基于單片機的汽車智能雨刮器設計

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長春大學 畢業(yè)設計（論文） 基于單片機的汽車智能雨刮器設計 摘 要 雨刮器屬汽車的附件，是汽車安全行駛重要部件，用于消除擋風玻璃、后窗玻璃及大燈玻璃上的雨雪和灰塵等，以保證玻璃透明清晰。 本文分析了三種雨滴傳感器的組成原理，基于光強變化的原理設計了一種新型的汽車紅外線雨滴傳感器。當下雨時，該雨刮器系統(tǒng)可以通過紅外雨滴傳感器感知雨量大小，分辨出是大雨還是小雨,使雨刮器自動工作在高速或低速狀態(tài)，能夠取代傳統(tǒng)的機械結構的雨刮器。 在汽車智能雨刮系統(tǒng)中由于兩個雨刮電機的轉(zhuǎn)速不可能完全一樣，就存在兩個雨刮擺動不同步的問題。本文在分析了模糊控制理論及雨刮同步擺動規(guī)則的基礎上，提出了一種基于模糊控制的汽車智能雨刮系統(tǒng)。該系統(tǒng)將轉(zhuǎn)速偏差和轉(zhuǎn)速偏差變化量模糊化為模糊控制器的輸入語言變量，根據(jù)所制定的一套模糊控制規(guī)則來選擇控制PWM的輸出語言變量，并以此通過脈寬調(diào)制技術來驅(qū)動直流電機，使兩個雨刮同步擺動。 本文基于單片機完成了對雨滴傳感器及模糊控制的軟、硬件設計，并對控制系統(tǒng)進行了MATLAB仿真，仿真實驗結果表明該系統(tǒng)能有效的抑制超調(diào)現(xiàn)象，提高系統(tǒng)的響應速度和穩(wěn)態(tài)性能。 關鍵詞：雨滴傳感器；模糊控制；單片機；雨刮器 The Design Of Intelligent Windscreen Wiper Of Automobile Based On Single Integrated Circuit Abstract The windscreen wiper is an accessories of the Automobile, it is an important part of Automobile for the steer security. It is used to clear up the rain and snow, dust and cement on the windscreens,rear windows and headlight windows,to make sure the windows transparent and clear. In this thesis,compositive theory of three kinds of rain sensors are analysed,and a new-type of infrared rain sensor of automobile is designed based on the theory of variety of light intersity.When it rains,the windscreen wiper system senses the amount of rainfall by the windscreen wiper automatically work either at a high speed or at a low speed. It can replace traditional windscreen wiper system of mechanical structure. In intelligent windscreen wiper system of automobile, As the problem of technics,rotate speed of two electro motors are not the same completely,so there are the problems that two wiper blades swing ansynchronous. In the thesis,a intelligent windscreen wiper system of automobile based on fuzzy control is presented,by analyzing fuzzy control theory and