1、自動控制綜合設計無人駕駛汽車計算機控制系統指導老師：學校： 姓名：目 錄 一 設計的目的及意義二 智能無人駕駛汽車計算機控制系統背景知識三 系統的控制對象四 系統總體方案及思路1 系統總體結構2 控制機構與執行機構3 控制規律4 系統各模塊的主要功能5 系統的開發平臺6 系統的主要特色五 具體設計 1 系統的硬件設計2 系統的軟件設計六 系統設計總結及心得體會 一 設計目的及意義隨著社會的快速發展，汽車已經進入千家萬戶。汽車的普及造成了交通供需矛盾的日益嚴重，道路交通安全形勢日趨惡化，造成交通事故頻發，但專家往往在分析交通事故的時候，會更加側重于人與道路的因素，而對車輛性能的提高并不十分關注。

2、如果存在一種高性能的汽車，它可以自動發現前方障礙物，自動導航引路，甚至自動駕駛，那將會使道路安全性能得到極大提高與改善。本系統即為實現這樣一種高性能汽車而設計。二 智能無人駕駛汽車計算機控制系統背景知識智能無人駕駛汽車是一個集環境感知、規劃決策、多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統，它集中運用了計算機、現代傳感、信息融合、通訊、人工智能及自動控制等技術，是典型的高新技術綜合體。目前對智能汽車的研究主要致力于提高汽車的安全性、舒適性，以及提供優良的人車交互界面。近年來，智能車輛已經成為世界車輛工程領域研究的熱點和汽車工業增長的新動力，很多發達國家都將其納入到各自重點發展的智能交通系統當中。通過對

3、車輛智能化技術的研究與開發，可以提高車輛的控制與駕駛水平，保障車輛行駛的安全通暢、高效。對智能化的車輛控制系統的不斷研究完善，相當于延伸擴展了駕駛員的控制、視覺和感官功能，能極大地促進道路交通的安全性。智能車輛的主要特點是以技術彌補人為因素的缺陷，使得即便在很復雜的道路情況下，也能自動地操縱和駕駛車輛繞開障礙物，沿著預定的道路軌跡行駛。三 系統的控制對象（1）系統中心控制部件（單片機）可靠性高，抗干擾能力強，工作頻率最高可達到25MHz，能保障系統的實時性。（2）系統在軟硬件方面均應采用抗干擾技術，包括光電隔離技術、電磁兼容性分析、數字濾波技術等。（3）系統具有電源實時監控、欠壓狀態自動斷電功

4、能。（4）系統具有故障自診斷功能。（5）系統具有良好的人性化顯示模塊，可以將系統當前狀態的重要參數（如智能車速度、電源電壓）顯示在LCD上。（6）系統中汽車驅動力為500N時，汽車將在5秒內達到10m/s的最大速度。四 系統總體方案及思路1 系統總體結構整個系統主要由車模、模型車控制系統及輔助開發系統構成。智能車系統的功能模塊主要包括：控制核心模塊、電源管理模塊、路徑識別模塊、后輪電機驅動模塊、轉向舵機控制模塊、速度檢測模塊、電池監控模塊、小車故障診斷模塊、LCD數據顯示模塊及調試輔助模塊。每個模塊都包括硬件和軟件兩部分。硬件為系統工作提供硬件實體，軟件為系統提供各種算法。2 控制機構與執行機

5、構智能車主要通過自制小車來模擬執行機構，自制小車長為34.6cm，寬為24.5cm，重為1.2kg，采樣周期為3ms，檢測精度為4mm。控制機構中，主控制核心采用freescale16位單片機MC9S12DG128B。系統在CodeWarrior軟件平臺基礎上設計完成，采用C語言和匯編語言混合編程，提供強大的輔助模塊，包括電池檢測模塊、小車故障診斷模塊、LCD數據顯示模塊以及調試輔助模塊。在路徑識別模塊，系統利用了freescaleS12系列單片機提供的模糊推理機。3 控制規律因為系統電機控制模塊控制小車的運動狀態，其在不同階段特性參數變化很大，故采用數字PID控制器，該控制器技術成熟，結構簡

