李 剛，張?zhí)K才，任建平，石 晶

（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,遼寧 錦州 121001）

1 線控制動(dòng)系統(tǒng)

1.1 線控制動(dòng)系統(tǒng)功能概述

無人駕駛電動(dòng)賽車線控制動(dòng)系統(tǒng)的電控單元主要作用是對賽車行駛安全進(jìn)行監(jiān)測。包括以下兩個(gè)方面：①對賽車制動(dòng)踏板位移量和制動(dòng)壓力進(jìn)行監(jiān)測，并且通過調(diào)整油缸比例閥控制賽車制動(dòng)壓力；②采集賽車的速度以及根據(jù)不同行駛狀態(tài)控制示警燈。除電控單元之外還設(shè)計(jì)了緊急制動(dòng)系統(tǒng)和遙控急停系統(tǒng)對賽車行駛安全進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)賽車處于RES 停車信號(hào)、氣缸儲(chǔ)能裝置故障、通訊信號(hào)故障、行車制動(dòng)信號(hào)、RES 通訊異常、無人駕駛傳感器供電故障以及安全回路斷開等狀態(tài)下都會(huì)觸發(fā)緊急制動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)觀察到賽車處于危險(xiǎn)情況時(shí)，可以通過遙控急停系統(tǒng)觸發(fā)緊急制動(dòng)系統(tǒng)使賽車停車。無人駕駛線控制動(dòng)系統(tǒng)控制單元功能圖如圖1所示，紅燈代表賽車處于無人駕駛緊急制動(dòng)情況，黃燈代表賽車處于正常行駛狀態(tài)。

圖1 無人駕駛電動(dòng)賽車制動(dòng)單元功能圖

無人駕駛電動(dòng)賽車線控制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)方式包含了液壓制動(dòng)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)反拖制動(dòng)。由圖2 可知，無人駕駛電動(dòng)賽車行駛速度由輪速傳感器采集得到，通過實(shí)際車速與期望車速之間的對比，可以得到某一時(shí)刻速度差值，將獲得的速度差值以及差值的變化率作為PID 控制器的輸入。如果無人駕駛賽車實(shí)際車速大于期望車速，此時(shí)賽車需要進(jìn)行減速制動(dòng)，根據(jù)PID 控制器解算無人駕駛賽車制動(dòng)減速度，將制動(dòng)減速度轉(zhuǎn)化為當(dāng)前無人駕駛賽車需要的制動(dòng)力，通過計(jì)算可得到此時(shí)無人駕駛賽車所需的摩擦制動(dòng)力與再生制動(dòng)力。根據(jù)制動(dòng)力與制動(dòng)踏板之間的關(guān)系得到制動(dòng)踏板行程量，并根據(jù)制動(dòng)踏板量與制動(dòng)電機(jī)之間的幾何關(guān)系得到電機(jī)此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，整車控制器通過PWM 信號(hào)發(fā)送轉(zhuǎn)角指令給制動(dòng)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)無人駕駛賽車減速制動(dòng)。另一部分再生制動(dòng)力由驅(qū)動(dòng)電機(jī)反拖制動(dòng)提供，即可以提高對能源的循環(huán)利用，同時(shí)也可以增加無人駕駛電動(dòng)賽車的行駛里程。

圖2 制動(dòng)控制邏輯圖

1.2 線控制動(dòng)系統(tǒng)控制策略

中國大學(xué)生無人駕駛大賽規(guī)則規(guī)定，無人駕駛賽車制動(dòng)系統(tǒng)改裝必須保留有人駕駛模式，所以線控制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于原有的制動(dòng)方式。

當(dāng)賽車啟動(dòng)時(shí)首先判斷賽車無人駕駛主開關(guān)是否打開，若打開則賽車處于無人駕駛狀態(tài)，此時(shí)賽車制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備工作狀態(tài)，然后判斷賽車是否處于正常行駛狀態(tài)，若賽車出現(xiàn)RES 停車信號(hào)、氣缸儲(chǔ)能裝置故障、通訊信號(hào)故障等故障時(shí)，賽車處于緊急制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)整車控制器發(fā)送信號(hào)給緊急制動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)板，從而觸發(fā)賽車緊急制動(dòng)系統(tǒng)，此時(shí)氣缸釋放氣壓，帶動(dòng)線控制動(dòng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)消除空行程后，賽車通過液壓制動(dòng)進(jìn)行制動(dòng)，無人駕駛電動(dòng)賽車緊急制動(dòng)系統(tǒng)的控制策略邏輯圖如圖3所示。

