽车的探究过程中，横纵向研究的有机结合是优化性能的重要基础。

但是，对现有的智能汽车进行横纵方向的制动和转向实验时，需要到实际路况中进行整车实验，实验时间长，成本高，风险大。并且，这样存在对实验器材要求高、实验难度大，难以收集部分实验数据的缺点，难以验证和规避系统的失效模式。

发明内容

针对现有的技术问题，本发明提供一种智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台及其实验方法，解决了现有的智能汽车需要整车进行实验，进而使得实验系统存在很多失效模式的问题，同时本发明将硬件和软件联合进行仿真测试，实现了在非整车现场实验的条件下进行性能设计，验证和规避系统的失效模式。

本发明采用以下技术方案实现：

一种智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台，其包括：

虚拟测试模块，其用于预设所述智能汽车的虚拟仿真环境，并建立相应的整车模型；

数据采集模块，其用于采集所述智能汽车的转向信息和制动信息，并将所述转向信息和所述制动信息传输至所述虚拟测试模块，以作为所述整车模型的运动信息；以及

控制执行模块，其用于根据所述整车模型的运动信息，调节所述智能汽车转向的角度和制动的压力；

其中，所述数据采集模块包括：

转角和转矩一体化传感器，其用于检测所述智能汽车的转向盘转动时的转角和转矩；所述虚拟测试模块根据所述转角和所述转矩，在所述整车模型中实时决策出所述智能汽车下一时刻的期望转角以及转向阻力；以及

压力传感器，其用于检测所述智能汽车的制动压力；所述虚拟测试模块根据所述制动压力，在所述整车模型中实时决策出下一时刻的期望制动压力；

所述控制执行模块包括：

转向执行机构，其包括助力装置和转向阻力模拟装置；所述助力装置包括路感电机、路感控制器以及转向机器人；所述路感控制器根据所述转矩，驱动路感电机转动以模拟出转向盘转动时受到的路感反馈；转向机器人根据所述期望转角，驱动所述智能汽车的转向盘转动相应的角度；所述转向阻力模拟装置包括前轮转向电机、前轮转向控制器、伺服电机以及伺服电机控制器；所述前轮转向控制器根据所述期望转角，驱动前轮转向电机转动，以带动所述智能汽车的前轮转向，使所述智能汽车完成线控转向；所述伺服电机控制器根据所述转向阻力，驱动伺服电机转动，以向所述智能汽车提供转向阻力的负载扭矩，以模拟所述前轮转向时的真实路面阻力状态；以及

制动执行机构，其包括制动控制器以及制动装置；所述制动装置用于对所述智能汽车制动；所述制动控制器根据所述期望制动压力，调节所述制动装置对所述智能汽车的制动幅度。

作为上述方案的进一步改进，转向机器人包括转向电机、减速器、两个联轴器、转速转矩传感器、万向节以及三抓卡盘；三抓卡盘抓在转向盘上，并与万向节转动连接；两个联轴器分别连接在转速转矩传感器的转轴两端，且其中一个联轴器与万向节转动连接，其中另一个联轴器通过减速器与转向电机的输出轴转动连接。

作为上述方案的进一步改进，所述转向执行机构还包括其余转向装置，所述其余转向装置包括转向柱以及齿轮齿条组件；转向柱与转向盘转动连接，路感电机位于转向柱上，并与转向柱机械连接；转向盘与齿轮齿条组件的齿轮转动连接，转角和转矩一体化传感器设置在齿轮齿条组件和转向盘之间。

作为上述方案的进一步改进，所述制动装置包括电控HCU模块、制动踏板、制动主缸以及多个制动轮缸；电控HCU模块用于接收所述制动控制器的制动信号，通过启闭所述智能汽车的电磁阀开关以及调节电机泵的开度，使制动主缸内的制动液流入制动轮缸，以调节制动幅度；其中，压力传感器用于检测制动轮缸的制动压力。

进一步地，所述数据采集模块还包括拉压力传感器以及DAQ数据采集卡，所述拉压力传感器用于检测齿轮齿条组件的齿条的拉力；所述DAQ数据采集卡用于将所述拉压力传感器检测的拉力信号、转角和转矩一体化传感器检测的转角和转矩信号以及压力传感器检测的压力信号传输至所述虚拟测试模块。

