杨俊辉1 杨振续2 苏辉明1 张建强3
1.长沙立中汽车设计开发有限公司 2.河南理工大学 3.湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室
摘要：随着全球工业智能化的发展，特别是欧美日等发达国家在智能网联汽车研发领域的积极投入，国内智能网联汽车技术的研发和应用方兴未艾，与之配套的测试技术和测试设备也不断发展。本文基于一款用于智能网联汽车性能测试的仿真汽车机器人的实际应用，来探讨工业机器人为满足智能化汽车测试的需要所作出的技术方案整合和优化。本文的仿真汽车机器人能够满足智能网联汽车相关规范的测试要求，能有效替代实际的测试汽车，降低汽车的损耗成本，保证测试人员安全，提升测试精度和测试效率，取得了较好的应用价值。
关键词：智能网联汽车，测试规程，仿真汽车机器人，嵌入式系统，硬件架构
1前言
智能网联汽车的最终目的是替代人来操作汽车，实现无人驾驶[1]。无人驾驶不仅对汽车研发、视觉识别和算法等提出了极高的要求，也对其各种功能的测试提出了极高的要求。由于智能网联汽车技术的推动，智能网联汽车测试设备的研发也在不断发展，诸如满足V2X要求的智能路侧设备、满足人行道测试的假人测试设备等。本文所开发的机器人为满足V2V（车-车）测试需求的仿真汽车机器人。
国家为推动智能网联汽车的有序良性发展，近两年陆续出台了多个规范或规程，诸如《CNCAP管理规则（2018年版）》、《智能网联汽车自动驾驶功能测试规程（试行）》、《JT/T1242-2019营运车辆自动紧急制动系统性能要求和测试规程》等[2]。以上规范或规程中对能V2V测试方法，以及仿真汽车机器人在测试道路上行驶的方式和轨迹均提出了明确需求。基于这些规范的要求，作者及其团队顺利研发出一款仿真汽车机器人，此机器人能代替真实的汽车在测试场地运行，满足当前国内规范对智能网联测试的要求。
2仿真汽车机器人总体布局
此款机器人主体设计理念为后轮驱动、前轮转向兼制动。整体布置如图1所示，按顺序说明如下：左右转向单元设置在主体结构的左右前方，两单元之间布置有电缸、制动卡钳等元器件。左右转向单元均设置有转向电机和伺服驱动器，其作用为按控制器要求完成转向、制动的动作。框架中后部两边均布置有机器人供电系统--锂电池组。经过综合考虑锂电池选用以磷酸铁锂为主要材料的锂离子电池，每一侧的模组电压是48V，由多个电压为3.3V的锂电子电池单元构成，满足机器人需要的电压和电量。电池组结构为快换结构，方便备用电池组的安装。电池模组自带一套BMS控制芯片以对电池模组进行有效控制和管理，避免电池电量的过度流失和过度充裕。主体框架中间设置有三块区域，上部大区域布置有主控制器、惯导模块、通信天线、制动系统动力模块等。下部两块区域左右各布置有一个驱动电机的伺服驱动器及其线束。左驱动单元模块在主体框架的左后方，右驱动单元则在右后方。结构上，在框架周围设置了四块用高强度非金属板制作的坡道板，主要作用是当进行智能网联汽车测试时，如果汽车控制逻辑出现问题并撞向仿真汽车机器人时，有利于汽车顺利压过坡道板，让主要受力转移到金属制作的主体框架上，避免损害机器人内部零部件。并且布置在四个角的四个车轮的支撑上均设计有悬架结构，确保机器人行驶的平稳。
3 仿真汽车机器人的功能和主要特点
3.1 产品功能
仿真汽车机器人与固定于其上的软体仿真汽车一起组成一辆雷达反射特性与真车极其类似的仿真汽车[3]，从而完成智能网联汽车部分功能的测试需求，当前此机器人更多地应用到汽车ADAS（高级驾驶辅助系统）系统中的AEB（自动紧急刹车）、FCW（前车碰撞预警）和ACC（自适应巡航控制）等功能的测试上。
机器人的控制器通过具备GPS位置修正功能的高精度惯性导航系统来获取位置信息并实现路径跟随功能[4]。系统通过GPS时间同步功能来保证碰撞和近距超车场景的可重复并可精确到毫秒级别。机器人通过测试场内设置的远程基站的无线电信号进行无线控制。而且机器人具备与两个以上同款仿真汽车机器人一起创建更复杂多车测试场景的能力。
3.2主要特点
(1)机器人高度超低，尺寸在100mm上下，考虑到智能网联车的误感应范围，并兼顾汽车常规离地间隙，设定为90mm。
(2)机器人行驶速度设计为50km/h，满足国内NCAP规范要求，远高于常规物流AGV的运行速度。但考虑未来无人驾驶的应用要求，速度需进一步达到72km/h，甚至100km/h。
(3)驱动单元采用伺服电机通过链传动带动车轮转动，加装空气阻尼器的悬架可以有效减缓来自测试车辆的冲击。
(4)机器人能够与测试用驾驶机器人进行无线实时通信，发送或获取自身位置、速度、加速度等信息，以调整行驶轨迹来满足测试规程的要求，提高测试精度、质量和效率。
(5)为提高测试效率，机器人还需要能够快速拆装；电池能够快速更换；并具备较高防水功能，在雨势不大的情况下依然可以完成测试。
4 仿真汽车机器人的硬件架构和控制方式
4.1 硬件架构
如图2所示为仿真汽车机器人硬件架构图，具体说明如下：
(1)机器人控制对象主要包括：驱动伺服电机2台，转向伺服电动缸1台，刹车电动缸1台。
(2)控制器硬件电路板采用铝合金型材和航空插头形式封装。定位导航系统采用DGPS+惯性导航模块组成以获取高动态目标姿态数据，数据采集刷新率可达200Hz。
(3)电池采用4节12VDC单元串联成48V电池包，左右合计两组，电池充电器外置。
(4)GPS天线由外协厂家定制，RTK和通信天线馈线引出，通过软体材料固定在软体仿真汽车上。
(5)入场遥控器采用航模遥控器升级而成，用于遥控仿真汽车机器人进入测试场区。
(6)驱动电机自带速度脉冲检测传感器，用于检测伺服电机实时转速。
(7)机器人上预留有多种行驶模式间切换的开关操作孔，用防水物料密封。
4.2 控制方式
仿真汽车机器人控制系统主要包括主控制器、电机驱动模块、DGPS组合导航模块等部分，主控制器接收无线遥控器或上位机发送的指令，结合组合导航姿态数据，经过逻辑处理后，控制驱动、转向、制动电机按规范规定的轨迹场景行驶。具体分工和控制策略如下：
(1)主控制器：由于仿真汽车机器人对实时性的要求很高，机器人采用Cortex M7高性能处理器[5]，实时计算仿真汽车机器人与预定轨迹相对关系，并结合当前仿真汽车机器人姿态信息计算出各驱动电机需要的运行参数，通过高速并口通信，将信息传送给独立的Cortex M3CPU来控制伺服电机的伺服驱动器，使电机按预定的轨迹运动，实现机器人的各种运动控制。
(2)组合导航模块：采用DGPS组合导航系统获取高精度姿态信息（包括位置，速度，加速度，航向角，俯仰角等），通过控制器对姿态信息进行解析并融合控制算法后来控制驱动和转向电机以实现预定的轨迹，速度，加速度等参数。
(3)无线通信系统：机器人控制器上装有无线通信模块，在不同的测试场景下，机器人可设置为主动发送自身实时位置、速度等信息或被动接收测试车辆驾驶机器人的实时位置、速度等信息两种模式。机器人可根据实时获取的被测车辆位置、速度等信息，来自我调整启动时间、加速度等参数以使自身符合预定的测试场景。
(4)上位机：操作系统采用全中文操作界面，操控方便，并接受定制化设计。
5 结语
安全、节能、环保、智能化是汽车永恒的发展主题[6]，对于汽车安全、智能化等功能的测试也十分重要。本文详细阐述了一款应用于智能网联汽车测试领域的仿真汽车工业机器人，通过对机器人的实际测试，机器人可以满足智能网联汽车对AEB、FCW和ACC等基本功能的测试需求。
当然，由于对智能网联汽车检测的研究才刚刚起步，很多测试方法还未定型，仍处于探索或完善阶段。而且随着嵌入式技术的不断发展，对机器人的智能化控制也将更加成熟、稳定。所以，此类仿真汽车机器人还需要紧跟测试规程的研究前沿和最新嵌入式技术发展，在现有基础上不断完善和创新，以更好满足智能网联汽车实际测试的要求。
参考文献
[1] 李克强.智能网联汽车现状及发展战略建议.汽车商业评论，2016.
[2] 智能网联汽车自动驾驶功能测试规程（试行）.中国智能网联汽车产业创新联盟和全国汽标委智能网联汽车分技术委员会，2018.
[3] Global Vehicle Target Specification. Version 1.0，May 2018.
[4] 张照杰.网络RTK定位原理与算法研究[D].中国科技大学，2007.
[5] 宫小飞等.基于ARM嵌入式机器人控制系统的研究与设计.机械与电子，2017.
[6] 安全、节能、环保及智能化是汽车永恒发展主题. 汽车行业，2014.
论文作者:杨俊辉1 杨振续2 苏辉明1 张建强3
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/27
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