（精密仪器及机械专业论文）汽车驾驶机器人智能控制及其半实物仿真平台研究.pdf

：薹 东南大 学 学位论文 独 创性声明 嘲 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文挡，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文挡的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：渤丛白 徽溪 摘要 汽车驾驶机器人智能控制 及其半实物仿真平台研究 摘要 随着汽车工业的发展，人类对汽车的性能要求越来越高，这就需要借助于大量的试验来改进设计。 而汽车试验中的许多项目，由于重复性强、持续时间长、危险性大、工作环境恶劣、劳动强度大，因此 更适合由机器人来代替试验人员进行汽车试验。利用驾驶机器人代替人类驾驶员进行汽车试验对于减轻 试验人员的劳动强度，降低试验环境对试验人员的伤害，节省试验费用，提高试验效率，增强试验结果 的客观性和准确度，消除人为因素的影响，进而加速汽车研发进度都有重要的意义。 本文以汽车排放耐久性试验系统项目为背景，以增强驾驶机器人的车辆性能自学习能力，提高驾驶 机器人的车速跟踪精度，改善与提高驾驶机器人驾驶车辆的品质为目标开展了相关的研究工作。本文的 主要研究内容及成果包括： l 、对汽车驾驶机器人系统设计进行了研究。给出了汽车驾驶机器人的基本要求和系统结构，同时 研究了汽车驾驶机器人油门机械腿、制动机械腿、离合器机械腿和换挡机械手的执行机构及驱动方式， 并给出了各机械腿厍的主要技术指标，完成了汽车驾驶机器人的硬件系统设计、控制软件设计和抗干 扰设计。 2 、对汽车换挡规律和换挡品质评价与驾驶机器人换挡控制进行了研究。针对目前换挡品质评价方 法的不足，提出了一种基于证据理论和模糊神经网络的换挡品质评价方法。运用主观评价和客观评价相 结合的方法，通过证据理论对不同驾驶员给出的主观评价进行数据融合，通过模糊神经网络对由仪器测 得的客观评价指标和经证据合成后的相应主观评价构成的样本向量进行学习和训练，建立了换挡品质评 价系统。计算和试验结果表明，该方法克服了主观评价和客观评价各自的缺点，能客观、准确、有效地 评价换挡品质。在此基础上，为了实现汽车驾驶机器人挡位决策的智能化，提出了一种汽车驾驶机器人 模糊神经网络换挡控制方法。仿真结果表明，汽车驾驶机器人换挡模糊神经网络控制仿真挡位与试验挡 位基本保持一致，该方法可根据操作工况环境实现正确的汽车驾驶机器人挡位控制。 3 、对汽车性能自学习与汽车驾驶机器人多机械手协调控制进行了研究。为了缩短汽车驾驶机器人 在不同车况下以及对不同车型的适应性调整时间，提出了一种用于汽车驾驶机器人的车辆性能自学习方 法。对影响驾驶机器人驾驶行为的不同车型车辆尺寸和汽车性能参数进行自学习，对因长时间驾驶引起 的控制参数变化进行在线优化，以补偿长时间试验过程中汽车零部件的磨损。试验结果表明，提出的方 法实现了驾驶机器人的自学习、自校正、自补偿，提高了驾驶机器人对不同车型和不同车况的自适应能 力。为了实现汽车驾驶机器人油门机械腿、离合机械腿、制动机械腿和换挡机械手的综合协调控制，最 终实现对预先设定的循环行驶工况的车速跟踪，建立了汽车驾驶机器人递阶控制模型体系结构，提出了 种汽车驾驶机器人多机械手协调控制方法，设计了油门离合器协调控制器和油门制动器切换控制 器。试验结果表明，提出的方法能合理协调控制汽车驾驶机器人换挡机械手和油门、制动、离合机械腿， 使驾驶机器人可以模拟一个熟练驾驶员的手脚协调操作能力。 4 、深入研究了汽车驾驶机器人车速跟踪控制策略问题。针对传统p i d 控制在用于汽车驾驶机器人 i 东南大学博士学位论文 时存在的不足，为了实现驾驶机器人对给定循环行驶工况的车速跟踪，提出了用于驾驶机器人车速跟踪 的智能控制方法：模糊控制、神经网络控制和模糊神经网络控制，建立了能够满足实时控制的汽车驾驶 机器人车速跟踪模糊控制系统。仿真及试验结果表明，车速跟踪模糊控制方法具有良好的实时性和较强 的抗干扰能力，在用于驾驶机器人车速跟踪控制时在线的计算量是很少的，能够满足实时控制的要求， 但模糊控制规则及隶属度函数比较难以获得；车速跟踪神经网络控制方法收敛速度快，具有很强的自学 习能力，但神经网络对语言信息的处理比较欠缺，不能利用已有的驾驶员的经验知识；车速跟踪模糊神 经网络控制方法既具有模糊控制善于利用专家语言信息的优点，又具备神经网络控制强大的自学习能力 的优点，明显提高了驾驶机器人车速跟踪的精度，能精确跟踪给定的目标车速，驾驶机器人达到了熟练 驾驶员的驾驶水平。 