作为上述方案的进一步改进，所述虚拟测试模块包括上位机和下位机；所述上位机设置动力学仿真环境和实时测试开发系统，所述动力学仿真环境用于模拟所述智能汽车在不同工况下的运动状态，并建立所述整车模型；所述实时测试开发系统用于通过所述下位机对所述控制执行模块下发控制命令；所述下位机为PXI机箱，且用于解析转角和转矩一体化传感器和压力传感器检测的信号，并将相应解析信号传输至所述上位机的整车模型中。

进一步地，所述实验平台还包括实时通讯模块，所述实时通讯模块包括CAN通讯卡以及TCP/IPv4通讯协议单元；所述下位机通过所述CAN通讯卡与所述路感控制器、所述前轮转向控制器、所述伺服电机控制器以及所述制动控制器进行实时通讯；所述上位机和所述下位机通过所述TCP/IPv4通讯协议单元进行实时通讯。

再进一步地，电控HCU模块、制动轮缸以及压力传感器通过三通阀螺纹连接。

作为上述方案的进一步改进，

所述控制执行模块根据所述整车模型的运动信息，判断所述智能汽车的质心侧偏角是否小于质心侧偏角阈值，是则判断所述转角是否变号，否则通过所述制动执行机构对所述智能汽车主动制动；

所述控制执行模块还根据所述整车模型的运动信息，判断所述智能汽车是否能紧急避障；

在所述智能汽车能紧急避障时，所述控制执行模块判断所述转角是否变号；

在所述智能汽车无法紧急避障时，所述控制执行模块通过所述制动执行机构对所述智能汽车主动制动；

在所述转角变号时，所述控制执行模块先通过所述转向执行机构进行主动转向，再判断转向的横向距离是否达到横向阈值；

在所述转角未变号时，所述控制执行模块通过所述制动执行机构对所述智能汽车主动制动；

在所述横向距离达到所述横向阈值，所述控制执行模块判定所述智能汽车完成转向避障；

在所述横向距离未达到所述横向阈值时，所述控制执行模块通过所述制动执行机构对所述智能汽车主动制动。

本发明还提供一种智能汽车底盘纵横向集成控制实验方法，其应用于上述任意所述的智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台中；所述实验方法包括以下步骤：

预设所述智能汽车的虚拟仿真环境，并建立相应的整车模型；

检测所述智能汽车的转向盘转动时的转角和转矩，根据所述转角和所述转矩，在所述整车模型中实时决策出所述智能汽车下一时刻的期望转角以及转向阻力；检测所述智能汽车制动的压力，根据所述压力，在所述整车模型中实时决策出所述智能汽车下一时刻的期望制动压力；

根据所述转矩，驱动路感电机转动以模拟出转向盘转动时受到的路感反馈；

根据所述期望转角，驱动所述智能汽车的转向盘转动相应的角度，并驱动前轮转向电机转动，以带动所述智能汽车的前轮转向；

根据所述转向阻力，驱动伺服电机转动，以向所述智能汽车提供转向阻力的负载扭矩，以模拟所述前轮转向时的真实路面阻力状态；

根据所述期望制动压力，调节所述制动装置对所述智能汽车的制动幅度。

本发明的智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台及其实验方法，其实验平台设置了虚拟测试模块、控制执行模块以及数据采集模块，虚拟测试模块能够预设智能汽车的虚拟仿真环境以及建立整车模型，这样车辆速度、道路工况等信息就能够在整车模型中体现。该实验平台的数据采集模块能够采集到智能汽车的转向盘的转角和转矩，并且也能采集到智能汽车制动压力，而这些采集信号能够通过整车模型生成实际转角、转向阻力以及实际制动压力。本发明中的控制执行模块的转向执行机构根据这些转向信息，能够模拟转向盘转向的路感反馈，并对转向盘进行旋转，驱动汽车的前轮进行转向，同时向智能汽车提供转向阻力的负载扭矩，从而模拟出前轮转向时的真实路面阻力状态，制动执行机构根据期望制动压力，调节汽车的制动幅度，实现增压、减压以及保压操作。

这样，本发明的实验平台就可以实现实时的转向和制动闭环控制，而且主动转向和主动制动能够联合仿真“紧急避障”实验，实现避障的功能。本发明的转向执行机构和制动执行机构共同协调，以自车的转向轻便性和制动稳定性为最优控制目标，对底盘的侧向力和纵向制动力进行容错横摆力矩调节，实现高级智能辅助驾驶功能，能在不同工况下改善和提高汽车制动的稳定性和转向操纵的轻便性，提高智能汽车的安全性。另外，本发明的实验平台无需整车进行实验，实现了在非整车现场实验的条件下进行性能设计，验证和规避系统的失效模式，从而提高实验的成功率，提升了实验的效果。

