專利名稱：汽車防撞全自動駕駛儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車駕駛儀，特別是涉及給定值與實測值之差的狀態(tài)反饋閉環(huán)控制汽車防撞全自動駕駛儀。
上述現(xiàn)有各種防撞技術(shù)都是開環(huán)防撞，根本沒有閉環(huán)控制防撞技術(shù)，特別是沒有以即時車速為地址、倒車以距離為地址從存儲器或函數(shù)發(fā)生器讀出車速安全車間距SV，經(jīng)修正的“給定值”kSV與超聲波實測“車間距”SX2’之差Δs的比例微分PDII型、比例積分微分PIDIII型控制兼狀態(tài)反饋對汽車至少有兩個閉環(huán)負反饋控制的汽車防撞全自動駕駛儀。
汽車防撞全自動駕駛儀發(fā)明中的核心發(fā)明是比例微分PDII型系統(tǒng)、比例積分微分PIDIII型系統(tǒng)控制兼狀態(tài)反饋控制器，對汽車調(diào)速無振蕩、無超調(diào)、強魯棒性地控制汽車安全車距等于隨車速改變而改變的正反饋給定安全車距值。目前全世界控制界都設(shè)計制做不出快跟蹤、無振蕩、無超調(diào)、強魯棒控制器和控制系統(tǒng)。至今全世界自動控制界設(shè)計線性系統(tǒng)還都毫無例外地受“臨界穩(wěn)定開環(huán)增益”的限制，毫無辦法提高閉環(huán)系統(tǒng)性能，因此無論采用何種方法、如何設(shè)計系統(tǒng)的性能都很低，即不能設(shè)計制做開環(huán)增益越高、閉環(huán)系統(tǒng)越穩(wěn)定、跟蹤越快、無振蕩、無超調(diào)、魯棒性越強的控制器和閉環(huán)控制系統(tǒng)。對汽車安全距離的控制絕對不許有振蕩、有超調(diào)，因前行汽車不掛倒檔無倒車功能，所以振蕩和超調(diào)都嚴重損傷汽車部件而降低壽命，且是能量的無味損耗，又因為汽車不僅速度快、慣性大、而且大型客、貨車的慣性變化也很大，所以對汽車控制必須具備快響應(yīng)、無振蕩、無超調(diào)、不怕載重量變化幾十倍以上的強魯棒性閉環(huán)控制系統(tǒng)。因此必須快響應(yīng)、無振蕩、無超調(diào)、不怕載重量變化幾十倍以上的強魯棒性控制器，本發(fā)明不僅公開了這種控制器，還公開了受控對象參數(shù)變化6萬倍以上而無振蕩、無超調(diào)性能完全不變、單位階躍響應(yīng)響應(yīng)零穩(wěn)態(tài)誤差過渡時間只相差十幾毫秒的控制器，對汽車等各種2階控制對象都能做到上述高性能的閉環(huán)控制。
一種汽車防撞全自動駕駛儀，其特征在于包括車速檢測BCD碼轉(zhuǎn)換器、存儲器或函數(shù)發(fā)生器及修正單元、測距儀、比較器、控制器含加法器、邏輯控制開關(guān)、風油門及剎車控制電磁執(zhí)行裝置、剎車控制器、最高車速給定裝置與比較器和報警控制顯示單元。所述車速檢測BCD碼轉(zhuǎn)換器獲取本車車速并轉(zhuǎn)換為BCD碼送到存儲器或函數(shù)發(fā)生器及修正單元；所述存儲器或函數(shù)發(fā)生器及修正單元至少包括一存儲器或函數(shù)發(fā)生器及比例運算器，所述存儲器中存儲安全車距值、函數(shù)發(fā)生器輸入車速輸出安全車距或輸入安全車距輸出車速，車速檢測BCD碼轉(zhuǎn)換器輸出BCD碼作為該存儲器存儲單元的地址碼或函數(shù)發(fā)生器的輸入，存儲器或函數(shù)發(fā)生器輸出的安全車距經(jīng)比例運算器進行修正后送比較器作閉環(huán)控制系統(tǒng)給定值，構(gòu)成必須的給定值正反饋通路，所述函數(shù)發(fā)生器即可硬件制做，也可軟件編程實現(xiàn)；所述測距儀采用超聲波測距儀，用以獲取本車與前后車或障礙物之實際車距作閉環(huán)控制系統(tǒng)狀態(tài)負反饋量送比較器；所述比較器將輸入安全車距給定值與輸入測得的實際車距進行比較運算，輸出誤差至控制器，從而構(gòu)成給定值正反饋與輸出量狀態(tài)負反饋經(jīng)過控制器對受控對象控制的共同通路；所述控制器含加法器對誤差進行PD或PID運算，其結(jié)果分別輸出至邏輯控制開關(guān)到風油門電磁執(zhí)行裝置、剎車電磁執(zhí)行裝置和報警控制顯示單元；所述最高車速給定裝置與比較器包括一最高車速給定電路和一比較器，最高車速給定電路給出限制最高車速設(shè)定數(shù)碼或模擬電壓值，比較器對最高車速設(shè)定值與實際車速值進行比較，并將結(jié)果輸出給邏輯控制開關(guān)以限制最高車速；所述邏輯控制開關(guān)根據(jù)控制器輸出控制信號的正、負、大、小及最高車速給定比較器輸出控制信號進行邏輯判斷，結(jié)果對風油門控制電磁執(zhí)行裝置的控制通路給出接通與斷開的控制；邏輯控制開關(guān)包括有人控優(yōu)先自動切換開關(guān)，用于在防撞自動駕駛和司機駕駛、或轉(zhuǎn)向超車優(yōu)先之間自動切換。
本發(fā)明效果本發(fā)明防撞全自動駕駛儀自動駕駛車是除方向盤、啟動換檔、遇紅綠燈不能控制外的防撞全自動駕駛車，確保高速公路、公路、大中城市環(huán)路、市內(nèi)公路安全快速行車，給汽車增加科技含量和提高檔次，給公路交通提高科技水平、科學縮短安全”車間距”，增加高速公路、公路車容量，極大增加車流量，提高高速公路、公路利用率和通行能力，給國家增加社會效益和經(jīng)濟效益，更重要的是避免交通事故發(fā)生而安全、快速行車，保障人身車輛安全，從根本上杜絕汽車相撞，避免大霧天氣發(fā)生撞車、車毀人亡的交通事故，而被迫關(guān)閉高速公路的發(fā)生。
