CN114547772A - 基于自动驾驶模拟器的转向总成设备 - Google Patents

基于自动驾驶模拟器的转向总成设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于自动驾驶模拟器的转向总成设备。所述基于自动驾驶模拟器的转向总成设备包括：上位机、视景显示计算机和自动驾驶虚拟测试平台，所述自动驾驶虚拟测试平台包括实时仿真系统、控制器、驾驶模拟器、视景显示系统；所述上位机用于开发平台的软件系统，所述软件系统包括如下：(1).实时仿真系统的程序开发：通过利用Simulink(可视化仿真工具)进行车辆动力学模型搭建、虛拟场景数据管理模块搭建、坐标转换模块搭建，并利用Labview进行UDP网络通信模块搭建。本发明提供的基于自动驾驶模拟器的转向总成设备准确度高，可实现智能决策算法的验证和可满足当前智能车测试和传统车测试的需求的优点。

Description

基于自动驾驶模拟器的转向总成设备
技术领域
本发明属于驶模拟器的自动驾驶人机交互仿真测试系统技术领域，尤其涉及一种基于自动驾驶模拟器的转向总成设备。
背景技术
随着当前汽车新四化的技术发展趋势不断推进，大量的新上市车型搭载自动驾驶或自动辅助驾驶功能，相关技术中，公开了一种基于自动驾驶模拟器的转向总成设备，包括汽车驾驶模拟器操控座舱、电脑端数据采集模块、电脑端驾驶模拟仿真软件、模拟驾驶场景显示设备、电脑端自动驾驶功能模拟模块、可编程触摸屏人机交互界面以及电脑端自动手动切换模块，汽车驾驶模拟器操控座舱的输出端通过CAN控制器连接于电脑端数据采集模块的输入端，电脑端数据采集模块的输出端连接于电脑端驾驶模拟仿真软件的输入端，电脑端驾驶模拟仿真软件的输出端一连接于模拟驾驶场景显示设备，电脑端驾驶模拟仿真软件的输出端二通过控制模块连接于电脑端自动驾驶功能模拟模块，且控制模块通过CAN控制器连接于可编程触摸屏人机交互界面。
但是，上述结构中还存在不足之处，这些车辆智能驾驶控制系统研发过程中需要在复杂的交通场景下(早晚高峰大车流量等)测试验证其功能、性能及安全。如这些测试在真实公开道路上进行，存在重复性差、安全无法保证、测试时间周期长、测试成本高等问题。
因此，有必要提供一种新的基于自动驾驶模拟器的转向总成设备解决上述技术问题
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种准确度高，可实现智能决策算法的验证和可满足当前智能车测试和传统车测试的需求的基于自动驾驶模拟器的转向总成设备。
为解决上述技术问题，本发明提供的基于自动驾驶模拟器的转向总成设备包括：上位机、视景显示计算机和自动驾驶虚拟测试平台，所述自动驾驶虚拟测试平台包括实时仿真系统、控制器、驾驶模拟器、视景显示系统；
所述上位机用于开发平台的软件系统，所述软件系统包括如下：
(1).实时仿真系统的程序开发：通过利用Simulink(可视化仿真工具)进行车辆动力学模型搭建、虛拟场景数据管理模块搭建、坐标转换模块搭建，并利用Labview进行UDP网络通信模块搭建；
(2).利用Motohawk-Simulink进行自动驾驶控制策略模型搭建，该模型自动生成代码后通过Mototune下载到控制器中；
(3).利用Veristand进行数据监控界面开发，同时将上述(1)部分搭建的模型自动生成代码后下载到实时仿真系统中；
所述视景显示计算机用于显示虚拟测试场景，并进行视景驱动程序开发，通信系统开发、虚拟场景的三维模型搭建，根据视景驱动程序，视景显示计算机接收控制器传递的车辆坐标数据驱动车辆在虚拟场景中行驶；
所述实时仿真系统包括如下：
1).实时处理器：用于运行车辆系统动力学模型、虚拟场景数据管理模型、坐标转换模块；
2).CAN卡：实时仿真系统与控制器利用CAN通信的方式实现数据交互(如车辆姿态、车速加速度、虚拟场景数据等)；
