基于EtherCAT实时以太网的汽车自动驾驶仪的设计

张坤良 彭秀英 洪 彬 李志宏 王嘉钧 黄志勇 庞晓伟 李建兴 董 云

（1-天津大学内燃机研究所天津3000722-天津市天波科达科技有限公司）

·设计·计算·

基于EtherCAT实时以太网的汽车自动驾驶仪的设计

张坤良1彭秀英1洪 彬1李志宏1王嘉钧1黄志勇1庞晓伟2李建兴2董 云2

（1-天津大学内燃机研究所天津3000722-天津市天波科达科技有限公司）

国Ⅴ排放标准中对汽车排放耐久性能提出了更高的要求，结合国内车辆和实际使用情况，开发了能够在底盘测功机上使用的自动驾驶仪。该自动驾驶仪基于EtherCAT实时以太网，实现了对油门、离合器、换挡、刹车等多工位协同的多轴运动控制。试验结果表明，该系统具有良好的实用性和可靠性。

EtherCAT以太网汽车自动驾驶仪

引言

随着汽车工业的迅速发展，人们对汽车可靠性及环保性能的要求不断提高，汽车厂家为此进行大量的试验来改进设计，尤其是《GB 18352.5—2013轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）》标准中对整车排放污染控制装置耐久性试验要求规定：汽车在底盘测功机上或试验跑道上进行耐久性试验，耐久性里程不得少于160 000 km。为了减轻驾驶员的劳动强度，试验机构可采用驾驶机器人来进行试验。驾驶机器人可用于室内底盘测功机上操作车辆进行性能试验和耐久性试验。驾驶机器人不仅可以减轻试验人员的劳动强度，减少试验费用，提高试验效率，而且还能够消除人为因素的影响，从而保证了试验数据的准确性和有效性。但国外进口的驾驶机器人价格非常昂贵，所以有必要开发具有自主知识产权的驾驶机器人，以满足国内各汽车厂家对耐久性试验的需求。

自动驾驶系统需要在不同的车辆上进行工作，工作过程中车辆的油门、离合器、换挡、刹车等各机械手必须平顺地协调工作，主控系统与各机械手之间数据要求实时通讯，并需要稳定可靠、抗干扰能力强，EtherCAT实时工业以太网很好地实现了上述要求，EtherCAT是开放的实时以太网通信协议，由德国倍福自动化有限公司研发。采用EtherCAT总线技术，利用TwinCAT软件及其控制系统，实现了网络化的多轴实时自动化控制。

1 EtherCAT的技术特点

EtherCAT（以太网控制自动化技术）是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，由德国倍福自动化有限公司研发，具有开放性好、网络速度快、实时性好、可靠性高及兼容性好等特点，并且具有灵活的拓扑结构及简单的系统配置，得到了越来越多的开发商的关注，2014年10月21日成为我国的推荐性国家标准GB/T31230-2014。

EtherCAT支持几乎所有的拓扑结构：线型、树型或星型结构，可以选用的物理介质有标准以太网电缆100Base-TX、倍福公司的E-bus以及光缆。使用100Base-TX电缆时站间距离可到100 m，整个网络最多可以连接65 535个设备。使用快速以太网的全双工通信技术，使EtherCAT成为主从式的环型结构，如图1所示[1]。

图1 EtherCAT协议运行原理

EtherCAT协议使用一个特殊类型的以太网数据帧。如图2a）所示，EtherCAT以太网数据帧的数据区由多个子报文组成，每个子报文都服务于一个特定的逻辑映像区。数据帧在设备中持续传输，每个设备中的FMMU（Fieldbus Memory Management Unit，现场总线存储器管理单元）在数据帧通过时读出该数据帧中映射到此设备的逻辑地址中的数据，如数字伺服控制指令数据等[2]。

