汽車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)

汽車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)一模糊控制的工程應(yīng)用姓名：馮皓偉學(xué)號(hào)：09001214專(zhuān)業(yè)：自動(dòng)化汽車(chē)自動(dòng)駕駛模糊控制摘要：針對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)所具有的強(qiáng)非線性特點(diǎn)提出了基于機(jī)器視覺(jué)的車(chē)輛自動(dòng)駕駛模糊控制方案?采用車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)模糊控制規(guī)則的量化劃分對(duì)車(chē)輛在道路上的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真?仿真的結(jié)果顯示，本方案可以很好地解決空曠道路上的車(chē)輛自動(dòng)駕駛問(wèn)題，并且該控制方法可以保證車(chē)輛快速準(zhǔn)確地在道路上安全高速行駛，具有很好的魯棒性?此外，還可以基于模糊邏輯和滑模控制理論設(shè)計(jì)一種車(chē)輛縱向和橫向運(yùn)動(dòng)綜合控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)前輪轉(zhuǎn)向角度、發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度、制動(dòng)液壓及主動(dòng)橫擺力矩進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，使車(chē)輛能夠以期望速度在理想道路軌跡上行駛，并提高車(chē)輛在行駛過(guò)程中的操縱穩(wěn)定性。關(guān)鍵字:車(chē)輛自動(dòng)駕駛機(jī)器視覺(jué)模糊控制規(guī)則模糊邏輯滑膜控制仿真引言：模糊控制是上個(gè)世紀(jì)誕生的一種基于語(yǔ)義規(guī)則的人工智能，是以模糊集合理論為基礎(chǔ)的一種新興控制手段，它是模糊集合理論和模糊技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。隨著時(shí)代的發(fā)展，科技的創(chuàng)新，模糊理論在控制領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。自動(dòng)駕駛便是其中一個(gè)重要的應(yīng)用對(duì)象。汽車(chē)是現(xiàn)代的主要交通工具，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是交通體系中最重要的部分之一,一方面它可以推動(dòng)在機(jī)器人自主導(dǎo)航方面的研究進(jìn)程，在航天和水下機(jī)器人的應(yīng)用中起到重要的作用；另一方面這種技術(shù)在未來(lái)的智能交通系統(tǒng)中的運(yùn)用既可以避免駕駛員因判斷和交通失誤而引起的交通事故，提高交通系統(tǒng)效率，又可以最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。汽車(chē)自動(dòng)駕駛是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，如果采用模糊控制器，通過(guò)一些不精確的觀察，執(zhí)行一些不精確的控制,這個(gè)問(wèn)題就容易解決。模糊控制原理：車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)模型現(xiàn)在假設(shè)汽車(chē)在某處行駛，我們需要達(dá)到的目標(biāo)是：設(shè)計(jì)一個(gè)基于模糊控制的汽車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，使得無(wú)論汽車(chē)的起始點(diǎn)在哪兒，汽車(chē)都能自動(dòng)駕駛到設(shè)定的目標(biāo)位置。其中，汽車(chē)的任意時(shí)刻的位置可以通過(guò)GPS獲得。根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行推理，選擇一條最優(yōu)的行駛路線達(dá)到目標(biāo)位置。車(chē)輛的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示：XOY是地面固定的直角坐標(biāo)系，嘰OcV為車(chē)輛的相對(duì)坐標(biāo)系，Vq為車(chē)輛的縱向速度，V為車(chē)輛的橫向速度?e為車(chē)輛與y軸的夾角，至Uy軸逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù).對(duì)地面固定的坐標(biāo)系xoy,車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)模型為

