基于PID智能控制算法的智能車車速控制研究

趙永永

摘? 要： 智能車是綜合采用多種傳感器與智能公路技術(shù)來實現(xiàn)對智能車輛自動駕駛。智能車存有一套導(dǎo)航信息資料庫，包含全國高速公路、城市道路、普通公路以及各種服務(wù)設(shè)施的信息資料。中國重點發(fā)展的一些科技促使中國智能車的出現(xiàn)，這種智能車在進(jìn)行運行的過程中不需要人為的對車速進(jìn)行控制，整體的速度是由車輛本身自帶的系統(tǒng)進(jìn)行控制。這種智能車的出現(xiàn)極大的方便了人們的生活，并且能夠減少交通事故的發(fā)生頻率。PID智能車車速控制算法是近些年來新興的一種智能車控制技術(shù)，這種控制算法的應(yīng)用能夠極大程度上提高車輛的可控性，在智能車系統(tǒng)的可控技術(shù)方面具有光明的研究前景。

關(guān)鍵詞： PID智能控制算法;車速控制;研究展望

中圖分類號： U260.5+1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.01.041

【Abstract】： Intelligent vehicles can realize automatic driving through multiple sensors and intelligent highway technology， which has a set of navigation information database， containing information of national highways， urban roads， ordinary highways and various service facilities. Some key technologies in China have prompted emergence of intelligent vehicles， whose speed is controlled by vehicle's system instead of artificial speed control during operation. Emergence of intelligent vehicles has facilitated people's lives greatly， and reduced frequency of traffic accidents. PID intelligent vehicle speed control algorithm is a new intelligent vehicle control technology in recent years， whose application can improve controllability of vehicles greatly， and has bright research prospects in controllability technology of intelligent vehicle system.

【Key words】： PID intelligent control algorithm; Vehicle speed control; Research prospects

0? 引言

隨著科學(xué)技術(shù)水平的提升，中國的車輛制造也在朝著更加智能化的方向發(fā)展和進(jìn)步。智能車輛的出現(xiàn)，對人們的出行帶來了更大的方便，而且也進(jìn)一步的提升了出行的安全性和可靠性?；赑ID智能控制算法的智能車輛可以對車體的速度進(jìn)行有效的控制，不需要人為來進(jìn)行控制，可以有效的減少交通事故的出現(xiàn)。

1? 國內(nèi)外智能車車速自動控制的現(xiàn)狀

1.1? 國外智能車車速控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

智能車車速控制系統(tǒng)在國際上是一個重要的研究課題，近些年來國內(nèi)外眾多的研究學(xué)者對智能車車速控制做出了大量的研究，并且取得了較為顯著的研究成果。法國的學(xué)者 Paromtchik等人對于智能車的運動軌跡和車輛在運行過程中的軌跡控制做了許多理論性研究，通過數(shù)據(jù)采集和計算，提出了一種車輛速度控制的迭代算法。這種算法在進(jìn)行運算的過程中能夠較好的規(guī)劃車輛運行過程中的車輛速度和車輛的加速度，通過這種計算得出一定的車輛運行數(shù)據(jù)，并且將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理記錄，最終形成一套完整的車速控制算法。此外，韓國學(xué)者 Park 等，在進(jìn)行車速控制的過程中普遍地采用超聲波車速控制系統(tǒng)進(jìn)行車速的控制，在進(jìn)行車載感應(yīng)器的安裝過程中，進(jìn)行感應(yīng)器頻率的改變，智能車輛在行駛的過程中通過車輛

的感應(yīng)器對于車輛的速度進(jìn)行必要的感應(yīng)，通過感應(yīng)自身的車速與周圍的車輛速度，進(jìn)行自身速度的調(diào)控，使得智能車的速度與周圍的車輛速度保持在一定的范圍之內(nèi)[1]。這樣的控制感應(yīng)系統(tǒng)在進(jìn)行使用的過程中具有精確性高、速度控制較為精確的優(yōu)點，在智能車車速控制系統(tǒng)上是一個重要的突破。