圖3 無人駕駛電動(dòng)賽車緊急制動(dòng)系統(tǒng)控制策略邏輯圖

當(dāng)賽車正常減速行駛時(shí)，判斷賽車行駛速度是否大于5 km/h 且蓄電池組SOC值是否小于80%，如若不滿足，則賽車制動(dòng)方式為液壓制動(dòng)，此時(shí)制動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)線控制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)壓縮制動(dòng)主缸，賽車通過液壓制動(dòng)進(jìn)行制動(dòng)。若滿足條件，則判斷賽車制動(dòng)強(qiáng)度是否大于0.7，若大于則判定為緊急制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)賽車處于不安全狀態(tài)，再生制動(dòng)力不參與制動(dòng)，制動(dòng)力全部由液壓制動(dòng)提供。若制動(dòng)強(qiáng)度小于0.7，賽車制動(dòng)方式為電液復(fù)合制動(dòng)[15-16]，前后軸制動(dòng)力按固定值分配，再生制動(dòng)力由電機(jī)反拖提供，同時(shí)產(chǎn)生再生制動(dòng)能量，電池系統(tǒng)對能量進(jìn)行循環(huán)利用。

無人駕駛電動(dòng)賽車線控制動(dòng)策略邏輯圖如圖4所示，無人駕駛電動(dòng)賽車保留了有人駕駛模式，根據(jù)比賽項(xiàng)目，通過電磁閥來控制賽車處于何種行駛狀態(tài)。

圖4 無人駕駛電動(dòng)賽車線控制動(dòng)策略邏輯圖

2 速度控制

2.1 PID 控制原理

(1)PID 控制器基本原理

常用者為頭孢哌酮、頭孢哌酮舒巴坦、頭孢克肟，菌素對腸桿菌科細(xì)菌等革蘭陰性桿菌具有強(qiáng)大抗菌作用，頭孢他啶和頭孢哌酮除腸桿菌科細(xì)菌外對銅綠假單胞菌亦具高度抗菌活性。

PID 控制已被大量的應(yīng)用于工業(yè)工程領(lǐng)域，在技術(shù)方面發(fā)展的比較完善。目前常規(guī)的PID 控制系統(tǒng)主要由被控對象和控制器兩部分組成，主要特點(diǎn)是可以不考慮被控對象的數(shù)學(xué)模型，只需要根據(jù)積累的經(jīng)驗(yàn)對PID 的三個(gè)參進(jìn)行在線的調(diào)試，最終能夠得到比較理想的控制效果。數(shù)字PID 技術(shù)在生產(chǎn)過程中是一種廣泛使用的控制方法，在冶金、機(jī)械、化工、機(jī)電、無人駕駛等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。PID 控制的基本原理為：利用比例、積分、微分分別對系統(tǒng)的偏差進(jìn)行處理并相加得到總的控制量，將總的控制量作用于被控對象，完成PID 控制。PID控制是基于對偏差“過去”、“現(xiàn)在”、“將來”信息估計(jì)得一種線性控制方法。常規(guī)的PID 控制系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 PID 控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

在圖5 中，系統(tǒng)誤差e(t)分別通過各環(huán)節(jié)處理后并相加得到控制器的輸出u(t)，其表達(dá)式如下：

寫成傳遞函數(shù)形式為：

式中，e(t)=r(t)-y(t)，kp是比例增益，Ti是積分時(shí)間，Td是微分時(shí)間；U(s)和E(s)分別是控制量u(t)和偏差量e(t)的拉氏變換。

由于無人駕駛賽車在實(shí)際控制中為一個(gè)離散系統(tǒng)，因此需要將上述的連續(xù)的PID 控制器進(jìn)行離散化，然后再通過控制器對控制算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。離散的PID 控制器表達(dá)式如下：

(2)PID 控制器參數(shù)

PID 控制器主要有3 個(gè)基本參數(shù)，分別為比例系數(shù)pk、積分時(shí)間常數(shù)iT和微分時(shí)間常數(shù)dT。這3個(gè)參數(shù)對整個(gè)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)定性能有不同的影響，這3 個(gè)參數(shù)的取值直接決定PID 控制系統(tǒng)的控制效果。

①比例系數(shù)kp

系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)作為控制器輸入，當(dāng)偏差產(chǎn)生后，控制器迅速產(chǎn)生控制作用，減小偏差。比例的作用反應(yīng)了PID 控制器的快速性，kp越大，則控制系統(tǒng)的動(dòng)作越快，振蕩次數(shù)越多，調(diào)節(jié)的時(shí)間將變長。因此，kp的參數(shù)范圍應(yīng)該適當(dāng)，過大則系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定，過小則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)作過慢，調(diào)節(jié)時(shí)間變長。

