CN111016686A - 一种无人驾驶纯电动环卫车底盘及底盘网络系统 - Google Patents

Abstract

一种无人驾驶纯电动环卫车底盘及底盘网络系统，包括车架，车架前部设置有驾驶室，驾驶室内部设置有人工智能控制器、整车控制器、转向装置、制动装置和信息装置，车架中部设置有电源装置，车架后部设置有驱动装置和接口装置；电源装置包括动力电池、铅酸蓄电池、DC/AC变换器、DC/DC变换器、车载充电机和充电接口，动力电池的输入端与车载充电机的输出端电连接，动力电池的输出端与铅酸蓄电池、DC/AC变换器和DC/DC变换器的输入端电连接，动力电池还设置有上装供电接口；具有可以实现人工驾驶与自动驾驶相互切换、车体总质量较大、容易改装使用的优点，无人驾驶环卫车底盘设计总质量方便多数环卫产品应用。

Description

一种无人驾驶纯电动环卫车底盘及底盘网络系统

技术领域：

本发明涉及环卫车辆底盘技术领域，更具体地说是一种无人驾驶纯电动环卫车底盘及底盘网络系统。

背景技术：

环卫车辆随着城市的发展受到越来越多的关注，近年来环卫车辆发展突飞猛进，极大的缓解了环卫工人的作业压力，提升了城市环境品质。随着人工智能、无人驾驶、物联网等新技术的出现，给汽车带来了前所未有的变革。无人驾驶技术已成为汽车领域的热点研究。

无人驾驶技术应用于环卫车辆，主要由以下几点：1、环卫车辆作业模式工作速度较低，一般在20km/h以下，这个速度级别下的无人驾驶相对安全；2、环卫车辆的作业范围相对比较固定，可以通过路径规划，得到一个固定的工作区域；3、环卫车辆的作业时间可以避开早、晚高峰，这个时段的路况相对简单可控。

现有的环卫车辆一般在成熟二类底盘技术上改装，由主机厂生产底盘，改装车完成上装制造，并完成整车。主机厂的底层数据一般不对外开放，这对改装无人驾驶车辆造成很大困难。近几年国内外一些企业、科研研所开始研究无人驾驶环卫汽车，并进入整车试验阶段，但产品主要集中在小型无人驾驶扫路机；还有企业推出无人驾驶专用底盘，但是底盘总质量偏小，不利于推广应用。

发明内容：

为解决上述问题，克服现有技术的不足，本发明提供了一种可以实现人工驾驶与自动驾驶相互切换、车体总质量较大、容易改装使用的无人驾驶纯电动环卫车底盘及底盘网络系统。

为实现上述目的，本发明提供的一种无人驾驶纯电动环卫车底盘，包括车架，车架前部设置有驾驶室，驾驶室内部设置有人工智能控制器、整车控制器、转向装置、制动装置和信息装置，车架中部设置有电源装置，车架后部设置有驱动装置和接口装置。

进一步的，电源装置包括动力电池、铅酸蓄电池、DC/AC变换器、DC/DC变换器、车载充电机和充电接口，动力电池的输入端与车载充电机的输出端电连接，动力电池的输出端与铅酸蓄电池、DC/AC变换器和DC/DC变换器的输入端电连接，动力电池还设置有上装供电接口。

进一步的，转向装置包括方向盘和电动管柱总成，电动管柱总成包括转向控制器，方向盘与电动管柱总成连接。

进一步的，制动装置包括制动踏板、人工电子制动单元、电子液压制动单元、二位三通电磁阀、制动管路、前轮盘式制动器和后轮鼓式制动器，电子液压制动单元包括伺服电推杆和电子真空助力器，伺服电推杆与电子真空助力器连接，电子真空助力器的输出端连接二位三通电磁阀的常闭口，二位三通电磁阀的常开口连接人工电子制动单元的输出口；二位三通电磁阀连接有前轮盘式制动器和后轮鼓式制动器，前轮盘式制动器和后轮鼓式制动器上均设置有压力传感器，压力传感器与整车控制器电连接。

