智能车辆自动驾驶控制系统

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1、学院：工学院姓名：樊昊学号：20127040142智能车辆自动驾驶控制系统引言近年来，随着人工智能、自动控制等智能控制领域相关理论与技术的发展，越来越多更加有效的智能算法被设计出来，不断提升着智能车的智能控制能力，推动了智能车从遥控到半自主控制、再到全自主控制的不断发展，在智能车的发展过程中，底层自动驾驶控制系统的性能始终是影响智能车智能控制能力的关键因素之一，自动驾驶控制系统是指能够接收上层智能控制系统的指令，以控制车辆的转向、速度与挡位等运动特性的系统，自动驾驶控制系统作为所有运动动作的最终执行者，其执行效果直接影响智能车能否准确且实时地完成上

2、层智能控制系统的控制指令，是整个智能车感知、规划、推理以及决策等智能能力的基础，是智能车辆的核心系统之一。传统的自动驾驶控制系统一般由转向、油门与制动3个系统组成，并在原车辆的人工驾驶装置上通过加装电机、钢丝拉绳、减速器、滑轮等一系列复杂的机械系统，实现对原车辆的自动控制，清华大学计算机系智能车组设计的THMR-V就是传统自动驾驶控制系统的典型代表，其转向控制系统的设计方法是断开原转向柱与转向拉杆之间的机械连接，并加装直流伺服电机以控制转向拉杆的动作，为了同时不失去人工驾驶能力，通过2个啮合的齿轮连接直流伺服电机和原转向柱;其油门控制系统和制动控制

3、系统都是使用电机、钢丝绳、减速器、卷线轮、以及滑轮组，通过电机驱动卷线轮旋转，进而通过钢丝绳拉动油门踏板运动。传统的自动驾驶控制系统机械加工非常困难，并且机械结构之间的间隙会影响控制精度，同时额外加装的电机增加能耗，且需要额外的电源系统;另外，这种对原车机械结构进行了大量的改造，容易对原车性能产生影响，当人工驾驶时，人需要克服加装电机的扭矩而增加了操作难度，且可靠性无法保证，面对传统自动驾驶控制系统的诸多问题，应该探索一种更合理的系统设计方案。一、系统总体设计方案为了完成自动驾驶控制系统的设计，以使智能车在复杂环境下能够以自主的方式完成各种动作，设

4、计了由感知规划层和执行层组成的分层体系结构，如图1所示，感知规划层进行感知与智能规划，并产生运动指令，感知规划层主要由视觉、深度感知设备以及智能控制计算机组成;执行层以运动指令为期望值，控制底层执行器动作，执行层主要由自动控制装置及其相应驱动设备和传感器组成，本文介绍执行层的设计方式。系统要求感知规划层每隔100ms进行一次感知、规划、决策周期，并产生一个运动指令集，这个运动指令集包括期望的方向盘转角、期望的油门开度、期望的制动量以及期望的挡位位置，这就要求执行层在100ms之内，能够快速而精确地实现感知规划层规划后的期望值，为了实现这个目的，在设

5、计执行层过程中，需要首先对原车的底层运动系统进必要的机械改造，再加装相应的自动控制装置，使智能车辆原有的人工驾驶系统改造成为具有接收上位机下发的转向、加速、制动等指令，并执行相应动作能力的自动驾驶控制系统，设计的自动驾驶控制系统应满足以下要求:1)能够满足上层感知规划层对底层执行层控制精度与速度的要求;2)对原车的机械改造应尽可能少;3)不应该对车辆原有的系统和性能产生任何影响;4)应具有较强的可靠性与稳定性，项目采用的研究与试验平台是由尼桑公司生成的“奇骏”越野车，该车配置有自动变速器、电动助力转向系统、ABS系统、电子油门等目前较为先进的车辆电

6、子电气系统，因此，尽可能多利用原车自带的电子电气系统，将大大减少机械改造量，并能产生更好的控制效果。在本智能车上，共设计有4个核心自动驾驶控制系统—转向控制系统、油门控制系统、制动控制系统和挡位控制系统，前3个系统在传统的自动驾驶控制系统中必不可少，但在很多智能车中，挡位却很少实现自动控制，这些智能车在进行无人试验时，需要人工事先置为前进挡再切换为无人模式进行试验，事实上，没有设计挡位自动控制系统的智能车，由于在换挡之后只能使车辆一直处于制动状态才能静止，这样在自动挡的车辆中，导致液力变矩器长时间处于非常恶劣的工作状态，非常容易对车辆造成损害，而且

7、这种方式无法使车辆自主实现前进、后退以及驻车等行驶模式的切换，可以说，只有配置了挡位控制系统的车辆，才是真正意义上的无人驾驶智能车辆。图2为4个核心子系统与上层智能控制系统的连接拓扑图，本系统采用分布式连接方式，4个子系统与上位机之间的交互独立进行，互不干扰，这样可以保证某一个子系统出现异常状况时，其他子系统还可以正常工作，增强系统的可靠性，使用时，在上位机的PCI插槽中插入CAN卡，通过CAN总线与底层子系统进行交互上位机可对4个子控制系统发送控制命令并实时监控其执行状况，为了保证上位机对底层子系统的绝对控制权，4个子控制系统中采用中断方式接收C

8、AN总线的指令，并将CAN中断优先级设置为最高优先级。二、分系统设计方案2.1转向控制系统图3为原车上转向助力电机工作原理