论文研究-基于MATLAB的循线智能车仿真平台的建立 .pdf-资料库

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5 10 15 20 25 30 35 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于 MATLAB 的循线智能车仿真平台的建立李久胜，彭小磊** （哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨，150001）摘要：优化寻迹智能车的控制算法时，往往要进行大量的实验来确定控制参数，这会浪费大量宝贵的时间和资源。使用 LabView 软件建立的仿真平台存在分析和处理数据的能力弱和不利于算法的实现和移植等缺点。针对这种情况，本文建立了基于 MATLAB 的智能车仿真平台，充分利用了 MATLAB 软件的强大的控制系统工具箱，并在此平台上做了仿真实验。实践证明，此平台能够真实的反应智能车的运行状态，为调整控制算法提供有效的参考。关键词：智能车; 仿真平台; 路径跟踪中图分类号：TP312 The Establishment of Intelligent Car-like Vehicle Path Following Simulation Platform Basing on MATLAB LI Jiusheng1, Peng Xiaolei2 (School of Electrical Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology, Harbin 150001) Abstract: It always wastes a lot of time and resources to optimize the algorithm of car-like vehicle path following. With LabView software to establish the simulation platform,there are shortcomings, such as, weaknesses in data analysis and processing capacity, difficulities in algorithm implementation and migration, an so forth. To solve these problems, an intelligent car-like vehicle simulation platform is established basing on MATLAB, which makes full use of control system toolbox of MATLAB software, and perform a simulation experiment on the platform.This paper proved that the status of the smart car was truly reflected and it provided guidance for adjusting the algorithm of path following. Key words: smart car, simulation platform, path following 0 引言在智能车竞赛中，为了优化智能车的控制算法往往要进行多次的实验，而在实际的赛道上智能车行驶过程中的误差和智能车姿态的获取比较困难。因此，大多数算法的参数调整要通过反复的试凑来实现。这种方法存在浪费时间和资源的缺点。文献[1][2]使用 LabView 虚拟仪器技术建立了智能车仿真系统，但是 LabView 的数据处理、分析能力较弱，不利于算法的移植与实现。文献[3]建立了智能车的实时监测系统，能够实时监测智能车的运行状况，但是使用了较多的软硬件资源，增加了不必要的开支。本文使用 MATLAB 软件建立了寻线智能车的软件仿真平台，充分利用了 MATLAB 软件的控制系统工具箱能够实现各种复杂的算法的特点。利用本平台能够大大节约调试智能车算法的时间和资源，提高开发效率。作者简介：李久胜，男，副教授，自主移动机器人技术通信联系人：彭小磊（1986），男，自主移动机器人. E-mail: pengxiaolei1986@163.com - 1 -

中国科技论文在线 1 智能车数学模型 1.1 智能车运动学模型 http://www.paper.edu.cn 40 本文对应的智能车为比赛中常用的 A 型赛车。A 型模型车：编号 03-302，尺寸为 27× 16×8cm，舵机采用 S3010 伺服器，后轮直流驱动马达为 RS380 电机。智能车模型如图 1 所示。 φ B/2 L Y y O 2r θ x X 图 1 智能车模型 45 50 运动数学模型是对智能车进行运动分析，更新智能车姿态信息的主要依据。图 1 为本软件平台所对应的智能车简化图，为采用艾克曼导向机构的车式移动平台。前轮和后轮都可以简化为位于轴中心的单轮。前轮导向角可控，后轮速度可控[4]。其中， v 是小车运动速度， [ ]yx, 为小车前轴中心坐标，θ智能车中间轴与 X 轴的夹角，φ为舵机角度，L 为智能车轴距。假设车轮作无滑动的纯滚动运动，智能车的运动学方程为 x y ⎧ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎩ v cos( ∗= v sin( ∗= v θ = ∗ L kX )( ) φθ + ) φθ + sin φ [ = （1）定义智能车模型离散时间状态为，其中， )(kx 和 )(ky 为智能车前轴中心点的坐标， )(kθ 为智能车中间轴与 X 轴的夹角，即智能车姿态角。根据智能车运动学方程可以得到智能车离散状态模型。 kykx ( ( ), ])( k ), θ 55 kx ( ⎡ ⎢ ky ( ⎢ k ( ⎢ θ ⎣ + + + )1 )1 )1 ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ = ⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ 1.2 舵机数学模型 kx )( ky )( θ ∗∆+ ∗∆+ k )( kvT )1 ( ∗+ kvT ( )1 ∗+ kvT ( ∗∆ + + L cos( sin( )1 ∗ k k ( )( )1 φθ + + k k )( ( ))1 φθ + + k sin( ))1 ( φ + （2） ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ 智能车的转向由伺服电机 S3010 控制，考虑到伺服电机响应速度和最大转角等因素的限制，舵机的约束方程为（3）。其中 dω 为舵机旋转角速度，假设其为常数， maxφ 为舵机最大的工作角度， φ∆ 为给定的舵机转动角度控制量。 - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 60 （3）（4） d φ ⎧ ω ⎪ d dt ⎨ ⎪⎩ maxφφ = ≤ 根据舵机的约束方程可以得到离散状态模型。 k )1 φ + ωφ ≤∆ d k )1 ( φ + = max 假设智能车后轮马达速度不变，不对后轮马达建模。 2 软件平台 ( φ ⎧ ⎪ ⎨ ⎪ ⎩ φ k )( ∆+ T ∆∗ φ ≤ 65 2.1 赛道绘制在优化智能车的控制算法时要考察智能车在不同赛道上的性能，铺设实际赛道会需要很大的场地，还会浪费大量的时间[5]，本文使用 MATLAB 中的 GUI 模块实现智能车赛道。假设智能车的赛道由直线和圆弧组成，圆弧和直线、圆弧之间都保证相切，以保证赛道的平滑性。在绘制赛道的过程中将赛道离散为一系列的点存储到的赛道矩阵中。使用 GUI 模块实现的绘制赛道界面如图 2 所示。 70 2.2 偏差计算图 2 赛道绘制窗口本软件平台对应的硬件平台是采用光电传感器进行赛道信息采集的智能车系统。偏差计 75 算方法：以智能车车体的前轮的中心点为圆心，以小车轮距的一般为半径做一个虚拟的圆。搜索在这个圆内的赛道数据点，将其存在疑似交点矩阵中。然后求出垂直于小车中轴并且通过前轮中心点的直线 L，求出疑似矩阵中最符合直线 L 的疑似交点作为传感器所在直线与赛道的交点。判断其是否在传感器监测范围内。如果在此范围内，表明相应的传感器检测到赛道，反之，没有检测到赛道。算法示意图如图 3 所示。 - 3 -

