无人驾驶车辆自动转向控制探究

黄琦　黄珊　杨雷

摘 要：现阶段，随着交通安全问题日益严重，人们对于智能车辆技术的重视度越来越高。虽然目前拥有ESP、ABS等主动安全技术，能够实现车辆驾驶安全性的提升，但是还没有真正改变以往的驾驶模式，无法从根本上杜绝安全隐患。所以，本文将重点放置在无人驾驶车辆自动转向控制的层次上，希望对于无人驾驶技术有深入的了解。

关键词：无人驾驶;自动转向;控制

对于当前无人自动驾驶控制而言，自动转向是其关键技术，所以，研究无人驾驶车辆自动转向控制技术，对于后续的研究具有重要的现实意义。

1 自动转向系统概述

1.1 结构组成

针对汽车自动转向机构与控制系统的实际应用，主要是基于整车模型以及减速机构、转向轴、双行星齿轮等构成的，其自动转向结构具体见下图1所示。

1.2 结构与原理

自动转向系统对于汽车转向动力的控制主要依赖电机，电机的输出力矩能够通过减速增距向前轮驱动转移，充分满足转向要求，从而取代人的控制。与其实际的结构相互结合分析，具体见图2所示。

2 无人驾驶车辆自动转向系统的分析

2.1 交叉路口的仿真模拟

在对无人驾驶汽车的自动转向控制系统进行检验、分析时，可以通过Matlab实现仿真模拟与控制。其跑道设置主要依靠直道及三个大曲率转弯，车辆从A点出发，在经过110°、70°、90°差异化转向之后最终达到终点，通过车辆模型的调整及控制，有针对性地对方向盘进行控制，实现速度和转动角度的调整。方向盘最大的速度调整值是360°/s。针对前轮转角应将其控制在±40°以内，针对方向盘调整转角的范围应不超过±540°。对于这一个跑道，基于不同速度进行仿真处理，然后记录下运动轨迹[1]。基于实际情况分析，以不同速度加以模拟，在不同速度下，基本上自动转向控制系统都可以实现准确的转向，这样也可以满足预期的归集运动与控制要求[2]。

2.2 实车实验及结果对比

2.2.1 实验平台搭建

在完成无人驾驶汽车的自动转向控制系统设计之后，通过Matlab就能对其进行有效性检验。借助仿真模型也能对其实际运动状态进行检验，不过要以其可用性为基础才能验证。此次研究主要针对大众帕沙特，测试时A车选择常规控制器，B车选择自动换向控制系统。A车选择固定的路线进行自动转向、行驶，而B车要根据算法优化以及自动控制精度进行，从而实施仿真模拟，然后进行两者的相互比较[3]。在搭建实验平台时要以系统总线、主控制器以及道路环境等为基础进行。

2.2.2 实验控制系统

在对无人驾驶车辆进行横向控制时，控制其垂直运动方向就能让汽车转向。其目的在于针对无人驾驶车辆要注意自动保持行车的期望路线，加强控制，并且能够在风阻、车速、路况等存在差异的情况下也能够保持稳定性和舒适性。针对无人驾驶车辆的横向控制，其主要包含：第一，基于驾驶人员模拟的转向控制设计。第二，基于汽车横向运动力学模型来调整横向控制。在实际应用環节，还需要控制运动方式和动力变化控制等角度，对算法处理及应用实现控制，从而有效控制数据信息，同时实现转向控制。此次应用自动转向控制系统时以路线的规划、设计、调整等为基础，根据车辆的状态测量以及转向控制等实施检验，其控制见图4所示。

在具体的试验之中，电源连接端点位δr，d1、d2，基于转向控制算法应用的角度去分析，就可以掌握车辆自动转动控制与数据通信，并且促进数据通信、数据测量等检验与分析的实现。控制系统的其他组成部分主要在主控制计算机里运行，两者通过UDP广播完成数据通信，转向主控计算机和执行机构、车辆系统则要通过CAN总线完成数据通信。在分析和检验的过程中，利用完善的通信控制状态就能编写针对性的控制算法，也就可以满足对车辆的检验与控制[4]。

2.2.3 实验结果对比分析

针对控制效果的实际分析，选择直路和直角转弯等路线，对无人驾驶车辆在各个路段的转向机运行状态进行检验，了解期望路径和实际转向路线的区别。

对于初步测试而言，自动转向控制B车的行驶比较稳定，和期望轨迹的差异也处于可以控制的范围，尽管和仿真结果还有一定的偏差，不过基本能保证行车安全。对于实车试验而言，遇到弯道高速行驶的情况，面朝内车道进行换道行驶时，车辆受到离心力作用的影响，容易出现在两车道之间，然而不能成功向内车道并入。因此，在识别换道状态以后，车辆始终不能换道，需要主动补偿方向盘转角，直到车辆换道的实现。利用试验验证，发现该算法能够满足高速急弯行驶要求，保证车辆安全实现向内换道。

在经过后续的蛇形工况与双移线工况的运行结果分析之后，基于质心侧偏角、转角、横摆角度作为对应的指标，在转向精度提高的同时，就可以提升车辆的侧向稳定性，最终满足自动转向控制准确性的提升。

通过对比分析，以实验安全性及相应的路径选择为基础展开分析，在实验道路上多次实验，由于无法模拟高速公路的真实场景，因而在检验过程中对于道路的选择见图4所示。

通过试验车运行路线的分析，B车能够实现稳定行驶，而A车在转角位置上出现了便宜。所以，安全就是无人驾驶车辆是否成功的关键所在，目前，对于常见的避障传感器，其主要包含了微波雷达、激光雷达、超声传感器等，这就说明本次研究的自动转向控制系统是可用的，并且也具有一定的效果。

3 结语

总而言之，基于无人驾驶车辆自动转向控制作为研究中心，基于可靠性和精准度作为核心目标，通过各个方面的研究分析与仿真，这样就可以建立对应的仿真模型，从而通过仿真模拟来实现对比分析处理，这样就可以对其实际应用效果加以检验，最终满足自动转向控制要求，更好的服务后续的研究。

（通讯作者：杨雷）

参考文献：

[1]王岁红.浅谈基于线控转向系统的无人驾驶技术发展[J].科技经济导刊，2019（19）：21.

[2]朱林峰，杨家富，施杨洋，方朋朋.无人驾驶车辆横向控制策略研究进展[J].世界科技研究与发展，2018（05）：506-518.

[3]何文锋.一种无人驾驶汽车差动转向路径跟踪控制器研究[J].舰船电子工程，2018（10）：65-68.

[4]赵卓，薛世海，高纯友，张文康，李涛，张锐.全自动无人驾驶列车转向架的研制[J].城市轨道交通研究，2018（05）：161-166.