基于载波相位差分技术的特定区域自动驾驶观光车系统设计

舒望

（湖南汽车工程职业学院，湖南株洲，412001）

0 引言

近年来，各汽车研发和生产企业纷纷涉足自动驾驶领域，研发出已实现量产的拥有自动驾驶功能的汽车，例如，美国的特斯拉汽车已经能够在高速和城市特定道路上实现部分自动驾驶功能。根据美国高速公路安全管理局(NHTSA)和美国机动车工程师学会（SAE）的定义，特斯拉汽车的自动驾驶属于L3等级。虽然特斯拉公司已量产了具有自动驾驶功能的车辆，但是其自动驾驶技术并不是十分成熟。因为据新闻报道，其自动驾驶汽车曾在高速行驶过程中出现过几起比较大的交通安全事故，这说明其自动驾驶的控制系统和算法还需不断的优化和升级。国内也有很多企业从事自动驾驶技术的研究，如阿波罗智能技术(北京)有限公司与中国第一汽车集团有限公司共同打造了国内首款达到L4级别的自动驾驶乘用车红旗E·界，该车能够在高速和城市道路实现有条件的自动驾驶。

近年来，国家和地方纷纷出台相关政策鼓励和刺激自动驾驶汽车市场，例如，工业和信息化部、交通运输部等部委大力支持推进国家智能网联汽车应用（北方）示范区、国家智能汽车与智慧交通（京冀）示范区、浙江5G车联网应用示范区等10多个国家级测试示范区的建设，北京、上海、天津、广州、深圳、长沙等市均开放自动驾驶测试道路。由此看来，自动驾驶汽车的市场前景将十分广阔。在现有的技术路线和法律法规下，要实现自动驾驶汽车上路行驶还有一定的难度，但可以在一些特定的场合开展自动驾驶运营，如旅游园区、校园、厂区等对汽车的行驶速度要求不高，可以在这些场所中行驶路线固定的地方配置具有自动驾驶功能的汽车，这对推进自动驾驶技术的研究具有非常重要的意义。因此，现阶段研究和量产一种能够在特定区域行驶、对行驶速度要求不太高、具有完全自动驾驶功能的汽车，具有非常大的理论研究价值和市场应用价值。

1 观光车整车及电气系统结构分析

本文选用绿友机械集团股份有限公司制造的一台8座观光车（型号为GVG6/48AC）作为载体，对其进行自动驾驶功能改造与升级。观光车采用后轮双三相异步交流电机驱动，转向方式为前轮机械液压转向，制动方式为液压后轮鼓刹，档位控制为机械船型开关换挡控制，观光车电气系统基本结构如图1所示。从图1可以看出，观光车的电气系统结构比较简单，车辆驱动速度控制由油门踏板实现，车辆的行驶方向由档位开关实现，车辆的制动和转向为机械系统部件。

图1 观光车电气控制系统结构简图

2 观光车自动驾驶定位及控制系统工作原理

观光车自动驾驶定位及控制系统由决策与控制模块、障碍物检测模块、卫星导航模块、底盘控制模块等组成，系统控制模型图如图2所示。

图2 观光车自动驾驶定位及控制系统控制模型图

其中，障碍物检测模块主要由激光雷达和毫米波雷达传感器组成，可以对车辆前方和周边的环境、障碍物进行检测，然后利用上位机的障碍物检测模块进行计算和处理，得到相应的障碍物信息，从而为决策与控制模块提供车辆控制决策依据；卫星导航模块可以实现对车辆的高精度定位；底盘控制模块的功能是对车辆底盘进行控制[1]。

观光车自动驾驶定位及控制系统的工作原理是：首先，在启动自动驾驶功能前，预先设定车辆行驶轨迹及行驶速度，将轨迹和速度信息传递给决策与控制模块，启动自动驾驶功能；其次决策与控制模块向底盘控制模块发送车辆控制目标值，由底盘控制模块对车辆实现横向和纵向控制，包括转向、制动、档位、油门等；然后利用障碍物检测模块中的毫米波雷达对远距离的障碍物进行探测，激光雷达对近距离的障碍物进行精确探测，由两者配合实时采集车辆前方的状况，并反馈给决策与控制模块提供决策依据；同时卫星导航模块对车辆的行驶位置和速度信息进行采集，并反馈给决策与控制模块提供决策依据；最后决策与控制模块通过对比行驶轨迹和车速的反馈值、设定值，实时调整传给底盘控制模块的控制量，再由控制车辆的相关执行机构改变车辆的行驶轨迹和速度，从而实现车辆的闭环自动驾驶控制。