本發(fā)明控制器控制系統(tǒng)既快又穩(wěn)、無振蕩、無超調(diào)、適于受控對象參數(shù)變化范圍6萬倍以上，控制的高性能不變各種高、精、尖要求的受控對象。廣泛適用于大、中、小、空車、重載車、電動汽車、火車、輪船，還適用于其它各行各業(yè)的各種受控對象的控制，更適用無超調(diào)、既快又穩(wěn)、更準的武器裝備控制。


圖1.本發(fā)明的原理方塊圖；圖2.本發(fā)明原理方塊信號流圖；圖3(a).控制器(1-1-10)控制汽車＝1/S2安全車間距閉環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)；圖3(b).控制器(2-2-1)控制汽車＝0.015/[S(S+0.1)]安全車間距閉環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)；圖3(c).控制器(2-2-1)控制汽車＝1000/[S(S+0.1)]安全車間距閉環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)；圖4.汽車防撞全自動駕駛儀自動控制汽車安全車間距系統(tǒng)實施實例電路圖；圖5.超聲波測距裝置實施實例電路圖
②.所述安全車距存儲器或函數(shù)發(fā)生器與修正單元至少包括一存儲器和一乘法器或軟件編制乘法程序，對存儲器輸入VX地址碼存儲器輸出安全車距SV，經(jīng)修正乘以系數(shù)k，輸出kSV作為“給定值”送至比較器2，存儲器既可用集成電路存儲器，也可用單片機內(nèi)存儲器。
函數(shù)發(fā)生器安全車距SV是汽車在即時車速VX下剎車時，靠剎車磨擦力F作用滑行最大而確保不撞車的距離SV，車速VX的安全剎車距SX之間的基本函數(shù)應(yīng)為SX＝(1/2·MVX2)/F，再加以可調(diào)修正，其中M為汽車質(zhì)量。這一函數(shù)既可用硬件制做，也可計算機軟件實現(xiàn)。硬件制做用平方電路乘法器即實現(xiàn)SX＝1/2·VX2，其中VX為輸入、亦可反之。
③.測距儀采用超聲波測距方案超聲波測距儀由超聲波發(fā)送與接收器、超聲方波發(fā)生器、單穩(wěn)觸發(fā)器、計數(shù)器、比較器、門控電路、1-3位十進制編、解碼超聲波發(fā)送與接收控制電路，數(shù)控增益編程放大器、溫度自動補償計測距沖發(fā)生器電路組成測距150-200m的超聲波測距儀；在單穩(wěn)觸發(fā)器、計數(shù)器、比較器、門控電路、1-3位十進制編、解碼超聲波發(fā)送與接收電路控制下，超聲波發(fā)送器發(fā)送十進制編碼超聲波，反射回波由超聲波接收器接收、放大、比較器比較送十進制解碼輸出控制信號，即完成一個測量周期時間T，在T時間內(nèi)測距計數(shù)器對溫度自動補償測距脈沖發(fā)生器發(fā)出2分頻脈沖計數(shù)，計數(shù)結(jié)果即是實測車距離。
④.給定值kSV與反饋SX2’比較器2既可用軟件編制減法程序作減法運算，也可用模擬或數(shù)字減法器做硬件比較器，減法程序或減法器作減法運算，算得Δs＝kSV-SX2’，將Δs輸出至3比例P、4積分I、5微分D，由此對汽車在很短時間Δt內(nèi)變化距離ΔSX2’構(gòu)成至少2個閉環(huán)負反饋對汽車控制回路和給定值kSV對汽車至少2個正反饋前向控制路徑，從而構(gòu)成圖2對汽車10’10的閉環(huán)PD、PID控制兼狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；⑤.控制器3、4、5含加法器6加法器6輸出6’＝3+4+5＝(KP+KDS+KI/s)Δs，這是本發(fā)明的核心發(fā)明。其中一、無超調(diào)、快跟蹤3階III型最佳系統(tǒng)及PID控制器1.把汽車防撞全自動駕駛儀控制汽車安全車間距系統(tǒng)制做成3階III型圖1、圖2、圖4系統(tǒng)KDS+KP+KI×1/SS2+KDS+KP+KI×1/S=a0ωnS+a1ωn2+a2/SS2+a0ωnS+a1ωn2+a2/S]]>2400ωnS+16×105ωn2+ωn3/SS2+2400ωnS+16×105ωn2+ωn3/S---(1)]]>
對汽車或其它任何受控對象＝1/S2(0)所必須制做或軟件編程實現(xiàn)的PID控制器＝2400ωnS+16×105ωn2+ωn3/S (1-0)其中1.ωn＞0的任意實數(shù)、取最大100≥ωn已足夠用；2.取ωn＝1時，2400S+16×105+1/SS2+2400S+16×105+1/S---(1-1)]]>制做汽車(0)的控制器是6＝PID＝2400 S+16×105+1/S(1-1-1)控制器輸出6’＝(2400S+16×105+1/S)Δs控制汽車安全車間距閉環(huán)系統(tǒng)(1-1)動態(tài)性能的單位階躍響應(yīng)是超調(diào)量σ＝0、毫無振蕩；零穩(wěn)態(tài)誤差響應(yīng)時間tS1＝0.0065[s]；因為是III型系統(tǒng)，所以即使前車作勻加或勻減速度行駛時，對前車也都能自動做到完全相同的無差勻加或勻減速度的跟蹤，所以從根本上保證絕對不會發(fā)生撞車。