CN109491364B - 一种用于车辆测试的驾驶机器人***及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于车辆测试的驾驶机器人***及控制方法，通过轨迹跟踪单元用于实现驾驶机器人***对预设的行驶轨迹进行高精度的跟随控制，通过调整车辆的前轮转角和行驶速度，使得车辆跟随预设的目标轨迹行驶，从而实现了将高精度轨迹跟踪单元的目标指令下发至测试车辆，实现对车辆的运动控制。远程数据传输单元用于实现被测试车辆和监控中心的实时全双工通信，监控中心可以随时下发指令控制被测试的车辆，车内的驾驶机器人***则实时采集被测试车辆的车辆状况信息，实现了对被测试车辆状态的远程监控。本发明采用定位技术与高精度轨迹跟踪技术相结合的方式实现封闭试验场内被测试车辆的自动测试，控制精度高、重复性好、耐久性强。

Description

一种用于车辆测试的驾驶机器人***及控制方法

技术领域

本发明涉及用于车辆自动驾驶技术领域，具体涉及一种用于车辆测试的驾驶机器人***及控制方法。

背景技术

按照国家的法律法规要求，所有车辆在出厂销售之前必须要经过严格的定型试验和测试，在测试中很重要的一个环节就是在封闭的汽车试验场进行车辆性能的测试。在封闭的汽车试验场中，被测试车辆按照要求通过多种典型的路面，如比利时路、涉水路等。目前在这一测试环节，仍然是采用人工驾驶员驾驶被测试车辆通过上述路段，通过长时间的重复驾驶，从而获得车辆性能的评价指标。人工驾驶测试具有人力成本高、不能够全时间测试、对驾驶员身体伤害较大等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于车辆测试的驾驶机器人***及控制方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于车辆测试的驾驶机器人***，包括控制单元以及与控制单元连接的定位与导航单元、轨迹跟踪单元、机械执行部件控制单元和远程数据传输单元；

定位与导航单元用于实时获取车辆在全球坐标系下的经纬度位置信息和车辆的航向信息，并将获取信息传送至控制单元；

轨迹跟踪单元用于车辆运动轨迹跟踪，并将跟踪轨迹信息传送至控制单元；

机械执行部件控制单元连接于控制单元和车辆执行部件，执行控制单元传递的控制信号；

远程数据传输单元用于控制单元与监控中心之间的数据传输；

控制器单元用于接收定位与导航单元发送的位置信息，并发送待执行控制信号至机械执行部件控制单元。

进一步的，定位与导航单元包括组合导航和试验场预设的UWB定位***，组合导航包括差分GPS、惯导和轮速计单元，UWB定位***包括车载单元和路侧信标单元。

进一步的，车辆执行部件采用直流无刷电机为动力输出。

一种驾驶机器人***的控制方法，包括以下步骤：

步骤1)、通过定位与导航单元实时获取车辆在全球坐标系下的经纬度位置信息和车辆的航向信息；

步骤2)、将步骤1)获得的经纬度位置信息和航向信息经过坐标转换，将全球坐标系位置转换成局部坐标系位置；

步骤3)、根据局部坐标系位置，采用轨迹跟踪算法实现对车辆运动轨迹的高精度跟踪；

步骤4)、通过上述步骤3)得到线控执行部件的目标控制信息。

进一步的，将全球坐标系位置转换成局部坐标系位置公式如下：

(x_local,y_local,α)＝T_conv(latitude,longitude,heading)

其中，α为车辆的前轮偏角。

进一步的，轨迹跟踪算法包括如下：

在车体坐标ox_localy_local中，P(x_local,y_local)为规划路径上的点，L为汽车所行驶圆弧的弦长，也是汽车运动前视距离，R为该弧段的半径；得到前轮转向角的大小为：

H：车辆轴距；P：车辆与规划路径之间的横向距离；

跟踪算法公式如下：

(α_Target,FC_target,BC_Target,HC_Target)＝Function_purepursuit(M_trajectory,x_local,y_local,α)

其中α_Target是跟踪算法计算出来的下一个控制时刻的方向盘目标位置信息，FC_Target是下一个控制时刻的目标油门开度信息，BC_Target是下一个控制时刻的目标刹车量信息，其中油门和刹车量的控制属于解耦关系；HC_Target是下一个控制时刻的目标档位信息。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种用于车辆测试的驾驶机器人***，包括控制单元以及与控制单元连接的定位与导航单元、轨迹跟踪单元、机械执行部件控制单元和远程数据传输单元，通过轨迹跟踪单元用于实现驾驶机器人***对预设的行驶轨迹进行高精度的跟随控制，通过调整车辆的前轮转角和行驶速度，使得车辆跟随预设的目标轨迹行驶，从而实现了将高精度轨迹跟踪单元的目标指令下发至测试车辆，实现对车辆的运动控制。远程数据传输单元用于实现被测试车辆和监控中心的实时全双工通信，监控中心可以随时下发指令控制被测试的车辆，修改测试轨迹和测试频次，车内的驾驶机器人***则实时采集被测试车辆的车辆状况信息，并且实时上传到监控中心，实现了对被测试车辆状态的远程监控。本发明采用定位技术与高精度轨迹跟踪技术相结合的方式实现封闭试验场内被测试车辆的自动测试，控制精度高、重复性好、耐久性强。

