汽車駕駛機器人的車速跟蹤模糊控制方法

2023-10-08 18:57:04

專利名稱：汽車駕駛機器人的車速跟蹤模糊控制方法
技術領域：
發明涉及一種能夠實現對給定目標車速準確跟蹤的用於汽車駕駛機器人的模糊控 制方法，屬於汽車試驗自動駕駛裝置控制技術領域。
背景技術：
汽車試驗對於汽車的新產品開發而言具有極其重要的意義， 一個汽車新車型的定型 往往需要大量的試驗。而汽車試驗中的許多項目，由於重複性強、持續時間長、危險性 大、工作環境惡劣，更適合由機器人來操作。汽車駕駛機器人是一種在底盤測功機(或 稱為轉鼓試驗臺)上用於代替人類駕駛員進行汽車試驗的自動化智能裝置。汽車保有量 的快速增長，使得汽車排放的尾氣的汙染日益嚴重，為了保護大氣環境，世界各國都制 定了日益嚴格的環境保護法規，嚴格限制汽車尾氣中有害物的含量。要研究提高汽車的 燃油經濟性，從而降低汽車尾氣排放量的方法，必須進行大量的汽車試驗。試驗規範要 求被試車輛跟蹤預先設定的車速循環，並保證在士2km/h的精度範圍內。在試驗過程中試 驗人員駕駛行為的變化，往往導致排放結果不一致，從而降低了排放數據的有效性，因 此更適合由機器人來替代人類駕駛員在危險條件和惡劣環境下進行汽車試驗的駕駛操 作。利用駕駛機器人進行汽車試驗對於減輕試驗人員的勞動強度，降低試驗環境對試驗 人員的傷害，節省試驗費用，提高試驗效率，消除人為因素的影響，進而加速汽車研發 進度都有重要的意義。
國外駕駛機器人的關鍵技術還處在保密階段，目前只有少數幾個發達國家擁有該項 技術，我國尚屬空白，主要有德國申克SCHENCK、大眾、STABLE,美國LBECO，英 國MIRA、 Froude Consine,日本的HORIBA、 Nissan Motor、 AUTOMAX等公司，以及 比利時Katholieke大學。驅動方式主要有液壓、氣動和電動三種。國外從液壓和電動型 的開始起步，但由於動作彈性和柔順性不夠，逐步被氣電混合型(油門腿為電動，其於 為氣動)代替。由於氣動執行機構實現軌跡控制和多點準確定位(如換檔)很困難，加 上近年來電機伺服控制技術的發展，開發全電驅動的駕駛機器人已成為發展趨勢。
由於汽車車速控制的模型難以建立，駕駛機器人的車速控制又具有非線性、時變、
時滯的特點，且影響因素較多，難以建立其精確的數學模型。另外，在底盤測功機試驗 臺上利用底盤測功機系統模擬行駛路面載荷對汽車施加的各種阻力對車速控制帶來了幹 擾。傳統的PID車速控制方法，若要超調小，則難以保證快速性的指標；若要動態響應 快，則超調量必然過大。而且常規的PID調整不具有在線整定控制參數的功能，致使不 能滿足在不同的車速偏差和車速偏差變化率下對PID控制參數的要求。模糊控制的優點 在於不需要系統精確的數學模型，可以避開複雜的系統數學建模，並具備比PID控制更 強的抗幹擾能力，對各種試驗車型都能有較好的控制性能。它的控制依據是根據試驗人 員的駕駛經驗與知識，歸納出一套完整的控制規則，根據這些規則和模糊控制器的輸入 進行模糊推理，得到控制量，對被控對象進行控制。模糊控制方法可以融合人類駕駛員 的駕駛經驗與知識，對阻力幹擾具有強抑制效果，保證了對給定車速的跟蹤控制精度。
在汽車試驗中對駕駛機器人的基本要求是能夠跟蹤預先設定的循環行駛工況，即設 定的車速一時間曲線，在獲取有關的傳感器信息的基礎上，完成油門、制動、離合和換 擋動作的協調配合，實現試驗車輛的自動駕駛。駕駛機器人車速跟蹤控制實現對預定目
4標車速的跟蹤，是汽車駕駛機器人的關鍵技術，國外目前還處於保密階段。

發明內容
