CN107656526B - 智能小车转向控制方法和控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能小车转向控制方法和控制装置，所述方法包括：智能小车通过传感器测量出赛道的中心线位置偏差local_error；计算local_error3，并根据local_error的一次项系数a，以及local_error的三次项系数b，确定所述智能小车的舵机转向输出PWM；根据计算出的PWM控制智能小车的舵机进行转向操作。应用本发明使得智能小车能适合各种赛道，且使得智能小车的调试过程更为简易、快速。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制领域，特别是指一种智能小车转向控制方法和控制装置。
背景技术
在车辆特别是智能小车舵机控制算法中，以往最常用和最有效的转向控制算法通常是PID(比例-积分-微分)算法。
对智能小车舵机转向控制进行调试的目的在于让小车在不同的赛道元素表现出不同特色，在不同的赛道元素都能给出合适的转角，使得小车在直道时尽可能避免震荡和摇摆，在弯道行驶的时候，应该能够准确地、顺畅地跟踪路径。通常智能小车舵机的转向采用了比例P调节，因此对参数KP进行必要的调整可以找到合适的KP：KP太小，小车在过弯道的时候表现了明显的转弯不足，通过连续的大S路段会出现冲出赛道的现象；KP太大，小车在过直道的时候容易出现舵机抖动。通过多次实验找到合适的KP，但是当加入KD参数以后KP参数还要继续做出相应的微调才能达到满意的效果，并且KD的加入需要考虑偏差变化量的大小，所以给参数的整定带来了困难。
本发明的发明人发现，智能小车舵机控制一般采用的是PD控制，因为加入I项后，积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。Ti较小时，则积分的作用较强，这时系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差所需的时间较短。所以必须根据实际控制的具体要求来确定Ti。然而单纯的PD控制不能很好的适用不同的跑道，所以对跑道进行了识别，而且对PD参数进行分段校正。这样方法虽然实用，但是调试需要消耗大量的时间。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种智能小车转向控制方法和控制装置，使得该控制方法下的智能小车能适合各种赛道，且使得智能小车的调试过程更为简易、快速。
基于上述目的本发明提供一种智能小车转向控制方法，包括：
智能小车通过传感器测量出赛道的中心线位置偏差local_error；
计算local_error3，并根据local_error的一次项系数a，以及local_error的三次项系数b，确定所述智能小车的舵机转向输出PWM；
根据计算出的PWM控制智能小车的舵机进行转向操作。
其中，所述根据local_error的一次项系数a，以及local_error的三次项系数b，确定所述智能小车的舵机转向输出PWM，具体包括：
根据如下公式一，计算PWM：
PWM＝MIDSTRING+a×local_error+b×local_error3 (公式一)
其中，MIDSTRING为所述舵机的转向中值。
本发明还提供一种智能小车控制装置，包括：
位置偏差测量模块，用于通过传感器测量出智能小车所在赛道的中心线位置偏差local_error；
舵机转向输出确定模块，用于计算local_error3，并根据local_error的一次项系数a，以及local_error的三次项系数b，确定所述智能小车的舵机转向输出PWM；
舵机控制模块，用于根据计算出的PWM控制智能小车的舵机进行转向操作。
进一步，所述装置还包括：
调试模块，用于在所述智能小车的调试过程中确定所述一次项系数a以及三次项系数b。
本发明实施例的技术方案中，智能小车通过传感器测量出赛道的中心线位置偏差local_error后，计算local_error的三次函数得到local_error3，并根据local_error的一次项系数a，以及local_error的三次项系数b，计算智能小车的舵机转向输出PWM，来控制智能小车的转向。而调试过程中主要是针对系数a和b进行调试。在调试过程中，不必对参数进行分段校正，也没有参数反复调整过程，即不用在确定一个参数后，在调试下一个参数时，重新微调上一个参数的参数。因此，基于1次项系数a和三次项系数b的PWM计算方式的调试过程更为简易、快速。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种智能小车转向控制方法流程图；
图2为本发明实施例提供的一种智能小车调试方法流程图；
图3为本发明实施例提供的圆形跑道示意图；
图4为本发明实施例提供的大S形跑道示意图；
图5为本发明实施例提供的一种智能小车转向控制装置内部结构示意图；
