“智能车辆关键技术研究”项目申请书(控制系统)

1、类 别智能车辆关键技术研究项目编号中国科学院合肥智能机械研究所知识创新工程领域前沿项目课 题 申 请 书课题名称：智能车辆控制技术课题负责人： 钱玮申请部门： 智能车辆技术中心参加单位：中国科学院合肥智能机械研究所联系电话-mail：wqian2009年 12 月 10日课 题 简 表课题名称智能车辆控制技术开题日期2010 年 01月终止年月2011年12 月类 别智能车辆专项子课题数9 申请金额20万元密 级1.绝密 2.机密 3.秘密 4.内部 5.公开4申请部门智能车辆技术中心参加单位中国科学院合肥智能机械研究所项 目类 型应用基础研究 经费(万元)总计经 费

2、 来 源 及 金 额国家智能所自筹其它20所拨经费2010年2011年合计101020项目组总人数高级中级初级辅助人员博士后在读博士生在读硕士生其他6132项目负责人及主要成员姓 名年龄专业技术职务文化程度投入人年在研项数项目中的分工工作单位签章钱 玮43副研究员硕士31项目总体设计中科院智能所刘 宜28助研博士41控制系统设计中科院智能所祝 辉28助研博士40协调控制器设计中科院智能所李传宝27助研硕士50车辆控制模型建立中科院智能所方 薇35工程师硕士50CAN总线设计中科院智能所荣大伟23硕士生50控制系统设计中科院智能所摘要本项目研究智能车辆在中高速变速、转向、制动或者转向同时制动等复

3、杂工况下行驶轨迹跟踪的控制方法与关键技术。智能车辆控制系统为多路双闭环结构，主要由以“驾驶员模型”为核心的协调层和以转向、油门、制动控制器等为核心的控制层所构成。通过探讨各子系统内主要结构参数/控制参数以及各子系统间不同性能指标的相互影响、制约及协调的机理，建立起整车系统的动力学模型和运动学模型，提出在不同工况下汽车行驶的最优轨迹跟踪指标，依据此指标，按照当前的车辆状态以及车辆动力学约束，采用直线插补与圆弧插补相结合的方法实时生成光滑的过渡轨迹，然后通过车辆运动学模型转换为纵向速度曲线与转角曲线，再通过油门/刹车的闭环控制与转角的闭环控制来完成轨迹跟踪控制，实现从当前位姿到期望位姿之间的平滑过

4、渡，同时确保车辆实际轨迹不超出规划路径的最大误差范围，确保跟踪精度要求。该项目采用理论分析、软件仿真、和实车实验相结合的研究方法进行，以实现全面提高智能车辆行驶路径的精确性和安全性。一、 立项依据1、 课题的科学意义，国内外研究概况及发展趋势；智能车辆是验证机器感知与人工智能理论、方法与技术的最佳平台之一，尤其是在非结构、动态变化环境中。智能车辆不仅在军事、探险和救援等危险、恶劣环境下具有广阔的应用前景，同时智能车辆所涉及到的各种汽车传感器、环境感知系统、行驶安全预警、辅助驾驶智能决策、轨迹跟踪控制等关键技术对于提高有人驾驶汽车的智能化程度和行驶安全性具有重要意义。世界主要发达国家将智能车辆作

5、为展示人工智能技术发展水平、引领车辆工业未来的重要平台，纷纷开展智能车辆的研究。因此，开展智能车辆的研究，将对我国信息领域和车辆工业的发展做出基础性、前瞻性、战略性贡献。智能车辆作为基础理论与关键技术的集成验证平台，必须能够为各种模型、算法提供必要的实时计算能力，能够为各种新型传感器与机器感知系统提供机电系统融合能力，并且还应具备对智能决策的实时执行力，即车辆操控系统的实时控制能力。车辆操控系统的实时控制能力，主要由车辆控制系统对方向角、油门、刹车的实时控制来体现的。由于车辆运动轨迹可以分解为纵向运动与侧向（横向）运动，通常车辆控制系统可以通过纵向跟踪控制与侧向跟踪控制来实现。国内外目前有较多

