智能汽车速度控制-智能汽车设计与实践基础

四轮组所采用的车模都为后轮电机驱动,因此车模速度控制的实质为电机控制。电机控制任务的目标,是车模在应该加速的地方可以立马加速;在需要减速的地方能够快速地减速。速度控制分为两大部分:速度给定和电机控制。其中,速度给定是为了尽量发挥出赛道的加速潜能,而电机控制则是使车模能够以较好的效果达到期望目标。

(1)速度给定

不同的赛道元素给定不同的速度,速度给定值是通过反复调试车模得到的。第一个难点在于赛道元素的识别。对于十字、坡道、环岛等具有明显特征且在图像处理时就会被特殊对待的赛道类型,其辨识一般十分轻松,直接使用图像处理时的相关标志位作为辨识标志,当标志位为1时,对速度赋予相应值,即可完成这部分赛道的速度给定。

第二个难点是长直道赛道速度给定。长直道在图像处理时一般不会被特殊对待,不存在相应的标志位,若要对这部分赛道进行单独的速度给定,则需要进行单独的图像处理。摄像头采集到的长直道赛道图像如图6.22所示,其特点可以总结为:图像顶点很远,图像中赛道中线基本居于图像中部,即中线偏差很小。同时为了防止一些特殊情况出现,还可以对条件进行限制,例如规定当图像中无边界的行数超过一定数量时,即使其他条件满足,也不认为此时为长直道赛道。长直道的辨识本身不难,但是当车模在长直道赛道行驶时,由于此时赛道难度最低,车模的速度相对较高,此时的速度给定值较大。因此,若车模在其他赛道出现长直道误判时,通常会导致小车突然加速冲出赛道。长直道赛道辨识的难点不在于如何识别,而在于如何防止误判。

图6.22　摄像头记录的长直道赛道图像

第三个难点是短直道速度给定。与长直道相似,短直道在图像处理时一般不会被特殊对待,不存在相应的标志位。但不同的是,短直道出现的地方较多,并且短直道的出现情况一般非常复杂。例如,对于长直道赛道,当车模行驶至长直道尾段时,便会自然地出现长直道变短直道的情况;再例如,连续过欧姆弯时,若车模在弯道内角度适宜,此时的图像也非常像一个短直道。将短直道单独分立出来辨识,是因为有时若短直道后面不是一个急弯,那便可以以较快速度驶过;有时车模行驶在长直道上,如果小车姿态不好,无法辨别为长直道,但又不能作为弯道处理以至于损失太多速度,此时若有短直道判定,则效果会好很多。短直道其实不一定是直道,例如连续的小弯,当车模姿态较好时,直线通过是最好的策略。短直道的识别不难,因为除特殊赛道、长直道和弯道的赛道,都可归为短直道;也就是说,短直道其实不一定是个直道,只要在速度上可以用比弯道更快的速度通过,但又无法达到长直道速度的赛道类型,都认为是短直道。因此短直道速度给定的难点是如何使系统能够自动给出一个不错的给定速度。此实例设计方案使用了顶点限制加速计算图像轨迹方差的方案。一般弯道越急,则整个图像轨迹相对于轨迹平均值的偏差越明显,数学上反映这一状况的工具便是方差。方差的优点在于不管是对于单独的一个弯道,还是对于连续的s形弯道,其适应性都很强;同时图像因距离不同会产生畸变,且弯道的畸变相比直道会更强烈,这导致在对轨迹进行方差计算时,会自带一个跟距离相关且更倾向于弯道的权重,短直道处采集图像如图6.23所示。

图6.23　摄像头记录的短直道赛道图像

最后是弯道的速度与元素的速度给定。弯道和特殊元素识别相对容易,摄像头采集到弯道图像如图6.24所示。经反复对图像进行分析,发现当车模处于弯道时,图像中赛道顶点会被压缩到靠近车头的位置,具体行数与摄像头的位置、焦距、广角和俯仰角都有关,但同时又跟车模处于非弯道部分时的顶点行数有明显不同,所以将此作为辨别弯道的主要依据。在弯道内部依然采用根据轨迹偏差动态给定弯道速度,以发挥车模的加速潜能。对于特殊元素,由于其图像与普通直道和弯道区别较大,且中线偏差波动大,若依据赛道偏差给定速度,则会造成速度给定过大或者过小,从而影响车模的整体速度与车模的稳定性,因此通常单独给定特殊元素的速度。

