CN108725442B - 一种基于pid控制的无人驾驶车辆制动系统及方法 - Google Patents

一种基于pid控制的无人驾驶车辆制动系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及车辆智能驾驶技术领域，特别涉及一种对无人驾驶车辆制动进行控制的系统及方法。一种基于PID控制的无人驾驶车辆制动系统包括：PID控制器、伺服电机、电动推杆、测速器以及惯性测量传感器；PID控制器包括：输入单元、运算单元、制动动作控制单元。制动方法为：输入单元获取车辆当前时刻的实际速度、期望速度以及行驶道路的坡度；运算单元根据车辆当前时刻的实际速度、期望速度计算得到车速误差值，根据车速误差值以及行驶道路的坡度计算得到需要的制动力；运算单元将需要的制动力发送至制动动作控制单元，后者根据所需要的制动力做出制动动作决策；伺服电机、车辆牵引电机执行制动动作决策；本发明能够取得良好的车速控制和制动效果。

Description

一种基于PID控制的无人驾驶车辆制动系统及方法
技术领域
本发明涉及车辆智能驾驶技术领域，特别涉及一种对无人驾驶车辆制动进行控制的系统及方法。
背景技术
无人驾驶车辆是智能汽车的一种，也称为轮式移动机器人，主要依靠车内的以计算机系统和传感器为主的智能驾驶系统来实现无人驾驶的目标。电动汽车(BEV)以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，构造更加适合自动驾驶技术，其前景被广泛看好。
无人驾驶车辆上路测试时，需对其速度进行控制，速度控制系统是无人驾驶智能车的最基本的控制系统之一，是实现无人驾驶智能车稳定、安全行驶最重要的部分。PID控制器是最早发展起来的应用经典控制理论的控制策略之一，作为实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器由于算法简单、鲁棒性好和可靠性高，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成，它的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。
发明内容
本发明的目的是：提供一种基于PID控制的无人驾驶车辆制动系统及方法。
本发明的一个技术方案是：一种基于PID控制的无人驾驶车辆制动系统，制动系统包括：PID控制器、伺服电机、电动推杆、测速器以及惯性测量传感器；
PID控制器包括：输入单元、运算单元以及制动动作控制单元；输入单元与运算单元连接，运算单元与制动动作控制单元连接；制动动作控制单元与伺服电机以及车辆牵引电机连接。
测速器与输入单元连接，用于测量得到车辆实际速度；
惯性测量传感器与输入单元连接，用于测量车辆行驶道路的坡度；
伺服电机与电动推杆连接，电动推杆的伸缩端用于向车辆刹车盘提供制动力。
本发明的另一个技术方案是：一种基于PID控制的无人驾驶车辆制动方法，它基于如上所述的车辆制动系统，并包括以下步骤：
A.PID控制器的输入单元获取车辆当前时刻的实际速度、期望速度以及行驶道路的坡度，并将其发送至运算单元；
B.运算单元根据车辆当前时刻的实际速度、期望速度计算得到车速误差值，并根据车速误差值以及行驶道路的坡度计算得到需要的制动力；
C.运算单元将需要的制动力发送至制动动作控制单元，制动动作控制单元根据所需要的制动力做出制动动作决策；
D.伺服电机、车辆牵引电机执行制动动作决策；
E.重复步骤A-D。
进一步的，上述步骤B中，计算所需要的制动力Br(k)的方法为：
Figure BDA0001673184410000021
其中：Ev(k)为k时刻的车速误差，由k时刻的实际速度减期望速度获得，当Ev(k)≤0时，Br(k)＝0；Ev(k-1)为上一时刻的车速误差；Kp为比例系数，Kd为微分系数，Ki为积分系数；S为道路坡度系数，与车辆行驶道路的坡度相关，在平路上S＝1，上坡路上，0＜S＜1，下坡路上，S＞1，坡度越大，S与1的偏离越大。
