（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的汽车定速巡航控制系统的研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 r e s e a r c ho na u t o m o b i l ec r u i s ec o n t r o ls y s t e m b a s e do nd s p a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ed u s t r ya n dc a r r y i n gt r a d e ，a u t o m o b i l e w i l lb em o r ea n dm o r ew i d e s p r e a d m o r ec o m f o r t a b l e ，m o r ec o n v e n i e n ta n ds a f e r v e h i c l ew i l lb en e e d e d a u t o m o b i l ec r u i s ec o n t r o ls y s t e m ( c c s ) ，w h i c hn o to n l y c o u l dr e l i e v et h ed r i v e r s b u r d e nb u ta l s oc o u l dm a k et h ed r i v i n gc o m f o r t a b l e ，i s ak i n do fa c c e s s o r i a ld r i v i n gs y s t e m c r u i s ec o n t r o ls y s t e mh a sh i g hn o n l i n e a r i t y a n dn o n d e t e r m i n a c yw i t ht i m ec h a n g i n g a n dc c s ，w h i c hi se f f e c t e db ys o m e f a c t o r ss u c ha se x t e r n a ll o a dd i s t u r b e r sa n dc o m p l i c a t e dr u n n i n gm o d e s ，w i l ln o t h a v eag o o dr u n n i n ge f f e c tw i t ht h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r 0 1 ak i n do fc c sw h i c h i sb a s e do nf u z z yp i dc o n t r o li si n t r o d u c e di nt h et h e s i s f i r s t ，t h eb a c k g r o u n do fc r u i s ec o n t r o ls y s t e ma n di t ss t a t u sa n dd e v e l o p i n g t r e n di s e x p a t i a t e do ni nt h ed i s s e r t a t i o n t h ec o m p o s i n go fc c si s a l s o i n t r o d u c e di nd e t a i l t h ep r i n c i p i u mo fc c si sd e s c r i b e db ya n a l y z i n gak i n do f c l o s e dl o o ps y s t e m a f t e ra n a l y z i n gt h ec r u i s ec o n t r o ls y s t e mb r i e f l y , f u z z y - p i di sc o n f i r m e da s t h ec o n t r o lm e t h o do ft h es y s t e m t h e nt h ef u z z yp i dc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d a s t h eo b i e c ti sac a r , t h et h e s i sa n a l y z e st h er e s i s t a n c e sa n dd i s t u r b sw h i l et h ec a r s r u n n i n g a n dt h ea u t o m o b i l ed y n a m i c sm o d e li sg i v e n a f t e rs e t t i n gu pt h em o d e l b ym e a n so fm a t l a b s i m u l i n k ，t h er e s u l ti sa n a l y z e d f r o mt h er e s u l t ，w em a y k n o wt h a tf u z z yp i dc o n t r o lc o u l dm a