專利名稱：汽車駕駛機器人的車速跟蹤模糊控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
發(fā)明涉及一種能夠?qū)崿F(xiàn)對給定目標(biāo)車速準(zhǔn)確跟蹤的用于汽車駕駛機器人的模糊控 制方法，屬于汽車試驗自動駕駛裝置控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
汽車試驗對于汽車的新產(chǎn)品開發(fā)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，由于重復(fù)性強、持續(xù)時間長、危險性 大、工作環(huán)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(zhuǎn)鼓試驗臺)上用于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污染日益嚴(yán)重，為了保護大氣環(huán)境，世界各國都制 定了日益嚴(yán)格的環(huán)境保護法規(guī)，嚴(yán)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(jīng)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(guī)范要 求被試車輛跟蹤預(yù)先設(shè)定的車速循環(huán)，并保證在士2km/h的精度范圍內(nèi)。在試驗過程中試 驗人員駕駛行為的變化，往往導(dǎo)致排放結(jié)果不一致，從而降低了排放數(shù)據(jù)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(huán)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于減輕試驗人員的勞動強度，降低試驗環(huán)境對試驗 人員的傷害，節(jié)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(fā) 進度都有重要的意義。
國外駕駛機器人的關(guān)鍵技術(shù)還處在保密階段，目前只有少數(shù)幾個發(fā)達(dá)國家擁有該項 技術(shù)，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(xué)。驅(qū)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，但由于動作彈性和柔順性不夠，逐步被氣電混合型(油門腿為電動，其于 為氣動)代替。由于氣動執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)軌跡控制和多點準(zhǔn)確定位(如換檔)很困難，加 上近年來電機伺服控制技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)全電驅(qū)動的駕駛機器人已成為發(fā)展趨勢。
由于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(shù)學(xué)模型。另外，在底盤測功機試驗 臺上利用底盤測功機系統(tǒng)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干 擾。傳統(tǒng)的PID車速控制方法，若要超調(diào)小，則難以保證快速性的指標(biāo)；若要動態(tài)響應(yīng) 快，則超調(diào)量必然過大。而且常規(guī)的PID調(diào)整不具有在線整定控制參數(shù)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(shù)的要求。模糊控制的優(yōu)點 在于不需要系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，可以避開復(fù)雜的系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模，并具備比PID控制更 強的抗干擾能力，對各種試驗車型都能有較好的控制性能。它的控制依據(jù)是根據(jù)試驗人 員的駕駛經(jīng)驗與知識，歸納出一套完整的控制規(guī)則，根據(jù)這些規(guī)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(jīng)驗與知識，對阻力干擾具有強抑制效果，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(yù)先設(shè)定的循環(huán)行駛工況，即設(shè) 定的車速一時間曲線，在獲取有關(guān)的傳感器信息的基礎(chǔ)上，完成油門、制動、離合和換 擋動作的協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)試驗車輛的自動駕駛。駕駛機器人車速跟蹤控制實現(xiàn)對預(yù)定目
4標(biāo)車速的跟蹤，是汽車駕駛機器人的關(guān)鍵技術(shù)，國外目前還處于保密階段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對傳統(tǒng)PID控制方法在用于汽車駕駛機器人時存在的車速波動大、 調(diào)節(jié)器參數(shù)難以整定、油門踏板的抖動與切換過于頻繁等問題，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干擾能力的車速跟蹤模糊控制方法。該方 法在用于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(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明汽車駕駛機器人的車速跟蹤模糊控制方法，其特征在于包括如下步驟
(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，并對實際輸入變量進
行尺度變換將實際輸入變量變換至論域范圍內(nèi)；
(2) 采用汽車駕駛機器人模糊控制器對步驟(1)所述的經(jīng)過尺度變換的實際輸入 變量模糊化得到模糊值，采用所述模糊值建立輸入輸出變量隸屬度函數(shù)；
(3) 基于駕駛經(jīng)驗知識庫(包括離合器接合規(guī)律、換擋規(guī)律、油門控制特性和駕駛 控制規(guī)則)和測量數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)方法建立汽車駕駛機器人模糊控制規(guī)則；
(4) 基于步驟(2)所述的輸入輸出變量隸屬度函數(shù)、步驟(3)所述的模糊控制規(guī) 則，采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(fā)明方法的優(yōu)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(biāo)準(zhǔn)的要求而提出，能夠精確跟蹤給 定的目標(biāo)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(shù)據(jù)的準(zhǔn)確 度和有效性。
(2) 實時性好。駕駛機器人模糊控制方法采用的離線模糊計算、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) 抗干擾能力強。采用模糊控制方法的駕駛機器人對外部干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(shù)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(jīng)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(dá)到了熟練駕駛員的駕駛 水平。


圖l是本發(fā)明方法的系統(tǒng)框圖2是汽車排放耐久性V型試驗前9個循環(huán)工況車速曲線圖3是汽車駕駛機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4是汽車駕駛機器人模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5是汽車駕駛機器人模糊控制系統(tǒng)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(fēng)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(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細(xì)說明