6、高校和研究所也在从事智能车辆控制系统的研究。国外比较典型的研究是在美国参与DARPA比赛的车辆。如文献1和2将车辆的控制系统分成两层，上层用于路径的规划，下层用于车辆的控制，同时将车辆的底层控制分成纵向控制和横向控制。纵向控制是底层的控制，实现自由驾驶道路行驶以及控制车速的快慢。通过离散的坐标点来描述几何路径。横向控制主要是在转向过程中，实现安全转向。这种控制的缺点是较难实现控制准确性，因为离散的点很难表征出复杂工况下（尤其是高速）车辆的运行目标轨迹。文献3采用了一种两自由度自行车模型来表示车辆模型，控制器采用单独的PID控制器，控制车辆的油门、制动和转向角，这种两自由度的车辆模型虽然计算简单

7、，但是很难反映车辆高速时转角的变化与车辆行驶轨迹的变化关系，因此高速时的控制变得很困难。国内目前也有部分高校和研究所在从事智能车辆控制系统的研究，如上海交大夏永峰、刘子龙等采用中央处理器来同时处理转向角指令、速度指令、油门指令等参数，以控制车辆运动时的转角大小和油门大小等，这种控制方式很难保证控制的实时性，因为实际车辆转向需要的不仅仅是转角信号，同时也需要转角速度信号5 6 7。从以上研究可以看出：多数文献中采用的是简单的两自由度自行车模型，描述整车运动不够准确，尤其是在高速情况下。考虑到智能车辆的动力学模型的时变性与强非线性特性，本项目拟从车辆的运动学模型出发，参照车辆的动力学约束条件，根据

8、上层路径规划系统产生的路径点序列，采用直线或圆弧的插补方式实时生成精细的期望跟踪轨迹，以提高轨迹跟踪的精度，然后通过车辆运动学模型将其分解为纵向速度曲线与转角曲线，再通过对油门、刹车、转角的闭环控制，以实现车辆的实际运动轨迹在规划的路径点序列的公差范围内，同时保证车辆在运动过程中的舒适性与稳定性。参考文献1 Oliver Pink. Christian Frese. Christoph Stiller. Team AnnieWAYs AutonomousSystem for the 2007 DARPA Urban Challenge. Journal of Field Robotics200

9、8: 615-6392 Felix von H., Michael H., Falk H. et al. Driving with Tentacles:Integral Structures for Sensing and Motion. Journal of Field Robotics DOI 10.1002/rob: 640-6733 Fred W. Rauskolb Kai Berger, Christian Lipski et al. An Autonomously Driving Vehicle for Urban Environments. Journal of Field Ro

10、botics DOI 10.1002/rob: 674-7244 Willemsen, P., Kearney, J. K., &Wang,H. (2003). Ribbon networks for modeling navigable paths of autonomous agents in virtual urban environments. In Proceedings of IEEE Virtual Reality 2003, Los Angeles, CA (pp. 79-86). IEEE.5 夏永峰. 无人驾驶电动车的底层控制系统设计与实现上海交通大学硕士学位论文，

11、上海：2007.6 刘子龙. 基于反馈线性化的无人驾驶车辆横向位置跟踪控制。系统工程与电子技，2009，31（1）：165-1697刘子龙. 无人驾驶车辆横向位置跟踪控制.机械与电子，2009，20( 3)：5-92、 拟解决的主要科学与技术问题及研究内容的先进性、创造性及前沿性的创新之处；拟解决的科学与技术问题有以下4个：（1）通过理论分析和仿真计算，寻找智能汽车各控制子系统之间的联系、影响和制约关系，建立起可用于不同工况下的车辆动力学控制模型。（2）根据目标路径、动力学行为和传感器信息（即协调控制器协调层的信息和控制策略），设计各可控子系统的控制器和协调控制器。各子控制器应具有相对的独立性