6、單，參數容易調整，不一定需要系統的確切數字模型。4 系統各模塊的主要功能控制核心模塊：使用freescale16位單片機MC9S12DG128B，主要功能是完成采集信號的處理和控制信號的輸出。電源管理模塊：對電池進行電壓調節，為各模塊正常工作提供可靠的電壓。路徑識別模塊：完成跑道信息的采集、預處理以及數據識別。后輪電機驅動模塊：為電機提供可靠的驅動電路和控制算法。轉向舵機控制模塊：為舵機提供可靠的控制電路和控制算法。速度檢測模塊：為電機控制提供準確的速度反饋。電池監控模塊：對電池電量進行實時監控，以便科學的利用，保護電池。小車故障診斷模塊：對小車故障進行快速、準確的診斷。LCD數據顯示模塊：顯

7、示系統當前狀態的重要參數。調試輔助模塊：使得小車調試更加方便。5 系統的開發平臺系統軟件開發平臺采用CodeWarrior for S12，CodeWarrior是Metrowerks公司的，專門面向Freescale所有的MCU與DSP嵌入式應用開發的軟件工具，CodeWarrior for S12是面向以HC12或S12為CPU的單片機嵌入式應用開發的軟件包。包括集成開發環境IDE、處理器專家庫、全芯片仿真、可視化參數顯示工具、項目工程管理器、C交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及調試器。6 系統的主要特色（1）系統中引用了模糊推理機 模糊推理機是freescaleS12單片機一個重要的內部資源

8、，利用模糊推理的三個步驟模糊化、模糊邏輯推理、反模糊化，可以從路徑傳感信號，推理出精確的控制量。 （2）系統中采用了數字濾波技術數字濾波技術可靠性高、穩定性好、具有很強的靈活性、可以根據不同的干擾情況，隨時修改濾波程序和濾波方法。五 具體設計 1 系統的硬件設計系統硬件系統框圖如下：以下按各模塊來分別設計本硬件電路：（1） 電源管理模塊電源管理模塊的功能對電池進行電壓調節，為各個模塊正常工作提供可靠的工作電壓。電源管理模塊采用7.2V、2000mAh鎳鎘電池以及LM2576（5V），LM317（6V）穩壓芯片構成。（2） 微處理器微處理器是freescale公司推出的S12系列增強型的16位單

9、片機MC9S12DG128，該系列單片機在汽車電子領域有著廣泛的應用。（3） 路徑識別模塊路徑識別模塊是智能車系統的關鍵模塊之一，其設計的好壞直接影響到智能車控制系統的性能。目前能夠用于智能車輛路徑識別的傳感器主要有光電傳感器和CCD/CMOS傳感器。本設計紅外發射管和紅外接收管以及達林頓管ULN2803A作為路徑識別的傳感器。采用雙排傳感器的策略，第一排傳感器專門用于識別路徑以及記憶路徑的各種特征點，第二排傳感器專門用于識別起始位置與十字交叉路口，由于不同傳感器的功能不一樣，因此它們的布置與安裝位置也是不同。傳感器的設計主要包括傳感器布局，傳感器間隔距離，徑向探出距離，信號的采集幾部分構成。

10、（4） 后輪驅動和速度檢測模塊智能車前進的動力是通過直流電機來驅動的，本設計的驅動直流電機的型號為RS380SH，輸出功率為0.9W40W。在實際生活中，我們可能遇到彎道，為了能使模型車在過彎道的時候能快速地把速度減下來，電機驅動部分采用了兩塊MC33886組成的全橋式驅動電路，可以控制電機的反轉以達到制動的目的。在閉環控制系統中，速度指令值通過微控制器變換到驅動器，驅動器再為電機提供能量。速度傳感器再把測量的小車的速度量的實際值回饋給微控制器。以便微控制器進行控制。因此要對控制系統實行閉環控制，必須要有感應速度量的速度傳感器。常用的有軸編碼器，它主要用來測量旋轉軸的位置和轉速。（5） 轉向舵

