用于汽车耐久测试的自动驾驶系统及测试方法与流程

本发明涉及一种自动驾驶系统，具体涉及一种用于汽车耐久测试的自动驾驶系统及测试方法。

背景技术：

近年来，随着车辆技术的发展，汽车走进千家万户，给人们带来便利的同时，各种因车辆带来的复杂问题也不断升级。在人工智能兴起的大的环境下，各种关于车辆的无人驾驶、智能测试也层出不穷。在汽车测试产业和研究中对车辆的试验包括对车辆的操稳性试验、耐久性测试、转向回正试验、碰撞试验等均是对车辆行驶安全性的一种测试。在测试阶段需借助外置控制系统来达到维护安全的目的并可以针对某一功能进行线控测试。目前有专利cn201110247651公开了一种自动驾驶机器人，其包括躯体部分、视觉信号采集部分、方向盘控制部分、换挡部分以及驱动腿部分。专利cn201410392104公开了一种用于汽车试验的高性能自主驾驶机器人，其包括一具有预设编译程序的控制模块、一系列传感元件、一驱动模块。但以上发明均无独立应急措施，在行驶过程中安全系数低，测试阶段如遇紧急情况无法使测试人员紧急接管。在车辆加油、维护维修等非测试场景需频繁拆卸机器人，再转人工驾驶，无法体现无人驾驶所带来的绝对优势。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种用于汽车耐久测试的自动驾驶系统及测试方法，以方便调试人员在测试阶段对车辆进行功能测试，使测试更加安全、便捷。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种用于汽车耐久测试的自动驾驶系统，包括：环境感知单元、控制单元、执行单元以及固定所述执行单元于车辆内部的固定装置；

所述环境感知单元包括一系列外部传感元件，通过采集外部信息数据并转换为反馈信号传递给控制单元；

所述控制单元包括系统控制器和急停控制箱，所述系统控制器根据环境感知单元的反馈信号下发控制指令，对车辆进行纵向与横向控制，所述急停控制箱根据系统控制器下发的紧急制动指令对行进中的车辆进行紧急制动控制；

所述执行单元包括含有驱动电机的油门机构、制动机构、紧急制动机构、转向机构和换挡机构，在电机的驱动下，根据控制单元下发任务文件指令执行踩踏油门踏板、制动踏板、紧急制动踏板、转向与换挡一系列动作。

进一步的，所述外部传感元件包括激光雷达、毫米波雷达、gps模块和视觉模块，用于对行人、车辆和可行驶区域进行目标识别与路径定位。

进一步的，所述系统控制器分别与环境感知单元和执行单元连接，根据环境感知单元的反馈信号下发任务文件指令，以控制执行单元动作并检验执行动作是否达到任务文件的要求。

进一步的，所述系统控制器具有可编辑功能，通过编辑动作执行程序控制驱动电机输出相应的转角和转速，使执行机构达到任务文件要求的行驶速度、加速度、转向角度及行驶方向。

进一步的，所述急停控制箱分别与系统控制器和执行单元连接，根据系统控制器输出控制指令或通过远程遥控驱动紧急制动机构动作，使车辆在紧急状况下执行紧急制动。

进一步的，所述对车辆进行纵向控制包括对车辆的行驶速度、制动进行控制，通过控制单元输出控制指令控制油门机构、制动机构动作，以实现车辆行驶与制动。

进一步的，所述对车辆进行横向控制包括对车辆的行驶方向和转向角度进行控制，通过控制单元输出控制指令控制转向机构动作，以实现车辆转向。

进一步的，所述换挡机构包括锁止按键驱动装置、换挡驱动装置以及换挡控制器，通过控制单元下发指令控制锁止按键驱动装置和换挡驱动装置动作实现档位切换，或通过人工切换换挡控制器上的档位按钮实现档位切换。

