摘 要

近年来，随着信息技术以及计算机领域的高速发展，汽车的自动化、智能化成为了重要的研究方向之一。国内挖掘机从事一些精挖、坡度修整时，多凭借驾驶员视觉、感觉和测量人员配合进行施工。这种施工方式由于缺少挖掘机引导控制手段，导致施工质量不稳定、高程不精确、坡度难以控制，综合效率低下。而通过智能挖掘机代替人完成这些危险工作是一个理想的方案。本文通过对工程车油门机构进行智能化改装，通过对油门执行机构的设计实现工程车的自动化控制。主要研究内容和结论如下：

首先分析油门执行机构的设计需求，在满足设计需求的前提下进行油门执行机构的结构设计。以徐工XS202JPD型压路机为设计基础，分析测量基本尺寸后，进行油门机构的结构尺寸确定，最后通过CATIA完成油门执行机构的三维建模。在执行机构控制方面，使用拉线传感器以及步进电机作为油门执行机构的输入输出机构。对步进电机控制原理及难点进行分析，编写设计控制程序后，基于PID系统控制算法进行优化设计，实现对油门执行机构的闭环控制。

通过对工程车油门执行机构的设计，初步实现了工程车的智能化改装。结果表明，所设计油门机构可有效对工程车油门进行自动化控制。

关键词：智能工程车，油门机构，智能控制，PID控制

abstract

In recent years, with the rapid development of information technology and computer field, the automation and intelligence of automobiles have become one of the important research directions. When the domestic excavator engages in some excavation and slope dressing, the construction is carried out by the driver's vision, feeling and measurement personnel. Due to the lack of excavator guidance and control means, this construction method leads to unstable construction quality, inaccurate elevation, difficult to control slope, and low overall efficiency. It is an ideal solution to replace these people with intelligent excavators to complete these dangerous tasks. In this paper, through the intelligent modification of the throttle mechanism of the engineering vehicle, the automatic control of the engineering vehicle is realized through the design of the throttle actuator. The main research contents and conclusions are as follows:

Firstly, the design requirements of the throttle actuator are analyzed, and the structural design of the throttle actuator is carried out on the premise of meeting the design requirements. Based on the design of Xugong XS202JPD road roller, after analyzing the basic dimensions, the structure size of the throttle mechanism is determined. Finally, the three-dimensional modeling of the throttle actuator is completed by CATIA. In terms of actuator control, a wire pull sensor and a stepping motor are used as input and output mechanisms of the throttle actuator. The principle and difficulty of stepping motor control are analyzed. After the design control program is written, the PID system control algorithm is used to optimize the design to realize the closed-loop control of the throttle actuator.

Through the design of the throttle actuator of the engineering vehicle, the intelligent modification of the engineering vehicle was initially realized. The results show that the designed throttle mechanism can effectively control the throttle of the engineering vehicle.

Key words: intelligent engineering vehicle, throttle mechanism, intelligent control, PID control