图6为本发明实施例提供的调试模块内部结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
本发明的技术方案中，提出了一种基于三次函数的智能小车转向控制算法。也就是说，智能小车通过传感器测量出赛道的中心线位置偏差local_error后，计算local_error的三次函数得到local_error3，并根据local_error的一次项系数a，以及local_error的三次项系数b，计算智能小车的舵机转向输出PWM，来控制智能小车的转向。
而调试过程中主要是针对系数a和b进行调试。相比于现有技术的调试过程也是需要对两个参数进行调试，因此，本发明技术方案没有增加调试参数的个数。
此外，1次项系数a代表的是直道和弯道转弯特性，而三次项系数b代表的是弯道上的特色；所以可以先根据所述智能小车在弯形跑道的试跑情况调整a值，得到合适的a值；然后，根据所述智能小车在圆形、大S形跑道的试跑情况调整b值，得到合适的b值。
在调试过程中，不必对参数进行分段校正，也没有参数反复调整过程，即不用在确定一个参数后，在调试下一个参数时，重新微调上一个参数的参数。因此，基于1次项系数a和三次项系数b的PWM计算方式的调试过程更为简易、快速。
下面结合附图详细说明本发明实施例的技术方案。
本发明实施例提供的一种智能小车转向控制方法流程图，如图1所示，包括如下步骤：
步骤S101：智能小车通过传感器测量出赛道的中心线位置偏差local_error。
具体地，智能小车在赛道上行进时，通过传感器实时测量本小车距离赛道的中心线的位置偏差local_error。比如，可以通过智能小车车头安装的摄像头实时拍摄的图像来辨别本小车距离赛道的中心线的位置偏差local_error。
步骤S102：智能小车根据测量的local_error，计算舵机转向输出PWM。
本步骤中，智能小车根据当前测量的local_error计算舵机转向输出PWM：智能小车计算local_error3，并根据local_error的一次项系数a，以及local_error的三次项系数b，确定所述智能小车的舵机转向输出PWM。
具体地，智能小车根据如下公式一，计算PWM：
PWM＝MIDSTRING+a×local_error+b×local_error3 (公式一)
公式一中，MIDSTRING为所述舵机的转向中值；一次项系数a以及三次项系数b是预先在智能小车的调试过程中确定的。
步骤S103：智能小车根据计算出的PWM控制智能小车的舵机进行转向操作。
本步骤中，智能小车根据计算出的PWM控制智能小车的舵机进行转向操作，从而使得智能小车及时修正行进方向，沿赛道继续行驶。
上述的一次项系数a以及三次项系数b是预先在智能小车的调试过程中确定的。图2示出了智能小车的具体调试方法流程，包括如下步骤：
步骤S201：对一次项系数a进行预估。
具体地，可根据如下公式二对一次项系数a进行预估：
公式二中，为系数a的预估值，PWM_add表示舵机向左向右转向的最大变化脉宽能力，max_local_error表示智能小车在圆形跑道上能够基本沿着赛道中心跑时，所述传感器所测量到的最大中线位置偏差值。
当然，也可采用其它方法设定a的预估值，比如，直接设定a的预估值
步骤S202：在a的预估值的基础上，根据智能小车在弯形跑道的试跑情况调整a值。
具体地，可以令系数a等于b＝0后，让智能小车在弯形跑道试跑。智能小车在弯形跑道试跑时，应用上述公式一的方法计算PWM，并控制舵机转向。
根据智能小车在弯形跑道的试跑情况调整a值：
智能小车在弯形跑道试跑时，如果智能小车在入弯的时候很外切或向外跑出赛道，则说明一次项系数a偏小；此时，智能小车增加a的值。反之，如果智能小车在入弯的时候很内切或向内跑入赛道，则说明一次项系数a偏大，此时，智能小车略减小a的值，直到小车跑在稍微内切赛道的位置即可。
在调试a值的过程中要注意a值不能过大，过大会使小车在直道上就出现蛇形现象，这是不允许的，当然a太小根本就入不了弯道。
事实证明，在利用上述公式二计算的a的预估值的基础上，根据智能小车在弯形跑道的试跑情况，对a进行调试可以比较快速得到合适的a值。
步骤S203：对三次项系数b进行预估。
具体地，可根据如下公式三对三次项系数b进行预估：
公式二中，为系数b的预估值，PWM_add表示舵机向左向右转向的最大变化脉宽能力，max_local_error表示智能小车在圆形跑道上能够基本沿着赛道中心跑时，所述传感器所测量到的最大中线位置偏差值。
当然，也可采用其它方法设定b的预估值，比如直接设定b的预估值
步骤S204：在b的预估值的基础上，根据智能小车在圆形、大S形跑道的试跑情况调整b值。
具体地，在b的预估值基础上，以及上述步骤S202调试出的a值的基础上，，根据智能小车在圆形、大S形跑道的试跑情况调整b值。
首先，根据智能小车在圆形跑道的试跑情况调整b值：
