基于經(jīng)典PID算法的智能車(chē)系統(tǒng)研究

1、自動(dòng)化與儀器儀表年第期（總第期） 收稿日期：作者簡(jiǎn)介：吳全玉（），男，安徽碭山人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)應(yīng)用、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)?；痦?xiàng)目：高校優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目（）基于經(jīng)典算法的智能車(chē)系統(tǒng)研究吳全玉，張曉東，晁曉琪，徐宇寶（皖西學(xué)院機(jī)械與電子工程系六安，）摘要：如何根據(jù)各種傳感器輸入的信息快速識(shí)別出前方道路的情況，是智能車(chē)系統(tǒng)控制領(lǐng)域研究的難點(diǎn)。本文用作為核心處理器，完成智能車(chē)電源、驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集處理和測(cè)速等模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上提出了基于經(jīng)典路況識(shí)別的控制算法。通過(guò)大量的實(shí)踐和調(diào)試總結(jié)出算法的各項(xiàng)系數(shù)參考表，使我們的智能車(chē)系統(tǒng)在參賽時(shí)最終平均車(chē)速達(dá)到，入彎道時(shí)最大速度達(dá)到

2、，基本上滿(mǎn)足全程高速運(yùn)行的要求。關(guān)鍵詞：智能車(chē)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理；經(jīng)典Abstract: In the smart car control systems, a key problem is how to recognize the road status by the information coming fromsensors. In this paper, we designed a smart car based on a core processor of MC9SDG128B, including the power module, drive module,data processi

3、ng and speed detecting module. In order to make the smart car recognize the road status well, we have given the classicalPID control algorithm and its significant coefficients on many experiments. Finally, in the contest the average speed of our smart car hasreached 1.75m/s, and the curve max speed

4、has reached2m/s, all of these basically satisfy the high speed request.Key words: Systems of smart car ; MC9SDG128B ; Data processing ; Classical PID control algorithm中圖分類(lèi)號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)：（）引言隨著智能交通系統(tǒng)的研究在各國(guó)越來(lái)越被重視，智能車(chē)的系統(tǒng)控制技術(shù)也成為一項(xiàng)新興技術(shù)，教育部決定舉辦基于高速發(fā)展的智能車(chē)技術(shù)為背景的“飛思卡爾杯”全國(guó)大學(xué)生智能車(chē)大賽。信號(hào)處理技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)使智能車(chē)能夠以最合適的速度自主循線(xiàn)，

5、在碰到傳感器盲點(diǎn)時(shí)能主動(dòng)找正，實(shí)時(shí)判斷車(chē)體是否處正常狀態(tài)并及時(shí)修正。同時(shí)本系統(tǒng)的研究可以為無(wú)人駕駛汽車(chē)的后續(xù)研究提供經(jīng)驗(yàn)。硬件總體設(shè)計(jì)根據(jù)智能車(chē)的功能要求進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，將各個(gè)功能進(jìn)行模塊化，本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的智能車(chē)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)綜合了傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)，如圖所示。中央處理器采用單片機(jī)，可以通過(guò)（）在線(xiàn)編程，控制所有的外圍設(shè)備及傳感系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行。圖硬件系統(tǒng)控制圖舵機(jī)用來(lái)控制智能車(chē)的轉(zhuǎn)向，四個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)使智能車(chē)的后輪做前后運(yùn)動(dòng)?；魻杺鞲衅鲗?shí)時(shí)測(cè)量智能車(chē)的速度，數(shù)字式光電傳感器組采集前方道路的信息，同時(shí)智能車(chē)還帶有制動(dòng)控制裝置。數(shù)據(jù)采集與處理利用多對(duì)數(shù)字型光電傳感器，將整個(gè)賽道分