k et h eo v e r s h o o ts m a l l e ra n dt h er e s p o n s e t i m es h o r t e r t h ee f f e c to ff u z z yp i dm e t h o di s9 0 0 d ，s oi ti sas u i t a b l em e t h o d f o rc c s t h e d e s i g no ft h es y s t e mi sp r e s e n t e df r o mh a r d w a r e a n ds o f t w a r e p a r t i c u l a r l y i n t h e a s p e c t o fh a r d w a r e ，a d e s i g n s c h e m eb a s e do n t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ac h i pi si n t r o d u c e d t h ed e s i g np r i n c i p l e so fs o m ec i r c u i t sa r e a n a l y z e dp a r t i c u l a r l y , a n dc i r c u i td i a g r a mi sg i v e na c c o r d i n g l y i nt h ea s p e c to f s o f t w a r e ，t h ed e s i g ns c h e m eo fp r o g r a m m e i s g i v e nc o n s i d e r i n g t h e 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 i l li,_i ii, i l l l l l c h a r a c t e r i s t i c so fd s et h em a i nf l o w c h a r ta n ds o m es u b p r o g r a mf l o w c h a r t sa r e a l s og i v e n f i n a l l y , t h es y s t e mi sd e b u g g e do nt h ea u t o m o b i l ec r u i s ec o n t r o ls y s t e md a i s ， w h i c hi sb a s e do nt h ea c c o m p l i s h m e n to fi t sh a r d w a r ec i r c u i tb o a r da n ds o f t w a r e p r o g r a m m i n g 。t h er e s u l to ft h et e s ts h o w st h a tt h es y s t e mc o u l de x e c u t es o m c s i m p l eo r d e r si d e a l l y k e y w o r d s c r u i s ec o n t r o ls y s t e m ，d s p , f u z z yp i d ，s i m u l a t i o n i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于d s p 的汽车定速巡航 控制系统的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期 间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明的部分外， 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和 集体，均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：旅稻，日期：如富年否月1 2 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于d s p 的汽车定速巡航控制系统的研究系本人在哈尔滨理工大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人 完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨 理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全 部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密酣 ( 请在以上相应方框内打v ) 作者签名： 导师签名t 日期：如t 年占月l 、日 同期：伽譬年弓月1 2 日辍和 服四 哈尔滨理麓大学工学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着汽车工业和公路运输业的发展，汽车将走进千家万户，驾驶人员非职 业化的特点将突出，车辆驾驶的自动化己成为汽车发展的主要趋势m 。