系統(tǒng)(1-1)的零點t1.1＝-666.6667、r12＝-0.0000；極點p1.1、p1.2＝-1200.0±400.0i、p1.3＝-0.0000，其中一對近似為0的零、極點產(chǎn)生相對消，這是量變到質(zhì)變，即積分控制器對系統(tǒng)動態(tài)性能毫無影響，只是閉環(huán)系統(tǒng)是III型系統(tǒng)。系統(tǒng)的動態(tài)性能完全取決于控制器PD＝KDS+KP＝2400S+16×105對汽車的控制。PD＝KDS+KP＝a0ωnS+a1ωn2，滿足無振蕩、無調(diào)量的條件是a0/a1≥1.739]]>滿足對汽車或其它2階對象＝1/S2閉環(huán)控制的絕對無振蕩、無超調(diào)的要求。
2.在(1)中取ωn＝10，這時的圖1、圖2、圖4系統(tǒng)是24000S+16×107+103/SS2+24000S+16×107+103/S---(1-10)]]>制做汽車＝1/S2(0)的控制器是6＝PID＝24000S+16×107+103/S (1-1-10)控制器輸出6’＝(24000S+16×107+103/S)Δs這時由控制器(1-1-10)控制的汽車＝1/S2的汽車車間距閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)性能的單位階躍響應(yīng)如圖3(a)所示1.超調(diào)量σ＝0，即無振蕩、無超調(diào)；2.零穩(wěn)態(tài)誤差響應(yīng)時間tS10＝0.00065[s]，即快速響應(yīng)時間tS10比tS1又加快10倍。系統(tǒng)(1-10)的零點r1.1＝-6666.667、r1.2＝-0.0000；極點p1.1p1.2＝-12000.0±4000.0i、p1.3＝-0.0000，這時除一對為0的零、極點相對消外，其余兩極點p1.1、p1.2＝-12000.0±4000.0i的負實部在根平面的左半平面又都遠離虛軸10倍，因此圖1、圖2、圖4系統(tǒng)(1-10)的穩(wěn)定性能又提高10倍，這時圖1、圖2、圖4系統(tǒng)的開環(huán)增益增大100倍，所以這樣設(shè)計制做控制器控制的系統(tǒng)是開環(huán)增益越大，閉環(huán)系統(tǒng)越穩(wěn)定，并且響應(yīng)時間越快、動靜態(tài)誤差都越小，控制準確度越高。這樣高的開環(huán)增益用模擬電路可以制做，但有一定難度，用計算機軟件實現(xiàn)這樣控制器是很容易做到的。事實上只有非常高、精、尖要求的控制系統(tǒng)才需要如此高的開環(huán)增益，對汽車控制取ωn＝1已充分有余。
圖1、圖2、圖4系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征是由于汽車是2階系統(tǒng)，眾所周知2階系統(tǒng)共有2個狀態(tài)變量，這2個狀態(tài)變量就是對汽車輸出車間距離SX2’的比例及微分，所以對SX2’必須有比例和微分PD2個閉合狀態(tài)反饋回路，這就是必要的結(jié)構(gòu)特征，同時PD控制器又在前向通路上，所以閉環(huán)控制系統(tǒng)又在結(jié)構(gòu)上構(gòu)成“環(huán)”與“路”的完全相等，由于本發(fā)明控制器的控制性能很強，是因為開環(huán)增益很大、微分又搭配得當，所以即使“環(huán)”與“路”不完全相等、甚至理想微分用近似的模擬電路(圖4)制做的實際微分代替都無防，只是快速跟蹤性能受些影響。
二、無超調(diào)、快跟蹤2階II型最佳系統(tǒng)及PD控制器1.把汽車防撞全自動駕駛儀控制汽車安全車間距系統(tǒng)制做成2階II型圖2、圖4(去掉積分)系統(tǒng)2400S+16×105S2+2400S+16×105---(2)]]>2.對受控對象汽車＝1/S2，(0)所需制做控制器PD＝2400S+16×105(2-1)對汽車輸出控制量6’＝(2400S+16×105)Δs3.對受控對象汽車＝β/S2(0′)
所需制做控制器PD＝(2400S+16×105)/β零點r2＝-666.6667；極點P21、P22＝-1200.0±400.0i。其性能是超調(diào)量σ＝0、毫無振蕩；ts＝0.0065[s]；II型系統(tǒng)，當前車作勻速度行駛時，對前車能作到無差的跟蹤。對前車作勻加、減速度行駛的跟蹤是有差跟蹤，但由于開環(huán)增益＝16×105很大，所以誤差近似為0。
上面控制器(1-1-1)和(2-1)(1-1-10)非常適用各種小型車和驕車調(diào)速控制安全車間距離用，其特點是無振蕩、無超調(diào)、響應(yīng)時間非?？?。當車間距離產(chǎn)生微小變化時，控制器便快速調(diào)速、剎車減速控制安全車間距離＝給定值，從根本上杜絕汽車發(fā)生撞車。
