网络化自动驾驶车辆改装设计说明书V13.docx

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网络化自动驾驶车辆改装设计说明书V13

网络化自动驾驶

系统设计说明书

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修改内容

1概述

1.1车辆介绍

东风风神A60是采用了日产轩逸的平台开发，采用了MR20DE发动机，是东风汽车公司自主研发的一个品牌。

车辆平台的选择总的来讲包括机械平台和电子电气平台两个方面，两方面紧密结合，密不可分。

具体包括转向系统、制动系统、发动机控制系统、换挡控制系统、信号控制系统、中央处理系统、电源系统、全车网络与布线等内容。

这些内容构成了无人车能够实现自主控制的基础。

其性能的好坏、可靠性的高低直接决定了无人车的功能实现和性能情况。

目前，国内外的无人车大都在现有成熟车型的基础上进行改装或者整合，这样做可以使无人车建立在成熟汽车的动力性、制动性和操纵稳定性等各项性能之上，无需考虑和研究汽车本身的性能，从而减小研究的难度。

1.2改装示意图

图1、A60改装示意图

●以表格表示所有改装点、执行机构、安装数量

表1、改装说明

改装点

内容

备注说明

数量

车辆

东风A60轿车

自动驾驶

1

底盘改装

转向改装

1

油门改装

1

制动改装

1

紧急制动改装

1

挡位改装

1

转向灯/刹车灯

1

车体改装

后备箱支架

1

电源

1

电缆束

1

自动驾驶状态指示灯

1

调试显示器

直连OBU，放在头枕后

2

中控改装

有on/off两个状态量

OBU

仅用于调试，在方向盘右侧隐藏处放置

1

摄影头

微视RS1300-黑白单目摄影头

单目：

车道线识别

双目：

障碍物探测

3

摄影头支架

USB接入处理板

1

摄影头同步盒

仅为摄影头供电

1

毫米波雷达

DENSO雷达

障碍物探测

1

毫米波雷达CAN卡

1

GPS+INS

司南M600-UIGNSS接收机，科员接收CORS信号

定位

1

工控机

集智达工控机NiceE-6500

1

电瓶

1

逆变器

1

网络设备

TP-LINK千兆交换机

1

无线路由器

1

4G无线网卡

工控机连接RSU

1

2车体改装

2.1具体改装效果。

图2、A60外部改装示意图

车辆外部改装位置和效果如图所示。

车辆传感器采用视觉和毫米波融合的方案，比较接近于Mobileye的方案，核心是车道线识别。

在后备箱中安装相关设备。

第一个采用工控机来分别实现OBU的功能，第二个阶段将用英伟达的K1的板子完成HSU和ICU的功能，具体效果参考下图所示。

OBU本体需要装配1台工控机，1个3G模块，1个GPS主机，1个MEMS惯导均置于后备箱，装配后设备类似上图。

为了保证设备安放方便，我们将后备箱的备胎取掉了，我们将工控机使用螺钉铆接在板子上，将GPS也铆接上去。

考虑到车辆抖动对于惯导性能的影响，因此我们选择直接将惯导也铆接在底板上。

图3、A60后备箱改装后示意图

3转向改装

为了实现自主驾驶双驾双控功能，即系统在危险情况下主动介入和干预车辆的行驶控制和自主驾驶状态和人工驾驶状态的平顺切换，需要重新调整一下车辆的横向和纵向控制系统的设定。

图4、风神A60人车共驾纵横向控制系统设置

电动助力转向系统主要含有信号传感装置（包括扭矩传感器和车速传感器），转向助力机构（电机、离合器、减速传动机构）及电子控制装置。

它主要利用电动机产生的动力来帮助驾驶员进行转向的，可将系统划分为三大主要部分。

机械系统主要由方向盘、转向轴、小齿轮、齿条、横拉杆和转向节等组成;助力系统主要由助力电机、电磁离合器、减速传动机构构成;电控单元ECU（EleetricConirolUnit）含有电机驱动控制电路、传感器检测电路、控制电路等。

1）保留原车基本转向结构和电机、涡轮蜗杆等执行单元

2）增加角度传感器

3）用无人驾驶专用控制器替换原车EPS控制器

4）增加CAN通讯接口

5）重新改造线束，并将整套转向装置安装到位

6）调试控制器实现EPS助力功能

7）调试控制器实现无人驾驶角度控制功能

图5、风神A60转向改装

自主驾驶系统是通过控制方向盘转动来实现车辆的车道保持以及变道等动作的，其精度直接影响到车辆横向操控稳定性以及乘坐人的舒适性，方向盘转动角度的精度越低，车辆发生横向控制偏差越大。

