第1章智能汽車設(shè)計導(dǎo)論1.1智能汽車

11.2國外智能汽車設(shè)計競賽

21.3中國大學(xué)生智能汽車設(shè)計競賽

3第1章智能汽車設(shè)計導(dǎo)論1.1智能汽車1.1.1智能汽車設(shè)計的意義及研究內(nèi)容1.1.2智能汽車設(shè)計的技術(shù)關(guān)鍵1.1.1智能汽車設(shè)計的意義及研究內(nèi)容智能汽車的體系結(jié)構(gòu)智能汽車的信息采集、處理及傳輸智能汽車的自動控制系統(tǒng)智能汽車的通信系統(tǒng)智能汽車的導(dǎo)駛定位技術(shù)智能汽車的電源系統(tǒng)智能汽車的研究意義21世紀(jì)的汽車概念將發(fā)生根本性的變化?，F(xiàn)在的“汽車”是帶有一些電子控制的機(jī)械裝置，將來的“汽車”將轉(zhuǎn)變?yōu)閹в幸恍┹o助機(jī)械的機(jī)電一體化裝置，汽車的主要部分不再僅僅是個機(jī)械裝置，它正向消費類電子產(chǎn)品轉(zhuǎn)移。同時，智能汽車在傳統(tǒng)汽車上配備了遠(yuǎn)程信息處理器、傳感器和接收器，通過無線網(wǎng)絡(luò)獲取前方交通狀況信息，引導(dǎo)汽車加速或減速。這樣，汽車就能更為平穩(wěn)地行駛，避免不斷剎車、啟動的動作，以降低油耗。隨著汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展，中國的汽車工業(yè)將面臨著巨大的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)，開展智能汽車技術(shù)的研究與開發(fā)工作具有重要意義。智能汽車的體系結(jié)構(gòu)智能汽車的體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計必須包含實現(xiàn)用戶功能的全部子系統(tǒng)的設(shè)計。智能汽車的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該闡述這種車輛的結(jié)構(gòu)體系，列出用戶服務(wù)功能，定義實現(xiàn)用戶服務(wù)功能的各個子系統(tǒng)。研究各個子系統(tǒng)之間的通信方式和組織方式。智能汽車的信息采集、處理及傳輸信息就是智能汽車的靈魂，智能汽車將用實時的、全面的、有效的信息流來驅(qū)動汽車系統(tǒng)的運動。因此，研究智能汽車系統(tǒng)的信息環(huán)境模型、信息處理方法與技術(shù)、高效的信息傳輸技術(shù)就顯得尤其重要。智能汽車的自動控制系統(tǒng)越來越多的交通問題專家認(rèn)為，交通系統(tǒng)的諸多問題的根源就出在駕駛員身上。駕駛員的技術(shù)水準(zhǔn)、法制觀念、身體狀況和對交通環(huán)境的適應(yīng)能力等因素都直接影響行車的效果，進(jìn)而影響交通系統(tǒng)的運行狀況。解決問題的出路在于汽車駕駛的自動化，即用自動控制器取代駕駛員。由于交通環(huán)境信息的復(fù)雜化和多變性、交通任務(wù)的多樣性等原因，汽車控制策略必須基于智能控制理論來設(shè)計。智能汽車的通信系統(tǒng)在智能汽車與智能汽車之間、智能汽車與交通監(jiān)控中心之間、智能汽車與道路附屬設(shè)施之間，都存在著大量信息的實時交換。通信子系統(tǒng)是智能汽車系統(tǒng)獲取和傳遞信息的神經(jīng)中樞，必須研究適合于智能汽車信息交換的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式、軟件技術(shù)、傳輸介質(zhì)、編碼糾錯技術(shù)等。智能汽車的導(dǎo)駛定位技術(shù)智能汽車導(dǎo)駛定位系統(tǒng)的任務(wù)是對行駛中的智能汽車進(jìn)行實時導(dǎo)航定位，如在車輛內(nèi)顯示目的地的地圖，確定車輛的位置，選擇合適的行車路徑等。同時，車輛同交通監(jiān)控中心可以通信，使用一個數(shù)據(jù)庫記錄車輛及途經(jīng)道路的歷史狀況信息，該子系統(tǒng)研究涉及GPS定位技術(shù)、電子地圖技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、顯示技術(shù)以及接口技術(shù)和應(yīng)用軟件技術(shù)等。智能汽車的電源系統(tǒng)汽車的傳統(tǒng)能源以石油為主，隨著世界環(huán)境問題的突出顯現(xiàn)，由燃油引發(fā)的交通事業(yè)可持續(xù)發(fā)展問題顯得十分急迫。當(dāng)前，最有可能被成功應(yīng)用于汽車的替代動力能源就是電能，電能具有效率高、清潔、易于變換、易于輸送等特點，應(yīng)用于智能汽車系統(tǒng)，前景廣闊，是必然的選擇。但是，電能的大容量儲存比較困難，因而將電能應(yīng)用于移動的智能汽車系統(tǒng)，還有很多理論和技術(shù)工作有待深入研究。1.1.2智能汽車設(shè)計的技術(shù)關(guān)鍵智能汽車體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計智能汽車的信息采集與處理技術(shù)智能汽車控制策略的設(shè)計智能汽車導(dǎo)駛定位技術(shù)智能汽車電源研究智能汽車體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計智能汽車體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵在于：如何根據(jù)智能汽車的性能，劃分智能汽車各個功能子系統(tǒng)的問題，這些子系統(tǒng)之間既相對獨立，又存在信息流動，共同實現(xiàn)全系統(tǒng)的功能。智能汽車的信息采集與處理技術(shù)汽車在行駛過程中，必須得到的信息包括車輛自身狀況的信息、道路信息、近鄰行駛汽車的信息及導(dǎo)航定位信息等。這些信息一般被外界噪聲所干擾，如何精確、實時、有效地采集到這些信息，并進(jìn)行處理，需要特別研究。智能汽車控制策略的設(shè)計目前，在智能控制領(lǐng)域內(nèi)，已經(jīng)提出了模糊控制理論、神經(jīng)控制理論、專家控制理論、分層遞階控制理論等智能控制方案。所有這些智能控制策略，其核心思想就是模仿人的思維和行動，去完成或部分完成只有人類專家才能完成的控制任務(wù)。設(shè)計一個“類人”的汽車控制器，是智能汽車控制策略研究中的終極方案。但由于汽車駕駛?cè)蝿?wù)的復(fù)雜性，研究設(shè)計這種汽車智能控制器的任務(wù)是十分艱巨的。智能汽車導(dǎo)駛定位技術(shù)智能汽車作為一種自動或半自動交通工具系統(tǒng)，如何選擇交通路線、如何識別道路、如何精確實時地確定自己的地理位置、如何記錄自己的行車路線等問題，是當(dāng)前研究的技術(shù)熱點，而數(shù)字導(dǎo)駛技術(shù)就是解決這些問題的綜合方案。從硬件上講，車載計算機(jī)、控制器、顯示器、數(shù)字地圖、定位系統(tǒng)是必不可少的。車輛數(shù)字導(dǎo)駛技術(shù)研究已經(jīng)取得了一些結(jié)果，但是要完全徹底地解決問題，還需要做很多研究。智能汽車電源研究目前，車載動力電源的弊端是容量偏小、功率較低、持續(xù)穩(wěn)定工作時間短，國內(nèi)外不少學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究，智能汽車作為新一代汽車的代表，為應(yīng)對日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，必須采用電能作為動力。但至目前為止，智能汽車動力電源仍是一個有待突破的技術(shù)關(guān)鍵。1.2國外智能汽車設(shè)計競賽1.2.1美國智能汽車大賽1.2.2韓國大學(xué)生智能汽車競賽1.2.1美國智能汽車大賽美國國防部與民間的大學(xué)、企業(yè)和發(fā)明家聯(lián)合開展了全球領(lǐng)先的智能汽車競賽。2007年11月，美國第三屆智能汽車大賽日前在加利福尼亞州維克托維爾舉行，這是美國國防部第三次主辦這樣的大賽。參賽的無人駕駛汽車的車頂上有旋轉(zhuǎn)的激光器，兩邊有轉(zhuǎn)動的照相機(jī)，內(nèi)部安有電腦裝置。這些無人駕駛汽車完全由電腦控制，利用衛(wèi)星導(dǎo)航、攝像、雷達(dá)和激光，人工智能系統(tǒng)可判斷出汽車的位置和去向，隨后將指令傳輸?shù)截?fù)責(zé)駕駛車輛的系統(tǒng)，絲毫不受人的干涉，用傳感器策劃和選擇它們的路線。參賽的無人駕駛智能汽車沿著附近公路飛奔。1.2.1美國智能汽車大賽這次智能汽車比賽的目標(biāo)是對未來科學(xué)家的激勵。大學(xué)、企業(yè)和發(fā)明家們期望制造出通過洛杉磯和拉斯維加斯間荒地、行程100mile（160km）的自我控制汽車。圖1.1美國的智能汽車