12、，设计时主要考虑各自的性能指标。协调控制器的设计应体现协调控制策略和路径跟踪指标（即满足一定的误差范围），并具有一定的鲁棒性。鲁棒控制策略能够有效处理汽车模型的不准确、非线性以及测量信号的误差，提高系统的抗干扰能力。（3）设计基于CAN2.0B总线协议的智能车辆通讯模块：采用CAN2.0及CAN OPEN总线协议构造车辆控制器系统网络以实现各电子控制单元之间的信息共享与协调控制；（4）将车辆控制系统集成为一个嵌入式系统，采用半物理仿真和实物实验两种途径对控制系统的性能进行实验验证。先进性、创造性及前沿性的创新之处：将车辆控制系统集成为一个嵌入式系统，采用CAN通讯网络实现各电子控制单元之间的信

13、息共享与协调控制，对于减少系统信息的传输时间、提高运算效率、减小误差和时滞具有十分重要的意义。3、 国家战略需求分析（经济发展、社会进步和国家安全方面的市场需求分析）。智能车辆控制技术的实现和运用，对于验证机器感知和人工智能理论、方法与技术具有十分重要的意义，尤其是在非结构、动态变化环境中。智能车辆不仅在军事、探险和救援等危险、恶劣环境下具有广阔的应用前景，同时智能车辆所涉及到的各种汽车传感器、环境感知系统、行驶安全预警、辅助驾驶智能决策、轨迹跟踪控制等关键技术对于提高有人驾驶汽车的智能化程度和行驶安全性具有重要意义。因此，开展智能车辆的控制系统的研究，对实现各种车辆的智能驾驶、智能跟踪具有基

14、础性、前瞻性、战略性的意义二、项目目标及预期成果1、 研究目标，包括总目标、阶段进展目标及主要考核指标；建立模块化的车辆控制系统，包括轨迹插补模块、车辆控制模型模块、纵向跟踪模块、侧向跟踪模块、CAN总线通信模块，并集成为一个嵌入式系统，实现对期望路径的高速高精度跟踪控制，满足车辆运动的安全性、舒适性与高效率的要求。（1）2010.01-2010.06，完成纵向跟踪模块与侧向跟踪模块的软件设计与硬件仿真调试；完成协调控制和子控制器的设计。（2）201007-2010.12，完成智能车辆控制系统的联合调试，控制参数的优化，使智能车辆控制系统能够达到比赛的要求。（3）2011.01-1011.06

15、完成CAN总线模块的软件设计与硬件仿真，并进行整个控制系统的联调与测试；（4）2011.07-2011.12在智能车上进行控制系统的性能测试与功能完善；完成系统可靠性高、可维护性好、控制结构模块化、易于扩展数据交换迅速、安全的智能车辆CAN通讯体系。2、 预期成果与水平（包括SCI论文及发明专利等）；（1）完成基于嵌入式系统的智能车辆控制系统样机；总体要求如下：系统可靠性高、可维护性好；控制结构模块化、易于扩展；数据交换迅速、安全；信息指示明确可视，故障诊断应易于快速诊断。（2）在EI或SCI刊物发表论文24篇； 三、主要研究内容及研究方案1、 主要研究内容；（1）分析各子系统的相互影响和制约

16、关系各子系统间：如图1所示，油门控制和转向控制对弯道行驶跟踪路径的影响；油门控制、转向控制和制动控制对转弯加减速稳定性以及紧急回避性能的影响；油门控制和转向控制对高速直线行驶稳定性的影响（结合ESP 进行研究）；制动控制和油门控制对制动稳定性的影响； 其它如喇叭、转向灯、点火开关等与转向、制动、油门控制子系统之间存在相制约关系的影响。各子系统内：转向系统中传动比、机械结构、转向系统固有参数等结构参数和控制器参数的相互影响和制约，制动系统中制动器电机传动比、改造后的制动总成等参数和控制器参数的相互影响和制约，车速控制中油门开度与控制电压的对应关系等。通过详尽分析其相互影响和耦合的机理，综合协调，