technique was used to drive the DC motor and control windscreen wiper to swing synchronously. The software and hardware of rain sensors and fuzzy control was completed based on the system could depress the overshoot and improve the response and steady state performance. keywords：rain sensor；fuzzy control；SCM；windscreen wiper 51 長春大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 目 錄 摘 要 I Abstract II 第一章 引 言 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究的意義 2 1.3 論文的內(nèi)容 2 第二章 智能雨刮器的原理及種類 4 2.1 雨滴傳感器的分類 4 2.1.1 壓電振子原理雨滴傳感器 4 2.1.2 光量變化雨滴傳感器 4 2.2 紅外雨滴傳感器的原理 5 第三章 智能雨刮器的硬件組成及其芯片的介紹 6 3.1 發(fā)射模塊 6 3.1.1 發(fā)射管 6 3.1.2 由555定時器構成的多諧振蕩器 6 3.2 接收模塊 8 3.2.1 紅外接收管 8 3.2.2 帶通濾波器 9 第四章 智能雨刮器的硬件設計 12 4.1 智能雨刮器結構框圖 12 4.2 雨滴傳感器硬件設計 12 4.3 電機控制的硬件設計 12 第五章 智能雨刮器軟件設計 15 5.1 雨滴傳感器流程圖設計 15 5.2 智能雨刮器雙電機控制的流程圖設計 16 5.3 汽車智能雨刮器的主程序流程圖設計 18 第六章 基于模糊控制的智能雨刮控制系統(tǒng) 19 6.1 模糊控制簡介 19 6.2 模糊控制的數(shù)學基礎 19 6.2.1 模糊集合 19 6.2.2 隸屬度函數(shù)及確定 20 6.3 模糊控制設計 21 6.3.1 精確量模糊化 22 6.3.2建立模糊控制器的控制規(guī)則 23 6.3.3模糊判決 23 6.3.4論域、量化因子與比例因子的選擇 23 6.3.4.1論域與基本論域 23 6.3.4.2量化因子 23 6.3.4.3比例因子 24 6.3.4.4量化因子和比例因子的選擇 24 6.3.2 智能雨刮器的控制原理圖 25 6.3.3 直流電機的調(diào)速原理 25 6.3.4 電機同步設計中選擇模糊控制的原因 26 6.3.5 模糊控制在電機同步控制中的應用 27 6.4 模糊控制算法流程圖 31 6.5 控制系統(tǒng)的仿真與分析 33 總結 36 參考文獻 37 附錄A matlab仿真圖 38 附錄B 硬件原理圖 41 附錄C 程序 42 長春大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 第一章 引 言 1.1 研究背景 汽車工業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，現(xiàn)代汽車正從一種單純的交通工具向著著滿足人們需求、安全、節(jié)能和環(huán)保的方向發(fā)展。為了滿足人們對汽車的要求，汽車研發(fā)與生產(chǎn)機構必然要將越來越多的智能電子產(chǎn)品引入到汽車上，智能控制系統(tǒng)也成為汽車革新的主要內(nèi)容之一。 雨刮器屬汽車不可缺少的附件，也是汽車安全行駛的重要部件，用于消除擋風玻璃、后窗玻璃及大燈玻璃上的雨雪等，以保證玻璃時刻保持透明清晰。 第一個發(fā)明電動刮水器的公司是德國博世，博世將它作為“博世最年幼的產(chǎn)品”加入到了博世的產(chǎn)品家族。從那以后，這個產(chǎn)品逐漸成長，從單純的刮片發(fā)展到了二十一世紀初的風窗玻璃——無支架刮水器。在汽車的駕駛歷史上，對風窗玻璃的清潔問題解決開始的比較晚。汽車從平添駕駛發(fā)展到成為全天候的駕駛。技術變化最大的時候是在二戰(zhàn)以后，隨著大規(guī)模機械的出現(xiàn)。