圖1.1美國的智能汽車

圖1.1美國的智能汽車1.2.2韓國大學(xué)生智能汽車競賽韓國大學(xué)生智能汽車競賽是韓國漢陽大學(xué)汽車控制實驗室在飛思卡爾半導(dǎo)體公司資助下舉辦的，以HCS12單片機(jī)為核心的大學(xué)生智能模型汽車競賽。組委會提供一個標(biāo)準(zhǔn)的汽車模型、直流電機(jī)和可充電式電池，參賽隊伍要制作一個能夠自主識別路線的智能車，在專門設(shè)計的跑道上自動識別道路行駛，誰最快跑完全程而沒有沖出跑道并且技術(shù)報告評分較高，誰就是獲勝者。1.2.2韓國大學(xué)生智能汽車競賽2000年智能車比賽首先由韓國漢陽大學(xué)承辦，每年全韓國大約有100余支大學(xué)生隊伍參賽，該項賽事得到了眾多高校和大學(xué)生的歡迎，也逐漸得到了企業(yè)界的關(guān)注。圖1.2韓國SUNMOON大學(xué)參賽的模型車1.3中國大學(xué)生智能汽車設(shè)計競賽1.3.1中國大學(xué)生智能汽車設(shè)計競賽簡介1.3.2中國大學(xué)生智能汽車設(shè)計競賽歷程1.3.3中國大學(xué)生智能汽車設(shè)計競賽的基本規(guī)則1.3.1中國大學(xué)生智能汽車設(shè)計競賽簡介我國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽，是在統(tǒng)一汽車模型平臺上，使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、16位微控制器作為核心控制模塊，自主構(gòu)思控制方案進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，包括傳感器信號采集處理、動力電機(jī)驅(qū)動、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制以及控制算法軟件開發(fā)等，完成智能車工程制作及調(diào)試，于指定日期與地點參加各分賽區(qū)的場地比賽，在獲得決賽資格后，參加全國決賽區(qū)的場地比賽。參賽隊伍之名次（成績）由賽車現(xiàn)場成功完成賽道比賽時間為主、技術(shù)報告和制作工程質(zhì)量評分為輔來決定。1.3.1中國大學(xué)生智能汽車設(shè)計競賽簡介每屆比賽的難度依次增加——自2007年開始，比賽中增加了15°的上下坡道；自2008年開始，大賽分為光電與攝像頭兩個賽題組，在車模中使用透鏡成像進(jìn)行道路檢測方法屬于攝像頭賽題組，除此之外則屬于光電管賽題組，并增加了終點自動停駛功能。圖1.4比賽賽道圖1.3參賽模型車1.3.2中國大學(xué)生智能汽車設(shè)計競賽歷程第一屆（2006年）：清華大學(xué)第二屆（2007年）：上海交通大學(xué)第三屆（2008年）：東北大學(xué)1.3.3中國大學(xué)生智能汽車設(shè)計競賽的基本規(guī)則1．有關(guān)模型車改裝的規(guī)定2．有關(guān)賽場的規(guī)定有關(guān)模型車改裝的規(guī)定必須采用統(tǒng)一提供的車模必須采用限定的飛思卡爾16位微控制器MC9S12DG128作為唯一控制處理器車模改裝完畢后，尺寸不能超過：250mm寬和400mm長，高度無限制。有關(guān)賽場的規(guī)定賽道基本參數(shù)：①賽道路面用紙制作，跑道所占面積不大于5000mm×7000mm，跑道寬度不小于600mm；②跑道表面為白色，中心有連續(xù)黑線作為引導(dǎo)線，黑線寬25mm；③跑道最小曲率半徑不小于500mm；④跑道可以交叉，交叉角為90°；⑤賽道為二維水平平面；⑥賽道有一個長為1000mm的出發(fā)區(qū)，計時起始點兩邊分別有一個長度100mm黑色計時起始線，賽車前端通過起始線作為比賽計時開始或者比賽結(jié)束時刻。有關(guān)賽場的規(guī)定初賽賽道實際布局將在初賽當(dāng)日揭示，在賽場內(nèi)將安排與實際賽道具有相同材料的局部賽道供參賽隊進(jìn)行調(diào)試。決賽賽道實際布局將根據(jù)初賽情況由技術(shù)評判組和現(xiàn)場裁判組共同商定，并在決賽開賽前1小時揭示，不再安排賽前試車。圖1.5比賽賽道標(biāo)準(zhǔn)示例（第一屆）第2章智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)--硬件第2章智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—硬件從外觀上看，智能車系統(tǒng)主要表現(xiàn)為由一系列的硬件組成，包括組成車體的底盤、輪胎、舵機(jī)裝置、馬達(dá)裝置、道路檢測裝置、測速裝置和控制電路板等。本章主要介紹智能車設(shè)計中使用到的傳感器（包括光電式傳感器、圖像傳感器和測速傳感器等）和控制電路板中的功能電路設(shè)計。2.1傳感器系統(tǒng)12.2電路設(shè)計2思考題3第2章智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—硬件2.1傳感器系統(tǒng)在工程上，系統(tǒng)中各種物理量都必須轉(zhuǎn)換成一定規(guī)格的信號（電信號或氣壓信號）才能被檢測、采集和顯示。所謂傳感器，即是將被測量按照一定的物理或化學(xué)原理轉(zhuǎn)換成某種規(guī)定的輸出信號的裝置或器件。2.1傳感器系統(tǒng)通常，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件能夠隨著被測量的變化而引起某種易被測量的信號的變化，而轉(zhuǎn)換元件則將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分，具體的電量形式取決于敏感元件的原理。除此之外，由于轉(zhuǎn)換元件的輸出信號一般都很微弱，為方便傳輸、轉(zhuǎn)換、處理及顯示，通常有信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路、輔助電路等，將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號進(jìn)行放大或運算調(diào)制。因此，傳感器的組成通常包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路和輔助電路，如圖2.1所示。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)的發(fā)展，傳感器的信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路與敏感元件、轉(zhuǎn)換元件等一起集成在同一芯片上，安裝在傳感器的殼體里。2.1傳感器系統(tǒng)圖2.1傳感器組成方框圖圖2.1傳感器組成方框圖2.1傳感器系統(tǒng)智能汽車設(shè)計中涉及到的傳感器主要有三種：光電式傳感器、圖像傳感器和測速傳感器。12.1.1光電式傳感器22.1.2圖像傳感器32.1.3測速傳感器2.1.1光電式傳感器