一种用于车辆测试的驾驶机器人***控制方法，通过轨迹跟踪单元用于实现驾驶机器人***对预设的行驶轨迹进行高精度的跟随控制，通过调整车辆的前轮转角和行驶速度，使得车辆跟随预设的目标轨迹行驶，从而实现了将高精度轨迹跟踪单元的目标指令下发至测试车辆，实现对车辆的运动控制。

附图说明

图1为纯追踪模型的几何表达示意图；

图2为本发明方法的流程示意图；

图3位本发明机器人控制方式模型结构图；

图4为本发明汽车驾驶机器人***结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

一种用于车辆测试的驾驶机器人***，包括控制单元以及与控制单元连接的定位与导航单元、轨迹跟踪单元、机械执行部件控制单元和远程数据传输单元；

定位与导航单元用于实时获取车辆在全球坐标系下的经纬度位置信息和车辆的航向信息，并将获取信息传送至控制单元；

轨迹跟踪单元用于车辆运动轨迹跟踪，并将跟踪轨迹信息传送至控制单元；

机械执行部件控制单元连接于控制单元，执行控制单元传递的控制信号；

远程数据传输单元用于控制单元与监控中心之间的数据传输；

控制器单元用于接收定位与导航单元发送的位置信息，并发送待执行控制信号至机械执行部件控制单元。

定位与导航单元采用组合导航和试验场预设的UWB定位***相结合的方式实现稳定可靠的车辆定位，组合导航包括差分GPS、惯导和轮速计单元，UWB定位***包括车载单元和路侧信标单元；定位与导航单元用于实现驾驶机器人***在测试场地的高精度自我定位定姿；

轨迹跟踪单元用于实现驾驶机器人***对预设的行驶轨迹进行高精度的跟随，通过控制单元控制调整车辆的前轮转角和行驶速度，使得车辆跟随预设的目标轨迹行驶；

机械执行部件控制单元连接于控制单元和车辆执行部件，车辆执行部件采用直流无刷电机为动力输出，通过一系列的动力产生装置和机械传动装置实现对被测试车辆的转向、制动、油门、档位的实时控制，从而实现了将高精度轨迹跟踪单元的目标指令下发至测试车辆，实现对车辆的运动控制；

远程数据传输单元用于实现被测试车辆和监控中心的实时全双工通信，远程传输单元采用V2X通讯技术，监控中心可以随时下发指令控制被测试的车辆，修改测试轨迹和测试频次，车内的驾驶机器人***则实时采集被测试车辆的车辆状况信息，并且实时上传到监控中心，实现了对被测试车辆状态的远程监控。

一种用于车辆测试的驾驶机器人***的控制方法，包括以下步骤：

步骤1)、通过定位与导航单元实时获取车辆在全球坐标系下的经纬度位置信息和车辆的航向信息(latitude,longitude,heading)；

步骤2)、通过步骤1)获得的经纬度位置信息和航向信息需要经过坐标转换才能将全球坐标系位置转换成局部坐标系位置：

(x_local,y_local,α)＝T_conv(latitude,longitude,heading)

其中，α为车辆的前轮偏角；

步骤3)、在获得了当前时刻自动驾驶***所在的车辆平台相对于试验场坐标系的位置和航向数据之后，采用高精度的轨迹跟踪算法实现对车辆运动轨迹的高精度跟踪；

因为封闭试验场测试环境下，在进行多种路面情况测试时，车辆的运动速度始终处于低速环境，因而纯跟踪算法可以很好地满足要求：

如图1所示，在车体坐标ox_localy_local中，P(x_local,y_local)为规划路径上的点，L为汽车所行驶圆弧的弦长，也是汽车运动前视距离，R为该弧段的半径。可得到前轮转向角的大小为：

H：车辆轴距；P：车辆与规划路径之间的横向距离；

传统的纯跟踪算法需要考虑车辆的行驶安全和车内乘员的舒适度，因而在跟踪精度方面略有偏差，本发明所涉及的驾驶机器人***无需考虑车内乘员舒适度的问题，只需要考虑车辆的行驶安全约束，因而可以将被测试车辆的轨迹跟踪精度提升：

(α_Target,FC_target,BC_Target,HC_Target)＝Function_purepursuit(M_trajectory,x_local,y_local,α)

其中α_Target是跟踪算法计算出来的下一个控制时刻的方向盘目标位置信息，FC_Target是下一个控制时刻的目标油门开度信息，BC_Target是下一个控制时刻的目标刹车量信息，其中油门和刹车量的控制属于解耦关系；HC_Target是下一个控制时刻的目标档位信息；上述目标控制信息将通过车辆的CAN总线输出至驾驶机器人***的线控执行部件；