3).网卡：与视景显示计算机及上位机实现网络通信。
作为本发明的进一步方案，所述控制器用于实时运行自动驾驶控制策略的代码、其次是采集驾驶模拟器的数据，最后与实时仿真系统进行CAN通信，并实现对仿真车辆的决策控制。
作为本发明的进一步方案，所述驾驶模拟器通过驾驶员的操作产生加速、制动、挡位、方向盘转角的信号，由控制器采集并处理后，用于人机共驾和高级辅助驾驶系统的测试。
作为本发明的进一步方案，所述实时仿真系统是指仿真模型的时间比例与真实的时间比例完全相同的仿真,要求仿真系统实时接收动态输入，并产生实时动态输出，所述实时仿真系统由实时系统和仿真系统组成，所述实时系统具有多种接口，比如模拟量输入输出接口、数字量输入输出、CAN通信端口和网卡接口，有利于实时系统与其他设备进行集成。
作为本发明的进一步方案，所述控制器是自动驾驶控制策略的载体，所述驾驶模拟器为G27驾驶模拟器。
作为本发明的进一步方案，所述视景显示系统与实时仿真系统通过网络CAN通信连接，所述CAN通信用于进行实时仿真系统和控制器的数据交互。
作为本发明的进一步方案，所述视景显示计算机通过网线连接有实时仿真设备，所述实时仿真设备通过CSN线与控制器连接，所述上位机通过Kvaser与控制器连接，所述控制器与G27驾驶模拟器通过112pin线束连接，所述控制器和G27驾驶模拟器驾驶设备由直流电源模块通过接线分别提供12V和5V的直流电。
作为本发明的进一步方案，所述G27驾驶模拟器包括有加速踏板、制动踏板、离合踏板和方向盘。
作为本发明的进一步方案，所述驾驶模拟器上设有执行电机，所述执行电机上连接有角度传感器，所述驾驶模拟器上设有电机控制器和智能控制器，所述电机控制器与执行电机连接，所述智能控制器与电机控制器连接，所述驾驶模拟器上设有车辆动力学，因此执行电机用于传统车测试时的路面负载模拟和智能车测试时的转向角度控制两种功能，所述角度传感器用于采集转向盘转角并反馈至车辆动力学模型，所述电机控制器用于决策角度控制和力矩控制并对应控制执行电机，所述电机控制器通过车辆动力学发送的扭矩指令和智能控制器发送的转角指令决定控制模式，并实现电机控制。
与相关技术相比较，本发明提供的基于自动驾驶模拟器的转向总成设备具有如下有益效果：
本发明提供一种基于自动驾驶模拟器的转向总成设备：
1、通过驾驶模拟器的自动驾驶人机交互仿真测试系统，使得多名驾驶员可以同时进行适应性训练时，避免可以驾驶员直接驾驶实车进行训练，从而具有安全有保证、测试时间周期短和测试成本低的优点；
2、通过电机控制器输入扭矩信号由驾驶模拟器的车辆动力学模型实时计算生成，使得准确度高，同时电机控制器输入转角信号由智能控制器实时计算生成，可实现智能决策算法的验证，并且单一电机实现了力矩模拟和转角模拟，可满足当前智能车测试和传统车测试的需求。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的原理图；
图2为本发明中方向盘的结构示意图；
图3为本发明中旋转编码器A相、B相信号示意图；
图4为本发明中Motohawk数字量输入接线图；
图5为本发明中控制器模拟量输入接线图；
图6为本发明中ECM-5554-112-0904-XD控制器供电接线图；
图7为本发明的车辆换道示意图；
图8为本发明中车辆换道试验图；
图9为本发明的第一次实验图；
图10为本发明的第二次实验图；
图11为本发明的第三次实验图；
图12为本发明的第四次实验图；
图13为本发明的第五次实验图；
图14为本发明的部分结构示意图。
具体实施方式
