本發(fā)明涉及自動(dòng)控制，尤其涉及一種小車自動(dòng)行駛控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、智能小車在比賽中要在指定路徑上自動(dòng)行駛，為了能夠保證智能小車在整個(gè)賽道行駛平穩(wěn)，需要對(duì)智能小車的速度和行駛方向進(jìn)行控制，對(duì)智能小車速度控制的目的在于讓智能小車在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)盡快的完成比賽，對(duì)智能小車方向的控制的目的在于彎道行駛時(shí)能夠以最大的安全速度準(zhǔn)確地、順暢地跟蹤路徑，以便于小車能夠以最快的速度通過賽道，同時(shí)又不會(huì)沖出賽道或者壓賽道的線。

2、然而，智能小車在指定路徑上自動(dòng)行駛時(shí)，容易受到外界干擾影響以及自身參數(shù)變化等不確定因素的影響，導(dǎo)致智能小車控制精度低以及穩(wěn)定性不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，有必要提供一種小車自動(dòng)行駛控制系統(tǒng)及方法，用以解決智能小車在指定路徑上自動(dòng)行駛時(shí)，控制精度低以及穩(wěn)定性不足的技術(shù)問題。

2、為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種小車自動(dòng)行駛控制系統(tǒng)，用于控制小車在設(shè)定的軌跡上自動(dòng)行駛，小車自動(dòng)行駛控制系統(tǒng)包括傳感器模塊、主控模塊、速度控制模塊和方向控制模塊；

3、所述傳感器模塊用于識(shí)別設(shè)定的軌跡以及實(shí)時(shí)獲取小車的速度和行駛方向；

4、所述主控模塊用于當(dāng)所述小車的速度以及行駛方向不為目標(biāo)速度以及目標(biāo)方向時(shí)，生成第一驅(qū)動(dòng)控制指令以及第二驅(qū)動(dòng)控制指令；

5、所述速度控制模塊用于響應(yīng)所述第一驅(qū)動(dòng)控制指令，將所述小車的速度調(diào)節(jié)至目標(biāo)速度；

6、所述方向控制模塊用于采用零點(diǎn)校準(zhǔn)方法對(duì)所述傳感器模塊的陀螺儀進(jìn)行校準(zhǔn)，并采用卡爾曼濾波器對(duì)校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測后，響應(yīng)所述第二驅(qū)動(dòng)控制指令，基于方向環(huán)-電機(jī)環(huán)串級(jí)pid將所述小車的行駛方向調(diào)節(jié)至目標(biāo)方向。

7、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述傳感器模塊包括紅外循跡單元、陀螺儀傳感器以及霍爾編碼器；

8、所述紅外循跡單元用于識(shí)別設(shè)定的行駛軌跡，其中，所述行駛軌跡包括黑色弧線的行駛軌跡；

9、所述陀螺儀傳感器用于實(shí)時(shí)獲取小車的旋轉(zhuǎn)角度以及角速度，基于所述小車的旋轉(zhuǎn)角度以及角速度確定小車的行駛方向；

10、所述霍爾編碼器用于測量小車電機(jī)的轉(zhuǎn)速，基于所述小車電機(jī)的轉(zhuǎn)速確定小車的速度。

11、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述主控模塊包括型號(hào)為mspm0g3507的主控單元；

12、所述主控單元用于接收傳感器模塊、速度控制模塊以及方向控制模塊的輸入信號(hào)，對(duì)所述輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯控制處理后，輸出第一驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)以及第二驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。

13、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述速度控制模塊包括pid控制單元；

14、所述pid控制單元用于基于獲取的小車速度以及目標(biāo)速度確定速度誤差，基于所述速度誤差計(jì)算出速度調(diào)整量，基于所述速度調(diào)整量，通過pwm技術(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整pwm信號(hào)的占空比，并將所述pwm信號(hào)的占空比輸入至主控模塊后，生成第一驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。

15、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述方向控制模塊包括零點(diǎn)校準(zhǔn)單元、卡爾曼濾波單元以及方向環(huán)-電機(jī)環(huán)串級(jí)pid控制單元；

16、所述零點(diǎn)校準(zhǔn)單元用于采用零點(diǎn)校準(zhǔn)方法對(duì)陀螺儀進(jìn)行偏航校準(zhǔn)；

17、所述卡爾曼濾波單元用于通過卡爾曼濾波器對(duì)校準(zhǔn)后的陀螺儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代優(yōu)化，獲得小車角度的最優(yōu)估計(jì)值；

18、所述方向環(huán)-電機(jī)環(huán)串級(jí)pid控制單元用于基于所述小車角度的最優(yōu)估計(jì)值以及目標(biāo)方向確定方向誤差，將所述方向誤差輸入至方向環(huán)-電機(jī)環(huán)串級(jí)pid的方向環(huán)中，獲得修正后的方向誤差，將所述修正后的方向誤差輸入至方向環(huán)-電機(jī)環(huán)串級(jí)pid的電機(jī)環(huán)中，通過所述電機(jī)環(huán)對(duì)所述修正后的方向誤差進(jìn)行pid運(yùn)算，獲得小車兩輪差速的pwm信號(hào)的占空比，將所述小車兩輪差速的pwm信號(hào)的占空比輸入至主控模塊后，生成第二驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。

19、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述通過卡爾曼濾波器對(duì)陀螺儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代優(yōu)化，獲得小車的角度預(yù)測值，包括：