本發明目的是針對傳統PID控制方法在用於汽車駕駛機器人時存在的車速波動大、 調節器參數難以整定、油門踏板的抖動與切換過於頻繁等問題，提供一種既具有良好車 速跟蹤控制精度，又具有良好實時性和較強抗幹擾能力的車速跟蹤模糊控制方法。該方 法在用於汽車駕駛機器人控制時在線的計算量是很少的，能夠滿足實時控制的要求。
本發明為實現上述目的，採用如下技術方案
本發明汽車駕駛機器人的車速跟蹤模糊控制方法，其特徵在於包括如下步驟
(1) 確定汽車駕駛機器人模糊控制器的輸入變量和輸出變量，並對實際輸入變量進
行尺度變換將實際輸入變量變換至論域範圍內；
(2) 採用汽車駕駛機器人模糊控制器對步驟(1)所述的經過尺度變換的實際輸入 變量模糊化得到模糊值，採用所述模糊值建立輸入輸出變量隸屬度函數；
(3) 基於駕駛經驗知識庫(包括離合器接合規律、換擋規律、油門控制特性和駕駛 控制規則)和測量數據的學習方法建立汽車駕駛機器人模糊控制規則；
(4) 基於步驟(2)所述的輸入輸出變量隸屬度函數、步驟(3)所述的模糊控制規 則，採用模糊推理和重心法反模糊化確定汽車駕駛機器人模糊控制表；
(5) 査詢汽車駕駛機器人模糊控制表進行汽車駕駛機器人在線實時控制。 本發明方法的優點及顯著效果
(1) 良好的車速跟蹤精度。針對國家汽車試驗標準的要求而提出，能夠精確跟蹤給 定的目標車速，提高了駕駛機器人車速跟蹤控制精度，保證了汽車排放試驗數據的準確 度和有效性。
(2) 實時性好。駕駛機器人模糊控制方法採用的離線模糊計算、在線査表的方式， 對駕駛機器人進行控制時在線的運算量是很少的，滿足實時控制的要求。
(3) 抗幹擾能力強。採用模糊控制方法的駕駛機器人對外部幹擾具有較強的魯棒性， 對各種試驗車型都能有較好的控制性能，被控對象參數的變化對模糊控制的影響不大。
(4) 良好的駕駛性能。駕駛機器人模糊控制方法能夠融合人類專家的駕駛經驗與知 識，使駕駛機器人與人類駕駛員的駕駛動作一致，駕駛機器人達到了熟練駕駛員的駕駛 水平。


圖l是本發明方法的系統框圖2是汽車排放耐久性V型試驗前9個循環工況車速曲線圖3是汽車駕駛機器人系統結構圖4是汽車駕駛機器人模糊控制系統結構圖5是汽車駕駛機器人模糊控制系統的輸入輸出曲面；
圖6是汽車駕駛機器人模糊控制效果圖，(a)是正常試驗過程模糊控制車速曲線，(b) 是增加路面載荷模糊控制車速曲線，(c)是中途去掉風阻力模糊控制車速曲線，(d)是 卸除路面載荷模糊控制車速曲線。
具體實施例方式
下面結合附圖對發明的技術方案進行詳細說明
汽車駕駛機器人是在汽車試驗中用於代替駕駛員進行操作的機器人，是汽車試驗中的一種現代化智能裝置。為了實現道路的室內模擬，試驗車輛必須放置在底盤測功機上 用於模擬平直的道路情況，從而為汽車試驗提供試驗環境，保證在試驗運行過程中底盤 測功機對試驗車輛的阻力加載特性和車輛在道路行駛時的受力情況一致。如圖4所示是 汽車駕駛機器人模糊控制系統結構圖，汽車駕駛機器人系統主要由換擋機械手、油門機
械腿、制動機械腿、離合器機械腿、計算機控制系統、電動驅動系統等部分構成。汽車 駕駛機器人採用純電動驅動的方式，使機器人的操作能夠具有人類試驗人員肌肉的快速 性和柔順性，滿足了汽車駕駛動作快速(如換擋、制動)、快慢結合(如離合器)、慢速 (如油門)等運動要求。其中，油門機械腿採用步進電機伺服控制方式，實現油門的高 精度定位；制動機械腿採用步進電機驅動，通過自調節制動力大小實現對制動減速度的 控制；離合器機械腿採用步進電機驅動，實現離合器機械腿回收速度的調節，滿足起步 和換擋過程中離合器動作的快慢要求；換擋機械手是駕駛機器人系統的關鍵執行部件， 它採用七連杆兩自由度閉鏈機構，採用兩個關節角位移傳感器反饋移動信息，根據角位 移確定機械手的空間位移坐標，在不需要對汽車換擋機構進行改造的前提下，實現選擋 和掛摘擋兩個方向運動的機械解耦，最終實現對駕駛機器人機械手的精確控制。具體實 施方式如下