汽車駕駛機器人是在汽車試驗中用于代替駕駛員進行操作的機器人，是汽車試驗中的一種現(xiàn)代化智能裝置。為了實現(xiàn)道路的室內(nèi)模擬，試驗車輛必須放置在底盤測功機上 用于模擬平直的道路情況，從而為汽車試驗提供試驗環(huán)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，汽車駕駛機器人系統(tǒng)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(tǒng)、電動驅(qū)動系統(tǒng)等部分構(gòu)成。汽車 駕駛機器人采用純電動驅(qū)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(jié)合(如離合器)、慢速 (如油門)等運動要求。其中，油門機械腿采用步進電機伺服控制方式，實現(xiàn)油門的高 精度定位；制動機械腿采用步進電機驅(qū)動，通過自調(diào)節(jié)制動力大小實現(xiàn)對制動減速度的 控制；離合器機械腿采用步進電機驅(qū)動，實現(xiàn)離合器機械腿回收速度的調(diào)節(jié)，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(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行部件， 它采用七連桿兩自由度閉鏈機構(gòu)，采用兩個關(guān)節(jié)角位移傳感器反饋移動信息，根據(jù)角位 移確定機械手的空間位移坐標(biāo)，在不需要對汽車換擋機構(gòu)進行改造的前提下，實現(xiàn)選擋 和掛摘擋兩個方向運動的機械解耦，最終實現(xiàn)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后，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(zhǔn)，從而適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)尺寸的試驗車輛。
(2) 參看圖2，根據(jù)國家汽車試驗標(biāo)準(zhǔn)GB 18352.3-2001《輕型汽車污染物排放限值 及測量方法(II)》的要求，在汽車的試驗循環(huán)工況中規(guī)定試驗車輛起動、停車、加速、 減速、換擋、怠速等試驗工況，并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(zhuǎn)鼓的光電傳感器得到 試驗車的速度，經(jīng)F/V變換和A/D變換傳入駕駛機器人控制計算機；發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量模 塊將試驗車輛的發(fā)動機轉(zhuǎn)速變換成模擬電壓，通過A/D變換和信號調(diào)理模塊傳入控制計 算機。駕駛機器人根據(jù)試驗循環(huán)工況規(guī)定的目標(biāo)車速和實時采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(jīng)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，然后輸出控制量(步進電機運動脈沖數(shù))控制步進電機進行動作。由 于步進電機的運動速度是由輸入步進電機的控制脈沖頻率決定的，只要改變控制脈沖頻 率就能夠?qū)崿F(xiàn)步進電機運動速度的調(diào)節(jié)。并且步進電機轉(zhuǎn)動的角度取決于控制脈沖的個 數(shù)，只要控制脈沖頻率不高于步進電機的失步頻率，就能夠準(zhǔn)確控制步進電機轉(zhuǎn)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(fā)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(gòu)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(jié)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/后經(jīng)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，并對實際輸入變 量進行尺度變換將實際輸入變量變換至論域范圍內(nèi)。
根據(jù)汽車排放耐久性V型試驗循環(huán)的要求，國家汽車試驗標(biāo)準(zhǔn)要求的車速控制精度 在士2km/h之間，控制動作盡量采用保持油門踏板位置不變的方法實現(xiàn)，不能夠頻繁大幅 度"煽動"油門，以免損傷發(fā)動機。定義車速誤差￡ = ^目標(biāo)-F實^，即目標(biāo)車速減去實際車速；車速的誤差變化率五c = & ，這里采樣時間"=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(quán)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(diào)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，由于冷車與熱車情
況下發(fā)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(wěn)速的升速時間判斷汽車性能，若時間短，
性能好，則&就較??；若時間長，&就較大。這里，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^。
由于駕駛機器人機械手/腿的動作有下壓和回收之分，分別用正負(fù)號表示，論域中負(fù) 數(shù)表示機械手/腿下壓，正數(shù)表示機械手/腿回收。
對于實際的輸入量，首先進行尺度變換，將其變換到要求的論域范圍，若實際的輸 入量為^，其變化范圍為k二,4j，要求的論域為[e咖，e鵬]，則在論域要求范圍內(nèi)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(shù)。
輸入變量模糊化運算采用單點模糊集合，若輸入為e。和ec。，則相應(yīng)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(fù)大),M/(負(fù)中),A^(負(fù)小)，Z五(零),i^(正小),PM(正中),尸5(正大)1，其中 、ec附、"！ 、 "2都為正數(shù)；輸出變量輸出變量"的基本論域為[-"m,"m]，其模糊集合論域為{-"3,'",-1,，0，1，'","3}，輸出比例因子"=";%^ ，輸出變量t/分為7個等級，模糊子集分別為{^ (負(fù)大),M/(負(fù)中)，AW(負(fù)小),Z五(零),尸S(正小),iW(正中),尸5(正大)}，其中"m 、 "3都為正數(shù)。
3、根據(jù)權(quán)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，其特征在于 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(shù)的方法如下當(dāng)實際的輸入變量^的變化范圍為l4n,4j，要求的論域為 ，則在論域要求范圍內(nèi) 的輸入量為<formula>formula see original document page 2</formula>輸入變量模糊化運算采用單點模糊集合，若經(jīng)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>formula see original document page 2</formula>輸入變量和輸出變量的隸屬度函數(shù)采用數(shù)值描述的方法，其中^in、 、ax、 4 、 4 為有理數(shù)。
4、根據(jù)權(quán)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，其特征在于步驟(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(jù)步驟(3)建立的模糊控制規(guī)則，輸入模糊集合合成運算的and操作采用求交法，輸入模糊集合合成運算的also操作采用求并法，模糊 蘊涵采用求交法，輸出模糊合成采用最大一最小法，去模糊化采用重心法，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(fā)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，并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范圍內(nèi)；(2)采用汽車駕駛機器人模糊控制器對經(jīng)過尺度變換的實際輸入變量模糊化得到模糊值，采用所述模糊值建立輸入輸出變量隸屬度函數(shù)；(3)基于駕駛經(jīng)驗知識庫和測量數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)方法建立汽車駕駛機器人模糊控制規(guī)則；(4)基于輸入輸出變量隸屬度函數(shù)、模糊控制規(guī)則，采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(fā)明實時性好、抗干擾能力強、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(yōu)先權(quán)日2009年8月26日
發(fā)明者張為公, 李亭亭, 剛 陳, 龔宗洋 申請人:東南大學(xué)