目 录

摘要 I

abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国外研究现状 1

1.2.2国内研究现状 2

1.3主要研究内容 3

1.3.1研究内容 3

1.3.2技术方案 3

第2章 油门执行机构的结构设计 4

2.1设计需求分析 4

2.2油门执行机构的设计 4

2.2.1结构设计 4

2.2.2尺寸确定 5

2.3快速拆机构的设计 7

2.4本章小结 8

第3章 步进电机的控制程序 9

3.1步进电机控制程序设计 9

3.1.1步进电机控制难点分析 9

3.1.2步进电机控制程序控制流程 9

3.1.3控制程序的设计 10

3.2PID控制算法的介绍 12

3.2.1PID控制算法特点及原理 12

3.3基于PID算法的控制程序优化 13

3.3.1基于PID算法的程序优化 13

3.4本章小结 14

第4章 结论 15

4.1研究总结 15

4.2研究展望 15

参考文献 17

附录A 18

致谢 24

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

传统工程车其工作环境十分复杂、恶劣的，甚至有辐射或放射性污染，如传统的工程车挖掘机，在一些环境恶劣地区进行一些资源的开采，操作者若直接介入，人身安全得不到保证，而通过智能挖掘机代替人完成这些危险工作是一个理想的方案。目前，国内挖掘机从事一些精挖、坡度修整时，多凭借驾驶员视觉、感觉和测量人员配合进行施工。这种施工方式由于缺少挖掘机引导控制手段，导致施工质量不稳定、高程不精确、坡度难以控制，综合效率低下。而通过智能挖掘机代替人完成这些危险工作是一个理想的方案。当传统工程车工作环境比较简单时，时常也会发生因为驾驶过于简单致使驾驶员放松警惕而造成不可挽回的后果，智能化改装的工程车的研发有望减少或避免这种因人为驾驶原因而导致的车祸。另外对于作业状况较为简单的工程车来说，重复机械性的工作完全可以交给机器来做，这样将大大提高工作效率，减少人工成本。推土机在土方作业中是非常重要的施工机械，但在实际应用中却存在很多问题。如传统施工全凭借操作员经验和测量人员配合，驾驶员劳动强度大，总体人工成本高。同时高程和平整度容易受情绪影响而波动，施工质量不稳定。但是采用智能化推土机其优势有：系统采用数字总线结构设计，扩展升级便捷；操作简单、易学，日夜均可快速、精确施工，可缩短工期并提高施工质量；能减少辅助施工人员数量，大幅度降低成本和管理成本。目前智能工程车市场还是普及率较低，有很大的开发前景，抓住机遇，将创造巨大突破。综上，智能化改装的研究工作具有很重要的理论价值和工程意义，代表当今传统工程车发展方向，应当大力推行。

1.2国内外研究现状

西方许多发达国家早在上个世纪七十年代就开始研究无人驾驶智能汽车。最初无人智能车多用于军事，其目的在于减少参战人数。到了上个世纪90年达，无人驾驶汽车的研究逐渐由军用向民用过渡。现阶段在无人驾驶智能车领域美国与德国都处在世界领先地位。我国汽车工业起步晚，因此在无人智能车领域也相对落后于许多西方发达国家。现阶段国内外对油门机构的研究多以机械结构改进以及油门执行机构控制策略为主。

1.2.1国外研究现状

目前国外对油门控制的研究，多基于控制策略优化方案的研究。z. Xu，P. Ioannou等人基于非线性车辆模型，设计了一种电子节气门的自适应控制方案，可以在存在未知干扰的情况下很好的实现对任意恒速指令的执行^[1]。Josko Deur, Danijel Pavkovic, Nedjeljko Peric等人提出了一种非线性控制策略，包括PID控制器和用于摩擦和跛行回家效应的反馈补偿器，根据阻尼最佳标准对PID控制器参数进行分析优化^[2]。R. N. K. Loh,等人考虑了电子节气门控制（ETC）系统的建模，参数识别以及线性和非线性反馈控制设计^[3]。Mark Costin介绍了一种监控电子节气门控制系统的架构。 该架构包含两个处理器，MAIN和MCP。 MAIN负责计算所需的节气门位置，MCP负责使用反馈控制来定位节气门。 两个处理器冗余地测量所有踏板和节流传感器，并持续监控另一个处理器的健康状态。 根据检测到的故障，可以采取执行器默认位置，限制油门权限，强制空转，鲍登线缆模式或发动机停机补救措施^[4]。

1.2.2国内研究现状

在油门机械改进方面，我国许多学者都进行了相应研究。其中任海波,王成玉和刘文顺等人针对轮式挖掘机挖掘以及行走时油门控制问题，对轮式挖掘机油门执行机构进行改进。新型油门控制机构是油门液压缸和油门电机与发动机油门摇板之间的过渡桥梁，既保证了油门电机能够精确控制油门拉线的行程，又保证了油门液压缸能够精确控制油门拉线的行程。该油门控制机构能够对行走和挖掘时的油门分别进行单独控制，两种控制操作互不影响，且结构紧凑，有效节约了布置空间^[5]。王杨健针对KH700-2型履带式起重机油门操作机构在低温环境中失效问题对其油门机构进行改进。采用液压油代替油门拉线控制节气门，很好的解决了低温失效问题^[6]。

