基于bp神经网络pid控制装置的智能循迹车的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于智能循迹车领域，具体涉及一种基于BP神经网络PID控制装置的 智能循迹车。
【背景技术】
[0002] 循迹功能的智能车是按既定轨迹自动驾驶，从出发地到目的地完成给定任务的智 能车辆。在循迹车辆研究领域目前主要集中在综向跟踪控制和侧向跟踪控制算法研究， 1960年开始有人利用经典控制方法建立了车辆侧向跟踪控制系统模型，1981有人总结出驾 驶员驾驶过程中的路径预瞄特点，随后有人提出控制的参数要随车速变化。在车辆自动驾 驶控制方面，目前主流的方法是根据车辆运动学模型和动力学模型建立设计车辆循迹控制 器。但是由于实际路面情况复杂多变，很难用统一的运动学和动力学模型描述，为此我们提 出具有良好自适应能力的基于BP神经网络PID控制装置的智能循迹车，提高车辆循迹过程 稳定性。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型主要是解决现有技术所存在的问题，提供一种结构简单、性能稳定，循 迹控制准确的基于BP神经网络PID控制装置的智能循迹车。本实用新型的上述技术问题主 要是通过下述技术方案得以解决的：
[0004] 本实用新型提供一种基于BP神经网络PID控制装置的智能循迹车，包括轨迹传感 装置，车体，前轮，单片机，BP神经网络PID控制装置，PWM输出装置，驱动轮装置，后轮，转向 装置;单片机与BP神经网络PID控制装置相连并双向通信，轨迹传感装置与单片机相连并 将轨迹信号传给单片机处理，PWM输出装置与单片机相连接受单片机处理后的控制信号，驱 动轮装置与PWM输出装置相连接收驱动信号，转向装置与PWM输出装置相连接收转向信号。
[0005] 作为优选，所述驱动轮装置包括驱动电机和传动齿轮。
[0006] 作为优选，所述转向装置包括转向舵机、转向齿轮和梯形转向机构。
[0007] 作为优选，所述轨迹传感装置为红外传感器，安装于车体的车头底部用于实时感 应轨迹变化。
[0008] 作为优选，所述轨迹传感装置为摄像头，安装于车体的车头上方，用于采集车辆前 方轨迹图像并实时传输。
[0009] 本实用新型带来的有益效果是：
[0010] 本实用新型结构简单，性能稳定，可以应用于复杂的自动循迹车辆行驶路面情况， 如运行过程中车辆过弯不同、加减速不同以及货物重量的不确定变化等复杂因素的存在， 本实用新型适合使用非线性控制策略。
【附图说明】
[0011] 附图1为本实用新型俯视图；
[0012]附图2为本实用新型主视图；
[0013]附图3为本实用新型基于BP神经网络PID控制装置的原理图；
[0014]附图4为本实用新型循迹预瞄原理图；
[0015]附图5为本实用新型BP神经网络PID控制装置逻辑结构图；
[0016] 附图6为本实用新型真实轨迹和计算轨迹对比图；
[0017] 附图7为本实用新型计算轨迹调整过程图；
[0018] 附图8为本实用新型BP神经网络调整PID的3个参数过程图。
[0019]附图中：1、轨迹传感装置，2、车体，3、前轮，4、转向舵机，5、单片机，6、BP神经网络 PID控制装置，7、PWM输出装置，8、驱动电机，9、传动齿轮，10、后轮，11、转向齿轮，12、梯形转 向机构，13、驱动轮装置，14、转向装置。
【具体实施方式】
[0020] 下面通过实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。
[0021] 如附图1、2、3所示，基于BP神经网络PID控制装置的智能循迹车，包括轨迹传感装 置1，车体2，前轮3，单片机5，BP神经网络PID控制装置6，PWM输出装置7，驱动轮装置13，后轮 10,转向装置14;单片机5与BP神经网络PID控制装置6相连并双向通信，轨迹传感装置1与单 片机5相连并将轨迹信号传给单片机5处理，PWM输出装置7与单片机5相连接受单片机5处理 后的控制信号，PWM输出个数与电机数匹配，驱动轮装置13与PWM输出装置7相连接收驱动信 号，转向装置14与PWM输出装置7相连接收转向信号。在本实施例中，驱动轮装置13包括驱动 电机8和传动齿轮9。在本实施例中，转向装置14包括转向舵机4、转向齿轮11和梯形转向机 构12。在本实施例中，轨迹传感装置1为红外传感器，安装于车体2的车头底部用于实时感应 轨迹变化。在本实施例中，轨迹传感装置1为摄像头，安装于车体2的车头上方，用于采集车 辆前方轨迹图像并实时传输。
[0022] 轨迹传感装置与单片机相连并将轨迹信号传给单片机和BP神经网络PID控制装置 联合处理并计算得出控制信号，PWM输出装置与单片机相连接受单片机处理后的控制信号， 驱动电机与PWM输出装置相连接收驱动信号，转向装置与PWM输出装置相连接收转向信号， 轨迹传感装置与转向装置和驱动装置的计算规则如图4所示。计算逻辑如下：
[0023] 四轮智能车循迹工作模式是通过预瞄前方轨迹来判断车与轨迹相对位置，循迹系 统计算出被跟踪轨迹F(x)与车辆实际位置偏差后实时调整车辆转向实现循迹控制。车辆在 XY坐标系下，要跟踪的轨迹F(x)是横向行驶距离X的函数，轨迹没有突变即Fix)比较小，X 轴方向速度约等于车辆速度。根据图1所示，车辆当前位置(烏，凡，約>)，假设车辆纵向速度 为V，车辆位置到预瞄前方轨迹时间为T，则预瞄点B的位置为(xo+VT，F(xo+VT)，F' (xo+VT))。 车辆以V行驶T时间达到V，此时与预瞄点B的偏差可以表示为：