附图说明

图1为本发明实施例1的智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台的系统框图；

图2为图1中的智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台从一个视角观察的三维结构示意图；

图3为图1中的智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台从另一个视角观察的三维结构示意图；

图4为图1中的实验平台的转向机器人和路感电机对转向盘作用的框架图；

图5为图2中的实验平台的转向阻力模拟装置的部分结构示意图；

图6为本发明实施例1的实验平台的横向主动转向测试实验硬件的在环原理图；

图7为本发明实施例1的实验平台的纵向主动转向测试实验硬件的在环原理图；

图8为图1中的实验平台的控制执行模块实现转向和制动的联合实验的逻辑原理图；

图9为本发明实施例2的智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台的转向机器人的立体结构示意图。

符号说明：

1 支架 13 液压管路

2 前轮转向电机 14 制动盘

3 齿轮齿条组件 15 油门踏板

4 伺服电机 16 转角和转矩一体化传感器

5 伺服电缸 17 压力传感器

6 转向盘 18 转向机器人

7 转向柱 181 转向电机

8 路感电机 182 减速器

9 电控HCU模块 183 联轴器

10 制动踏板 184 转速转矩传感器

11 制动主缸 185 万向节

12 制动轮缸 186 三抓卡盘

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

实施例1

请参阅图1、图2以及图3，本实施例提供了一种智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台，其包括虚拟测试模块、数据采集模块以及控制执行模块，还可包括实时通讯模块。该实验平台用于非整车模型的实验，故本中所指的智能汽车为非整车，可省去汽车原有的部分组件，如车架、后车轮等。另外，前述这些模块中的部分可以直接为智能汽车的部分结构，当然，这些模块也可独立于智能汽车，作为专门对智能汽车实验的部件。

虚拟测试模块用于预设智能汽车的虚拟仿真环境，可设置车辆速度、道路工况等信息，并建立相应的整车模型。在本实施例中，虚拟测试模块包括上位机和下位机，上位机设置动力学仿真环境和实时测试开发系统，下位机为PXI机箱，并可通过双绞线与上位机连接，并可通过数据传输线与控制执行模块中的各种控制器进行连接。动力学仿真环境用于模拟智能汽车在不同工况下的运动状态，并建立整车模型。实时测试开发系统用于通过下位机对控制执行模块下发控制命令，其可基于NI公司的Labview软件进行开发编程，并且在PXI机箱内运行Labview-RT系统。虚拟测试模块可在上位机Windows10操作系统上运行Labview软件，实现硬件的在线控制、信号的实时采集处理以及曲线的显示等。动力学仿真环境可通过Carsim软件来设置，同时在Carsim软件内可设置整车参数和不同的虚拟实验工况，采用Labview软件与Carsim软件相结合的联合仿真形式进行测试开发。

数据采集模块用于采集智能汽车的转向信息和制动信息，并将转向信息和制动信息传输至虚拟测试模块，以作为整车模型的运动信息。其中，数据采集模块包括转角和转矩一体化传感器16以及压力传感器17，还可包括拉压力传感器以及DAQ数据采集卡。

转角和转矩一体化传感器16用于检测智能汽车的转向盘6转动时的转角和转矩，并且可由经DAQ数据采集卡发送给上位机中Labview软件，采集和监控转向盘6的实际转向信息。其中，虚拟测试模块根据实际转角和转矩，在整车模型中实时决策出智能汽车下一时刻的期望转角以及转向阻力。下位机能够解析上位机传输的转向信息，并将相应的信号传输给控制执行模块，完成整车模型的转向操作。同时，转角和转矩一体化传感器16实时检测的转角与期望转角进行对比，从而便于实验平台调整控制策略，完成主动转向的实时闭环控制。

压力传感器17用于检测智能汽车制动压力，并且压力信号可由经DAQ数据采集卡发送给上位机。其中，虚拟测试模块根据压力，在整车模型中实时决策出下一时刻的期望制动压力。下位机解析上位机传输的制动信息，并将相应的信号传输给控制执行模块，完成整车模型的制动操作。同时，压力传感器17实时检测的压力值与期望制动压力能进行对比，从而便于实验平台调整控制策略，完成主动制动的实时闭环控制。

