智能駕駛中基于駕駛態(tài)勢(shì)圖簇的改進(jìn)pid速度控制算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 智能汽車的安全輔助駕駛系統(tǒng)已成為當(dāng)前智能車研究的前沿，改進(jìn)的PID速度控 制在智能車和汽車安全輔助駕駛系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于駕駛態(tài)勢(shì)圖簇的改進(jìn)PID速度控制算法是在傳統(tǒng)PID控制算法的基礎(chǔ)上，以 駕駛態(tài)勢(shì)圖簇采集的實(shí)際車速信號(hào)和設(shè)定車速的差值作為PID輸入量，根據(jù)駕駛態(tài)勢(shì)圖簇 設(shè)定加減速距離，從而得到相應(yīng)的加速度，建立加速度和油門增量、加速度和制動(dòng)等級(jí)的數(shù) 學(xué)模型，更好的控制油門、制動(dòng)執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，輸出量為實(shí)際速度。符合 人類感知特征的對(duì)數(shù)極坐標(biāo)系下的駕駛態(tài)勢(shì)圖簇，是集圖像、雷達(dá)、導(dǎo)航等車載傳感器數(shù)據(jù) 和車輛自身狀態(tài)參數(shù)建立的道路環(huán)境感知系統(tǒng)。該方法在智能車速度控制系統(tǒng)和汽車自適 應(yīng)巡航控制系統(tǒng)中有一定的應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 智能車輛（IntelligentAutomotive)，又稱自主車輛（AutonomousVehicle)，集 成了車輛技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能、自動(dòng)控制技術(shù)、體系結(jié)構(gòu)等于一體，是計(jì)算機(jī)科學(xué)、模 式識(shí)別和智能控制技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物。近年來，智能車輛技術(shù)的研究吸引了世界范圍內(nèi) 大量高校、企業(yè)以及相關(guān)科學(xué)家的關(guān)注。
[0004] 速度控制系統(tǒng)是無(wú)人駕駛智能車的最基本的控制系統(tǒng)之一，是實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛智能 車穩(wěn)定、安全行駛最重要的部分。一輛技術(shù)完善的無(wú)人駕駛智能車可以利用自身裝載傳感 器采集道路路況信息，通過速度控制系統(tǒng)，無(wú)人駕駛智能車在行駛過程中才能隨著周圍路 況與環(huán)境的變化，控制汽車油門、制動(dòng)ECU，調(diào)整汽車車速，保證汽車穩(wěn)定、安全的自主行駛。
[0005] 目前，用于智能車速度控制系統(tǒng)的算法很多，如經(jīng)典PID控制算法、模糊控制理 論、模型預(yù)測(cè)控制算法（MPC)等等。Tsai等人提出的模糊控制方法也被證明可以滿足車輛 安全性和舒適性方面的要求，也有人提出模糊PID控制算法應(yīng)用到汽車速度控制系統(tǒng)。MPC 控制算法具有模型預(yù)測(cè)、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正三個(gè)基本特征，能夠提前控制和在線滾動(dòng)優(yōu) 化計(jì)算，它控制效果好，適用于控制不易建立精確數(shù)字模型且比較復(fù)雜的系統(tǒng)。軍事交通學(xué) 院將MPC控制算法應(yīng)用于智能車的速度控制系統(tǒng)中，平穩(wěn)有效地控制車輛的行駛速度，滿 足乘客的安全、舒適性要求，引起了研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者的廣泛關(guān)注。
[0006] 傳統(tǒng)PID速度控制算法
[0007] PID是比例（Kp)、積分（IQ、微分（Kd)閉環(huán)的控制算法，其中的比例部分用來控制 系統(tǒng)的響應(yīng)速度和系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。積分部分的主要作用是確保在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)過程輸出和 設(shè)定值一致。微分部分的主要作用是改善閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。每一部分的參數(shù)需要在實(shí)際 工程中予以設(shè)定與調(diào)整。PID速度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
[0008] 其一般數(shù)學(xué)方程：
[0010] 式中，kp為比例系數(shù)；1\和1^分別為積分和微分時(shí)間常數(shù)；e(t)為控制目標(biāo)偏差。 Uk (t)為輸出控制量，對(duì)應(yīng)到汽車的油門和剎車控制器。