11、機模塊凡是需要操作性動作時都可以用舵機來實現。本設計采用的舵機型號為HS925（SANWA），尺寸為39.4*37.8*27.8，重量56kg，工作速度0.11sec/60（4.8V），0.07sec/60（6.0V），堵轉力矩6.1kg。一般來講，舵機主要由以下基本分組成：舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機、控制電路板等。其中，直流馬達提供了原始動力，帶動減速齒輪組，產生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，輸出扭力也愈大，越能承受更大的重量，但轉動的速度也愈低。在設計中，為了提高舵機的響應速度和工作力矩，采用6.0V工作電壓。（6） 電源電壓檢測模塊智能車采用鎳鎘電池供電，由于鎳鎘電池

12、具有記憶效應，對電池的不完全放電會認為降低電池的電容量，同時深度放電又會導致電池內部結構變化，造成對電池的永久損害，因此，在智能車控制系統中加入電源監控模塊，當電池電壓低于6V時及時自動報警，并切斷電路，用來保護電池。本模塊用到的主要器件為光電耦合芯片TLP5212以及運算放大器LM324。（7） 液晶顯示模塊為了完善智能車控制系統的功能，使其更加人性化，同時為了方便測試，在設計中，加入液晶顯示模塊，把智能車系統當前狀態的一些重要參數顯示出來。本模塊用到的器件為LCD控制器HD44780。（8） 輔助調試模塊（紅外遙控）在智能車調試階段，小車經常出現啟停的情況，例如高速行駛的小車有時因為異常情

13、況沖出跑道，以這樣的速度碰到周圍的障礙物上，勢必損壞小車的部件，這個時候就需要小車立刻停下來。為此，在智能車系統上添加紅外遙控模塊，當想啟動小車或者想讓小車停止時，只需要按下遙控器上的按鍵，就可以很方便實現小車的啟停。本模塊主要用紅外接收器HS0038A和紅外遙控器來進行遙控控制。（9） 故障診斷模塊小車的故障診斷模塊原理很簡單，就是利用單片機的SCIO口，通過RS232接口與上位機連接起來，通過軟件編程，小車不斷的向上位機發送代碼，通過故障代碼就可以馬上診斷出故障源。2 系統的軟件設計在智能車系統中，軟件系統主要有以下幾個部分：路徑識別算法、后輪驅動電機控制算法、轉向舵機控制算法、速度檢測等

14、。單片機系統需要接收路徑識別電路的信號、車速傳感器的信號，采用某種路徑搜索算法進行巡線判斷，進而控制轉向伺服電機和直流驅動電機。控制策略的選擇對于小車的行駛性能是非常重要的，控制小車的最終目的就是要使小車在平穩行駛的前提下，盡可能地以最快速度和最短的路線行駛。下面簡要介紹各模塊的軟件算法。（1）后輪驅動電機控制算法電機控制算法的作用是接受指令速度值，通過運算向電機提供適當的驅動電壓，盡快盡量平穩地使電機轉速達到速度值，并維持這個速度值。換言之，一旦電機轉速達到了指令速度值，即使遇到各種不利因素的干擾下，也應保持速度值不變。因此我們采用數字控制器的連續化設計技術PID控制算法來控制本部分電路。數

15、學模型的設定我們設定系統中汽車車輪的轉動慣量可以忽略不計，并且認為汽車受到的摩擦阻力大小與汽車的運動速度成正比，摩擦阻力的方向與汽車運動方向相反。這樣，我們就可以用以下模型來仿真之。根據牛頓運動定律，該系統的動態數學模型可表示為：我們對系統的參數進行設定，設汽車質量m=1000kg，比例系數b=50N*s/m，汽車驅動力u=500N。根據系統的設計要求，系統中汽車驅動力為500N時，汽車將在5秒內達到10m/s的最大速度。同時我們可以將系統的最大超調量設計為10%，靜態誤差設計為2%。系統的開環階躍函數表示為了得到系統的傳遞函數，我們進行拉普拉斯變換。假定系統的初始條件為零，則：所以系統的傳遞

