“新工科”模式下无人驾驶教学车改装研究_白鹏飞.pdf

AUTO TIME 127 MANUFACTURING AND PROCESS|制造与工艺“新工科”模式下无人驾驶教学车改装研究白鹏飞云南交通运输职业学院（云南交通技师学院）智慧交通学院 云南省昆明市 650300摘 要：为了主动应对新一轮科技革命和产业变革，加快培养新兴领域工程科技人才，改造升级传统工科专业，主动布局未来战略必争领域人才培养。学校积极探索“新工科”建设的新理念、新模式，成立智慧交通学院，开设智能网联汽车专业，培养智能网联汽车新型高技能型人才，开始无人驾驶汽车的研究，在北汽新能源汽车的基础上探索改造自动驾驶教学车。关键词：新工科智能网联汽车无人驾驶教学车1前言以智能制造为标志的工业 4.0 时代来临，互联网、大数据、云计算、人工智能等技术不断创新并应用于汽车产业，汽车智能化时代已经到来！汽车产业电动化，智能化，网联化，共享化均列入国家战略。近年来，国务院、工信部、交通委等多个部门先后出台多项政策，中国制造2025、智能网联汽车技术路线图、智能汽车创新发展战略、智能网联汽车道路测试管理规范(试行)。智能汽车技术快速迭代发展，L1-L2级带高级驾驶辅助功能的自动驾驶车大规模量产，无人驾驶车出行服务上汽、百度、小马智行、文远知行、元戎启行、T3 出行、滴滴、Auto X 等多家公司的 Robotaxi 车队开始试点商业化运营，百度的萝卜快跑已经在北京、上海、广州、深圳等多地运行。在矿山、港口运输、园区物流、清扫等领域运营的无人驾驶矿卡、无人驾驶运输车、无人驾驶物流车、无人驾驶清扫车已大量投入使用，无人驾驶已经进入我们的日常生活。2无人驾驶教学车改装背景2.1学校成立汽车智能技术专业“新工科”是我国为了主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展的新教育发展战略。对于高校而言，“新工科”的意义在于将新兴技术与传统工科融合,用产业界的实践方案或经验解决传统教学方法中过于注重理论而轻视实践的问题1。新工科背景下智能网联汽车快速发展，为了主动应对新一轮科技革命和产业变革，加快培养新兴领域工程科技人才，改造升级传统工科专业，主动布局未来战略必争领域人才培养。学校积极探索“新工科”建设的新理念、新模式，成立智慧交通学院，学院紧跟时代步伐，追踪国家政策和行业前沿，为培养出符合社会需求的智慧交通高技能技术人才，云南交通运输职业学院率先在云南省开设汽车智能技术专业，走在专业建设前列。十四五期间，学校大力投入发展智慧交通专业群，致力于打造一流的智慧交通学科，为地区智慧交通人才的培养奠定坚实的基础，汽车智能技术专业规模会不断壮大。2.2专业实训室建设职业教育的职业属性决定了职业院校的学校教育不能脱离企业的生产实际，而产教深度融合的校内外实训基地是高职专业群课程体系实施的有力支撑2。配套专业建设，汽车智能技术专业实训室建设规划以智能网联车辆为中心，围绕智能车辆运动控制、环境感知、智能算法、互联互通、智慧交通、人机交互、智能驾驶、智能网联车联等多个技术关键点建立实训室。全部实验室落成后，可成为国内一流的覆盖教学、科研、实验的全功能智能车辆实验室，无人驾驶教学车将是汽车智能技术专业重Research on the Modification of Unmanned Teaching Vehicles under the New Engineering ModeBai PengfeiAbstract：In order to actively respond to the new round of scientific and technological revolution and industrial transformation,the cultivation of engineering and scientific and technological talents in emerging fields should be accelerated,and the traditional engineering majors should be transformed and upgraded,and actively the training of talents in the future strategic fields should be laid out.The school actively explores new concepts and new models of new engineering construction,establishes the School of Intelligent Transportation,opens the major of intelligent networked vehicles,cultivates new high-skilled talents of intelligent networked vehicles,starts the research of driverless cars,and explores the transformation of autonomous driving teaching vehicles on the basis of BAIC New Energy Vehicles.Key words：new engineering,intelligent networked car,driverless,teaching vehicle128 AUTO TIMEMANUFACTURING AND PROCESS|制造与工艺要的实训载体。2019年初汽车智能技术专业筹备以来，组建了汽车智能技术专业教师团队，参加国家和行业组织的各类智能网联汽车技术培训，派专业教师到智能网联汽车相关企业下厂跟岗学习，经过前期充分积累在学院的宏观指引下着手打造学校第一辆无人驾驶教学车。