COS0sinCOS0sin0宀「V=Y--sin0COS0JIVq_(1.1)其中，這個(gè)系統(tǒng)的輸入量為｛6,Pf｝,分別為車(chē)輛的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角和前輪驅(qū)動(dòng)力,由車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)模型可知，中間量為｛V,V^,0｝，分別為車(chē)輛的橫向速度、縱向速度和角速度，輸出量為｛x,y,0｝,分別為車(chē)輛在地面固定的xoy直角坐標(biāo)系中的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)和車(chē)輛前進(jìn)方向與y軸的夾角.其中系統(tǒng)輸入量的取值范圍為r-0.2radW6W0.2rad,—8000NwPfw4000N.(1.2)在此車(chē)輛上，我們假設(shè)安裝了基于機(jī)器視覺(jué)的車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)，其視覺(jué)系統(tǒng)包括安裝在車(chē)輛四周的CCD攝像機(jī)和內(nèi)部微機(jī)主板上的圖像采集卡?車(chē)載CCD攝像機(jī)根據(jù)路面和路邊的明顯路徑標(biāo)志線，動(dòng)態(tài)攝取路面圖像，經(jīng)過(guò)車(chē)載計(jì)算機(jī)處理識(shí)別出路徑標(biāo)志線，送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由本文提出的控制方法控制車(chē)輛在道路上行駛.自動(dòng)駕駛的模糊控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)由車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)模型可知，對(duì)于車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)控制主要是控制其方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角和前輪驅(qū)動(dòng)力。方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角是完成對(duì)車(chē)輛的轉(zhuǎn)向控制，前驅(qū)動(dòng)力是控制車(chē)輛的速度。。基于機(jī)器視覺(jué)的車(chē)輛自動(dòng)駕駛模糊控制與駕駛員駕駛汽車(chē)的行為相似，駕

駛員駕駛本身就是一種模糊控制行為，對(duì)于扯得位置，轉(zhuǎn)過(guò)的角度，駕駛員的駕駛經(jīng)驗(yàn)一般難于精確地進(jìn)行描述，而模糊控制正是解決這類(lèi)問(wèn)題的有效途徑?此外，機(jī)器視覺(jué)等傳感器獲得的路面情況都具有近似、不完善等信息，而模糊控制的優(yōu)點(diǎn)就是能容納這種不確定的輸入信息而產(chǎn)生類(lèi)似于人的控制輸出量?車(chē)輛駕駛是一種典型的時(shí)延、非線性系統(tǒng)，而模糊控制器可以完成從輸入空間到輸出空間的非線性映射。2.1汽車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)描述車(chē)輛車(chē)體縱軸與參考路徑之間的角度（方向偏差）。兩個(gè)狀態(tài)變量作為模糊控制器的輸入，模糊控制器的輸出即為車(chē)輛模型的兩個(gè)輸入：方向盤(pán)轉(zhuǎn)角6和前輪驅(qū)動(dòng)力Pf。其中，橫向偏差可以由車(chē)載視覺(jué)系統(tǒng)CCD攝像機(jī)實(shí)時(shí)攝取道路情況并由車(chē)載計(jì)算機(jī)計(jì)算得出.模糊控制器輸入的物理論域：—4mWdW4m，—n/3WaWn/3.將控制器的輸入、輸出變量全量化為7個(gè)等級(jí)，并采用三角形的隸屬函數(shù),圖3所示.圖3輸入輸出的隸屬函數(shù)