控制执行模块用于根据整车模型的运动信息，调节智能汽车转向的角度和制动的压力。其中，控制执行模块包括转向执行机构和制动执行机构。转向执行机构用于驱动智能汽车转向，而制动执行机构用于驱动智能汽车制动，这两个机构分别实现智能汽车横纵方向的控制。

请参阅图4，转向执行机构包括助力装置和转向阻力模拟装置，还可包括其余转向装置。其中，助力装置包括路感电机8、路感控制器(即路感电机控制器)以及转向机器人。路感控制器根据期望转矩，驱动路感电机8转动以模拟出转向盘6转动时受到的路感反馈。转向机器人根据期望转角，驱动智能汽车的转向盘6转动相应的角度。其中，转向机器人电机通过减速器转动，并带动传感器(转速转矩传感器)转动，通过连接装置对转向盘6进行驱动，使得转向盘6转动，同时路感电机8通过减速器对转向盘进行作用。

请参阅图5以及图6，转向阻力模拟装置包括前轮转向电机2、前轮转向控制器(即前轮转向电机控制器)、伺服电机4以及伺服电机控制器，还可包括伺服电缸5。前轮转向控制器根据期望转角，驱动前轮转向电机2转动，以带动智能汽车的前轮转向。伺服电机控制器根据转向阻力，驱动伺服电机4转动，以向智能汽车提供转向阻力的负载扭矩，以模拟前轮转向时的真实路面阻力状态。伺服电缸5的一端与伺服电机4机械连接，另一端与齿条机械连接。伺服电机4与伺服控制器采用信号线连接，以传递电信号。

其余转向装置包括转向柱7以及齿轮齿条组件3。转向柱7与转向盘6转动连接，路感电机8位于转向柱7上，并与转向柱7机械连接。转向盘6与齿轮齿条组件3的齿轮转动连接，转角和转矩一体化传感器16设置在齿轮齿条组件3和转向盘6之间，以便于检测转向盘6的转速和转矩。

在本实施例中，拉压力传感器用于检测齿轮齿条组件3的齿条的拉力。DAQ数据采集卡用于将拉压力传感器检测的拉力信号、转角和转矩一体化传感器16检测的转角和转矩信号以及压力传感器17检测的压力信号传输至虚拟测试模块。其中，DAQ数据采集卡提供模拟输入通道(AI)、模拟输出通道(AO)、数字输入通道(DI)、数字输出通道(DO)四种类型通道。DAQ数据采集卡与转角和转矩一体化传感器16、压力传感器17采用信号线连接，并与油门踏板15、变速换挡装置以信号线连接。

制动执行机构包括制动控制器以及制动装置。其中，制动装置用于对智能汽车制动。制动控制器根据期望制动压力，调节制动装置对智能汽车的制动幅度。在本实施例中，制动装置可包括电控HCU模块9、制动踏板10、制动主缸11以及多个制动轮缸12，还可包括液压管路13以及制动盘14。该制动装置可为智能汽车的部分结构，同时智能汽车还可包括支架1和油门踏板15，油门踏板15用于控制智能汽车的速度，并且转动安装在支架1上。电控HCU模块9用于接收制动控制器的制动信号，通过启闭所述智能汽车的电磁阀开关以及调节电机泵的开度，使制动主缸11内的制动液流入制动轮缸12，以调节制动幅度。其中，压力传感器17用于检测制动轮缸12的制动压力。

其中，电控HCU模块9、制动轮缸12以及压力传感器17可通过三通阀螺纹连接，并且电控HCU模块9与制动控制器通过信号线连接。电控HCU模块9由电磁线圈、阀体和回油泵电机构成。阀体内集成有液压制动的12个电磁阀，分别是四个车轮的四个增压阀和四个减压阀，液压主路上的两个吸入阀和两个限压阀。制动控制器解析数字输出信号，并将电机泵开关信号、增压阀、减压阀、吸入阀和限压阀的开关信号、电机泵PWM脉冲信号传输给电控HCU模块。