5 、设计了汽车驾驶机器人驾驶性能评价半实物仿真平台。由于在实际车辆上进行调试存在危险， 在半实物仿真平台中，实际车辆由汽车纵向动力学数学模型代替，汽车驾驶机器人的先进控制方法可以 借助这个仿真平台进行检验、修正，驾驶机器人驾驶车辆的品质也可以借助这个仿真平台进行性能评价。 根据所设计的仿真平台，通过易于获取的车辆有关参数，能快速便捷地获得车辆的动力特性，以便于深 入的了解试验车辆性能，为汽车试验的顺利开展提供可靠的参考数据。试验结果验证了该仿真平台的有 效性、准确性和可行性。 关键词：驾驶机器人：换挡；车辆性能自学习；多机械手；协调控制：智能控制；车速跟踪控制；汽车 纵向动力学模型 i i ) l u - | f o a b s 打a c t r e s e a r c ho ni n t e l l i g e n tc o n t r o la n ds e m i p h y s i c a l si m u l a t i o np 1 a t f o r mf o r 、厂e h i c l er o b o td r i v e r a b s t r a c t w i t ht l l ed e v e l o p m e mo fa m o m o b 订ei n d u s t l xt l l er e q u i r e m e n t so fv e l l i c l e sp e o 硼锄c eh a v eb e e n i n c r e 舔i n g ，s 0t h a ti ti sn e c e s s a 巧f 1 0 ri m p r 0 v i n gd e s i 印t 0p e r f b 加al a 略en u m b e ro fv e h i c l et e s t s h o w e v e r d u et 0m 锄yk i n d so fv e h i c l et e s t sh a v et h ec 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es i m u i a t i o np l a t f o 加，n l ed y n 锄i cc h a r a c t e r i s t i c so f v e h j c l e sc 锄b ef 瓠l y 觚de 鹊i l yo b t a i n e db ym e a n so f 恤ee a s i l ya c c e s s i b l ev e h i c l ep 猢e t e r s ，w h i c hp r o v i d e r e l i a b l er e f e r e n c ed a t ao nv e h i c l et e s t t h ea c c u r a c y 锄df e 勰i b i l 时o ft h es i m u l 撕o np l a t f o n na r ev e r i f i e db y e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 1 ( e yw o r d s ：r o b o td r i v e r ；s h i f t ；v e h i c l ep e r f l o m 柚c e l f 1 e a n l i n g ；m u l t i p l em 狮i p u l a t o r s ；c 0 0 r d i m t e dc 伽t r o l ； i n t e l l i g e mc o n 臼0 l ；s p e e d 仃a c k i n gc o n 仃0 l ；v e h i c l el o n g i t u d i n a ld ”砌i cm o d e l i v 目录 目录 摘要1 a b s 臼a c t i l i 目j 畏i 第一章绪论1 1 1j ；i 言1 1 2 汽车排放耐久性试验2 1 2 1 汽车排放耐久性试验法规2 1 2 2 汽车排放耐久性试验系统4 1 3 汽车驾驶机器人5 1 3 1 汽车驾驶机器人的研究意义5 1 3 2 汽车驾驶机器人的国外研究现状6 1 3 3 汽车驾驶机器人的国内研究现状8 1 3 4 汽车驾驶机器人的系统性能比较9 1 4 本论文的研究目标与研究内容1 0 1 4 1 研究目标10 1 4 2 研究内容1 0 1 5 论文结构1 2 1 6 本章小结1 2 第二章汽车驾驶机器人系统设计研究13 2 1 引言13 2 2 汽车驾驶机器人基本要求1 3 2 3汽车驾驶机器人系统结构13 2 4 汽车驾驶机器人执行机构及驱动1 4 2 4 1 驱动方式选择1 4 2 4 2 油门机械腿16 2 4 3 制动器机械腿。