(1) 駕駛機器人在試驗車上安裝固定好之後，駕駛機器人控制計算機首先利用安裝 在各個機械腿上的傳感器獲得不同試驗車輛油門、制動和離合器踏板的行程，為運動控 制建立基準，從而適應不同結構尺寸的試驗車輛。
(2) 參看圖2，根據國家汽車試驗標準GB 18352.3-2001《輕型汽車汙染物排放限值 及測量方法(II)》的要求，在汽車的試驗循環工況中規定試驗車輛起動、停車、加速、 減速、換擋、怠速等試驗工況，並定義一系列時間點上的車速。
(3) 參看圖3，通過車速測量模塊從安裝在底盤測功機的前轉鼓的光電傳感器得到 試驗車的速度，經F/V變換和A/D變換傳入駕駛機器人控制計算機；發動機轉速測量模 塊將試驗車輛的發動機轉速變換成模擬電壓，通過A/D變換和信號調理模塊傳入控制計 算機。駕駛機器人根據試驗循環工況規定的目標車速和實時採集到的試驗車的實測車速 解算出車速誤差和車速誤差變化率，經過模糊控制算法得到駕駛機器人機械手/腿下壓或 者回收運動差值，然後輸出控制量(步進電機運動脈衝數)控制步進電機進行動作。由 於步進電機的運動速度是由輸入步進電機的控制脈衝頻率決定的，只要改變控制脈衝頻 率就能夠實現步進電機運動速度的調節。並且步進電機轉動的角度取決於控制脈衝的個 數，只要控制脈衝頻率不高於步進電機的失步頻率，就能夠準確控制步進電機轉過的角 度，從而滿足駕駛機器人換擋機械手和油門、制動、離合機械腿的高精度定位要求，運 動控制方便。
(4) 參見圖l，本發明方法由離線模糊計算和在線實時控制兩部分組成，離線模糊 計算部分由輸入變量模糊化、模糊推理及反模糊化構成，由車速誤差￡、車速誤差變化 率五C求得控制量f/，將計算的結果組成一張控制表；在線實時控制部分只需査詢這張控 制表即可，求得t/後經比例變換，變成實際的控制量w。這種離線計算、在線査表的模 糊控制方法，對汽車駕駛機器人進行控制時在線的運算量是很少的，比較容易滿足實時 控制的要求。該方法的主要步驟如下
步驟(1)確定汽車駕駛機器人模糊控制器的輸入變量和輸出變量，並對實際輸入變 量進行尺度變換將實際輸入變量變換至論域範圍內。
根據汽車排放耐久性V型試驗循環的要求，國家汽車試驗標準要求的車速控制精度 在士2km/h之間，控制動作儘量採用保持油門踏板位置不變的方法實現，不能夠頻繁大幅 度"煽動"油門，以免損傷發動機。定義車速誤差￡ = ^目標-F實^，即目標車速減去實際車速；車速的誤差變化率五c = & ，這裡採樣時間"=o.oois 。
輸入變量車速誤差信號￡、車速誤差變化率五C的基本論域為[-3,3]，取"1="2=3， 其模糊集合論域為{-3,-2.5，-2，-1.5,-1,-0.5,0，0.5,1,1.5,2,2.5,3}，量化因子、=
一"b
=1
=% = 1， &、 ^的大小意味著對車速誤差和車速誤差變化率的不同加權程度。
將誤差、誤差變化率分為7個等級，模糊子集分別為JA^,M/,iVS,Z五,/^,iW,P到。
輸出控制量C/的基本論域為[-6,6]，取 =6，其模糊集合論域為
{-6，-5,-4，-3,-2，-1，0,1，2,3，4,5,6}。輸出比例因子、的大小影響著控制器的輸出，通過調整
^可以改變對被控對象輸入的大小。在進行汽車排放耐久性試驗時，由於冷車與熱車情
