第六百二十四章 研发汽车自动驾驶仪（《梦想充电站》小康梦！）

第二天，驾驶学科奥赛国际集训队正式集中上课。

第一堂课是长安交大附中的李老师讲授，讲授的内容是“研发汽车自动驾驶仪”。

李老师说：

“机器人驾驶员已经成为汽车制造商们的‘试车员’，在设计和检测新车的性能时大显身手。

例如，在试验中有时汽车只是局部作一些细微的改动，真人试车员往往难以把握，导致人为误差而影响试验结果；

而机器人的操作却可以达到理想的求，与其联动的检测系统也可以准确无误地给出结果，非常适合需要长时间进行的汽车性能和寿命试验。

目前，汽车自动驾驶技术在国外已经发展得相对成熟，但也存在一些问题。

大家认为，主要存在什么问题啊？”

这时，大家纷纷举手，来自鹏城的刘昊然同学，也是目前全国排名第三的种子选手回答道：

“我觉得，汽车自动驾驶技术应该存在以下问题，如：

1）据资料介绍，米国研发的一项自动驾驶技术的成本在30万美元左右，而这样的价位对相对来说是非常昂贵的，并不十分适用于商业生产；

2）已经研究成功的产品大部分只具备‘三踏’和换挡功能，但不具备自动点火功能，从这一角度讲，其功能是不完善的；

3）由于已研发的产品大部分都具有专业倾向，故适用范围非常有限，只适用于一种或某一型号的几种车型。

回答完毕！”

李老师笑眯眯道：

“嗯Ｘ答正确！

正因为存在这些问题，因而研制开发适合我国汽车企业生产的汽车自动驾驶仪系统是实现我国汽车优良车种、车型的国产化以及我国汽车赶超世界先进水平的必要保证。

第一个大问题：对汽车自动驾驶仪的性能要求。

汽车自动驾驶仪并非构建在特殊的车体结构上，而完全基于现有的商品车型，且对原车辆内部的改动与改装尽量少。

因此驾驶机器人应具有如下基本性能：

1）整个系统易于装配与拆卸：采用轻质元件的积木化设计，一个人就能快速方便地装配与拆卸系统，整个过程无需使用任何工具，安装和调整时间不能过长。

2）控制软件易于试验与安装：

控制软件的运行应是自动的，界面是用户友好的；

操作人员仅在监控室内进行操作，不需要对任何控制参数进行手工调整。控制软件对长时间试验引起车辆性能变化具有补偿、容错能力。

3）适用于多种车辆的不同项目的试验：

驾驶机器人能适用于各种车辆，不管是手动变速，还是自动变速；

不管是小型车辆，还是大型车辆；

不管是通用车辆，还是新型车辆如低排放车辆、电动车辆、混合动力车辆等。

能适合耐久性排放试验、燃油经济性试验、整车及零部件强化试验、恶劣环境试验、噪声试验、车辆的研究与开发等各种试验的应用。

4）具有自学习能力：具有自动学习驾驶员环境几何尺寸特性的能力，如离合器踏板结合点、离合器踏板行程、加速踏板行程、制动踏板行程、变速器换档位置等。

5）能自动确定油门踏板位移与发动机转速、加速度、不同档位下车速之间的关系及制动踏板行程与减速度之间的关系。

6）具有高精度与高重复性：在进行燃油经济性试验与排放试验时，驾驶机器人应具有高度的可重复性；长时间试验能保证车速跟踪精度、行驶里程累计偏差符合规定。

7）驾驶特性与人类驾驶吴力求-致：驾驶机器人需要真实模拟人类驾驶员的驾驶操作，在动作上具有人体肌肉的弹性和柔顺性，在操作配合上要具有人的协调性。

8）安全可靠：适用温度范围广如-40℃~80℃，对于恶劣环境下长时间的试验，系统具有很强的安全性、可靠性，如整个系统必须具有电磁兼容性、故障检测与报警功能、自动停车功能。

第二个大问题：汽车驾驶仪的结构组成。

汽车自动驾驶仪是汽车研发公司为了测试成品汽车动力特性的全自动化机器人。

研发的目的在于启动汽车以后自动调节汽车档位，合理使用离合、油门和制动三个踏板，使汽车能够合理的按照给定的运行速度曲线运行，保证一定速度的运行进度。

因而具体要求为：

1）驾驶仪根据排放分析仪的控制信号进行自动点火，点火形式包括旋转钥匙启动和按钮点击式启动两种方式。软件中可以设置点火延迟时间、具备发动机点火是否成功的判断及处理措施，并可以测量钥匙的旋转力；