EtherCAT的高性能特性使它还可以处理分布式驱动器的电流（转矩）控制。EtherCAT UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）可以将Ether－CAT协议打包至UDP/IP（Internet Protocol，互联网协议）的数据帧内，如图2b）所示。此时，任何带以太网协议堆栈的控制都可以寻址EtherCAT系统，甚至允许经路由器和其它子网通信。在这种情况下，在EtherCAT网络内部，UDP帧只须在第一个从站解压包，EtherCAT网络本身的响应时间几乎不受影响[2]。

同样，输入数据，如数字伺服状态数据，可以在数据帧通过时插入到相应的逻辑地址区中，数据帧在整个过程仅有几纳秒的延时。通常每个通信周期只需传输一个以太网数据帧，这个数据帧沿着逻辑环传输一周，完成所有的广播式、多播式以及从站间的通信，大大提高了EtherCAT的通信速率和有效数据率。控制100个输入输出数据均为8字节的伺服轴只需要100 μs。而1 000个I/O的刷新只需要30 μs[3]。

图2 EtherCAT数据帧结构

2 自动驾驶系统设计

本设计是基于EtherCAT的伺服运动控制系统，总体结构主站采用工业PC机，操作系统选用大家熟悉的Windows操作系统，以VB（Visual Basic）软件为基础，编写EtherCAT主站应用程序，实现人机界面、从站信息配置、EtherCAT数据帧发送接收和数据处理等功能。

该汽车自动驾驶控制系统的硬件组成部分主要有：计算机系统、数据采集系统、油门机械腿、离合机械腿、制动机械腿、换挡机械手以及相应的位置检测、车速检测和发动机转速检测等，系统构成如图3所示。

图3 自动驾驶仪控制逻辑图

本套自动驾驶仪需和汽车底盘测功机配合使用，试验人员将车辆固定在底盘测功机上，并将自动驾驶仪安装在车辆上，自动驾驶仪通过各机械手对车辆行驶进行自动控制，通过模拟人的驾驶习惯，控制车辆油门、离合器、换挡及刹车等，使车辆按照标准或用户要求的档位及工况曲线进行行驶。其中，EtherCAT主控系统接收各执行机构的当前位置、车速等信息，然后根据所采集到的输入数据与预先输入至存储器的数据进行计算比较，实时地输出指令给执行结构（伺服驱动控制系统），伺服控制单元接收主控单元信号后驱动伺服电机，从而实现汽车驾驶机器人对车辆的控制。本套自动驾驶仪是面向大多数轻型汽车车型设计开发的，所以在设计中考虑了如下特点：

1）驾驶机器人执行机构的设计。驾驶机器人执行机构小巧灵活，适合不同车型驾驶室内无损快速安装；无需对汽车内部结构做任何改动；执行机构能够实现运动轨迹解耦控制。

2）多机械手的协调能够达到中等熟练驾驶员的水平。驾驶机器人根据驾驶经验库协调汽车换挡、制动、离合机械手的动作，使各执行机构的运动关系、时序关系符合驾驶动作的要求。

3）车速的跟踪控制。车速的稳定跟踪控制精度满足±2 km/h。

4）驾驶机器人在完成起步、换挡、加速、减速、等速等工况的车速跟踪控制时，保持油门踏板平顺，在满足车速跟踪精度的条件下，使油门的变化柔和平滑，以减少频繁的油门操作对排放产生影响。

5）控制参数的在线补偿与优化。在长时间的试验过程中，汽车各个组成部件会磨损。为保证长时间试验的控制精度，驾驶机器人能在线自动调节和优化控制参数以匹配汽车的特征变量，使驾驶机器人对长时间试验引起的车辆性能参数变化具有自补偿和容错能力。

驾驶机器人具有自学习车辆各工位运动特性的能力，如离合器踏板行程、加速踏板行程、制动踏板行程、变速器换挡位置等，系统模拟驾驶员的驾驶操作，在操作配合上要具有人的一些协调性和柔顺性。驾驶系统根据驾驶员的操作经验，对车辆起步特性、油门离合器配合特性、挡位离合器配合特性、制动特性、急加急减特性、运行轨迹突变控制等特性进行优化，使自动驾驶更具人性化，使各工位的配合联动更加合理化，从而减小在汽车性能以及耐久性试验中设备对测试结果的影响。

