一种无人车线控底盘教学实训平台及其使用方法与流程

本发明涉及无人车技术领域，特别涉及一种无人车线控底盘教学实训平台及其使用方法。

背景技术：

无人驾驶汽车是现代汽车技术的革命，底盘的线控技术是无人驾驶技术的重要组成部分。当前，越来越多的大专院校开设了无人驾驶汽车方面的课程，从顶层的自动驾驶算法设计，传感器融合技术，到底层的线控转向，线控制动技术等，均有涉及。为满足各大专院校在实际教学中的需要，需要设计一种用于教学的线控底盘实训平台，作为教具使用。

现有实训教学平台的缺点如下：

1、现有实训教学平台多移植于乘用车底盘，体积较大，成本较高。

2、现有实训教学平台无对外的拓展通讯接口，无功能可拓展性。

3、现有实训教学平台只能解决线控底盘有关于机械，底盘电气原理的教学和实训工作，不能解决对线控底盘顶层控制算法原理的教学和实训工作。

技术实现要素：

本发明的目的是：针对现有技术的不足，提供一种无人车线控底盘教学实训平台，该教学实训平台体积小，重量轻，成本低，具备对外的拓展通讯接口，功能可拓展。

所述的无人车线控底盘教学实训平台包括：支架以及支撑在所述支架上的动作执行模块和显示教学模块；

所述动作执行模块用于模拟无人车行驶过程中，无人车线控底盘的动作；

所述显示教学模块与所述动作执行模块连接，用于输出控制所述动作执行模块动作的控制指令，同时接收并显示所述动作执行模块反馈的工作参数；所述显示教学模块上预留有拓展控制接口。

作为本发明的一种优选方式，还包括传感器实训模块；所述传感器实训模块用于研究无人车线控底盘上所设置的传感器的感知能力，所述传感器模块上预留有数据传输接口。

作为本发明的一种优选方式，还包括：联调联试控制单元；

所述联调联试控制单元内预设自动驾驶控制程序、车辆动力学仿真程序和地图；

所述显示教学模块通过预留的拓展控制接口与所述联调联试控制单元相连，所述传感器实训模块通过预留的数据传输接口与所述联调联试控制单元相连。

作为本发明的一种优选方式，所述动作执行模块包括：线控转向系统或/和线控驱动与制动系统。

作为本发明的一种优选方式，所述动作执行模块中设置有快速原型控制器。

作为本发明的一种优选方式，所述传感器实训模块包括：激光雷达感知实训单元、摄像头感知实训单元、毫米波雷达/超声雷达感知实训单元中的至少一种；

所述激光雷达感知实训单元包括：支撑在所述支架上的激光雷达和模拟障碍物；所述激光雷达与所述显示教学模块相连，用于将扫描的模拟障碍物周边的实时点云数据发送给所述显示教学模块；

所述摄像头感知实训单元包括：支撑在所述支架上的摄像头和显示器；所述显示器用于播放模拟路况的录像，所述摄像头与显示教学模块相连；所述摄像头拍摄显示器上的画面，得到视频数据，并发送给所述显示教学模块；

所述毫米波雷达/超声雷达感知实训单元包括：支撑在所述支架上的毫米波雷达/超声雷达、模拟障碍物；所述毫米波雷达/超声雷达和显示教学模块相连，所述毫米波雷达/超声雷达用于获得模拟障碍物的距离和速度，并发送给所述显示教学模块进行显示。

作为本发明的一种优选方式，所述显示教学模块上还预留有对外数据连接接口。

作为本发明的一种优选方式，当所述动作执行模块包括线控转向系统时，所述支架上设置有用于实时测量轮胎转向角度的角度测量仪；所述角度测量仪将测量的转向角度实时发送给所述显示教学模块进行显示。

