(整理)自動(dòng)控制綜合設(shè)計(jì)-無人駕駛汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

1、自動(dòng)控制綜合設(shè)計(jì)無人駕駛汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)I JW 2 JClfj乓、"A t指導(dǎo)老師: 學(xué)校: 姓名:設(shè)計(jì)的目的及意義二智能無人駕駛汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)背景知識(shí)系統(tǒng)的控制對(duì)象四系統(tǒng)總體方案及思路系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 控制機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu) 控制規(guī)律 系統(tǒng)各模塊的主要功能 系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái) 系統(tǒng)的主要特色五具體設(shè)計(jì)1系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)六系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)及心得體會(huì)設(shè)計(jì)目的及意義隨著社會(huì)的快速發(fā)展，汽車已經(jīng)進(jìn)入千家萬戶。汽車的普及造成了交通供 需矛盾的日益嚴(yán)重，道路交通安全形勢日趨惡化，造成交通事故頻發(fā)，但專家往 往在分析交通事故的時(shí)候，會(huì)更加側(cè)重于人與道路的因素，而對(duì)車輛性能的提高本系統(tǒng)并不

2、十分關(guān)注。如果存在一種高性能的汽車，它可以自動(dòng)發(fā)現(xiàn)前方障礙物，自動(dòng) 導(dǎo)航引路，甚至自動(dòng)駕駛，那將會(huì)使道路安全性能得到極大提高與改善。即為實(shí)現(xiàn)這樣一種高性能汽車而設(shè)計(jì)。智能無人駕駛汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)背景知識(shí)智能無人駕駛汽車是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級(jí)輔助駕駛等功能 于一體的綜合系統(tǒng)，它集中運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代傳感、信息融合、通訊、人工智 能及自動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。目前對(duì)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(yōu)良的人車交互界面。近年來，智能 車輛已經(jīng)成為世界車輛工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和汽車工業(yè)增長的新動(dòng)力，很多發(fā)達(dá) 國家都將其納入到各自重點(diǎn)發(fā)展的智能交通系統(tǒng)當(dāng)

3、中。通過對(duì)車輛智能化技術(shù)的研究與開發(fā)，可以提高車輛的控制與駕駛水平，保相當(dāng)障車輛行駛的安全通暢、高效。對(duì)智能化的車輛控制系統(tǒng)的不斷研究完善， 于延伸擴(kuò)展了駕駛員的控制、視覺和感官功能，能極大地促進(jìn)道路交通的安全性。智能車輛的主要特點(diǎn)是以技術(shù)彌補(bǔ)人為因素的缺陷，使得即便在很復(fù)雜的道路情況下，也能自動(dòng)地操縱和駕駛車輛繞開障礙物，沿著預(yù)定的道路軌跡行駛。系統(tǒng)的控制對(duì)象(1) 系統(tǒng)中心控制部件(單片機(jī))可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，工作頻率最高可達(dá)到25MHz能保障系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。容性分析、系統(tǒng)在軟硬件方面均應(yīng)采用抗干擾技術(shù)，包括光電隔離技術(shù)、電磁兼 數(shù)字濾波技術(shù)等。(3)系統(tǒng)具有電源實(shí)時(shí)監(jiān)控、欠壓狀態(tài)自動(dòng)斷

4、電功能。(4)系統(tǒng)具有故障自診斷功能。(5)系統(tǒng)具有良好的人性化顯示模塊，可以將系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的重要參數(shù)(如智能車速度、電源電壓)顯示在 LCD上。(6)系統(tǒng)中汽車驅(qū)動(dòng)力為500N時(shí)，汽車將在5秒內(nèi)達(dá)到10m/s的最大速度。四系統(tǒng)總體方案及思路1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)主要由車模、模型車控制系統(tǒng)及輔助開發(fā)系統(tǒng)構(gòu)成。智能車系統(tǒng)的功能模塊主要包括：控制核心模塊、電源管理模塊、路徑識(shí)別 模塊、后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制模塊、速度檢測模塊、電池監(jiān)控模塊、 小車故障診斷模塊、LCD數(shù)據(jù)顯示模塊及調(diào)試輔助模塊。每個(gè)模塊都包括硬件和 軟件兩部分。硬件為系統(tǒng)工作提供硬件實(shí)體，軟件為系統(tǒng)提供各種算法。2控制機(jī)構(gòu)與

