智能汽车运行原理-智能汽车设计与实践基础

变形金刚三轮组要求车模在两轮直立和三轮着地两种姿态相互切换完成赛道运行,相比四轮着地状态,变形金刚三轮组车模运行控制更复杂。为简化问题,两种运行姿态都可以看成车模以直立姿态运行,只是两者直立姿态的期望角不同。

三轮车膜是由D型车模加一个万向轮改装的,车模运行的姿态、速度都是依靠控制后轮两个电机的转速和转向实现的,万向轮只起支撑作用。因此从控制角度来看,车模作为一个控制对象,它的控制输入量是两个电机的转动速度。车模运行控制任务可以分解成以下三个基本控制任务:

①车模平衡控制:通过控制两个电机正反转保持车模直立平衡状态。

②车模速度控制:通过调节车模的倾角来实现车模速度控制,本质是通过控制电机的转速来控制车模速度。

③车模方向控制:通过控制两个电机之间的转动差速实现车模转向控制。

车模直立和方向的控制都是直接通过控制车模两个后轮驱动电机完成的。假设车模电机可以虚拟地拆解成两个不同功能的驱动电机,它们同轴相连,分别控制车模的直立平衡、左右方向。在实际控制中,是将控制车模直立和方向的控制信号叠加在一起加载到电机上,只要电机处于线性状态就可以同时完成上面两个任务。下面仅讨论车模平衡控制。

(1)车模平衡控制

车模平衡控制是通过负反馈来实现的,与保持木棒直立在指尖上比较则相对简单。因为车模有两个轮子着地,车体只会在轮子滚动的方向上发生倾斜。控制轮子转动,使车模向车体的斜方向加速运行便可以保持车模平衡。如图7.6所示。

图7.6　车体平衡示意

车模保持直立姿态的原理与倒立摆的原理基本一致,主要就是通过电机施加的力矩来平衡车模所受到的向前倾倒的重力分量。

(2)车模速度控制(www.xing528.com)

传统的直立控制方案是通过控制车模的倾角与俯仰角速度来控制车模姿态,而车模的速度控制则是通过改变车模的期望倾角来实现的,如车模的期望倾角向前偏移则车模将向前加速,若车模的期望倾角向后偏移则车模将向后加速,对于三轮姿态而言也是一样的控制原理。但是想要精确控制电机速度,需要测量电机转速。电机转速可以通过安装在电机输出轴上的编码器获得,如图7.7所示。

图7.7　光电编码器工作原理图及输出波形

通过控制单片机的计数器测量固定时间间隔内速度脉冲信号的个数,就可以测量电机的转速。而电机的速度控制则可以采用PI调节器,具体实现可以通过软件编程实现。车模的角度和速度控制原理图如图7.8所示。

(3)车模方向控制

直立车模的方向控制用于控制车模的运动轨迹。通过电感得到赛道特征值的变化,获取当前运行轨迹与期望轨迹的偏差。此时,假设已得到当前方向的偏差,而方向控制则是根据已知的方向偏差,通过调节左右电机的速度差,实现运行方向的调整。消除偏差的过程是一个积分过程,应用比例控制即可完成对车模的方向控制。车模的质量相对集中且均匀地分布在车模中心轴线两侧,但转向过程中存在由转动惯量所引起的转向过冲,为了抑制过冲对直立车正常运行所产生的影响,需要增加转向过程中的阻力,在控制中引入微分控制调节。

图7.8　角度和速度控制原理

(4)车模姿态切换

车模运行至断路时,当光电开关检测到车模驶入断路后,将对车模的姿态进行切换。若车模当前姿态为直立姿态,则将车模直立环中角度环的期望倾角设置为静止三轮姿态下陀螺仪检测到的倾角;若车模当前姿态为三轮姿态,则将车模直立环中角度环的期望倾角设置为静止直立姿态下陀螺仪检测到的倾角。