6、為多個(gè)區(qū)域，直接以傳感器組反饋回來(lái)一組二進(jìn)制數(shù)組值，來(lái)判斷黑線(xiàn)的位置，這種查詢(xún)方式的優(yōu)勢(shì)在于算法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際中，使用的也是這種算法，但是有了一定的改進(jìn)，并不直接以傳感器反饋回來(lái)的值，而是通過(guò)這組值來(lái)計(jì)算黑線(xiàn)的中心的方法，這樣，可以使反映黑線(xiàn)位置的值，變的更加平滑連續(xù)，同時(shí)也有利于轉(zhuǎn)向舵機(jī)的位置調(diào)節(jié)。利用單片機(jī)的個(gè)采集口，也就對(duì)應(yīng)著同時(shí)能采集路數(shù)據(jù)，此路數(shù)據(jù)將整個(gè)空間分成多個(gè)區(qū)域，通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)找到路徑的關(guān)鍵路徑。采集到黑線(xiàn)是轉(zhuǎn)換后的值小于，而白線(xiàn)一般大于。但在實(shí)際應(yīng)用中，將面臨一定的隨機(jī)擾動(dòng)且這些擾動(dòng)往往不是單一的，有時(shí)既要消除脈沖干擾，又要作數(shù)據(jù)平滑。例如為防止脈沖擾動(dòng)的平均值濾

7、波算法就是一種應(yīng)用，但這種算法要求大量數(shù)據(jù)，因此我們選擇程序判斷濾波的方法。通過(guò)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)相鄰兩次采樣值之間的變化有一定的限度。程序判斷濾波就是確定出相鄰兩次采樣信號(hào)最大偏差，若超出此偏差值，則表明該輸入信號(hào)是干擾信號(hào)，應(yīng)去掉；若小于此偏差值，可將信號(hào)作為本次采樣值。程序判斷濾波根據(jù)濾波方法的不同，可分為限幅濾波和限速濾波種。限幅濾波把兩次相鄰的采樣值相減，求出其增量（以絕對(duì)值表示），然后與兩次采樣允許的最大差值（由被控對(duì)象的實(shí)際情況決定）進(jìn)行比較，若小于或等于，則取本次采樣值；若大于，則仍取上次采樣值作為本次采樣值。即（）式所示：（）具體應(yīng)用時(shí)，關(guān)鍵的問(wèn)題是最大允許差的選取，太大，就不能濾出

8、各種干擾信號(hào)，使系統(tǒng)誤差增大；太小，又會(huì)使某些有用信號(hào)被泄露，使計(jì)算機(jī)采樣效率變低。因此，門(mén)限值的選取是非常重要的。通?？筛鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得，而我們是由實(shí)驗(yàn)得出。限速濾波最多可用次采樣值來(lái)決定采樣結(jié)果，設(shè)順序采樣時(shí)刻、的采樣值分別為（）、（）、（），則如式（）所示。（）限速濾波較為折中，既照顧了采樣的實(shí)時(shí)性，又顧及 了采樣值變化的連續(xù)性。此次采集中將各傳感器的值存入臨時(shí)數(shù)組中，連續(xù)采集次，每次都放入一個(gè)數(shù)組中，各次采集中有一定的延時(shí)。將處理過(guò)后的傳感器的測(cè)量讀數(shù)存入數(shù)組中，遍歷數(shù)組并找到數(shù)組最大值及次最大值，如果次最大值大于最大值所對(duì)應(yīng)的傳感器及其左右兩傳感器，如果不是就取消此次采樣，利用上一次

9、的樣值。采樣成功時(shí)，結(jié)合最大值和左右兩傳感器采集的值，利用三個(gè)管子的位置和權(quán)重值來(lái)計(jì)算出黑線(xiàn)的準(zhǔn)確位置。另外一個(gè)信號(hào)是速度信號(hào)，對(duì)于速度的采集采用霍爾傳感器已能很好的反應(yīng)速度的變化?？刂栖浖O(shè)計(jì)與分析算法的工作原理 智能車(chē)自動(dòng)控制算法采用了經(jīng)典的算法，包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和直行，即把測(cè)量到的關(guān)心的變量與期望值相比較，然后用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。在實(shí)際應(yīng)用中，控制算法所控制規(guī)律為比例、積分和微分控制，即從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度來(lái)考慮，各參數(shù)的作用：的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，但過(guò)大會(huì)增大超調(diào)，故在初始階段取較小的值，過(guò)渡過(guò)程取較大值，過(guò)渡期后應(yīng)改小，使