3 观光车自动驾驶定位及控制系统实现

根据观光车电气系统结构和自动驾驶定位及控制系统控制模型，本文设计出观光车自动驾驶定位及控制系统结构，如图3所示。

图3 观光车自动驾驶定位及控制系统结构

观光车自动驾驶定位及控制系统由上位机、车载差分定位移动站、激光雷达、电源/数据转换器、以太网-CAN转换器、毫米波雷达、底盘嵌入式控制板等组成。其中，车载差分定位移动站包括卫星定位定向接收机、无线电台天线、GPS主天线、GPS辅天线等设备[2]；以太网-CAN转换器通过CAN总线外接车辆的电动转向器，在原有转向机构的基础上增加一个线控转向机，在上位机的控制下对车辆的转向进行控制；底盘嵌入式控制板分别连接观光车的档位开关、油门位置传感器、刹车系统，并在上位机的控制下对这3个部分进行控制，另外，刹车系统的控制采用推杆电机直接推动制动踏板的方式实现。

该系统各部件之间的连接关系和功能为：

1）GPS主天线、GPS辅天线、无线电台天线都与卫星定位定向接收机相连，与差分定位基准站配合实现车辆的高精度定位；

2）卫星定位定向接收机通过串行通信接口（RS232）与上位机进行通信，将车辆的精确位置信息发送给上位机，以实现车辆的轨迹规划和行走路线控制；

3）电源/数据转换器为激光雷达提供工作电源，同时将激光雷达检测到的障碍物信息通过以太网接口（RJ45）发送给上位机的LAN2端口，用以实现障碍物的检测，在自动驾驶中实现障碍物的检测与避障功能；

4）以太网-CAN转换器实现以太网和CAN总线通信协议的转换，毫米波雷达通过CAN总线与以太网-CAN转换器相连，并将检测到的障碍物信息通过以太网-CAN转换器发送给上位机，在车辆进入自动驾驶模式时为上位机的车辆控制提供决策依据。

4 高精卫星差分定位系统

目前，北斗卫星导航系统和GPS卫星定位系统能实现的定位精度是10m，若在自动驾驶中采用这两种定位系统进行车辆定位则无法满足定位精度要求，通常采用差分定位技术，而差分可分为位置差分、伪距差分、相位差分。常见的差分定位系统基准站和车载差分定位移动站之间误差值的传输可通过多种方式实现，本文选用运行成本较低的无线电台的方式，高精度卫星差分定位系统结构如图4所示[3]。

高精度卫星差分定位系统由卫星、差分定位基准站、车载差分定位移动站组成。其中，差分定位基准站包括电台发射天线、卫星接收机（型号为XW-GNSS1061）、无线电台(型号为HX-U202)、卫星接收天线，基准站安装在车辆行驶区域内最高的空旷位置；车载差分定位移动站包括卫星定位定向接收机(型号为XW-SC3663)、卫星接收天线、电台接收天线。

高精度卫星差分定位系统的工作原理是：首先，在基准站内安置1台卫星接收机，对卫星进行连续观测，并通过无线电台和电台发射天线实时地将载波相位的修正量传送给车载差分定位移动站；然后，车载差分定位移动站在接收卫星信号的同时，通过电台接收天线接收基准站的差分定位信息，根据相对定位原理实时处理数据，并以厘米级精度给出车载差分定位移动站的三维坐标，再通过串行通信接口发送给车载自动驾驶定位及控制系统中的上位机[4-6]。

5 实车试验及应用效果

根据上述方案选用相应的设备，笔者团队对观光车的驱动、转向、制动系统进行相应的线性化控制改造，对车辆自动驾驶定位及控制系统进行通信调试和数据测试，确保系统运行稳定，并且完成在测试道路上对车辆进行闭环行驶、障碍物检测、地图录制等相关测试。改造后的观光车自动驾驶定位及控制系统如图5所示。

图5 改造后的观光车及自动驾驶定位与控制系统

通过实际道路测试，可以得出以下结论：

1）观光车自动驾驶定位及控制系统能在安全员的控制下进行人工和自动驾驶模式的便捷切换，系统对车辆转向控制较平稳，误差在±1。以内；

2）轨迹规划系统能根据预先采集的地图进行行驶轨迹规划，控制车辆在设定轨迹上的行驶误差在10cm以内；

3）搭载的激光雷达和毫米波雷达不仅能准确地识别车辆前方的障碍物，还可以在下雨、浓雾等较恶劣的天气下，精准地控制车辆识别障碍物，并在障碍物前方1m的范围内停下来。

6 结语

当前，自动驾驶技术十分火热，因受限于道路交通环境复杂、法规限制等因素，故实现开放道路乘用车的自动驾驶还需较长的一段时间。但在特定场景下的自动驾驶却具有先天的实施优势，在具有道路相对封闭、路线固定、交通环境单一等特点的特定区域内行驶的车辆为自动驾驶技术的实现提供了载体。

本文以特定区域内行驶的观光车为载体，采用载波相位差分定位方式，对观光车进行自动驾驶功能改造，试验结果表明：改造后的观光车通过预设行驶路线，可以在固定的线路上实现自动驾驶，同时通过车辆自带的激光雷达等传感器也可实现对障碍物的检测与停障功能。但是，观光车自动驾驶定位及控制系统在转向控制中还存在转向抖动、平滑度不够等问题，系统虽然具备了障碍物的检测和停障功能，但还不具备障碍物避让功能，笔者团队后续将针对系统的转向和避障功能进行优化和改进。