[0011] 根據(jù)汽車自身的參數(shù)，油門增量（40~200)和制動(dòng)等級(jí)（1~25)數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
[0013] 其中Pa、Pb分別為油門增量Accelerator、剎車等級(jí)BrakeLevel系數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 傳統(tǒng)PID控制算法設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，算法成熟，對(duì)硬件要求低，但其比例、積分和微 分參數(shù)是預(yù)先設(shè)定和固定不變的，且隨著路況環(huán)境的變化，傳統(tǒng)PID控制算法對(duì)智能車系 統(tǒng)偏差的響應(yīng)變差，容易產(chǎn)生超調(diào)與振蕩現(xiàn)象。本文提出了一種基于駕駛態(tài)勢(shì)圖簇的改進(jìn) PID速度控制算法應(yīng)用于智能車的速度控制，來提高智能車速度控制的平穩(wěn)性、舒適性。
[0015] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為智能駕駛中基于駕駛態(tài)勢(shì)圖簇的改進(jìn)PID速度控制算 法，該算法是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0016] 步驟一：汽車模型的建立
[0017] 車輛的模型分為運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型，運(yùn)動(dòng)學(xué)是從幾何學(xué)的觀點(diǎn)來研究物體 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即車輛在空間的位置隨時(shí)間的變化規(guī)律、物體的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度。而動(dòng)力學(xué)的 研究涉及運(yùn)動(dòng)與作用力、質(zhì)量之間的關(guān)系。車輛動(dòng)力學(xué)從嚴(yán)格意義上來講應(yīng)該包括汽車的 動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、制動(dòng)性、平順性、穩(wěn)定性。
[0018] 1)汽車動(dòng)力學(xué)模型的建立
[0019] 車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)主要是指動(dòng)力從變速器開始傳遞直到汽車運(yùn)動(dòng)的路線，主要由萬(wàn)向傳 動(dòng)裝置、主減速器、差速器、半軸、輪胎、車輛慣性部分以及制動(dòng)裝置組成。由于本文只考慮 汽車在縱向上的運(yùn)動(dòng)，未將汽車運(yùn)動(dòng)中的橫向運(yùn)動(dòng)以及垂直運(yùn)動(dòng)考慮在內(nèi)。
[0020] 車輛的行駛方程為：
[0021] Ft=E F (1.1)
[0022]ΣF=Ff+Fw+FjimgsinΘ(1. 2)
[0023] 式中Ft為驅(qū)動(dòng)力；ΣF為行駛阻力的和；Ff表示滾動(dòng)阻力；示空氣阻力；匕表 示加速阻力；m表示車的質(zhì)量；g為重力加速度；Θ為路面坡度；
[0024] 車輛發(fā)動(dòng)機(jī)將扭矩通過傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞到驅(qū)動(dòng)輪上。此時(shí)作用在驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩Tt 會(huì)產(chǎn)生一對(duì)路面的圓周力F。，路面對(duì)驅(qū)動(dòng)輪便會(huì)產(chǎn)生反作用力這個(gè)力就是驅(qū)動(dòng)力Ft。
[0025] 則驅(qū)動(dòng)力為：
[0027] 其中?；為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，ig為變速器傳動(dòng)比，i。為主減速器傳動(dòng)比，ητ代表傳動(dòng)系 機(jī)械效率，r是車輪半徑。
[0028] 因?yàn)橐话愕缆返钠露冉禽^小，cos Θ 1，sin Θ tan Θ，通過上面分析可以得到 車輛行駛方程：
[0030] 其中f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，CD為空氣阻力系數(shù)，A為迎風(fēng)面積，δ為汽車的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量 的換算的系數(shù)，a為行車加速度。
[0031] 2)汽車制動(dòng)模型的建立
