基于Simulink_VR的智能小车运动控制仿真

０引言

智能车设计是近年发展起来的一门新兴综合技术，涵盖了控制工程、电子工程、模式识别、计算机和机械等多个学科的知识，在军事、科研和工业中有广阔的应用前景[1]。本文设计了一个基于Simulink7的智能小车仿真平台，能够根据系统性能要求确定PID控制器的最优参数，并且利用虚拟现实技术实时反映智能小车运行过程中的状态，可以为电子设计中掌握小车运动控制提供很好的演示环境。

１运动学方程

智能小车采用差速转向控制方式，左右轮装有两个独立的驱动电机，驱动控制左右轮速度差实现车体的转向，其余非驱动轮为自由轮[2]。

假设车在XOY坐标系的坐标为(X，Y)，运行方向与X轴的夹角为θ，则向量[X，Y，θ]表示车的位姿[3]，小车运动方程如下：

（1）

式（1）中，b为左右驱动轮间横向距离，v L为左轮线速度，v R为右轮线速度，ω为小车转向速度，v 为小车前进速度。

基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ／ＶＲ的智能小车运动控制仿真ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＶｅｈｉｃｌｅＭｏｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍａｔｉｃＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＢａｓｅｄｏｎＳｉｍｕｌｉｎｋ／ＶＲ

王君

Wang Jun

（江西师范大学物理与通信电子学院，江西南昌330022）

（College of Physics and Communication Electronics，Jiangxi Normal University，Jiangxi Nanchang330022）

摘要：本文基于Simulink和MATLAB的虚拟现实工具箱,构建了智能小车运动控制系统的仿真模型：利用Simulink优化设计模块确定PID控制器的最优参数；根据Simulink模型计算产生的数据信号来控制和驱动虚拟现实场景中智能小车的行进和转弯。通过仿真演示，能实时观测三维虚拟场景中的小车速度和位置的变化。

关键词：Simulink；优化设计；VRML；三维动画

中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：1671-4792（2013）07-0075-03

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Simulink model of intelligent vehicle motion control system based on Simulink and Virtual Reality toolbox in Matlab:The optimization parameter of PID controller was created by Simulink Design Optimization Block,thus the data signal computed by Simulink model can be used to control and drive the car forward and turn in the VR world.The simulation system provides a platform for the research on the motion control of intelligent vehicle.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Simulink；Design Optimization；VRML；3D Animation

★基金项目：江西师范大学青年成长基金（自然科

学类）智能小车运动轨迹跟踪系统方案研究与实践基于

Ｓｉｍｕｌｉｎｋ／ＶＲ

的智能小车运动控制仿真

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科技广场２０１３．

７

图二实现智能车运动控制的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型

３控制器参数优化

本设计采用PID 控制，通过调节K P 、K I 和K D 三个控制参数,使智能车能更准确、快速地沿给定路径前进。图一中Simulink Design Optimization 模块集中的Simulink Constraint 模块是Simulink 7.0版本更新的优化设计模块（Simulink 5.x 版本中的NCD Blocket ———

非线性控制器设计模块集），其集成了基于图形界面的系统控制器优化设计和仿真功能，能够根据设定的性能指标约束对控制器参数进行优化计算。PID 控制器输出经过一个驱动器后去控制

被控对象，考虑电机工作电压的上、下限，驱动器近似为一个饱和非线性环节，即图一中的Saturation 模块。

４系统仿真

虚拟现实工具箱可以在Simulink 接口环境中运行，很容易通过图形用户界面来进行交互[5]。虚拟世界环境可以在V-Rleam Builder 中编辑，再使用虚拟现实工具箱建立与Simulink 模型的联系，并对该虚拟世界进行模拟。

２驱动电机模型

左右驱动轮选用同一型号电机，车轮摩擦转矩

T f 为反抗性恒转矩负载。若i 为减速比，η为传动

机构效率，则负载转矩折算到电机轴上的等效转矩

T=T f /i η[4]。

图一中，C 为电机反电动势系数，K m 为电磁转矩系数，K a 为电枢电阻，L a 为电枢电感，J d 为电机转子及负载在电动机轴上的等效转动惯量，T d 为电机转矩及负载转矩之和。输出为驱动轮的速度，由系数为K t 的测速环节转换为电压信号。

图一驱动电机的ＰＩＤ控制模型

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图二中智能车的Simulink模型连接了一个虚拟世界，通过Simulink产生动态系统的信号数据，模型就可以利用此数据控制和操纵相应的虚拟世界。

虚拟现实视景下的窗口（如图三所示）中有一辆运动的小车，车在给定跑道上运行的效果通过3D 动画显示出来，且观测角度和视野可以通过人—机交互方式来进行控制，使控制效果更加逼真，人机交互感更强。

通过显示仪表盘（如图四所示）可以观测到智能车运行过程中的实时车速和转向角，方便掌握小车运动中基本数据信息的变化。

５结束语

采用虚拟仿真技术使得对智能车的测控更加直观，Simulink优化设计模块使系统控制器参数的调节更为方便，两者结合实现了可视化交互性操作，能实时观测智能车运动状态的变化。

参考文献

[1]吴怀宇，程磊，章政.大学生智能汽车设计基础与实践[M].北京：电子工业出版社，2008.

[2]CHUNG Y，PARK C，HARSHMA F.A posi-tion control differential drive wheeled mobile robot[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2001，48 (04)：853-863.

[3]柳长安，李国栋，刘春阳.差动驱动式移动机器人的运动规划[J].哈尔滨工业大学学报，2003，35 (09)：1095-1097.

[4]许建国.电机与拖动基础[M].北京：高等教育出版社，2009.

[5]张德丰，周灵.VRML虚拟现实应用技术[M].北京：电子工业出版社，2010.

作者简介

王君，女，江西南昌人，硕士，讲师，主要研究方向：非线性系统的控制和仿真。

图三智能车运动的３Ｄ虚拟场景图四车速和转向角的显示

基

于

Ｓｉｍｕｌｉｎｋ／ＶＲ

的

智

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小

车

运

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仿

真

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