进一步的，驱动装置包括永磁同步电机、电机控制器、花键输出轴和单级减速驱动桥，永磁同步电机与电机控制器电连接，永磁同步电机通过花键输出轴与单级减速驱动桥相连。

进一步的，信息装置包括仪表盘、触摸屏和GPS，仪表盘、触摸屏和GPS均设置在驾驶室内部。

进一步的，接口装置包括用于为环卫车辆上装提供信号的CAN通讯接口A、用于为环卫车辆上装提供电源的供电接口和用于与人工智能控制器连接的CAN通讯接口B。

进一步的，车架上预留有用于布置环卫车辆上装的安装孔。

一种底盘网络系统：

底盘网络系统采用分层式结构，底盘网络系统包括电池管理系统和信息装置；底盘网络系统包括底盘第一路CAN总线、第二路CAN总线和第三路CAN总线；

底盘第一路CAN总线为整车控制器与人工智能控制器通信；

底盘第二路CAN总线为整车控制器与转向控制器、电机控制器、电池管理系统、信息装置连接；

底盘第三路CAN总线是电池管理系统与车载充电机连接。

本发明的有益效果是：

本发明提供的无人驾驶纯电动环卫车底盘及底盘网络系统具有可以实现人工驾驶与自动驾驶相互切换、车体总质量较大、容易改装使用的优点，无人驾驶环卫车底盘设计总质量方便多数环卫产品应用。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图；

附图2是本发明的底盘结构框图；

附图3是本发明的底盘网络系统拓扑图；

附图4是本发明的有人/无人切换状态示意图；

附图5是制动装置原理图。

附图中：1、驾驶室，2、车架，3、整车控制器，4、电源装置，5、转向装置，6、制动装置，7、驱动装置，8、信息装置，9、接口装置，10、人工电子制动单元，11、伺服电推杆，12、电子真空助力器，13、二位三通电磁阀，14、压力传感器。

具体实施方式：

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图1、附图2、附图3、附图4和附图5，对本发明进行更加详细的描述。

本发明提供的一种无人驾驶纯电动环卫车底盘，包括车架2，车架2前部设置有驾驶室1，驾驶室1内部设置有人工智能控制器、整车控制器3、转向装置5、制动装置6和信息装置8，车架2中部设置有电源装置4，车架2后部设置有驱动装置7和接口装置9；电源装置4包括动力电池、铅酸蓄电池、DC/AC变换器、DC/DC变换器、车载充电机和充电接口，动力电池的输入端与车载充电机的输出端电连接，动力电池的输出端与铅酸蓄电池、DC/AC变换器和DC/DC变换器的输入端电连接，动力电池还设置有上装供电接口；转向装置5包括方向盘和电动管柱总成，电动管柱总成包括转向控制器，方向盘与电动管柱总成连接；制动装置6包括制动踏板、人工电子制动单元10、电子液压制动单元、二位三通电磁阀13、制动管路、前轮盘式制动器和后轮鼓式制动器，电子液压制动单元包括伺服电推杆11和电子真空助力器12，伺服电推杆11与电子真空助力器12连接，电子真空助力器12的输出端连接二位三通电磁阀13的常闭口，二位三通电磁阀13的常开口连接人工电子制动单元10的输出口；二位三通电磁阀13连接有前轮盘式制动器和后轮鼓式制动器，前轮盘式制动器和后轮鼓式制动器上均设置有压力传感器14，压力传感器与整车控制器3电连接；驱动装置7包括永磁同步电机、电机控制器、花键输出轴和单级减速驱动桥，永磁同步电机与电机控制器电连接，永磁同步电机通过花键输出轴与单级减速驱动桥相连；信息装置8包括仪表盘、触摸屏和GPS，仪表盘、触摸屏和GPS均设置在驾驶室内部；接口装置9包括用于为环卫车辆上装提供信号的CAN通讯接口A、用于为环卫车辆上装提供电源的供电接口和用于与人工智能控制器连接的CAN通讯接口B；车架2上预留有用于布置环卫车辆上装的安装孔。

一种底盘网络系统，底盘网络系统采用分层式结构，底盘网络系统包括电池管理系统和信息装置；底盘网络系统包括底盘第一路CAN总线、第二路CAN总线和第三路CAN总线；底盘第一路CAN总线为整车控制器3与人工智能控制器通信；底盘第二路CAN总线为整车控制器3与转向控制器、电机控制器、电池管理系统、信息装置连接；底盘第三路CAN总线是电池管理系统与车载充电机连接。