20、獲取陀螺儀的角速度值，基于所述陀螺儀的角速度值構(gòu)建狀態(tài)方程，基于所述狀態(tài)方程獲得當(dāng)前角度的預(yù)測值；

21、定義協(xié)方差噪聲，基于所述協(xié)方差噪聲構(gòu)建預(yù)測協(xié)方差矩陣；

22、基于所述預(yù)測協(xié)方差矩陣、觀測矩陣、測量噪聲協(xié)方差矩陣計(jì)算卡爾曼增益；

23、基于所述卡爾曼增益以及當(dāng)前角度的預(yù)測值進(jìn)行最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)，獲得小車角度的最優(yōu)估計(jì)值，并通過卡爾曼增益更新協(xié)方差矩陣。

24、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，還包括聲光反饋模塊以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；

25、所述聲光反饋模塊用于當(dāng)小車行駛至軌跡上的標(biāo)識(shí)點(diǎn)時(shí)，發(fā)出聲光反饋；

26、所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用于基于所述主控模塊的第一驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)以及第二驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)控制小車電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以調(diào)整小車的速度以及行駛方向。

27、另一方面，本發(fā)明還提供一種小車自動(dòng)行駛控制方法，通過如上所述的小車自動(dòng)行駛控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，包括如下步驟：

28、基于所述傳感器模塊識(shí)別設(shè)定的軌跡以及實(shí)時(shí)獲取小車的速度和行駛方向；

29、基于所述主控模塊當(dāng)所述小車的速度以及行駛方向不為目標(biāo)速度以及目標(biāo)方向時(shí)，生成第一驅(qū)動(dòng)控制指令以及第二驅(qū)動(dòng)控制指令；

30、基于所述速度控制模塊響應(yīng)所述第一驅(qū)動(dòng)控制指令，將所述小車的速度調(diào)節(jié)至目標(biāo)速度；

31、基于所述方向控制模塊采用零點(diǎn)校準(zhǔn)方法對(duì)所述傳感器模塊的陀螺儀進(jìn)行校準(zhǔn)，并采用卡爾曼濾波器對(duì)校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測后，響應(yīng)所述第二驅(qū)動(dòng)控制指令，基于方向環(huán)-電機(jī)環(huán)串級(jí)pid將所述小車的行駛方向調(diào)節(jié)至目標(biāo)方向。

32、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述響應(yīng)所述第一驅(qū)動(dòng)控制指令，將所述小車的速度調(diào)節(jié)至目標(biāo)速度，包括：

33、將速度誤差輸入至pid控制單元中，獲得速度調(diào)整量，其中，pid的比例項(xiàng)根據(jù)速度誤差確定加速或減速的力度，通過pid的積分項(xiàng)消除速度的穩(wěn)態(tài)誤差，pid的微分項(xiàng)根據(jù)速度變化率調(diào)整控制輸出；

34、基于所述速度調(diào)整量，通過pmw技術(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整pwm信號(hào)的占空比，

35、將所述pwm信號(hào)的占空比輸入至主控模塊后，生成第一驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，基于所述第一驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)控制小車的電機(jī)功率，基于所述小車的電機(jī)功率，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊將所述小車的行駛速度調(diào)節(jié)至目標(biāo)速度。

36、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述響應(yīng)所述第二驅(qū)動(dòng)控制指令，基于方向環(huán)-電機(jī)環(huán)串級(jí)pid將所述小車的行駛方向調(diào)節(jié)至目標(biāo)方向，包括：

37、將方向誤差輸入至方向環(huán)-電機(jī)環(huán)串級(jí)pid中，獲得方向調(diào)整量，其中，pid的比例項(xiàng)根據(jù)角度誤差調(diào)整方向的力度，pid的微分項(xiàng)根據(jù)角度誤差的變化率調(diào)整方向；

38、基于所述方向調(diào)整量，通過pmw技術(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整pwm信號(hào)的占空比，將所述pwm信號(hào)的占空比輸入至主控模塊后，生成第二驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，基于所述第二驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，通過所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊將所述小車的行駛方向調(diào)節(jié)至目標(biāo)方向。

39、本發(fā)明的有益效果是：主控模塊用于當(dāng)小車的速度以及行駛方向不為目標(biāo)速度以及目標(biāo)方向時(shí)，生成第一驅(qū)動(dòng)控制指令以及第二驅(qū)動(dòng)控制指令；速度控制模塊用于響應(yīng)第一驅(qū)動(dòng)控制指令，將小車的速度調(diào)節(jié)至目標(biāo)速度；方向控制模塊用于采用零點(diǎn)校準(zhǔn)方法對(duì)所述傳感器模塊的陀螺儀進(jìn)行校準(zhǔn)，并采用卡爾曼濾波器對(duì)校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測，降低了外界環(huán)境對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的影響以及自身參數(shù)變化的影響，響應(yīng)第二驅(qū)動(dòng)控制指令，基于方向環(huán)-電機(jī)環(huán)串級(jí)pid將小車的行駛方向調(diào)節(jié)至目標(biāo)方向，通過方向環(huán)-電機(jī)環(huán)串級(jí)pid對(duì)小車的行駛方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)整小車的姿態(tài)，使小車的車身平衡以及正常轉(zhuǎn)向，通過對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了小車速度的精確控制，通過調(diào)節(jié)小車的速度和行駛方向，確保了小車按照設(shè)定的軌跡穩(wěn)定行駛，提高了控制精度以及穩(wěn)定性。