三.無振蕩、無超調(diào)、強魯棒、PD控制器II型強魯棒控制兼狀態(tài)反饋控制器PD＝KP+KDS＝a1ωn2+a0ωnS (2-2)當ωn＝1、a0/a1≥14.66,]]>a0＝44000，滿足對汽車或其它2階對象＝β/S2，其中β＝0.015---1000變化66666.6倍而無振蕩、無超調(diào)性能不變。這時PD控制兼狀態(tài)反饋控制器＝44×103S+9×106(2-2-1)控制器(2-2-1)控制汽車(可以是其它任何受控對象)＝β/S2(0)，其中β＝0.015---1000，變化66666.6倍時的II型PD控制兼狀態(tài)反控制安全“車間距”系統(tǒng)的控制結(jié)果分別取β＝0.015、β＝1000時由控制器(2-2-1)控制的汽車安全車間距系統(tǒng)是0.015(44×103S+9×106)S2+0.015(44×103S+9×106)=660S+135000S2+660S+135000---(2.015)]]>1000(44×103S+9×106)S2+1000(44×103S+9×106)=44×106S+9×109S2+44×106S+9×106---(1000)]]>其單位階躍響應(yīng)的計算機仿真結(jié)果如圖3(b)、3(c)所示無振蕩、無超調(diào)；tS0.015＝0.018[s]---tS1000＝0.032[s]，上述結(jié)果證明當汽車參數(shù)β變化66666.6倍時，汽車高性能無振蕩、無超調(diào)、快響應(yīng)控制結(jié)果不變，只是過渡時間相差14ms。
這一發(fā)明控制器可控制任何型號的大型客車和貨車，即使受控對象是萬噸級輪船，其變化范圍也遠遠小于6萬倍。所以控制器(2-2-1)不僅控制各種汽車，即使控制火車、輪船等都充分有余。
控制器共輸出3路控制信號1.報警控制顯示單元(14、15)；2.經(jīng)邏輯控制開關(guān)(kC)控制風油門電磁執(zhí)行裝置(8)，電磁執(zhí)行裝置(8)根據(jù)控制器輸出控制信號控制風油門開度大小對汽車調(diào)節(jié)速度控制汽車在行駛中或倒車中始終保持最佳給定的安全車間距離或車速度；3.控制剎車電磁執(zhí)行裝置(7、13)剎車滅減速控制安全車間距離。
必須說明1.上述給出發(fā)明所有控制器都不是唯一的，有千千萬萬，可根據(jù)不同要求、不同對象采用各種不同參數(shù)控制器。2.本發(fā)明所用汽車對象均為雙積分環(huán)節(jié)，這是選用最嚴重和最難控制的情況，汽車實際是階慣性環(huán)節(jié)和一階積分環(huán)節(jié)相串聯(lián)，當慣性很大時，或?qū)σ浑A慣性環(huán)節(jié)采用局部正反饋補償都將使其成為雙積分環(huán)節(jié)。
控制器的制做既可用模擬電路、數(shù)字加、減、乘、除集成電路、電阻、電容器等硬件制做，也可用微機或單片機、微處理器軟件編制PD運算程序而實現(xiàn)PD運算與控制功能，多種方法都能實現(xiàn)控制器的制做。
⑥.邏輯控制開關(guān)kC；邏輯控制開關(guān)kC包括(僅在圖4中)J2繼電器及觸點J2BT5和比較器9；比較器7、三極管T1和繼電器J1及觸點J1B；bj3比較器、T4和J3繼電器及觸點J3K1J3K2；d.F1和T2組成邏輯控制開關(guān)，上述所有由三極管和通電電流不大的繼電器觸點開關(guān)都可用模擬開關(guān)4066代替；一般情況kC對6’送入8電流放大、風油門控制磁力執(zhí)行器的控制信號起接通與關(guān)斷控制作用a.vX≥vm、b.6’＞0并產(chǎn)生剎車控制信號時kC關(guān)斷，否則kC接通，kC關(guān)斷與接通分別由9’、7’兩個控制信號控制；邏輯控制開關(guān)kC包括人控優(yōu)先自動切換開關(guān)由k1k2k3k4k5k66個串聯(lián)常閉開關(guān)組成，其中k1k2k3k4個兩兩串聯(lián)分別暗裝在風油和剎車腳踏板鉆孔中，將k5與轉(zhuǎn)向燈開關(guān)接成二選一，k6暗裝在離合器腳踏板鉆孔中，腳踏其中任一踏板時開關(guān)斷開，轉(zhuǎn)向燈通、則k5斷，都自動實現(xiàn)人控優(yōu)先和轉(zhuǎn)向加速超車優(yōu)先控制；當腳離開踏板，k1k2k3k4k6自動靠復(fù)位彈黌力閉合，轉(zhuǎn)向燈開關(guān)k5閉合，自動接通防撞全自動駕駛儀控制通路，實現(xiàn)自動駕駛控制安全車間距離。
⑦.剎車電磁執(zhí)行裝置7、13和風油門電磁執(zhí)行裝置8；由7剎車防抱死自動控制電路及8、13各自三極管電流放大器和磁力執(zhí)行機構(gòu)組成；7剎車防抱死自動控制電路由方波發(fā)生器、模擬加法器、比較器、門控電路組成。當比較器、門控電路判斷須剎車時輸出7’＝“0”關(guān)斷kC；輸出7’＝“0” 防抱死方波發(fā)生器起振輸出方波同比例微分積分6’分別送加法器兩個輸入端，加法器輸出方波與6’疊加放大信號送13；8、13電流放大器部分分別由功率三極管、或一對互補三極管例如B647和2N3055等功率三極管及與三極管反相并聯(lián)泄流二極管組成復(fù)合控制電路構(gòu)成。三極管集電極或發(fā)射極一端接電源一端，另端接螺旋繞線線圈；8、13磁力執(zhí)行機構(gòu)分別各由螺旋繞線線圈、硬塑料管、磁鐵、良導磁體筒或桶、鋼絲拉線5部分構(gòu)成。高強度漆包線螺旋繞線線圈繞在硬塑料管上，線圈一端接電源另一端、另端接三極管，則線圈三極管電源構(gòu)成閉合回路，三極管基極根據(jù)控制信號控制線圈1中電流大小，良導磁體筒套固在線圈、硬塑料管外為外罩，主要作用是減小磁阻增大磁通量，硬塑料管內(nèi)裝有可移動的磁化磁鐵，磁鐵一端連鋼絲拉線；各自拉線分別與風油門、剎車腳踏板連桿連接。