智能汽车车模转向控制

第十四届智能汽车竞赛四轮组根据比赛规则,可选择的四轮车模分为B型车模和C型车模,而由于本届竞赛中赛道元素多,赛道复杂,选择后轮双电机驱动的C型车模。根据C型车模的硬件结构,其前轮摆动通过车模车头的舵机控制,而后轮的转动通过两个电机控制,而在四轮车模的转向过程中前轮的偏转和后轮两轮的差速起着共同作用。因此,对于C型车模的转向而言,其控制包含对舵机的控制和差速控制。

(1)舵机控制

舵机控制部分主要分为两个部分:控制方案和控制输入量的选择。赛道元素分布复杂,为了保证车模的高速运行,要求舵机响应迅速,因此在舵机的控制策略上选择位置式PID控制方案。PID控制策略中积分I项的作用主要是消除响应中的静差,但由于其误差累计的影响,会影响系统的响应速度,所以在智能车舵机控制中,只采用PD控制。在舵机PD控制的处理中,由于单片机采集的图像含有距离信息以及图像左右方向上的非线性原因,会导致舵机的控制系统是一个非线性的系统,而标准PD控制是一个线性控制器,无法在智能车的舵机控制上有良好的表现,因此针对PID控制参数进行动态改变是舵机控制中较好的处理方法。常用的是模糊控制,模糊控制是设立一套模糊规则表,当模糊控制的输入量满足规则表中的某种情况时,就按照对应的规则输出。使用模糊控制的PID参数的整定主要就是对模糊规则表的调整,使PID控制参数按照设定的规则进行动态变化。模糊控制实际是将设计者对车模舵机控制的理解形成规则,从而使舵机按照该规则进行打角变化。模糊控制的优点明显,控制效果好,能够针对各类赛道进行具体的控制,但由于其规则表的制订相对复杂,完成一个较好的规则表需要花费的时间较多,若对PID控制不熟悉就相对难以入门。

另一种针对非线性问题的解决方法是根据输入量的大小,采用相应函数对PID控制参数进行拟合。由于四轮车模中舵机的控制输入来源为采集图像与赛道中线的偏差,而舵机的输出则是改变前轮的偏转角度,实际上该输入与输出是非线性的关系。如果用标准PD来控制舵机,则在赛道上车模的表现往往是直道过于抖动或者急弯切外。因此除了模糊控制外,一种相对简单且效果明显的PD控制处理方案,根据输入偏差的大小使用合适的函数来拟合控制参数,同时采用分段方式来针对非线性问题,其本质上与模糊控制是一致的。下面是使用分段一次函数拟合P控制参数的部分程序:

对于控制输入量的选择,由于图像处理后得到的是已经规划出赛道中线的图像,实际没有明确说明舵机控制的输入量应选取什么,所以首先就是舵机控制量的选择。目前的常用方法是选取赛道中线与图像中线(图像为160行×120列,所以图像中线固定为第60列)的差值作为舵机的控制输入量,但是图像是带有距离信息的。例如,一条直道经图像采集后在屏幕上显示为由两条斜向上的直线构成的,所以即使在实际赛道上,距离赛道中线距离相同的物体,当在图像上看时,会发现此物体距离车模越远,则其与图像中赛道中线的差值越小。这引出了控制量选择的第一个问题:选取距离车模多远的信息作为舵机控制量?当控制量选取过远,则会造成车模提前转向的现象;当控制量选取过近,则在高速情况下车模会出现来不及转向的现象。在舵机控制中,把这个控制量选取的距离称为前瞻,将前瞻与速度进行相关处理是常见的方案,具体方法是设定一个区间,前瞻在此区间内变动,且速度越快前瞻越远,速度越慢前瞻越近。在这个区间中前瞻与速度的拟合方案也有很多,尝试过的有一次曲线拟合、二次曲线拟合、三次曲线拟合以及使用matlab模拟拟合的算法。前瞻的距离选取没有固定的对应关系,随摄像头的位置、焦距、广角、俯仰角以及舵机的控制方案而不同。下面给出一种程序实例。

控制量选择的第二个问题,是如何选定和处理控制行。根据前面选取赛道中线与图像中线差值的方案,控制量的选定实际是选择处理后图像数组中哪一行的中线数据。只取一行的数据抗干扰性差,而选取的行数过多时,偏差变化小,有可能导致车模转向响应不够快,影响车模速度。可行的方案是选择前瞻行上下7行取权重计算后的值作为舵机控制量。

(2)差速控制

四轮车模除了舵机控制前轮转向外,当车模转向时,车模本身具有宽度,则此时内轮与外轮相对于转向中心点的距离不同,根据物体的圆周运动规律公式V=ω×R,转向时角速度相同时,外轮所在位置的线速度大于内轮,即外轮转速应大于内轮。而C型车模为后轮双电机驱动,两轮的速度由不同电机控制,因此其差速控制需要主动设置。根据C型车模的结构和阿克曼原理,在理论上,车模的简化模型如图6.21所示。

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图6.21　四轮转向简化模型

在前轮转向相同,后轮差速独立调节的前提下,两个后轮的角速度是相等的,而后轮的旋转半径以及与车轮速度的对应关系可以通过式(6.1)和式(6.2)计算得到(假定车速设定值为V,平均半径为R)。

因此,后轮左右轮的速度与想要达到的车速之间的关系如式(6.3)所示。

但在实际程序编写过程中,单片机处理三角函数过于复杂,影响程序运行速度,而舵机是一种自带闭环控制的位置式轴转装置,其内部的伺服系统由可变宽度的脉冲来进行控制。固定的脉宽可以控制舵机精确地打到某一个角度,无须反馈信息,使得电机差速控制的力度可以根据控制舵机转角的脉宽信号来决定,因此对式(6.3)进行了改进:直接对左轮、右轮的速度进行设置,使用舵机的脉宽占空比减去处于中心位置的脉宽占空比的差值S,与最大偏转角的脉宽占空比减去处于中心位置的脉宽占空比的比值Smax代替原来的正切运算,且左转与右转的正负值恰好相反,可以直接判断后左右轮哪一个轮正处于弯道内部,哪一个轮正处于弯道外部,大大提高程序的运算效率。改进的公式为式(6.4):

其中,A是差速的控制力度,其参数整定在理论上需要对车长、车宽以及传感器的摆放位置进行详细的测量与计算,但在实际使用中,根据某个速度下车模圆周运动时,使用上位机采集舵机偏量和左右轮实际速度,通过公式得到。程序实例如下: