工業(yè)機器人在智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試領(lǐng)域的應(yīng)用分析

工業(yè)機器人在智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試領(lǐng)域的應(yīng)用分析摘要：隨著全球工業(yè)智能化的發(fā)展，特別是歐美日等發(fā)達國家在智能網(wǎng)聯(lián)汽車研發(fā)領(lǐng)域的積極投入，國內(nèi)智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用方興未艾，與之配套的測試技術(shù)和測試設(shè)備也不斷發(fā)展。本文基于一款用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車性能測試的仿真汽車機器人的實際應(yīng)用，來探討工業(yè)機器人為滿足智能化汽車測試的需要所作出的技術(shù)方案整合和優(yōu)化。本文的仿真汽車機器人能夠滿足智能網(wǎng)聯(lián)汽車相關(guān)規(guī)范的測試要求，能有效替代實際的測試汽車，降低汽車的損耗成本，保證測試人員安全，提升測試精度和測試效率，取得了較好的應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞：智能網(wǎng)聯(lián)汽車，測試規(guī)程，仿真汽車機器人，嵌入式系統(tǒng)，硬件架構(gòu)1刖言智能網(wǎng)聯(lián)汽車的最終目的是替代人來操作汽車，實現(xiàn)無人駕駛［1］。無人駕駛不僅對汽車研發(fā)、視覺識別和算法等提出了極高的要求，也對其各種功能的測試提出了極高的要求。由于智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)的推動，智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試設(shè)備的研發(fā)也在不斷發(fā)展，諸如滿足V2X要求的智能路側(cè)設(shè)備、滿足人行道測試的假人測試設(shè)備等。本文所開發(fā)的機器人為滿足V2V（車-車）測試需求的仿真汽車機器人。國家為推動智能網(wǎng)聯(lián)汽車的有序良性發(fā)展，近兩年陸續(xù)出臺了多個規(guī)范或規(guī)程，諸如《CNCAP管理規(guī)則（2018年版）》、《智能網(wǎng)聯(lián)汽車自動駕駛功能測試規(guī)程（試行）》、《JT/T1242-2019營運車輛自動緊急制動系統(tǒng)性能要求和測試規(guī)程》等［2］。以上規(guī)范或規(guī)程中對能V2V測試方法，以及仿真汽車機器人在測試道路上行駛的方式和軌跡均提出了明確需求。基于這些規(guī)范的要求，作者及其團隊順利研發(fā)出一款仿真汽車機器人，此機器人能代替真實的汽車在測試場地運行，滿足當前國內(nèi)規(guī)范對智能網(wǎng)聯(lián)測試的要求。2仿真汽車機器人總體布局此款機器人主體設(shè)計理念為后輪驅(qū)動、前輪轉(zhuǎn)向兼制動。整體布置如圖1所示，按順序說明如下：左右轉(zhuǎn)向單元設(shè)置在主體結(jié)構(gòu)的左右前方，兩單元之間布置有電缸、制動卡鉗等元器件。左右轉(zhuǎn)向單元均設(shè)置有轉(zhuǎn)向電機和伺服驅(qū)動器，其作用為按控制器要求完成轉(zhuǎn)向、制動的動作?？蚣苤泻蟛績蛇吘贾糜袡C器人供電系統(tǒng)--鋰電池組。經(jīng)過綜合考慮鋰電池選用以磷酸鐵鋰為主要材料的鋰離子電池，每一側(cè)的模組電壓是48V，由多個電壓為3.3V的鋰電子電池單元構(gòu)成，滿足機器人需要的電壓和電量。電池組結(jié)構(gòu)為快換結(jié)構(gòu)，方便備用電池組的安裝。電池模組自帶一套BMS控制芯片以對電池模組進行有效控制和管理，避免電池電量的過度流失和過度充裕。主體框架中間設(shè)置有三塊區(qū)域，上部大區(qū)域布置有主控制器、慣導模塊、通信天線、制動系統(tǒng)動力模塊等。下部兩塊區(qū)域左右各布置有一個驅(qū)動電機的伺服驅(qū)動器及其線束。左驅(qū)動單元模塊在主體框架的左后方，右驅(qū)動單元則在右后方。結(jié)構(gòu)上，在框架周圍設(shè)置了四塊用高強度非金屬板制作的坡道板，主要作用是當進行智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試時，如果汽車控制邏輯出現(xiàn)問題并撞向仿真汽車機器人時，有利于汽車順利壓過坡道板，讓主要受力轉(zhuǎn)移到金屬制作的主體框架上，避免損害機器人內(nèi)部零部件。并且布置在四個角的四個車輪的支撐上均設(shè)計有懸架結(jié)構(gòu)，確保機器人行駛的平穩(wěn)。3仿真汽車機器人的功能和主要特點3.1產(chǎn)品功能仿真汽車機器人與固定于其上的軟體仿真汽車一起組成一輛雷達反射特性與真車極其類似的仿真汽車［3］，從而完成智能網(wǎng)聯(lián)汽車部分功能的測試需求，當前此機器人更多地應(yīng)用到汽車ADAS(高級駕駛輔助系統(tǒng))系統(tǒng)中的AEB(自動緊急剎車)、FCW(前車碰撞預警)和ACC(自適應(yīng)巡航控制)等功能的測試上。機器人的控制器通過具備GPS位置修正功能的高精度慣性導航系統(tǒng)來獲取位置信息并實現(xiàn)路徑跟隨功能⑷。