5、執(zhí)行機(jī)構(gòu)34.6cm，寬為智能車主要通過自制小車來模擬執(zhí)行機(jī)構(gòu)，自制小車長為24.5cm，重為1.2kg，采樣周期為3ms檢測精度為4mm控制機(jī)構(gòu)中，主控制核心采用 freescale16 位單片機(jī)MC9S12DG128B系統(tǒng)LCD數(shù)據(jù)顯示模塊在CodeWarrior軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)完成，米用C語言和匯編語言混合編程，提供強(qiáng)大的輔助模塊，包括電池檢測模塊、小車故障診斷模塊、以及調(diào)試輔助模塊。在路徑識(shí)別模塊，系統(tǒng)利用了freescaleS12系列單片機(jī)提供的模糊推理機(jī)。3控制規(guī)律因?yàn)橄到y(tǒng)電機(jī)控制模塊控制小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),其在不同階段特性參數(shù)變化很大，故采用數(shù)字PID控制器，該控制器技術(shù)成熟,結(jié)構(gòu)

6、簡單，參數(shù)容易調(diào)整，不定需要系統(tǒng)的確切數(shù)字模型。4系統(tǒng)各模塊的主要功能控制核心模塊：使用freescale16 位單片機(jī)MC9S12DG128Bfe要功能是完成采集信號(hào)的處理和控制信號(hào)的輸出。電源管理模塊：對(duì)電池進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，為各模塊正常工作提供可靠的電壓。路徑識(shí)別模塊：完成跑道信息的采集、預(yù)處理以及數(shù)據(jù)識(shí)別。后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：為電機(jī)提供可靠的驅(qū)動(dòng)電路和控制算法。轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制模塊：為舵機(jī)提供可靠的控制電路和控制算法。速度檢測模塊：為電機(jī)控制提供準(zhǔn)確的速度反饋。電池監(jiān)控模塊：對(duì)電池電量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以便科學(xué)的利用，保護(hù)電池。小車故障診斷模塊：對(duì)小車故障進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的診斷。LCD數(shù)據(jù)顯示模塊：顯

7、示系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的重要參數(shù)。調(diào)試輔助模塊：使得小車調(diào)試更加方便。5系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)采用 CodeWarrior for S12，CodeWarrior 是 Metrowerks公司的，專門面向Freescale所有的MCI與DSP嵌入式應(yīng)用開發(fā)的軟件工具,CodeWarrior for S12 是面向以HC12或S12為CPU的單片機(jī)嵌入式應(yīng)用開發(fā)的 軟件包。包括集成開發(fā)環(huán)境IDE、處理器專家?guī)?、全芯片仿真、可視化參?shù)顯示 工具、項(xiàng)目工程管理器、C交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及調(diào)試器。6系統(tǒng)的主要特色(1)系統(tǒng)中引用了模糊推理機(jī)模糊推理機(jī)是freescaleS12單片機(jī)一個(gè)重要的內(nèi)

8、部資源，利用模糊推理的 三個(gè)步驟一一模糊化、模糊邏輯推理、反模糊化，可以從路徑傳感信號(hào)，推理出 精確的控制量。(2) 系統(tǒng)中采用了數(shù)字濾波技術(shù)數(shù)字濾波技術(shù)可靠性高、穩(wěn)定性好、具有很強(qiáng)的靈活性、可以根據(jù)不同的干 擾情況，隨時(shí)修改濾波程序和濾波方法。五具體設(shè)計(jì)1系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)框圖如下:電源監(jiān)控摸塊速度檢測模塊路徑識(shí)別模塊故障診斷模塊；電源管理模塊微處理器電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊<調(diào)試輔助模塊+*+LCD>W模塊:以下按各模塊來分別設(shè)計(jì)本硬件電路:(1)電源管理模塊電源管理模塊的功能對(duì)電池進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，為各個(gè)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

9、池以及LM2576(5V),LM317(6V穩(wěn)壓芯片構(gòu)成。(2)微處理器微處理器是freescale 公司推 出的S12系列增強(qiáng) 型的16位單片機(jī)MC9S12DG128亥系列單片機(jī)在汽車電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。(3) 路徑識(shí)別模塊路徑識(shí)別模塊是智能車系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一， 其設(shè)計(jì)的好壞直接影響到智能 車控制系統(tǒng)的性能。目前能夠用于智能車輛路徑識(shí)別的傳感器主要有光電傳感器和CCD/CMO傳感器。本設(shè)計(jì)紅外發(fā)射管和紅外接收管以及達(dá)林頓管ULN2803A作為路徑識(shí)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(shí)別路 徑以及記憶路徑的各種特征點(diǎn)，第二排傳感器專門用于識(shí)別起始位置與十字交叉 路口，

10、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(shè)計(jì)主要包括傳感器布局， 傳感器間隔距離，徑向探出距離，信號(hào)的采集 幾部分構(gòu)成。(4) 后輪驅(qū)動(dòng)和速度檢測模塊智能車前進(jìn)的動(dòng)力是通過直流電機(jī)來驅(qū)動(dòng)的，本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的型號(hào) 為RS-380SH輸出功率為0.9W 40W在實(shí)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(shí)候能快速地把速度減下來，電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采用了兩塊MC3388ffi成的全橋式驅(qū)動(dòng)電路，可以控制電機(jī)的反轉(zhuǎn)以達(dá)到制動(dòng)的目的。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，速度指令值通過微控制器變換到驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器再為電機(jī)提供能量。速度傳感器再把測量的小車的速度量的實(shí)際值回饋給微控

11、制器。以 便微控制器進(jìn)行控制。因此要對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)行閉環(huán)控制，必須要有感應(yīng)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(zhuǎn)軸的位置和轉(zhuǎn)速。(5) 轉(zhuǎn)向舵機(jī)模塊凡是需要操作性動(dòng)作時(shí)都可以用舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用的舵機(jī)型號(hào)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(zhuǎn)力矩6.1kg。一般來講，舵機(jī)主要由以下基本分組成: 舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)、控制電路板等。其中，直流馬 達(dá)提供了原始動(dòng)力，帶動(dòng)減速齒輪組，產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大, 輸出扭力也

12、愈大，越能承受更大的重量，但轉(zhuǎn)動(dòng)的速度也愈低。在設(shè)計(jì)中，為了 提高舵機(jī)的響應(yīng)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，由于鎳鎘電池具有記憶效應(yīng)，對(duì)電池的不完全放 電會(huì)認(rèn)為降低電池的電容量，同時(shí)深度放電又會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化， 造成對(duì)電池的永久損害，因此，在智能車控制系統(tǒng)中加入電源監(jiān)控模塊，當(dāng)電池電壓低 于6V時(shí)及時(shí)自動(dòng)報(bào)警，并切斷電路，用來保護(hù)電池。本模塊用到的主要器件為 光電耦合芯片TLP521-2以及運(yùn)算放大器LM324(7) 液晶顯示模塊為了完善智能車控制系統(tǒng)的功能，使其更加人性化，同時(shí)為了方便測試，在設(shè)計(jì)中，加入液晶顯示模塊，把智能車系統(tǒng)

13、當(dāng)前狀態(tài)的一些重要參數(shù)顯示出來。本模塊用到的器件為LCD控制器HD44780(8) 輔助調(diào)試模塊(紅外遙控)在智能車調(diào)試階段，小車經(jīng)常出現(xiàn)啟停的情況，例如高速行駛的小車有時(shí)因 為異常情況沖出跑道，以這樣的速度碰到周圍的障礙物上，勢必?fù)p壞小車的部件, 這個(gè)時(shí)候就需要小車立刻停下來。 為此，在智能車系統(tǒng)上添加紅外遙控模塊, 想啟動(dòng)小車或者想讓小車停止時(shí)，只需要按下遙控器上的按鍵，就可以很方便實(shí)現(xiàn)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(jìn)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(jī)的SCI0 口，通過RS-232 接口與上位機(jī)連接起來，通過軟件編

14、程，小車不斷的向上位機(jī)發(fā)送代碼，通過故 障代碼就可以馬上診斷出故障源。2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)在智能車系統(tǒng)中，軟件系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)部分：路徑識(shí)別算法、后輪驅(qū)動(dòng) 電機(jī)控制算法、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制算法、速度檢測等。單片機(jī)系統(tǒng)需要接收路徑識(shí)別 電路的信號(hào)、車速傳感器的信號(hào)，采用某種路徑搜索算法進(jìn)行巡線判斷， 進(jìn)而控 制轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)?？刂撇呗缘倪x擇對(duì)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(wěn)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(qū)動(dòng)電機(jī)控制算法電機(jī)控制算法的作用是接受指令速度值，通過運(yùn)算向電機(jī)提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電 壓，盡快盡量