本发明的其中一种实施例如下：

如图1所示，底盘由驾驶室1和车架2、整车控制与网络系统、电源装置4、转向装置5、制动装置6、驱动装置7、信息装置8、接口装置9组成。无人驾驶环卫车底盘设计总质量方便多数环卫产品应用。该环卫车底盘具有无人驾驶和人工驾驶两种工作模式，两种模式能够无缝切换。无人驾驶环卫车底盘由动力电池提供能量；底盘的车载充电机接口可以连接220V市电为其充电；由驱动装置7为整车提供动力；动力电池电能的转换依靠DC/AC变换器和DC/DC变换器实现；底盘制动由人工电子制动单元10和电子液压制动单元组成的双回路实现有人/无人模式下行车制动；底盘采用电子转向助力转向，该转向装置5具有有人/无人两种控制模式；底盘具有整车控制系统，采集当前驾驶员输入的信息，对车辆进行控制并监控车辆运行，当人工智能控制器介入时，可以实现无人驾驶模式；底盘通过三路CAN网络将分布在各处的控制器进行通信，实现车辆控制；底盘具有信息装置8，能够显示车辆运行中的信息；底盘具有环卫上装接口和人工智能控制器通讯接口，人工智能控制器通过该接口与整车控制器3通讯，实现无人驾驶模式，环卫上装接口给上装提供电源并可实现通讯。

驾驶室和车架钢结构包括驾驶室1总成和车架2总成，驾驶室1与车架2通过焊接方式形成一个刚性整体。驾驶室1内安装有仪表台，并设置档位开关、制动开关、电子油门开关、驻车开关、信息显示屏。车架2由左右两个纵梁和中间横梁通过焊接方式形成一个刚性整体。

整车控制与网络控制系统，由整车控制器3和CAN网络组成。网络控制系统采用分层结构，底盘第一路CAN总线是整车控制器3与上层人工智能控制器通信，第一路CAN总线连接人工智能CAN通讯接口B；底盘第二路CAN总线是整车控制器3与转向控制器、电机控制器、电池管理系统、信息装置8连接；底盘第三路CAN总线是电池管理系统与车载充电机连接。整车控制器3内存储有有人/无人驾驶转换逻辑，系统上电后，进行自检，然后由驾驶员选择驾驶模式，通过判断方向盘输入扭矩和作用时间来判断当前的驾驶员是否介入车辆操作，当方向盘输入扭矩和作用时间超过一定阈值时，车辆切换到有人驾驶模式。退出无人驾驶模式后，整车控制器3发送转向使能触发信号和人工介入恢复指令，使车辆再次进入无人驾驶模式。当整车控制器3检测到与人工智能控制器通讯故障时，进入失效模式，退出无人驾驶模式，整车控制器3与人工智能控制器断开通讯连接。

电源装置4包括动力电池、铅酸蓄电池、电池管理系统、DC/AC变换器、DC/DC变换器车载充电机和充电接口。电源装置4分为高压电源和低压电源。高压电源从动力电池获取，通过DC/AC变换器将动力电池的高压直流电变为驱动装置7所用的高压交流电；通过DC/DC变换器将动力电池的高压直流电转换为整车控制器3、信息装置8和车身附件所用的低压直流电，并为铅酸蓄电池充电。电池管理系统能够监测动力电池的电压、电流、温度和SOC等，并具有保护功能，通过CAN接口将数据信息发送到CAN网络上。底盘有两个充电接口，车载充电机，可以通过接入220V/50Hz交流电为动力电池充电。充电接口可以使用地面充电机为动力电池充电。

转向装置5由方向盘、电动管柱总成、中间轴、直拉杆、转向拉杆、梯形臂组成。电动管柱总成包括机械管柱及减速机构、永磁直流电机、转向控制器、扭矩角度传感器。转向装置5具有有人、无人、人工介入三种模式。无人驾驶模式下由人工智能控制器发送指令，转向控制器通过转角伺服控制达到目标转角，实现自动转向；人工驾驶模式下能够实现转向助力；人工介入时能够立即解除自动转向功能。

制动装置6由行车制动装置6和驻车制动装置6组成。行车制动装置6包括制动踏板、人工电子制动单元10、电子液压制动单元、制动管路、前轮盘式制动器和后轮鼓式制动器。人工电子制动单元10和电子液压制动单元是并行的两套系统，有人驾驶模式下，通过驾驶室1内制动踏板启动人工电子制动单元10，制动油经过管路作用在前、后制动器上实现行车制动。无人驾驶模式下由人工智能控制器发送指令，由整车控制器3接收指令并控制电子液压制动单元，实现行车制动。驻车制动由驻车控制开关、继电器、直流电推杆、拉索组成。

电子液压制动单元由直流伺服电缸、真空助力器、制动主缸、二位三通电磁阀13、压力传感器14组成。直流伺服电缸连接在真空助力器输入端，电子液压制动单元与人工电子制动单元10采用并联连接到制动管路中，并通过选择二位三通电磁阀13进行选择，为保证人工驾驶具有优先权，二位三通电磁阀13的常开端连接人工电子制动单元10。