光電式傳感器是利用光電器件把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。光電式傳感器工作時，先將被測量轉(zhuǎn)換為光量的變化，然后通過光電器件再把光量的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量變化，從而實現(xiàn)非電量的測量。光電式傳感器的核心（敏感元件）是光電器件，光電器件的基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。2.1.1光電式傳感器光電式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快，可靠性較高，能實現(xiàn)參數(shù)的非接觸測量，因此廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)自動化儀表中。光電式傳感器可用來測量光學(xué)量或測量已先行轉(zhuǎn)換為光學(xué)量的其他被測量，然后輸出一定形式的電信號。在測量光學(xué)量時，光電器件是作為敏感元件使用；而測量其他物理量時，它是作為轉(zhuǎn)換元件使用。光電式傳感器由光路及電路兩大部分組成，光路部分實現(xiàn)被測量信號對光量的控制和調(diào)制，電路部分完成從光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。圖2.2(a)所示為測量光量時的組成框圖，圖2.2(b)所示為測量其他物理量時的組成框圖。2.1.1光電式傳感器圖2.2光電式傳感器的基本組成2.1.1光電式傳感器1．光電管的結(jié)構(gòu)與工作原理

光電管有真空光電管和充氣光電管兩類，兩者在結(jié)構(gòu)上比較相似，均由一個陰極和一個陽極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。當(dāng)光照在陰極上時，中央陽極可收集從陰極上逸出的電子，在外電場作用下形成電流。充氣光電管的靈敏度好，但其穩(wěn)定性較差、惰性大，容易受溫度影響。在智能車的光電式傳感器模塊設(shè)計中，由于要求溫度影響小和靈敏度穩(wěn)定，所以一般都采用真空式光電管。2.1.1光電式傳感器2．主要性能光電器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)時間、峰值探測率和溫度特性來描述。其中，伏安特性、光照特性和光譜特性是選擇光電器件的主要指標(biāo)。

（1）光電管的伏安特性在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。它是應(yīng)用光電式傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。2.1.1光電式傳感器

（2）光電管的光照特性當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之比）稱為光電管的靈敏度。

（3）光電管的光譜特性一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率因此它們可用于不同的光譜范圍。除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率，并且強(qiáng)度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量也不會相同，即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。2.1.2圖像傳感器圖像傳感器在智能車設(shè)計中非常常見。智能車路徑識別模塊中的攝像頭的重要組成部分就是圖像傳感器。圖像傳感器又稱為成像器件或攝像器件，可實現(xiàn)可見光、紫外線、X射線、近紅外光等的探測，是現(xiàn)代視覺信息獲取的一種基礎(chǔ)器件。因其能實現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴(kuò)展（光譜拓寬、靈敏度范圍擴(kuò)大），能給出直觀、真實、多層次、多內(nèi)容的可視圖像信息，圖像傳感器在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。2.1.2圖像傳感器

1．CCD圖像傳感器的分類CCD圖像傳感器從結(jié)構(gòu)上可以分為兩類：一類是用于獲取線圖像的，稱為線陣CCD；另一類是用于獲取面圖像的，稱為面陣CCD。（1）線陣CCD圖像傳感器對于線陣CCD，它可以直接接收一維光信息，而不能直接將二維圖像轉(zhuǎn)換為一維的電信號輸出，為了得到整個二維圖像的輸出，就必須用行掃描的方法來實現(xiàn)。2.1.2圖像傳感器（2）面陣CCD圖像傳感器面陣CCD圖像傳感器的感光單元呈二維矩陣排列，能檢測二維平面圖像。由于傳輸與讀出方式不同，面陣圖像傳感器有許多類型，常見的傳輸方式有行傳輸、幀傳輸和行間傳輸三種。2．CCD圖像傳感器的特性參數(shù)

CCD圖像器件的性能參數(shù)包括靈敏度、分辨率、信噪比、光譜響應(yīng)、動態(tài)范圍和暗電流等，CCD器件性能的優(yōu)劣可由上述參數(shù)來衡量。2.1.2圖像傳感器

（1）光電轉(zhuǎn)換特性

CCD圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換特性如圖2.3所示。圖中x軸表示曝光量，y軸表示輸出信號幅值，QSAT表示飽和輸出電荷，QDARK表示暗電荷輸出，ES表示飽和曝光量。

圖2.3CCD光電轉(zhuǎn)換特性2.1.2圖像傳感器由圖2.3可以看出，輸出電荷與曝光量之間有一個線性工作區(qū)域，在曝光量不飽和時，輸出電荷正比于曝光量，當(dāng)曝光量達(dá)到飽和曝光量后，輸出電荷達(dá)到飽和值，并不隨曝光量的增加而增加。曝光量等于光強(qiáng)乘以積分時間，即

(2.1)

式中，為光強(qiáng)；為積分時間，即起始脈沖的周期。暗電荷輸出為無光照射時CCD的輸出電荷。一只良好的CCD傳感器，應(yīng)具有低的暗電荷輸出。2.1.2圖像傳感器

（2）靈敏度和靈敏度不均勻性CCD圖像傳感器的靈敏度或稱為量子效率，標(biāo)志著器件光敏區(qū)的光電轉(zhuǎn)換效率，用在一定光譜范圍內(nèi)單位曝光量下器件輸出的電流或電壓表示。實際上，圖2.3中CCD光電轉(zhuǎn)換特性曲線的斜率就是器件的靈敏度，即

(2.2)理想情況下，CCD器件受均勻光照時，輸出信號幅度完全一樣。實際上，由于半導(dǎo)體材料不均勻和工藝條件因素影響，在均勻光照下，CCD器件的輸出幅度出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。2.1.2圖像傳感器

（3）分辨率分辨率是用來表示分辨圖像中明細(xì)細(xì)節(jié)的能力的。它通常有兩種不同的表示方式：

①極限分辨率。一黑一白兩個線條稱為一個“線對”，透過對應(yīng)光的亮度為一明一暗。而極限分辨率是指人眼能夠分辨的最細(xì)線條數(shù)，通常用每毫米線對數(shù)（1P/mm）來表示。

②調(diào)制傳遞函數(shù)。每毫米長度上所包含的線對數(shù)稱為空間頻率，其單位是1P/mm。設(shè)調(diào)幅波信號的最大值為最小值為，平均值為，振幅為，如圖2.4所示，定義調(diào)制度M為2.1.2圖像傳感器(2.4)

圖2.4調(diào)制度的定義2.1.2圖像傳感器

調(diào)幅波信號通過器件傳遞輸出后，通常調(diào)制度受到的損失減小。一般來說，調(diào)制度隨空間頻率增加而減小。為了客觀地表示CCD傳感器的分辨率，一般采用調(diào)制傳遞函數(shù)（ModulationTransferFunction,MTF）來表示。MTF的定義為：在各個空間頻率下，CCD器件的輸出信號的調(diào)制度與輸入信號的調(diào)制度的比值，即(2.5)式中，為空間頻率。2.1.2圖像傳感器

MTF能夠客觀地反映CCD器件對于不同頻率的目標(biāo)成像的清晰程度。隨著空間頻率的增加，MTF值減小。當(dāng)MTF減小到某一值時，圖像就不能夠清晰分辨，該值對應(yīng)的空間頻率為圖像傳感器能分辨的最高空間頻率。

（4）CCD的噪聲

CCD的噪聲源可歸納為三類：散粒噪聲、暗電流噪聲和轉(zhuǎn)移噪聲。

①散粒噪聲光注入光敏區(qū)產(chǎn)生信號電荷的過程可以看成是獨立、均勻連續(xù)發(fā)生的隨機(jī)過程。單位時間內(nèi)光產(chǎn)生的信號電荷數(shù)并非絕對不變，而是在一個平均值上作微小波動，這一微小波動的起伏便形成散粒噪聲，又稱為白噪聲。2.1.2圖像傳感器

②暗電流噪聲暗電流噪聲可以分為兩部分：其一是耗盡層熱激發(fā)產(chǎn)生的，可用泊松分布描述；其二是復(fù)合產(chǎn)生中心非均勻分布，特別是在某些單元位置上形成暗電流尖峰。由于器件工作時各個信號電荷包的積分地點不同，讀出路徑也不同，這些尖峰對各個電荷包貢獻(xiàn)的電荷量不等，于是形成很大的背景起伏，這就是常稱的固定圖像噪聲的起因。

③轉(zhuǎn)移噪聲轉(zhuǎn)移噪聲產(chǎn)生的主要原因有：轉(zhuǎn)移損失引起的噪聲、界面態(tài)俘獲引起的噪聲和體態(tài)俘獲引起的噪聲。輸出結(jié)構(gòu)采用浮置柵放大器，噪聲最小。2.1.2圖像傳感器3．?dāng)z像頭的工作原理