1.2? 國內(nèi)智能車車速控制系統(tǒng)的研究

相對于國外的智能車控制系統(tǒng)研究來講，中國智能車車速的控制研究起步較晚。但，研究人員憑借科學(xué)的研究方法和堅定的研究信念，最終在車速的研究方面取得了重大的成就。在幾年前吉林大學(xué)的尚世亮就已經(jīng)在veDYNA 平臺上對汽車的動力學(xué)模型進(jìn)行分析研究，總結(jié)出：智能車輛的轉(zhuǎn)向控制總共能夠分為四個方面的參數(shù)，并且在進(jìn)行車輛車速控制的過程中可以通過控制智能車的轉(zhuǎn)向來進(jìn)行車輛速度的控制[2]。吉林大學(xué)的秦緒情利用模糊控制算法模擬駕駛思想，秦緒情在進(jìn)行這種模糊算法的設(shè)計過程中，也是將車速的控制分為幾個不同的參數(shù)，并且對幾個實際的參數(shù)進(jìn)行測量和記錄，通過將相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的總結(jié)得出一定的運算法則，但是這種運算法則的研究僅僅是處于一種理論的階段，還沒有進(jìn)行實際的應(yīng)用。近年來，中國研究人員，圍繞國家戰(zhàn)略需要，瞄準(zhǔn)世界科技前沿，在中國智能車的發(fā)展上所做出的貢獻(xiàn)，為中國智能車輛的車速控制系統(tǒng)研發(fā)指明了前進(jìn)的方向。

為了滿足智能車車速控制的要求，在確定了嵌入式實時控制系統(tǒng)整體方案之后，最為關(guān)鍵的是智能車速控制算法的選擇，當(dāng)前用于智能車車速控制的算法有PID控制算法、PID模糊控制、迭代學(xué)習(xí)控制[3]等，它們都有各自的特點。

2? PID算法

2.1? PID控制算法

PID車速控制算法是一種基于系統(tǒng)車速誤差，利用比例-積分-微分計算出控制量來控制減少車輛行駛過程中不穩(wěn)定現(xiàn)象的一種控制算法。在智能車輛發(fā)展的近些年來，PID車輛控制系統(tǒng)也在不斷的進(jìn)行更新和發(fā)展，伴隨著現(xiàn)在科技的高速發(fā)展，PID車速控制系統(tǒng)更是在改進(jìn)的過程中融入了較多的現(xiàn)代科技，特別是智能控制的融入使得PID控制系統(tǒng)在進(jìn)行發(fā)展的道路上向前邁出了較大的一步。PID車速控制的主要運行原理就是計算車輛運行過程中的實際值，并且在測量出實際值的過程中，將這些智能車輛運轉(zhuǎn)實際值與計算機(jī)系統(tǒng)中所儲存的車速運轉(zhuǎn)實際值進(jìn)行一定的比較，在比較的過程中發(fā)現(xiàn)車速的實際值與車速的預(yù)定值之間的差距。在進(jìn)行差距的發(fā)現(xiàn)后，車輛的控制系統(tǒng)通過進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換達(dá)到這種數(shù)值差距的糾正，最終達(dá)到車速控制。在PID控制系統(tǒng)的發(fā)展過程中，最為重要的就是在進(jìn)行測量得到實際值并且經(jīng)過比較過后得到數(shù)值差距的糾正，這種技術(shù)的研究正是所有PID控制研究人員所堅持和不斷進(jìn)行創(chuàng)新的地方，因為控制系統(tǒng)在進(jìn)行運轉(zhuǎn)的過程中最為關(guān)鍵的就是車速的控制，所謂的控制就是整體值的調(diào)整。PID控制系統(tǒng)在運行的過程中具有技術(shù)簡單易控、適應(yīng)層面廣并且在參數(shù)的選擇方面較為靈活多變的優(yōu)點，PID控制系統(tǒng)所擁有的眾多技術(shù)優(yōu)點，使得PID控制系統(tǒng)成為了在進(jìn)行車輛控制過程中所首選的一種控制器。隨著中國科技的不斷發(fā)展，中國的智能化技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)的研究也在不斷的深入，這兩種技術(shù)在進(jìn)行發(fā)展的過程中與先進(jìn)PID控制器相互進(jìn)行配合，并且廣泛的應(yīng)用于汽車的制造之中[4]。這兩種先進(jìn)技術(shù)與控制系統(tǒng)的相互配合將龐大的運行系統(tǒng)進(jìn)行了必要的統(tǒng)一，這樣的統(tǒng)一提高了系統(tǒng)整體的運行效率。在PID控制算法[5]中，總共可以分為三種計算的方法，分別是增量式算法、位置式算法、微分先行算法，這三種算法是整個PID算法的運行基礎(chǔ)，正是這三種算法在運行上的相互配合，才能夠使得PID運轉(zhuǎn)方法成為一種較為理想化的車輛速度控制系統(tǒng)。