跨入二十 一世纪詹，人们需要更加舒适、简便和安全的交通工具，以适应快捷的生活节 奏，因此对汽车的智能化要求更加迫切，随着计算机和电子技术的不断发展， 性裁价格比不断提高，为汽车的良动化提供了雄厚的物质基础，汽车实现智施 化已不是梦想妇1 。车辆自动变速器及其控制技术是智能汽车非常重要的内容，是 汽车辅助驾驶系统和自动驾驶系统的基础，是目前我国智能汽车发展巫须解决 的核心技术之一。 此外，随着我国高速公路网建设纵横迅速延伸，自动巡航控制也具备了广 泛的发展和应用翦景。科技的发展使相应电子技术在汽车上应用得越来越广泛， 汽车电子化程度越来越高，特别是微控制器进入汽车控制领域后，给汽车发展 带来了划时代的变化，汽车的动力性、操作稳定性、安全性、燃油经济性、对 环境的友好性都得到了大幅提井滋 在大陆型国家，驾驶汽车长途行驶的机会较多，而且在高速公路上行驶时 变换车速的频率及范围都较少，较能以较稳定的车速行驶。但若长途驾驶磊右 脚不得不踩油门踏板时，久而久之驾驶员就会感到疲劳，容易发生交通事故。 汽车巡航控制系统c c s ( c r u i s ec o n t r o ls y s t e m ) 是汽车电子技术新装置之 一，它实际上就是一种辅助驾驶系统魄霹。采用汽车巡航控制系统后，当车辆在 高速公路上长时间行车时，驾驶员就不用再去控制油门踏板，这减轻了驾驶员 的负担，从丽减少或避免? 交通事故的发生；同时减少了不必要的车速变化， 使汽车的燃料供给与发动机之间处于最佳的配合状态，可以最大限度地节省燃 料，降低排气污染，提高发动机的使用效率。采用汽车巡航控制系统是提高汽 车的动力性能和乘坐的舒适性的主要方法之一。 目前，我国的道路和通讯网络等基础设施还落后于发达国家，智能巡航控 制系统等还不适合我国露前交通的发展情况。随着我国高速公路建设规模的逐 渐扩大，汽车产量的急剧上升和排放法规的建立，困内汽车市场追切需要适合 我国基本国情的汽车自动巡航控制系统。所以研究和开发适合我国交通状况的 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 汽车巡航控制系统具有非常重大的意义。 1 2 汽车巡航控制系统的历史背景和研究现状 1 2 1 巡航控制系统的历史背景 汽车巡航控制系统发展至今已有四十多年的历史，它经历了机械控制系统、 晶体管控制系统、模拟集成电路控制系统和微机控制系统等几个过程。 从总体上来说，国外汽车巡航控制系统的发展大体经历了三个阶段： 第一阶段是上世纪5 0 年代末至7 0 年代中期，这一时期美国和日本相继出 现了以模拟电路为基础的汽车巡航控制系统。例如，日本丰田公司从1 9 6 5 年起 就开始在车上装用机械式巡航控制系统。之后，德国的v d o 公司也研制出了气 动机械式巡航控制系统。1 9 6 8 年德国奔驰公司开发了晶体管控制的巡航控制系 统，并在莫克利汽车上装用。早期的汽车巡航控制系统以机械式和气动式巡航 控制系统为主。 第二阶段是上世纪7 0 年代中后期至8 0 年代中后期，随着单片机技术的发 展，特别是大规模集成电路及微机的应用，出现了以数字技术为基础的巡航控 制系统。例如：1 9 7 4 年美国鲁卡斯汽车研究中心研究出了性能完善的运用卫星 雷达的数字控制器控制的车速车距控制系统，该系统可以更好地适应路面状况 的变化。美国摩托罗拉公司也研制了一种采用微处理器控制的汽车巡航控制系 统。日本h i n o ( 日野) 公司于1 9 8 5 年向市场投放了一种基于燃油经济性的车速控 制系统砸1 ，其控制框图如图1 1 所示，其控制部分是基于数字式的微控制器。 换档指示器恒速，经济型开关取消开关 t上上 微处理器 ，ttt l 真空发生器 发动机转速传感器负荷传感器车速传感器 0ttt i 执行器h 发动机 图i - ih i n o 公司生产的车速控制系统框图 f i g 1 1b l o c k d i a g r a mo fv e h i c l es p e e dc o n t r o ls y s t e mp r o d u c e db yh i n oc o 哈尔滨理麓大学工学硕士学位论文 与模拟技术相比，数字系统的突出特点是系统的信号量以数字表示，受工 作温度和湿度的影响较小，因此数字控制具有更高的稳定性。汽车巡航电子控 制器采用先进的大规模或超大规模集成电路技术做成专用模块，也可在微机上 编程实现。当汽车上其它系统已有微机控制时，只要修改一下程序便可将此功 能附加上去，因丽可节省昂贵的系统硬件开支秘1 。 第三阶段从上世纪9 0 年代开始，国外又开始发展以智能化为核心的汽车巡 航控制系统和以定距离控制为主的自适应巡航控制系统阻铂。1 9 9 0 年美国鲁卡斯 公司研制出一种离动恒速智能控制系统，该系统采用了连续调频波雷达，透过 雷达来探测前方车辆与本车的距离，通过处理单元计算出相对车速与距离，并 将该信息提供给电控单元，通过执行器控制节气门与制动器来控制车速。之后， 该公司又针对暴露的问题加以改进，在美洲虎牌轿车安装了新的自动恒速控制 系统，并对控制节气门与制动器的执行机构作了改进，微波霄达安装在前保险 杠内，通过塑料车牌照发射微波探测信号。 l 。2 2 巡航控制系统的国内外研究和应用现状 目前国外很多专家都在研究自适应巡航控制系统( a c c ：a d a p t i v ec r u i s e c o n t r o ls y s t e m ) , 也称智能巡航控制系统( i c c ：i n t e l l i g e n tc r u i s ec o n t r o ls y s t e m ) 。 