将智能小车放置于圆形跑道试跑。智能小车在圆形跑道试跑时，如果试跑路线像蛇行一样，则说明b值太大，智能小车适当减小b值。减小b值后，使得智能小车的行车轨迹像图3所示的圆形跑道中理想内切点所在线一样平滑，并且要在赛道中稍微内切，也就是说，使得智能小车跑在内切赛道的位置。在一个圆圈赛道上跑的时候，这时可以找到一个比较合适的a和b的值，并且平稳内切是最佳状态。
其次，继续根据智能小车在大S形跑道的试跑情况调整b值：
在圆形跑道试跑，调试出比较合适的b值后，可以将智能小车放置在大S形跑道上试跑。如果能够在大S形跑道的两个半圆跑道的过渡段(1-2半圆、2-3半圆、3-4半圆)实现平滑过渡，则说明b的大小比较合适。比如，在如图4所示的大S形跑道中，如果能够在1-2半圆、或2-3半圆、或3-4半圆的过渡段实现平滑过渡，则说明b的大小比较合适。
如果智能小车在过渡段冲出跑道，说明b值太小，不足以完成S形的过渡，则智能小车增大b值，直到实现智能小车可以在过渡段完成平滑过渡。
事实证明，在利用上述公式三计算的b的预估值基础上，根据智能小车在圆形、大S形跑道的试跑情况，对b进行调试可以比较快速得到合适的b值。
综上，在调试过程中，可以控制a不要过大，让a值尽可能小的情况下让b值稍微大一点来补偿入弯时足够的转向，但是b值也不能太大，太大会使智能小车在弯道上出现蛇形现象，但是太小的话则不能在大S形赛道上华丽转身。
基于上述的智能小车转向控制方法，本发明实施例提供的一种智能小车转向控制装置，内部结构如图5所示，包括：位置偏差测量模块501、舵机转向输出确定模块502、舵机控制模块503。
位置偏差测量模块501用于通过传感器测量出智能小车所在赛道的中心线位置偏差local_error；
舵机转向输出确定模块502用于获取位置偏差测量模块501得到的中心线位置偏差local_error，并计算local_error3；进而根据local_error的一次项系数a，以及local_error的三次项系数b，确定所述智能小车的舵机转向输出PWM。舵机转向输出确定模块502具体可以根据上述公式一计算PWM。
舵机控制模块503用于根据舵机转向输出确定模块502计算出的PWM控制智能小车的舵机进行转向操作。从而使得智能小车沿赛道自动行驶。
进一步，本发明实施例提供的一种智能小车转向控制装置还可以包括：调试模块504。
调试模块504用于在所述智能小车的调试过程中确定舵机转向输出确定模块502所用到的所述一次项系数a以及三次项系数b。
如图6所示，调试模块504具体可以包括：系数预估单元601、一次项系数调整单元602、三次项系数调整单元603。
系数预估单元601用于对一次项系数a以及三次项系数b进行预估；
一次项系数调整单元602用于在a的预估值的基础上，根据所述智能小车在弯形跑道的试跑情况调整a值。一次项系数调整单元602调整a值的具体方法可参考上述步骤S202中描述的方法，此处不再赘述。
三次项系数调整单元603用于在b的预估值的基础上，根据所述智能小车在圆形、大S形跑道的试跑情况调整b值。三次项系数调整单元603调整b值的具体方法可参考上述步骤S204中描述的方法，此处不再赘述。
本发明实施例的技术方案中，智能小车通过传感器测量出赛道的中心线位置偏差local_error后，计算local_error的三次函数得到local_error3，并根据local_error的一次项系数a，以及local_error的三次项系数b，计算智能小车的舵机转向输出PWM，来控制智能小车的转向。而调试过程中主要是针对系数a和b进行调试。在调试过程中，不必对参数进行分段校正，也没有参数反复调整过程，即不用在确定一个参数后，在调试下一个参数时，重新微调上一个参数的参数。因此，基于1次项系数a和三次项系数b的PWM计算方式的调试过程更为简易、快速。
本技术领域技术人员可以理解，本发明包括涉及用于执行本申请中所述操作中的一项或多项的设备。这些设备可以为所需的目的而专门设计和制造，或者也可以包括通用计算机中的已知设备。这些设备具有存储在其内的计算机程序，这些计算机程序选择性地激活或重构。这样的计算机程序可以被存储在设备(例如，计算机)可读介质中或者存储在适于存储电子指令并分别耦联到总线的任何类型的介质中，所述计算机可读介质包括但不限于任何类型的盘(包括软盘、硬盘、光盘、CD-ROM、和磁光盘)、ROM(Read-Only Memory，只读存储器)、RAM(Random Access Memory，随即存储器)、EPROM(Erasable ProgrammableRead-Only Memory，可擦写可编程只读存储器)、EEPROM(Electrically ErasableProgrammable Read-Only Memory，电可擦可编程只读存储器)、闪存、磁性卡片或光线卡片。也就是，可读介质包括由设备(例如，计算机)以能够读的形式存储或传输信息的任何介质。