由于智能車速控制具有非線性或時變的的特性，當(dāng)使用傳統(tǒng)PID控制算法時，易出現(xiàn)參數(shù)調(diào)整不當(dāng)而導(dǎo)致系統(tǒng)不斷地振蕩。故采用智能控制的方法與傳統(tǒng)PID結(jié)合使用。

2.2? 模糊PID控制算法

所謂的模糊算法就是在進(jìn)行運算的過程中以人工經(jīng)驗為基礎(chǔ)的控制算法，在進(jìn)行工業(yè)的生產(chǎn)過程中，一名熟練的技術(shù)工人在進(jìn)行問題的處理過程中，往往會根據(jù)自身的經(jīng)驗進(jìn)行問題的思考，并且在這種思考下進(jìn)行一定應(yīng)對策略的選擇，期望通過這種運算對策的選擇能夠使復(fù)雜的過程簡單化，最終使得這種復(fù)雜的運行過程能夠順利的實現(xiàn)自己的期望。將這些生產(chǎn)過程中所積累的經(jīng)驗進(jìn)行一定的總結(jié)，并且運用數(shù)學(xué)公式對總結(jié)的經(jīng)驗進(jìn)行一定的量化表達(dá)，這種利用生產(chǎn)經(jīng)驗和數(shù)學(xué)計算公式所得到的一個理論被稱為模糊理論[6]。模糊控制與PID控制相比，在進(jìn)行運行的過程中不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，并且在進(jìn)行運行的過程中具有非線性適應(yīng)性強的優(yōu)點，但是這種基于模糊控制的控制系統(tǒng)在進(jìn)行運行的過程中穩(wěn)定性沒有PID控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定。因此，在進(jìn)行智能車車速控制功能表達(dá)過程中一般會將模糊控制理論與先進(jìn)的PID控制系統(tǒng)相互融合，融合的方法一般都會采用模糊PID控制算法[7]。這種模糊PID控制算法在運行的過程中一般都會將期望值與實際值的差值進(jìn)行一定的數(shù)值輸入，并且在進(jìn)行數(shù)值輸入的過程中會將差值的變化率進(jìn)行系統(tǒng)的輸入，在對這兩種數(shù)值進(jìn)行一定的數(shù)值輸入過程中，會得出三個不同的數(shù)據(jù)參量值，并且將這三個數(shù)據(jù)參量值進(jìn)行一定的控制和調(diào)節(jié)，使整個數(shù)據(jù)參量值在進(jìn)行運行的過程中能夠更加符合運行規(guī)律，整個運行的過程能夠進(jìn)行必要的人工控制，從而使整個過程在進(jìn)行結(jié)果的得出過程中能夠得到更加精準(zhǔn)的結(jié)果[8]。原理框圖1，如下。

模糊PID控制的費力之處是模糊集IF-THEN規(guī)則的取得和模糊隸屬函數(shù)的確定，并且其規(guī)則和隸屬函數(shù)不易隨條件和車輛參數(shù)變化進(jìn)行調(diào)整[9]。而能夠?qū)哂形粗?、變化性或不變性參?shù)的系統(tǒng)實施有效控制的迭代學(xué)習(xí)控制相對于其他控制技術(shù)，其適應(yīng)性更廣，實時性更強。

2.3? PID迭代學(xué)習(xí)控制算法

因為智能車行駛中存在著高度的非線性和許多的不確定性，特別是智能車車速控制的參數(shù)在不同實況下其值是不確定的，并且其對控制有較高的實時性要求，所以將PID迭代學(xué)習(xí)控制算法應(yīng)用到智能車車速控制系統(tǒng)中，利用實際車速與期望車速的偏差，通過多次的迭代運算得到一個修正量，進(jìn)一步修正PID控制器輸出的控制量，從而使實際車速更趨近于期望車速。原理框圖2，如下。

目前先進(jìn)的智能車車速控制系統(tǒng)，主要采用PID智能控制技術(shù)與智能車車速的路徑識別系統(tǒng)和智能轉(zhuǎn)彎車速控制原理對智能車變速和轉(zhuǎn)向等進(jìn)行整體控制。