此外，本发明提供一种上述无人车线控底盘教学实训平台的使用方法，所述动作执行模块包括：线控转向系统或/和线控驱动与制动系统；

当需要对所述线控转向系统进行实训时：通过所述显示教学模块控制线控转向系统工作，所述显示教学模块能够配置所述线控转向系统的左右限值、转向速度，模拟转向堵转；此外，所述显示教学模块能够通过预留的拓展控制接口接收外部控制指令控制所述线控转向系统动作；

当需要对所述线控驱动与制动系统进行实训时：通过所述显示教学模块控制所述线控驱动与制动系统工作，所述显示教学模块能够配置所述线控驱动与制动系统的最大转速、最大制动力、驱动模式、制动模式，模拟各种故障并检验故障保护情况，所述故障包括驱动电机/制动电机过热、制动油压不足；此外，所述显示教学模块能够通过预留的拓展控制接口接收外部控制指令控制所述线控驱动与制动系统动作。

作为本发明的一种优选方式，所述无人车线控底盘教学实训平台还包括传感器实训模块，所述传感器实训模块包括：激光雷达感知实训单元、摄像头感知实训单元、毫米波雷达/超声雷达感知实训单元中的至少一种；

当需要对所述激光雷达进行实训时：通过所述显示教学模块查看所述激光雷达扫描的实时点云数据；通过配置所述激光雷达的工作参数改变所述激光雷达的工作模式，实现激光雷达不同工作模式下的实训；通过在所述支架上放置不同形状和不同材质的模拟障碍物，研究激光雷达对不同障碍物的感知情况；

当需要对所述摄像头进行实训时：通过支撑在所述支架上的显示器播放模拟路况的录像，利用所述摄像头拍摄显示器上的画面，拍摄的视频数据发送给所述显示教学模块，所述显示教学模块识别并显示所述视频数据中目标的性质、距离和速度；

当需要对所述毫米波雷达/超声雷达进行实训时：通过所述显示教学模块查看所述毫米波雷达/超声雷达获得的模拟障碍物的距离和速度；通过调整所述毫米波雷达的安装角度、在所述支架上摆放不同形状和不同材质的模拟障碍物，研究不同状态下毫米波雷达的感知能力。

作为本发明的一种优选方式，所述动作执行模块中设置有快速原型控制器，通过修改所述快速原型控制器中的转向控制模型直接修改转向系统的底层逻辑验证不同控制模型在所述线控转向系统中的表现；通过修改快速原型控制器中驱动和制动控制模型的底层逻辑验证不同控制模型在驱动与线控制动系统中的表现。

作为本发明的一种优选方式，所述无人车线控底盘教学实训平台还包括：联调联试控制单元；

当需要对无人车自动驾驶过程进行实训时：将所述显示教学模块通过预留的拓展控制接口与所述联调联试控制单元相连，所述传感器模块通过预留的数据传输接口与所述联调联试控制单元相连；

所述联调联试控制单元依据所述述传感器实训模块上各传感器传输的信息，利用内设的车辆动力学仿真程序、地图，通过内设的自动驾驶控制程序计算后，生成对所述动作执行模块的控制命令，并通过通讯线发送给所述动作执行模块执行相应的控制指令，模拟无人车的自动驾驶过程。

有益效果：

(1)动作执行模块、显示教学模块以及感器实训模块中均预留有拓展通讯接口，可以组合使用，甚至可以将各部分结合为一个实现系统训练的平台。

(2)在动作执行模块中使用了基于快速原型开发的控制器，能够改变执行器中的底层逻辑，给教学提供研究底盘顶层控制算法的平台。

(3)该教学实训平台使用结构简单、传递效率高的执行机械结构作为线控转向、线控驱动和制动系统的执行器，体积小，重量轻，成本低。

附图说明

图1和图2为线控转向系统作为动作执行模块时该实训平台的使用示意图；

图3为线控转向系统作为动作执行模块时角度测量仪的局部示意图；

图4为线控驱动与制动系统作为动作执行模块时该实训平台的使用示意图；

图5为线控驱动与制动系统作为动作执行模块时该实训平台的俯视示意图；

图6为作为动作执行模块的制动系统的结构示意图。

图中：1-支架、2-快速原型控制器a、3-转向伺服电机控制器、4-转向伺服电机、5-显示教学模块、6-前桥及轮胎、7-转向机、8-角度测量仪、9-驱动电机控制器、10-驱动电机、11-后桥、12-减速器和差速器、13-制动伺服电机、14-减速机、15-制动传动装置、16-制动总泵、17-制动伺服电机控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：