进一步的，所述自动驾驶系统还包括安装于副驾驶的示教器，所述示教器用于显示车辆当前行驶速度、加速度以及横向偏移量，且示教器的屏幕角度可调。

一种汽车耐久测试方法，包括：

固定基站，使其接通电源后保持信号稳定；

安装执行机构，连接传感元件和线束；

将执行机构初始化，对所述执行机构进行位置标定；

对车辆进行紧急制动测试；

下发任务文件，对车辆进行感知层测试、控制层测试和执行层测试。

进一步的，所述对车辆进行紧急制动测试具体包括：由控制单元对紧急制动机构发送控制指令，控制紧急制动机构踩踏制动踏板，通过记录车辆在不同车速下的制动距离，判断车辆在不同车速下的制动距离是否满足原设定距离。

进一步的，所述对车辆进行感知层测试包括对行人、车辆的目标识别与路径定位测试，其中目标识别包括行人、车辆的小目标识别、多目标识别，以及可行驶区域识别。

进一步的，所述对车辆进行控制层测试包括对车辆的纵向控制测试与横向控制测试。

进一步的，采用预瞄点轨迹跟随控制算法实现车辆的纵向控制，具体方法为：利用车辆的预瞄速度计算期望速度，以所述期望速度与实际速度的偏差作为控制输入量，通过增量式pid控制算法控制车辆的加减速度。

进一步的，采用预瞄点与车道类型的联合控制算法实现车辆的横向控制，具体方法为：利用预瞄点获取车辆的相对位置，通过与实际位置做差得到车辆的侧向位置偏差与航向角偏差，在直道上，将侧向位置偏差作为控制输入量，利用增量式pid控制算法对车辆进行横向控制，在弯道上，将侧向位置偏差与航向角偏差作为控制输入量，利用增量式pid控制算法对车辆进行横向控制。

进一步的，利用自动驾驶系统的控制单元对汽车的执行机构进行控制，实现车辆的执行层测试。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

与其他自动驾驶系统相比，本发明的自动驾驶系统具有独立的紧急制动装置，在遇到紧急情况时可以使测试人员紧急接管，方便无人驾驶以及各种汽车智能测试更安全的进行，该系统采用在车辆座椅导轨固定执行装置，安装方便，调节简易。所述自动驾驶系统外置于车辆内部，在车辆在外出加油、维修检查等非测试情况下使用时无需拆卸，避免了因重复拆卸机器人而产生的定位误差使得采集数据出现较大误差等现象。本发明提出的汽车耐久测试方法，分别对车辆进行紧急制动测试，感知层测试、控制层测试和执行层测试。在感知层测试方面，运用了深度学习与信息融合等技术，通过环境感知模块采集车辆的运行信息数据，为车辆的精准定位提供了保障，提升全路段定位可靠性。在控制层测试方面，采用基于轨迹跟随的横纵行控制算法，通过环境感知模块反馈信号对车辆行进速度和横向偏移量进行控制，使车辆能够精准停靠以及按照精准轨迹运行，特别的，在车辆横向控制过程中，考虑到车辆的位置偏差，引入了航向角偏差作为控制输入量，增加了车辆的横向控制精度，确保行车安全。在执行层测试方面，利用执行机构的转向装置和换挡装置对油门踏板、制动踏板以及方向盘进行控制达到对任务文件的执行。使得整体自动驾驶装置按照任务文件实现换挡、加速、制动、变道、转向等一系列驾驶活动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是用于汽车耐久测试的自动驾驶系统结构框图；