攝像頭以隔行掃描的方式采樣圖像，當(dāng)掃描到某點時，就通過圖像傳感芯片將該點處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度對應(yīng)的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號端輸出。具體而言（參見圖2.5），攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的一行，就輸出一段連續(xù)的視頻信號，該電壓信號的高低起伏正反映了該行圖像的灰度變化情況。當(dāng)掃描完一行，視頻信號端就輸出一個低于最低視頻信號電壓的電平（如0.3V），并保持一段時間。這樣相當(dāng)于緊接著每行圖像對應(yīng)的電壓信號之后會有一個電壓“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步脈沖，它是掃描換行的標(biāo)志。

2.1.2圖像傳感器然后掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場的信號，接著會出現(xiàn)一段場消隱信號。其中有若干個復(fù)合消隱脈沖（簡稱消隱脈沖），在這些消隱脈沖中，有一個消隱脈沖遠(yuǎn)寬于其他的消隱脈沖（即該消隱脈沖的持續(xù)時間遠(yuǎn)長于其他的消隱脈沖的持續(xù)時間），該消隱脈沖又稱為場同步脈沖，標(biāo)志著新的一場的到來。攝像頭每秒掃描25幀圖像，每幀又分奇、偶兩場，故每秒掃描50場圖像。2.1.2圖像傳感器圖2.5攝像頭視頻信號

2.1.2圖像傳感器通常，攝像頭產(chǎn)品說明上會給出有效像素和分辨率，但通常不會具體介紹視頻信號行的持續(xù)時間、行消隱脈沖的持續(xù)時間等參數(shù)，而這些參數(shù)又關(guān)系到圖像采樣的時序控制。因此需要設(shè)計軟、硬件方法對這些參數(shù)進(jìn)行實際測量。表2.1給出了常見的1/3OmniVisionCMOS攝像頭的時序參數(shù)，以供參考。

2.1.2圖像傳感器表2.1常見的1/3OmniVisionCMOS攝像頭的時序參數(shù)

2.1.3測速傳感器

在智能汽車設(shè)計中，測速傳感器的設(shè)計主要有兩種方案：霍爾傳感器和光電式脈沖編碼器。

1．霍爾傳感器

霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理，將電流、磁場、位移、壓力、壓差轉(zhuǎn)速等被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。雖然轉(zhuǎn)換率低、溫度影響大、要求轉(zhuǎn)換精度較高時必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，但霍爾傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、堅固、頻率響應(yīng)寬（從直流到微波）、動態(tài)范圍（輸出電動勢的變化）大、無觸點、壽命長、可靠性高，以及易于微型化和集成電路化等優(yōu)點。

2.1.3測速傳感器（1）霍爾效應(yīng)原理金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。如圖2.6所示，假設(shè)薄片為型半導(dǎo)體，磁場方向垂直于薄片，磁感應(yīng)強(qiáng)度為。在薄片左右兩端通以電流（稱為控制電流），那么半導(dǎo)體中的截流子（電子）將沿著與電流的相反方向運動。由于外磁場的作用，使電子受到磁場力（洛侖茲力）作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)果在半導(dǎo)體的后端面上電子有所積累而帶負(fù)電，前端面則因缺少電子而帶正電，在前后兩個端面之間形成電場。

2.1.3測速傳感器圖2.6霍爾效應(yīng)原理圖

2.1.3測速傳感器這時，在半導(dǎo)體前后兩個端面之間（即垂直于電流和磁場的方向）建立的電場稱為霍爾電場，相應(yīng)的電勢就稱為霍爾電勢。利用霍爾效應(yīng)制成的傳感元件稱為霍爾傳感器，的大小正比于控制電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度，即

(2.6)式中，為霍爾系數(shù)，，其中為載流體的電阻率；為載流子的遷移率；為靈敏度，。若磁場方向與元件平面成角度時，則作用在元件上的有效磁場是其法線方向的分量，即，則有

(2.7)

2.1.3測速傳感器由式(2.6)和式(2.7)可以看出，霍爾電勢的大小正比于控制電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度，靈敏度表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時輸出霍爾電勢的大小，一般要求越大越好，元件的厚度d越薄，就越大，所以霍爾元件的厚度都很薄。當(dāng)載流電流材料和幾何尺寸確定后，霍爾電勢的大小只和控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)，因此霍爾式傳感器可用來探測磁場和電流，由此可測量壓力、振動等。2.1.3測速傳感器（2）霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單，由霍爾片、四根引線和殼體組成。霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，從中引出四根引線，其中兩根引線上施加激勵電壓或電流，稱為激勵電極（控制電極），另外兩根引線稱為霍爾輸出引線，又稱為霍爾電極?；魻栐臍んw是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝的。

（3）霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)圖2.7是三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產(chǎn)生一個相應(yīng)的脈沖，檢測出單位時間的脈沖數(shù)，便可知被測轉(zhuǎn)速。根據(jù)磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目多少，就可以確定傳感器測量轉(zhuǎn)速的分辨率。2.1.3測速傳感器圖2.7三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器圖2.7三種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器2.1.3測速傳感器2．光電式脈沖編碼器光電式脈沖編碼器可將機(jī)械位移、轉(zhuǎn)角或速度變化轉(zhuǎn)換成電脈沖輸出，是精密數(shù)控采用的檢測傳感器。光電編碼器的最大特點是非接觸式，此外還具有精度高、響應(yīng)快、可靠性高等特點。光電編碼器采用光電方法，將轉(zhuǎn)角和位移轉(zhuǎn)換為各種代碼形式的數(shù)字脈沖，如圖2.8所示光電式脈沖編碼器，在發(fā)光元件和光電接收元件中間，有一個直接裝在旋轉(zhuǎn)軸上的具有相當(dāng)數(shù)量的透光扇形區(qū)的編碼盤，在光源經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)形成一束平行光投在透光和不透光區(qū)的碼盤上時，轉(zhuǎn)動碼盤，在碼盤的另一側(cè)就形成光脈沖，脈沖光照射在光電元件上就產(chǎn)生與之對應(yīng)的電脈沖信號。2.1.3測速傳感器圖2.8光電式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)2.1.3測速傳感器光電編碼器的精度和分辨率取決于光電碼盤的精度和分辨率，取決于刻線數(shù)。目前，已能生產(chǎn)徑向線寬為6.7×10-8rad的碼盤，其精度達(dá)1×10-8，比接觸式的碼盤編碼器的精度要高很多個數(shù)量級。如進(jìn)一步采用光學(xué)分解技術(shù)，可獲得更多位的光電編碼器。光電編碼器按其結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動方式可分為直線型的線性編碼器和轉(zhuǎn)角型的軸角編碼器兩種類型，按脈沖信號的性質(zhì)可分為有增量式和絕對式兩種類型。2.1.3測速傳感器增量式編碼器碼盤圖案和光脈沖信號均勻，可將任意位置為基準(zhǔn)點，從該點開始按一定量化單位檢測。該方案無確定的對應(yīng)測量點，一旦停電則失掉當(dāng)前位置，且速度不可超越計數(shù)器極限相應(yīng)速度，此外由于噪聲影響可能造成計數(shù)積累誤差。該方案的優(yōu)點是其零點可任意預(yù)置，且測量速度僅受計數(shù)器容量限制。2.1.3測速傳感器絕對式編碼器的碼盤圖案不均勻，編碼器的碼盤與碼道位數(shù)相等，在相應(yīng)位置可輸出對應(yīng)的數(shù)字碼。其優(yōu)點是坐標(biāo)固定，與測量以前狀態(tài)無關(guān)，抗干擾能力強(qiáng)，無累積誤差，具有斷電位置保持，不讀數(shù)時移動速度可超越極限相應(yīng)速度，不需方向判別和可逆計數(shù)，信號并行傳送等；其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格高。要想提高光電編碼器的分辨率，需要提高碼道數(shù)目或者使用減速齒輪機(jī)構(gòu)組成雙碼盤機(jī)構(gòu)，將任意位置取作零位時需進(jìn)行一定的運算。2.2電路設(shè)計