驱动装置7由永磁同步电机、电机控制器、后桥总成、驱动轮组成。电机控制器通过CAN总线获取整车控制器3当前模式指令，即正向驱动、反向驱动和再生制动和转矩需求，通过算法得到电机需要的电流和电压，提供给电机，使电机的转速和转矩满足整车控制器3需要。电机控制器通过CAN总线向整车控制器3发送当前电机和电机控制器的状态参数和故障信息，包括电机转速、电机转矩、电机电压和电流。永磁同步电机通过花键输出轴与后桥总成连接。后桥总成为单级减速驱动桥。

信息装置8包括仪表盘、触摸屏和GPS。信息装置8接入底盘CAN网络，可与读取整车控制器3、电池管理系统、电机控制器、车载充电机的数据，并在仪表进行显示。通过接入GPS可以在触摸屏上显示车辆位置信息。触摸屏还包括车辆多媒体娱乐系统，包括收音机、蓝牙。

接口系统包括用于为环卫车辆上装提供信号的CAN通讯接口A、用于为环卫车辆上装提供电源的供电接口和用于与人工智能控制器连接的CAN通讯接口B。

电源装置4布置在车架2中间区域，电源装置4动力电池为144V/220Ah锂离子动力电池为车辆提供能量；通过车载充电机，功率3.3kw，最大输出电流23A，底盘可以外接220v交流电为车辆充电。通过DC/DC变换器为整车控制器3、信息装置8、车身附件、铅酸蓄电池提供直流12V电压。电池管理系统对动力电池进行电压、电流、温度、绝缘、SOC检测和保护，并将数据通过CAN总线发送给整车控制器3；车载充电机检测车辆充电过程的电压、电流、温度、绝缘状态，并将数据通过CAN总线发送给电池管理系统。动力电池预留一回路，即上装供电接口，电池管理系统限定动力电池最大输出电流350A。

驱动装置7，其电机为永磁同步电机，额定功率为13kw，峰值功率为25kw，通过电机控制器将动力电池的高压直流电啊转换为电机所用的高压交流电。后桥总成为单级减速驱动桥，电机通过花键输出轴连接到后桥主减速器。电机控制器，最大输出功率35kw，最大输出电流350A，通过CAN总线与整车控制器3通讯，接收整车控制发出的档位、电子油门、转矩、制动信息，并向整车控制器3发送电机电压、电流转速、扭矩、旋向、温度、运行状态和控制器温度、运行状态信息。

如图2、3所示，底盘网络采用分层结构，控制单元分布在整车的相应位置。网络，底盘第一路CAN总线是整车控制器3与人工智能控制器通信，第一路CAN总线连接CAN通讯接口B；底盘第二路CAN总线是整车控制器3与转向控制器、电机控制器、电池管理系统、信息装置8连接，第二路CAN总线预留接口，即CAN通讯接口A；底盘第三路CAN总线是电池管理系统与车载充电机连接。网络通讯协议采用SAEJ1939协议，CAN报文采用扩展帧格式，网络通信速度250kbps。整车控制器3的输入口与钥匙开关、档位、制动、充电、电子油门信号连接，输出口与驻车电推杆、电子液压制动单元、底盘灯光、充电继电器连接。

如图4所示，整车控制器3具有有人/无人转换逻辑，系统上电后，进行自检，然后由驾驶员选择驾驶模式，通过判断方向盘输入扭矩和作用时间来判断当前的驾驶员是否介入车辆操作，当方向盘输入扭矩和作用时间超过一定阈值时，车辆切换到有人驾驶模式。退出无人驾驶模式后，整车控制器3发送转向使能触发信号和人工介入恢复指令，使车辆再次进入无人驾驶模式。当整车控制器3检测到与人工智能控制器通讯故障时，进入失效模式，退出无人驾驶模式，整车控制器3与人工智能控制器断开通讯连接。有人驾驶模式，整车控制器3作为整车运行的控制中枢，通过采集驾驶员的输入数据和CAN网络中的信息，对底盘进行控制和监控。无人驾驶模式下，整车控制器3通过CAN网络与人工智能控制器通信，接收人工智能控制器的发送的指令，并进行处理、监控。当上层人工智能控制器发送目标转角指令，整车控制器3接收该指令，进行记录，同时将该指令发送到第二路CAN总线上，由整车控制器3和转向控制器进行处理。当上层人工智能控制器发送目标车速指令，整车控制器3接收该指令，进行记录，同时将该指令发送到第二路CAN总线上，由整车控制器3和电机控制器进行处理。当上层人工智能控制器发送目标制动指令，整车控制器3接收该指令，进行记录，同时发出信号控制电子液压制动单元。