因此，自主驾驶系统对EPS系统输入输出如表所示：

表2、EPS改造完成的技术指标

序号

需求内容

信号类型

精度要求

说明

1

方向盘当前转动角度

输入

±0.1°

转角传感器测量有效精度

2

方向盘当前转角速度

输入

±0.1°/s

转角传感器测量有效精度

3

方向盘期望转角

输出

±0.1°

接近电机驱动器控制精度

4

方向盘期望转速

输出

±0.1°/s

5

当前控制状态

输出

0||1

0：

人工驾驶||1：

自动驾驶

6

扭矩传感器信号

输入

应能判断人的操作意图

当人手脱离方向盘时，将自动启动自动驾驶判断，并切换控制

4制动改装

自主驾驶系统是通过控制制动来实现对车辆的减速控制，进而实现车辆的跟车行驶，减速变道等工作。

此外，ABS系统自带的轮速传感器以及ESC系统所用到的车姿传感器对于车辆位置的推算与运动状态的估计十分关键。

本项目采用的线控刹车部件主要实现以下功能：

1）去掉了传统的真空助力器或者真空泵；

2）将制动操纵与踏板模拟单元、主缸、电机液压助力单元、主控ECU单元等集成为一体；

3）通过踏板位移传感器传递驾驶员制动意图；

4）通过电机驱动柱塞泵建立液压,通过控制阀系的开闭模拟踏板感觉,建压与模拟分离。

5）采用主缸压力传感器监测制动建压,结合轮速传感器信号形成闭环控制。

6）可通过软件模拟及调节各种车型的踏板特性。

7）集成度高,制动系统组件更为精简,结构紧凑、质量轻、占用空间小。

8）制动响应周期要比较传统制动系统加快。

9）适用于不依赖于真空源的制动系统。

10）适用于主动/辅助制动功能的各种车辆。

11）具备常规的脚踩踏板制动以及电控主动制动功能。

12）假设电控制动系统失效,可立即启用机械备用制动。

13）具备ABS防抱死制动功能，四个车轮独立控制。

14）可拓展实现ESC、紧急制动、驻车制动、自适应巡航等功能。

15）可配合整车控制器协调实现制动能量回收功能。

图6、风神A60转向改装

因此，自主驾驶系统对ABS/ESC的输入输出如表所示：

表3、ABS/ESC改造完成的技术指标

序号

需求内容

信号类型

精度要求

说明

1

轮速信号：

车轮每转动一圈发出的最少脉冲数

输入

48个

车辆的位置误差2cm，车轮每转一圈距离为2πR，按照精度要求，脉冲数不小于πR，一般车轮的半径大概在30cm左右；

2

车姿信号：

加速度探测车辆横向与纵向加速度最小精确度

输入

0.1g

车辆横纵向加速度及其变化率对于人的舒适度影响很大，需要保证a<0.12g,因此，反馈信号精度至少要达到0.1g。

3

期望减速度

输出

0.1g

4

制动踏板位移信号

输入

应当能判断人的操作意图

当制动踏板位移超过一定值，则认为进入人工控制，自动切换控制。

5油门改装

发动机的控制包括转速控制和转矩控制两个方面。

这两个方面的控制，需要无人车控制系统对加速踏板位置进行控制，同时需要采集节气门位置信号和发动机转速信号作为反馈。

对于采用电子式节气门的发动机电控系统，加速踏板的作用是为发动机ECU提供代表其位置的电压信号，这一信号由加速踏板位置传感器APS提供。

因此对于采用电子节气门的电控发动机，只需为发动机ECU提供一个模拟的APS信号即可。

这个信号可由无人车控制器通过一个D/A转换器输出。

如果汽车厂家自己开发发动机的ECU，也可以在ECU的软件中制订电子节气门的控制协议，从而由无人车控制系统通过CAN总线直接向其发送控制指令，控制发动机的转速和转矩。

自主驾驶系统是通过控制油门开度来实现对车辆的加速控制，进而实现车辆的跟车行驶，加速超车等加速工作。

此外，ABS系统自带的轮速传感器以及ESC系统所用到的车姿传感器对于车辆位置的推算与运动状态的估计十分关键。

因此，自主驾驶系统对油门的接口如表所示：

表4、油门控制改造完成的技术指标

序号

需求内容

信号类型

精度要求

说明

1

当前车速

输入

0.1km/h

使用当前的车速来进行判断是否油门开度还需要增加或者减少

2

车姿信号：

加速度探测车辆横向与纵向加速度最小精确度

输入

0.1g

车辆横纵向加速度及其变化率对于人的舒适度影响很大，需要保证a<0.12g,因此，反馈信号精度0.1g。

3

期望加速度

输出

0.1g

4

油料剩余量传感器

输入

0.1L

需要实时监控车辆的油料，实时的使用量以及下一个加油站的地址，综合考虑以确保高速驾驶不会断油。

5

油门踏板位移信号

输入

应当能判断人的操作意图

当油门踏板位移超过一定值，则认为进入人工控制，自动切换控制。

6中控改装

主要功能就是利用车载中控的大屏幕来显示路径规划结果和当前车辆的运行情况UI中控屏外观如图，UI采用Ubuntu，开发采用QT，由于CSU和RSU采用Ubuntu平台，。

同时为了保障编程的便捷性，拟采用成熟的消息通信机制LCM，实现OBU内的组播通信机制。

相关界面如下图所示。

图7、车辆内部的中控大屏幕

7传感器安装

系统可根据车辆实际需求，分别安装前置雷达、后置雷达或前、后置雷达，前、后置雷达的个数一般分别为1个，亦可根据实际探测范围的需求选择3个，摄像头安装双目和广角各一个，如表1所示为传感器参照情况。

。

表5、OBU单元的组成零部件列表

序号

零件名称

数量

（个/车）

安装位置

1

前中间远程毫米波雷达

1

前保险杠

2

中程双目摄像头

1

车内后视镜前段贴近前玻璃处

3

短程广角摄像头

1

4

后方左侧毫米波雷达

1

后保险杠

5

后方右侧毫米波雷达

1

6

GPS/IMU

1

车内质心处

图8、车辆传感器安装位置