12.2.1電源系統(tǒng)22.2.2電機(jī)驅(qū)動電路32.2.3傳感器接口電路2.2.1電源系統(tǒng)

在智能車設(shè)計中，電源關(guān)系到整個電路設(shè)計的穩(wěn)定性和可靠性，是電路設(shè)計中非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。本節(jié)將介紹直流穩(wěn)壓電源的基本原理和三端固定式正壓集成穩(wěn)壓器的典型電路設(shè)計。

1．直流穩(wěn)壓電源的基本原理直流穩(wěn)壓電源電路一般由電源變壓器、整流濾波器電路及穩(wěn)壓電路組成，如圖2.9所示。

圖2.9直流穩(wěn)壓電源電路2.2.1電源系統(tǒng)電源變壓器的作用是將220V的交流電壓變成整流電路所需要低壓的交流電壓。整流電路的作用是將交流電壓變換成脈動的直流電壓，它主要有半波整流和全波整流等方式，通常由整流二極管構(gòu)成的整流橋堆來執(zhí)行。常見的整流二極管有1N4007和1N5148等，橋堆有RS210等。濾波電路的作用是將脈動直流中的紋波濾除獲得紋波小的直流，常見的有濾波、濾波、Π型濾波等電路，常選用的是濾波電路。其中各參量的關(guān)系為

(2.8)式中，為變壓器的變比。

～2.2.1電源系統(tǒng)每只二極管或橋堆所承受的最大反向電壓為

(2.9)對于橋式整流電路，每只二極管的平均電流為

(2.10)濾波電路中，的選擇應(yīng)適應(yīng)下式，即放電時間常數(shù)應(yīng)滿足

(2.11)式中，為輸入交流信號的周期；為整流濾波電路的等效負(fù)載電阻。穩(wěn)壓電路的作用是將濾波電路輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，輸出較穩(wěn)定的電壓。常見的穩(wěn)壓電路有三端穩(wěn)壓器、串聯(lián)式穩(wěn)壓電路等。2.2.1電源系統(tǒng)2．三端固定式正壓穩(wěn)壓器國內(nèi)外各廠家生產(chǎn)的三端（電壓輸入端、電壓輸出端和公共接地端）固定式正壓穩(wěn)壓器均命名為78系列，該系列穩(wěn)壓器有過流、過熱和調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)，以防過載而損壞。其中78后面的數(shù)字代表穩(wěn)壓器輸出的正電壓數(shù)值（一般有5V,6V,8V,9V,10V,12V,15V,18V和24V共9種輸出電壓），各廠家用78和電壓數(shù)字之間的字母來表示。插入L表示100mA，M表示500mA，如不插入字母則表示1.5A。此外，78(L,M)XX的后面往往還附有表示輸出電壓容差和封裝外殼類型的字母。常見的封裝形式有TO-3金屬和TO-220的塑料封裝，金屬封裝形式的穩(wěn)壓器的輸出電流可以達(dá)到5A。2.2.1電源系統(tǒng)78系列三端固定式穩(wěn)壓器的基本應(yīng)用電路如圖2.10所示，只要把正輸入電壓加到MC7805的輸入端，MC7805的公共端接地，其輸出端便能輸出芯片標(biāo)稱正電壓。在實際應(yīng)用電路中，芯片輸入端和輸出端與地之間除分別接大容量濾波電容外，通常還需在芯片引出根部接小容量（0.1～10μF）電容,到地。用于抑制芯片自激振蕩，用于壓窄芯片的高頻帶寬，減小高頻噪聲。和的具體取值應(yīng)隨芯片輸出電壓的高低及應(yīng)用電路的方式不同而異。2.2.1電源系統(tǒng)圖2.1078系列三端穩(wěn)壓器基本應(yīng)用電路2.2.2電機(jī)驅(qū)動電路在智能車競賽中，智能車的速度較快，通常達(dá)到2m/s以上，因此對電機(jī)驅(qū)動電流的要求較高，電機(jī)驅(qū)動電路必不可少。圖2.11是一個典型實用的簡單直流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動電路，功率管的選擇由電機(jī)的功率決定，其標(biāo)稱電流是電機(jī)正常工作時電流的3～5倍（電機(jī)啟動的時候存在較大的浪涌電流）。PWM信號的占空比決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，故電機(jī)的調(diào)速可通過改變PWM信號的占空比實現(xiàn)。直流電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制在很多場合會碰到。下面將介紹用功率管驅(qū)動直流電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的常用兩種方法。2.2.2電機(jī)驅(qū)動電路圖2.11直流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動電路2.2.2電機(jī)驅(qū)動電路圖2.12功率管驅(qū)動直流電機(jī)正、反轉(zhuǎn)2.2.2電機(jī)驅(qū)動電路如圖2.12所示電路中電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向由I/O1和I/O2的電平來決定。當(dāng)I/O1和I/O2為00時，VT1，VT2導(dǎo)通，VT3,VT4截止，加在電機(jī)兩端上的電壓差為0V，電機(jī)不轉(zhuǎn)。當(dāng)I/O1和I/O2為01時，VT1,VT4導(dǎo)通，VT2,VT3截止；當(dāng)I/O1和I/O2為10時，VT1,VT4截止，VT2,VT3導(dǎo)通。這兩種情況流經(jīng)電機(jī)上的電流方向互為相反，電機(jī)轉(zhuǎn)動方向也相反。當(dāng)I/O1和I/O2為11時，VT1,VT2截止，VT3,VT4導(dǎo)通，加在電機(jī)兩端上的電壓差為0V，電機(jī)不轉(zhuǎn)。2.2.2電機(jī)驅(qū)動電路當(dāng)I/O1和I/O2懸空時，+5V經(jīng)R1,TLP521的內(nèi)部發(fā)光二極管、LED1,R4,VT3形成零點幾毫安的電流，使VT3一定程度地導(dǎo)通，該電流使光耦TLP521輸出端微弱導(dǎo)通，從而拉低VT1基極點的電位，使VT1一定程度地導(dǎo)通；同理，VT2和VT4也一定程度地導(dǎo)通，從而+V電源經(jīng)過VT1,VT3和VT2,VT4短路到地，會損壞功率管，故I/O1和I/O2不允許懸空。R1和R8阻值的選擇原則是，使流經(jīng)發(fā)光二極管的電流為10～15mA；R3,R4,R5,R6的選擇原則是，能夠為功率管提供足夠的驅(qū)動電流；功率管的選擇由電機(jī)的工作電壓和工作電流決定，因電機(jī)啟動瞬間存在浪涌電流，故功率管的電流限額應(yīng)是電機(jī)正常工作電流的4～5倍。2.2.3傳感器接口電路除了要正確選擇傳感器的類型外，還要設(shè)計最佳的接口電路。所謂接口電路，就是要把傳感器與后續(xù)的有關(guān)電路聯(lián)系起來的電路。接口電路的設(shè)計需要考慮兩個問題：一個是傳感器的輸出與計算機(jī)的輸入匹配問題；另一個是選擇器件的問題。一般傳感器的輸出信號有三種形式：數(shù)字開關(guān)量、數(shù)字脈沖和模擬信號。（1）數(shù)字開關(guān)量信號分為電壓輸出型和觸點型。如果傳感器的輸出電壓信號為0V或2V，可以直接和控制裝置相連接，但是由于這種信號有抖動，所以在與計算機(jī)連接時要采用消除抖動電路。（2）數(shù)字脈沖電路用計數(shù)器計數(shù)后送入計算機(jī)，通過對脈沖的計數(shù)來達(dá)到對信息的采集。一般計算機(jī)要對計數(shù)器擁有清零的功能，以便計數(shù)器重新計數(shù)。2.2.3傳感器接口電路（3）模擬信號比較復(fù)雜，由于模擬信號不能直接與控制器相連接，所以首先要通過適當(dāng)?shù)腁/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)楹线m的輸入電壓，必要時還要在A/D前面對信號進(jìn)行放大、分壓等，一般稱為信號的預(yù)處理。預(yù)處理后的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后和控制器直接連接，完成接口電路的設(shè)計。器件的選擇，要兼顧成本和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮。傳感器信號要有比較好的降噪電路，一般減少噪聲的方法是：傳感器與預(yù)處理放大電路的接線要盡量短；傳感器信號接線要采用屏蔽線，外皮接地；放大電路的輸入和輸出之間盡量遠(yuǎn)；放大電路的增益不要太大，以免產(chǎn)生振蕩；放大電路要遠(yuǎn)離傳感器，以免產(chǎn)生電場和磁場的干擾等。思考題1．請簡述光電式傳感器的基本原理。2．圖像傳感器分為哪幾類？請簡述攝像頭的工作原理。3．請說出制作測速傳感器的幾種方案，并對各種方案的優(yōu)缺點進(jìn)行比較。4．利用78系列芯片設(shè)計一個直流穩(wěn)壓電路，要求：輸入12V，輸出5V。5．利用MC33886設(shè)計一個直流電機(jī)驅(qū)動電路，能控制電機(jī)正、反轉(zhuǎn)。第3章智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件第3章智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件在智能車系統(tǒng)的設(shè)計中，硬件是基礎(chǔ)，沒有一個好的硬件平臺，軟件就無法運行。對于智能車系統(tǒng)來說，軟件的核心是控制算法。而完成這些任務(wù)的編程語言有匯編語言和C語言。軟件部分是整個智能車系統(tǒng)的靈魂，在硬件方面各參賽隊之間大同小異，真正體現(xiàn)各參賽隊智能車的優(yōu)勢和最后決定比賽成績好壞的往往是軟件部分，尤其是核心控制算法的設(shè)計。本章首先簡要介紹軟件編程中使用的匯編語言和C語言各自的特點，然后重點介紹核心控制算法的原理。3.1編程語言簡介13.2控制算法2思考題3第3章智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)—軟件3.1編程語言簡介匯編語言是用符號指令書寫程序的語言，是依賴于硬件平臺的語言，對于不同架構(gòu)的CPU都會有相應(yīng)的匯編指令。匯編語言可以直接操作CPU內(nèi)部的寄存器以及各種外圍設(shè)備，對于單片機(jī)啟動開始運行或者對于時序要求嚴(yán)格的I/O操作必須采用匯編語言編寫，在啟動開始運行時匯編語言創(chuàng)建系統(tǒng)的運行環(huán)境。C語言的特點就是可以使程序員盡量少地對硬件進(jìn)行操作，具有很強(qiáng)的功能性、結(jié)構(gòu)性和可移植性。由于C語言具有語言簡潔、緊湊，使用靈活、方便，運算符和數(shù)據(jù)類型豐富，可以直接訪問物理地址，進(jìn)行位操作，能實現(xiàn)匯編語言的大部分功能，可以直接對硬件進(jìn)行操作，因此C語言既具有高級語言的功能，又具有匯編語言的功能，對于編寫與硬件相關(guān)的應(yīng)用程序而言具有明顯的優(yōu)勢。3.1編程語言簡介在絕大多數(shù)場合，采用C語言編程即可完成預(yù)期的目的，但是對實時時鐘系統(tǒng)、要求執(zhí)行效率高的系統(tǒng)就不適合采用C語言編程，對這些特殊情況進(jìn)行編程時要結(jié)合匯編語言。匯編語言具有直接和硬件打道、執(zhí)行代碼的效率高等特點，可以做到C語言所不能做到的一些事情，例如對時鐘要求很嚴(yán)格時，使用匯編語言便成了唯一的選擇。這種混合編程的方法將C語言和匯編語言的優(yōu)點結(jié)合起來，已經(jīng)成為目前單片機(jī)開發(fā)最流行的編程方法。關(guān)于編程語言的詳細(xì)介紹可參閱相關(guān)書籍。3.2控制算法13.2.1PID控制算法23.2.2模糊控制算法33.2.3其它智能控制算法3.2.1PID控制算法PID（ProportionalIntegralDifferential）控制是比例、積分、微分控制的簡稱。在自動控制領(lǐng)域中，PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。PID控制器的原理是根據(jù)系統(tǒng)的被調(diào)量實測值與設(shè)定值之間的偏差，利用偏差的比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)的不同組合計算出對廣義被控對象的控制量。圖3.1是常規(guī)PID控制系統(tǒng)的原理框圖。3.2.1PID控制算法圖3.1常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖3.2.1PID控制算法其中虛線框內(nèi)的部分是PID控制器，其輸入為設(shè)定值與被調(diào)量實測值構(gòu)成的控制偏差信號：(3.1)