眾所周知，線圈通過直流電流產(chǎn)生N、S極電磁場與裝在管內(nèi)的磁鐵產(chǎn)生電磁拉力，拉力通過拉線控制風油門開度實現(xiàn)自動調(diào)速控制安全車距；控制剎車線圈2通過方波與6’疊加電流，使磁鐵產(chǎn)生方波振動拉力作用于剎車腳踏板，6’疊加電流控制改變振動防抱死剎車力度，6’信號大時自動進行急剎車；⑧.最高車速給定器11可用數(shù)碼撥盤、10線-4線BCD優(yōu)先級編碼器給出最高限速BCD數(shù)碼vm，送18顯示，并送9供計算機軟件編制程序比較運算、或數(shù)字比較器比較用，將運算比較結(jié)果輸出控制信號給kC；簡便易司機操作的是11用電位器給出限速模擬電壓vm送18顯示，并送模擬比較器9，比較結(jié)果輸出“0”、“1”控制信號給kC；⑨.最高車速比較器9既可采用計算機軟件編制程序作減法比較運算輸出控制信號，也可用數(shù)字電路或模擬運算放大器作比較器，把比較結(jié)果送給kC。
⑩.報警控制顯示單元14、15包括閉環(huán)越限(1).輕報警；(2).報警；(3).重報警；(4).緊急報警。圖2中，報警信號取于給定值kSV正反饋與實測車間距離SX2’之差Δs的PD＝6’＝Δs(KDS+KP)(Δs分辨率＝1mm-10mm、可作到0.1mm)是閉環(huán)最佳給定kSV與閉環(huán)比例、微分負反饋的控制信號的合成信號，它最微觀、最靈敏、最科學地反應(yīng)汽車行駛狀況，它給出了防微杜漸，未卜先知的預(yù)測(1).一次測距如6’≥0時，減小風門自然減速報警；(2).第一、二次測距6’≥某一門限值時，關(guān)風油門自然減速報警；(3).一次測距6’≥某一高門限值時，剎車報警(在圖4中bj3給出自動控制剎車信號)；(4).在(3)第二次報警，報警計數(shù)器輸出急剎車報警。這些報警是PD、PID控制器自動運算結(jié)果6’通過比較器14比較自動進行不同報警。
報警方式聲、光并用(1).、(2).、(3).、(4).四種報警均采用4或5只數(shù)碼管17閃爍顯示，語言芯片、喇叭講話報警。
報警判別電路(1).、(2).、(3).、(4).四種報警均采用數(shù)字比較器、或模擬比較器、或單片機運算，比較設(shè)定的各自不同閥值門限是否越限，并計算越限次數(shù)，根據(jù)不同越限及越限次數(shù)分別不同報警。
(11).數(shù)碼管顯示器16、17、18組成。16顯示kSV、17顯示SX2’、18顯示Vm、控制數(shù)碼管17閃爍顯示報警。
圖4.是汽車防撞全自動駕駛儀自動調(diào)速控制汽車安全車距系統(tǒng)實施實例電路圖，該圖完整地表述了本發(fā)明具體實施方式
。
汽車防撞全自動駕駛儀自動駕駛狀態(tài)人控優(yōu)先自動切換開關(guān)k1k2k3k4k5k6常閉觸點都閉合。
一、行駛汽車給出兩個數(shù)據(jù)(1).車速度經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成BCD碼作存儲器地址，從存儲器讀出車速安全車距SV，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量，經(jīng)電阻R1送修正單元運放1的反相輸入端，經(jīng)改變反饋可調(diào)電位器R2x修正后輸出“給定值”-kSV經(jīng)電阻R4送運放2加法比較器的反相輸入端；(2).汽車與前車或障礙物之間距離，由超聲波測距儀測得SX2’后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量，經(jīng)電阻R3送運放2加法比較器的反相輸入端與-kSV相減輸出＝Δs。
二、Δs＝-(SX2-kSV)＝kSV-SX2的誤差控制(1).如SX2’＞kSV，是汽車加大油門加速自動控制狀態(tài)，因?qū)崪y車間距＞給定值輸出Δs＜0經(jīng)比例P放大器3反相放大輸出3’＞0，4和5分別是積分I和微分D運算放大器，經(jīng)反相加法器6得到3’+4’+5’＝6’，如6’＜0，6’共3路輸出①.經(jīng)R31控制4個報警，其中bj3送圖5中45181報警計數(shù)，當連續(xù)報警2次45181輸出bj4報警，由于6’＜0的自動控制加速狀態(tài)而不產(chǎn)生報警；②.經(jīng)R22送入比較器7，輸出7’＝“0”，控制三極管T1截止，J1BJ2B(最高限速常閉觸點)都閉合，T2基極接通控制F1；③.6’通過R23、F1控制T2基極而控制線圈1電流，如電流增大則風油電磁執(zhí)行裝置控制風油門開度增大，從而自動控制加速來減小與前車之間的車距SX2’，使SX2’＝給定值k SV。