现阶段油门的电子控制已成为车辆智能化的研究方向之一。王宏达,王昌焱等人采用步进电机直接控制节气门开度。同时设计了一逻辑电路，通过简单的编码和译码，实现节气门位置的可视化转变，使驾驶员能直观地感知节气门的位置，从而使油门控制更为敏捷、准确^[7]。重庆交通学院胡治国采用无刷直流电机作为执行电器、针对桑塔纳发动机节气门设计出油门执行器机械部分的机构,并采用先进的智能控制技术—模糊控制方法,对油门执行器进行控制^[8]。庄曙东,范栋梁,张敏等人设计了一种新型的用直线步进电动机控制汽柴油发动机油门的设计方案与工作原理。这种油门控制方式克服了市场上通用的电动控制油门的不足,具有结构紧凑、可靠性高、运动效率高、控制简单、定位精度高、功能强大、使用寿命长等特点^[9]。

然而电控油门也存在缺点，相比于传统机械结构的油门执行机构电控油门响应速度相对滞后、以及在控制中存在非线性问题。李国峰,王云基于单片机对电子油门控制器进行设计。通过对汽车发动机建立数学模型，分析了以单片机为核心的硬件设计原理和软件控制算法如何采用达林算法解决其时变滞后的问题^[10]。哈尔滨理工大学倪孝深采用CAN总线设计电子油门控制系统。设计出控制系统硬件电路的同时，以PID控制算法，S曲线算法为原理进行控制算法设计，提高了电子油门响应速度^[11]。北京建筑大学韦智元以及长安大学陶斯祺对电子油门非线性问题进行分析，分别通过所建立的数学模型的基础上，运用 PID 和模糊 PID 控制策略对油门、系统进行控制。通过仿真分析得出滑模控制器能够更好地抑制电子油门系统的非线性因素^[12,13]。

除了对油门执行机构的控制策略的研究外，许多学者在行驶安全方面对油门机构进行了改进。祝轲卿,胡建文,冒晓建等人对电控柴油机双电位器油门踏板控制策略展开研究，并设计了一套对应的控制逻辑算法。提高了电控柴油机的安全性可靠性，同时丰富了电控系统功能^[14]。山东理工大学林春梅研究开发了一套汽车电子油门控制系统，使车辆在该系统作用下可以保持主动保持车距，特别是在大雾、雨雪等恶劣天气的情况下，能保证汽车行驶的安全性^[15]。王华玲,陈文研究了一种结构简单、操作方便、成本低廉、性能稳定的油门踏板控制器，该踏板通过司机操作开门开关，来控制汽车油门踏板的打开与关闭，从而控制汽车的运行与停止，避免误踩油门踏板现象^[16]。

通过对国内外对油门控制的研究现状分析可知，其研究方向主要集中在电子控制策略研究以提高电子控制油门响应速度以及汽车行驶的稳定性与安全性。本文将基于前人对油门执行机构的研究成果，针对工程车设计相应的油门执行机构及控制策略

1.3主要研究内容

1.3.1研究内容

本文旨在基于现有工程车平台进行油门机构的改装，设计出一套油门执行机构，并通过程序设计完成油门执行机构的闭环控制，实现工程车油门机构的无人智能化控制。通过对工程车的智能化改装，提高工程车的工作效率及工作质量，减少恶劣、极端和危险施工条件对工作人员产生的伤害。

1.3.2技术方案

1）通过查阅文献，了解国内外对智能工程车油门执行机构改进方法；了解对油门控制策略及其优化方法；了解步进电机特性及其控制策略。确定基于嵌入式系统采用PID控制策略对油门机构进行闭环控制，并采用步进电机作为驱动装置带动执行机构运动，实现油门执行机构的运动。