其輸出為該偏差信號的比例、積分、微分的線性組合，也即PID控制律：

(3.2)

式中，為比例系數(shù)；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)。3.2.1PID控制算法根據(jù)被控對象動態(tài)特性和控制要求的不同，式(3.2)中還可以只包含比例和積分的PI調(diào)節(jié)或者只包含比例微分的PD調(diào)節(jié)。下面主要討論P(yáng)ID控制的特點及其對控制過程的影響、數(shù)字PID控制策略的實現(xiàn)和改進(jìn)，以及數(shù)字PID控制系統(tǒng)的設(shè)計和控制參數(shù)的整定等問題。3.2.1PID控制算法1．PID控制規(guī)律的特點

（1）比例控制器

比例控制器是最簡單的控制器，其控制規(guī)律為

(3.3)式中，Kp為比例系數(shù)；為控制量的初值，也就是在啟動控制系統(tǒng)時的控制量。圖3.2所示是比例控制器對單位階躍輸入的階躍響應(yīng)。由圖3.2可以看到，比例控制器對于偏差是及時反應(yīng)的，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用使被控量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)Kp。3.2.1PID控制算法圖3.2比例控制器的階躍響應(yīng)3.2.1PID控制算法比例控制器雖然簡單快速，但對于具有自平衡性（即系統(tǒng)階躍響應(yīng)終值為一有限值）的被控對象存在靜差。加大比例系數(shù)Kp雖然可以減小靜差，但當(dāng)Kp過大時，動態(tài)性能會變差，會引起被控量振蕩，甚至導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。3.2.1PID控制算法（2）比例積分控制器為了消除在比例控制中存在的靜差，可在比例控制的基礎(chǔ)上加上積分控制作用，構(gòu)成比例積分PI控制器，其控制規(guī)律為

(3.4)式中，稱為積分時間。圖3.3所示為PI控制器對單位階躍輸入的階躍響應(yīng)。3.2.1PID控制算法PI控制器對偏差的作用有兩個部分：一個是按比例部分的成分，另一個是帶有累積的成分（即呈一定斜率變化的部分），這就是積分控制部分的作用。只要偏差存在，積分將起作用，將偏差累計，并對控制量產(chǎn)生影響，即偏差減小，直至偏差為零，積分作用才會停止。因此，加入積分環(huán)節(jié)將有助于消除系統(tǒng)的靜差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。3.2.1PID控制算法圖3.3PI控制器的階躍響應(yīng)3.2.1PID控制算法顯然，如果積分時間太大，則積分作用減弱，反之則積分作用較強(qiáng)。增大，將使消除靜差的過程變得緩慢，但可以減小系統(tǒng)的超調(diào)量，提高穩(wěn)定性。必須根據(jù)被控對象的特性來選定，如對于管道壓力、流量等滯后不大的對象，可以選得小些，對溫度、成分等滯后比較大的對象，可以選得大些。3.2.1PID控制算法（3）比例積分微分控制器積分調(diào)節(jié)作用的加入，雖然可以消除靜差，但其代價是降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度。為了加快控制過程，有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，不但要對偏差量做出反應(yīng)（即比例控制作用），而且要對偏差量的變化做出反應(yīng)，或者說按偏差變化的趨勢進(jìn)行控制，使偏差在萌芽狀態(tài)被抑制。為了達(dá)到這一控制目的，可以在PI控制器的基礎(chǔ)上加入微分控制作用，即構(gòu)造比例積分微分控制器（PID控制器）。PID控制器的控制規(guī)律為