(2).如SX2’＜kSV，即當前車發(fā)生減速時，6’＞0，T1由截止變導通，繼電器J1動作J1B常閉觸點斷開，T2基極通過R30接地變成0電位而截止，線圈1電磁控制執(zhí)行裝置無電流，而關(guān)閉風油門自然減速。但沒報警，所以T4截止，J3的常開觸點J3K1J3K2斷開，剎車不作用；當前車發(fā)生急剎車時，6’＞＞0，bj3報警控制T4由截止變導通，J3K1J3K2均閉合，所以防抱死方波發(fā)生器產(chǎn)生抱閘方波通過R34送入運放13反相輸入端與6’通過R31送入運放13同相輸入端相加輸出13’，13’控制T3在一個變化的直流電平上疊加方波電流在線圈2中流過，線圈2產(chǎn)生兩個電磁場一個是與6’成比例變化的直流電流電磁場，另一個是方波電流電磁場，這兩個電磁場疊加在一起與裝在本線圈2中永磁鐵NS極異性振動相吸，產(chǎn)生較大電磁振動防抱死剎車力來剎車減速，當6’大到某一設(shè)計值時則自動防抱死急剎車減速來控制安全車間距＝隨速度變化的給定值。所以從根本上杜絕汽車撞車的發(fā)生。
三、最高限速V＝12V電壓經(jīng)電阻R21R35分壓得Vm最高限速電壓，可手調(diào)旋扭改變R21的阻值改變最高限速Vm，Vm送比較器9反相端；汽車即時車速的模擬量信號Vx經(jīng)R36送比較器9同相端與Vm相比較當Vm＞Vx，9’＝“0”，T5截止，J2繼電器不動作；當Vm≤Vx，9’＝“1”，T5導通，J2繼電器動作；J2B常閉觸點斷開，T2截止，控制風油門關(guān)閉自然減速，起到限制最高車速作用。
四、圖2中的邏輯控制開關(guān)kC在圖4中包括a.J2繼電器及觸點J2BT5和比較器9；b.比較器7、三極管T1和繼電器J1及觸點J1B；c.bj3比較器、T4和J3繼電器及觸點J3K1J3K2；d.F1和T2。
五、人控優(yōu)先與汽車防撞全自動駕駛儀控制自動切換開關(guān)由k1k2k3k4k5k66個串聯(lián)常閉開關(guān)組成，其中k1k2k3k4個兩兩串聯(lián)分別暗裝在風油和剎車腳踏板鉆孔中，k5與轉(zhuǎn)向燈開關(guān)接成之二選一，k6暗裝在離合器腳踏板鉆孔中，腳踏其中任一踏板時串聯(lián)開關(guān)斷開，轉(zhuǎn)向燈通、則k5斷，都自動切換為人控優(yōu)先；腳離踏板并轉(zhuǎn)向燈復(fù)位時自動切換為防撞全自動駕駛儀控制自動駕駛。
六、bj1bj2bj3bj4四個報警輸出除均控制指示燈閃爍掀報警外，分別各自控制不同的語言芯片進行各自語言報警。
圖5.超聲波測距儀實施實例的電路5是由超聲波發(fā)送與接收器B1B2、超聲方波發(fā)生振蕩器、單穩(wěn)觸發(fā)器、計數(shù)器、比較器、門控電路、一位十進制編、解碼控制超聲波發(fā)送與接收電路、數(shù)控增益編程放大器、溫度自動補償計測距沖發(fā)生器、測距計數(shù)器組成的測距150-200m的超聲波測距儀。
工作過程及采用電路的特點是接通電源時電容器cc、二極管Dc與電阻Rc組成微分電路產(chǎn)生并輸出正脈沖1.給4518第15腳清“0”；2.作用于DW1使其觸發(fā)Q＝“1”、Q’＝“0”。Q＝“1”作用有2a.通過D1解除對F3F4R41R42c4組成超聲波發(fā)生器的箝位封鎖，開始振蕩輸出測距和十進制編、解碼控制計數(shù)超聲方波；b.打開4518第10腳計數(shù)控制門使計數(shù)脈沖由F1輸出經(jīng)c2作用于9腳開始計數(shù)，由Y1Y2Y3組成控制門對設(shè)計編碼為9的計數(shù)譯碼控制，當發(fā)送9個超聲方波時Y3＝“1”→“0”控制DW1翻回穩(wěn)態(tài)Q＝“1”→“0”關(guān)閉超聲波發(fā)生器和9腳的計數(shù)；Q’＝“0”→“1”作用給4518、45182、5001使其各自清“0”的同時控制DW2使Q2＝“0”→“1”、Q’2＝“1”→“0” 處于暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)Q2＝“0”→“1”作用給4518、45182、5001打開各自計數(shù)控制門和通過D2解除對測距脈沖發(fā)生器的箝位封鎖，溫度自動補償測距脈沖發(fā)生器由F5F6Rt和2個相同電容器cf設(shè)計成按2分頻的頻率，每個脈沖分別代表1mm、10mm輸出測距脈沖，振蕩頻率f=1/(4π2Rtcf),]]>其中Rt是由負溫度系數(shù)半導體電阻與金屬膜電阻串并聯(lián)自動補償超聲波傳播速度隨溫度變化的電阻。45182共2個計數(shù)器其中1個作報警計數(shù)、1個作測距個位計數(shù)，如果再增加1個十位計數(shù)器，這時是共6位十進制測距計數(shù)器，則把脈沖分辨率提高到每個脈沖分別代表0.1mm。圖中共5位十進制計數(shù)器計數(shù)測距脈沖，45182個位只計數(shù)1→9，當?shù)?0個脈沖計數(shù)后的3456腳各自連接二極管D和接地電阻R53組成負與門控制電路輸出“1”→“0”，經(jīng)c11把第10個脈沖進位到5001(負跳變觸發(fā)計數(shù))計數(shù)1為十位數(shù)，所以5001計數(shù)范圍是10×0→9999，如果低位再增加十位數(shù)BCD碼計數(shù)器，5001計數(shù)范圍是100×0→9999。
超聲波接收器B2接收脈沖經(jīng)f1f22級放大，f1f2用數(shù)控增益編程儀器放大器PGA202而不用負反饋電阻，增益為1、10、100、1000，2級最大放大100萬倍，目的是增大超聲波測距的距離，必要時再增加一級三極管超聲波LC并聯(lián)諧振選頻前置放大級，目的為更有效抑制噪聲。放大后的信號經(jīng)b1比較器整型送4518腳1進行解碼計數(shù)，當計數(shù)恰好為9時，4585數(shù)字比較器的比較與被比較的兩組數(shù)完全相等而3腳輸出“ 1”→“0”，強制DW2翻回穩(wěn)態(tài)Q2＝“1”→“0”；Q’2＝“0”→“1”；Q2＝“0”通過D2箝位，停止測距脈沖發(fā)送，剛好完成車間距離一個測量周期，5001計數(shù)結(jié)果就是實測車間距離高4位十進制結(jié)果，再用七段譯碼、用數(shù)碼管最大顯示99.99m；999.9m這4位實測距離已足夠。