如图5所示，制动装置由两套独立的控制控制源组成，人工驾驶模式驾驶员输入制动踏板力，由人工电子制动单元10对行车制动进行控制。无人驾驶模式由电子液压制动单元对行车制动进行控制。

电子液压制动单元，由伺服电推杆11、电子真空助力器12组成，伺服电推杆的速度分为紧急和常规两个速度级别，由整车控制器输出信号调节。电子真空助力器12的输出接二位三通电磁阀13的常闭口，二位三通电磁阀13的常开口接人工电子制动单元10的输出口，这样保证驾驶员制动的优先级。压力传感器14采集制动轮缸压力并反馈给整车控制器。人工智能控制器根据当前路口信息，决定制动缓急程度，对整车控制器发送控制指令，整车控制器接收指令，控制直流伺服电缸电流，实现制动的缓急

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种无人驾驶纯电动环卫车底盘，其特征在于：包括车架（2），所述车架（2）前部设置有驾驶室（1），所述驾驶室（1）内部设置有人工智能控制器、整车控制器（3）、转向装置（5）、制动装置（6）和信息装置（8），所述车架（2）中部设置有电源装置（4），所述车架（2）后部设置有驱动装置（7）和接口装置（9）。

2.根据权利要求1所述的无人驾驶纯电动环卫车底盘，其特征在于：所述电源装置（4）包括动力电池、铅酸蓄电池、DC/AC变换器、DC/DC变换器、车载充电机和充电接口，所述动力电池的输入端与车载充电机的输出端电连接，所述动力电池的输出端与铅酸蓄电池、DC/AC变换器和DC/DC变换器的输入端电连接，所述动力电池还设置有上装供电接口。

3.根据权利要求1所述的无人驾驶纯电动环卫车底盘，其特征在于：所述转向装置（5）包括方向盘和电动管柱总成，所述电动管柱总成包括转向控制器，所述方向盘与电动管柱总成连接。

4.根据权利要求1所述的无人驾驶纯电动环卫车底盘，其特征在于：所述制动装置（6）包括制动踏板、人工电子制动单元（10）、电子液压制动单元、二位三通电磁阀（13）、制动管路、前轮盘式制动器和后轮鼓式制动器，所述电子液压制动单元包括伺服电推杆（11）和电子真空助力器（12），所述伺服电推杆（11）与电子真空助力器（12）连接，所述电子真空助力器（12）的输出端连接二位三通电磁阀（13）的常闭口，二位三通电磁阀（13）的常开口连接人工电子制动单元（10）的输出口；二位三通电磁阀（13）连接有前轮盘式制动器和后轮鼓式制动器，所述前轮盘式制动器和后轮鼓式制动器上均设置有压力传感器（14），所述压力传感器与整车控制器（3）电连接。

5.根据权利要求1所述的无人驾驶纯电动环卫车底盘，其特征在于：所述驱动装置（7）包括永磁同步电机、电机控制器、花键输出轴和单级减速驱动桥，所述永磁同步电机与电机控制器电连接，所述永磁同步电机通过花键输出轴与单级减速驱动桥相连。

6.根据权利要求1所述的无人驾驶纯电动环卫车底盘，其特征在于：所述信息装置（8）包括仪表盘、触摸屏和GPS，所述仪表盘、触摸屏和GPS均设置在驾驶室内部。

7.根据权利要求1所述的无人驾驶纯电动环卫车底盘，其特征在于：所述接口装置（9）包括用于为环卫车辆上装提供信号的CAN通讯接口A、用于为环卫车辆上装提供电源的供电接口和用于与人工智能控制器连接的CAN通讯接口B。

8.根据权利要求1所述的无人驾驶纯电动环卫车底盘，其特征在于：所述车架（2）上预留有用于布置环卫车辆上装的安装孔。

9.一种底盘网络系统，其特征在于，应用于上述权利要求1-8任一项所述的无人驾驶纯电动环卫车底盘：

所述底盘网络系统采用分层式结构，所述底盘网络系统包括电池管理系统和信息系统；所述底盘网络系统包括底盘第一路CAN总线、第二路CAN总线和第三路CAN总线；

所述底盘第一路CAN总线为整车控制器（3）与人工智能控制器通信；

所述底盘第二路CAN总线为整车控制器（3）与转向控制器、电机控制器、电池管理系统、信息系统连接；

所述底盘第三路CAN总线是电池管理系统与车载充电机连接。

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