3? 智能車車速的控制

在智能車運行中各種傳感器檢測行車信息，并將其轉(zhuǎn)換為電量信號傳給車載計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字或圖像信號處理，并將處理結(jié)果作為發(fā)出指令來控制自動變速轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)對智能車的閉環(huán)系統(tǒng)智能控制?；赑ID智能車速控制系統(tǒng)的車載計算機(jī)接收來自各種智能傳感器傳來的周邊實況和智能車自身的各種信息，并對此進(jìn)行高效快捷的整合整理，然后傳遞信息給智能車的執(zhí)行器，從而實現(xiàn)智能車車速的智能控制等功能[10]。原理框圖3，如下。

3.1? PID控制算法與智能車車速的路徑識別系統(tǒng)

中國的科技已經(jīng)開始朝著智能化、數(shù)字化、高效化的方向進(jìn)行發(fā)展，在人們生活質(zhì)量不斷提高的今天，居民對于衣食住行的要求不斷的提高，這種要求的變化最主要的就體現(xiàn)在人們對于行的要。最早人們依靠步行，后來人們用自行車代替，到了現(xiàn)在人們已經(jīng)可以不需要運動就能進(jìn)行路徑的選擇。這種情形主要就是得益于汽車的出現(xiàn)使得人們交通旅行變的更加便利，但是這種汽車在運行的過程中也會造成大量交通事故的發(fā)生。為此人們就想研究一種智能化的車輛，使其在運行的過程中能夠像人一樣進(jìn)行自如的移動，這種看似是異想天開的構(gòu)想在現(xiàn)如今已經(jīng)變?yōu)榱爽F(xiàn)實。人們在進(jìn)行車輛的研制過程中將不同的車輛配件進(jìn)行一定的組裝，但在智能車進(jìn)行研制的過程中不僅僅是各個汽車零件的一種組合，更為重要的就是實現(xiàn)智能汽車可以像人一樣思考，能夠使其在行駛的過程中部分或者全部地代替人的功能。這種功能的實現(xiàn)離不開智能控制與傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)的結(jié)合。

在進(jìn)行智能車車速的控制過程中，首先較為重要的就是智能車輛電源的選擇，這主要是因為，PID控制系統(tǒng)在運行過程中要想實現(xiàn)對于路徑的識別和控制，就必須保證智能車在運行的過程中能夠有穩(wěn)定的供電系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源電量。其次PID車速控制系統(tǒng)在進(jìn)行車速控制的過程中，另一個主要的方面就是測量與調(diào)控，通過測量系統(tǒng)得出相應(yīng)的測量值，并將不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞和一定的匯總，得出的數(shù)據(jù)就成為了車輛運行速度調(diào)控的一個參考值。測量方法在應(yīng)用的過程中運用了車載紅外線技術(shù)，這種紅外線能夠主動的測量道路信息，紅外線在測量出道路信息后將不同的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總得出一個車速運行的速度值，并且在車輛運行過程中將數(shù)據(jù)測量值與原有的數(shù)據(jù)預(yù)測值進(jìn)行對比得出一定的數(shù)據(jù)差距。對車輛的行駛進(jìn)行一定的行駛狀態(tài)糾正，在進(jìn)行糾正的過程中利用數(shù)據(jù)的傳輸系統(tǒng)對這種數(shù)據(jù)的理想值進(jìn)行必要的調(diào)整，并且在車輛的運行過程中及時的進(jìn)行智能車速的返送。同時，智能車輛的運行過程中還應(yīng)當(dāng)保證車輛運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，避免車輛在進(jìn)行運轉(zhuǎn)中出現(xiàn)車輛行走S路徑。在進(jìn)行車輛穩(wěn)定性的控制過程中主要就是對車輛運行過程中車身的振動程度進(jìn)行檢測，并將測量值進(jìn)行整理后的數(shù)據(jù)值與期望值進(jìn)行反復(fù)的差減運算，最終就會得到一個較為穩(wěn)定的數(shù)據(jù)值，這個數(shù)據(jù)值就是智能車輛在運行過程中與道路間的契合值。在進(jìn)行智能車輛行駛的過程中，只要運行的車速值能夠穩(wěn)定在這個范圍之內(nèi)就不會造成車輛的大面積振動，保證車輛在運行過程中的穩(wěn)定性，避免可能出現(xiàn)的較為危險的情況。否則，汽車的駕駛?cè)藛T在進(jìn)行車輛駕駛的過程中就應(yīng)當(dāng)及時的進(jìn)行車輛運行的調(diào)整避免運行中危險情況的出現(xiàn)。