風窗擋風玻璃洗滌器、間歇開關、后窗刮水器與可加熱噴水器保證了駕駛時視野清晰與駕車安全。隨著其他一些技術的革新，如雨滴傳感器、可變位的刮水臂，刮水器的出現(xiàn)，擴大了刮拭的范圍，刮水器成為了汽車車身一個復雜的系統(tǒng)。 目前傳感器在汽車上的應用已經(jīng)非常廣泛，汽車傳感器作為汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，是汽車電子控制系統(tǒng)非常關鍵的部件，同時也是汽車電子技術領域研究的核心內(nèi)容之一。對于汽車雨刮器的研究上，智能雨滴傳感器也就成了智能雨刮系統(tǒng)的重要組成部分。智能傳感器是具有智能功能的高檔傳感器，它同時具有信息處理、檢測、自動進行各種誤差補償、量程覆蓋范圍廣、輸出信號大、穩(wěn)定性好、信噪比高、精度高、傳輸中抗干擾性能好等功能，甚至可遠距離輸送信號，有的可帶有自檢功能。 1.2 研究的意義 據(jù)統(tǒng)計全世界行車有8%的事故是因為司機手動操作雨刷引起的，所以現(xiàn)在的汽車中已經(jīng)安裝了越來越多的傳感器用來增加主動性與被動安全性。應用雨滴感應式自動雨刷控制系統(tǒng)不僅可以使駕駛者免除手動操作雨刷的麻煩，而且有效地增加了雨天行車的安全性。如果汽車安裝雨滴傳感器，駕駛者就不需要調(diào)節(jié)雨刮器的設置來停止刮片的運動或者得到更好的視角。而且當在濕路上駕駛的時候，駕駛者與無需動手來打開雨刮器，因此駕駛者就可以集中精力開車了。 1.3 論文的內(nèi)容 論文結合了智能雨刮系統(tǒng)的特點，進行了以下幾個問題的研究： 1．論文總結了汽車雨刮器的發(fā)展歷程以及汽車傳感器的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，提出了研制汽車雨滴傳感器具有重要的意義。 2．到目前截止，雨滴傳感器主要由利用電容傳感器、利用壓電振子傳感器與利用光量變化傳感器三種原理構成。我們依據(jù)雨滴傳感器在汽車內(nèi)部的需要，利用光量變化原理，研發(fā)出了一種新型紅外線汽車的智能雨刮器系統(tǒng)。該雨滴傳感器能夠自動的分辨出是大雨還是小雨，因此使雨刷做高速或低速擺動。 3．本文系統(tǒng)的分析了模糊控制理論和模糊控制技術在汽車上的重要應用。汽車工業(yè)在其發(fā)展過程中日益顯示的對于高新技術的可容性與電子化的趨勢，使得模糊控制技術領域頗受各國汽車廠商和公司的重視，并因此掀起了一股模糊控制技術用于汽車的浪潮。所以，要研制智能化的汽車是離不開模糊控制技術的。 4．把模糊控制技術用于汽車智能雨刮系統(tǒng)中的兩個雨刮片的同步。因為生產(chǎn)工藝的問題，兩個雨刮電機的轉(zhuǎn)速不可能絕對一樣，所以存在兩個雨刮片擺動不同步的問題。用模糊控制器來取代傳統(tǒng)的PID控制器，就可以更好的控制雨刮片的同步。整個系統(tǒng)用80c51單片機來控制，給出了硬件和軟件設計。 5．用MATLAB對模糊控制系統(tǒng)與PID控制系統(tǒng)進行了仿真，對比兩個仿真結果。仿真結果表明了設計的合理性與方案的可行性。 第二章 智能雨刮器的原理及種類 現(xiàn)在開發(fā)的雨滴檢測傳感器，將雨滴傳感器檢出的雨量變成了電信號，根據(jù)電信號的大小，控制刮雨器的動作。在這個系統(tǒng)中雨滴傳感器起了至關重要的作用。 2.1 雨滴傳感器的分類 2.1.1 壓電振子原理雨滴傳感器 0 圖2.2 靜電電容傳感器 2.1.2 光量變化雨滴傳感器 把半導體發(fā)光元件與感光元件配成一對，發(fā)光元件發(fā)出的光信號，如果光在路途中遇到雨滴落下，因為光的散射，所以光強減弱。可利用光強的衰減信號來控制雨刮器動作。 前兩種雨滴傳感器必須放在汽車的外部，但是本文所研制的雨滴傳感器需要放在汽車內(nèi)部，即就是駕駛室一側的擋風玻璃上。本文采用第三種方法，利用光強的變化來實現(xiàn)的雨滴傳感器。 2.2 紅外雨滴傳感器的原理 本設計選用的雨滴傳感器是紅外雨滴傳感器，是光量變化原理雨滴傳感器的一種。由光（紅外線）發(fā)射元件發(fā)射出的紅外光以全反射角度在擋風玻璃的外表面反射，其角度一定要在42（玻璃-水）和63（玻璃-空氣）之間。