1 6 2 4 4 离合器机械腿j 16 2 4 5 换挡机械手1 6 2 5 汽车驾驶机器人硬件系统设计1 9 2 5 1 主要传感器选型19 2 5 2 检测控制系统2 0 2 6 汽车驾驶机器人控制软件设计2 l 2 6 1 软件总体结构2 l 2 6 2 软件模块功能划分一2 1 2 6 3 软件运行界面2 3 2 7 抗干扰设计2 4 2 8 本章小结2 4 第三章汽车换挡规律和换挡品质评价与驾驶机器人换挡控制研究2 5 3 1 i ；i 言2 1 ； 3 2 换挡规律2 5 3 2 1 最佳动力性换挡规律2 6 东南大学博士学位论文 3 2 2 最佳燃油经济性换挡规律2 7 3 3 换挡品质评价2 8 3 3 1 换挡品质评价指标2 8 3 3 2 换挡品质评价建模方案选择2 9 3 3 3 换挡品质评价方法3 0 3 3 4 试验与结果分析3 7 3 4 驾驶机器人换挡控制4 0 3 4 1 换挡时序分析4 0 3 4 2 换挡控制方法4 l 3 4 3 试验与结果分析：4 3 3 5 本章小结4 6 第四章汽车性能自学习与驾驶机器人多机械手协调控制研究4 7 4 1 j ；i 言4 7 4 2 汽车性能自学习4 7 4 2 1 驾驶机器人系统工作过程4 7 4 2 2 汽车性能自学习方法4 9 4 2 3 试验验证5 2 4 - 3 驾驶机器人多机械手协调控制5 3 4 3 1 驾驶行为分析5 3 4 3 2 递阶控制模型体系5 5 4 - 3 3 多机械手协调控制方法5 8 4 3 4 协调控制器设计5 9 4 3 5 试验验证一6 2 4 4 本章小结6 3 第五章汽车驾驶机器人车速跟踪控制研究“ 5 1 弓i 言6 4 5 2 驾驶循环行驶工况分析6 5 5 - 3 汽车驾驶机器人车速跟踪模糊控制研究6 6 5 3 1 模糊控制6 6 5 3 2 车速跟踪模糊控制方法一6 9 5 3 3 车速跟踪模糊控制系统7 4 5 3 4 仿真与试验验证7 6 5 4 汽车驾驶机器人车速跟踪神经网络控制研究7 7 5 4 1 神经网络控制7 7 5 4 2 车速跟踪神经网络控制方法7 9 5 4 3 仿真验证8 2 5 5 汽车驾驶机器人车速跟踪模糊神经网络控制研究8 3 5 5 1 模糊神经网络控制8 3 5 5 2 车速跟踪模糊神经网络控制方法8 3 5 5 3 仿真验证8 4 5 6 本章小结8 6 第六章汽车驾驶机器人驾驶性能评价半实物仿真平台研究8 7 6 1 引言8 7 6 2 汽车纵向动力学数学模型8 7 6 2 1 发动机模型8 8 6 2 2 离合器模型9 0 目录 6 2 3 变速器模型9l 6 2 4 制动器模型9 1 6 2 5 车辆纵向行驶动力学模型9 2 6 3 总体方案设计9 3 6 4 硬件设计9 4 6 4 1 传感器选型及安装。9 4 6 4 2 信号调理及数据采集9 5 6 5 软件设计9 6 6 6 仿真与试验验证9 8 6 6 1 驾驶工况模拟试验9 9 6 6 2 排放耐久性试验lol 6 7 本章小结1 0 2 第七章总结与展望一1 0 3 7 1 总结10 3 7 2 展望10 4 致谢。10 6 参考文献。：10 7 攻读博士学位期间取得的科研成果及获奖情况1 1 3 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 随着时代的发展和进步，人们对于车辆的性能，如行驶稳定性、乘坐舒适性、操作简 易可靠性等等，不断地提出更新、更高的要求。为了满足这些要求，汽车设计人员需要投 入大量的人力和物力来改进原来的设计，改进设计的依据就需要靠大量的检测和汽车试验 来获得。 汽车试验通常是指在专用试验场，或其它专用场地或试验室内，使用专用设备、设施， 依照试验大纲及有关标准，对汽车或总成部件进行各种测试的工作过程。汽车试验按照试 验特征的不同，可分为室内台架试验、汽车试验场试验和室外道路试验三种。