17、充分发挥各可控子系统的特点，以满足汽车在各种行驶条件下的路径跟踪的精确性和车辆的安全性等要求。图1 智能车辆的控制系统与车辆性能的对应关系（2）建立系统的动力学模型通过分析轮胎与路面的相互作用关系建立起多种工况下纵向和侧向动力学模型，以分析车辆在不同工况下行驶的安全性和操纵稳定性；通过车辆本身的固有参数和输入参数，建立起车辆在不同工况下行驶的运动学模型。（3）设计各子系统控制器和协调控制器根据目标路径、动力学行为和传感器信息（即协调控制器协调层的信息和控制策略），设计各可控子系统的控制器和协调控制器。各子控制器应具有相对的独立性，设计时主要考虑各自的性能指标。协调控制器的设计应体现协调控制策略

18、和路径跟踪指标（即满足一定的误差范围），并具有一定的鲁棒性。鲁棒控制策略能够有效处理汽车模型的不准确、非线性以及测量信号的误差，提高系统的抗干扰能力。（4）建立车辆控制模型：从实时仿真与控制的角度出发，针对车辆的结构特性，通过建立车辆的运动学模型，将期望路径的输入转换为转速轨迹与转角轨迹的输出。（5）设计自动驾驶的轨迹跟踪算法，包括具有直线/圆弧/正弦曲线插补功能的轨迹插补方法、基于限制积分饱和PID控制的纵向跟踪控制方法、基于限制积分饱和PID控制的侧向跟踪控制方法；（6）设计基于CAN2.0B总线协议的智能车辆通讯模块：采用CAN2.0及CAN OPEN总线协议构造车辆控制器系统网络以实现

19、各电子控制单元之间的信息共享与协调控制；（7）将车辆控制系统集成为一个嵌入式系统，采用半物理仿真和实物实验两种途径对控制系统的性能进行实验验证。2、 总体研究方案和技术途径；（1）总体研究方案。项目拟采用模块化构造的研究方案，分为五个部分：轨迹插补模块、车辆控制模型模块、纵向跟踪模块、侧向跟踪模块、CAN总线模块。车辆控制系统的模块图如图2所示，车辆控制系统的输入为上层路径规划模块产生的期望路径点序列、车载传感器系统获取的车辆当前位姿、当前速度与当前转角，通过对期望路径点序列进行轨迹插补得到精细的运动轨迹，再通过车辆控制模型转换为纵向速度曲线与转角曲线，输出给纵向跟踪模块与侧向跟踪模块控制，最

20、后分别输出油门指令、方向指令、刹车指令给车上的发动机控制系统（通过ECU控制）、电动转向控制系统与刹车控制系统。图2 车辆控制系统原理图（2）技术途径l 轨迹插补模块采用直线插补与圆弧插补的方法对期望路径进行精细插补得到期望轨迹，同时控制插补误差在允许的范围内，并根据车体动力学参数约束，通过合理的加减速控制，限制轨迹过程中的最大侧向加速度。其中，直线插补采用时间分割法与DDA法混合实现的插补方法，是在数字积分法的基础上采用时间分割的原理，对数字积分法中的累加过程按照进给速度的要求采用可控的插补周期进行时间分割，通过控制插补周期以实现每一步的实际进给速度与期望进给速度相一致，从而保持进给速度的平

21、滑性，同时满足插补误差的限制要求。圆弧插补是采用了基于NURBS形式描述的圆弧插补方法。圆弧的NURBS形式描述有多种方式，这里选用了采用控制顶点为5个，节点矢量为0,0,0,1/2,1/2,1,1,1的二次NURBS表示，其特点是对于0，180的圆弧，参数化特性较好，同时插补点位置计算公式较简单。NURBS的优点在于可以采用低阶有理多项式的形式准确表征圆弧，缺点是参数化特性不如弧度表示好。为精确地计算圆弧插补的补偿，这里根据Taylor公式与复合求导公式可以得到参数增量与步长的对应关系，从而可以实现平滑加减速的精确的圆弧插补。l 车辆控制模型模块通过车辆的几何结构特性，根据车载传感器系统输入