系統(tǒng)通過GPS時間同步功能來保證碰撞和近距超車場景的可重復并可精確到毫秒級別。機器人通過測試場內(nèi)設(shè)置的遠程基站的無線電信號進行無線控制。而且機器人具備與兩個以上同款仿真汽車機器人一起創(chuàng)建更復雜多車測試場景的能力。3.2主要特點機器人高度超低，尺寸在100mm上下，考慮到智能網(wǎng)聯(lián)車的誤感應(yīng)范圍，并兼顧汽車常規(guī)離地間隙，設(shè)定為90mm。機器人行駛速度設(shè)計為50km/h，滿足國內(nèi)NCAP規(guī)范要求，遠高于常規(guī)物流AGV的運行速度。但考慮未來無人駕駛的應(yīng)用要求，速度需進一步達到72km/h，甚至100km/h。驅(qū)動單元采用伺服電機通過鏈傳動帶動車輪轉(zhuǎn)動，加裝空氣阻尼器的懸架可以有效減緩來自測試車輛的沖擊。機器人能夠與測試用駕駛機器人進行無線實時通信，發(fā)送或獲取自身位置、速度、加速度等信息，以調(diào)整行駛軌跡來滿足測試規(guī)程的要求，提高測試精度、質(zhì)量和效率。為提高測試效率，機器人還需要能夠快速拆裝；電池能夠快速更換；并具備較高防水功能，在雨勢不大的情況下依然可以完成測試。4仿真汽車機器人的硬件架構(gòu)和控制方式4.1硬件架構(gòu)如圖2所示為仿真汽車機器人硬件架構(gòu)圖，具體說明如下：機器人控制對象主要包括：驅(qū)動伺服電機2臺，轉(zhuǎn)向伺服電動缸1臺，剎車電動缸1臺?？刂破饔布娐钒宀捎娩X合金型材和航空插頭形式封裝。定位導航系統(tǒng)采用DGPS+慣性導航模塊組成以獲取高動態(tài)目標姿態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集刷新率可達200Hz。電池采用4節(jié)12VDC單元串聯(lián)成48V電池包，左右合計兩組，電池充電器外置。GPS天線由外協(xié)廠家定制，RTK和通信天線饋線引出，通過軟體材料固定在軟體仿真汽車上。入場遙控器采用航模遙控器升級而成，用于遙控仿真汽車機器人進入測試場區(qū)。驅(qū)動電機自帶速度脈沖檢測傳感器，用于檢測伺服電機實時轉(zhuǎn)速。機器人上預留有多種行駛模式間切換的開關(guān)操作孔，用防水物料密封。4.2控制方式仿真汽車機器人控制系統(tǒng)主要包括主控制器、電機驅(qū)動模塊、DGPS組合導航模塊等部分，主控制器接收無線遙控器或上位機發(fā)送的指令，結(jié)合組合導航姿態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過邏輯處理后，控制驅(qū)動、轉(zhuǎn)向、制動電機按規(guī)范規(guī)定的軌跡場景行駛。具體分工和控制策略如下：主控制器：由于仿真汽車機器人對實時性的要求很高，機器人采用CortexM7高性能處理器［5］，實時計算仿真汽車機器人與預定軌跡相對關(guān)系，并結(jié)合當前仿真汽車機器人姿態(tài)信息計算出各驅(qū)動電機需要的運行參數(shù)，通過高速并口通信，將信息傳送給獨立的CortexM3CPU來控制伺服電機的伺服驅(qū)動器，使電機按預定的軌跡運動，實現(xiàn)機器人的各種運動控制。組合導航模塊：采用DGPS組合導航系統(tǒng)獲取高精度姿態(tài)信息(包括位置，速度，加速度，航向角，俯仰角等)，通過控制器對姿態(tài)信息進行解析并融合控制算法后來控制驅(qū)動和轉(zhuǎn)向電機以實現(xiàn)預定的軌跡，速度，加速度等參數(shù)。無線通信系統(tǒng)：機器人控制器上裝有無線通信模塊，在不同的測試場景下，機器人可設(shè)置為主動發(fā)送自身實時位置、速度等信息或被動接收測試車輛駕駛機器人的實時位置、速度等信息兩種模式。機器人可根據(jù)實時獲取的被測車輛位置、速度等信息，來自我調(diào)整啟動時間、加速度等參數(shù)以使自身符合預定的測試場景。上位機：操作系統(tǒng)采用全中文操作界面，操控方便，并接受定制化設(shè)計。5結(jié)語安全、節(jié)能、環(huán)保、智能化是汽車永恒的發(fā)展主題[6]，對于汽車安全、智能化等功能的測試也十分重要。本文詳細闡述了一款應(yīng)用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試領(lǐng)域的仿真汽車工業(yè)機器人，通過對機器人的實際測試，機器人可以滿足智能網(wǎng)聯(lián)汽車對AEB、FCW和ACC等基本功能的測試需求。當然，由于對智能網(wǎng)聯(lián)汽車檢測的研究才剛剛起步，很多測試方法還未定型，仍處于探索或完善階段。而且隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，對機器人的智能化控制也將更加成熟、穩(wěn)定。所以，此類仿真汽車機器人還需要緊跟測試規(guī)程的研究前沿和最新嵌入式技術(shù)發(fā)展，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上不斷完善和創(chuàng)新，以更好滿足智能網(wǎng)聯(lián)汽車實際測試的要求。參考文獻李克強.智能網(wǎng)聯(lián)汽車現(xiàn)狀及發(fā)展戰(zhàn)略建議.汽車商業(yè)評論，2016.智能網(wǎng)聯(lián)汽車自動駕駛功能測試規(guī)程(試行).中國智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟和全國汽標委智能網(wǎng)聯(lián)汽車