本实施例一种基于低速无人车底盘的，可以通过通讯接口进行功能拓展(包括多个实训单元间联调联试)的，具有快速原型控制器的实训教学平台。

该无人车线控底盘教学实训平台包括：支架1以及支撑在支架1上的动作执行模块和显示教学模块；其中动作执行模块用于模拟无人车行驶过程中，无人车线控底盘的动作；动作执行模块包括：线控转向系统、线控驱动与制动系统；显示教学模块与动作执行模块连接，用于输出控制动作执行模块动作的控制指令，同时接收并显示动作执行模块反馈的工作参数；显示教学模块上预留有拓展控制接口。

本实施例中以前轮为转向轮，后轮为驱动轮的无人车线控底盘为例，如图1和图2所示，当将线控转向系统作为动作执行模块时，支架1上支撑有线控转向系统、显示教学模块5(即控制及显示装置)、快速原型控制器a2和用于为支架1上各电子设备供电的电源；上述各部件组成线控转向实训单元，线控转向系统为线控转向实训单元的执行机构。线控转向系统包括：转向伺服电机4、转向伺服电机控制器3、前桥及轮胎6和转向机7；其中转向机7为基于齿轮齿条的转向机，转向伺服电机4通过转向机与前桥及轮胎6相连，用于控制前桥上的轮胎转向。

此时显示教学模块5用于控制线控转向系统工作(提供正转信号、反转信号)，能够配置线控转向系统的左右转向限值、转向速度等各种参数，模拟转向堵转等各种系统故障并检验转向系统的故障保护情况；并显示所述线控转向系统工作过程中的工作参数，如：当前脉冲频率、当前脉冲占空比、当前目标转角、左转极限、右转极限、当前实际转角、当前故障状态、当前使能状态等。

显示教学模块5上还留有can控制接口，可以通过can指令控制线控转向系统。

快速原型控制器是控制系统的仿真研究技术，是在产品开发之前，使设计者新的控制思路(方法)能在实时硬件上方便而快捷地进行测试。通过实时测试，可以在设计初期发现存在的问题，以便修改原型或参数，再进行实时测试，这样反复进行，最终产生一个完全面向用户需求的合理可行的控制原型。在该教学实训平台利用快速原型控制器能够对通过改变执行器中的底层逻辑。具体的：快速原型控制器a2与显示教学模块5相连，快速原型控制器a2中设置有转向控制模型，通过快速原型控制器a2中的转向控制模型能够直接修改线控转向系统的底层逻辑，从而得到不同转向控制模型，进而通过该线控转向实训平台展示不同转向控制模型在线控转向系统中的表现。

如图3所示，在支架1上，与轮胎对应的位置设置有角度测量仪8，本实施例中角度测量仪8为量角盘，其上沿周向设置有密集的角刻度，当前桥上的轮胎发生转向时，直接从量角盘上读取角刻度即可。角度测量仪8还可以采用角度传感器，用于实时监测前桥上轮胎的转向角度，角度传感器监测的转向角度实时发送给显示教学模块5进行显示。

如图4和图5所示，当将线控驱动与制动系统作为动作执行模块时，支架1上支撑有线控驱动系统、线控制动系统、显示教学模块5、快速原型控制器b及用于为支架1上各电子设备供电的电源；上述各部件组成线控驱动与制动实训单元，线控驱动系统和线控制动系统为线控驱动与制动实训单元的执行机构。其中线控驱动系统包括：驱动电机10、驱动电机控制器9以及集成减速器和差速器12的后桥11；驱动电机10与后桥11相连，后桥11上的轮胎为驱动轮。