22、的当前位置（包括位置坐标与方向角）、当前速度、当前转角，建立车辆的控制模型，将轨迹插补模块输出的期望轨迹转换为纵向速度曲线与转角曲线。 本项目所用智能车是属于后轮驱动、前轮转向类型，在不考虑轮胎侧滑等因素时，采用如图3所示的运动学模型来分析其平面运动情况，其运动学模型可描述为： （1）其中，为前轮的转向角，为车身与X轴的夹角，为小车前轮与后轮的轴间距，为参考点到车身后轴中心的距离，为前轴中心点的速度，为后轴中心点的速度。图3 车辆运动学模型若选后轴中心点为参考点，将代入（1）式，则可得到经过简化的运动学模型： （2）由（2）式可见，车辆的位置和姿态完全由后轴中心点速度（即纵向速度）与前轮的转角

23、确定，只要控制与，即可确定车辆的运动轨迹。因此，在确定了车辆的期望跟踪轨迹后，就可以根据由（2）式推导得到的（3）式，求得与其一一对应的纵向速度曲线与转角曲线。 (3)l 纵向跟踪模块根据输入的纵向速度曲线与反馈的当前后轮速度，采用基于限制积分饱和PID控制来控制油门或刹车的输出，并根据加减速状态的转变来进行油门与刹车的切换。l 侧向跟踪模块根据输入的转角曲线与反馈的当前转角，采用基于限制积分饱和PID控制来控制转角的输出，并根据侧向加速度的限制来限制油门的输出，以提高车辆运动的舒适性与安全性。l 系统硬件设计考虑到车载实验时，运行环境较恶劣，同时为了在较低的成本下获得较快的运算速度和扩展能力

24、，本项目将采用一台嵌入式（PLC）来组建车辆控制系统，如图4所示，该系统硬件上具有如下功能：u 具有多路信号采集控制卡，可以采集各种数字信号和模拟信号。u 具有多路信号输出，可以实现模拟量、数字量的输出功能。u 采用DSP作为实时控制的运算核心，完成对车辆上的油门、刹车、方向盘等执行机构的闭环控制。u 采用一块CAN2.0及CAN OPEN协议 以构建CAN网络 图4 车辆控制系统硬件结构图由上图可以看出，系统构建在CAN网络上。主控制器具有两个CAN口，一个为CAN OPEN接口，可连接触摸屏和位置传感器；另一个为CAN 2.0接口，可连接具有J1939接口的发动机、变速箱和手柄。此外，主控

25、制器还具有多个DI、DO、AI、AO、PWM等输入输出口，用来完成各种控制和检测任务。四、创新点及可行性分析1、 创新点；（1）建立适合于智能车辆的动力学控制模型，将控制系统分成两层，驾驶员看作控制环中的一个单元，起协调作用。这种分层式协调控制有利于发挥多个子系统的功能，同时也有利于和决策层的连接。(2)以驾驶员模型为核心，将优秀驾驶员的智能行为转化到智能车中，以增加车辆在复杂工况下的智能性。（3）采用CAN通讯网络将车辆控制系统集成为一个嵌入式系统，实现各电子控制单元之间的信息共享与协调控制，采用半物理仿真和实物实验两种途径对控制系统的性能进行实验验证。2、 可行性分析。本项目组成员长期从事