这里需要说明的是，路感控制器、前轮转向控制器、伺服电机控制器以及制动控制器均为飞思卡尔单片机。上述转向执行机构和制动执行机构能够共同协调，联合仿真“紧急避障”实验，实现避障的功能。同时，控制执行模块以自车的转向轻便性和制动稳定性为最优控制目标，对底盘的侧向力和纵向制动力进行容错横摆力矩调节，实现高级智能辅助驾驶功能，能在不同工况下改善和提高汽车制动的稳定性和转向操纵的轻便性，使车辆转向的同时也能保证合适的侧向稳定性，提高智能汽车的安全性。

实时通讯模块包括CAN通讯卡以及TCP/IPv4通讯协议单元。下位机通过CAN通讯卡与路感控制器、前轮转向控制器、伺服电机控制器以及制动控制器进行实时通讯。其中，CAN通讯卡分别与前轮转向控制器的I/O口及伺服电机控制器的I/O口以信号线连接。上位机和下位机通过TCP/IPv4通讯协议单元进行实时通讯。在上述介绍基础上，接下来介绍本实施中在实验平台进行转向实验和制动实验的具体步骤。

一、转向实验的具体做法。实验人员操作方向盘、油门踏板和变速换挡装置，根据智能汽车的转向系统、制动系统、整车整备尺寸、悬架、路面附着系数等信息，在上位机内Carsim软件中设置好动力学仿真虚拟环境并搭建整车模型。同时，在上位机内运行Labview软件，写入主动转向避撞算法以及控制方法，并搭建Carsim和Labview-RT实时通讯模块。实验开始，转角和转矩一体化传感器16将转向盘6检测的转角和转矩信号由经CAN通讯卡发送给PXI机箱，PXI机箱解析并发送给上位机中Carsim软件里面的整车模型，计算出虚拟场景下转向避撞所需的期望转向盘转角和受路面附着系数影响的转向阻力，通过PXI机箱卡槽内的DAQ数据采集卡分别将转角信号发送给转向机器人和前轮转向电机控制器，转向机器人根据期望转向盘转角驱动转向盘完成主动转向操作。并且，前轮转向控制器输入指令控制前轮转向电机2，模拟前轮转向操作。同时地，上位机将转矩信号发送给伺服电机控制器，伺服电机控制器输入指令控制伺服电机4，伺服电机4再通过减速机构和伺服电缸给实验台提供转向阻力的负载转矩，模拟前轮转向过程中的真实路面阻力特性。最后，PXI机箱采集该转矩信号，发送给路感控制器，驱动路感电机8转动，模拟转向盘6在主动转向过程中受到的路感反馈。特别的，由于取消了转向柱与齿轮齿条组件3的机械连接，整套设备采用电信号的形式传输和控制执行，故本实验所实现的主动转向功能为线控转向。

二、制动实验的具体做法。实验人员操作方向盘、制动踏板，根据智能汽车的底层转向系统、制动系统、整车整备尺寸、悬架、路面附着系数等信息，在上位机内Carsim软件中设置好动力学仿真虚拟环境并搭建整车模型。同时，在上位机内运行Labview软件，写入主动制动避撞算法以及控制方法，并搭建Carsim和Labview-RT实时通讯模块。实验开始，压力传感器17采集制动轮缸12内的制动压力信号，由经DAQ数据采集卡发送给PXI机箱，PXI机箱解析并发送给上位机中Carsim软件里面的整车模型，计算出虚拟场景下纵向避撞所需的期望制动压力，通过PXI机箱卡槽内置的DAQ数据采集卡将期望制动压力和12个电磁阀的开关状态、电机泵的PWM脉冲信号发送给制动控制器，制动控制器控制电控HCU模块9进行增压、减压和保压操作，同时地，压力传感器17采集实时制动轮缸12内的制动压力信号并以上述方式传输给上位机Labview软件内监控和控制，模拟真实道路上的主动制动过程，形成闭环控制。

请参阅图7，在本实施例中，上位机的实时测试开发系统的控制压力跟随策略为：如果当前实时压力小于用户所设置的期望制动压力，则进行增压操作；如果当前实时压力大于用户所设置的期望制动压力，则进行减压操作；如果当前实时压力在用户所设置的期望制动压力合理范围内，则进行保压操作。并且，上位机的Labview软件中压力跟随策略判断指标有：压力差以及压力差的阈值。