要是擋風玻璃上有雨，雨量越大，反射回來的光就越多。從發(fā)射元件發(fā)出的紅外光反射到接收裝置的擋風玻璃區(qū)域內(nèi)被稱作傳感器的“敏感區(qū)域”，當雨水滴到這個區(qū)域的時候，才能被探測出來。為使系統(tǒng)可靠，擋風玻璃和靈敏區(qū)域之間必須要有一個比較好的比例[1]。雨滴傳感器原理圖如圖2.3所示： 圖2.3雨滴傳感器原理圖 第三章 智能雨刮器的硬件組成及其芯片的介紹 雨刮器的雨滴傳感器部分主要由發(fā)射模塊與接收模塊兩大模塊構成。電機部分的芯片是四總線緩沖門74LS125。 3.1 發(fā)射模塊 發(fā)射模塊主要功能是為了接收模塊提供足夠的光輻射通量，設計中光源定為紅外線，因此發(fā)射模塊主要由八個紅外發(fā)射器、一個555定時器與電阻電容元件構成。八個紅外發(fā)射管采用4個為一組，兩組并聯(lián)的方式，由555定時器驅(qū)動。 3.1.1 發(fā)射管 發(fā)射管采用了西門子公司生產(chǎn)的SFH421作為光源，實物圖如圖2-10。峰值波長λ為880 nm，帶寬<80 nm。具有高可靠性、高線性度、高脈沖處理能力等特點。采用4個為一組，兩組并聯(lián)的方式，由555定時器驅(qū)動，發(fā)出頻率是38kHz的紅外光。工作在38kHz的頻率下，采用這種方式能減少發(fā)射電路功耗。 3.1.2 由555定時器構成的多諧振蕩器 發(fā)射器的核心部件為振蕩器,多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，該電路在接通電源后不需要外接觸發(fā)信號就可以產(chǎn)生一定頻率與幅值的矩形脈沖或方波。可以由集成電路反相器、555定時器、與非門、無穩(wěn)態(tài)電路等組成. 其中555定時器組成的振蕩發(fā)射系統(tǒng)比較容易起振,本身的輸出功率也非常大,常用來組成發(fā)射系統(tǒng),芯片圖如圖3.1，原理圖如圖3.2 C、C的比較電壓分別是V和V。電容C被充電，v上升，當v上升到v時，觸發(fā)器被復位，同時放電BJT T導通，這個時候v為低電平，電容C通過R和T放電，使v下降。直到v降到v時， v翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電需要的時間： 式(3.1) C放電結束，T截止，v通過R、R向電容器C充電，v由v上升到v經(jīng)歷的T是： 式(3.2) v上升到v時，觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，這樣周而復始，輸出端就能得到一個方波，頻率為[2]： 式(3.3) 圖3.1 多謝振蕩器電路圖 本設計用的發(fā)射模塊是由555定時器構成的多諧振蕩器，通過式(3.1)、(3.2)、(3.3)算出R、R與C的值，使555電路發(fā)出頻率為38 kHz的脈沖波，因此驅(qū)動紅外發(fā)射管工作在38 kHz的頻率下。 由于555內(nèi)部的比較器靈敏度很高，并且采用差分電路的形式，它的振蕩頻率受電壓與溫度變化的影響不大。所以電源電壓的變化,對發(fā)射頻率的影響可忽略不計。不過對紅外光發(fā)射強度的影響不能忽略,得采取提高穩(wěn)定發(fā)射強度的措施,采取恒流源技術或窄脈沖發(fā)射的措施,能使紅外輻射強度不變[3]。設計中采用的是恒流源技術。 圖3.2 555定時器原理圖 3.2 接收模塊 接收模塊是由一個濾波器，接收管，分頻器和51單片機組成。 3.2.1 紅外接收管 紅外接收管是由松下公司生產(chǎn)的，外形圖如圖3.2。將接收到的脈沖信號變成電脈沖信號后送入帶通濾波器。峰值波長λ為880 nm，具有高可靠性、高線性度等特點。 圖3.2 SFH320 3.2.2 帶通濾波器 帶通濾波器的作用是只允許某一段頻帶內(nèi)的信號通過，將此頻帶以外的信號隔斷。這種濾波器經(jīng)常用于抗信號，以便接收某一頻帶范圍內(nèi)干擾的設備里，從而消除高頻段與低頻的干涉。將高通濾波器與低通濾波器串聯(lián)起來，就可以獲得帶通濾波電路。其原理示意圖如圖3.3。 低通濾波器截止頻率為f，該低通濾波器只允許ff的信號通過。將二者串聯(lián)起來，且f>f，其通頻帶就是上述二者頻帶的覆蓋部分，等于f-f，成為一個帶通濾波器。