自适应控制系统属主动安全技术，它是传统的速度巡航控制系统的发展和改进。 这种巡航控制系统主要由探测器厂传感器、控制器、执行机构、人机接口、失效 保险装墨五个子系统组成“蛐，其拓扑结构如塑1 2 所示。 图1 - 2 自适应巡航控制系统的拓扑结构 f i g 1 - 2t o p o l o g i cs t r u c t u r eo fa d a p t i v ec r u i s ec o n t r o ls y s t e m 它将汽车自动巡航控割系统和车辆前向撞击报警系统f f c w s ：f o r w a r d c o l l i s i o nw a r n i n gs y s t e m ) 有机地结合起来，既有自动巡航功能，又有防止前向 撞击功能。当道路情况良好时，该系统就是普通的巡航控制系统，可以按设定 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 车速巡航行驶；当另一辆车进入到装置的自动测量范围时，系统根据雷达传感 器探测到与前方车辆的相对距离和速度，控制车辆的油门和刹车，从褥使本车 与前方车辆保持一定的距离。如果前方车辆从测量范围内消失，a c c 将自动恢 复原来的车速。该系统可降低6 2 的追尾事故，采用该系统可有效地提高驾驶 员豹舒适性，减少因长时间驾驶带来的疲劳1 j 辩负授硷，。 基于自适应巡航控制系统，国外很多专家开始了一种半自主式巡航控制系 统的研究。此种巡航控制系统能够很快地应用于公路上，同时能够保持人工操 纵和自适应巡航控制系统的共存。其研究的理论结果表骧，此种控制具有更高 的控制精度和更强的控制鲁棒性。综合利用仿真、分析和实验结果对人工驾驶 和具有盘适应控制系统的汽车进行了毖较，扶得到的数据和信息可以知道，具 有巡航控制系统的汽车能对驾驶员提供重要的辅助作用，对行驶安全性提供了 一种主动安全技术n 舢。 不少车辆，特别是高级轿车已经把巡航控制系统律为配备设备或备选设备。 在美国大多数轿车上均装用了巡航控制系统。例如美国协和( c o n c o r d ) 、纽约 入( n e wy o r k e r ) 、剔克( b u i c k ) 、觊遭拉克( c a d i l a c ) 、克莱斯勒( c m c ) 等。 在日本，随着高速公路的发展，巡航控制系统的装车率也不断得到提高。如日 本皇冠( c r o w n ) 、佳美( c a m r y ) 、凌志( l e x u s ) 、丰田大霸王( p r e v i a ) 等。 欧洲的奔驰( b e n z ) 、宝马m w ) 以及我藿一汽集团予2 0 0 0 年生产投放市场的 红旗世纪星豪华型轿车等都装有巡航控制系统m 目前我国的岛动巡航控制装置仍处于研制阶段，具有自主知识产权的产品 还未见报道。由于国内汽车研究起步较晚，技术相对落后，并且就目前我国公 路状况和实际应用来说，对汽车巡航控制系统的研究应用主要是以单车定速控 制为主。目前，模拟汽车憾速控制器在我国已经投入生产和使用。例如：由江 苏省仪征市巡航设备厂生产的x d 1 型汽车定速系统。该系统是一种机电式汽 车巡航控制系统，它用汽车发动机工作时产生的奏空度作动力，通过系统简单 的机电结构来稳定发动机的转速，使其产生的真空度保持最小的变化。由于其 自动对发动机的油门进行控制，使发动机自动变速，能节省燃油5 以上，并使 驾驶员在驾驶时不用踩油门，减轻了驾驶员的驾驶疲劳度。然焉该祝电式巡航 控制装置虽然结构简单，却有控制精度不高，稳定性不强等特点。 近几年，国内有许多科研机构和高校也开始了对电子式巡航控制装置的研 究。例如，北京理工大学应用p i d 方法对汽车巡航控制进行的研究、由清华大 学王俊敏等研制的基于变参数的比例一积分( p i ) 控制算法汽车数字式巡航控制 系统、哈尔滨工照大学建立了基于汽捷达轿车斡汽车纵自动力学模型等等。 哈尔滨理- t 大学工学硕士学位论文 但从总体来说，目前国内对汽车巡航系统的研究还不是很成熟。 1 3 巡航控制系统的发展趋势 自2 0 世纪7 0 年代起，各大汽车厂家都争相研制汽车巡航控制系统并将其 装在较高级的轿车上。到了2 0 世纪8 0 年代中末期，由于微处理器在汽车上的 广泛应用和高速公路建设的迅速发展，使得它更加完善。从上世纪末起，包括 目前展出的2 1 世纪汽车，该系统真可谓日臻完善，系统电路集成化水平提高， 控制模块体积精巧，多路传输系统日渐成熟，自检系统更准确有效。 总的来说，汽车巡航控制系统的发展主要以下面几个方向为主： 1 新控制理论的应用车辆的行驶状况受到成员的多少、发动机输出的变化 因素等影响。驾驶者需要更平顺的驾驶感觉和更自然的速度控制，以传统的控 制理论为基础，又引入了新的控制理论。目前，模糊控制等新理论已不断得到 应用n 钉。 2 联动控制、复合控制目前，巡航控制装置是独立式的，要求在控制中提 高感觉敏感度、响应性和精度。为此，需要发动机控制用计算机、变速控制用 计算机进行联动控制，使这些计算机形成一体化的复合控制。 3 小型化、智能化计算机、执行元件更趋小型化、一体化，并向智能型发 展。 4 追踪行驶控制现在巡航稳定行驶装置分别利用加速、减速、恢复车速，、 消除等开关自由控制车速，但往往在道路交通混杂的情况下，当车辆接近时不 便于进行减速，而车辆拉开距离时又不便于加速。