3无人驾驶教学车改装3.1研究目标研究改造学校第一辆无人驾驶教学车用于专业人才培养，是对“新工科”模式下“实验引领，以赛促教”人才培养的创新探索。首先通过前期市场调研，掌握智能网联汽车行业动态信息，促进汽车智能技术专业建设；其次通过无人驾驶教学车的设计、改造、安装、调试等实践，提升师资队伍在智能网联汽车方面的专业素质；再次无人驾驶教学车用的改装研究，是自主开发实验实训设备，可直接用于专业人才培养；最终成功的无人驾驶教学车用的改装经验可应用于其他无人驾驶教车的改装，实现可复制。经过改装的无人驾驶教学车使车辆能够按照设定的线路进行自动驾驶，在运行过程中有行人检测、障碍物识别的能力，识别障碍物或行人能够主动制动，避免碰撞，最终达到 L2 级无人驾驶。3.2总体技术路线设计在前期的调研中，新能源汽车也是汽车未来发展方向，新能源汽车具有环保、安全、可靠的特点；其次新能源汽车由于结构比较简单，维护方便，改造更加容易；并且自动驾驶的车辆消耗的电量很大，混动或纯电动车有电量大的优势，新能源汽车是智能网联汽车的最好载体。所以本次无人驾驶车辆的改装研究，以新能源汽车为载体，具体车型为北汽 EV150。无人驾驶汽车需要解决三个问题，即环境感知及实时定位，计算分析以及路径规划，最后还有就是控制执行。北汽 EV150是一辆普通电动车，车辆没有任何自动驾驶功能，需在原车加装一套自动驾驶控制系统。首先加装智能传感器，包括毫米波雷达、摄像头、导航定位系统，用来识别车辆位置和障碍物信息；其次进行底盘线控改造，包括制动、转向、驱动、档位、灯光辅助电子系统等，能够自动控制转向、制动、灯光等；然后加装工控机进行整车控制；最后通过车载网络系统 CAN 连接各控制单元。总体研究技术路线如图所示：3.3传感器设计安装过程无人驾驶汽车环境感知技术迅猛发展,环境感知系统离不开多个以及多种传感器之间的配合使用,基于多传感器融合的智能汽车多目标检测方案成为热门研究方向,工业界和学术界都对此提出了不同的解决方案。3本教学车的改装方案主要是加装毫米波雷达、摄像头、GPS 高精度定位设备进行环境感知。3.3.1毫米波雷达设计安装毫米波雷达传感器主要用于探测车辆前方障碍物及车辆和行人，从而实现自适应巡航及紧急制动，防止碰撞事故的发生4。毫米波雷达是指工作频率介于微波和光之间,频率在 30 300GHz，波长为 1 10mm 波段的雷达。毫米波雷达通过发射无线电波,然后对接收到的信号进行处理,探测出物体之间的距离、方位和相对速度等,可用于实现自适应巡航、碰撞预警和盲区检测等功能。毫米波雷达穿透烟、雾、灰尘的能力比较强，具有全天候的特点，可以实现远距离（200m）的障碍检测。毫米波雷达的主流可用频段为 24GHz 和77GHz，毫米波雷达频率越高,检测的分辨率越高,探测距离越远。本车采用 77GHz 的毫米波雷达，安装在车辆的最前端车牌下方中网处，其采用12V 直流供电、CAN 通信接口；电源接口接入车辆上的 12V 直流电源，传感器 CAN线通过 CAN 收发器连接至主机。3.3.2摄像头安装设计摄像头用于感知车辆前方的图像，检测车辆前方的行人、车辆等障碍物。摄像头选取双目摄像头，安装在车辆前挡风玻璃中间偏上位置，在车内后视镜的位置。双目摄像头拍摄同一场景下左右两幅图像，运用立体匹配算法获取视差图进而获取深度图。双目摄像头采用 12V 直流供电，网络通讯，将电源线接入车辆上 12V 电源，将网线连接到路由器上，最终连接到主机上。连接好以后输入摄像头 IP 地址，检查双目摄像头是否已经连上网络，然后进行双目摄像头的标定。摄像头由于透镜及装配误差等原因，会存在有畸变，主要为径向畸变和切向畸变，这些畸变无法从硬件层面消除，需要使用标定算法。标定需要借助电脑和标定软件来操作，完成标定后，生成的摄像头内参会写入到摄像头设备中，无人车启动摄像头时会自动加载标定的参数。3.3.3北斗高精度定位系统目前智能汽车常用的定位传感器主要图 1改装技术路线图CANCANCANCANCANBECU控制器：SECU 控制器：TECU 控制器：GECU档位控制器：CECU舒适系统控制器：制动辅助子系统转向辅助子系统驱动辅助子系统换挡辅助子系统灯光辅助子系统CANCAN差分 GPS激光雷达长距毫米波雷达超声波雷达MobileyeCANCANCANETHETHETH交换机RS232工控机激光雷达算法盒子AUTO TIME 129 MANUFACTURING AND PROCESS|制造与工艺包括全球卫星导航系统（GNSS）、毫米波雷达、激光雷达、摄像头和惯性导航系统等5。无人驾驶教学车的定位方案主要采用北斗高精度定位系统。北斗高精度定位系统由北斗高精度定位测向接收机、卫星天线和地面基站三部分组成，共同完成高精度定位任务。RTK 的工作原理是将一台接收机置于基准站上，另一台接收机置于移动站上，基准站和移动站同时接收同一时间、同 GNSS 卫星发射的信号，基准站通过比较观测值与位置信息得到GNSS 的差分修改值，将修改值传递给移动站，从而得到精确的定位信息。本次采用北斗高精度定位测向接收机是上海华测推出的新一代高精度定位测向终 端，通 过 双 天 线 定 位 测 向 GNSS 接 收机，可以精确判断移动载体的位置、速度和航向信息，定位精度可达厘米级，测向精度可达 0.2（1m 基线）。卫星天线分为前天线（测向 GNSS2），后天线（定位GNSS1），注意前后方向不可反接，用吸盘固定好位置，前后天线距离在条件允许的情况下应 1m。基准站采用 P3C 三星八频分体式北斗高精度参考站接收机，该产品支持北斗、GPS 以 GLONASS 卫星系统，可提供毫米级载波相位观测值，精度高、稳定性强、通用性高，适用于各种高精度测绘、形变监测、机械控制、交通、气象、科研以及其他高精度定位应用领域。使用前需要对基站进行标定，连接好仪器之后，使用电源线上的串口连接电脑，打开调试软件进行标定。基站如果是移动的每次使用都需要进行标定，也可固定下来则不需要每次使用都进行标定。3.4底盘线控改