根據(jù)以上原理組成的帶通濾波器的典型電路如圖2.4。輸入端的電容C和電阻R組成低通電路，另一個電阻R和電容C組成高通電路，二者串聯(lián)起來接在集成運放的同相輸入端中。 圖3.3 帶通濾波器原理示意圖 圖3.4 帶通濾波器的典型電路 為了估算方便，設R=2R，R=R，此時可以求得帶通濾波器的電壓放大倍數(shù)為： 式(3.4) 式(3.5) 式(3.6) 式(3.7) 式(3.8) 設計中選取帶寬為100Hz，中心頻率為38kHz，因此Q為380，選取C，再求R 。C的容量不容易超過。因為大容量的電容器價格高，體積大，盡量避免使用。由式取C=0.1，,由式(3.5)可得： 計算出R=41.9.在根據(jù)Ｑ值求出與：由于f=時，=380，因此。根據(jù)與A、、的關系，集成運放兩輸入端外接電阻的對稱條件，可得： 1+ 解得：R=188.7Ω,R=376.8Ω 第四章 智能雨刮器的硬件設計 4.1 智能雨刮器結構框圖 智能雨刮器系統(tǒng)由單片機、直流電動機、雨刷及雨滴傳感器等組成。智能雨刮器的系統(tǒng)結構框圖如圖4.1。 圖4.1智能雨刮器的系統(tǒng)結構框圖 4.2 雨滴傳感器硬件設計 雨滴傳感器部分，由555定時器構成的多諧振蕩器對紅外發(fā)射管進行驅(qū)動，再由接收管接收，這樣就構成了一個光電傳感器。把光電傳感器的信號經(jīng)帶通濾波器把信號頻率控制在38KHz左右，再由分頻器進行128分頻，使脈沖信號變?yōu)楹撩霐?shù)量級。這樣構成的硬件圖如圖4.2： 4.3 電機控制的硬件設計 80c51單片機的P0口的P0.0、P0.1與P0.3、P0.4分別經(jīng)反向驅(qū)動器74LS04和四總線緩沖門74LS125控制4個大功率場效應開關管IRF640和4個光電隔離器。 下面說明此電路對電機A的控制過程:當單片機經(jīng)P0接口輸出12H控制模型時因為鎖存器74LS125中的三態(tài)門1是打開的，因此光電隔離器LEI導通并發(fā)光，光敏三極管輸出為高電平，所以使大功率場效應開關管IRF640導通。同理，74LS125中的三態(tài)門4輸出為高電平，所以光電隔離器LEI發(fā)光并導通，所以使v4導通。同理可分析，此時v2與v3是關斷的。所以電流從左到右流過直流電機，使電機正轉(zhuǎn)。當P0接口輸出09H時，鎖存器74LS125中的2，3號三態(tài)門打開，使得v2與v3接通，v1與v4關斷，電流從右向左流過電機，使電機反轉(zhuǎn)。SA0為電機左到位開關，當SA0置一時，輸出正向代碼；SA1為電機右到位開關，當SA1置一時，輸出反向代碼[7]。電機復位端為兩電機各自的左到位開關。 電機部分硬件圖如圖4.3： 圖4.2雨滴傳感器部分硬件圖 圖4.3雨刮器電機控制部分硬件圖 第五章 智能雨刮器軟件設計 5.1 雨滴傳感器流程圖設計 由于脈沖的中心頻率為38KHZ，進行128分頻后約為300HZ，周期為3ms，因此選定定時時間為60ms，這個時間段內(nèi)最多可以接收20個脈沖，在按脈沖的多少進行大小雨的分配，因此形成的雨滴傳感器的流程圖如圖5.1，60ms定時器的流程圖如圖5.2： 圖5.1雨滴傳感器部分流程圖 圖5.2 60ms定時器流程圖 5.2 智能雨刮器雙電機控制的流程圖設計 對直流電動機來講，勵磁是隨著電樞電壓的增減而增減的。因此，一旦改變或調(diào)節(jié)直流電動機的電壓，就可控制轉(zhuǎn)速。通過改變單片機輸出脈寬信號，管理直流電機的電壓，因此改變雨刮電動機的轉(zhuǎn)速。汽車雨刮器電機的軟件流程圖如圖5.3： 5.3 汽車智能雨刮器的主程序流程圖設計 汽車智能雨刮系統(tǒng)中，有很多非線性因素會對雨刮同步造成影響。因此，我們就要用人的經(jīng)驗知識來調(diào)整PWM信號的占空比，使兩個雨刮同步擺動。所以，把模糊控制技術運用到雨刮同步控制中，可以使系統(tǒng)有較好的控制效果。汽車智能雨刮器的主程序流程圖如圖5.4： 圖5.4 智能雨刮器主程序流程圖 第六章 基于模糊控制的智能雨刮控制系統(tǒng) 6.1 模糊控制簡介 最近幾十年來，控制理論的發(fā)展歷經(jīng)了現(xiàn)代控制理論、古典控制理論和智能控制理論三個階段。