基于CAN协议的自动驾驶车辆线控系统研究

摘要：伴随着自动控制理念和汽车电子控制技术的进步，越来越多的线控技术在汽车领域开始应用。文章旨在探索智能汽车底盘和线控技术的应用，通过对试验车辆的硬件系统进行创新改装，包括线控转向和线控制动等关键部件的优化，同时集成特定传感器，通过CANTest软件解析信号帧数据变化规律，从而验证经硬件改造后试验车可以具备控制器局域网（CAN）通信功能。本研究能够为智能驾驶技术的发展提供实质性支持，对现有车辆进行线控改造及通讯控制提供了较为完善的方案。

截至2020年，由于技术成熟且技术壁垒相对较低，线控油门的渗透率已接近100%；而线控换挡的渗透率约为25%，正处于快速发展阶段。然而，线控底盘的核心技术，包括线控转向、线控制动、线控油门和线控悬架，其渗透率不到10%，仍处于大规模商业化前夜阶段。当前线控底盘技术还有很大的研发空间，传统结构对实现自动驾驶的车辆控制仍有一定影响。智能汽车的线控系统通常将底盘线控系统的几个子系统有机整合在一起。

在优化了机械连接之后，车辆的智能化程度越来越高，整个电子系统的结构更为复杂，线控底盘的安全可靠性是研究者不能忽视的，因而进行线控转向与线控制动的研究是非常必要的。本研究选择从线控转向与线控制动进行研究控制简便、安全性高、控制精确的车辆底盘，有着极大的发展前景。

未来车辆的行业发展将更加趋向于线控化、电动化和智能化，底盘的线控化不仅是车辆线控技术的重要手段，也是推动无人驾驶和新能源汽车发展的关键之一，因此，自动驾驶车辆线控系统的研究尤为重要。

在线控制动方面，目前市场上主流的技术是电子液压制动系统，已经有多款量产产品问世，例如博世的iBooster和大陆的MKC1等。清华大学王治中[1]提出一种先进的分布式电液制动系统，能够实现高效、精准的液压控制技术。浙江大学吴军[2]则致力于电控液压制动系统的研究，进行了广泛的理论和实验来探索动态性能。吉林大学党瑞捷[3]则专注于集成电控制动系统的设计与实验研究，涵盖了方案制定、仿真模型构建、参数辨识等关键问题。

袁政等[4]针对传统矿卡不能满足汽车自动化的需求，对底盘进行线控化改造，将它们转换为电信号控制的方式。其中，线控转向系统通过在方向盘与转向器之间增加一套电动助力转向系统来实现，可通过CAN总线进行控制，直接作用于原车转向装置。而制动系统的线控改装是在原车制动踏板前方安装一块副踏板和线控制动装置。

通过上述文献可知，线控底盘在机械方面的应用发展涵盖了仿真模型构建、参数辨识等关键问题，但具体的实施过程和方案验证还需要进一步完善。

2 线控底盘改装验证技术路线

本文通过分析线控制动和线控油门等关键部件在改造过程中可能面临的技术挑战和解决方案，为改造实施提供了理论支持。在油门控制系统方面，通过使用万用表采集油门踏板在不同力度下的电压值，并将这些数据与控制算法相结合，可以实现对油门踏板从空置到最大踩踏量的精确控制，从而能够灵活调整车辆的速度，提升线控底盘的操控性能；在转向控制系统方面，通过在方向盘下方安装转角传感器和转矩传感器，以线控转向装置替换转向杆，可以实现线控转向的基本功能，并确保车辆能够沿预定轨迹行驶；在制动控制系统方面，对制动器的各个部件进行改装和优化，可以提高制动响应速度和稳定性，使得在试验过程中能够精确控制车辆的停止距离和制动力度，从而提升线控底盘的安全性和稳定性。

试验车结构在硬件改装的基础上，可以通过车载自动诊断系统（On-Board Diagnostics, OBD）连接创芯科技的CAN分析仪实现CAN协议通信，借助CANTest软件的配合和多次实车试验解析转向制动等工况下CAN协议的信号规律，随后通过惯性导航采集校园道路数据并根据经纬度数值绘制了车辆的运动轨迹路线图，由此来验证本课题线控改造硬件部分的可行性。本文技术路线如图1所示。