2）根据车速自动换档，适用不同形式的换档机构；

3）根据一定的速度变化要求，合理使用三踏（离合踏板、油门踏板、制动踏板）。

因此研发的汽车自动驾驶仪的结构主要由三踏板调节机构、挡位调节机构和启动机构三部分组成。

第三个大问题：执行元件的选取及方案的实施。

对这一点，哪位同学来回答？”

这次，来自江东省的帅帅举手答道：

“我觉得，第一：三踏板调节机构基于离合、油门、制动三个踏板的位置排列的实际情况，可采用并联的三个电动推杆通过线性伸缩来分别推动三个踏板完成动力的续断、油门的增减以及减速停车操作。

电动推杆前端安装球形头与踏板接触。

并联的三个电动推杆以螺栓联结平行固定于同一连杆上，连杆由两个可伸缩支架支撑，推杆的尾端吊耳套在固定于底座支架的固定架上，这样机构就有两个自由度：

调节伸缩支架可改变机构俯仰角度适应踏板高度，调节推杆与连杆的相对位置改变推杆间距以适应踏板间距。

推杆动力装置选用交流伺服电动机，电机通过安装法兰与推杆平行固联，动力则以同步带传递。

第二，换挡调节机构实际操作中的换挡动作是由前后和左右两个关联动作来完成的，因此运用两个相互垂直的线性执行装置来实现所要求的动作，用两个垂直叠放的直线导轨固定于底座支架上，由电机驱动同步带转动来带动滑块直线移动。

固定导轨滑块横向往复移动，随动导轨随着固定导轨滑块运动，

而随动导轨上的滑块可纵向往复移动，将其与档柄联结进而实现换挡动作。

基于系统传动精度及抗震要求，此机构滚珠丝杠的动力装置也拟选用与三踏机构同类型的交流伺服电机，为合理利用有限空间，可将电机与导轨垂直安装，电机到滚珠丝杠的传动可通过完全相同的两个45°锥度角的锥齿轮实现。

机构与档柄联结处应设计成柔性接触以适应档杆端部动作时的弧线轨迹。

第三，点火机械手。

点火机构设计为空间机械手的形式，机械手尾端固定于底座支架上，其前端安装摆动电磁执行机构以实现钥匙启动开关的摆转操作，安装线性伸缩执行机构用以实现对启动按钮的线性操作。

前端的执行机构通过若干可相对回转的关节最终连于底座支架上，而通过对关键的中间关节进行适当设计，可使该机械手具备一定的使用范围，

从而实现对各种不同车型的可行点火启动操作。点火机械手由七个关节六个空间自由度组成。

前三个关节组成平行四连杆机构，提供一个自由度，其中a3杆主要用于加强结构刚度。其余四个回转关节为末端执行器提供所需的空间自由度，其中d、e、f三者的联结可参照三自由度转台的结构进行设计。

点火机械手采用关节式手动调节手动紧固形式，即手动相对回转各个关节，调整到满足工作要求的位置时，再拧紧联结螺栓，靠联结面之间的摩擦力来实现关节的定位。

关节可设计成普通柄杆和音叉两种结构形式以便于联结。末端的摆动电磁执行机构拟选用摆动电磁阀实现钥匙开关的旋转操作，线性伸缩机构拟选用伸缩电磁阀实现按按钮点火操作，此二者均受控于控制系统，通过已编好的程序指令实现预定点火动作”

李老师总结道：

“我们可以得出结论：

汽车试验用驾驶机器人，即汽车自动驾驶仪汽车试验中代替人类驾驶员进行操作的工业机器人，它主要由油门机械腿、制动机械腿、离合器机械腿、换档机械手、点火机械手等组成。

具有工作准确、耐久性好、速度快、重复性精度高等优点，可以完成人类难以忍受的长时间、高效率的汽车性能与寿命试验、汽车工况排放试验，能消除驾驶中人为因素的影响，而得到较精确的测试结果。

汽车自动驾驶仪的研发也是衡量一个国家科研实力和工业水平的一个重要标志，在国防和国民经济领域具有广阔的应用前景。”