[0024] Δ y=F(xo+VT)-y〇-VyT
[0025] Γ{χ, +νΤ)-φ,
[0026] 控制器输入误差：
[0027] e = Ay -l· k/^φ
[0028] 单片机与BP神经网络PID控制装置相连并双向通信，BP神经网络PID控制装置的具 体工作过程如图5所示，工作逻辑如下：
[0029] (1)根据被控系统参数特点，确定BP神经网络的基本结构，确定输入节点数、隐含 层节点数和输出节点数。给各层加权系数确定初值<(〇)和4(G) >选定学习速率和惯性系 数，此时刻为t = l;
[0030] (2)采样得到当前时刻的输入和输出，此时刻的控制误差e(t);
[0031] (3)计算BP网络各层神经元的输入和输出，BP的输出为PID控制器的三个在线可调 参数 KP，Ki，Kd;
[0032] (4)PID控制器的输出：
[0033] u( t) = u( t-1 )+Kp(e( t)-e( t-1) )+Kie(t )+Kd(e( t)-2e( t-1 )+e( t-2)) 〇
[0034] (5)进行BP神经网络实时学习，在线调整加权系数和κ|(?)实现PID控制参数 的自适应调整；
[0035] (6)置t = t+l，再进入（1)进行循环。
[0036] 确定PID参数调节的BP神经网络为3层结构网络，其学习速度为0.25和惯性系数为 0.05，加权系数初始取区间[-0.5，0.5 ]上的随机数。
[0037] 真实轨迹方程为:F(t) = sin(t)+sin(t)cos(t)+l
[0038] 神经网络的初始权值设定为随机值，等系统运行稳定后，用稳定权值自动设置为 神经网络权值，循迹结果和相应的曲线见图6、7、8。
[0039] 系统在0~0.05s区间里，计算轨迹震荡比较严重，在0~0.1s区间计算轨迹逐步趋 于稳定，震荡轨迹生产的主要原因是BP神经网络在调整PID的3个参数见图6,0.1 s之后计算 轨迹和真实轨迹完全重合。在0.1s之后，PID的3个参数根据具体输入和输出继续进行微调 整。心在4~6s区间里调整明显，主要原因是真实轨迹变化明显，由凸变化为凹波形;KnKd的 变化比较平缓。
[0040]本实用新型的基于BP神经网络PID控制装置的智能循迹车具有如下效果：
[0041] (1)BP神经网络通过信号的正向和反向，将期望的PID参数和实际值不断比较，并 层层修正神经元权值，并在极短时间内将KpKnKd调整到稳定值，并随着输入输出信号的变 化能实时微调。
[0042] (2)计算轨迹在极短时间内将震荡调整到和真实轨迹重合，这意味着控制系统能 在极短时间内将△ y，A於控制在最小，可以保证循迹车快速初始化，随后稳定沿着预定轨迹 循迹前行。
[0043] 上述【具体实施方式】用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在 本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，如:驱 动轮增加，转向机构由拉索变成拉杆，解锁形式不变而解锁装置的改变，都落入本实用新型 的保护范围。
【主权项】
1. 基于BP神经网络PID控制装置的智能循迹车，其特征在于包括轨迹传感装置，车体， 前轮，单片机，BP神经网络PID控制装置，PWM输出装置，驱动轮装置，后轮，转向装置;单片机 与BP神经网络PID控制装置相连并双向通信，轨迹传感装置与单片机相连并将轨迹信号传 给单片机处理，PWM输出装置与单片机相连接受单片机处理后的控制信号，驱动轮装置与 PWM输出装置相连接收驱动信号，转向装置与PWM输出装置相连接收转向信号。2. 根据权利要求1所述的基于BP神经网络PID控制装置的智能循迹车，其特征在于所述 驱动轮装置包括驱动电机和传动齿轮。3. 根据权利要求1所述的基于BP神经网络PID控制装置的智能循迹车，其特征在于所述 转向装置包括转向舵机、转向齿轮和梯形转向机构。4. 根据权利要求1所述的基于BP神经网络PID控制装置的智能循迹车，其特征在于所述 轨迹传感装置为红外传感器，安装于车体的车头底部用于实时感应轨迹变化。5. 根据权利要求1所述的基于BP神经网络PID控制装置的智能循迹车，其特征在于所述 轨迹传感装置为摄像头，安装于车体的车头上方，用于采集车辆前方轨迹图像并实时传输。
【专利摘要】本实用新型提供一种基于BP神经网络PID控制装置的智能循迹车，包括轨迹传感装置，车体，前轮，单片机，BP神经网络PID控制装置，PWM输出装置，驱动轮装置，后轮，转向装置；单片机与BP神经网络PID控制装置相连并双向通信，轨迹传感装置与单片机相连并将轨迹信号传给单片机处理，PWM输出装置与单片机相连接受单片机处理后的控制信号，驱动轮装置与PWM输出装置相连接收驱动信号，转向装置与PWM输出装置相连接收转向信号。本实用新型结构简单，性能稳定，可以应用于复杂的自动循迹车辆行驶路面情况。
【IPC分类】G05D1/02
【公开号】CN205229800
【申请号】CN201520935215
【发明人】徐高欢, 朱赢鹏, 张夏良, 谢怡杰, 杨光, 王健
【申请人】浙江水利水电学院
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2015年11月21日