16、函數為：運用MATLAB編程實現該傳遞函數模型：m=1000b=50u=500num=1den=m bsys=tf(num,den)step(u*sys)title('系統開環節躍響應曲線')從圖上我們看出，系統不符合5秒的上升時間要求，故需要加上合適的控制器。PID控制器的設計PID控制器的傳遞函數為：我們運用湊試法來確定PID的各參數。首先我們確定采樣周期。采樣周期的選擇既不能過大也不能過小，過小會使采樣頻率較高，一方面會加重單片機的負擔，另一方面兩次采樣值的偏差變化太小，數字控制器的輸出值變化不大。同時采樣周期也不能太大，太大會降低PID控制器的準確性，從而不能正常發揮P

17、ID控制器的功能。綜上所述，我們首先選擇T=0.2s來進行實驗，如果效果不好，我們在對其進行微調。然后我們進行比例控制器的設計。比例控制器一般將加快系統的響應，在有靜差的情況下有利于減小靜差。我們首先設定Kp=100，則程序與仿真圖為：nc=100;dc=1;dd=tf(nc,dc)dz=c2d(dd,0.1,'tustin')np=1;dp=1000 50g=tf(np,dp)gd=c2d(g,0.1,'tustin')sysold=dz*gd;syscld=feedback(sysold,1)step(500*syscld);title('比例控制器

18、作用下的階躍響應（驅動力為500N）')從圖中可以看出，系統靜態值太高，而且上升時間也遠遠不能滿足設計要求。我們改變汽車驅動力為10N，再次進行仿真，仿真結果如下（程序中只需改動step語句為step（10*syscld）即可）：我們看到系統靜態值雖然產生了較大幅度的下降，但仍然不能滿足要求。我們再將Kp從100逐步增加，直至改為1500進行測試（程序改動為nc=1500），我們發現此時仿真靜態值與靜態誤差以及上升時間已基本滿足系統需求，從而我們完全可以通過繼續增加比例系數來調節系統特性，進而理論上可以省去積分環節。但是隨著比例系數的增加動態過程將讓人不滿意，其動態變化將過快，從而給駕

19、駛人員帶來身體上的不適（圖二為比例系數增至5000時的仿真波形，我們發現在0.1s的時間內，汽車速度將從2m/s驟增至5m/s），所以我們從人性化角度考慮，增加積分環節：圖二積分環節的加入可以調節系統的靜態誤差。我們設定Kp=1000，Ki=10,此時程序和仿真圖形如下：nc=1000 10dc=1 0dd=tf(nc,dc);dz=c2d(dd,0.1,'tustin')np=1;dp=1000 50g=tf(np,dp)gd=c2d(g,0.1,'tustin'); sysold=dz*gd; syscld=feedback(sysold,1); step(

20、10*syscld，10);title('比例積分控制器作用下的階躍響應')我們可以看到，此時靜態誤差過大，我們調節積分系數為50（改變程序為nc=1000 50），再次仿真：我們看到系統已基本實現設計要求，實際設計中可以不加入微分環節。鑒于此次設計為課程設計，為保證設計完整性，我們在加入微分環節來觀察一下微分環節對系統性能的影響。設Kd=10，則程序為：nc=10 1000 50dc=1 0dd=tf(nc,dc);dz=c2d(dd,0.1,'tustin')np=1;dp=1000 50g=tf(np,dp)gd=c2d(g,0.1,'tustin

21、'); sysold=dz*gd; syscld=feedback(sysold,1); step(10*syscld,10);title('比例積分微分控制器作用下的階躍響應')我們發現此圖與上圖區別不明顯，即微分作用不明顯，我們將微分系數更改為500（程序更改為nc=500 1000 50）：我們清楚的發現，系統初始值明顯變大，即微分作用可以加快系統的動態響應速度，減小調整時間，從而改善系統的動態性能。當采樣周期改為T=1s時，系統程序與仿真波形為：nc=500 1000 50dc=1 0dd=tf(nc,dc);dz=c2d(dd,1,'tustin

