基于pic16f873单片机汽车巡航控制系统的研究

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1、基于基于 PIC16F873 单片机汽车巡航控制系统的研究单片机汽车巡航控制系统的研究摘要摘要随着汽车工业的迅速发展，汽车的普及面越来越宽，人们对汽车的安全性 和舒适性有了更高的要求。汽车巡航控制系统可以减轻驾驶员的压力，提高驾 车的舒适性，具有重要的研究意义。 本文综述了国内外汽车巡航控制系统的发展状况和发展方向，介绍了巡航 控制系统的构成和基本原理，在学习已应用的各种控制方案如 PID 控制、模糊 控制、迭代学习控制、自适应控制的基础上，提出了一种将模糊控制和 PID 控 制有效结合的模糊 PID 控制方案，模糊 PID 控制根据操作人员的实践经验，运 用控制规则模糊化，对 PID 参数进

2、行在线调整，克服了 PID 控制和模糊控制在 实际应用中的局限性，取得了理想的控制效果。 以轿车为对象，分析汽车行驶过程中受到的各种外力，利用软件 MATLAB 建立了汽车仿真模型、控制器模型及整个巡航控制系统的模型，仿 真并对结果进行分析。 设计了系统硬件电路，介绍了汽车巡航控制系统中所用到的微控制器和电 源芯片及驱动控制芯片。提出了系统主程序的设计思想，给出了系统主程序结 构流程图和子程序如车速采集程序、A/D 转换程序、电机控制程序的结构流程 图。完成了软件的编制并在实验室所搭建的巡航控制平台上进行了调试，结果 表明，系统能够实现简单的巡航控制命令，且效果理想。 关键词：巡航控制；传感器

3、；驱动电路； 一、巡航控制系统的发展现状和趋势一、巡航控制系统的发展现状和趋势 1.1 巡航控制系统的国内外发展状况 国外汽车巡航控制系统起步很早，其发展过程主要经历了三个阶段： 第一阶段是上世纪 60 年代至 70 年代中期，早期的汽车巡航控制系统主要 是机械式和气动机械式巡航控制系统。例如，日本丰田公司从 1965 年起就开 始在车上装用机械式巡航控制系统。之后，德国的 VDO 公司也研制出了气动 机械式巡航控制系统。而 1968 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，这期间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。 第二阶段是上世纪 70

4、年代中后期至 80 年代中后期，以数字信号为主的控 制系统。随着单片机技术的发展，特别是大规模集成电路及单片机的应用。出 现了以数字技术为基础的巡航控制系统。如 1974 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。日本日野(Hino)公司于 1985 年投放市场一种基于 燃油经济性的车速控制系统，其控制框图如图 1-1 所示，其控制部分是基于数 字式微处理器。美国摩托罗拉公司也研制了一种采用微处理器控制的巡航控制-2- 系统，这种系统的所有输入指令以数字形式直接存储和处理，微处理器根据指 令车速、实际车速以及其他输入

5、信号，按给定程序完成所有数据处理，并产生 步进电机的驱动信号输出，改变节气门开度，每种车型的最佳加速度和减速度 由编程人员决定。从安全上考虑，将制动开关与节气门执行器直接相连，这 样，当踩下制动踏板时，在断开巡航控制的同时，将执行器的动力源断开，从 而使节气门迅速脱离巡航控制系统的控制。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。汽车自动巡航控 制系统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，也可在微处 理器上编程实现。当汽车上其他系统已有控制微处理器时，只要修改一下程序 便可将此功能附加上去，因而可节省昂贵

6、的硬件开支。 第三阶段，从上世纪 90 年代开始，国外又开始发展以智能化为核心的汽 车自动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。 1990 年美国鲁卡斯公司研制出一种自动恒速智能控制系统，该系统采用了 连续调频波雷达，通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，微波雷 达安装在前保险杠内，通过塑料车牌照发射微波探测信号。 目前国外很多专家都在研究自适应巡航控制系统(Sel

7、f-adaption CruiControl System，简 称 ACCS)。这种巡航控制系统主要由测速装置、转向角传感器、车速传感器、制动 ECU(Electronic Control Unit)和发动机 ECU 等组成。当道路情况良好时，该系统就是普通 的巡航控制系统，可以按设定车速巡航行驶；当距另一辆车距离较近并相对车速较高时， 通过巡航控制系统控制制动器减速。情况正常后将自动恢复原先的车速，如果前方车辆减 速，AC 便操纵制动器来维持一定的车距，从而避免了汽车的追尾。 国外开始研究一种半自主式的巡航控制系统。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

8、制系统的共存。其研 究的理论结果表明，此种控制具有更高的控制精度。综合利用仿真、分析和实 验结果对人工驾驶和具有自适应控制系统的汽车进行了比较，从得到的数据和 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。目前不少车辆，特别是高级轿车已经把 巡航控制系统作为配备设备或备选设备。例如美国别克(BUICK)、凯迪拉克 (CADILAC)、协和(CONCORD)、纽约人(NEW YORKER)、克莱斯勒(CM 等均装用了巡航控制系统。而日本高速公路的迅速发展使得巡航控制系统的装 车率也不断得到提高，如日本皇冠(CROWN)、佳美(CAMRY)

9、、凌志 (LEXUS)等。欧洲的奔驰(BENZ)、宝马(BMW)以及我国的红旗轿车等均装 有巡航控制系统。 由于国内汽车起步较晚，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，模拟汽车恒速 控制器在我国已经投入生产和使用。例如：江苏省某巡航设备厂生产的 XD型汽车定速系统是一种机电式汽车巡航控制系统。该系统用汽车发动机工作时 产生的真空度作动力，通过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。然而该机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。 国内有多所高校和科研单位从事汽车自动巡航控制系统

