基于Atmega8的PID控制策略的車輛穩(wěn)定行駛及加速、減速控制

本文介紹汽車自動(dòng)巡航控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，選擇基于Atmega 8單片機(jī)的PID控制策略實(shí)現(xiàn)車輛的穩(wěn)定行駛及加速、減速的控制過(guò)程。本系統(tǒng)能有效地減輕長(zhǎng)途駕駛中駕駛員的工作強(qiáng)度，提高舒適性，并減少燃料消耗，利于環(huán)保。

據(jù)調(diào)查，10％的交通事故是由疲勞駕駛、操作不當(dāng)引起的，本文介紹的汽車自動(dòng)巡航控制系統(tǒng)可以有效地減輕駕駛員的疲勞，避免交通事故，并利于環(huán)保。當(dāng)在高速公路上長(zhǎng)時(shí)間行駛時(shí)，打開(kāi)該系統(tǒng)的自動(dòng)操縱開(kāi)關(guān)后，巡航控制系統(tǒng)將根據(jù)行車阻力自動(dòng)增減節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，避免駕駛員頻繁踩油門(mén)踏板就可使汽車行駛速度保持一定，大大地減輕了駕駛員的疲勞強(qiáng)度。由于巡航控制系統(tǒng)能自動(dòng)地維持車速，避免了油門(mén)踏板不必要的人為變動(dòng)，進(jìn)而減少了汽車燃料的消耗和廢氣的排放。

1 汽車巡航控制系統(tǒng)的構(gòu)成

汽車電子自動(dòng)巡航控制系統(tǒng)主要由巡航控制開(kāi)關(guān)、車速傳感器、電子控制單元(ECU)、汽車制動(dòng)開(kāi)關(guān)、執(zhí)行器等組成。電子自動(dòng)巡航控制系統(tǒng)的組成部分及各部分在汽車內(nèi)的安裝如圖1所示。

下面將具體介紹各部分結(jié)構(gòu)原理及功能。

(1)巡航控制開(kāi)關(guān)。當(dāng)接通主開(kāi)關(guān)后，若車速在巡航控制的范圍內(nèi)(一般為40～200km／h)時(shí)，斷開(kāi)“設(shè)定／滑行”開(kāi)關(guān)，此時(shí)車速會(huì)存儲(chǔ)于RAM中，汽車維持此速度穩(wěn)定行駛。當(dāng)駕駛員希望巡航的車速提高時(shí)，接通“恢復(fù)／加速”開(kāi)關(guān)，巡航控制ECU就會(huì)通過(guò)執(zhí)行器使節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度增大，使汽車加速行駛，此時(shí)，存儲(chǔ)汽車實(shí)際車速參數(shù)的RAM存儲(chǔ)器處于動(dòng)態(tài)刷新?tīng)顟B(tài)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間時(shí)的車速存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器，之后汽車將以此速度勻速行駛；當(dāng)駕駛員希望穩(wěn)定的車速降低時(shí)，接通“設(shè)定／滑行”開(kāi)關(guān)，巡航控制ECU就會(huì)通過(guò)執(zhí)行器使節(jié)氣門(mén)開(kāi)度關(guān)小，汽車減速滑行，此時(shí)存儲(chǔ)汽車實(shí)際車速參數(shù)的RAM存儲(chǔ)器處于動(dòng)態(tài)刷新?tīng)顟B(tài)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間時(shí)的車速存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器，之后汽車將以此速度勻速行駛。

(2)巡航控制ECU。用于接收各個(gè)傳感器送來(lái)的信號(hào)，再經(jīng)計(jì)算、加工處理后，向執(zhí)行器發(fā)出指令，控制執(zhí)行器的動(dòng)作。

(3)空檔啟動(dòng)開(kāi)關(guān)。用于控制是否使汽車立即退出巡航控制狀態(tài)。

(4)制動(dòng)開(kāi)關(guān)。安裝于制動(dòng)踏板處，用于向巡航控制ECU傳送制動(dòng)信號(hào)(即駕駛員踩下制動(dòng)踏板的信號(hào))以使汽車迅速退出巡航控制狀態(tài)。