请结合参阅图1-图14，其中，图1为本发明的原理图；图2为本发明中方向盘的结构示意图；图3为本发明中旋转编码器A相、B相信号示意图；图4为本发明中Motohawk数字量输入接线图；图5为本发明中控制器模拟量输入接线图；图6为本发明中ECM-5554-112-0904-XD控制器供电接线图；图7为本发明的车辆换道示意图；图8为本发明中车辆换道试验图；图9为本发明的第一次实验图；图10为本发明的第二次实验图；图11为本发明的第三次实验图；图12为本发明的第四次实验图；图13为本发明的第五次实验图；图14为本发明的部分结构示意图。基于自动驾驶模拟器的转向总成设备包括：上位机、视景显示计算机和自动驾驶虚拟测试平台，所述自动驾驶虚拟测试平台包括实时仿真系统、控制器、驾驶模拟器、视景显示系统；
所述上位机用于开发平台的软件系统，所述软件系统包括如下：
(1).实时仿真系统的程序开发：通过利用Simulink(可视化仿真工具)进行车辆动力学模型搭建、虛拟场景数据管理模块搭建、坐标转换模块搭建，并利用Labview进行UDP网络通信模块搭建；
(2).利用Motohawk-Simulink进行自动驾驶控制策略模型搭建，该模型自动生成代码后通过Mototune下载到控制器中；
(3).利用Veristand进行数据监控界面开发，同时将上述(1)部分搭建的模型自动生成代码后下载到实时仿真系统中；
所述视景显示计算机用于显示虚拟测试场景，并进行视景驱动程序开发，通信系统开发、虚拟场景的三维模型搭建，根据视景驱动程序，视景显示计算机接收控制器传递的车辆坐标数据驱动车辆在虚拟场景中行驶；
所述实时仿真系统包括如下：
1).实时处理器：用于运行车辆系统动力学模型、虚拟场景数据管理模型、坐标转换模块；
2).CAN卡：实时仿真系统与控制器利用CAN通信的方式实现数据交互(如车辆姿态、车速加速度、虚拟场景数据等)；
3).网卡：与视景显示计算机及上位机实现网络通信。
所述控制器用于实时运行自动驾驶控制策略的代码、其次是采集驾驶模拟器的数据，最后与实时仿真系统进行CAN通信，并实现对仿真车辆的决策控制。
所述驾驶模拟器通过驾驶员的操作产生加速、制动、挡位、方向盘转角的信号，由控制器采集并处理后，用于人机共驾和高级辅助驾驶系统的测试。
所述实时仿真系统是指仿真模型的时间比例与真实的时间比例完全相同的仿真,要求仿真系统实时接收动态输入，并产生实时动态输出，所述实时仿真系统由实时系统和仿真系统组成，所述实时系统具有多种接口，比如模拟量输入输出接口、数字量输入输出、CAN通信端口和网卡接口，有利于实时系统与其他设备进行集成。
所述控制器是自动驾驶控制策略的载体，所述驾驶模拟器为G27驾驶模拟器。
所述视景显示系统与实时仿真系统通过网络CAN通信连接，所述CAN通信用于进行实时仿真系统和控制器的数据交互。
所述视景显示计算机通过网线连接有实时仿真设备，所述实时仿真设备通过CSN线与控制器连接，所述上位机通过Kvaser与控制器连接，所述控制器与G27驾驶模拟器通过112pin线束连接，所述控制器和G27驾驶模拟器驾驶设备由直流电源模块通过接线分别提供12V和5V的直流电。
所述G27驾驶模拟器包括有加速踏板、制动踏板、离合踏板和方向盘。
方向盘转角编码器的输入输出为5V电源正极和负极,转角编码器输出A相、B相、Z相，其中A相和B相输出正交脉冲信号，之间的信号序列相位差为90度，当主轴以顺时针方向旋转时，输出脉冲A通道信号位于B通道之前，如图3所示，当主轴逆时针旋转时，A通道信号则位于B通道之后，由此判断主轴是正转还是反转，编码器每旋转一周会通过z相发一个脉冲，称之为零位脉冲，主要用于决定零位置或标识位置，将A相连接到控制器的数字输入接线端，不需要连接B相和Z相，在A相数据处理程序中，根据实际的方向盘转角对数据进行标定，通过正负号即可判断方向盘旋转的角度和方向，如图4所示，5V电源由直流电源提供，BUFFER为A相脉冲计数输入端，利用控制器采集到转向盘的脉冲信号后，需要将脉冲数转化为旋转角度γ，如下面公式所示：
Figure BDA0003511495890000071
其中Count为Motohawk数据采集程序采集的脉冲数，N为旋转轴每旋转一周，编码器所产生的脉冲数；