[0032] 當(dāng)前大多數(shù)汽車中的應(yīng)用的是電子液壓制動(dòng)（Electro-HydraulicBrake System，簡(jiǎn)稱EHB)，它結(jié)合了傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)和電子控制技術(shù)。液壓調(diào)節(jié)控制單元主要 由電動(dòng)液壓栗、高壓蓄能器、以及四組用來調(diào)節(jié)四個(gè)輪缸壓力的進(jìn)出液電磁閥組成。EHB系 統(tǒng)的制動(dòng)力不是由液壓或氣壓裝置控制，而是由電子控制的電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。電子控制器發(fā)出 控制信號(hào)，控制制動(dòng)驅(qū)動(dòng)器電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)液壓栗向蓄能器栗入高壓油，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)所需的制 動(dòng)力。在該系統(tǒng)中，每個(gè)車輪可以得到獨(dú)立的控制，這樣保證了汽車制動(dòng)過程中的穩(wěn)定性。
[0033] 當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)，制動(dòng)踏板單元接收到人腳踩下的信號(hào)時(shí)，增壓閥打開，減壓閥 關(guān)閉，此時(shí)兩個(gè)隔離閥是關(guān)閉的，高壓蓄能器提供高壓油，通過增壓閥流進(jìn)制動(dòng)輪缸，使輪 缸壓力迅速提高，這個(gè)過程為EHB系統(tǒng)的增壓過程；當(dāng)輪缸壓力達(dá)到一定值后，需要保持這 個(gè)壓力不變，此時(shí)，增壓閥和減壓閥都關(guān)閉，高壓油被封閉在輪缸內(nèi)，從而保持輪缸壓力大 小恒定，此過程為EHB系統(tǒng)的保壓過程；當(dāng)松開制動(dòng)踏板，電子控制單元接收到踏板位移信 號(hào)，打開減壓閥，關(guān)閉增壓閥，液壓油經(jīng)過回油管路流回儲(chǔ)液罐，使制動(dòng)輪缸壓力下降，此過 程為EHB系統(tǒng)的減壓過程。
[0034] 汽車制動(dòng)是通過CAN總線，向制動(dòng)器發(fā)送控制信號(hào)和電流，將控制信號(hào)及電流分 別輸入到閥驅(qū)動(dòng)器和電液制動(dòng)閥，閥驅(qū)動(dòng)器根據(jù)兩個(gè)輸入信號(hào)中的較大值產(chǎn)生控制電流并 輸入到電液制動(dòng)閥。電液制動(dòng)閥根據(jù)輸入電流調(diào)整輸出到制動(dòng)器的壓力大小。
[0035] 通過實(shí)車測(cè)試的方法獲得不同制動(dòng)等級(jí)的控制信號(hào)和其對(duì)應(yīng)的減速度之間的關(guān) 系。當(dāng)汽車一恒定的速度勾速行駛時(shí)，給車一個(gè)固定不變的制動(dòng)等級(jí)，汽車的速度定為勾減 速行駛。
[0036] 在汽車制動(dòng)過程中，車輪將同時(shí)受到制動(dòng)器摩擦力矩和路而摩擦力矩的作用。其 中制動(dòng)器施加至車輪的力矩稱之為制動(dòng)器輸入力矩，路面施加給車輪的力矩稱之為制動(dòng)器 的輸出力矩。在制動(dòng)系統(tǒng)中，引入了制動(dòng)器效能因數(shù)Φ，
[0037] 定義為
[0038]
[0039] 其中，B為車輪受地面作用的制動(dòng)力（N)，&為車輪滾動(dòng)半徑（m)，D為輪缸直徑 (m)，P為輪缸制動(dòng)壓力（Pa)，PsS輪缸壓力損失（Pa)，Rb為制動(dòng)器有效半徑（m)。
[0040] 根據(jù)（1. 5)得出前后輪制動(dòng)壓力Pf、匕的計(jì)算表達(dá)式：
[0041 ]
[0042] 式中NrNf為前后輪缸數(shù)。
[0043] 令：
[0044]
[0047] 由上式看出，制動(dòng)壓力與制動(dòng)力之間呈線性關(guān)系。
[0048] 由（1.8)可得制動(dòng)力：
[0050] 步驟二：速度控制方案設(shè)計(jì)
[0051]智能車的速度取決于車模自身發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速則由電子油門對(duì)供油 量的控制，當(dāng)汽車要減速或者停車時(shí)，制動(dòng)踏板通過液壓制動(dòng)裝置控制減小車速。智能車在 自主行駛時(shí)，必然會(huì)經(jīng)過不同的路段（直道、彎道、轉(zhuǎn)彎），所以智能車的速度必須隨不同的 路段快速、平穩(wěn)的達(dá)到預(yù)定的速度。即直道、大弧彎道高速、轉(zhuǎn)彎減速。
[0052] 改進(jìn)的PID速度控制算法
[0053] 在傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入有距離加減速控制，輸入量為設(shè)定速度和加 減速距離，輸出為速度。設(shè)定速度和實(shí)際速度之間的差值，通過PID系統(tǒng)得到一個(gè)控制輸出 量Uk，根據(jù)Uk選擇油門執(zhí)行器或者制動(dòng)執(zhí)行器，同時(shí)，根據(jù)加減速距離能夠得到距離加速度 a：
[0055] 其中S為設(shè)定距離，v t為要達(dá)到速度（期望速度），v。為當(dāng)前車速。
[0056] 根據(jù)加速度可得期望的油門增量和制動(dòng)等級(jí)
[0058] 其中Pc、P3分別為油門增量Accelerator、制動(dòng)等級(jí)BrakeLevel系數(shù)。
[0059]