另外，请参阅图8，本实施例的控制执行模块可以实现转向和制动的联合实验，实验的判断过程如下：

控制执行模块根据整车模型的运动信息，判断智能汽车的质心侧偏角是否小于质心侧偏角阈值，是则判断转角是否变号，否则通过制动执行机构对智能汽车主动制动；

控制执行模块根据整车模型的运动信息，判断智能汽车是否能紧急避障；

在智能汽车能紧急避障时，控制执行模块判断转角是否变号；

在智能汽车无法紧急避障时，控制执行模块通过制动执行机构对智能汽车主动制动；

在转角变号时，控制执行模块先通过转向执行机构进行主动转向，再判断转向的横向距离是否达到横向阈值；

在转角未变号时，控制执行模块通过制动执行机构对智能汽车主动制动；

在横向距离达到横向阈值，控制执行模块判定智能汽车完成转向避障；

在横向距离未达到横向阈值时，控制执行模块通过制动执行机构对智能汽车主动制动。

这样，在转向和制动联合实验中，转向执行机构和制动执行机构共同协调，以自车的转向轻便性和制动稳定性为最优控制目标，对底盘的侧向力和纵向制动力进行容错横摆力矩调节，实现高级智能辅助驾驶功能。

综上所述，相较于现有的汽车实验平台，本实施例的智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台具有以下优点：

本实施例的智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台，其设置了虚拟测试模块、控制执行模块以及数据采集模块，虚拟测试模块能够预设智能汽车的虚拟仿真环境以及建立整车模型，这样车辆速度、道路工况等信息就能够在整车模型中体现。该实验平台的数据采集模块能够采集到智能汽车的转向盘6的转角和转矩，并且也能采集到智能汽车制动压力，而这些采集信号能够通过整车模型生成实际转角、转向阻力以及实际制动压力。本中的控制执行模块的转向执行机构根据这些转向信息，能够模拟转向盘6转向的路感反馈，并对转向盘6进行旋转，驱动汽车的前轮进行转向，同时向智能汽车提供转向阻力的负载扭矩，从而模拟出前轮转向时的真实路面阻力状态，制动执行机构根据期望制动压力，调节汽车的制动幅度，实现增压、减压以及保压操作。

这样，本实施例的实验平台就可以实现实时的转向和制动闭环控制，而且主动转向和主动制动能够联合仿真“紧急避障”实验，实现避障的功能。本实施例的转向执行机构和制动执行机构共同协调，以自车的转向轻便性和制动稳定性为最优控制目标，对底盘的侧向力和纵向制动力进行容错横摆力矩调节，实现高级智能辅助驾驶功能，能在不同工况下改善和提高汽车制动的稳定性和转向操纵的轻便性，使车辆转向的同时也能保证合适的侧向稳定性，提高智能汽车的安全性。另外，本实施例的实验平台无需整车进行实验，实现了在非整车现场实验的条件下进行性能设计，验证和规避系统的失效模式，从而提高实验的成功率，提升了实验的效果。

实施例2

请参阅图9，本实施例提供了一种智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台，其与实施例1的实验平台相似，区别在于本实施例提供了转向机器人18的具体结构。

其中，转向机器人18包括转向电机181、减速器182、两个联轴器183、转速转矩传感器184、万向节185以及三抓卡盘186。三抓卡盘186抓在转向盘6上，并与万向节185转动连接。两个联轴器183分别连接在转速转矩传感器184的转轴两端，且其中一个联轴器183与万向节185转动连接，其中另一个联轴器183通过减速器182与转向电机181的输出轴转动连接。这样，转向电机181转动就能够带动减速器182进行减速转动，并进一步带动联轴器183和转速转矩传感器184转动，从而驱使三抓卡盘186带动转动盘6转动。转速转矩传感器184能够检测联轴器183转动的转速和转矩，以便于对其他控制机构对转向机器人18的转速和转矩进行控制。

实施例3

本实施例提供了一种智能汽车底盘纵横向集成控制实验方法，该方法应用于实施例1或实施例2中的智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台中。其中，实验方法包括以下步骤：

预设智能汽车的虚拟仿真环境，并建立相应的整车模型；

检测所述智能汽车的转向盘6转动时的转角和转矩，根据所述转角和所述转矩，在所述整车模型中实时决策出所述智能汽车下一时刻的期望转角以及转向阻力；检测所述智能汽车制动的压力，根据所述压力，在所述整车模型中实时决策出所述智能汽车下一时刻的期望制动压力；