10、系統(tǒng)超調(diào)減??；用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，過(guò)大的會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大；改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，在調(diào)節(jié)初期應(yīng)取小值，在過(guò)程中也不能過(guò)大，之后應(yīng)該將增強(qiáng)以獲得好的動(dòng)態(tài)性能；過(guò)大會(huì)使調(diào)節(jié)過(guò)程出現(xiàn)超前減速。（）式給出離散控制算法公式。（）方向控制算法在本智能車(chē)系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，對(duì)于舵機(jī)控制當(dāng)它的積分環(huán)節(jié)為時(shí)，智能車(chē)表現(xiàn)出較好的性能，因此舵機(jī)控制車(chē)體轉(zhuǎn)向采用了控制算法。由于智能車(chē)運(yùn)行速度和方向平方成反比，并且跟當(dāng)前速度的最大值成正比，這就要求車(chē)速也要符合這一規(guī)則。由于比例調(diào)節(jié)（）的作用是按比例反映系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差。微分調(diào)節(jié)（）的作用是反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具

11、有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。在智能車(chē)行駛的過(guò)程中，通常只關(guān)心未來(lái)的道路趨勢(shì)，所以在本系統(tǒng)中沒(méi)有采用積分調(diào)節(jié)控制（），故將控制器簡(jiǎn)化成控制器。在控制的過(guò)程中，當(dāng)黑線(xiàn)跑道不在小車(chē)的中央的時(shí)候，小車(chē)即產(chǎn)生了一個(gè)偏差，此時(shí)應(yīng)用控制算法來(lái)消除這個(gè)偏差，從而達(dá)到讓黑線(xiàn)跑道保持在小車(chē)中央的目的。通過(guò)每個(gè)傳感器的相對(duì)值與傳感器位置作加權(quán)平均就可以計(jì)算出車(chē)模相對(duì)于黑色引導(dǎo)線(xiàn)的橫向偏移。實(shí)際中可以把道路分為種類(lèi)型：直道、型道和彎道；在不同的路況參數(shù)應(yīng)取不同的值。對(duì)路況的判斷，通過(guò)測(cè)試位于小車(chē)中心線(xiàn)左右傳感器可以判斷不同的路況。其中最難判斷的

12、是連續(xù)彎道。在連續(xù)彎道處，舵機(jī)的轉(zhuǎn)向會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)左右不斷改變。故取兩個(gè)標(biāo)志指針用以指示方向改變情況，用以判斷路況。圖舵機(jī)控制圖速度控制算法要設(shè)計(jì)出一輛好的智能車(chē)系統(tǒng)，它的啟動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)肯定是兩個(gè)重要的部分。在本智能車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，我們使用了的控制算法。當(dāng)小車(chē)檢測(cè)到處于直線(xiàn)的跑道時(shí)，會(huì)在的控制調(diào)節(jié)下很快的加速到一定的速度上，這個(gè)過(guò)程也就是加速過(guò)程需要的時(shí)間減少了。同樣，在小車(chē)從直道進(jìn)入彎道時(shí)，需要很快的減速。此時(shí)當(dāng)反饋回來(lái)的速度和給定速度偏差很大時(shí)，在控制器能夠快速、穩(wěn)定地將小車(chē)從當(dāng)前的高速狀態(tài)，調(diào)節(jié)到能夠安全入彎的低速狀態(tài)。從而減少了入彎的時(shí)間，以達(dá)到快速入彎的理想狀態(tài)。速度控制的理論

