CN102661204A

CN102661204A - 一种自动驾驶车辆的油门智能控制方法和系统

Info

Publication number: CN102661204A
Application number: CN2012100550356A
Authority: CN
Inventors: 于宏啸; 段建民; 李玮; 胡建锋
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2012-03-05
Filing date: 2012-03-05
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2032-03-05
Also published as: CN102661204B

Abstract

本发明涉及一种自动驾驶车辆的油门智能控制方法和系统，是基于智能交通的自动驾驶和辅助驾驶技术的实际应用，通过光电编码盘测速器来实时采集车速信息计算车速并记录时间戳同时传输给上位机电脑，上位机电脑经过计算形成对速度控制的闭环，通过模糊增量PID方法控制电子油门开度，发送给油门MCU微控制器并使其PWM波控制直流有刷电机来控制油门行程从而控制车速，并搭建车辆底层CAN总线网络传输车辆状态信息。有效的提高自动驾驶车辆的油门的控制精度。

Description

一种自动驾驶车辆的油门智能控制方法和系统

一、技术领域

本发明涉及是一种自动驾驶车辆的油门智能控制方法和系统，属于汽车领域。

二、背景技术

自动驾驶和辅助驾驶系统在智能交通领域占有重要的地位，是智能车辆速度控制的一个重要的组成部分，其性能的好坏直接影响到了智能车辆的速度控制性能和精度。智能车辆的应用对车辆的自动和半自动驾驶，速度巡航自动泊车辅助驾驶技术有重要的实际意义。其电子油门的控制系统将计算机、单片机、机械、电气、控制技术的结合；同时也是辅助驾驶和主动安全技术的重要组成部分，随着人们对交通和车辆的安全意识的提高，其越来越受到人们的重视。有时由于驾驶员的经验不够丰富，对油门踏板和制动踏板的使用次数比较多，油门的一些损耗和开度变化很大，造成大量费油的情况。同时驾驶员长时间保持一个姿势控制油门踏板，驾驶的舒适性毫无保障，并容易产生疲劳，不利于安全行驶。

自动和辅助驾驶的油门控制技术，是由车速传感器(光电编码盘)，直流有刷电机，CAN总线网络、控制和采集单元的MCU，控制上位机单元组成。但是一般的控制系统只有单独的油门位置反馈，测速精度不够，一个大的系统闭环没有实现，对油门开度的计算也不够准确，这样不能保证油门和速度的平稳性和实时性，对车辆速度控制精度也无法保证，无法满足乘客的舒适性。

三、发明内容

本发明旨在提供一种对自动驾驶和辅助驾驶有效稳定的油门智能控制控制方法，为了能让车辆油门速度控制有足够精度同时保障乘客的舒适性，能让车辆在自动巡航和自动泊车关键技术中发挥其安全方便的优势。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：

一种自动驾驶车辆的油门智能控制方法，包括以下步骤：

(1)初始化采集底层数据MCU、油门控制MCU及其各端口；

(2)检测油门控制MCU的PWM波和驱动是否正常，应用MCU实时中断来确保智能驾驶的控制周期在50ms控制一次，检测车辆CAN总线网络串口是否正常工作，检测采集底层数据MCU来定时中断接收车速编码盘信号是否有效；

(3)各个MCU通过CAN总线传输数据，上位机电脑通过串口来接收微控制器采集到的速度和时间戳信息，知道是哪个时间包发送的速度信息，并采集油门现在的状态和控制油门的电机的状态；

(4)上位机通过采集到的速度信息应用模糊增量PID算法算出油门开度，经过油门开度和速度的标定拟合，确定期望速度对应的油门开度，同时检测是否是紧急制动模式，如果不是则下发油门控制量到CAN总线网络；

(5)当油门开度值下发到CAN总线网络时，油门控制MCU通过其自身带的CAN网络滤波器滤除其他CAN总线ID信息，接收到其对应的油门开度值，并换算成电机标定值，通过PWM波控制电机转动来拉动油门控制油门的行程；

(6)把当前的电机的状态值和油门的行程采集通过CAN总线网络发送到上位机电脑中，上位机同时继续采集车速信息；

(7)将采集到信息时间和时间戳的信息进行比对，同时确定控制的最大延迟时间，通过上位机的算法进行时间上的修复控制，再进行模糊增量PID的控制然后就再发送到CAN网络中进行油门开度控制。