图1 技术路线图

3 线控底盘机械改装方案

3.1 油门控制系统改装

首先进行加速踏板信号线传递的信号类型测试，在油门的信号线之间添加继电器，以切换驾驶模式[5]。目标车辆的加速踏板具有两条信号线，图2中有两个继电器。在非自动驾驶状态下，继电器的85和86引脚之间没有电流流通，30引脚和87a引脚相连，这时汽车保持原始未改装的状态。而当切换到自动驾驶模式时，继电器的85和86引脚会激活，使得30引脚和87引脚相连，从而控制器可以接收来自下位机的信号。

图2 加速踏板控制转换电路

3.2 转向控制系统改装

转向盘结构包括两组传感器，分别是转向盘转角传感器和转向盘转矩传感器。

3.2.1 转向盘转角传感器改装

部分汽车配备了转角传感器，这些汽车可以通过CAN线直接读取传感器的信息。通过这些传感器，可以获取到方向盘的转角信息，并将其用于车辆控制系统中，从而实现更加精准和智能的驾驶体验[6]。

在转角传感器的改装中需要确定方向盘转角传感器以及信号线的位置，通过将两根信号线中间引出两个外接信号线并将这两个信号线与主控板相连，便可以读取方向盘转角信号。图3为电路接线图，可以通过这种方式实现对方向盘转角的精准检测，并将其用于车辆控制系统中[7]。

ECU（电子控制单元, Electronic Control Unit）。图3 接线图

在一些没有原装转角传感器的汽车上，可以通过在转向柱上安装转角传感器来实现转角检测。通过安装转角传感器并将其与CAN总线相连，可以实时获取方向盘转角的精确信息并且应用于车辆控制系统中，以提供更精确的驾驶控制和辅助功能。同时，CAN总线通信还可以将转角信息传输给车辆稳定性控制系统，以进一步提升驾驶的安全性和稳定性。

3.2.2 转向盘转矩传感器改装

电动汽车的助力转向一般都是电动机助力以助力电机的控制器的输入信号为转矩，可以直接对电机控制器输入转矩信号，通过助力电机实现转向。本文试验车的转矩传感器电路包含四根线束，确认好黑色线为搭铁后将红色线接+5 V电源，控制信号线分别记录好白色和黄色。

通过这些线束可以读取转矩传感器的信号，并将其用于车辆控制系统中。白色和黄色控制信号线通过传输转矩传感器的输出信号来测量转矩。黑色线作为搭铁提供电路的地连接，红色线通过连接+5 V电源为传感器供电。这样的转矩传感器电路可以获取到转矩信息，从而实现对转向系统的精准控制。通过解读这些信号，车辆控制系统可以根据转矩传感器的输出来进行相应的调整和反馈。

为了对本文试验车的助力转向进行改装，首先需要拨开转矩传感器的白色和黄色信号线，然后将与电动助力转向（Electric Power Steering, EPS）系统相连的信号线加装航空插头的母头，并与之对接的航空插头的公头2号端接继电器1的30端，4号端接继电器2的30端。最后将连接转矩传感器端的信号线同样加装航空插头的母头，并与之对接的航空插头的公头2号端接继电器1的87a端，4号端接继电器2的87a端。继电器30和87a端处于常闭状态，这时转矩传感器将正常工作，人工驾驶时可以使用转向系统进行控制[8]。图4为EPS接线图。

图4 EPS接线图

当需要进入自动驾驶状态时，继电器30与87a端将会断开，这时主控板开始控制方向盘转向，车辆进入自动驾驶状态。与控制加速踏板的原理类似，这种改装方法采用继电器开关来实现自动驾驶状态和手动驾驶状态之间的切换。这种方法通过控制继电器开关的状态，可以方便地切换车辆的驾驶模式，使得驾驶员可以随时选择手动或自动驾驶[9]。

在车辆的线控转向系统的改装试验中，在转向盘下方安装了专门的转向盘转矩传感器，并通过连接线与转向传感器和转角传感器相连并引出。在本试验中安装的转向和转矩传感器能够准确地感知转向数据，并将这些数据反馈到电动转向系统中，从而实现对车辆转向行为的精确反馈和控制。图5为线控转向改造部分的零件图和实车改造图。