Q’2＝“0”→“1”通過c9Rc微分輸出，除對4518第15清“0”外，給DW1第4腳觸發(fā)使其又重新處于暫穩(wěn)態(tài)，自動控制開始下一測量周期，這樣周而復(fù)始地測距并控制顯示。
解碼計數(shù)不能恰好為9時，即車間距離不在測量范圍內(nèi)不能強制DW2翻回穩(wěn)態(tài)，待暫穩(wěn)到達設(shè)計時間如設(shè)計為1.5[s]時DW2自動翻回穩(wěn)態(tài)，仍進行周而復(fù)始地自動測距、測距結(jié)果自動顯示，并反饋輸出給比較器。
用F1F2是為增大加在超聲波發(fā)生器B1上交變電壓，F(xiàn)1F2F3F4用4049或4069，用逆變電源分別用7808和8709穩(wěn)壓后相加17V電源供電。這種方案測距就能超過93117109、93223143專利測距最大150-200m距離。此外還有次聲載波方案，即用膠把B1牢靠地粘貼在次聲波發(fā)生器的本體上，例如喇叭的紙盆上。
權(quán)利要求
1.一種汽車防撞全自動駕駛儀，其特征在于包括車速檢測BCD碼轉(zhuǎn)換器、存儲器或函數(shù)發(fā)生器及修正單元、測距儀、比較器、控制器含加法器、邏輯控制開關(guān)、風油門及剎車電磁執(zhí)行裝置、剎車控制器、最高車速給定裝置與比較器和報警控制顯示單元；所述車速檢測BCD碼轉(zhuǎn)換器獲取本車車速并轉(zhuǎn)換為BCD碼送到存儲器或函數(shù)發(fā)生器及修正單元；所述存儲器或函數(shù)發(fā)生器及修正單元至少包括一存儲器或函數(shù)發(fā)生器、比例運算器，車速檢測BCD碼作存儲器的地址碼或函數(shù)發(fā)生器的輸入，存儲器或函數(shù)發(fā)生器輸出的安全車距經(jīng)比例運算器進行修正后送比較器；所述測距儀用超聲波測距儀，用以獲取本車與前后車或障礙物之實際車距，輸出送比較器；所述比較器將輸入安全車距給定值與輸入測得的實際車距進行比較運算，輸出誤差至控制器；所述控制器含加法器是對誤差進行比例微分PD或比例積分微分PID運算器，其運算結(jié)果分別輸出至邏輯控制開關(guān)到風油門電磁執(zhí)行裝置、剎車電磁執(zhí)行裝置、報警控制顯示單元；所述剎車控制器由防抱死方波發(fā)生器、加法器、比較器組成，比較器接控制器給出越限剎車信號，控制加法器輸出防抱死方波與越限剎車信號之和送剎車電磁執(zhí)行裝置、并送邏輯控制開關(guān)“0”、“1”控制信號；所述最高車速給定裝置與比較器包括一最高車速給定電路和一比較器，最高車速給定電路給出限制最高車速設(shè)定數(shù)碼或模擬電壓值，比較器對最高車速設(shè)定值與實際車速值進行比較，并將結(jié)果輸出給邏輯控制開關(guān)；所述邏輯控制開關(guān)根據(jù)控制器、剎車控制器、最高車速給定裝置送入控制信號分別進行比較邏輯判斷，結(jié)果對風油門電磁執(zhí)行裝置控制通路給出接通與斷開的控制；邏輯控制開關(guān)包括有人控優(yōu)先自動切換開關(guān)，用于在防撞自動駕駛和司機駕駛之間自動切換；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車防撞全自動駕駛儀，其特征在于所述的存儲器或函數(shù)發(fā)生器及修正單元至少包括一存儲器或函數(shù)發(fā)生器、比例運算器，所述存儲器存儲安全車距值、函數(shù)發(fā)生器輸入車速輸出安全車距或輸入安全車距輸出車速，車速檢測BCD碼轉(zhuǎn)換器輸出作為該存儲器存儲單元的地址碼或函數(shù)發(fā)生器的輸入，存儲器或函數(shù)發(fā)生器輸出的安全車距經(jīng)比例運算器進行修正后送比較器作閉環(huán)控制系統(tǒng)給定值，構(gòu)成必須的給定值正反饋通路；所述函數(shù)發(fā)生器即可硬件制做，也可軟件編程實現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車防撞全自動駕駛儀，其特征在于所述的超聲波測距儀由超聲波發(fā)送與接收器、超聲波發(fā)生器、單穩(wěn)觸發(fā)器、計數(shù)器、比較器、門控電路、1-3位十進制編、解碼超聲波發(fā)送與接收控制電路，數(shù)控增益編程放大器、溫度自動補償測距沖發(fā)生器組成；在單穩(wěn)觸發(fā)器、計數(shù)器、比較器、門控電路、1-3位十進制編、解碼超聲波發(fā)送與接收電路控制下，超聲波發(fā)送器發(fā)送十進制編碼超聲波，反射回波由超聲波接收器接收、放大、比較器比較微分輸出送十進制解碼后輸出控制信號，即完成一個測量周期時間T，在T時間內(nèi)測距計數(shù)器對測距脈沖發(fā)生器發(fā)出的2分頻脈沖計數(shù)，計數(shù)結(jié)果即是實測車距離；還在于采用增大加在超聲波發(fā)生器B1上交變電壓幅值、次聲載波發(fā)送超聲波增大測距距離