汽车行驶控制系统的设计与仿真-开题报告

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名： 学 号：学 院 、 系 ： 信息与通信工程学院电气工程系专 业 ： 电气工程及其自动化设 计 题 目 ： 汽车行驶控制系统的设计与仿真指 导 教 师 :2013 年 3 月 20 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文 献 综 述一智能车辆产生和发展智能车辆的研究始于 20 世纪 50 年代初美国 Barrett Electronics 公司开发出的世界上第一台自动引导车辆系统（Automated Guided Vehicle System，AGVS） 。1974 年，瑞典的Volvo Kalmar 轿车装配工厂与 SchiinderDigitron 公司合作，研制出一种可装载轿车车体的 AGVS，并由多台该种 AGVS 组成了汽车装配线，从而取消了传统应用的拖车及叉车等运输工具。 由于 Kalmar 工厂采用 AGVS 获得了明显的经济效益，许多西欧国家纷纷效仿 Volvo 公司，并逐步使 AGVS 在装配作业中成为一种流行的运输手段 。20 世纪 802年代，伴随着与机器人技术密切相关的计算机、电子、通信技术的飞速发展，国外掀起了智能机器人研究热潮，其中各种具有广阔应用前景和军事价值的移动式机器人受到西方各国的普遍关注。从八十年代中后期开始，世界上主要的发达国家对智能车辆开展了一系列卓有成效的研发工作。智能车辆在军事、民用和科学研究等领域广泛的应用前景，也越来越引起各国政府和大公司的注意。在智能车辆中，道路识别技术是其视觉预警和导航系统中的一个关键技术，也是智能车辆视觉技术发展水平的一个重要标志。在 1994年，第一届的世界智能交通系统大会(Intelligent Transportation Systems，ITS)在法国巴黎召开，标志着智能交通技术走向了快速发展的阶段，2007 年，第 14 届世界 ITS 大会在中国北京顺利召开 7。二国内外现状 1.美国智能车辆发展及现状美国在智能车辆的研究进展比较快，从 20 世纪 80 年代开始，美国在 DARPA 预研项目资助下研制了第一台自动导航车辆-Autonomous Land Vehiclesl41 。目前美国的主要智能车辆研究有美国军方研制的 DEM0智能车辆，卡耐基梅隆大学机器人研究中心研究开发的的 NavLab 系列和福罗里达大学研制的 Kelvin 智能车辆。DEMOIII 智能车融合了包括摄像机、激光、雷达、超声波、红外线等多传感器技术，能够在不同环境条件下自动调整车速以适应多种环境，还能在三百英寸的范围内发现人以避障。NavLab 智能车采用 SonyDXC 一 151A 彩色摄像机，用于进行道路和障碍物检测，并通过控制转向实现自动驾驶，NavLab 进行了长达 3000 英里的公路实验，其中 95由自动驾驶完成，平均速度可达 85kmh。Kelvin 智能车采用了 2 个摄像机，适用于相对比较平缓的地区，非常轻便，且可以获得相对较高的速度 。12.欧洲智能车辆发展及现状欧洲的智能车研究主要有德国慕尼黑联邦国防大学与德国奔驰汽车公司研制的智能车、德国的研究技术部门与大众汽车公司合作研制了 Carvelle 智能车、法国帕斯卡大学(Blaise Pascal University)与雪铁龙合作研制的 Peugeot 智能车以及意大利的帕尔玛大学(UniversityofParma)研制的 ARGO 系列智能车等。VaMoRsP 智能车通过四个小型摄像机构成的两组双目视觉系统，在高速公路上进行了大量的跟踪车道白线、避障和自动超车实验，最高车速可达 130kmh。Carvelle 智能车利用两个摄像机来探测障碍物和检测车道，从识别一帧图像到完成控制过程的时间只需 70 毫秒，该车的最高车速为120kmh。Peugeot 智能车的运算处理部分已经集成在一块基于 TMS320C50 的数字处理卡上，硬件配置轻便，对实验车几乎无需任何改装，在高速公路上做了几百公里不同路况的行程实验，车速达 130kmh。ARGO 智能车集成了机器视觉和多传感器的融合技术，进行了一次 2000 多公里的非规范化道路的测试，穿越了平原、山地、高架桥、隧道、获得了良好的效果 10。3.亚洲智能车辆发展及现状亚洲的智能车辆的研究主要有日本、韩国、新加坡等，其中日本的丰田公司(TOYOTA)在 1993 年研制的智能车在普通高速公路上的实验车速为 60kmh；日本的日产公司在 2001 年生产了具有预警系统的汽车；三菱公司也开发过具有类似离线预警系统功能的 Galant 智能车。此外，韩国、新加坡的大学及科研机构也均进行了相关工作的大量研究。在 1994 年，第一届的世界智能交通系统大会(Intelligent Transportation Systems，ITS)在法国巴黎召开，标志着智能交通技术走向了快速发展的阶段，2007 年，第 14 届世界 ITS 大 会在中国北京顺利召开 11。4.我国智能车辆发展及现状我国在智能车的研究起步比较晚，与发达国家有一定的差距，目前在国内智能车辆领域里研究的主要有：清华大学的 THMRV 智能车、国防科技大学的 CITAVT-IV 智能车，吉林大学的智能车等。THMR-V 智能车融合摄像机视觉系统、GPS 定位系统和激光雷达测障系统等多传感器技术，结合计算机监控系统对智能车进行方向控制、油门控制、刹车控制和车体控制，THMR-V 智能车在速度上已接近国际先进水平，平均速度为lOOkmh，最高速度可达 150kmh 6。CITAVT-W 智能车主要研究在非结构化道路环境下车辆遥控和自主驾驶技术，在绕城公路上进行了自主实验时车速最高达广西大掌硕士学位论文机器视觉在汽车前方车道识别中的应用研究到了 756km h，已经接近CITAVT-IV 智能车的速度极限。JUTIV4 智能车利用摄像机和多传感器信息的融合技术，研究在非结构道路环境下的车距安全保持技术、道路识别与跟踪技术和换道超车技术，其无人驾驶视觉导航设计速度 50kmh 以上，总体研究开发具有世界先进水平，在国内处于领先地位 13。总的来说，我国的智能车辆与国外的研究还有很大差距，尽管在速度上已经具备世界先进水平，但对于多传感器的融合技术和多目视觉的研究还有待提高。我国还有很多研究机构和大专院校进行相关的研究，如浙江大学、重庆大学、北京工业大学等。我国的智能车研究基本上还处于试验研究阶段，目前还没有产品投入市场 15。三计算机仿真 3891.概述仿真是以相似性原理，控制论，信息技术及相关领域的有关知识为基础。以计算机和各种专用物理设备为工具，借助系统模型对真实系统进行试验研究的一门综合性技术。它利用物理或数学方法来建立模型，类比模拟实现过程或建立假象系统，以寻求过程的规律，研究系统的动态特性，从而达到认识和改进实际系统的目的。相似性原理是仿真的主要理论依据。相似，是指各类事物或对象间存在的某些共性。相似性是客观世界的一种普遍现象，它反映了客观世界不同事物之间存在着某些共同的规律。采用相似性技术建立实际系统的相似模型就是仿真的本质过程。2.仿真算法和仿真软件在系统的数学模型建立后，需要将其转变成能够在计算机上运行的仿真模型，由于计算机只能进行离散的数值运算，因而必须推导出连续系统的递推数学公式，如解微分方程的龙格库塔算法 1214。这实际上属于数值计算的内容，其发展已经相当完善了。这就是计算机仿真算法的设计，即把数学模型转化为能在计算机上运行的仿真模型。仿真软件是一类面向仿真用途的专用软件，它可能是面向通用的仿真，也可能是面向某个领域的仿真。它的功能可以概括为一下几点：（1） 为仿真提供算法支持。（2） 模型描述，用来建立计算机仿真模型。（3） 仿真实验的执行和控制。（4） 仿真数据的显示，记录和分析。（5） 对模型，实验数据，文档资料和其它仿真信息的存储，检索和管理。3.Matlab+Simulink 简介Matlab 是由 MathWorks 公司于 1984 年推出的一套数值计算软件，分为总包和若干个工具箱，可以实现数值分析、优化、统计、偏微分方程数值解、自动控制、信号处理、图像处理等若干个领域的计算和图形显示功能。他将不同数学分支的算法以函数的形式分类成库，使用时直接调用这些函数并赋予实际参数就可以解决问题，快速而准确。该软件有简单易学、代码短小高效、计算功能强大、强大的图形表达功能、可扩展性。Simulink 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。使用 Simulink 来建模分析和仿真各种动态系统（包括连续系统，离散系统和混合系统） ，将是一件非常轻松的事情。它提供了一种图形化的交互环境，只需用鼠标拖动的方法便能迅速地建立起系统框图模型，甚至不需要编写一行代码。它和 Matlab 的无缝结合使得用户可以利用Matlab 丰富的资源，建立仿真模型，监控仿真过程，分析仿真结果。参考文献：1 黄忠霖.控制 系统 MATLAB 计算及仿真M.