3.3 制动控制系统改装

为了提升车辆的制动性能，可研发一种电子制动助力器，并将其安装在制动踏板和制动主缸之间以替换原车的制动助力器。该电子制动助力器采用线控制动总线协议格式为Motorola，波特率为500 K，帧格式为标准帧。此外，主缸还具有压力闭环控制，压力传感器5 V供电[10]。

图5 线控转向系统零件图

电子制动助力器的结构主要由电机、减速器、传感器等部件构成，在制动系统的改装时将其安装在制动踏板和制动主缸之间[11]。由于其采用了现代化的设计和制造技术能够更加可靠稳定地工作，可以为驾驶员提供更好的驾驶体验。值得注意的是，在安装助力器时要考虑前机舱和电子制动助力器的尺寸是否匹配，在实操过程中需要根据情况更换尺寸或者打磨机舱盖里的某些硬件设施。

在制动系统方面，本试验安装了一个先进的电子制动助力器，将其放置在原有的制动踏板和制动主缸之间，以取代原车的传统制动助力器。此外，为了更好地控制制动系统并实现数据的实时反馈，我们还并联了制动液压油管路的控制器，确保制动系统的稳定性和可靠性。

线控电子液压制动系统主要参数如图6所示，安装步骤为：首先使用安装螺栓将产品挂在安装横梁或安装支座上，使用空心螺栓连接产品与制动卡钳之间的高压胶管，连接胶管时应注意组合密封圈良好无损坏；然后将压力传感器安装到制动总缸第一压力腔上（靠近推杆端），注意组合密封圈良好无损坏，正确连接控制器线束和压力传感器线束；最后向储液罐内加入制动液直至液位上刻度线处。图7为电子液压制动系统的零件图和本试验中对于测试车辆制动踏板的改装。

图6 线控电子液压制动系统主要参数

图7 电子液压制动系统零件图

3.4 其他硬件可行性安装方案

若CAN总线中已经可以读取车速信息，则不需要额外安装旋转编码器。旋转编码器壳体通过杆件与车辆的车体连接在一起并且安装位置在车轮上，它的内部轴会随着车轮的旋转而旋转。这种安装方式能够实现对车轮旋转方向和速度的准确测量并将相关信息传输给控制系统进行处理。通过后期的试验验证了旋转编码器能够准确地测量车轮的旋转速度，并将数据传输给控制系统。

本文使用遥控器来实现对汽车的远程控制，安装遥控器的主要用途是在试验阶段具有启动和紧急停止功能。遥控器的天线设置在车顶部分，接收器安装在车内，并对其进行了测试和验证。

本试验将在车辆上方固定一个吸铁石底座用于安装急停开关，通过急停开关在使用过程中可以迅速切断电力传输或触发制动系统，以实现紧急制动车辆。

4 试验验证

4.1 试验背景

本文首先对实车的线控转向和线控制动系统进行了硬件改造，利用驾驶座附近的仪表板下方的OBD-II诊断接口，将CAN总线的高速和低速信号线连接到特定的引脚上，实现了OBD端口和CAN总线之间的连接。随后，使用创芯科技CANalyst-II分析仪读取数据，成功解析了CAN总线上传输的转角信号、油门信号和制动信号规律，并测试了经过硬件改装后的试验车在路径采集与跟踪方面的表现。这一系列试验旨在验证硬件改装方案的可行性。

测试路段为长安大学工训中心至北门整圈路段，其中包括直线、弯道和交叉口以及环岛等各种类型的路段，测试路段总长约35.7 km。在测试过程中通过高德导航进行初始数据的记录，使车辆保持巡航车速为9 km/h，可以确保试验数据的准确性和可靠性。测试路段和基本参数如图8所示。

图8 测试基本数据

4.2 试验过程及数据记录

4.2.1 解析CAN信号规律

本课题通过OBD与创芯科技CAN分析仪连接可以读取硬件改装后车辆的转向传感器数据和制动系统相关信息，这种连接方式可以通过CAN总线接口获取车辆包括转向传感器的读数以及制动系统的数据信息的实时数据，从而进行更深入的分析和诊断。根据对接收到的数据加以分析，可以初步判断本课题的硬件改装方案具有可行性。