一种自动驾驶车辆的油门智能控制系统，是基于智能电动车平台BJUT号，采用三个MCU搭建的CAN网络传输控制信息，各个MCU功能分别为：微控制器一为HUB微处理器构建CAN网络并通过串口和上位机电脑通信、微控制器二采集并处理车速信息、微控制器三控制直流有刷电机进行电子油门的行程控制；上位机电脑通过各个单片机发送回来的信息和时间戳信息进行增量处理，把油门开度的模糊PID输出量发送给控制油门的MCU，来实现整体的车速控制。

包括三个微处理器MCU、直流有刷电机、电机驱动电路、光电编码器、油门行程传感器、串口、制动踏板传感器。系统具有三个MCU，一个是负责采集的速度反馈信号，一个是控制油门电机的MCU，一个是搭建CAN网络的HUB微控制器，一个光电编码盘速度计，一个油门行程传感器，油门控制MCU应用的其CAN模块收到其控制油门开度的数据，然后通过脉冲宽度调制PWM模块和电机驱动模块H桥电路连接直流有刷电机。速度采集MCU通过增强型定时器ETC来进行定时中断来采集光电编码盘的脉冲个数并计算速度值，并把速度值通过HUB微控制器发送给上位机电脑，上位机电脑通过计算模糊增量PID计算出期望油门开度，并串口和HUB微控制器进行连接发送到底层CAN网络里面。

其上述系统中微控制器为MC9S12DG128B单片机，其应用的油门电机为Maxon直流有刷电机。

四、有益效果

由于采用了有效的模糊增量PID和时间戳算法，本发明具有以下的特点，控制精度高，并且可以在计算中考虑弥补延迟时间多少来改变控制策略，同时计算效率和稳定性高，不会出现致命错误。软硬件分离、功能模块化程度高。其中加入和对速度检测的MCU和CAN总线HUB微控制器能很好的结合上位机和下位机的数据，底层CAN总线网络抗干扰能力强可以增加多个节点，让车辆控制更加灵活。同时在上位机形成速度控制闭环系统，上位机电脑运算效率高，可以在很短的时间中进行复杂的运算。基于以上几点，本系统可以很好的提高自动驾驶和辅助驾驶的油门控制精度和能力。是车辆行驶平稳安全。

五、附图说明：

附图1是本发明自动驾驶车辆的油门智能控制的算法流程图

附图2是本发明自动驾驶和辅助驾驶控制系统的方框图

附图3是本发明自动驾驶车辆的油门控制MCU的原理图

附图4是本发明自动驾驶车辆的油门控制中电机驱动模块的电气原理图

附图5是本发明自动驾驶车辆的油门控制中电源模块原理图

附图6是本发明自动驾驶车辆的油门控制中速度采集模块电气原理图

图中具体编号：

1.为MCU控制器MC9S12DG128B

2.为最小系统的复位电路

3.滤波电路

4.时钟电路

5.直流电机

6.驱动MOS管

7.保护二极管

8.电源稳压模块

9.光电码盘内部原理

10.整形电路

六、具体的实施方式：

图1所示是算法的流程图中，从开始从光电编码盘MCU中ECT模块定时捕获得脉冲值，增加时间戳并计算速度值发送给上位机，通过模糊增量PID计算当前控制量，检测计算当前控制量是否已经超过了最大控制量的极限，检测当前控制量是否小于最小控制量的限制，如果计算出来的控制量在其范围内，输出控制量作用于油门电机控制其到达指定位置。在MCU采集光电编码盘的脉冲的时候采用定时50ms采集计算一次速度值，同时应用车轮半径信息算出所行驶的里程。通过串口发送到上位机软件中，其中波特率为19200，校验位位NONE，数据位8，停止位为1。通过多线程编程处理串口接收和要发送的数据。通过模糊增量PID算出其给电机输出的增量值后，发送给电机控制MCU，通过MCU中的PWM模块配置一个2kHZ的控制量。应用ECT模块每50ms定时发送一次电机控制信号。

如图2所示油门智能控制系统由四部分组成，包括三个MCU和一个上位机构成。由车速传感器(光电编码盘)，直流有刷电机，CAN总线网络、控制和采集单元的MCU，控制上位机、油门踏板行程传感器构成，通过三个MCU输入三个传感器信号，可以分别向单片机提供速度信息，油门踏板行程，电机的位置信息。电机控制MCU通过上位机发送的信号对控制微控制器的PWM模块发送脉宽调制信号，来控制油门电机拉动油门工作。通过CAN网络来进行各个车辆实时的信息传输，并对车辆信息进行编码和解码。