北京：国防工业出版社，2001.112 HANG C C,HO W K,CAO L S. A comparision of two design methods for PID controllersJ.ISA TRANS,1994,33(2):147-1513 杨立.计算机控制与仿真技术M.北京：中国水利水电出版社，20064 陶永华.新型 PID 控制及其应用M.北京：机械工业出版社，2002：1-25 王新山.PID 调节器的参数整定和正确使用J.炼油化工自动化，1992，NO.6:30-336 Hang C C, Astrom K J.Ho W K. Refinement of the Ziegler-Nichols tuning formulaJ.Proc IEE. PartD. 2003 7 王树青.工业过程控制工程M.北京：化学工业出版社，2003：16-188 张晓华.控制系统数字仿真与 GADM.北京:机械工业出版社，19999 王沫然.MTLAB 与科学计算M.第二版.北京：电子工业出版社，200310 王伟，张晶涛，柴天佑.PID 参数先进整定方法综述J.自动化学报，2000，26（3）：347-35511 Miller J.A. et al. A Comparison of Controller Tuning TechniquesJ. Control Engineering.1967, December, 72-7512 Ziegler J G, Nichols N B Optimum settings for automatic controllersJ. Transaction of ASME,1942,64:759-76813 徐峰，李东海，薛亚丽.基于 ITAE 指标的 PID 参数整定方法比较J. 中国电机报，2003，vol.23，NO.8:206-21014 Vandeeursen J M, Peperstraete J A, Internal model control with improved disturbance rejectionJ, Int J control,1995,vol.63,NO.4:983-99915 郑泳凌，马龙华，钱积新.鲁棒 PID 控制器参数整定方法J. 化工自动化及仪表，2001,28(5):14-17毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一汽车行驶控制系统 汽车驾驶控制系统是典型的反馈控制系统，是整个汽车的的核心部分。其主要目的就是对汽车行驶的速度进行合理的控制，系统的主要工作原理是：（1） 速度操纵机构的位置改变用以设置汽车行驶的速度；（2） 测量汽车的当前速度，别求取它与指定速度的差值；（3） 由速度差值信号驱动汽车产生相应的牵引力，并由此牵引力改 变汽车的速度直到其速度稳定在指定的速度为止。二汽车行驶控制系统模型建立 （1）速度操纵机构的位置变换器位置变换器是汽车驾驶控制系统的输入部分，目的是将速度操纵机构的位置转换为相应的速度，它们的数学关系如下：V=ax+b，x【0,1】 ，其中 x 为速度操纵机构的位置， v 为与之相应的速度，a，b 为常数。（2）行驶控制器行驶控制器是真个控制系统的核心部分，其功能是根据汽车当前速度与指定速度的差值，产生相应的牵引力。行驶控制器为典型的 PID 控制器，其数学表述为：积分环节：x（n）=x（n-1 ）+u （n） ；微分环节：d（n）=u（n）-u（n-1 ） ；系统输出：v（n）=pu（n）+Ix （n）+Dd（n） ；其中 u（n）为系统的输入，相当于汽车当前速度与指定速度的差值；v（n）为系统的输出，相当于汽车的牵引力；x（n）为系统中的状态。P,I,D 为 PID 控制器的比例，积分与微分控制参数。（4） 汽车动力结构汽车动力结构是行驶控制系统的执行机构，其功能是在牵引力的作用下改变汽车速度，使其达到指定的速度。牵引力与速度之间的数学表述为：F=mv+bv，其中 v 是汽车速度，F 为汽车牵引力， m 为汽车的质量，b 为阻力因子。三 仿真模型建立信息采集点的位置即为以上的五个点，也是超声波探头安装的位置。超声波探头通过发射和回收超声波测得 5 个点距离障碍物的距离。分别称为 d1,d2,d3,d4,d5。然后将数据送入单片机进行处理。在单片机检测到右侧一定距离内没有障碍物时则将左侧和尾部数据送入模糊控制器进行处理。如果检测到左侧一定距离内没有障碍物时就将右侧和尾部采集的数据进行处理送入模糊控制器。如果检测到左右