为城市开发的模块化电动机器人汽车

位于不来梅的德国人工智能研究中心DFKI (Deutsches Forschungszentrum fuer Kuenstliche Intelligenz)的机器人创新中心(RIC)展示了其在电动出行领域自主开发、升级、模块化和可重构车辆平台的一系列项目的经验，这些项目旨在满足城市生活的需求。EO智能互联汽车(EOscc)概念车家族以其形态适应性和针对一系列特定应用的模块化结构概念而闻名，这使其成为该领域的先驱。“EO”在拉丁语中是“我去”的意思。

EOscc1和EOscc2被设计为微型汽车大小的电动机器人车辆，其中必须满足复杂的机器人设计要求，其中包括扩展的机械功能需求，以及车辆的要求，例如高功率和健壮性。借助快速开发方法、优化和模块化可配置方法，EOscc2和EOscc1可以满足个人日常生活的移动需求。这两款车都是四轮驱动电动汽车，采用x线控制(转向-刹车-油门)控制，通过悬挂/轴设计和分散式动力系统(轮毂电机和无刷直流电机控制器)实现了扩展的机动性。

有了这些功能，车辆消除了城市交通的问题，如停车位不足，在极端交通情况下的机动性，等等。通过Car-2-Car、Car-2-Extender或Car-2-Infrastructure(充电站、出租站)的耦合机制，汽车达到了高度模块化。

范围扩展器和拾取模块等模块允许车辆扩展到公路列车模式，并基于硬件和软件可配置性。它们使应用程序具有更高的效率和个性化。由于这些特点，电动机器人系统相当复杂。为了应对这种复杂性，这些问题是通过设计和开发来解决的。

基于这一视角，EOscc1由24个独立可控的现成线性电动执行器组成，它们分别调整机械车身部分的位置，用于转向(从双阿克曼转向到侧开)、提升(从调整车轮高度到改变车辆的曲线倾斜)和折叠汽车。每个线性电动执行器，例如轮毂电机的无刷直流电机控制器，由工业中央PC (PC/104)通过四个不同的CAN网络(前轴、后轴、形貌、控制和电力电子)分别控制。这在基本物理总线拓扑中实现了更高的模块化和灵活性，以及更容易的系统开发，以及更少的安装和测试工作。

EOscc2是DFKI第二代模块化概念电动机器人汽车，优化和修改了悬挂和车身设计，以增强健壮性和扩展功能，旨在解决城市交通问题，实现自动驾驶。在EOscc2控制层的开发过程中，我们尽可能清晰地安排了整个系统，以EOscc1的经验为目标，实现一个可行的系统实现。因此，与EOssc1的控制层不同，EOscc2的“高级”控制层(在Robot Construction Kit框架上对机器人行为的感知和规划)和“中/低级”控制层(整个硬件组件的驱动)是分开的。

在EOscc2的开发过程中，内部设计并建造了一个线性驱动器。为了制造直线执行器，将集成了强大驱动电子设备的工业同步伺服电机与滚珠丝杠或顶点螺纹型主轴齿轮相结合。

执行器采用伺服控制电子设备，并通过CANopen网络进行通信，CANopen网络是分布式工业自动化系统的复杂和安全通信标准。EOscc2执行器的伺服电机为系统开发提供了必要的灵活性，以完成不同的任务，例如转向(介于32°至-92°之间)、提升(总长16厘米)、折叠(将停车空间从4.32 m²减少到2,84 m²)或其他身体部位的操作。它们被用作具有匹配物理特性和CANopen网络的伺服电机，可以添加多达127个伺服网络节点，而无需在控制软件上进行大量编程工作。

基于CiA 301标准的CANopen通信，以及可调节的设备轮廓和不同的电机控制功能，增加了机器人系统的动力学。特别是CANopen的一些特性，如标准化的设备功能和参数描述(Object Dictionary)，使系统简单明了，同时模块化和灵活。没有任何额外协议开销的“生产者-消费者模型”支持高效传输，因此一个节点的消息可以像广播消息一样传输到其他CANopen节点。这解决了机器人车辆复杂的同步关键控制任务。

为了实现对整个CANopen网络的控制，在Matlab/Simulink环境下，我们开始开发快速控制原型(RCP)方法，并根据CiA 402建立了基于模型的CANopen网络实验控制逻辑。随后，该网络管理和状态机控制逻辑子系统(见图3中的绿色Simulink模型)连接到中下层控制层(转向和提升执行器控制、转向/驱动/制动线控、通信和用户界面)和机器人系统的运动学模型，控制所有网络节点以及不同CAN网络上的其他车辆控制对象。

由于其模块化和可扩展性，同一软件模块可以在控制整个汽车的主模型中重复使用。然后在硬件在环(HIL)平台上对整个系统进行了测试。因此，RCP单元可以从开发的早期阶段开始迭代地用于设备控制和参数调优。

最后一步适应了微控制器的协议(32位ARM Cortex-M)的车辆控制单元(联邦),重用RCP模型和代码的某些部分,已经用C语言编写(见图4)。因此,联邦微控制器接管了CANopen网络管理任务(NMT)在不同的子程序,例如设置伺服电机(通过服务数据对象(SDO)直接访问对象字典(OBJ)和重新映射的过程数据对象(PDO)参数),以及观察和控制设备状态(状态和控制字管理)与500kbit /s CAN同步广播通信。

CANopen网络控制和设备管理的开发已成功转移到另一个平台，旨在升级Dabrem项目(大连不莱梅电力移动)中的4辆现有MIA电动汽车，以便操纵车辆的转向和制动系统，用于自动驾驶。

Mehmed Yuksel，德国Forschungszentrum für Künstliche智能(DFKI)。本文最初发表于自动化(CAN)通讯杂志．CiA是CFE媒体的内容合作伙伴。由制作编辑克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．

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