步骤4)、通过上述步骤3)得到线控执行部件的目标控制信息；为了使得本发明的驾驶机器人***可以适配多种车型，本驾驶机器人***采用多种电驱***作为动力的来源，采用传动***进行动力***的传输。

如图3，油门机械腿采用步进电机伺服控制方式，实现油门的高精度定位；制动机械腿采用步进电机驱动，通过自调节制动力大小实现对制动减速度的控制；换挡机械手是驾驶机器人***的关键执行部件，采用七连杆两自由度闭链机构，采用两关节角位移传感器反馈移动信息，根据角位移确定机械手的空间位移坐标，在不需要对汽车换挡机构进行改造的前提下，实现选挡和挂摘挡两个方向运动的机械解耦，最终实现对驾驶机器人机械手的精确控制。

驾驶机器人在定位与导航单元得到在测试场地的高精度自我定位信息，在轨迹跟踪单元对预设的行驶轨迹进行高精度的跟随控制，通过调整车辆的前轮转角和行驶速度，使得车辆跟随预设的目标轨迹行驶。机械执行部件单元得到控制信息后，通过一系列的动力产生装置和机械传动装置实现对被测试车辆的转向、制动、油门、档位的实时控制，同时，实时采集被测试车辆的车辆状况信息，并且实时上传到监控中心对被测试车辆状态远程监控，监控中心也可以随时下发指令控制被测试的车辆，修改测试轨迹和测试频次等。

驾驶机器人结构参见图4，主控计算机接收各执行机构的当前位置、车速与发动机转速等信息，然后根据所得到的输入数据与预先输入至存储器中的数据，计算并实时地输出执行机构指令信号，同时，控制发动机的起动与停止。另外，为了保证在出现诸如冷却水温度过高、爆胎、跑偏等故障的时候保护试验车辆和试验台不受损坏，各执行机构的伺服控制可采用气压驱动、电动驱动或气电混合驱动的方式，伺服控制单元接收主控制单元信号后驱动步进电机或气缸腔室上的进排气电磁阀，实现对步进电机或气缸位置的控制。为了实现油门位置的精确定位,油门机械腿采用电机伺服控制方式；制动器采用制动力电可调的气动控制；离合器则为速度电可调的气动控制；换挡机械手采用气动七连杆换挡执行机构,连杆长度经过优化设计,选挡、摘进挡两个方向的运动机械解耦,实现了换挡运动机械解耦简化控制,其独特的气缸定位技术,可实现机械手任意位置准确定位,另外采用气压驱动使机械手动作具有人肌肉的弹性和柔顺性。

Claims (1)

1.一种基于用于车辆测试的驾驶机器人***的驾驶机器人***的控制方法，其特征在于，所述用于车辆测试的驾驶机器人***包括控制单元以及与控制单元连接的定位与导航单元、轨迹跟踪单元、机械执行部件控制单元和远程数据传输单元；

定位与导航单元用于实时获取车辆在全球坐标系下的经纬度位置信息和车辆的航向信息，并将获取信息传送至控制单元；

轨迹跟踪单元用于车辆运动轨迹跟踪，并将跟踪轨迹信息传送至控制单元；

机械执行部件控制单元连接于控制单元和车辆执行部件，执行控制单元传递的控制信号；

远程数据传输单元用于控制单元与监控中心之间的数据传输；

控制器单元用于接收定位与导航单元发送的位置信息，并发送待执行控制信号至机械执行部件控制单元；定位与导航单元包括组合导航和试验场预设的UWB定位***，组合导航包括差分GPS、惯导和轮速计单元，UWB定位***包括车载单元和路侧信标单元，车辆执行部件采用直流无刷电机为动力输出；具体包括以下步骤：

步骤1)、通过定位与导航单元实时获取车辆在全球坐标系下的经纬度位置信息和车辆的航向信息；

步骤2)、将步骤1)获得的经纬度位置信息和航向信息经过坐标转换，将全球坐标系位置转换成局部坐标系位置；将全球坐标系位置转换成局部坐标系位置公式如下：

(x_local,y_local,α)＝T_conv(latitude,longitude,heading)

其中，α为车辆的前轮偏角；

步骤3)、根据局部坐标系位置，采用轨迹跟踪算法实现对车辆运动轨迹的高精度跟踪；

步骤4)、通过上述步骤3)得到线控执行部件的目标控制信息，在车体坐标ox_localy_local中，P(x_local,y_local)为规划路径上的点，L为汽车所行驶圆弧的弦长，也是汽车运动前视距离，R为该弧段的半径；得到前轮转向角的大小为：

H：车辆轴距；P：车辆与规划路径之间的横向距离；

跟踪算法公式如下：

(α_Target,FC_target,BC_Target,HC_Target)＝Function_purepursuit(M_trajectory,x_local,y_local,α)

其中α_Target是跟踪算法计算出来的下一个控制时刻的方向盘目标位置信息，FC_Target是下一个控制时刻的目标油门开度信息，BC_Target是下一个控制时刻的目标刹车量信息，其中油门和刹车量的控制属于解耦关系；HC_Target是下一个控制时刻的目标档位信息。

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