(5)車速傳感器。車速傳感器采集實(shí)際實(shí)時(shí)車速信號(hào)，作為電子控制單元的輸入量。

2 巡航控制系統(tǒng)的工作原理
圖2是一種典型的雙閉環(huán)汽車電子巡航控制系統(tǒng)原理框圖。由圖2可知，控制器的輸入是設(shè)定的固定車速信號(hào)與實(shí)際車速的反饋信號(hào)之差。ECU將這兩種信號(hào)進(jìn)行比較，得出誤差信號(hào)，經(jīng)放大、處理后成為節(jié)氣門(mén)控制信號(hào)，送至節(jié)氣門(mén)執(zhí)行器，驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門(mén)執(zhí)行器工作，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，以修正實(shí)際車速，從而將實(shí)際車速很快調(diào)整到駕駛員設(shè)定通常將汽車在平坦路面上行駛時(shí)車速與節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的關(guān)系存儲(chǔ)在巡航控制系統(tǒng)ECU的ROM中。巡航控制系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)車速自動(dòng)維持汽車恒速行駛。

汽車在巡航定速狀態(tài)下，當(dāng)汽車速度下降時(shí)，ECU加大節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，使發(fā)動(dòng)機(jī)功率升高，轉(zhuǎn)矩增大，車速達(dá)到設(shè)定速度。反之，減小節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度。系統(tǒng)進(jìn)行巡航控制時(shí)，若在平坦路面上車速為v，按下設(shè)定開(kāi)關(guān)進(jìn)入巡航控制的自動(dòng)行駛狀態(tài)，一旦遇到爬坡時(shí)，則行駛阻力增加，如不進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，車速就會(huì)降低，此時(shí)巡航控制器會(huì)按照一定的控制規(guī)則使節(jié)氣門(mén)開(kāi)度變大，使車速穩(wěn)定在v，重新取得動(dòng)力平衡。當(dāng)遇到下坡時(shí)，行駛阻力減小，巡航控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度變小，使車速保持在v取得平衡。因此，即使行駛阻力發(fā)生變化，車速也只在很小范圍內(nèi)變化，達(dá)到穩(wěn)定行駛的目的。當(dāng)車速超出特定上下限時(shí)，巡航系統(tǒng)不工作。這個(gè)上下限的范圍并不固定依車型的不同而略有差別。

當(dāng)系統(tǒng)的傳感器出現(xiàn)故障，或控制信號(hào)電路被切斷時(shí)，傳感器輸出為零，此時(shí)車速超出特定上下限，巡航控制系統(tǒng)停止工作。

3 汽車巡航系統(tǒng)控制算法的選擇

PID控制作為最早發(fā)展起來(lái)的控制策略經(jīng)由長(zhǎng)時(shí)間的不斷發(fā)展和改進(jìn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高、參數(shù)易于整定等優(yōu)點(diǎn)。因此在工業(yè)控制中PID算法具有最廣泛的應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)選擇PID控制策略實(shí)現(xiàn)巡航系統(tǒng)的定速功能。

下面介紹PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用。

(1)比例環(huán)節(jié)。根據(jù)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，并按一定的比例產(chǎn)生控制作用，以減少誤差。

(2)積分環(huán)節(jié)。主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)問(wèn)常數(shù)，積分時(shí)間常數(shù)越大，積分作用越弱，反之，則越強(qiáng)。

(3)微分環(huán)節(jié)。能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。

在數(shù)字計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，使用數(shù)字PID控制器，數(shù)字PID控制算法又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。兩種控制算法相比較而言，當(dāng)計(jì)算機(jī)只輸出增量時(shí)，增量式PID控制算法計(jì)算機(jī)誤動(dòng)作造成輸出變化小，控制狀態(tài)的切換沖擊也小，算式中不作累加運(yùn)算，增量只與最近的幾次采樣有關(guān)，控制效果明顯優(yōu)于位置式PID控制算法。因此選擇增量式數(shù)字PID控制算法。

4 硬件設(shè)計(jì)概述

本文所介紹的汽車自動(dòng)巡航系統(tǒng)輸入量：實(shí)際車速、節(jié)氣門(mén)開(kāi)度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、制動(dòng)開(kāi)關(guān)(當(dāng)制動(dòng)開(kāi)關(guān)有效時(shí)系統(tǒng)設(shè)定值是設(shè)定車速)。選用Atmega 8單片機(jī)作為控制核心，執(zhí)行器采用直流電動(dòng)機(jī)。控制過(guò)程如下：設(shè)定速度和實(shí)際車速輸入、比較產(chǎn)生偏差，通過(guò)PID算法整定，結(jié)合其他輸入量處理后的信號(hào)，由Atmega 8單片機(jī)PWM通道驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速而改變氣節(jié)門(mén)開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)車速的控制。