为了解决这一问题，向前方 车辆发射毫米波( 3 0 3 0 0 g s z ) ，利用雷达测定与前方车辆之间的距离，并隔开一 定的距离追踪行驶n l 瑚。车载雷达不仅可以利用毫米波雷达，而且还可以利用 激光。目前，已对此提出方案，即目前国外很多专家在研究的自适应巡航控制 系统。 5 走停控制现在对巡航控制系统的研制和开发主要针对的是在高速公路 上高速行驶的车辆，而不适用于在城市中低速、高车流密度情况下使用，走停 控制正是系统针对车速低、车距近的行驶情况所做的功能扩展，这要求巡航控 制系统不但具有更好的近距离探测能力，更快的信号处理功能和更迅速的系统 反应，同时还向系统提出了增加车辆自动起步的功能。这样即使在堵车的情况 下也无须驾驶员参与，只需操纵车辆的转向即可。驾驶员可以完全从繁琐的驾 驶操作中解放出来n 射。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 6 集成化随着近几年智能公路概念的提出以及卫星导航系统的开发与应 用，未来的汽车巡航控制系统将同其它的汽车电控系统相互融合，形成智能汽 车电子控制系统，例如它可同加速防滑系统以及发动机控制器等各种电控系统 集成起来。还可以通过采用c a n 总线技术，实现信号资源的共享，提高系统的 灵活性。集成化有助于降低成本，增强各系统间的内在联系，充分利用各种车 辆信息，从而提高系统的稳定性和可靠性。 1 4 课题来源及主要研究内容 本课题是哈尔滨市后备学科带头人基金项目，项目编号是：2 0 0 3 a f x x j 0 0 2 。 尽管世界上对汽车巡航控制系统的研究和开发已有几十年的历史，也取得 了很多研究成果，但是巡航控制系统是一个控制难度较大的系统。要取得更好 的控制效果，使装有巡航控制系统车辆具有更好的性能，还需要对其控制方法 和技术进行深入地研究。鉴于目前国内汽车巡航控制系统的研究现状，本课题 的主要研究内容是： 1 研究并掌握汽车巡航控制系统的原理，对其可行性和必要性进行分析， 并对巡航控制系统进行总体设计。 2 根据巡航控制系统的功能和原理，确定汽车巡航控制方案。建立出汽车 动力仿真模型，进行系统仿真并对仿真结果进行分析。 3 设计出汽车巡航控制系统的硬件电路，并根据系统的实际运行情况、系 统的控制方法及硬件等条件设计出系统的软件。 4 搭建巡航控制系统实验平台，在所设计软件和硬件的基础上对系统进行 调试，并对实验结果进行分析。从而通过实验验证系统的合理性、可靠性和实 用性等。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章巡航控制系统的组成和工作原理 2 1 巡航控制系统简介 汽车巡航控制系统，根据其特点又被称为巡航行驶装置、速度控$ 1 ( s p e e d c o n t r 0 1 ) 系统、自动驾驶( a u t o - d r i v e ) 系统等。目前，汽车巡航控制系统分为巡航 控制和自适应巡航控制两大类，后者是前者功能的延伸和扩展。 汽车巡航控制系统是最早开发的汽车电子控制系统之一，其作用是：在按 下驾驶员所要求的速度闭合开关之后，不用踩油门踏板就可以自动地保持车速， 使车辆以固定的速度行驶。在汽车行驶的过程中，驾驶员只要把住方向盘就可 以了在巡航控制期间，随着道路坡度的变化以及汽车行驶中所可能遇到的阻 力，车辆自动变换油门开度或自动进行挡位转换，以按存储在微机内的最佳燃 料经济性规律或动力性规律稳定行驶。 巡航控制系统在飞机上的应用显示出了其无可比拟的的优点上个世纪5 0 年代末开始在汽车上应用，并很快受到青睐。目前在美、日、德、法、意等汽 车大国发展、普及很快，尤其是近几年来世界各国高速公路的通车里程增多， 扩大了汽车巡航控制系统大显身手的空间。汽车巡航控制系统在大陆型国家更 具有使用价值。 ， 汽车巡航控制系统一般设有如下功能： ， 基本功能： 1 ) 车速设定功能 当车辆在高速公路上行驶时，如果路面质量好，没有人流、分道行车，无 逆向行车，适宜以较长时间稳定运行时，驾驶员可通过巡航系统设定一个稳定 行驶的车速，使其不用控制节气门和换挡，汽车就能一直以这一车速稳定行驶。 2 ) 恢复功能 当司机处理好情况后，根据路面车流情况在判断出又可稳定运行后，可使 汽车自动按着上一次设定的车速恒速行驶，驾驶员也可重新设定巡航车速。 3 ) 取消功能 当踩下制动踏板或者按下“取消 键时，则立即退出巡航状态。但是，如 果其行驶速度大于最小设定车速，则退出之前设置的速度继续保存，供巡航控 制系统随时调用。 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 4 1 加速、减速功能 当车辆处于巡航行驶状态时，可对设定车速进行加速和减速的操作，从而 改变其巡航车速。 故障保险功能： 1 ) 低速自动消除功能 当车速低于低速极限( 一般为4 0 k m h ) 时，巡航控制不起作用，存储的车速 消失，并不能再恢复此速度。 2 1 有关开关消除功能 除了踩制动踏板有消除功能外，当按驻车制动开关、离合器控制开关或者 变速器挡位开关时，巡航车辆都将自动地消除巡航控制功能沮2 综合汽车巡航控制系统的功能和作用，其具有以下几个优点： 1 ) 提高汽车行驶的稳定性、安全性和舒适性 巡航控制系统保证了汽车无论是在上坡、下坡、平路上行驶，或是在风速 变化的情况下行驶，只要在发动机功率允许的范围内，速度都可保持不变1 。 特别是在郊外或者高速公路上行驶时，这种优越性更为显著。