智能控制包括神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊控制、仿人智能控制和專家控制等。 模糊控制理論是由美國加利福尼亞大學著名教授L.A.Zade在1965年首先提出的。以模糊數(shù)學為基礎，用語言規(guī)則表示與先進的計算機技術，由模糊推但是模糊集合的邊界是模糊的，允許某些元素部分屬于該集合，只要規(guī)定該元素屬于這個集合的程度就行。對于普通集合中特征函數(shù)的值域從{0,1}集合擴展為[0,1]閉區(qū)間，并定義特征函數(shù)為該閉區(qū)間的連續(xù)函數(shù)，模糊推理集成塊開始研發(fā)。1986年在日本，基于模糊控制技術所開發(fā)的產(chǎn)品和系統(tǒng)也開始出現(xiàn)，而且在實際應用中取得明顯的效益。從那以后，模糊控制在許多國家比如美國、東南亞、西歐、中國引起了廣泛的重視，同時受到國際控制理論學術界的密切關注。1984年，國際模糊系統(tǒng)學會成立。1985年，召開了第一屆學術交流會，各國相繼建立了模糊控制公司開始了模糊產(chǎn)品的研發(fā)。 截止到目前，從廣義上可將它定義為：“模糊控制指的是以模糊語言變量、模糊集合理論及模糊推理為基礎的一類計算機數(shù)字控制方法”，或者定義為“基于模糊邏輯、模糊集合理論，并與傳統(tǒng)的控制理論相結合，模擬人的思維，對難以建立數(shù)學模型的對象實施的一種控制方法”。它的基本思想是在被控對象的模糊模型的基礎上，用機器去模擬人對系統(tǒng)控制的一種方法。 6.2 模糊控制的數(shù)學基礎 6.2.1 模糊集合 模糊集合是一種特別的定義的集合、它與普通集合有聯(lián)系。任何一個元素要么屬于該集合，要么不屬于該集合，界限分明，決不模棱兩可。它可以用來描述模糊現(xiàn)象，但是模糊集合的邊界是模糊的，允許某些收到了空間屬于該集合，只要規(guī)定該元素屬于這個集合的程度就行。對于普通集合中特征函數(shù)的值域從{0,6}集合擴展為[0,6閉區(qū)間，并定義特征函數(shù)為該閉區(qū)間的函數(shù)對論域進行劃分，就可以得到這個集合。 給定論域U中的模糊集A，就是指對任意u ∈U，都可以為其指定一個數(shù)μ(u)u∈[0,1]并與之對應，這個數(shù)叫u對A的隸屬一個映射：:μ:u→[0,1]，u這個映射稱之為A的以這個隸屬函數(shù)為特征的集合。 由此看來，模糊集是普通集的一般化，普通集是合用隸屬函數(shù)表示。隸屬函數(shù)描述了事物的模糊隸屬函數(shù)的值域為{0,1}時候，A就蛻化為普通集，μ(u)則變?yōu)槠胀奶卣骱瘮?shù)。 6.2.2 隸屬度函數(shù)及確定 普通集合用特征函數(shù)表示，模糊集合用隸屬函數(shù)表示。隸屬函數(shù)說明了事物的幾點重要說明： (1)隸屬函數(shù)值域為[0,1]，它將普通集合特征函數(shù)只能取0，1兩個值，拓展到[0,1]閉區(qū)間上連續(xù)取值。μ的值越接近1，表示元素x屬于模糊集合A的程度越大。相反，μ的值越接近0，則表示元素x隸屬于模糊集合A的程度越小。 (2)隸屬函數(shù)刻化了模糊集合，不同的隸屬函數(shù)所描述的模糊集合也不同。 借助隸屬函數(shù)才能對模糊集合描述，如何正確建立隸屬函數(shù)，是一項非常關鍵的工作。在工作中，隸屬函數(shù)選擇好壞的標準看是否符合客觀實際。即使我們所面對的對象不一樣，在選擇隸屬函數(shù)時有很大的主觀性，不過，仍有一些原則可遵循。 常見的隸屬函數(shù)形式在實際應用中，根據(jù)滿足問題要及計算簡便的原則，常用的隸屬函數(shù)有下列幾種： (1)正態(tài)型 ，b>0 式(6.1) (2)三角形 式(6.2) (3)升半梯形 式(6.3) 選用的是三角形隸屬函數(shù)。 6.3 模糊控制設計 模糊控制是模糊控制系統(tǒng)核心，他采用基于模糊同，模糊控制器的規(guī)則也是有所不同，模糊控制算法各異。事實上，模糊控制器的作用和其他控制器的作用一樣，在經(jīng)典控制理論中，有串、PID控制器、并聯(lián)校正器。在現(xiàn)代控制理論中，有自適應控制器、有限狀態(tài)觀測器、魯棒控制器等。 