本发明实施应用MCU为MC9S12DG128B单片机控制油门电机如图3所示为其最小系统电气原理图。

应用PP4PP5来组成双通道的PWM波的输出，首先进行PWM模块的初始化，使能PWM模块，设置PWM的周期和占空比参数进行，通过MCU中的ECT模块进行定时50ms来进行电机的控制。输出控制电机的模拟信号，PB口接出工作指示灯，通过设置不同工作状态对应的灯的状态来监测MCU的工作状态。

PT1为MCU的采集光电编码盘脉冲的输入端口，通过ECT模块定时发送已经读取并计算出来的速度值。

如图4所示为电机驱动H桥模块。如图5所示电源稳压电路，图6所示为速度采集电路

本发明的关键是通过整个系统的采集信息和时间戳，和模糊增量PID算法可以有很高的精度来控制油门，整个3个MCU工作是否协调一致，CAN总线的通讯是否畅通都是整个系统运行的关键，下面结合实例对各个模块的通讯和流程进行进一步的说明：

1.初始化3个MCU模块，设置MCU的总线频率，初始化时钟模块，设置锁相环PLL参数，采集MCU的PT0设置为输入捕捉方式，PT1设置定时中断，设置PB各个端口位输出I/O模式允许中断。

2.设置定时50ms进行一次中断将输入捕捉采集的信息转换成速度信息和里程信息通过串口发送给上位机。PB接口LED灯的状态是从向右依次闪烁。

3.上位机通过SerialPort的类应用VC6.0环境编写上位机串口接收软件，通过多线程的分别处理收发串口得到的信息。首先计算其偏差量，确定其时间戳，然后通过模糊增量PID来计算其控制量，判断其计算出得控制量是否大于上界和计算出来的控制量是否小于下界。最后确定要输出的控制量，通过串口下发到HUB的MCU中。

4.HUB微控制器MCU经过解码和换算处理，通过CAN总线网络分别对整个控制网络中的不同ID的MCU进行发送相关信息。

5.当控制电机MCU其CAN中的ID值为0x100接收到控制电机的参数的时候，其解码成对应的PWM占空比通过电机驱动模块来控制电机拉动油门行程。来实时控制智能车辆的速度。

6.不断采集速度信息，在控制周期范围内来下发命令来控制油门电机和车速。

Claims

1.一种自动驾驶车辆的油门智能控制方法，包括以下步骤：

(1)初始化采集底层数据MCU、油门控制MCU及其各端口；

(2)检测油门控制MCU的PWM波和驱动是否正常，应用MCU实时中断来确保智能驾驶的控制周期为50ms，检测车辆CAN总线网络串口是否正常工作，检测采集底层数据MCU来定时中断接收车速编码盘信号是否有效；

(3)各个MCU通过CAN总线传输数据，上位机电脑通过串口来接收微控制器采集到的速度和时间戳信息，确定发送的速度信息的时间，并采集油门当前状态和控制油门的电机的状态；

(4)上位机通过采集到的速度信息应用模糊增量PID算法计算油门开度，经过油门开度和速度的标定拟合，确定期望速度对应的油门开度，同时检测是否在紧急制动模式，如果不是那么下发油门控制量到CAN总线网络；

(5)当油门开度值下发到CAN总线网络时，油门控制MCU通过其自身带的CAN网络滤波器滤除其他CAN总线ID信息，接收到其对应的油门开度值，并经过运算换算成电机标定值，通过PWM波控制电机转动来拉动油门控制油门的行程；

(6)把当前的电机的状态值和油门的行程采集到，通过CAN总线网络发送到上位机电脑中，上位机同时继续采集车速信息；

(7)将采集到信息时间戳进行比对，同时确定控制的最大延迟时间，通过上位机的算法进行时间上的修复控制，再进行模糊增量PID的控制然后就再发送到CAN网络中进行油门开度控制。

2.一种自动驾驶车辆的油门智能控制系统，是基于智能电动车平台BJUT号，其特征在于：采用三个MCU搭建的CAN网络传输控制信息，各个MCU功能分别为：微控制器一为HUB微处理器构建CAN网络并通过串口和上位机电脑通信、微控制器二采集并处理车速信息、微控制器三控制直流有刷电机进行电子油门的行程控制；上位机电脑通过各个单片机发送回来的信息和时间戳信息进行增量处理，把油门开度的模糊PID输出量发送给控制油门的MCU，来实现整体的车速控制。