15、平穩(wěn)地使電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到速度值，并維持這個(gè)速度值。換言之，一旦 電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到了指令速度值，即使遇到各種不利因素的干擾下，也應(yīng)保持速度值 不變。因此我們采用數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)PID控制算法來控制本部分電路。數(shù)學(xué)模型的設(shè)定我們?cè)O(shè)定系統(tǒng)中汽車車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以忽略不計(jì)，并且認(rèn)為汽車受到的摩擦阻力大小與汽車的運(yùn)動(dòng)速度成正比，摩擦阻力的方向與汽車運(yùn)動(dòng)方向相反。這樣，我們就可以用以下模型來仿真之。根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型可表示為:ma bv uy u我們對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，設(shè)汽車質(zhì)量m=1000kg比例系數(shù)b=50N*s/m,汽車驅(qū)動(dòng)力u=500N。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)中汽車驅(qū)動(dòng)力

16、為500N時(shí)，汽車將在5秒內(nèi)達(dá)到10m/s的最大速度。同時(shí)我們可以將系統(tǒng)的最大超調(diào)量設(shè)計(jì)為10%靜態(tài)誤差設(shè)計(jì)為2%系統(tǒng)的開環(huán)階躍函數(shù)表示為了得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，我們進(jìn)行拉普拉斯變換。假定系統(tǒng)的初始條件為零，則:msVS) bV(s) U(s) Y(s) V(s)所以系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:Y(s) 1U (s) ms b運(yùn)用MATLABS程實(shí)現(xiàn)該傳遞函數(shù)模型:m=1000b=50u=500nu m=1den=m bsys=tf( nu m,de n)ste p( u*sys)title（'系統(tǒng)開環(huán)節(jié)躍響應(yīng)曲線'）Figure 1FileEdit View/ Insert Tools

17、Desktop Wlndcw Help cSHffl色的®區(qū)CIB 右系烷并環(huán)階融響應(yīng)曲蛾10204060 80Timeesc10012：i器。從圖上我們看出，系統(tǒng)不符合5秒的上升時(shí)間要求,故需要加上合適的控制PID控制器的設(shè)計(jì)PID控制器的傳遞函數(shù)為:D(s)ElKp(i 1爲(wèi)TdS)KdSKdS2 KpS K| s我們運(yùn)用湊試法來確定PID的各參數(shù)。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(huì)使采樣頻率較高，一方面會(huì)加重單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，另一方面兩次采樣值的偏差變化太小，數(shù)字控制器的輸出值變化不大。同時(shí)采樣周期也不能太大，太大會(huì)降低PID控制器的準(zhǔn)確性，從而不能

18、正常發(fā)揮PID控制器的功能。綜上所述，我們首先選 擇T=0.2s來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如果效果不好，我們?cè)趯?duì)其進(jìn)行微調(diào)。然后我們進(jìn)行比例控制器的設(shè)計(jì)。比例控制器一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有 靜差的情況下有利于減小靜差。我們首先設(shè)定 Kp=100,則程序與仿真圖為:nc=100;dc=1;dd=tf( nc,dc)dz=c2d(dd,0.1,'tusti n')np=1;d p=1000 50g=tf( np,dp)gd=c2d(g,0.1,'tusti n')sysold=dz*gd;syscld=feedback(sysold,1)ste p(500*syscld);ti

19、tle('比例控制器作用下的階躍響應(yīng)（驅(qū)動(dòng)力為500N）501')Figure 1£ile Edi1 View/ Insert Tools desktop Window help a日a fe題QO®膜固 Q10O53040(152025Time百日可也例控制黑作用下的階麼響應(yīng)（動(dòng)力為5D0N ）52從圖中可以看出，系統(tǒng)靜態(tài)值太高，而且上升時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)要求。我們改變汽車驅(qū)動(dòng)力為10N,再次進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如下（程序中只需改動(dòng) step 語句為 step (10* syscid )即可)：Figure 1AAAFile Edit View Inse

20、rt Tools Desktop Windew Help 4HS心® 層 E 口比側(cè)控制罌作朋卞的階Si響應(yīng)（馳動(dòng)力為4DIM）_.fc101S202530354CITime迪我們看到系統(tǒng)靜態(tài)值雖然產(chǎn)生了較大幅度的下降，但仍然不能滿足要求。我們?cè)賹p從100逐步增加，直至改為1500進(jìn)行測試（程序改動(dòng)為nc=1500），我們發(fā)現(xiàn)此時(shí)仿真靜態(tài)值與靜態(tài)誤差以及上升時(shí)間已基本滿足系統(tǒng)需求，從而我進(jìn)而理論上可以省去積分環(huán)們完全可以通過繼續(xù)增加比例系數(shù)來調(diào)節(jié)系統(tǒng)特性，節(jié)。但是隨著比例系數(shù)的增加動(dòng)態(tài)過程將讓人不滿意,給駕駛?cè)藛T帶來身體上的不適（圖二為比例系數(shù)增至其動(dòng)態(tài)變化將過快，從而5000時(shí)