另外，当汽车以 定速行驶时，驾驶员只要掌握好方向盘，不用踩踏板和换挡就能使车辆定速稳 定运行，这减轻了司机的劳动强度，可使驾驶员精力集中以确保行车安全 劲减少磨损，延长寿命 汽车稳定定速行驶使其额外惯力减少，所以机件磨损减少，使车辆的寿命 增加，故障减少矧。 3 ) 具有一定的经济性和环保性 在同样的行驶条件下，对于一个有经验的司机来说，在使用巡航控制系统 后可以节省1 5 左右的燃料。这是因为在使用了这一速度稳定器后，可使汽车 的燃料供给与发动机功率之间处于最佳的配合状态，减少了c o 、c h 、n o x 等 有害气体的排放，有利于环保乜钔。 2 2 巡航控制系统的原理及结构组成 2 2 1 巡航控制系统的基本控制原理 在巡航控制系统中，电子控制装置可以根据行驶阻力的变化自动调节发动 机节气门的开度，使行驶车速保持恒定，电子巡航控制系统的基本控制原理方 框图如图2 - 1 所示。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 信号+ 7 k ) k ) 桴l 糊化 士 模糊整定i ( r ，a l ( 1 ，l ( d + 计算当前岛，确，k 。 ， 敲嬲空割器输壅 图4 1 3 模糊p i d 工作流程图 f i g 4 - 1 3w o r k i n gf l o w c h a r to ff u z z yp i d 4 2 2 2 a d 转换程序节气门位髯传感器相当于一个电位器，当节气门有一定 开度时，会输出一个和开度成正比的电压量，系统把这个电压量送入 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片的模拟通道孳| 脚a d c i n 8 ，并通过d s p 的数模转换模块 完成a d 转换。 选择t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片的模拟输入通道a d c i n 8 进行a d 转换。转换 哈尔滨理一大学t 学硕士学位论文 结束后，转换后的数值结果被保存在与a d c i n 8 通道相对应的结果寄存器 r e s u l t 8 中。d s p 芯片通过查询方式检测转换是否完成，转换结束后读取转换 结果寄存器r e s u l t 8 中的值。由于r e s u l t 8 是一个十六链寄存器，l o 位的 a d 转换结果被存储在r e s u l t 8 中的高1 0 位，因此在读取r e s u l t 8 时需将 其值右移6 位才能得到实际的a d 转换数据。在d s p 内存中开辟了一个式 转换结果的存储区，转换结果存放于此区中，为后续处理提供最新的实时采样 数据。a d 转换程序流程图如图4 - 1 4 所示。 图4 1 4a d 转换程序流程图 f i g 。4 - 1 4f l o w c h a r to f a d c o n v e r s i o np r o g r a m 4 2 2 3 速度采集程序车速传感器发出的是一定占空比的方波信号，系统将处 理后的方波信号送入至d s p 的c a p 4 q e p 3 i o p e 7 引脚，用捕获单元4 ( c a p 4 ) 来对脉冲宽度进行搪获，用事件管理器b ( e v a ) 的通用定时器3 对脉冲信号进行 记数，从而计算出模拟车速电机的转速( 即车辆的行驶速度) 。车速计算予程序的 流程图如图4 - 1 5 所示。 哈尔滨理t 大学r t 学硕士学位论文 图4 1 5 率速计算子程序流程圈 f i g 4 - 1 5f l o w c h a r to ts p e e ac a l c u l a t i n gs u b p r o g r a m 将弓l 脚删q l 强鲔o p e 7 配嚣为特殊功能方式，帮捕获模式，t m o d e 设 置为1 0 即连续增记数模式。捕获单元可捕获上升沿、下降沿和上升下降沿，在 这里对输入脉冲的上升沿进行捕获，并采用中断方式读取捕获值。在读取数值 后，清粥计数器，使其重新记数。将读取到的脉冲数带入公式降2 ) 计算，就可 以得到汽车的行驶速度。 4 2 2 4 模拟车速电视控制程序e l l 于实验条件的限制，本设计采用用誊流电机 的转速来代替实际车速的方法来进行实验。模拟车速电机控制的程序流程图如 图4 - 1 6 所示。 不同的节气门开度对应着不同脉冲宽度的p w m 信号，所以当节气门开度 发生变化时，就通过改变输出p w m 信号的占空比来改变电机的转速。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 总共有1 2 路p w m 输出，在这里使用e v b 模块输出p w m 波 来调节模拟车速电机的转速。将p w m 9 i o p e 3 引脚配置为基本功能方式，即 p w m 方式。p w m 信号的周期可以通过向t 3 p r 中写入数值来修改，其高低电 平时间比例可以通过向c m p r 5 中写入数值来修改。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图4 - 1 6 电机控制程序流程图 f i g 4 - 1 6f l o w c h a r to fm o t o rc o n t r o lp r o g r a m 4 2 3 软件的抗干扰设计 硬件抗干扰措施的目的是尽可能地切断干扰进入系统的通道，但是由于干 扰存在的随机性，尤其是汽车系统的环境较为恶劣，尽管采用了硬件抗干扰措 施，但并不能将各种干扰完全拒之f l # l 。