模糊控制器的組成如圖6.1，主要包括輸入量的模糊推理 模糊化和逆模糊化三部分。模糊控制器的實現(xiàn)可由模糊控制通用芯片實現(xiàn)或由計算機的程序來實現(xiàn)，用計算機實現(xiàn)的具體過程如下： 1．求系統(tǒng)反饋值與給定值的誤差e。微機通過獲得精確值，將其與誤差變化率定值比較，得到系統(tǒng)誤差。 2．計算誤差變化率。對誤差由模糊控制通用芯片實現(xiàn)或由計樣周期內(nèi)求誤差的變化e。 3．輸入量由前邊得到的誤差與誤差變化率都是精確值，所以，必須將其模糊化。與此同時，把語言變量值化為某適當論域上模糊子集。 4．模糊控制器的核心，是現(xiàn)場操作人員或經(jīng)驗專家的知識的一種體現(xiàn)，就是控制中所需要的策略?？刂埔?guī)則的條數(shù)有很多條，需要求出總的控制規(guī)則R，作為模糊推理依據(jù)。 5．輸入量模糊化后的語言變量作為模糊推理部分的輸入，再由E、EC和總的控制規(guī)則R，由于推理合成規(guī)則進行模糊推理得到模糊控制量U為：U=(E*EC)*R 6．為了對被控對象進行精確的控制，須將模糊控制量轉(zhuǎn)化為精確量u，暨逆模糊化。 7．計算機執(zhí)行完1~6步驟后，就算完成了對被控對象的一步控制，等到下一次A/D采樣，進行第二步控制，這樣循環(huán)，就完成對被控對象的控制了。 圖6.1 模糊控制器的組成 6.3.1 精確量模糊化 將精確量轉(zhuǎn)化為模糊量的過程稱為模糊化。在計算機中算出的控制量都是精確量，必須經(jīng)過模糊量化處理，然后變?yōu)槟：?，實現(xiàn)模糊控制算法。如果把[-6，+6]區(qū)間的離散化了的精確量分成七個檔次，每個檔次對應一個模糊集，模糊化過程就變得簡單。如果每一精確量都對應一個模糊集，就有無數(shù)多個模糊子集，模糊化過程就相當復雜了。 6.3.2建立模糊控制器的控制規(guī)則 模糊控制器就是利用語言來歸納手動控制過程中所使用策略一般都可以用“IF－THEN”形式的條件語句表示二維模糊控制器：“若e is A and ec is B，則u is C”。A表示誤差e的對應誤差語言變量E的語言值，如PB、PM、0、NS、NB中的一個值。B、C分別表示誤差e、控制量u的對應語言變量的語言值，如PM、PS、0、NM中的一個值。 6.3.3模糊判決 輸出信息的模糊判決模糊控制器的輸出是一個量，一般來說，非模糊化方法有三種情況： 1．取中位數(shù)法。 2．對應的模糊決策的模糊集為c，那么決策u應滿足：∈U。 這個判別方法非常簡單，實時性好，不過它概括的信息量少，由于它完全不考慮其余一切從屬程度較小的點的情況。 3．加權平均法。 6.3.4論域、量化因子與比例因子的選擇 6.3.4.1論域與基本論域 理論上增加一些論域與數(shù)據(jù)不是不可以，只是數(shù)目不能少，為了不受計算機控制字長，就的增加一些計算的量，增加論域等級，也能提高控制精確度，因此誤差及誤差變化的基本論域只能做初步選擇，等系統(tǒng)調(diào)整時再進一步確定。 6.3.4.2量化因子 中間輸入變量并乘以相應的量化因子。 設誤差變量所取的模糊子集的論域為：{-n，-n+1，…，0,…，n}，誤差變化量所取的模糊子集論域為:{-m,-m+1, …,0,…,m}。量化因子一般用K表示，；量化因子主要由以下公式表示，即: Ke=n/x 式(6.4) Kec=m/x 式(6.5) 模糊控制器實際工作過程中，一般誤差與誤差變化的基本論域選擇范圍比模糊論域選擇范圍小，因此量化因子一般都大于1。 6.3.4.3比例因子 采樣給出的控制量還不能直接去控制對象，設控制量所取的模糊子集論域為：{-h,-h+1, …,0,…h(huán)-1,h},即: Ku=y/h 式(6.6) 連續(xù)的實際域，控制量的模糊集論域可以用下式計算，即： y=Ku*h 式(6.7) 式中h為控制量模糊集個精確量，Ku為比例因子。 6.3.4.4量化因子和比例因子的選擇 設計一個模糊控制器不僅要有一個好的模糊控制規(guī)則，還要有合理的選擇模糊控制器輸入變量的量化因子。結果表明，量化因子也是非常重要的。結果表明，量化因子與比例因子的大小和不同量化控制性能影響非常大。 合理的確定量選擇量化因子與比例因子要充分考慮與D/A轉(zhuǎn)換精度相協(xié)調(diào)，使接口板的轉(zhuǎn)換精度變換范圍被利用。 