②積分時(shí)間常數(shù)Ti

積分的作用主要是消除穩(wěn)態(tài)誤差，能夠體現(xiàn)PID 控制的準(zhǔn)確性，但是會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。Ti不能過小，過小會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，當(dāng)小到一定程度時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象；Ti太大，則會(huì)降低系統(tǒng)性能的影響力，因此需要選擇適當(dāng)?shù)腡i才能有比較理想的過度特性。

③微分時(shí)間常數(shù)Td

微分作用體現(xiàn)了偏差信號(hào)的變化速率，同時(shí)也反映了PID 控制的穩(wěn)定性，根據(jù)誤差的變化率做出相應(yīng)的反應(yīng)，適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔媚軌蚣涌煜到y(tǒng)響應(yīng)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通常Td取值應(yīng)當(dāng)適中，過大過小都會(huì)有較大超調(diào)量和較長調(diào)節(jié)時(shí)間。

2.2 速度控制實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上文所述的線控制動(dòng)控制策略與PID 控制原理，本文通過MATLAB/Simulink 對控制策略進(jìn)行模型搭建。由于無人駕駛賽車在比賽中最小轉(zhuǎn)彎半徑為9 m，行駛車速較低。因此，在較低車速行駛工況下對本文提出的線控制動(dòng)控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

當(dāng)賽車處于無人駕駛狀態(tài)時(shí)，賽車行駛過程中上層決策規(guī)劃系統(tǒng)會(huì)對賽車下一個(gè)時(shí)刻的控制量進(jìn)行預(yù)測，提前給出控制量的期望值。

因此，本文在特定的賽道，通過有人駕駛采集了賽車當(dāng)前車速所對應(yīng)的制動(dòng)主缸壓強(qiáng)，將采集的數(shù)據(jù)作為無人駕駛狀態(tài)時(shí)仿真驗(yàn)證中的期望值，驗(yàn)證開發(fā)策略的可行性。

圖6 為在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建的PID速度控制模塊。

圖6 PID 速度控制模塊

當(dāng)無人駕駛電動(dòng)賽車處于減速制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，賽車的加速踏板量為零，此時(shí)采集賽車實(shí)際行駛速度與實(shí)際制動(dòng)壓強(qiáng)。圖7 與圖8 為無人駕駛電動(dòng)賽車的行駛速度與制動(dòng)壓強(qiáng)的對比圖。

圖7 實(shí)際壓強(qiáng)與期望壓強(qiáng)對比圖

由圖8 分析可知，無人駕駛賽車在低速行駛減速制動(dòng)時(shí)其實(shí)際的制動(dòng)壓強(qiáng)與期望壓強(qiáng)基本相近，這也說明實(shí)際制動(dòng)壓強(qiáng)可以隨期望值范圍內(nèi)變化而變化，整體說明所設(shè)計(jì)的策略應(yīng)用在低速行駛狀態(tài)下效果良好，而高速測試工況復(fù)雜，危險(xiǎn)系數(shù)高，未進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證。從圖8 可以看出，在行駛過程中為了跟蹤上期望車速，賽車會(huì)進(jìn)行加速和減速，而 變化，整體說明所設(shè)計(jì)的策略應(yīng)用在低速行駛狀態(tài)下效果良好，而高速測試工況復(fù)雜，危險(xiǎn)系數(shù)高，未進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證。從圖8 可以看出，在行駛過程中為了跟蹤上期望車速，賽車會(huì)進(jìn)行加速和減速，而在加速和減速的切換過程中會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)的現(xiàn)象，對賽車的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

圖8 期望速度與實(shí)際速度對比圖

本文所設(shè)計(jì)的增量PID 控制算法只能對減速進(jìn)行控制，在未來的研究中還需加以完善以實(shí)現(xiàn)更好的控制效果。

3 結(jié)論

針對于遼寧工業(yè)大學(xué)無人駕駛電動(dòng)賽車實(shí)際開發(fā)需求，本文提出了基于增量式PID 無人駕駛電動(dòng)賽車線控制動(dòng)系統(tǒng)控制策略。通過采用增量式PID 算法控制賽車制動(dòng)壓力，保證賽車在行駛安全的前提下按照預(yù)設(shè)路徑穩(wěn)定行駛。在無人駕駛電動(dòng)賽車實(shí)際應(yīng)用中，本文所設(shè)計(jì)的線控制動(dòng)策略及增量PID 算法效果良好，有效地提高了無人駕駛電動(dòng)賽車制動(dòng)控制精度。