图2是汽车耐久测试方法流程图；

图3是车辆的纵向控制框图；

图4是车辆的横向控制框图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

第一优选方案：

为方便无人驾驶汽车更安全、便捷的进行测试，本发明提出一种适用于各种无人驾驶操纵场景的汽车耐久测试的自动驾驶系统。图1是自动驾驶系统的结构框图，如图1所示，所述自动驾驶系统由依次连接的环境感知单元、控制单元和执行单元三部分组成，所述环境感知单元包括激光雷达、毫米波雷达、gps模块和视觉模块等一系列外部传感元件，用于对行人、车辆和可行驶区域进行目标识别与路径定位。所述控制单元包括系统控制器和急停控制箱，其中系统控制器分别与环境感知单元和执行单元连接，根据环境感知单元的反馈信号下发任务文件指令，用以控制执行单元动作，实现车辆的纵向与横向控制，同时检验自动驾驶系统的执行情况是否达到任务文件的要求。所述急停控制箱分别与系统控制器和执行单元连接，根据系统控制器输出紧急制动指令或通过远程遥控驱动紧急制动机构动作，使行进中的车辆在紧急状况下紧急制动。所述执行单元包括含有驱动电机的油门机构、制动机构、紧急制动机构、转向机构和换挡机构，在电机的驱动下，根据控制单元下发任务文件指令执行踩踏油门踏板、制动踏板、紧急制动踏板、转向与换挡一系列动作。

具体的，所述激光雷达、毫米波雷达、gps模块和视觉模块等一系列外部传感元件可叠加使用，一方面可以提高控制精度，另一方面当某个传感元件出现问题，其他传感元件继续运行，不影响系统测试及车辆运行。在正常情况下，本发明使用gps模块进行路径采集与规划，当gps模块的信号微弱或消失的情况下，可使用gps惯性导航继续执行任务。

具体的，所述系统控制器具有可编辑功能，通过编辑动作执行程序控制驱动电机输出相应的转角和转速，使执行机构达到任务文件要求的行驶速度、加速度、转向角度及行驶方向。

具体的，所述对车辆进行纵向控制包括对车辆的行驶速度、制动进行控制，通过控制单元输出控制指令控制油门机构、制动机构动作，以实现车辆行驶与制动。所述对车辆进行横向控制包括对车辆的行驶方向和转向角度进行控制，通过控制单元输出控制指令控制转向机构动作，以实现车辆转向。

具体的，所述执行单元通过固定装置固定于车辆内部的驾驶室，根据控制单元下发的任务文件指令使驱动电机输出不同的转角及转速，用以执行转向、换挡、踩踏油门踏板、制动踏板与紧急制动踏板一系列动作，以达到不同的运动速度、加速度、转向角度及方向。

具体的，所述油门机构、制动机构和紧急制动机构用于控制车辆纵向运动，在动力源的驱动下，根据控制单元发出的指令分别对车辆的行驶速度、加速度、制动以及紧急制动进行控制，以达到任务文件要求的行驶状态。

具体的，所述转向机构用来控制车辆横向运动，在动力源的驱动下，根据控制单元发出的指令对车辆的行驶方向和转向角度进行控制。由于大部分车辆方向盘轮部的中心和转向管柱的中心并不同心，使车辆在转向过程中受力不均衡，本发明的转向机构具有调中功能，使自动驾驶系统在转向过程中稳定无波动，提高转向精度。

具体的，所述紧急制动机构具有独立的供电电源和控制器，在控制系统崩溃、机器人故障等紧急情况下，通过信号传输对行进中的车辆进行紧急制动，使车辆行驶安全性得到很大的改善。

具体的，所述换挡机构包括锁止按键驱动装置、换挡驱动装置以及换挡控制器，所述锁止按键驱动装置由舵机驱动，使输出角度精度高，控制准确，所述换挡驱动装置由伺服电动缸驱动，通过控制单元下发控制指令，控制舵机驱动锁止按键驱动装置按下换挡控制器上的锁止按键，并通过控制伺服电动缸驱动换挡驱动装置上的摇臂进行档位切换；在转人工驾驶时亦可通过切换换挡控制器的上的档位按钮实现档位切换。此外换挡机构的驱动电机具有电动调节功能，通过切换换挡控制器的控制按钮进行换挡操作。一方面可满足初次安装调试工作，一方面在通电状态下换挡可通过按钮进行驱动，便于人员接管工作。

具体的，所述自动驾驶系统还包括安装在副驾驶的示教器，所述示教器通过支架固定在固定装置上，示教器屏幕角度可调，坐在驾驶室的调试人员可根据自己的舒适度进行调节。所述示教器的界面显示车辆当前的行驶速度、加速度、横向偏移量等信息，便于前期调试人员实时监管，增加系统的安全性。