本技术领域技术人员可以理解，可以用计算机程序指令来实现这些结构图和/或框图和/或流图中的每个框以及这些结构图和/或框图和/或流图中的框的组合。本技术领域技术人员可以理解，可以将这些计算机程序指令提供给通用计算机、专业计算机或其他可编程数据处理方法的处理器来实现，从而通过计算机或其他可编程数据处理方法的处理器来执行本发明公开的结构图和/或框图和/或流图的框或多个框中指定的方案。
本技术领域技术人员可以理解，本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种智能小车转向控制方法，包括：
智能小车在赛道上行进时，通过传感器实时测量本小车距离赛道的中心线位置偏差local_error；
计算local_error3，并根据local_error的一次项系数a，以及local_error的三次项系数b，如下公式一确定所述智能小车的舵机转向输出PWM：
PWM＝MIDSTRING+a×local_error+b×local_error3 (公式一)
其中，MIDSTRING为所述舵机的转向中值；
根据计算出的PWM控制智能小车的舵机进行转向操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一次项系数a以及三次项系数b是预先在所述智能小车的调试过程中确定的。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述智能小车的调试过程具体包括：
对一次项系数a进行预估；
在a的预估值的基础上，根据所述智能小车在弯形跑道的试跑情况调整a值；
对三次项系数b进行预估；
在b的预估值的基础上，根据所述智能小车在圆形、大S形跑道的试跑情况调整b值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对一次项系数a进行预估，具体包括：
根据如下公式二对一次项系数a进行预估：
（公式二）
公式二中，为系数a的预估值，PWM_add表示舵机向左向右转向的最大变化脉宽能力，max_local_error表示所述智能小车在圆形跑道上基本沿赛道中心跑时，所述传感器所测量到的最大中线位置偏差值。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对三次项系数b进行预估，具体包括：
根据如下公式三对三次项系数b进行预估：
（公式三）
公式三中，为系数b的预估值，PWM_add表示舵机向左向右转向的最大变化脉宽能力，max_local_error表示所述智能小车在圆形跑道上基本沿赛道中心跑时，所述传感器所测量到的最大中线位置偏差值。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述智能小车在弯形跑道的试跑情况调整a值，具体包括：
所述智能小车在弯形跑道试跑时，如果智能小车在入弯的时候外切或向外跑出赛道，则增加a的值；
反之，如果智能小车在入弯的时向内跑入赛道，则减小a的值，直到小车跑在内切赛道的位置。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述智能小车在圆形、大S形跑道的试跑情况调整b值，具体包括：
所述智能小车在圆形跑道试跑时，如果试跑路线像蛇行，则减小b值，直到所述智能小车跑在内切赛道的位置；
所述智能小车在大S形跑道试跑时，如果在两个半圆跑道的过渡段冲出跑道，则增大b值，直到所述智能小车在所述过渡段完成平滑过渡。
8.一种智能小车转向控制装置，其特征在于，包括：
位置偏差测量模块，用于通过传感器实时测量智能小车距离赛道的中心线位置偏差local_error；
舵机转向输出确定模块，用于计算local_error3，并根据local_error的一次项系数a，以及local_error的三次项系数b，如下公式一确定所述智能小车的舵机转向输出PWM；
舵机控制模块，用于根据计算出的PWM控制智能小车的舵机进行转向操作；
PWM＝MIDSTRING+a×local_error+b×local_error3 (公式一)
其中，MIDSTRING为所述舵机的转向中值。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括：
调试模块，用于在所述智能小车的调试过程中确定所述一次项系数a以及三次项系数b。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述调试模块，具体包括：
系数预估单元，用于对一次项系数a以及三次项系数b进行预估；
一次项系数调整单元，用于在a的预估值的基础上，根据所述智能小车在弯形跑道的试跑情况调整a值；
三次项系数调整单元，用于在b的预估值的基础上，根据所述智能小车在圆形、大S形跑道的试跑情况调整b值。
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