制动踏板、加速踏板和离合器均为模拟量电压信号，其内部本质是一个滑动变阻器，根据踏板的行程调整电阻的大小，其中，黑色接线为电源负极，中间的红色端口为0-5V的模拟量电压输出限号，右边的红色接线端为电源正极，供电为5V，由直流电源提供，如图5所示，ANALOG端为信号输入端，离合传感器和制动传感器与加速踏板相似，如图6所示，C-F4,B-G4接12v直流电源正极，C-G1,C-G2,A-C4接12v直流电源负极，继电器模块已通过112pin线束与控制器。
所述驾驶模拟器上设有执行电机，所述执行电机上连接有角度传感器，所述驾驶模拟器上设有电机控制器和智能控制器，所述电机控制器与执行电机连接，所述智能控制器与电机控制器连接，所述驾驶模拟器上设有车辆动力学，因此执行电机用于传统车测试时的路面负载模拟和智能车测试时的转向角度控制两种功能，所述角度传感器用于采集转向盘转角并反馈至车辆动力学模型，所述电机控制器用于决策角度控制和力矩控制并对应控制执行电机，所述电机控制器通过车辆动力学发送的扭矩指令和智能控制器发送的转角指令决定控制模式，并实现电机控制。
本发明提供的基于自动驾驶模拟器的转向总成设备的工作原理如下：
步骤一：如图6所示，测试的虚拟场景为一条笔直的公路，车辆A为测试车辆，车辆B为停在公路右车道的故障车辆，自动驾驶车辆A行驶到C点时，难以判断车辆B的行驶状态，发出预警信号，请求驾驶员介入操作车辆继续行驶，驾驶员接管车辆后，左打方向盘使车辆换到公路左侧到，之后直线行驶，直到超过车辆B，试验结束，试验过程重复5次，要求驾驶员接管车辆后尽可能行驶在车道中间；
步骤二：驾驶员对操作方向盘的适应程度，所以车辆始终以30km/h的车速匀速行驶，驾驶员只需要在C点之后，操作方向盘进行换道，无需对挡位、加速踏板、制动踏板进行操作，如图7所示，如图8-12所示，方向盘的数据是由控制器采集，之后通过CAN通信传给实时系统，数据监控计算机上的监控界面可以实时观察该数据的变化，在试验开始的第7秒，自动驾驶系统发出警告，同时数据监控界面的相应指示灯亮起，从试验结果可以看出，当预警信号灯亮起到驾驶员操作车辆有一个短暂的时间间隔，这段时间过长很可能导致驾驶员接管车辆后无法处理紧急的交通情况，甚至会造成严重的交通事故；
步骤三：随着试验次数的增加，方向盘转角曲线逐渐平滑,即驾驶员在转向的过程中，方向盘的角度摆动逐渐减小，由此可以说明，驾驶员对自动驾驶切换到手动驾驶的适应性逐渐提高，同时也说明了，当驾驶员长期没有操作车辆时，突然介入操作车辆行驶，会有一个适应的过程，因此，驾驶员可以利用本发明的驾驶模拟器的自动驾驶人机交互仿真测试系统进行接管适应性训练，之后再进行实车道路测试时，驾驶员能够更好的处理突发情况；
步骤四：执行电机用于传统车测试时的路面负载模拟和智能车测试时的转向角度控制两种功能，角度传感器用于采集转向盘转角并反馈至车辆动力学模型，电机控制器用于决策角度控制和力矩控制并对应控制执行电机，电机控制器通过车辆动力学发送的扭矩指令和智能控制器发送的转角指令决定控制模式，并实现电机控制。
与相关技术相比较，本发明提供的基于自动驾驶模拟器的转向总成设备具有如下有益效果：
本发明提供一种基于自动驾驶模拟器的转向总成设备，通过驾驶模拟器的自动驾驶人机交互仿真测试系统，使得驾驶员可以进行适应性训练时，避免可以驾驶员直接驾驶实车进行训练，从而具有安全有保证、测试时间周期短和测试成本低的优点；
通过电机控制器输入扭矩信号由驾驶模拟器的车辆动力学模型实时计算生成，使得准确度高，同时电机控制器输入转角信号由智能控制器实时计算生成，可实现智能决策算法的验证，并且单一电机实现了力矩模拟和转角模拟，可满足当前智能车测试和传统车测试的需求。

Claims (9)

1.一种基于自动驾驶模拟器的转向总成设备，其特征在于，包括：