22、9;)np=1;dp=1000 50g=tf(np,dp)gd=c2d(g,1,'tustin'); sysold=dz*gd; syscld=feedback(sysold,1); step(10*syscld,10);title('比例積分微分控制器作用下的階躍響應 T=1s')我們可以看到效果遠遠不如T=0.1s時的情況。所以綜上所述，我們設計的PID控制器的傳遞函數為：，采樣周期為T=0.1s。然后，我們利用數字控制器的離散化設計步驟來設計本系統。通過前面的分析，我們知道被控對象的連續傳遞函數為：。其中，m=1000，b=50。因為零階保持器的傳遞函數為

23、：。所以得到廣義對象的脈沖傳遞函數為：對單位脈沖輸入信號的十倍，選擇。仿真程序如下：G=tf(0,0.0488,0,50,47.56,0,1,'variable','z-1')H=tf(0,1,0,1,1,'variable','z-1')R=tf(10,0,0,1,-1,0,1,'variable','z-1')Y=R*Hfigure(1)impulse(Y)He=1-HE=He*R D=H/(G*(1-H)U=E*Dfigure(2)impulse(U)從圖中可以看出，在十倍的單位階躍信號，采樣

24、周期為1s時，只需一拍輸出就能跟蹤輸入，誤差為零，非常好的達到了系統的設計要求。然后，我們再看一下增量型PID控制器的效果：當比例積分微分系數不變時，程序如下：kp=1000ki=50kd=500G=tf(1,0,1000,50)Gd=c2d(G,0.1,'z')num,den=tfdata(Gd,'v')u_1=0u_2=0y_1=0y_2=0e_1=0e_2=0q0=kp+ki*0.1+kd/0.1Aq1=-kp-2*kd/0.1q2=kd/0.1for k=1:1:1000t(k)=k*0.1r(k)=10y(k)=1-den(2)*y_1+num(2)*

25、u_1e(k)=r(k)-y(k)u(k)=q0*e(k)+q1*e_1+q2*e_2u(k)=u_1+u(k)u_2=u_1u_1=u(k)y_2=y_1y_1=y(k)e_2=e_1e_1=e(k)endplot(t,y)程序運行結果為：我們可以清楚地看到，除超調量超過系統要求外，其余要求均符合系統初始條件，我們可以通過增加微分系數來減小超調，直至使其滿足系統要求。（2）路徑識別模塊的軟件設計路徑識別模塊的工作框圖見下頁。智能車路徑識別算法是智能車軟件設計中最關鍵的一部分，智能車設計的大部分工作都是圍繞它來展開的。路徑識別算法概括起來有兩種：一種是靜態識別，所謂靜態識別就是只根據小車的當前

26、時刻的輸入量來識別小車的位置；另一種是動態識別，所謂動態識別就是根據小車的當前時刻以及前面的N個時刻的信號輸入量來識別小車的運動趨勢。路徑識別主要運用MC9S12DG128B內部的模糊推理機運用模糊邏輯的基本知識來實現。 本模塊也可以用數字PID控制算法來實現，鑒于后輪驅動電機控制算法已詳細的運用了PID來講述之，此處不再贅述。此處運用PID的思想即通過與數字地圖比較偏差，從而不斷調整小車路線，達到路徑識別的功能。（3）數字濾波技術在電動機數字閉環控制系統中，測量值是通過系統的輸出量進行采樣而得到的。它與給定值r（t）之差形成偏差信號，所以，測量值是決定偏差大小的重要數據。測量值如果不能真實地反映系統的輸出，那么這個控制系統就會失去它的作用。在實際中，對電動機輸出的測量值常混有干擾噪聲，用混有干擾的測量值作為控制信號，將引起誤動作，在有微分控制環節的系統中還會引起系統震蕩，危害極大。在本系統設計中，采用了移動平均濾波