3.2? 智能轉(zhuǎn)彎車速控制原理

智能車在進(jìn)行行駛的過程中，會根據(jù)駕駛路徑的需求進(jìn)行車輛運行過程中的加速或者減速，但是這種速度的調(diào)整過程普遍都存在著較高的要求，對駕駛員的操控技術(shù)有著較高的要求。在進(jìn)行車速的控制過程中，車速的增加或者減少都應(yīng)當(dāng)緩慢并且勻速。這主要是因為在進(jìn)行車速的調(diào)整過程中，如果出現(xiàn)較大幅度的車輛變化就可能會導(dǎo)致車輛在運轉(zhuǎn)的過程中振幅增加，最終在運行的過程中出現(xiàn)危險。在進(jìn)行車速運轉(zhuǎn)的過程中，智能車運行過程可能會因為整體的運行硬件不足，導(dǎo)致運行事故的發(fā)生。在這種情況下，就應(yīng)當(dāng)采用PID車速控制系統(tǒng)對車速的運行進(jìn)行有效的控制，PID車速控制系統(tǒng)在進(jìn)行運行的過程主要也是運用的紅外線測量系統(tǒng)。這種測量系統(tǒng)在進(jìn)行運轉(zhuǎn)的過程中，主要就是將車身與路基之間所具有的距離進(jìn)行一個數(shù)據(jù)偵查，并且將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇傑囁倏刂葡到y(tǒng)中與距離以及車速的預(yù)定值進(jìn)行一定的比較，在比較的過程中將兩者進(jìn)行差值運算，將所得的差值再一次輸入到車速的控制系統(tǒng)中，車輛在運行的過程中能夠控制車速向著這個預(yù)定值靠近，最終保證車輛能夠穩(wěn)定的通過轉(zhuǎn)彎處，在進(jìn)行轉(zhuǎn)彎控制的過程中較為關(guān)鍵的就是在車速轉(zhuǎn)換的過程中應(yīng)當(dāng)保證速度變換的緩慢與均勻。

在進(jìn)行轉(zhuǎn)彎車速的控制過程中，主要就是采用運行線路的位置測量法，在進(jìn)行PID的控制上所采用的方法都是通用的方法，并且這種方法在進(jìn)行應(yīng)用的過程中主要采用的就是數(shù)據(jù)的測量和數(shù)據(jù)的反饋等先進(jìn)技術(shù)，這幾種數(shù)據(jù)的處理技術(shù)在進(jìn)行應(yīng)用的過程中能夠?qū)χ悄苘囕v進(jìn)行必要的速度調(diào)整，車輛在進(jìn)行速度調(diào)整的過程中離不開數(shù)據(jù)的綜合與數(shù)據(jù)的運算。在現(xiàn)在科技的發(fā)展過程中，數(shù)據(jù)的運算大都是通過車載計算機(jī)系統(tǒng)，這種計算機(jī)系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)計算的過程中能夠保證數(shù)據(jù)計算的準(zhǔn)確性，減少了因計算的誤差所導(dǎo)致的智能車輛運行速度的變換錯誤。

4? 展望

可以預(yù)見，隨著相關(guān)理論與技術(shù)的不斷創(chuàng)新，能將人與物的普遍聯(lián)系建立起來的“網(wǎng)間網(wǎng)”會實現(xiàn)的，到那時，“網(wǎng)間網(wǎng)”與注重于人與人的普遍聯(lián)系的互聯(lián)網(wǎng)和注重于物與物的普遍聯(lián)系的物聯(lián)網(wǎng)相融合，智能車車速控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性、安全性將會取得更大進(jìn)步。

5? 結(jié)論

隨著現(xiàn)如今中國市場經(jīng)濟(jì)的不斷深入化發(fā)展，中國的科技水平也在不斷的提高，使得數(shù)字化、自動化、信息化與智能化技術(shù)應(yīng)用到了生活的各個方面，并且在各個方面的發(fā)展中起著重要的作用。本文所簡述的PID控制算法及其在智能車車速控制中的應(yīng)用就是智能化與自動化應(yīng)用的一個實例，通過PID控制裝置與智能化和自動化進(jìn)行必要的融合，使得智能化汽車在進(jìn)行車速控制時能夠具有更加穩(wěn)定的過程，為駕駛?cè)藥砹烁邮孢m的駕駛體驗。

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