如图6所示，线控制动系统包括：制动伺服电机13、减速机14、传动装置15、制动伺服电机控制器17、制动卡钳以及制动液压系统；制动伺服电机13通过减速机14与传动装置15相连，通过驱动传动装置15直线运动压缩制动主泵16，制动主泵16通过制动液压系统推动制动卡钳，制动卡钳夹住刹车盘而实现制动。

此时显示教学模块5用于控制线控驱动系统和线控制动系统工作，能够配置线控驱动系统的最大转速、驱动模式、线控制动系统的最大制动力、制动模式等各种参数，模拟电机(包括驱动电机10和制动伺服电机13)过热，制动油压不足等各种故障并检验控制系统的故障保护情况；并显示线控驱动系统和线控制动系统工作过程中的工作参数，如当前伺服使能状态、r档有效指示灯、n档有效指示灯、制动压力不足报警、制动扭矩最大变化率、驱动扭矩最大变化率、最大制动扭矩、最大驱动转速、当前油门百分比、当前制动百分比、当前制动压力、当前轮速、故障状态等。

同样可以通过显示教学模块5上预留的can指令控制线控驱动系统和线控制动系统。

快速原型控制器b与显示教学模块5相连，快速原型控制器b中设置有驱动和制动控制模型，通过快速原型控制器b中的驱动和制动控制模型能够直接修改线控驱动系统和线控制动的底层逻辑，从而得到不同驱动和制动控制模型，进而展示不同驱动和制动控制模型在线控驱动系统和线控制动系统中的表现。

该教学实训平台的工作原理如下：

该教学实训平台可以对各动作执行模块单独进行实训，各动作执行模块也可以组合使用进行实训，用于不同教学需求实践工作；当组合使用时，共用支架、电源和显示教学模块。

如图1所示，单独对线控转向系统进行实训时：通过显示教学模块5控制线控转向系统工作，通过配置线控转向系统的左右转向限值、转向速度等各种参数，模拟转向堵转等各种系统故障并检验线控转向系统的故障保护情况。此外，通过修改快速原型控制器a2中的转向控制模型直接修改转向系统的底层逻辑，验证不同控制模型在实际的线控转向系统中的不同表现。

如图4所示，单独对线控驱动与制动系统进行单元时：通过显示教学模块5控制线控驱动系统和线控制动系统工作，包括配置最大转速、最大制动力、驱动模式、制动模式等各种参数，模拟电机过热，制动油压不足等各种故障并检验控制系统的故障保护情况。此外，通过修改快速原型控制器b中驱动和制动控制模型的底层逻辑验证不同控制模型在实际驱动和线控制动系统中的不同表现。

当需要将两个动作执行模块组合使用时，将图1所示的线控转向实训单元和图4所示的线控驱动与制动实训单元集成，则两个实训单元共用支架、显示教学模块和电源等，使整个线控底盘教学实训平台的结构紧凑，功能结合(如进行整车的模拟测试)。

如果将实训单元中的前后桥拆卸下来，换装其他无人车的前后桥，可以测试其他无人车前后桥的性能，因此该实训平台不仅可以用作教具，还可以用作测试台架。

实施例2：

在上述实施例1的基础上，该无人车线控底盘教学实训平台还包括：传感器实训模块；传感器实训模块用于研究无人车线控底盘上所设置的传感器的感知能力，传感器模块上预留有数据传输接口。

具体的：传感器实训模块包括：激光雷达感知实训单元、摄像头感知实训单元、毫米波雷达/超声雷达感知实训单元；

激光雷达感知实训单元包括：支撑在支架上的激光雷达、模拟障碍物、显示教学模块以及用于为支架上各电子设备供电的电源。模拟障碍物包括两个以上不同形状和不同材质的模拟障碍物；激光雷达与显示教学模块相连，用于将扫描的实时点云数据发送给显示教学模块；显示教学模块上预留有以太网口，可以通过网线向其它设备上传激光雷达点云数据。通过在支架上摆放不同形状和不同材质的模拟障碍物，研究激光雷达对这些障碍物的感知情况。