OBD接口一般在方向盘下方，刹车踏板上方。通过OBD线与试验用创芯科技CAN分析仪相连，再使用USB连接线便可以通过软件进行反馈数据的分析。在选择设备为USBCAN-2E-U后，该设备将接收来自车辆的标准帧数据，具体数据展示如图9所示。

图9 CANTest通讯成功初始界面

在试验过程中，通过手动改变方向盘转角，观察到转角信号的ID值为00000379。当方向盘转角发生改变时，相应的帧数据也会按照一定的规律进行变动。如图10所示，当转向盘转速发生变化时，可以观察到帧数据中第三列数值的变化规律。

图10 线控转向读取数据文件

在试验过程中，通过踩制动踏板观察到了制动信号的ID值为000006D3。当制动踏板处于空置状态时，ID000006D3帧数据的最后一列的值为01；而在踩下制动踏板的过程中，这个值会由01逐渐变为05；当踩实制动踏板时，对应的帧数据则变为0D。这些变化过程可以通过图11清晰展示出来。

图11 线控制动数据文件

同样的，经过换挡试验，得出换挡信号的ID值为00000171。当制挡位处于空挡和P挡状态时，ID00000171帧数据的第三列的值为04；而在前进挡和倒挡时，这个值会在换挡过程中由04变为44。图12为空挡和P挡时的数据文件和前进挡和倒挡时的数据文件。

图12 换挡数据文件

另外，在进行CAN协议控车之前，进行了油门电压值的测试试验。图13展示了油门踏板处于空置状态和踩实状态时的电压数值。这些数据对于调整和控制车辆的动力输出至关重要，可以帮助我们在后续试验中根据给定的电压数值来实现对油门踏板的有效控制。

图13 油门踏板数据变化

4.2.2 路径采集试验

由4.1节可知，本试验测试路段总长约35.7 km，在测试过程中，车辆保持巡航车速为9 km/h，确保了试验数据的准确性和可靠性。

首先，运用惯性导航系统对车辆的路径信息进行了高精度的实时采集。借助加速度计、陀螺仪和其他传感器，能够准确记录车辆的位置、速度、加速度和转向角等关键数据。

将采集到的经纬度坐标转换为xy坐标后，可以利用这些数据生成车辆的运动轨迹图，如图14所示。通过分析这张图，我们可以观察车辆在空间中的具体移动路径并且了解车辆在不同道路和地形上的行驶情况。对车辆行驶路径的采集为后续的控制和路径跟踪工作奠定了基础，使得车辆在实际行驶中能够更加精准地按照设定的路径进行导航和移动。

图14 采集得到的数据路径图

综上所述，本课题针对试验车辆的线控制动系统、线控油门系统和线控转向系统进行了硬件改装，并对CAN协议信号的规律进行了深入分析，通过调试惯性导航系统成功实现了路径的采集。基于这一条轨迹采集数据，后续即可成功地使用改进后的线控系统和下位机对车辆进行轨迹跟踪，由此可验证本课题中线控底盘系统的改装能够有效实现对车辆的基础控制，为进一步的自动驾驶技术研究奠定了坚实的基础。

5 总结

本文针对试验车结构进行了硬件改装，可以实现CAN协议通信。通过CANTest软件的配合和多次实车试验解析了CAN协议的基本信号规律，并且通过路径采集试验可以生成车辆的运动轨迹路线图，从而验证本文线控底盘硬件改装方案的可行性。

在油门控制系统方面，通过万用表采集对油门踏板不同力度控制时的电压数值并将其与控制算法相结合，实现了对油门踏板空置和最大量的控制，并且能够调整车辆的速度，提高线控底盘的操控性。在转向控制系统方面，通过在方向盘下方加装转向盘转角传感器和转向盘转矩传感器，能够实现转向的基本操作并保持车辆在规定的轨迹上行驶。在制动控制系统方面对制动器各部件进行了改装和优化，提高了制动的响应速度和稳定性，在试验过程中能够控制车辆的停止距离和制动力度，从而提高线控底盘的安全性和稳定性。

通过上述试验对硬件的改装和优化，本文成功实现了CAN协议通信，为现有车辆的线控改造和通讯控制提供了较为完善的方案。