80 85 90 95 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn xAU , ⎧ ⎨ xAU , ⎩ 其中 A ——离散的赛道点组成的矩阵； ( ( i i jx ——第 j 个传感器所在坐标； R ——传感器检测半径； sen ——第 j 个传感器状态 j ) ) j j ⇒≤ ⇒> R R sen sen j j = = 1 0 （5）赛道传感器位置虚拟圆车图 3 误差算法示意图传感器所在直线 2.3 循迹算法在智能车循迹运动控制中，根据小车姿态与赛道之间的偏差来计算舵机控制量和后轮马达控制量以改变智能车姿态完成循线运动功能。智能车循迹运动的算法框图如图 4 所示。 3 验证图 4 循迹算法框图本文采用经典的 PID 算法来实现智能车的循线控制。令小车运动速度恒定，舵机转角控制采用增量式 PD 控制，如公式（5）。其中， pk 为比例系数， dk 为微分系数，Error 为传感器检测到的误差， Error 为前i 次的误差值。程序流程图如图 5 所示。 i =∆φ k p ∗ ( Error − Error 1 ) + k d ( Error 2 ∗− Error 1 + Error 2 ) （5） - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 5 程序流程图仿真结果 100 如图 6 所示，车模在行驶时会发生车头左右摇摆的现象，这是因为比例积分算法不能够消除偏差，车模在误差为零的时候导向角度并不能为零，所以会出现冲过零点的现象。仿真结果与实际相符合，说明软件平台的建立是合理的。图 6 仿真结果（单位：厘米） - 5 -

中国科技论文在线 4 结论 105 http://www.paper.edu.cn 针对在研究智能车的循线控制算法中存在的做实际试验的经济性和效率性的问题，本文建立了智能车运动学模型和光电传感器检测赛道的模型，使用 MATLAB 软件编写了智能车循迹软件仿真平台。经验证，实验平台的建立是合乎实际的，能够为调整控制算法提供指导。使用本文建立的仿真平台，可以大大提高算法研究的效率。 110 [参考文献] (References) [1] 周斌，蒋荻南，黄开胜. 基于虚拟仪器技术的智能车仿真系统[J]. 电子产品世界，2006.2:132-134. [2] 毕诗皓. 智能车建模与仿真软件设计[D]. 西安：西安理工大学硕士学位论文，2007:8-9. [3] 路振林. 智能车运动状态实时监测系统的设计与实现[D]. 沈阳：东北大学硕士学位论文，2009:39-44. [4] 徐德，邹伟. 室内移动服务式机器人的感知、定位与控制[M]. 北京：科学出版社，2008:75-80. [5] 卓晴，黄开胜，邵贝贝等. 学做智能车——挑战“飞思卡尔”杯[M].北京：北京航空航天大学出版社， 2007.3：367 115 - 6 -

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