3 根据自动驾驶仪原理进行Ether－CAT网络配置

本套自动驾驶仪以搭载TwinCAT系统的倍福PLC作为EtherCAT实时以太网的主站，以具有EtherCAT接口的松下伺服驱动器作为从站，通过TwinCAT系统管理器（System Manager）配置PLC的各通讯接口，使PLC软件与各从站伺服驱动器建立通讯。通过EtherCAT总线，主控系统可以设置伺服的位置、转速、启停等参数，也可以读取伺服工作过程中的实时位置、实时转速以及运行状态等信号，与老式系统相比，节省了大量接线。

该汽车自动驾驶控制系统的组成部分主要有：计算机系统、EtherCAT控制与数据采集系统、预学习示教系统、伺服驱动控制系统、油门机械腿、离合机械腿、制动机械腿、换挡机械手等，系统构成如图4所示。

图4 EtherCAT总线结构原理图

4 试验结果与分析

为了验证驾驶机器人的驾驶效果，在底盘测功机上进行污染物排放控制装置耐久性试验（Ⅴ型试验），该Ⅴ型试验的一组试验由11个循环组成，所以简称为11LAPS耐久工况试验，试验车型为哈飞，五挡手动变速，根据11LAPS中每一种循环车速的要求，对各循环进行试验验证，考虑到验证曲线的可视效果，将不同车速循环的验证曲线分别截取出来，如图5所示。

图5 Ⅴ型试验验证结果

对各LAPS试验结果分析可知，测试曲线满足《GB18352.5-2013轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）》标准中要求的车速跟踪误差±2 km/h、时间误差±0.5 s的要求。该11LAPS耐久工况Ⅴ型试验曲线看似比较简单，但有两个难点，一是加速向等速转换的过渡过程，二是减速到32 km/h时突然加速的过渡过程。本系统根据驾驶经验库，引进提前预判功能，避免了车速在曲线转折点时过度上冲或过度下冲，使车速更好地满足标准对曲线跟踪精度的要求。

5 结论

汽车自动驾驶仪是集信号处理、电子电路、自动控制、机电一体化、汽车工程等多学科交叉应用的自动化设备。试验结果表明，该自动驾驶仪能够替代试验人员从事长时间、高重复性的汽车试验，对于提高汽车试验的自动化水平，降低试验费用，提高试验结果的准确度具有重要意义及实用价值。

1单春荣，刘艳强，郇极，等.工业以太网现场总线EtherCAT及驱动程序设计[J].制造业自动化，2007，29（11）：79-82

2德国倍福公司.EtherCAT-实时以太网现场总线[M].德国：倍福公司EtherCAT技术组，2015

3康存锋，林志磊，马春敏，等.基于TwinCAT主站的Ether－CAT实时以太网分析与研究[J].现代制造工程，2010（11）：16-18

Design of Vehicle Robot Driver based on the Real-time Ethernet EtherCAT

Zhang Kunliang1,Peng Xiuying1,Hong Bin1,Li Zhihong1,Wang Jiajun1, Huang Zhiyong1,Pang Xiaowei2,Li Jianxing2,Dong Yun2
1-Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute,Tianjin University(Tianjin,300072,China) 2-Tianjin Tianbo-Keda Technology Co,Ltd.

In the NationalⅤemission standard,the durability performance of vehicle emission is put forward higher requirements,combined with the domestic vehicles and the actual usage,we developed the Vehicle robot driver which can be used on the chassis dynamometer.Based on the EtherCAT real time Ethernet,Vehicle robot driver realizes the multi axis motion control of the throttle,clutch,Gear shift and brake etc.The test results show that the system has good practicability and reliability.

EtherCAT,Ethernet,Vehicle robot driver

U473.1+2

A

2095-8234（2016）05-0057-04

2016-06-13）

张坤良（1978—），男，工程师，主要研究方向为工控技术与车辆检测技术。