況下發動機的動力性能差別較大，為保證駕駛機器人在不同車況下都有較好的車速控制 效果，控制程序通過計算汽車由靜止加速到穩速的升速時間判斷汽車性能，若時間短，
性能好，則&就較小；若時間長，&就較大。這裡，比例因子&="，<=% = 1。將控制
量分為7個等級，模糊子集分別為(A^，iVM,A^,Z五,i^,戶M，P^。
由於駕駛機器人機械手/腿的動作有下壓和回收之分，分別用正負號表示，論域中負 數表示機械手/腿下壓，正數表示機械手/腿回收。
對於實際的輸入量，首先進行尺度變換，將其變換到要求的論域範圍，若實際的輸 入量為^，其變化範圍為k二,4j，要求的論域為[e咖，e鵬]，則在論域要求範圍內的輸 入量為e。
十e鵬.+ A:(^—.6隨
^一 g 一) & 一 wmax wn
6 一 g . ^max ^min
2 、 w 2
步驟(2)汽車駕駛機器人模糊控制器的輸入變量模糊化，建立輸入輸出變』函數。
輸入變量模糊化運算採用單點模糊集合，若輸入為e。和ec。，則相應的輸入量模糊集 合/和A分別為
1
(e = eo) ,、
，其模糊集合論域為(-"2,…,-1,_0.5，0,0.5，1廣.,"2}，量化因子為、="^^;車速誤差￡、車速誤差變化率五C分為7個等級，模糊子集分""別為 iAW(負大),M/(負中),A^(負小)，Z五(零),i^(正小),PM(正中),屍5(正大)1，其中 、ec附、"！ 、m 、 "3都為正數。
3、根據權利要求1所述的汽車駕駛機器人的車速跟蹤模糊控制方法，其特徵在於 步驟(2)中汽車駕駛機器人模糊控制器的輸入變量模糊化，建立輸入輸出變量隸屬度函 數的方法如下當實際的輸入變量^的變化範圍為l4n,4j，要求的論域為 ，則在論域要求範圍內 的輸入量為formula see original document page 2輸入變量模糊化運算採用單點模糊集合，若經過尺度變換的實際輸入變量為e。和"。，則車速誤差五的模糊集合乂和車速誤差變化率五C的模糊集合5'分別為formula see original document page 2輸入變量和輸出變量的隸屬度函數採用數值描述的方法，其中^in、 、ax、 4 、 4 為有理數。
4、根據權利要求1所述的汽車駕駛機器人的車速跟蹤模糊控制方法，其特徵在於步驟(4)所述的確定汽車駕駛機器人模糊控制表的方法如下在進行離線模糊計算的過程中，根據步驟(3)建立的模糊控制規則，輸入模糊集合合成運算的and操作採用求交法，輸入模糊集合合成運算的also操作採用求並法，模糊 蘊涵採用求交法，輸出模糊合成採用最大一最小法，去模糊化採用重心法，最終求得輸出變量的模糊集合d即汽車駕駛機器人模糊控制表。
全文摘要
本發明公布了一種汽車駕駛機器人的車速跟蹤模糊控制方法，包括如下步驟(1)確定汽車駕駛機器人模糊控制器的輸入變量和輸出變量，並對實際輸入變量進行尺度變換將實際輸入變量變換至論域範圍內；(2)採用汽車駕駛機器人模糊控制器對經過尺度變換的實際輸入變量模糊化得到模糊值，採用所述模糊值建立輸入輸出變量隸屬度函數；(3)基於駕駛經驗知識庫和測量數據的學習方法建立汽車駕駛機器人模糊控制規則；(4)基於輸入輸出變量隸屬度函數、模糊控制規則，採用模糊推理和重心法反模糊化確定汽車駕駛機器人模糊控制表；(5)查詢汽車駕駛機器人模糊控制表進行汽車駕駛機器人在線實時控制。本發明實時性好、抗幹擾能力強、具有良好車速跟蹤控制精度。
文檔編號G05B13/02GK101667015SQ20091018417
公開日2010年3月10日 申請日期2009年8月26日 優先權日2009年8月26日
發明者張為公, 李亭亭, 剛 陳, 龔宗洋 申請人:東南大學