上位机、视景显示计算机和自动驾驶虚拟测试平台，所述自动驾驶虚拟测试平台包括实时仿真系统、控制器、驾驶模拟器、视景显示系统；
所述上位机用于开发平台的软件系统，所述软件系统包括如下：
(1).实时仿真系统的程序开发：通过利用Simulink(可视化仿真工具)进行车辆动力学模型搭建、虛拟场景数据管理模块搭建、坐标转换模块搭建，并利用Labview进行UDP网络通信模块搭建；
(2).利用Motohawk-Simulink进行自动驾驶控制策略模型搭建，该模型自动生成代码后通过Mototune下载到控制器中；
(3).利用Veristand进行数据监控界面开发，同时将上述(1)部分搭建的模型自动生成代码后下载到实时仿真系统中；
所述视景显示计算机用于显示虚拟测试场景，并进行视景驱动程序开发，通信系统开发、虚拟场景的三维模型搭建，根据视景驱动程序，视景显示计算机接收控制器传递的车辆坐标数据驱动车辆在虚拟场景中行驶；
所述实时仿真系统包括如下：
1).实时处理器：用于运行车辆系统动力学模型、虚拟场景数据管理模型、坐标转换模块；
2).CAN卡：实时仿真系统与控制器利用CAN通信的方式实现数据交互(如车辆姿态、车速加速度、虚拟场景数据等)；
3).网卡：与视景显示计算机及上位机实现网络通信。
2.根据权利要求1所述的基于自动驾驶模拟器的转向总成设备，其特征在于，所述控制器用于实时运行自动驾驶控制策略的代码、其次是采集驾驶模拟器的数据，最后与实时仿真系统进行CAN通信，并实现对仿真车辆的决策控制。
3.根据权利要求1所述的基于自动驾驶模拟器的转向总成设备，其特征在于，所述驾驶模拟器通过驾驶员的操作产生加速、制动、挡位、方向盘转角的信号，由控制器采集并处理后，用于人机共驾和高级辅助驾驶系统的测试。
4.根据权利要求1所述的基于自动驾驶模拟器的转向总成设备，其特征在于，所述实时仿真系统是指仿真模型的时间比例与真实的时间比例完全相同的仿真,要求仿真系统实时接收动态输入，并产生实时动态输出，所述实时仿真系统由实时系统和仿真系统组成，所述实时系统具有多种接口，比如模拟量输入输出接口、数字量输入输出、CAN通信端口和网卡接口，有利于实时系统与其他设备进行集成。
5.根据权利要求1所述的基于自动驾驶模拟器的转向总成设备，其特征在于，所述控制器是自动驾驶控制策略的载体，所述驾驶模拟器为G27驾驶模拟器。
6.根据权利要求1所述的基于自动驾驶模拟器的转向总成设备，其特征在于，所述视景显示系统与实时仿真系统通过网络CAN通信连接，所述CAN通信用于进行实时仿真系统和控制器的数据交互。
7.根据权利要求1所述的基于自动驾驶模拟器的转向总成设备，其特征在于，所述视景显示计算机通过网线连接有实时仿真设备，所述实时仿真设备通过CSN线与控制器连接，所述上位机通过Kvaser与控制器连接，所述控制器与G27驾驶模拟器通过112pin线束连接，所述控制器和G27驾驶模拟器驾驶设备由直流电源模块通过接线分别提供12V和5V的直流电。
8.根据权利要求1所述的基于自动驾驶模拟器的转向总成设备，其特征在于，所述G27驾驶模拟器包括有加速踏板、制动踏板、离合踏板和方向盘。
9.根据权利要求1所述的基于自动驾驶模拟器的转向总成设备，其特征在于，所述驾驶模拟器上设有执行电机，所述执行电机上连接有角度传感器，所述驾驶模拟器上设有电机控制器和智能控制器，所述电机控制器与执行电机连接，所述智能控制器与电机控制器连接，所述驾驶模拟器上设有车辆动力学，因此执行电机用于传统车测试时的路面负载模拟和智能车测试时的转向角度控制两种功能，所述角度传感器用于采集转向盘转角并反馈至车辆动力学模型，所述电机控制器用于决策角度控制和力矩控制并对应控制执行电机，所述电机控制器通过车辆动力学发送的扭矩指令和智能控制器发送的转角指令决定控制模式，并实现电机控制。
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