第二优选方案：

本发明提出的自动驾驶系统的实现方法如下所述，首先利用激光雷达、毫米波雷达、gps模块和视觉模块等外部传感元件采集外部信息，并将采集的外部信息转换为可输入的反馈信号传递给控制单元的系统控制器，所述系统控制器根据反馈信号下发任务文件，生成一组用于执行单元的动作执行程序，利用生成的动作执行程序控制驱动电机输出相应的力矩和转速，使执行机构按照任务文件要求的行驶速度、加速度、转向角度及行驶方向运行，同时将车辆行驶速度等数据反馈给系统控制器，通过与下发的任务文件进行比较执行新的动作执行程序，使自动驾驶系统实现换挡、加速、制动、变道、转向等一系列驾驶活动。

第三优选方案：

图2为本发明提出的一种汽车耐久测试方法，具体包括如下实施步骤：

步骤1：固定基站，使其接通电源后保持信号稳定；

将基站安放在无遮挡的位置，连通电源，检查信号是否稳定，待信号稳定后将其持续通电，保持信号稳定。

步骤2：安装执行机构，连接传感元件和线束；

利用固定装置将执行单元的油门机构、制动机构与紧急制动机构固定在车辆驾驶室的可滑动导轨上，将换挡机构固定在车辆副驾驶室的导轨上，将转向机构固定在方向盘轮部，将换挡机构的锁止按键驱动固定在换挡手柄上，将换挡机构的驱动部分固定在固定装置上，调节换挡机构的动力部分前后间距和高度，使动力部分与锁止按键驱动机构连接；安装示教器，并调节示教器的角度和高度，以便于调试人员在驾驶室操作与观察；最后外接外部传感元件，连接线束。

步骤3：将执行机构初始化，对所述执行机构进行位置标定；

接通电源，将各执行机构恢复初始位置，结合驱动电机转速，按标定百分比消除执行单元的油门机构、制动机构和紧急制动机构的安装空行程；将转向机构断电，使车辆沿直线行走一段距离，利用本省自回正的功能，将转向标定在零点位置，此时，给转向机构通电，当前位置即初始位置；将换挡机构通电手动换挡，在p-d-n-r状态下分别按下p-d-n-r按钮，进行标定。其中p-d-n-r按钮位于换挡机构的驱动机箱控制面板上，分别表示p档按键，d档按键，n档按键和r档按键，所述控制面板还包括向前调节按键、向后调节按键、启动按键、急停按键，通过上述按键驱动换挡机构，使后续调节、标定换挡机构更加简易、便捷。

步骤4：对车辆进行紧急制动测试，检测车辆的制动距离是否满足原设定距离；

由控制单元下发紧急制动控制指令，控制紧急制动机构的驱动电机转动，使紧急制动机构执行踩踏制动踏板动作，通过记录车辆在不同车速下的制动距离，检测车辆在不同车速下的制动距离是否满足原设定距离。

步骤5：下发任务文件，对车辆进行感知层测试、控制层测试和执行层测试，测试环境感知单元、控制单元和执行单元在车辆行驶过程中是否协调配合；

在步骤1-步骤4测试无误后进行场地测试，为了行车安全以及测试车辆运行的精准度，本发明在目标识别、轨迹提取、车辆纵向控制、车辆横向控制等方面采用融合技术，通过下发任务文件，分别对车辆的感知层、控制层和执行层进行测试，使得环境感知单元，控制单元和执行单元三个部分协调配合。