摄像头感知实训单元包括：支撑在支架上的摄像头、显示器、显示教学模块以及用于为支架上各电子设备供电的电源。其中显示器用于播放模拟路况的录像，录像中包括车道线、各种交通标识、车辆和行人等；摄像头与显示教学模块相连，摄像头拍摄显示器上的画面，得到视频数据，并发送给显示教学模块；显示教学模块设别视频数据上的不同目标的性质、距离和速度等信息，并进行显示。由于显示教学模块上预留有以太网口，可以通过网线向其它设备上传视频数据。

毫米波雷达/超声雷达感知实训单元包括：支撑在支架上的毫米波雷达/超声雷达雷达、模拟障碍物、显示教学模块以及用于为支架上各电子设备供电的电源。模拟障碍物包括两个以上不同形状和不同材质的模拟障碍物，毫米波雷达/超声雷达与显示教学模块相连，毫米波雷达/超声雷达用于获得支架上模拟障碍物的距离和速度，并发送给显示教学模块进行显示；通过调整毫米波雷达/超声雷达的安装角度、在支架上摆放不同形状和材质的模拟障碍物，能够研究不同状态下毫米波雷达的感知能力。显示教学模块上还预留有can接口，可以通过can向其它设备上传信息。

上述各实训单元可以单独进行实训，也可以组合使用进行实训，用于不同教学需求实践工作；当组合使用时，共用支架、电源和显示教学模块。

单独使用激光雷达感知实训单元时：通过显示教学模块查看激光雷达扫描的实时点云信息，可以录制和播放点云文件；此外，通过配置激光雷达工作光束数量、上位机中外参参数等数据，实现激光雷达不同的工作模式和上位机中不同的显示效果；通过摆放不同形状和材质的模拟障碍物，研究激光雷达对这些障碍物的感知情况。

单独使用摄像头感知实训单元时：通过显示器播放模拟路况的录像，利用摄像头拍摄显示器上的画面，拍摄的视频数据经台架上的视频感知程序运算后，识别出不同目标的性质、距离和速度等信息，显示在显示教学模块上。

单独使用毫米波雷达/超声雷达感知实训单元时：通过显示教学模块显示周边障碍物的距离和速度，此外，通过调整雷达安装角度、摆放不同形状和性质的模拟障碍物，研究不同状态下雷达感知的能力。

实施例3：

在上述实施例2的基础上，该实训教学平台还包括：联调联试控制模块；通过联调联试控制模块能够实现动作执行模块与传感器实训模块的组合使用，用于较复杂的教学和科研工作。

联调联试控制模块的功能通过支撑在支架上的工控机的内设程序实现；工控机内设自动驾驶控制程序、车辆动力学仿真程序和录制的高精地图等。

动作执行模块和传感器实训模块能够通过各自的拓展接口与联调联试控制模块相连，联调联试控制模块通过融合传感器实训模块上各传感器的信息，利用内设的车辆动力学仿真程序、事先录制的高精地图，通过自动驾驶控制程序计算后，生成对动作执行模块的控制命令，并通过通讯线发送给动作执行模块，使动作执行模块执行相应的控制指令，使底盘教学实训平台的各部分之间信息互通，能模拟了整车自动驾驶过程，综合了障碍物感知、线性驱动和转向、线性制动这一系列的动作。

当将动作执行模块和传感器实训模块组合使用时，如将线控驱动与制动实训单元与摄像头感知实训单元或毫米波雷达与超声雷达感知实训单元集成，此时，传感器实训模块将监测的障碍物信息发送给执行器实训模块，用于模拟并测试无人车行驶过程中感知到障碍物时的制动性能。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

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