10、的研究，控制系统 的硬件核心部件采用不同型号的单片机，控制策略多采用 PID 调节方式，也有 人将模糊控制算法应用于巡航控制系统10，模仿驾驶员驾驶汽车的情况，根据 目标车速与实际车速之间的偏差及路面情况，利用自己的经验，决定加速踏板 的变动量，从而使汽车车速趋近于目标车速。12 汽车巡航控制的发展方向汽车巡航控制的发展方向 汽车巡航控制自 20 世纪 70 年代起各大汽车厂家都争相研制并装在较高级-4- 的轿车上，到了 20 世纪 80 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11，使得它更加完善。到上世纪末起，以及目前展出 的 21 世纪汽车，该系统真可谓日臻完

11、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。但是若使该系统步入普通家 用轿车家族，还存在着一些问题。虽然系统多用模块控制，但造价昂贵；限速太高，一般 系统都必须在 40 km/h 以上才起作用；检修虽方便，但需较高的技术。 随着汽车技术和现代公路交通的迅速发展，下一代的智能交通系统即将出 现，其中汽车巡航控制系统将发展为自适应巡航控制系统，进一步采用集中微 处理器控制，降低系统的成本1213。具体的说，它是将汽车自动巡航控制系统 和车辆前向撞击报警系统 FCWS(Forward Collision Warning System)有机地结 合起来，既

12、有自动巡航功能，又有防止前向撞击功能，驾驶员可通过设置在仪 表盘上的人机交互界面启动或清除 ACC 系统1415。启动 ACC 系统时，要设定 汽车在巡航状态下的车速和与前方车辆间的安全距离，否则 ACC 系统将自动 设置为默认值，但所设定的安全距离不可小于设定车速下交通法规所规定的安 全距离。 当车辆前方无行驶车辆时，汽车将处于普通的巡航行驶状态，ACC 系统 按照设定的行驶车速对车辆进行匀速控制。当汽车前方有车辆，且前方车辆的 行驶速度小于汽车的行驶速度时，ACC 系统将控制汽车进行减速，确保两车 间的距离为所设定的安全距离。当 ACC 系统将汽车减速至理想的目标值之后 采用跟随控制，与前

13、方车辆以相同的速度行驶。当前方车辆发生移线.或汽车移 线行驶使得该车前方又无行驶车辆时，ACC 系统将对主车进行加速控制，使 其恢复至设定的行驶速度，在恢复行驶速度后，ACC 系统又转入对该车的匀 速控制，当驾驶员参与车辆驾驶后 ACC 系统将自动退出对车辆的控制。 ACC 系统有以下几个发展趋势： 1）集成化它有助于降低成本，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，ACC 在发展之初就与 CCS 系 统结合在一起，按照 ACC 的发展方向，它还会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。 2）走停控制现在对 ACC 系统的研制和开发主要针对

14、的是在高速公路上 高速行驶的车辆，而不适用于城市中低速、高车流密度情况下使用，走停控制 正是 ACC 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 AC 系统具有更好的近距离探测能力，更快的信号处理功能，更迅速的系统反映，同时还向 ACC 系统提出了增加车辆的自动起步功能。这样即使在堵车情况下也无须驾驶员参与，只需操纵车辆的转向即可。驾驶员可以完全从烦琐的驾驶操作中解放出来。 3）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 ACC 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，驾驶这种汽车只需在显示器中指明所要到达的目的地，汽车就会在卫星导

15、航系统的指引下，借助公路两旁的电子标志牌无需人为参与就可安全驶达目的 地，实现完全的自动驾驶功能。 通过采用 CAN 总线技术，可实现信号资源的共享，减少硬件开支，提高 系统的灵活性。 二、巡航控制系统的组成和工作原理二、巡航控制系统的组成和工作原理 2.1 巡航控制系统的简述 汽车巡航控制系统(Cruise Control System，简称 CCS)根据其特点一般又 称为“巡航行驶装置” 、 “速度控制系统” 、 “自动驾驶系统”等。它是汽车 的新装置之一，它是利用电子技术对汽车的行驶速度进行自动调节，从而实现 以某一设定车速行驶的电子控制系统21。CCS 是汽车在行驶中为了达到所希望 的

16、速度，通过操纵调整开关，驾驶员不必踩踏油门调整车速也能以设定的车速 进行定速行驶的装置。 采用汽车巡航控制系统后，汽车在高速公路上长时间行驶时就可使驾驶 员踩加速踏板的脚得以休息，不致因长时间驾车控制加速踏板稳定车速产生疲 劳，同时，由于定速行驶，加速踏板及制动踏板的踩放次数减少，使耗油量减 少，行车较为经济，因而该系统又称为“经济车速巡航控制系统” 。 汽车巡航控制系统的主要优点是：无论风力和道路坡度这些能引起汽车的 行驶阻力发生变化的因素如何变化，只要在发动机功率允许范围内，汽车的行 驶速度便可保持不变，同时汽车在定速行驶时，驾驶员负担明显减轻，提高了 驾车的舒适性，此外，使用该装置后，可使汽车的燃油供给与发动机功率间的 配合处于最佳状态，有效地降低了燃油的消耗，减少了有害气体的排放，研究 显示，在油耗方面，使用巡航控制将节油 1.1%-10.7%。 巡航控制系统的功能主要有基本功能和故障保险功能。 211 基本功能： 1）恒速行驶功能汽车自动巡航即指汽车在行驶时，驾驶员即使不踏加 速踏板，汽车仍可以按驾驶员所希望的车速自动保持行驶的功能，这是巡