具体的，所述对车辆的感知层测试包括对行人、车辆的目标识别与路径定位测试。在目标识别方面，本发明分别对行人、车辆进行小目标识别、多目标识别，以及对车辆的可行驶区域进行识别。针对小目标识别，采用相机和毫米波雷达融合技术，通过计算车辆、行人目标分类概率实现小目标识别。针对多目标识别，本发明采用jpda算法(联合概率数据关联算法)，对多个行人、车辆等进行实时跟踪，从而实现多目标识别。针对可行驶区域识别，本发明提出了基于相机和激光雷达融合的可行驶区域识别技术，利用激光雷达点云数据和相机像素数据构建卷积神经网络cnn，根据构建的卷积神经网络对道路区域进行语义分割，通过对道路可行驶区域进行深度特征提取，最终确定车辆的可行驶区域。经过上述对行人、车辆的目标识别，为车辆的安全运行提供基本保障，对于车辆避障、变道等提供数据化依据。在路径定位方面，本发明测试基于gps和激光雷达融合的轨迹提取，以提升全路段定位可靠性，为了实现轨迹提取，本发明采用多层次gps和激光雷达增强融合算法对道路边缘进行分割，基于先验地图的增强定位，实现实际道路点云轨迹提取，保证车辆的精准定位，提升全路段定位可靠性。

具体的，在汽车耐久测试过程中为确保行车安全，使车辆精准停靠以及精准轨迹运行，除了对车辆进行高精度地图定位以及目标识别测试，还需对车辆的控制层进行测试，所述对车辆的控制层测试包括对车辆的纵向控制测试与横向控制测试。在车辆纵向、横向控制方面，本发明采用基于轨迹跟随的横纵控制方法，使车辆在汽车耐久测试过程中可以按精准轨迹运行以及精准停靠，以确保行车安全。针对车辆纵向控制，本发明采用预瞄点轨迹跟随控制算法实现车辆的纵向控制，其控制过程如图3所示，利用车辆的环境感知单元采集车辆运行的实际速度，并利用车辆的预瞄速度计算期望速度，以期望速度和实际速度的偏差作为控制输入量，通过增量式pid控制算法控制速度控制器，进而控制车辆的加减速数，通过控制单元控制执行单元执行踩踏油门踏板和制动踏板，实现车辆的纵向控制，其计算过程如下：

ik＝ki(e(k)+λe(k-1)+λ²e(k-2)+λ³e(k-3)+…)

＝ki(ek+λik-1)

δik＝ik-ik-1

epuk＝upk-u

式中，ik为第k周期的积分、ik-1为第k-1周期的积分，δik为积分增量，ki为积分系数，λ为权重因子，e(k)、ek、epuk均为车速偏差，upk为期望车速，u为实际车速。

针对车辆横向控制，本发明采用预瞄点与车道类型的联合控制算法实现车辆的横向控制，首先利用预瞄点搜索获取车辆相对位置，通过与实际位置做差得到车辆的侧向位置偏差与航向角偏差，在直道上，采用基于侧向偏差的方向控制方法，将车辆的侧向位置偏差作为控制输入量，利用增量式pid控制算法控制车辆的横向偏移量，实现车辆在直道上的横向控制。在弯道上，采用基于侧向位置偏差和偏航角的联合控制方法，其控制过程如图4所示，将车辆的侧向位置偏差与航向角偏差作为控制输入量，利用增量式pid控制算法控制车辆的横向偏移量，实现车辆在弯道上的横向控制。该方法增加了车辆的横向控制精度，确保行车安全。所述侧向位置偏差的计算公式如下：

式中，epk为侧向位置偏差，y(mk-1)为预瞄点前一位置的相对车辆横向偏差，x(mk+1)为预瞄点后一位置的相对车辆纵向偏差，y(mk+1)为预瞄点后一位置的相对车辆横向偏差，x(mk-1)为预瞄点前一位置的相对车辆纵向偏差。

所述航向角偏差为当前测量航向角和设定路径的航向角的偏差。

具体的，所述执行层测试的实现是利用自动驾驶系统的控制单元对汽车的执行机构进行控制，根据雷达模块、gps模块、视觉模块等外部传感元件信息反馈，根据任务文件下发任务指令，使得整体自动驾驶装置实现换挡、加速、制动、变道、转向等一系列驾驶活动。通过执行机构的转向装置和换挡装置对油门踏板、制动踏板以及方向盘进行控制达到对任务文件的执行。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。