根据期望转矩，驱动路感电机8转动以模拟出转向盘6转动时受到的路感反馈；

根据期望转角，驱动智能汽车的转向盘6转动相应的角度，并驱动前轮转向电机2转动，以带动智能汽车的前轮转向；

根据期望转向阻力，驱动伺服电机4转动，以向智能汽车提供转向阻力的负载扭矩，以模拟前轮转向时的真实路面阻力状态；

根据期望制动压力，调节制动装置对智能汽车的制动幅度。

实施例4

请继续参阅图8，本实施例提供了一种智能汽车转向和制动联合式控制方法，其应用于实施例1或实施例2中的智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台中，该控制方法包括以下步骤：

根据整车模型的运动信息，判断智能汽车的质心侧偏角是否小于质心侧偏角阈值，是则判断转角是否变号，否则通过制动执行机构对智能汽车主动制动；

根据整车模型的运动信息，判断智能汽车是否能紧急避障；

在智能汽车能紧急避障时，判断转角是否变号；

在智能汽车无法紧急避障时，通过制动执行机构对智能汽车主动制动；

在转角变号时，先通过转向执行机构进行主动转向，再判断转向的横向距离是否达到横向阈值；

在转角未变号时，通过制动执行机构对智能汽车主动制动；

在横向距离达到横向阈值，判定智能汽车完成转向避障；

在横向距离未达到横向阈值时，通过制动执行机构对智能汽车主动制动。

以上所述仅为本发明的较佳而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台，其包括：

虚拟测试模块，其用于预设所述智能汽车的虚拟仿真环境，并建立相应的整车模型；

数据采集模块，其用于采集所述智能汽车的转向信息和制动信息，并将所述转向信息和所述制动信息传输至所述虚拟测试模块，以作为所述整车模型的运动信息；以及

控制执行模块，其用于根据所述整车模型的运动信息，调节所述智能汽车转向的角度和制动的压力；

其特征在于，

所述数据采集模块包括：

转角和转矩一体化传感器（16），其用于检测所述智能汽车的转向盘（6）转动时的转角和转矩；所述虚拟测试模块根据所述转角和所述转矩，在所述整车模型中实时决策出所述智能汽车下一时刻的期望转角以及转向阻力；以及

压力传感器（17），其用于检测所述智能汽车的制动压力；所述虚拟测试模块根据所述制动压力，在所述整车模型中实时决策出下一时刻的期望制动压力；

所述控制执行模块包括：

转向执行机构，其包括助力装置和转向阻力模拟装置；所述助力装置包括路感电机（8）、路感控制器以及转向机器人（18）；所述路感控制器根据所述转矩，驱动路感电机（8）转动以模拟出转向盘（6）转动时受到的路感反馈；转向机器人（18）根据所述期望转角，驱动所述智能汽车的转向盘（6）转动相应的角度；所述转向阻力模拟装置包括前轮转向电机（2）、前轮转向控制器、伺服电机（4）以及伺服电机控制器；所述前轮转向控制器根据所述期望转角，驱动前轮转向电机（2）转动，以带动所述智能汽车的前轮转向，使所述智能汽车完成线控转向；所述伺服电机控制器根据所述转向阻力，驱动伺服电机（4）转动，以向所述智能汽车提供转向阻力的负载扭矩，以模拟所述前轮转向时的真实路面阻力状态；以及

制动执行机构，其包括制动控制器以及制动装置；所述制动装置用于对所述智能汽车制动；所述制动控制器根据所述期望制动压力，调节所述制动装置对所述智能汽车的制动幅度；

其中，所述控制执行模块根据所述整车模型的运动信息，判断所述智能汽车的质心侧偏角是否小于质心侧偏角阈值，是则判断所述转角是否变号，否则通过所述制动执行机构对所述智能汽车主动制动；

所述控制执行模块还根据所述整车模型的运动信息，判断所述智能汽车是否能紧急避障；

在所述智能汽车能紧急避障时，所述控制执行模块判断所述转角是否变号；

在所述智能汽车无法紧急避障时，所述控制执行模块通过所述制动执行机构对所述智能汽车主动制动；

在所述转角变号时，所述控制执行模块先通过所述转向执行机构进行主动转向，再判断转向的横向距离是否达到横向阈值；

在所述转角未变号时，所述控制执行模块通过所述制动执行机构对所述智能汽车主动制动；

在所述横向距离达到所述横向阈值，所述控制执行模块判定所述智能汽车完成转向避障；

在所述横向距离未达到所述横向阈值时，所述控制执行模块通过所述制动执行机构对所述智能汽车主动制动。

2.如权利要求1所述的智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台，其特征在于，转向机器人（18）包括转向电机（181）、减速器（182）、两个联轴器（183）、转速转矩传感器（184）、万向节（185）以及三抓卡盘（186）；三抓卡盘（186）抓在转向盘（6）上，并与万向节（185）转动连接；两个联轴器（183）分别连接在转速转矩传感器（184）的转轴两端，且其中一个联轴器（183）与万向节（185）转动连接，其中另一个联轴器（183）通过减速器（182）与转向电机（181）的输出轴转动连接。