出于安全考慮，在硬件設(shè)計(jì)上將制動(dòng)開(kāi)關(guān)與節(jié)氣門(mén)執(zhí)行器直接相連，這樣當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)，在停止單片機(jī)恒速控制程序的同時(shí)，將巡航控制系統(tǒng)與節(jié)氣門(mén)拉索斷開(kāi)。

系統(tǒng)硬件電路主要由微處理器、電源電路、離合器和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、A／D轉(zhuǎn)換電路和輸入信號(hào)處理電路等部分組成。Atm ega 8微處理器是系統(tǒng)的核心。汽車巡航控制系統(tǒng)中多處用到傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，所需傳感器主要包括車速傳感器、節(jié)氣門(mén)位置傳感器、制動(dòng)踏板傳感器、離合器踏板傳感器等。

車速傳感器采集的速度信號(hào)是車輛巡航控制系統(tǒng)最重要的輸入信息之一。車速傳感器將采集的車速模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸送給巡航控制ECU，作為反饋信號(hào)與設(shè)定值比較處理后產(chǎn)生輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器達(dá)到控制要求。對(duì)車速傳感器的要求是實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、可靠性。

節(jié)氣門(mén)位置傳感器的功能是采集節(jié)氣門(mén)位置信號(hào)。在該系統(tǒng)中節(jié)氣門(mén)位置測(cè)量選用電位器式角位移傳感器，在傳感器和微處理器之間有A／D轉(zhuǎn)換電路，將傳感器輸出的電壓信號(hào)先轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再由微處理器進(jìn)行處理。

制動(dòng)踏板傳感器安裝在制動(dòng)踏板下，用于獲取制動(dòng)踏板動(dòng)作信號(hào)，以決定是否退出巡航系統(tǒng)。

離合器踏板傳感器安裝在離合器踏板下，用于獲取離合器踏板動(dòng)作信號(hào)。

5 系統(tǒng)軟件流程

巡航控制過(guò)程如圖4所示。在汽車電子巡航控制系統(tǒng)中，實(shí)際車速信號(hào)反饋至電子控制器，并與設(shè)定車速進(jìn)行比較，因而系統(tǒng)工作在閉環(huán)控制方式，采用的控射方法是增量式PID控制策略。通過(guò)對(duì)單片機(jī)編程調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度，使車速在允許的誤差范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。

為清晰闡述汽車自動(dòng)巡航系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，下面從模塊化角度說(shuō)明單片機(jī)軟件編程部分的組成，單片機(jī)編程涉及的模塊主要有初始化模塊、鍵盤(pán)掃描模塊、啟動(dòng)判斷模塊、通訊模塊、中斷模塊、定時(shí)模塊、看門(mén)狗模塊等。

系統(tǒng)檢測(cè)是否有按鍵按下，當(dāng)巡航開(kāi)關(guān)接通時(shí)，啟動(dòng)判斷程序判斷車速采集程序獲得的車速信號(hào)是否在可巡航的范圍內(nèi)，此時(shí)設(shè)定鍵有效時(shí)，實(shí)際車速需維持在此時(shí)速度。定時(shí)程序塊實(shí)現(xiàn)定時(shí)，達(dá)到定時(shí)點(diǎn)時(shí)間時(shí)發(fā)生中斷，采集實(shí)際車速與設(shè)定值比較，若差值在誤差允許范圍內(nèi)不動(dòng)作，若不在，則進(jìn)入電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的程序段實(shí)現(xiàn)車速整定。當(dāng)檢測(cè)到加速或減速按鍵按下時(shí)，首先修改車速設(shè)定值，然后進(jìn)入電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的程序段實(shí)現(xiàn)加速或減速；當(dāng)檢測(cè)到制動(dòng)開(kāi)關(guān)接通時(shí)退出巡航控制系統(tǒng)。

6 結(jié)論

本文將PID控制算法與Atmega 8單片機(jī)相結(jié)合，應(yīng)用于汽車自動(dòng)巡航控制系統(tǒng)的研究，有效地實(shí)現(xiàn)車輛在誤差允許范圍內(nèi)的穩(wěn)定行駛，可以減輕長(zhǎng)時(shí)間駕駛旅途中駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)而減少交通事故的發(fā)生。也使