这时就应该充分发挥软件方面的灵活 性，采用各种软件抗干扰措施，并与硬件相结合，以提高系统工作的可靠性。 干扰会对软件产生许多危害，如数据采集误差加大、数据失真、控制状态 失灵、程序运行失常等。为了提高巡航控制系统的可靠性，采用了如下软件抗 干扰措施： 1 数字量输入输出中的软件抗干扰数字量输入过程的干扰，其作用时间很 短，因此在采集数字信号时，可以多次重复采集，直到若干次采样结果一致才 认为其有效。本系统采用算术平均法对节气门开度等信号进行处理，即对一点 采样多次，计算其平均值，以此作为该点的采样结果，算术平均法可减小随机 干扰对采样结果的影响。而对于开关量信号，则不能用多次采样取平均值的方 法，而必须每次采样结果绝对一致才行。采用算术平均与比较取舍相结合的方 法对速度信号进行处理，在用比较取舍法对某点数据采样的结果中，当有个别 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 数据偏差较大或数据超出合理范围时，则将之舍去，只把剩余的数据作为待计 算机处理的信息。 系统对外输出的控制信号是以数字量的形式出现的，由于外部干扰的作用 很有可能使输出装置得到一个被改变了的错误数据，从而使输出装置发生误动 作，导致系统运行失常。对于数字量输出，软件抗干扰最有效的方法之一就是 在周期尽量短的情况下重复输出同一个数据。这样输出装置在得到一个被干扰 的错误信号后，还来不及反应，一个正确的信号又来了，从而可以防止误动作 的产生。 2 程序执行过程中的软件抗干扰设计如果干扰信号已经通过某种途径作 用到了c p u 上，则c p u 就不能按正常状态执行程序，从而引起程序“跑飞 解决程序“跑飞一的一个最简单方法就是人工复位。人工复位方法虽然简单， 但需要人的参与，而且复位不及时。人工复位一般是在整个系统已经完全瘫痪、 无计可施的情况下才不得已而为之的。除此之外，还可以采用以下方法：采用 软件冗余措施，把对控制条件的一次采样处理控制输出变为循环地采样处理控 制输出；设置软件陷阱，当c p u 失控时，在非程序区设置拦截措施，使程序进 入陷阱，迫使程序回到初始状态；微机系统尽量减少中断源，保持尽量短的中 断开发时间。 4 3 实验调试 在实验室搭建汽车巡航控制系统平台，其中执行机构采用丰田汽车的巡航执 行部件，油门踏板联动机构采用哈飞公司生产的部件，由于实验条件的限制采 用直流电机模拟实际车速。 在搭建的试验平台上进行模拟试验，将模糊p i d 控制方法编入程序并调试， 结果表明该系统可以实现简单的巡航控制命令，并且系统在保持车速的稳定性 和操纵性等方面都取得了良好的效果，但是由于实验平台与实际系统运行情况 有一定的差距，所以还需要对所设计的巡航控制系统进行实地调试并进行修改。 4 4 本章小结 本章对汽车巡航控制系统中所用到的芯片和各部分电路进行了详细地介 绍，并根据提出的设计方案及选用的芯片详述了车速信号的采集与处理电路、 制动开关信号处理电路、执行器和离合器驱动电路等硬件。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 简单介绍了系统软件的开发工具c o d ec o m p o s e rs t u d i o ，给出了巡航控制系 统的主程序流程图和具体子程序的结构流程图。最后，在搭建的巡航控制系统 实验平台上进行了调试。结果表明，所设计的系统能够实现简单的巡航命令， 且效果理想i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 结论 本文基于目前国内对汽车巡航控制系统的研究现状和发展趋势，提出了基 于模糊p i d 控制方法和d s p 芯片的巡航控制系统的设计方案，具体内容和主要 结论如下： 1 在简要介绍汽车巡航控制系统的应用现状和历史背景的基础上，认真研 究了汽车巡航控制系统的原理，对巡航控制系统的可行性和必要性进行了分析， 并提出了一种基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片的巡航控制系统的设计方案。 2 以轿车为对象，分析了汽车在行驶过程中的驱动力及受到的各种阻力和 干扰力，找出了影响车速变化的干扰量，并在此基础上建立起汽车纵向动力学 模型。 3 对汽车巡航控制系统进行了认真地分析，并给出其控制方案，即模糊p i d 控制方法。根据巡航控制系统和控制参数的要求，设计出巡航控制系统的模糊 控制器。 4 在已有的数学模型基础上，利用m a l la b s i m u l i n kt 具建立起整个系统 的仿真模型，并用将传统固定参数p i d 控制方法与模糊p i d 控制方法相比较的 方式，对汽车巡航控制系统进行了仿真和分析。由仿真结果可以看出，与常规 p i d 控制方法相比，模糊p i d 控制方法能使系统相应的超调减小，反应速度加 快，并且在不同的巡航车速下均可得到良好的控制效果，适合于汽车巡航控制 系统。 5 在完成系统硬件和软件的设计基础上，动手搭建了巡航控制系统的模拟 实验平台。在实验平台上进行系统调试，调试结果表明系统能够实现简单的巡 航控制命令，并且效果比较理想。针对系统运行工况复杂、环境恶劣等特点， 还对系统进行了软件和硬件的抗干扰设计 汽车巡航控制系统的研究与开发是一个实践性很强的课题，要使系统产品 化，能够经受实际应用的严格考验，还需要进行许多深入细致的工作。