13、框圖如圖所示。圖電機(jī)控制圖基于經(jīng)典算法的智能車(chē)系統(tǒng)研究吳全玉，等（下轉(zhuǎn)第頁(yè)）結(jié)論通過(guò)對(duì)液壓定位系統(tǒng)及基于方程的方式對(duì)其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了基于等效控制和基于滑模控制的兩種控制器。而本文采用后者滑動(dòng)模態(tài)控制器?；？刂破骶哂幸粋€(gè)很大的特點(diǎn)：即進(jìn)入滑動(dòng)面，便可在受外界影響的條件下仍然迅速的到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。最后通過(guò)仿真證明，在液壓定位系統(tǒng)中，即使陣不穩(wěn)定，也可通過(guò)使用狀態(tài)反饋的數(shù)學(xué)方法使整套系統(tǒng)達(dá)到最佳的穩(wěn)定狀態(tài)。 參考文獻(xiàn)孟珺遐，王渝，王西彬高精度電液系統(tǒng)的模糊滑?？刂品抡嫜芯侩娮涌萍即髮W(xué)學(xué)報(bào)，（）：張?jiān)?，郭振云，魯中華導(dǎo)彈高度控制變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中方法應(yīng)用導(dǎo)箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，（）：，：，：，：李友善，

14、李軍模糊控制理論及其在過(guò)程控制中的應(yīng)用北京：國(guó)防工業(yè)出版社，孫常勝，劉妃，陳杰坦克穩(wěn)定器滑動(dòng)模態(tài)變結(jié)構(gòu)控制計(jì)算機(jī)仿真，（）：（上接第頁(yè)）智能車(chē)安全行駛時(shí)，在不同的道路上是不一樣的。直道時(shí)，為保證較快的反應(yīng)速度，使工作在一個(gè)有界范圍內(nèi)，超過(guò)該范圍時(shí)電機(jī)是，低于下界時(shí)電機(jī)是，界于兩值之間使用控制。另外，為了體現(xiàn)系統(tǒng)的完整性，圖給出系統(tǒng)整個(gè)程序設(shè)計(jì)流程圖。 圖軟件系統(tǒng)總圖結(jié)論車(chē)速調(diào)試為了得到快速穩(wěn)定的加減速特性，本設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試。調(diào)試方法：利用程序設(shè)定小車(chē)以一定的速度在跑道上行駛，將小車(chē)有靜止加速到穩(wěn)定狀態(tài)的速度值和由最高速度減到穩(wěn)定過(guò)彎的速度變化值記錄到單片機(jī)的中，通過(guò)串口即可將這些信

15、息輸入到電腦上進(jìn)行顯示與分析。實(shí)驗(yàn)中得出的參數(shù)值如表所示。表電機(jī)調(diào)試參數(shù) 舵機(jī)轉(zhuǎn)向調(diào)試調(diào)試得到最佳的參數(shù)使小車(chē)能夠在不同的路線(xiàn)上能夠給出合適的轉(zhuǎn)角。這樣小車(chē)在直道上就可以避免振蕩，在彎道上能夠更平滑的追蹤黑線(xiàn)跑道。調(diào)試方法和電機(jī)調(diào)試方法類(lèi)似。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)分析出最佳的參數(shù)，如表所示。表舵機(jī)調(diào)試參數(shù)經(jīng)過(guò)調(diào)試，智能車(chē)性能逐步得到提高，能夠準(zhǔn)確的循跡和以較大的加速度在較短的加速時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并且能夠穩(wěn)定平滑的入彎和快速出彎，同時(shí)智能車(chē)的啟動(dòng)和制動(dòng)性能也得到很好的調(diào)節(jié)。參考文獻(xiàn)周彬，王爍，李倩第二屆全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車(chē)競(jìng)賽技術(shù)報(bào)告北京：韓飛，陳放，戴春博第三屆全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車(chē)競(jìng)賽技術(shù)報(bào)告上海：卓晴，黃開(kāi)勝，邵貝貝學(xué)做智能車(chē)挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯北京航空航天大學(xué)出版社，：魏玉虎，石琛宇，姜建釗，常華基于視覺(jué)的智能車(chē)轉(zhuǎn)向控制策略電子技術(shù)應(yīng)