21、的仿真波形，我們發(fā)現(xiàn)在0.1s的時(shí)間內(nèi)，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(huán)節(jié)：PFFigure 1File Edit View Insert Tools Desktop Window 旦©Ip 食Q 背® 逼 00 出?？刂器鲎跤孟碌碾A躍響應(yīng)t馳動(dòng)力為WN) Wp=150051015Tims (sec)3 2 9 8 7 6 5Figure 1nie Edit view Ina&rt Tools Dookiop Window I口毀 0O®| 近 ICISl 國目320.2 10.&1.21 .dos 17i

22、m* (ieej比例腔制器作用hMrBKUWJi C 9時(shí)力為WNJ Kp=suuug5681 .e1 e積分環(huán)節(jié)的加入可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。我們?cè)O(shè)定Kp=1000, Ki=10,此時(shí)程序和仿真圖形如下:nc=1000 10dc=1 0dd=tf( nc,dc);dz=c2d(dd,0.1,'tusti n')np=1;d p=1000 50g=tf( np,dp)gd=c2d(g,0.1,'tust in');sysold=dz*gd;syscld=feedback(sysold,1);ste p(10*syscld , 10);titleC比例積分控制器作

23、用下的階躍響應(yīng)')II 1 111=1 P 1 1-T：r出 Iwn* 1 1 iw 1±i>-cm | u iFigure 1G G 0Hie Edit ViewInsert Tools Desktop Windew旦日Ip* 4 Q伺H B我們可以看到，此時(shí)靜態(tài)誤差過大，我們調(diào)節(jié)積分系數(shù)為50 （改變程序?yàn)閚c=1000 50),再次仿真:File Edit View Insert Tools Desktop Window Help* II IA 0 10I I |昭 !A_t*EinFigure 1怎釵目心®直匡I an比隔另疊制噩ft用下的階響應(yīng)123

24、7S91045 Glime Csec)U 9 S 7 S 53 2我們看到系統(tǒng)已基本實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求， 實(shí)際設(shè)計(jì)中可以不加入微分環(huán)節(jié)。 鑒于 此次設(shè)計(jì)為課程設(shè)計(jì)，為保證設(shè)計(jì)完整性，我們?cè)诩尤胛⒎汁h(huán)節(jié)來觀察一下微分 環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。設(shè)Kd=10,則程序?yàn)?nc=10 1000 50dc=1 0dd=tf( nc,dc);dz=c2d(dd,0.1,'tusti n')np=1;d p=1000 50g=tf( np,dp)gd=c2d(g,0.1,'tust in');sysold=dz*gd;syscld=feedback(sysold,1);ste p(10

25、*syscld,10);titleC比例積分微分控制器作用下的階躍響應(yīng)')J kJ LT 一 nFil& Edit ViewFigure 1Insert Tools Desktoip WlndoAf 旦創(chuàng)pfe致包甥迪 貶 E 1 n H比例積分鍛分控制器作用下的階瞅I®卷n甕iW002345673910Time (sec)我們發(fā)現(xiàn)此圖與上圖區(qū)別不明顯，即微分作用不明顯，我們將微分系數(shù)更改 為 500 (程序更改為 nc=500 1000 50):Hie Edit View Insert Tools Desktop Windew 旦日Ip心® 題 DE HQ

26、10523456Time藥 ecS 913g7-5我們清楚的發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)初始值明顯變大，即微分作用可以加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響 應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)采樣周期改為T=1s時(shí)，系統(tǒng)程序與仿真波形為:nc=500 1000 50dc=1 0dd=tf( nc,dc);dz=c2d(dd,1,'tusti n')np=1;d p=1000 50g=tf( np,dp)gd=c2d(g,1,'tust in');sysold=dz*gd;syscld=feedback(sysold,1);ste p(10*syscld,10);titleC比例積分微分控

27、制器作用下的階躍響應(yīng)T=1s')DdHS n nri534561a9Tirne (sec)比例積分珮分S制器作用下的階躍響應(yīng)T=1s10s873pri空d專我們可以看到效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如T=0.1s時(shí)的情況。所以綜上所述，我們?cè)O(shè)計(jì)的PID控制器的傳遞函數(shù)為:D(s)爰 1000S 50E(s)采樣周期為T=0.1s。1通過前面的分m=1000 b=50。然后，我們利用數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)步驟來設(shè)計(jì)本系統(tǒng)。析，我們知道被控對(duì)象的連續(xù)傳遞函數(shù)為： 丫廻。其中,U (s) ms bz 1)*20*Z1s-2011 ,(1 e20)z1507TV1 * 0.0488Z150 10.9512Z 1下