进一步的，上述步骤B中，步骤C中，制动动作决策包括：断开油门、轻微制动、中等制动以及紧急制动；制动动作控制单元中设定有四个常量Baccoff、Bsb、Bmb以及Beb；
当Br(k)<Baccoff时，伺服电机与车辆牵引电机仍按原方式动作；
当Baccoff≤Br(k)<Bsb时，车辆牵引电机停止驱动车轮，即断开油门，车辆靠行驶阻力进行减速；
当Bsb≤Br(k)<Bmb时，车辆牵引电机停止驱动车轮，同时伺服电机控制电动推杆对车辆刹车盘进行轻微制动，车辆靠刹车盘的制动力进行进一步的减速；
当Bmb≤Br(k)<Beb时，车辆牵引电机停止驱动车轮，同时伺服电机控制电动推杆对车辆刹车盘进行中等强度制动，车辆靠刹车盘的制动力进行更进一步的减速；
当Br(k)≥Beb时，车辆牵引电机停止驱动车轮，同时伺服电机控制电动推杆对车辆刹车盘进行最大强度制动，使车辆在最短的时间将速度降下来。
有益效果：本发明采用PID对车辆行驶速度做闭环控制，使得车辆速度控制更精确、更实时、更平稳并能取得良好的制动效果。
附图说明
图1为本发明的结构组成框图；
图2为本发明中PID控制流程图；
其中：1-PID控制器、11-输入单元、12-运算单元、13-制动动作控制单元、2-伺服电机、3-电动推杆、4-测速器、5-惯性测量传感器、6-车辆牵引电机、7-车辆刹车盘。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1，参见附图1，一种基于PID控制的无人驾驶车辆制动系统，制动系统包括：PID控制器1、伺服电机2、电动推杆3、测速器4以及惯性测量传感器5；
PID控制器1包括：输入单元11、运算单元12以及制动动作控制单元13；输入单元11与运算单元12连接，运算单元12与制动动作控制单元13连接；制动动作控制单元13与伺服电机2以及车辆牵引电机6连接。
测速器4与输入单元11连接，用于测量得到车辆实际速度；
惯性测量传感器5与输入单元11连接，用于测量车辆行驶道路的坡度；
伺服电机2与电动推杆3连接，电动推杆3的伸缩端用于向车辆刹车盘提供制动力。
实施例2，参见附图2，一种基于PID控制的无人驾驶车辆制动方法，它基于实施例1所述的辆制动系统，并包括以下步骤：
A.PID控制器1的输入单元11获取车辆当前时刻的实际速度、期望速度以及行驶道路的坡度，并将其发送至运算单元12；
B.运算单元12根据车辆当前时刻的实际速度、期望速度计算得到车速误差值，并根据车速误差值以及行驶道路的坡度计算得到需要的制动力；
C.运算单元12将需要的制动力发送至制动动作控制单元13，制动动作控制单元13根据所需要的制动力做出制动动作决策；
D.伺服电机2、车辆牵引电机6执行制动动作决策；
E.重复步骤A-D。
进一步的，上述步骤B中，计算所需要的制动力Br(k)的方法为：
Figure BDA0001673184410000031
其中：Ev(k)为k时刻的车速误差，由k时刻的实际速度减期望速度获得，当Ev(k)≤0时，Br(k)＝0；Ev(k-1)为上一时刻的车速误差；Kp为比例系数，Kd为微分系数，Ki为积分系数；S为道路坡度系数，与车辆行驶道路的坡度相关，在平路上S＝1，上坡路上，0＜S＜1，下坡路上，S＞1，坡度越大，S与1的偏离越大。
进一步的，上述步骤B中，步骤C中，制动动作决策包括：断开油门、轻微制动、中等制动以及紧急制动；制动动作控制单元13中设定有四个常量Baccoff、Bsb、Bmb以及Beb；
当Br(k)<Baccoff时，伺服电机2与车辆牵引电机6仍按原方式动作；
当Baccoff≤Br(k)<Bsb时，车辆牵引电机6停止驱动车轮，即断开油门，车辆靠行驶阻力进行减速；
当Bsb≤Br(k)<Bmb时，车辆牵引电机6停止驱动车轮，同时伺服电机2控制电动推杆3对车辆刹车盘进行轻微制动，车辆靠刹车盘的制动力进行进一步的减速；