2.2模糊控制規(guī)則庫(kù)的建立模糊控制規(guī)則庫(kù)是模糊系統(tǒng)的核心，對(duì)于車(chē)輛這類(lèi)比較復(fù)雜的系統(tǒng),如何有效地構(gòu)造控制規(guī)則是設(shè)計(jì)模糊控制器的關(guān)鍵.模糊規(guī)則庫(kù)體現(xiàn)了人類(lèi)駕駛員對(duì)駕駛過(guò)程的認(rèn)識(shí)。一般用if.,then..語(yǔ)句表示，例如下表所示R1ifeisiighlande_vawis」igbttliengainisbigJ?jIfe_yjjghtandt-_vliw⑴paralleJthengaijL2jjjiddleR、if'I-1_yinrightaride_yawkleftIhrngai]iislitIleJ?4if'e_yisitnterandc_yawisrightthengainismiddlelinifc_yiscenterandc_yatvmI1Ihengain謂cnitMleR0ilt_■!Im優(yōu)tileiindr_yriji?isIih也胃孔Ltiis11111*1Rmife_yi-Leflande_丫出輿⑴left11tenajjjl-h函if'I-1_vinLetlarideinparallei1licitgainzmiddle尺9i「FTirL■過(guò)IarN?￡yti祕(mì)w門(mén)=hlllirii呂日itiix川11亡本研究采用的車(chē)輛模型的速度vmax<65m/s,將其量化為6個(gè)檔次，分別為[0,10],(10,20],(20,30],(30,40],(,40,50],(50,65].通過(guò)對(duì)優(yōu)秀駕駛員駕駛經(jīng)驗(yàn)的分析，建立控制規(guī)則的形式如下：IFve(10,20],disPSandaisNMTHEN6isPMandPfisZO.所有的這些“IF...THEN"規(guī)則構(gòu)成了該模糊控制器的規(guī)則庫(kù).道路上的駕駛仿真根據(jù)高速單車(chē)道的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，采用的道路寬為4米，此處采用彎道進(jìn)行仿真。初始為100m的直路，然后為1個(gè)彎曲半徑為200m的左拐彎道，從圖4,圖5可以看出，車(chē)輛經(jīng)過(guò)一段直路的加速之后進(jìn)入1個(gè)彎道，由于此時(shí)車(chē)速比較大，所以車(chē)輛在拐彎時(shí)重心的運(yùn)動(dòng)軌跡偏向路的外側(cè)，這也比較符合實(shí)際的駕駛情況.圖4仿真曲線

圖4仿真曲線從圖6~圖8可以看出，車(chē)輛在彎道處車(chē)速仍在逐漸增大，拐彎時(shí)在方向盤(pán)轉(zhuǎn)角的不斷變化，控制器對(duì)車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)以及對(duì)車(chē)輛的線速度和前輪驅(qū)動(dòng)力的控制效果依舊良好，控制結(jié)果具有較好的平穩(wěn)性和平滑性?這說(shuō)明按照本文的方法所建立的規(guī)則庫(kù)具有一定的優(yōu)越性，可以達(dá)到車(chē)輛安全高速運(yùn)動(dòng)的要求.車(chē)輛自動(dòng)駕駛系統(tǒng)縱向和橫向運(yùn)動(dòng)綜合控制除了上述方法之外為，基于模糊邏輯和滑?？刂评碚撛O(shè)計(jì)了一種車(chē)輛縱向和橫向運(yùn)動(dòng)綜合控制系統(tǒng)，也提高車(chē)輛自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能，。該控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)前輪轉(zhuǎn)向角度、發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度、制動(dòng)液壓及主動(dòng)橫擺力矩進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,使車(chē)輛能夠以期望速度在理想道路軌跡上行駛，并提高車(chē)輛在行駛過(guò)程中的操縱穩(wěn)定性。縱向和橫向運(yùn)動(dòng)綜合控制系統(tǒng)能夠提咼車(chē)輛在不同行駛工況下的跟蹤性能和運(yùn)動(dòng)性能，在車(chē)輛自動(dòng)駕駛過(guò)程中是有效的。利用模糊邏輯控制器對(duì)車(chē)輛橫向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，同時(shí)減小了轉(zhuǎn)向響應(yīng)時(shí)的橫向位置誤差和橫擺角速度誤差，從而提高了車(chē)輛在轉(zhuǎn)向過(guò)程中的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性。總結(jié)：通過(guò)查書(shū)，我認(rèn)識(shí)到模糊控制的最大特征是，它能將操作者或?qū)＜业目刂平?jīng)驗(yàn)和知識(shí)表示成語(yǔ)言變量描述的規(guī)則，而移動(dòng)汽車(chē)是一個(gè)非線性不穩(wěn)定系統(tǒng)，很難用精確的數(shù)學(xué)模型變量去描述，所以利用模糊控制系統(tǒng)的方法，借鑒司機(jī)的駕駛經(jīng)驗(yàn)，就能較好地