28、:對(duì)單位脈沖輸入信號(hào)的十倍，R(z)1 z,選擇z 1。仿真程序如G=tf(0,0.0488,0,50,47.56,0,1,'variable','zA-1')H=tf(0,1,0,1,1,'variable','zA-1')R=tf(10,0,0,1,-1,0,1,'variable','zA-1')Y=R*Hfigure(1)imp ulse(Y)He=1-HE=He*RD=H/(G*(1-H)U=E*Dfigure (2)imp ulse(U)*Figure 10 G OFile 實(shí)lit V

29、i GV/ Insert Tools desktop Window 旦創(chuàng) pA (±5, ei o ® 邏 Id I Impulse Response0987654321015202530limft (secj354550Figure 2File Edit y(ev/ Insert Tools Desktop Window 旦創(chuàng)pei o® « IS10Impulse Response電主d$1015202530lime28匚)4045從圖中可以看出，在十倍的單位階躍信號(hào)，采樣周期為1s時(shí)，只需一拍輸出就能跟蹤輸入，誤差為零，非常好的達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

30、。然后，我們?cè)倏匆幌略隽啃?PID控制器的效果:當(dāng)比例積分微分系數(shù)不變時(shí)，程序如下:kp=1000ki=50kd=500G=tf(1,0,1000,50)Gd=c2d(G,0.1,'z')nu m,de n=tfdata(Gd,'v')u_1=0u_2=0y_1=0y_2=0e 1=0e 2=0q0=k p+ki*0.1+kd/0.1Aq1=-k p-2*kd/0.1q2=kd/0.1for k=1:1:1000t(k)=k*0.1r(k)=10y(k)=1-de n(2) *y_1+ num( 2)*u_1e(k)=r(k)-y(k)u(k)=q0*e(k)+

31、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(yùn)行結(jié)果為:k £-nFigure 2I Hide F怕rTamilFile Edit View Insert Tools Desktop Windew Help eSHsfe，毆Q心® 毀 as我們可以清楚地看到，除超調(diào)量超過系統(tǒng)要求外，其余要求均符合系統(tǒng)初始 條件，我們可以通過增加微分系數(shù)來減小超調(diào)，直至使其滿足系統(tǒng)要求。(2) 路徑識(shí)別模塊的軟件設(shè)計(jì)路徑識(shí)別模塊的工作框圖見下頁。智能車路徑識(shí)別算法是智

32、能車軟件設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的一部分，智能車設(shè)計(jì)的大 部分工作都是圍繞它來展開的。路徑識(shí)別算法概括起來有兩種：一種是靜態(tài)識(shí)別,所謂靜態(tài)識(shí)別就是只根據(jù)小車的當(dāng)前時(shí)刻的輸入量來識(shí)別小車的位置；另一種是 動(dòng)態(tài)識(shí)別，所謂動(dòng)態(tài)識(shí)別就是根據(jù)小車的當(dāng)前時(shí)刻以及前面的 N個(gè)時(shí)刻的信號(hào)輸 入量來識(shí)別小車的運(yùn)動(dòng)趨勢。路徑識(shí)別主要運(yùn)用MC9S12DG128B部的模糊推理機(jī)運(yùn)用模糊邏輯的基本知 識(shí)來實(shí)現(xiàn)。本模塊也可以用數(shù)字PID控制算法來實(shí)現(xiàn)，鑒于后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制算法已詳 細(xì)的運(yùn)用了 PID來講述之，此處不再贅述。此處運(yùn)用PID的思想即通過與數(shù)字地圖比較偏差，從而不斷調(diào)整小車路線，達(dá)到路徑識(shí)別的功能。(3) 數(shù)字濾波技術(shù)在電動(dòng)機(jī)數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)中，測量值 yk是通過系統(tǒng)的輸出量進(jìn)行采樣而得到的。它與給定值r (t)之差形成偏差信號(hào)ek，所以，測量值yk是決定偏差 大小的重要數(shù)據(jù)。測量值如果不能真實(shí)地反映系統(tǒng)的輸出， 那么這個(gè)控制系統(tǒng)就 會(huì)失去它的