26、运动控制领域的研究，从91年至今承担了大量国家、地方及企业委托项目如国家“七五”、“八五”攻关项目：“通用实时图像分析系统”和“遥感图像处理系统”；863机器人和智能计算机课题：“场分立体显示”、“图形图像融合技术”、“危险品弹药遥操作挖掘搬运机器人”；企业委托项目有：“芜湖奇瑞混合动力车研制”、“上海INTL公司图像实时压缩”、“淮南电子部8所-视频线径检测”、安徽省科技馆“导览机器人”项目，数控雕刻机研制项目，大功率他励电机控制器研制项目，无位置传感器的大功率永磁无刷直流电机控制器研制等，具有丰富的运动控制经验。五、研究基础和条件1、 已有的工作基础和承担相关项目取得的成绩；本项目组成员长

27、期从事运动控制领域的研究，从91年至今承担了大量国家、地方及企业委托项目如国家“七五”、“八五”攻关项目：“通用实时图像分析系统”和“遥感图像处理系统”；863机器人和智能计算机课题：“场分立体显示”、“图形图像融合技术”、“危险品弹药遥操作挖掘搬运机器人”；企业委托项目有：“芜湖奇瑞混合动力车研制”、“上海INTL公司图像实时压缩”、“淮南电子部8所-视频线径检测”、安徽省科技馆“导览机器人”项目，数控雕刻机研制项目，大功率他励电机控制器研制项目，无位置传感器的大功率永磁无刷直流电机控制器研制等，具有丰富的运动控制经验。2、 争取国家任务和其他渠道经费的可能性及落实情况； 从国家计划、企业、

28、地方、国际合作、研究所自有资金等渠道获得资源的集成方案。争取申请国家或省基金，不断与企业联系，争取能够得到企业的支持。3、 研究队伍状况；研究队伍中，有高级职称1人，中级职称3人，硕士生2人。中国科学院合肥智能所系统整合了本单位在车辆技术方面的工作基础和在检测技术、智能技术和控制技术领域的优势，成立了智能车辆技术中心。中心已聚集了一批汽车、电子、控制和力学分析等领域、专业从事智能车辆减少研究的青年科研人员，本课题主要申请人员有丰富的相关工作经验，项目组拥有软件、硬件及运动学和动力学仿真等项目所需的专业技术人员，人员配备合理，能够满足项目研究的要求。4、 实施研究方案已具备的条件，尚欠缺的研究条

29、件和拟解决的途径及落实情况； 六、经费预算科目申请经费备注（计算依据与说明）一、研究经费151，科研业务费3.0 （1）测试/计算/分析费（2）能源/动力费（3）会议费/差旅费（4）出版物/文献/信息传播费（5）其他2，试验材料费4.0 （1）原料费/试剂/药品购置费（2）其他3，仪器设备费6.0（1）购置数据采集卡、嵌入式工控机、交流电机驱动、电流传感器等（2）试制4，实验室改装费2.05，协作费二、国际合作与交流费1，项目组成员出国合作交流2，境外专家来华合作交流三、劳务费3.0 四、管理费2.0合计七、项目申请人简况1、 主要研究工作简历，近期发表的与项目有关的主要论著目录、科研获奖及发

30、明专利情况；钱玮：男，1966年生 ，研究员。 博士 。自1991年起一直在中科院合肥智能机械研究所工作，本人长期从事智能控制与自动化系统的研发工作，在国家 “十五”“十一五”计划期间，多次主持、参与国家“863”计划、中科院、安徽省重大项目。在工作中积累了丰富的专业实践经验，取得了多项研究成果，具有较强的科技创新意识。研究领域：运动控制、物流自动化、电动车辆及相关设备研发工作主持与参与的国家重点项目有： 1、危险品弹药遥操作搬运机器人（机器人863） 2、电动汽车多能源控制系统（电动汽车863） 3、电动汽车网络协议（电动汽车863） 。4、烟草行业CIMS工程关键技术研究（自动化领域863计划）, 5、基于CAN的电动车辆控制系统（科技部创新基金）6、电动叉车控制器产业化（省计委创新基金）， 7、电动运输车辆控制系统及关键部件产业化（国家火炬计划项目） 主持的院地合作