3.如权利要求1所述的智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台，其特征在于，所述转向执行机构还包括其余转向装置，所述其余转向装置包括转向柱（7）以及齿轮齿条组件（3）；转向柱（7）与转向盘（6）转动连接，路感电机（8）位于转向柱（7）上，并与转向柱（7）机械连接；转向盘（6）与齿轮齿条组件（3）的齿轮转动连接，转角和转矩一体化传感器（16）设置在齿轮齿条组件（3）和转向盘（6）之间。

4.如权利要求1所述的智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台，其特征在于，所述制动装置包括电控HCU模块（9）、制动踏板（10）、制动主缸（11）以及多个制动轮缸（12）；电控HCU模块（9）用于接收所述制动控制器的制动信号，通过启闭所述智能汽车的电磁阀开关以及调节电机泵的开度，使制动主缸（11）内的制动液流入制动轮缸（12），以调节制动幅度；其中，压力传感器（17）用于检测制动轮缸（12）的制动压力。

5.如权利要求3所述的智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台，其特征在于，所述数据采集模块还包括拉压力传感器以及DAQ数据采集卡，所述拉压力传感器用于检测齿轮齿条组件（3）的齿条的拉力；所述DAQ数据采集卡用于将所述拉压力传感器检测的拉力信号、转角和转矩一体化传感器（16）检测的转角和转矩信号以及压力传感器（17）检测的压力信号传输至所述虚拟测试模块。

6.如权利要求1所述的智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台，其特征在于，所述虚拟测试模块包括上位机和下位机；所述上位机设置动力学仿真环境和实时测试开发系统，所述动力学仿真环境用于模拟所述智能汽车在不同工况下的运动状态，并建立所述整车模型；所述实时测试开发系统用于通过所述下位机对所述控制执行模块下发控制命令；所述下位机为PXI机箱，且用于解析转角和转矩一体化传感器（16）和压力传感器（17）检测的信号，并将相应解析信号传输至所述上位机的整车模型中。

7.如权利要求6所述的智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台，其特征在于，所述实验平台还包括实时通讯模块，所述实时通讯模块包括CAN通讯卡以及TCP/IPv4通讯协议单元；所述下位机通过所述CAN通讯卡与所述路感控制器、所述前轮转向控制器、所述伺服电机控制器以及所述制动控制器进行实时通讯；所述上位机和所述下位机通过所述TCP/IPv4通讯协议单元进行实时通讯。

8.如权利要求4所述的智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台，其特征在于，电控HCU模块（9）、制动轮缸（12）以及压力传感器（17）通过三通阀螺纹连接。

9.一种智能汽车底盘纵横向集成控制实验方法，其应用于如权利要求1-8中任意一项所述的智能汽车底盘纵横向集成控制实验平台中；其特征在于，所述实验方法包括以下步骤：

预设所述智能汽车的虚拟仿真环境，并建立相应的整车模型；

检测所述智能汽车的转向盘（6）转动时的转角和转矩，根据所述转角和所述转矩，在所述整车模型中实时决策出所述智能汽车下一时刻的期望转角以及转向阻力；检测所述智能汽车制动的压力，根据所述压力，在所述整车模型中实时决策出所述智能汽车下一时刻的期望制动压力；

根据所述转矩，驱动路感电机（8）转动以模拟出转向盘（6）转动时受到的路感反馈；

根据所述期望转角，驱动所述智能汽车的转向盘（6）转动相应的角度，并驱动前轮转向电机（2）转动，以带动所述智能汽车的前轮转向；

根据所述转向阻力，驱动伺服电机（4）转动，以向所述智能汽车提供转向阻力的负载扭矩，以模拟所述前轮转向时的真实路面阻力状态；

根据所述期望制动压力，调节所述制动装置对所述智能汽车的制动幅度。

Images