(3.5)3.2.1PID控制算法式中，稱為微分時間。理想的PID控制器對偏差階躍變化的響應(yīng)如圖3.4所示，它在偏差變化的瞬間處有一個沖激式的瞬態(tài)響應(yīng)，這就是由微分環(huán)節(jié)引起的。圖3.4理想PID控制器的階躍響應(yīng)3.2.1PID控制算法由微分部分的控制作用

(3.6)可見，它對偏差的任何變化都會產(chǎn)生控制作用，以調(diào)整系統(tǒng)的輸出，阻止偏差的變化。偏差變化越快，控制量就越大，反饋校正量就越大。故微分作用的加入將有助于減少超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。微分作用可以加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)整時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。3.2.1PID控制算法2．?dāng)?shù)字PID控制算法在連續(xù)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中，通常采用如圖3.1所示的PID控制，其對應(yīng)的傳遞函數(shù)表達(dá)式為

(3.7)對應(yīng)的控制算法表達(dá)式為

(3.8)式中，為比例增益；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)；為控制量；為被控量與設(shè)定值的偏差。3.2.1PID控制算法為了便于計算機(jī)實現(xiàn)PID算法，必須將式(3.3)改寫為離散（采樣）式，這可以將積分運算用部分和近似代替，微分運算用差分方程表示，即

(3.9）

(3.10)

式中，T為采樣周期；k為采樣周期的序號（）；和分別為第和第k個采樣周期的偏差。3.2.1PID控制算法將式(3.9)和式(3.10)代入式(3.8)可得相應(yīng)的差分方程，即

(3.11)式中，為第k個采樣時刻的控制量。如果采樣周期T與被控對象時間常數(shù)比較相對較小，那么這種近似是合理的，并與連續(xù)控制的效果接近。模擬調(diào)節(jié)器很難實現(xiàn)理想的微分，而利用計算機(jī)可以實現(xiàn)式(3.10)所表示的差分運算，故將式(3.11)稱為理想微分?jǐn)?shù)字PID控制器?；镜臄?shù)字PID控制器一般具有以下兩種形式的算法。3.2.1PID控制算法

圖3.5位置型算法流程圖3.2.1PID控制算法

（1）位置型算法模擬調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)動作是連續(xù)的，任何瞬間的輸出控制量u都對應(yīng)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如調(diào)節(jié)閥）的位置。由式(3.11)可知，數(shù)字控制器的輸出控制量也和閥門位置相對應(yīng)，故稱為位置型算式（簡稱位置式）。相應(yīng)的算法流程圖如圖3.5所示。由圖3.5可以看出，因為積分作用是對一段時間內(nèi)偏差信號的累加，因此，利用計算機(jī)實現(xiàn)位置型算法不是很方便，不僅需要占用較多的存儲單元，而且編程也不方便，因此可以采用其改進(jìn)式——增量型算法來實現(xiàn)。（2）增量型算法根據(jù)式(3.6)不難得到第個采樣周期的控制量，即

(3.12)將式(3.11)與式(3.12)相減，可以得到第k個采樣時刻控制量的增量，即

(3.13)

式中，為比例增益；為積分系數(shù)，；為微分系數(shù)，。3.2.1PID控制算法

3.2.1PID控制算法由于式(3.13)中對應(yīng)于第k個采樣時刻閥門位置的增量，故稱式(3.13)為增量型算式。由此，第k個采樣時刻實際控制量為

(3.14)為了編寫程序方便，將式(3.13)改寫為

(3.15)式中，；；。

3.2.1PID控制算法由此可見，要利用和得到，只需要用到,和三個歷史數(shù)據(jù)。在編程過程中，這三個歷史數(shù)據(jù)可以采用平移法保存，從而可以遞推使用，占用的存儲單元少，編程簡單，運算速度快。增量型算法的程序流程圖如圖3.6所示。

增量型算法僅僅是在算法設(shè)計上的改進(jìn)，其輸出是相對于上次控制輸出量的增量形式，并沒有改變位置型算法的本質(zhì)，即它仍然反映執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置開度。如果希望輸出控制量的增量，則必須采用具有保持位置功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。數(shù)字PID控制器的輸出控制量通常都是通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出的，在D/A轉(zhuǎn)換器中將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號（4～20mA的電流信號或0～5V的電壓信號），然后通過放大驅(qū)動裝置作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，信號作用的時間連續(xù)到下一個控制量到來之前。因此，D/A轉(zhuǎn)換器具有零階保持器的功能。

3.2.1PID控制算法圖3.6增量型算法流程圖

3.2.2模糊控制算法模糊（Fuzzy）控制是用語言歸納操作人員的控制策略，運用語言變量和模糊集合理論形成控制算法的一種控制。模糊控制的最重要特征是不需要建立被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，只要求把現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)總結(jié)成較完善的語言控制規(guī)則，從而能夠?qū)哂胁淮_定性、不精確性、噪聲以及非線性、時變性、時滯等特征的控制對象進(jìn)行控制。模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，尤其適用于非線性、時變、滯后系統(tǒng)的控制。模糊控制的基本結(jié)構(gòu)如圖3.7所示。3.2.2模糊控制算法圖3.7

模糊控制基本結(jié)構(gòu)圖3.2.2模糊控制算法1．模糊控制器的輸入變量與輸出變量（1）模糊控制器的輸入、輸出變量模糊控制器是模仿人的一種控制。在對被控對象進(jìn)行控制的過程中，一般根據(jù)設(shè)定值與被控量的偏差、偏差變化EC和偏差變化的速率ER進(jìn)行決策。人對偏差最敏感，其次是偏差的變化，再次是偏差變化的速率。因此，模糊控制器的輸入變量通常取、和EC或者,EC和ER，分別構(gòu)成所謂一維、二維和三維模糊控制器。一維模糊控制器的動態(tài)性能不佳，通常用于一階被控對象，二維模糊控制器的控制性能和控制復(fù)雜性都比較好，是目前廣泛采用的一種形式。并且，一般選擇增量算法作為模糊控制器的輸出變量。3.2.2模糊控制算法（2）描述輸入、輸出變量的詞匯在模糊控制中，輸入、輸出變量大小是以語言形式描述的，因此要選擇描述這些變量的詞匯。我們的日常語言中對各種事物和變量的描述，總是習(xí)慣于分為三個等級，例如，物體的大小分為大、中、??；運動的速度分為快、中、慢；年齡的大小分為老、中、青。實際應(yīng)用中一般都選用“大、中、小”三個詞匯來描述模糊控制器的輸入、輸出變量的狀態(tài)，再加上正、負(fù)兩個方向和零狀態(tài)，共有7個詞匯，即{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}一般用這些詞的英文字頭縮寫，即{NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}一般情況下，選擇上述7個詞匯比較合適，但也可以多選或少選。選擇較多的詞匯，可以精確描述變量，提高控制精度，但會使控制規(guī)則變得復(fù)雜；選擇的詞匯過少，則對變量的描述過于粗糙，導(dǎo)致控制器的性能變差。3.2.2模糊控制算法

（3）變量的模糊量某個變量變化的實際范圍稱為該變量的基本論域。記偏差的基本論域為，偏差變化的基本論域為，模糊控制器的輸出變量（系統(tǒng)的控制量）的基本論域為。顯然，基本論域內(nèi)的量是精確量，因而模糊控制器的輸入和輸出都是精確量，但是模糊控制算法需要模糊量。因此，輸入的精確量（數(shù)字量）需要轉(zhuǎn)換為模糊量，這個過程稱為“模糊化”（Fuzzification）；另一方面，模糊算法所得到的模糊控制量需要轉(zhuǎn)換為精確的控制量，這個過程稱為“清晰化”或者“反模糊化”（Defuzzification）。比較實用的模糊化方法是將基本論域分為n個檔次，即取變量的模糊子集論域為3.2.2模糊控制算法從基本論域到模糊子集論域的轉(zhuǎn)換公式為