当Bmb≤Br(k)<Beb时，车辆牵引电机6停止驱动车轮，同时伺服电机2控制电动推杆3对车辆刹车盘进行中等强度制动，车辆靠刹车盘的制动力进行更进一步的减速；
当Br(k)≥Beb时，车辆牵引电机6停止驱动车轮，同时伺服电机2控制电动推杆3对车辆刹车盘进行最大强度制动，使车辆在最短的时间将速度降下来。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于PID控制的无人驾驶车辆制动系统，其特征在于，所述制动系统包括：PID控制器(1)、伺服电机(2)、电动推杆(3)、测速器(4)以及惯性测量传感器(5)；
所述PID控制器(1)包括：输入单元(11)、运算单元(12)以及制动动作控制单元(13)；所述输入单元(11)与所述运算单元(12)连接，所述运算单元(12)与所述制动动作控制单元(13)连接；所述制动动作控制单元(13)与所述伺服电机(2)以及车辆牵引电机(6)连接；
所述测速器(4)与所述输入单元(11)连接，用于测量得到车辆实际速度；
所述惯性测量传感器(5)与所述输入单元(11)连接，用于测量车辆行驶道路的坡度；
所述伺服电机(2)与所述电动推杆(3)连接，所述电动推杆(3)的伸缩端用于向车辆刹车盘(7)提供制动力；
所述PID控制器(1)的输入单元(11)获取车辆当前时刻的实际速度、期望速度以及行驶道路的坡度，并将其发送至所述运算单元(12)；
所述运算单元(12)根据车辆当前时刻的实际速度、期望速度计算得到车速误差值，并根据车速误差值以及行驶道路的坡度计算得到需要的制动力；
所述需要的制动力Br(k)的方法为：
Figure FDA0002396353780000011
其中：Ev(k)为k时刻的车速误差，由k时刻的实际速度减期望速度获得，当Ev(k)≤0时，Br(k)＝0；Ev(k-1)为上一时刻的车速误差；Kp为比例系数，Kd为微分系数，Ki为积分系数；s为道路坡度系数，与车辆行驶道路的坡度相关。
2.一种基于PID控制的无人驾驶车辆制动方法，它基于如权利要求1所述的一种基于PID控制的无人驾驶车辆制动系统，其特征在于，它包括以下步骤：
A.所述PID控制器(1)的输入单元(11)获取车辆当前时刻的实际速度、期望速度以及行驶道路的坡度，并将其发送至所述运算单元(12)；
B.所述运算单元(12)根据车辆当前时刻的实际速度、期望速度计算得到车速误差值，并根据车速误差值以及行驶道路的坡度计算得到需要的制动力；
C.所述运算单元(12)将需要的制动力发送至所述制动动作控制单元(13)，所述制动动作控制单元(13)根据所需要的制动力做出制动动作决策；
D.所述伺服电机(2)、所述车辆牵引电机(6)执行制动动作决策；
E.重复步骤A-D。
3.如权利要求2 所述的一种基于PID控制的无人驾驶车辆制动方法，其特征在于，步骤C中，制动动作决策包括：断开油门、轻微制动、中等制动以及紧急制动；所述制动动作控制单元(13)中设定有四个常量Baccoff、Bsb、Bmb以及Beb；
当Br(k)<Baccoff时，所述伺服电机(2)与所述车辆牵引电机(6)仍按原方式动作；
当Baccoff≤Br(k)<Bsb时，所述车辆牵引电机(6)停止驱动车轮；
当Bsb≤Br(k)<Bmb时，所述车辆牵引电机(6)停止驱动车轮，同时所述伺服电机(2)控制所述电动推杆(3)对车辆刹车盘(7)进行轻微制动；
当Bmb≤Br(k)<Beb时，所述车辆牵引电机(6)停止驱动车轮，同时所述伺服电机(2)控制所述电动推杆(3)对车辆刹车盘(7)进行中等强度制动；
当Br(k)≥Beb时，所述车辆牵引电机(6)停止驱动车轮，同时所述伺服电机(2)控制所述电动推杆(3)对车辆刹车盘(7)进行最大强度制动。
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