達超150-200m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車防撞全自動駕駛儀，其特征在于所述的PID控制器＝KP+KI×1/S+KDS＝16×105ωn2+ωn3/S+2400ωnS，對汽車或其它2階對象＝1/S2的控制是III型閉環(huán)系統(tǒng)[2400ωnS+16×105ωn2+ωn3/S]/[2400ωnS+16×105ωn2+ωn3/S](1)，所述的III型閉環(huán)系統(tǒng)必有由積分控制器決定一對為0的極、零點相消，其動態(tài)性能完全取決于PD控制器＝KP+KDS＝16×105ωn2+2400ωnS，快速跟蹤性能取決于無阻尼自然頻率ωn的取值100＞ωn＞0、當ωn＝1增大到10，無振蕩、無超調(diào)量的單位階躍響應(yīng)零穩(wěn)態(tài)誤差時間加快10倍為0.00065[s]，系統(tǒng)穩(wěn)定裕度提高10倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的汽車防撞全自動駕駛儀，其特征在于所述的控制器PD＝KP+KDS＝a1ωn2+a0ωnS，當a0/a1≥1.739]]>，滿足對汽車或其它2階對象＝1/S2閉環(huán)控制的無振蕩、無超調(diào)的要求；當a0/a1≥14.66,]]>a0＝44000，滿足對汽車或其它2階對象＝β/S2，其中β＝0.015---1000變化66666.6倍而無振蕩、無超調(diào)性能不變、只是過渡時間相差14ms的閉環(huán)控制；所述PD控制器的控制性能完全取決于a0、a0/√a1、ωn的取值，所述PD控制器構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)輸出對2階受控對象的比例微分2個狀態(tài)負反饋閉合回路所必要的結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車防撞全自動駕駛儀，其特征在于還包括顯示裝置，顯示裝置的輸入分別與存儲修正單元、測距儀的輸出連接，用于顯示安全車距與實際車距。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車防撞全自動駕駛儀，其特征在于所述風油門及剎車電磁執(zhí)行裝置由三極管電流放大器、通電線圈、磁鐵構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車防撞全自動駕駛儀，其特征在于所述邏輯控制開關(guān)包括人控優(yōu)先自動切換開關(guān)由6個串聯(lián)的常閉開關(guān)(k1、k2、k3、k4、k5、k6)組成，其中常閉開關(guān)(k1、k2、k3、k4)4個兩兩串聯(lián)分別暗裝在風油和剎車腳踏板鉆孔中，常閉開關(guān)(k5)與轉(zhuǎn)向燈開關(guān)接成之二選一，轉(zhuǎn)向燈通、則常閉開關(guān)(k5)斷，常閉開關(guān)(k6)暗裝在離合器腳踏板鉆孔中，腳踏其中任一踏板時串聯(lián)開關(guān)斷開，都自動優(yōu)先切換為人控；腳離踏板并轉(zhuǎn)向燈復(fù)位時自動切換為防撞全自動駕駛儀控制自動駕駛。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車防撞全自動駕駛儀，其特征在于所述最高車速給定裝置與比較器可用數(shù)碼撥盤、10線一4線BCD優(yōu)先級編碼器給出最高限速BCD數(shù)碼，或用電位器給出限速模擬電壓，作為比較器的給定值。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車防撞全自動駕駛儀，其特征在于所述報警控制顯示單元當PD或PID信號越限時報警；還在于報警判別電路可采用數(shù)字比較器、或模擬比較器、或單片機運算，比較設(shè)定的各自不同閥值門限是否越限，還可計算越限次數(shù)，根據(jù)不同越限及越限次數(shù)分別不同報警；報警方式為聲、光并用，四種報警均采用4或5只數(shù)碼管閃爍顯示和通過語言芯片發(fā)聲報警。
全文摘要
一種汽車防撞全自動駕駛儀，包括車速檢測BCD碼轉(zhuǎn)換器、存儲器或函數(shù)發(fā)生器及修正單元、超聲波測距儀、比較器、PD或PID控制兼狀態(tài)反饋控制器，控制器根據(jù)給定與實測車距之誤差對汽車風油門、剎車電磁執(zhí)行裝置給出至少PD兩個狀態(tài)負反饋、給定值正反饋控制回路及控制信號，控制信號無振蕩、無超調(diào)、快響應(yīng)、強魯棒性，即使汽車或其它對象參數(shù)變化幾萬倍，控制性能不變地控制汽車車距等于隨車速改變的給定值，從根本上、即使在大霧天也防止汽車行駛或倒車中撞車，設(shè)有邏輯控制與人控優(yōu)先開關(guān)，確?？刂朴行?、人控與轉(zhuǎn)向超車優(yōu)先。本發(fā)明還適用于其它各種高精尖要求對象的控制。
文檔編號B60T7/12GK1462700SQ0212100
公開日2003年12月24日 申請日期2002年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月29日
發(fā)明者李鎮(zhèn)銘 申請人:李鎮(zhèn)銘