(3.16)增加論域中的元素個數(shù)可以提高控制精度，但增大了計算量，而且模糊控制效果的改善并不明顯。一般選擇模糊論域中所含元素的個數(shù)為模糊語言詞集總數(shù)的兩倍以上，以確保各模糊集能較好地覆蓋論域，避免出現(xiàn)失控現(xiàn)象。例如在選擇上述7個詞匯的情況下，可選擇E和EC的論域均為

選擇模糊控制器的輸出變量即系統(tǒng)的控制量U的論域為3.2.2模糊控制算法

（4）隸屬度為了實現(xiàn)模糊化，要在上述離散化了的精確量與表示模糊語言的模糊量之間建立關(guān)系，即確定論域中的每個元素對各個模糊語言變量的隸屬度。隸屬度是描述某個確定量隸屬于某個模糊語言變量的程度。例如，在上述和EC的論域中，+6隸屬于（正大），隸屬度為1.0；+5也隸屬于，但隸屬度要比+6差，可取為0.8；+4隸屬于的程度更小，隸屬度可取為0.4；顯然-6～0就不隸屬于了，所以隸屬度取為0。確定隸屬度的值要根據(jù)實際問題的具體情況而定。實驗研究結(jié)果表明，人進(jìn)行控制活動時的模糊概念一般可以用正態(tài)型模糊變量描述。下面給出常用的確定模糊變量隸屬度的賦值表，如表3.1、表3.2和表3.3所示。3.2.2模糊控制算法2．建立模糊控制規(guī)則模糊控制是語言控制，因此要用語言歸納專家的手動控制策略，從而建立模糊控制規(guī)則表。手動控制策略一般都可以用條件語句加以描述。條件語句的基本類型為ifAorBandCorDthenU3.2.2模糊控制算法3.2.2模糊控制算法3.2.2模糊控制算法3.2.2模糊控制算法下面介紹一種根據(jù)系統(tǒng)輸出的誤差及誤差的變化趨勢，消除誤差的模糊控制規(guī)則。該規(guī)則用下述21條模糊條件語句來描述。[1]ifE=NBorNMandEC=NBorNMthenU=PB[2]ifE=NBorNMandEC=NSorOthen U=PB[3]ifE=NBorNMandEC=PSthen U=PM[4]ifE=NBorNMandEC=PMorPBthen U=O[5]ifE=NSandEC=NBorNMthen U=PM[6]ifE=NSandEC=NSorOthen U=PM[7]ifE=NSandEC=PSthen U=O[8]ifE=NSandEC=PMorPBthen U=NS[9]ifE=NOorPOandEC=NBorNMthenU=PM[10]ifE=NOorPOandEC=NSthenU=PS[11]ifE=NOorPOandEC=OthenU=O3.2.2模糊控制算法[12]ifE=NOorPOandEC=PSthenU=NS[13]ifE=NOorPOandEC=PMorPBthenU=NM[14]ifE=PSandEC=NBorNMthenU=PS[15]ifE=PSandEC=NSthenU=O[16]ifE=PSandEC=OorPSthen U=NM[17]ifE=PSandEC=PMorPBthenU=NM[18]ifE=PMorPBandEC=NBorNMthenU=O[19]ifE=PMorPBandEC=NSthenU=NM[20]ifE=PMorPBandEC=OorPSthen U=NB[21]ifE=PMorPBandEC=PMorPBthenU=NB以上21條模糊條件語句可以歸納為模糊控制規(guī)則表3.4。3.2.2模糊控制算法

3.2.2模糊控制算法3．模糊關(guān)系與模糊推理模糊控制規(guī)則實際上是一組多重條件語句，可以表示為從偏差論域到控制論域的模糊關(guān)系矩陣，通過偏差的模糊向量和偏差變化的模糊向量，與模糊關(guān)系矩陣的合成進(jìn)行模糊推理，得到控制量的模糊向量，然后采用“反模糊化”方法將模糊控制向量轉(zhuǎn)換為精確量。根據(jù)模糊集合和模糊關(guān)系理論，對于不同類型的模糊規(guī)則可用不同的模糊推理方法。下面僅介紹其中的對ifAthenB類型的模糊規(guī)則的推理。若已知輸入為，則輸出為；若現(xiàn)在已知輸入為，則輸出用合成規(guī)則求?。?/p>

(3.17)其中模糊關(guān)系定義為3.2.2模糊控制算法例如，已知當(dāng)輸入的模糊集合和輸出的模糊集合分別為

(3.18)

(3.19)這里采用模糊集合的Zadeh表示法，其中,表示模糊集合所對應(yīng)的論域中的元素，而表示相應(yīng)的隸屬度，“—”不表示分?jǐn)?shù)的意思。3.2.2模糊控制算法

(3.20)

3.2.2模糊控制算法則當(dāng)輸入

(3.21)

由下式求取，即3.2.2模糊控制算法則

(3.22)在上述運算中，“

”為取小運算，“

”為取大運算。由于系統(tǒng)的控制規(guī)則庫是由若干條規(guī)則組成的，因此對于每一條推理規(guī)則都可以得到一個相應(yīng)的模糊關(guān)系。n條規(guī)則就有n個模糊關(guān)系：，對于整個系統(tǒng)的全部控制規(guī)則所對應(yīng)的模糊關(guān)系可對n個模糊關(guān)系()取“并”操作得到，即

(3.23)3.2.2模糊控制算法4．模糊控制向量的模糊判決由上述得到的控制量是一個模糊集合，需要采用“反模糊化”方法將模糊控制項轉(zhuǎn)換為精確量。下面介紹兩種簡單實用的方法。

（1）最大隸屬度法這種方法是在模糊控制向量中，取隸屬度最大的控制量作為模糊控制器的輸出。例如，當(dāng)?shù)玫侥：刂葡蛄繛?/p>

(3.24)由于控制量隸屬于等級5的隸屬度為最大，所以取控制量為

這種方法的優(yōu)點是簡單易行，缺點是完全排除了其他隸屬度較小的控制量的影響和作用，沒有充分利用取得的信息。3.2.2模糊控制算法

（2）加權(quán)平均判決法為了克服最大隸屬度法的缺點，可以采用加權(quán)平均判決法，即

(3.25)例如則3.2.2模糊控制算法

5．模糊控制表模糊關(guān)系、模糊推理以及模糊判決的運算可以離線進(jìn)行，最后得到模糊控制器輸入量的量化等級,EC與輸出量即系統(tǒng)控制量的量化等級之間的確定關(guān)系，這種關(guān)系通常稱為“控制表”。對應(yīng)于前面介紹的21條控制規(guī)則的“控制表”如表3.5所列。模糊控制表可以離線求出，作為文件存儲在計算機(jī)中，計算機(jī)實時控制時只要將A/D轉(zhuǎn)換得到的偏差和偏差變化ec進(jìn)行量化，得到相應(yīng)的等級E和EC，然后從文件中直接查詢所需采取的控制策略。3.2.2模糊控制算法3.2.2模糊控制算法6．確定實際的控制量顯然，實際的控制量應(yīng)為從控制表中查到的量化等級乘以比例因子。設(shè)實際的控制量的變化范圍為[a,b]，量化等級為{}，則實際的控制量應(yīng)為

若，則例如在上述二維模糊控制器中，當(dāng)E和EC的量化等級分別為-3和+1時，由控制表查得，則模糊控制器輸出的實際控制量應(yīng)為。

3.2.3其它智能控制算法在智能車這樣并不是很復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，有一點需要銘記：簡單的算法只要參數(shù)調(diào)整得好，效果會相當(dāng)不錯；相反，復(fù)雜的算法，其設(shè)計和參數(shù)整定則相對復(fù)雜，效果不一定比簡單算法好。在智能車控制系統(tǒng)中，控制算法最普遍的就是上面講到的PID和模糊控制算法，當(dāng)然也有些參賽隊用到其他的