2）确定油门执行机构结构设计方案，并采用CATIA进行模型搭建。

3）分析步进电机特性，对其启动停止进行良好控制，通过VS编写控制程序。

第2章 油门执行机构的结构设计

2.1设计需求分析

为实现所设计的油门执行机构可以与工程车匹配，在设计执行机构前需要对油门机构的设计需求进行分析。对此总结出如下几点设计需求：

1）通过电机的旋转运动转换为带动油门的运动

为方便对油门的运动进行电子化精确控制，同时保证动力源有相对较小的体积以便于执行机构的设计与安装，我们决定采用电机作为执行机构的动力源，用来控制油门的运动。但是电机的运动为旋转运动，而市面上多数工程车油门机构为手动摇杆，其运动为近视直线运动的摆动。因此所设计的执行机构需满足电机与油门摇杆之间运动方向的转换。

2）需要确定实时感知油门的位置

由于电机难以单独精确控制油门摇杆的运动位置，并且由于许多内在或外在的原因（人为误触从而改变油门摇杆位置，油门初始位置与设定位置存在偏差等等）油门摇杆的实际位置与所设定的油门摇杆位置存在偏差。这就需要控制机构传感器反馈油门拉杆的位置，实现对油门开度的闭环控制。保障了执行机构控制的精确性和安全性。

3）需要方便智能控制与人工控制的快速切换

油门执行机构可实现工程车在工程环境中的智能控制，但在许多情况下还需要人为操作工程车（如工程车驾驶及牵引或紧急情况等）。因此油门执行机构需要满足智能控制与手动控制的自由快速切换。

4）方便固定

为保证执行机构完成动作可靠性，需要油门执行机构的安装稳固可靠。然而不同型号规格的工程车其油门摇杆的大小以及所处空间都有所不同，因此所设计的油门执行机构就应该具备有利与调节的固定装置，以提高所的设计的油门机构的普遍性适应性。

2.2油门执行机构的设计

2.2.1结构设计

油门执行机构的主要作用是通过电机控制工程车油门摇杆，通过外连装置实现对工程车的智能化控制，减少危险施工环境对施工人员造成的危害。

油门执行机构的结构设计图如下所示。其结构主要由位置传感器（1）、步进电机（2）、滑台架（3）、滑块（4）、螺杆（5）、滑轨（7）、固定装置（6）以及连接件（8）等组成。

其工作原理如下：

1-位置传感器；2-步进电机；3；滑台架；4-滑块；5-螺杆；6-固定装置；7-滑轨；8-连接件；

图 2.1油门执行机构

步进电机（1）通过联轴器与螺杆（5）相连，当步进电机动作时带动螺杆一起旋转。滑块（4）与螺杆（5）通过螺纹连接，当螺杆旋转时带动滑块在滑轨（7）上前后滑动，从而把步进电机的旋转运动转换为直线运动。滑块通过关节轴承与连接件（8）的一端相连接，连接件（8）的另一端通过快速拆装装置与油门摇杆连接，实现驱动力由电机向油门摇杆的传递。关节轴承由于其连接处为球面接触因此可以多方向转动，一方面有利于配合油门摇杆的摆动，另一方面便于执行机构的安装。其动力传递路线为：步进电机——螺杆——滑块——连接件——快速拆装装置——油门摇杆。

传感器（2）主体固定在滑台架上，传感器拉线另一端固定在滑块（4）的固定支架上。滑块的运动带动传感器拉线的伸缩，传感器通过拉线的伸缩量判断滑块位置，因此间接判断油门摇杆位置。传感器将油门摇杆位置信息反馈，从而保证电机动作精确可靠。

固定装置（6）可在滑台架不同位置滑动、固定。可根据不同车型安装位置不同而变化，便于执行机构的安装。

2.2.2尺寸确定

1）初始数据