1．目的及意义

1.1.选题背景及意义

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，降低因车祸导致的高伤亡率。目前压路机作业过程中，主要依赖机手的操作经验判定压实质量，所以容易造成漏压、过压的情况，压实质量难以得到保证。事后的地质勘查点和密实度抽检点间距大，也仅能反映路面局部质量，却无法全面反映路面整体压实质量 。相比于人类驾驶员，智能化工程车具备更快的反应速度、更广的感知范围和更好的定位能力，可以大大降低车辆和周边障碍物发生碰撞的概率，从而提高行车安全。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.研究的目的

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，该机构与油门装置链接处采用快拆装置，实现无人驾驶与人工驾驶的快速转换。基于嵌入式系统设计出控制策略程序完成油门执行机构的闭环控制，保证控制的低延时性，在保证安全性的同时最终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.国内外的研究现状分析

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。

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^[1]。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^[2]。

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^[3]。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^[4]。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^[5]。

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^[6]。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^[7]。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^[8，9]。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^[10]。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^[11]。

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^[12]。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^[13]。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^[14]。

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。

2．基本内容和技术方案

2.1.基本内容

先通过查阅相关文献资料了解智能工程车发展趋势及对油门执行机构的要求，掌握油门机构的组成、结构和工作原理。并理解油门控制系统的设计流程。然后查阅国内外相关文献资料并写好文献检索摘要，对文献资料进行理解消化加以总结，完成开题报告。还有就是按照导师的安排完成相应的研究任务。完成的主要任务及要求如下：

1、了解智能工程车平台建设基础，明确任务需求

2、设计出应用于智能工程车平台建设的油门执行机构

3、编写程序实现对油门执行机构的闭环控制

2.2.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，并采用进步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Creo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Codewarrior编写控制程序。

4、设计电路，基于嵌入式系统实现对油门执行机构的控制。