图6.24　摄像头记录的弯道图像

弯道速度给定的部分实例程序如下:

(2)电机控制

在智能汽车竞赛中,针对电机控制,常用的控制方法为PI控制,此处不再细讲,着重讲解相关控制策略。

电机一般具有较大滞后特性,这是导致车模电机控制难度的核心原因。而对于直流电机模型,其输出转矩与电枢电流成正相关,输出转速与电枢电压成正相关。使用PI控制的PWM信号控制电机,实际是控制电枢的平均电压达到控制电机的目的。当车模需要加速时,需要输出较大占空比的PWM信号,使电枢中流过大电流,从而使电机具有较大的输出转矩;当车模速度基本恒定后,对于电枢电流的要求则只需输出转矩能够与负载转矩平衡,使车模不至于降速即可。(www.xing528.com)

微型处理器控制系统只能使用数字PID控制算法,这使控制算法具有了很大的灵活性,可以实现在模拟PID控制器中无法实现的功能。具体表现,可以根据不同系统的实际要求,对标准数字PID控制算法进行改进,改进方法如下:

①积分抗饱和

电机控制中,积分项I一般是为了消除静差而引入的,但同时积分项I的引入也会很容易导致积分饱和,积分饱和数字PID控制中存在积分项I就会产生的问题。在智能汽车电机控制中最常见的积分饱和情况是,当小车在高速行驶下需要减速时,此时速度给定值突然变小,类似系统输入为阶跃信号,但因为积分项I的存在,积分项I本身值较大,即使当前偏差为负,依然无法使PID计算输出一个满意的结果,小车降速极其缓慢,其核心就是之前积分项I的累计值过大。

积分抗饱和的方案很多,例如积分项直接限幅,或者积分分离,同时对于积分分离的解决方案以及分离条件也可以自行设计。本实例中使用积分分离来进行积分抗饱和。左轮实例程序如下(右轮程序写法一致):

②变速积分

对于积分系数Ki为常数的系统,Ki取大了会产生超调而出现积分饱和,取小了则迟迟不能消除静差。而一般系统对于积分项的要求是,当偏差大时,积分作用减弱以至全无;当偏差较小时,应加强积分作用。针对这种要求,出现了变速积分的方案,其基本思想:通过改变积分系数Ki来改变积分项的累加速度,使其与偏差的大小相对应。当偏差大时,Ki变小,积分累加速度变慢,积分作用减弱;当偏差小时,Ki变大,积分累加速度加快,积分作用增强。变速思想不一定只作用于积分项I,也可对比例项P进行按需变速。

③微分先行

虽然只使用了PI控制,但也可考虑将D项微分项加入电机控制中。电机控制中未使用D项,是因为不希望D项带来太大的超调与振荡。但从理论上来说,D项的引入可以增强响应的动态性能。所以可以考虑微分先行的微分项引入方案,其控制原理图如图6.25所示。微分先行方案不对给定量进行微分处理,而是对被测量进行微分,以减缓给定量频繁升降给系统带来的冲击,防止超调量过大与振荡。

图6.25　微分先行PID控制原理框图

④死区

为了避免控制动作过于频繁,消除由频繁动作所引起的振荡,需要设置“死区”。所谓死区即是设置一个不灵敏区ε,当偏差的绝对值小于ε时,其控制输出即维持上次采样的输出;反之则进行正常的PID运算输出。

⑤开环控制

开环控制一般用于大加速与大减速情况。若对PID的加减速情况不满意可考虑设计开环控制条件,进行开环加速与开环减速,即人为设定开环加减速时的占空比。开环控制的难点在于当满足闭环条件进入闭环控制时,此时的闭环控制各项参数如何处理,若处理不好则极易导致系统振荡。开环控制可以用于长直道赛道加速,提高直道速度。