本文虽 然对汽车巡航控制系统做了一些研究，但由于条件有限，一些问题并未深入讨 论。下一步的工作将围绕如何提高系统硬件设计水平、系统c a n 模块扩展、对 模糊规则表的优化和提高系统抗干扰性等方面展开。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 参考文献 【1 】葛安林车辆自动变速理论设计【m 】北京：机械工业出版社，1 9 9 3 ：5 6 【2 】h o e d e m a e k e rm ，b r o o k h u i sk 丸b e h a v i o u r a la d a p t a t i o nt od r i v i n g w i t ha na d a p t i v ec r u i s ec o n t r o l ( a c c ) 【j 】t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hp a r tf ， 1 9 9 8 ，( 1 ) ：9 5 - 1 0 6 【3 】孙孝武汽车巡航控制系统【d 】黑龙江哈尔滨：哈尔滨工业大学( 硕士论 文) ，2 0 0 3 ：1 4 【4 】舒华，董宏国，高斐，等电力驱动式汽车巡航控制系统结构研究【j 】汽车 电器，2 0 0 4 ，( 1 1 ) ：4 5 4 8 【5 】q g u i h e ，g ea n l i n ，z h a oj i e h o n g ，l e ej u - j a n g c r u i s ec o n t r o lo f a u t o m a t e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ( a m t ) a u t o m o b i l e c i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c eo nc o n t r o l ，a u t o m a t i o na n ds y s t e m s ，2 0 0 1 ：1 2 1 8 - - 1 2 2 1 囊 【6 】皇甫鉴，范明强现代汽车电子技术与装置【m 】北京：机械工业出版社， 1 9 9 9 ：1 5 3 【7 】薛玲基于p i c l 6 f 8 7 3 的汽车巡航控制系统的仿真分析与设计【d 】黑龙江 哈尔滨：哈尔滨理工大学( 硕士论文) ，2 0 0 5 ：1 - 2 【8 】 m a r s d e ng r e g , m c d o n a idm i k e ，b r a c k s t o n em a r k t o w a r d sa n u n d e r s t a n d i n g o f a d a p t i v e c r u i s ec o n t r o l 【j 】t r a n s p o r t a t i o n r e s e a r c h ，2 0 0 1 ，6 ( 9 ) ：3 3 - 5 1 【9 】h u a n gs u n a n ，r e nw e i a u t o n o m o u si n t e l l i g e n tc r u i s ec o n t r o lw i t h a c t u a t o rd e l a y s 【j 】j o u r n a lo fi n t e l l i g e n ta n dr o b o t i cs y s t e m s , 1 9 9 8 ， 2 3 ：2 7 - 4 3 【1 0 1 h u a n g q i a n g , b a in a n ，j iz h e n s i m u l a t i o ns u p p o r tf o rv e h i c l ec o n t r o l s y s t e m sd e v e l o p m e n t 【j 】 j o u r n a lo f s y s t e ms i m u l a t i o n , 2 0 0 6 , 1 8 ( 8 ) ：2 3 1 4 - 2 3 1 8 【1 1 】王地川汽车自适应巡航跟随模式研究【d 】湖南长沙：湖南大学( 硕士论 文) ，2 0 0 3 ：1 4 【1 2 】何伟汽车智能巡航技术发展综述【j 】北京汽车，2 0 0 6 ，( 3 ) ：3 6 - 3 9 【1 3 】r a j a m a n ir ，z h uc s e m i a u t o n o m o u sa d a p t i v ec r u i s ec o n t r o ls y s t e m s 【j 】i e e et r a n s a c t i o n so nv e h i c u l a rt e c h n o l o g y ，2 0 0 2 ，5 1 ( 5 ) ：1 1 8 6 - 1 1 9 2 【1 4 】崔胜民，薛瑞臻汽车巡航控制技术的研究【j 】交通科技与经济2 0 0 2 ，( 4 ) ： 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 8 - 3 2 【1 5 】b i ex i u m e i ，g ea n l