Ke及Kec的大小量誤差，顯然論域內(nèi)的量為精確量。但在理論上，增加論域中的元素個數(shù)。把等級細分，能提高控制精度，不過這受到計算機字長的限制，同時也要增大計算量。對于基本論域的選擇，因為事先對被控對象缺乏先驗知識，因此誤差及誤差變化，不過系統(tǒng)的響應速度變慢。 Ku作為控制器的總的增量，大小影響著控制器的輸出量，但是Ku選擇過大會導致系統(tǒng)振蕩加劇。通過調(diào)整Ku可以對被控對象輸入的大小。 量化因子選擇不是唯一的，可能有不同的值，有時采用一組固定的量化因子與比例因子難以收到預期的控制效果，可以在控制過程中采用改變量化因子與比例因子的方法，以此調(diào)整整個控制過程中不同階段上的控制特性，對復雜過程控制收到良好的控制效果智能雨刮器電機的模糊控制 6.3.2 智能雨刮器的控制原理圖 智能雨刮器的控制原理圖如圖6.5所示： 圖6.5智能雨刮器控制原理圖 6.3.3 直流電機的調(diào)速原理 直流電動機轉(zhuǎn)速的控制方法可分為電樞電壓控制法與勵磁控制法兩類。隨著電力電子技術的發(fā)展，發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法。例如：用交流電源供電,具有以下優(yōu)點：電流波形系數(shù)好，線路簡單；需用的大功率可控器件少，調(diào)速范圍寬；附加損耗小；功率因數(shù)高。 小功率直流電機調(diào)速原理：對于小功率電機調(diào)速系統(tǒng)，使用單片機控制是最方便的。方法是通過改變電機電樞電壓接通時間和通電周期的比值來控制電機速度。PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按固定的頻率來接通和斷開電源， PWM改變占空比的方法有三種：（1）調(diào)寬調(diào)頻法，保持t不變，而改變 t，這樣也使周期T改變；（2）定寬調(diào)頻法，保持t不變，只改變t，這樣周期T也隨之改變。脈沖寬度調(diào)速的系統(tǒng)原理圖如圖6.6所示： 設電機永遠接通電源時，最大轉(zhuǎn)速為V，設占空比D=t/T，則電機的平均速度V，V=V*D，平均速度V和占空比D的函數(shù)曲線如圖6.7。從圖中可看出，V與占空比D不是完全的線性關系（實線），系統(tǒng)允許時，就可以將其近似的看成線性關系（虛線），本系統(tǒng)采用近似法。 圖6.6 脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)原理圖 圖6.7平均速度與占空比關系 6.3.4 電機同步設計中選擇模糊控制的原因 古典控制理論中，應用最成功的是比例積分微分的控制。它是一種在工業(yè)生產(chǎn)中應用最廣泛的常規(guī)控制方式，同時他也是發(fā)展應用前景最好的一種，但是必須提供準確的數(shù)學模型才行。即使數(shù)值計算與計算機技術發(fā)展的好了也要從中求索，從而求解這些參數(shù)時又往往缺少足夠的信息特征與信息量，所以限制了現(xiàn)代控制理論的有效應用。 一個控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的優(yōu)劣，主要在于它能不能對被控對象提供精確的控制。當研究的控制系統(tǒng)涉及多變量、非線性、時變性等這樣的大系統(tǒng)時，例如煤炭生產(chǎn)過程、石油化工，工業(yè)鐵爐等方面。實踐經(jīng)驗的操作人員，手動操作效果卻意想不到的好。操作人員正好是利用了人腦的特點，通過對外界事物進判決與行識別，達到精確控制的目的。 模糊控制和傳統(tǒng)的控制方式相比，具有以下優(yōu)點： 1．控制效果好，且所需設備簡單，經(jīng)濟效益顯著。 2．從不同觀點出發(fā)，可以設計不同的指標函數(shù)，但是對一個給定系統(tǒng)來說，其語言控制規(guī)則是獨立的，而且通過整個控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)可以取得總體的協(xié)調(diào)控制。傳統(tǒng)的雨刮器基本上是機械連桿結構的，下雨時，駕駛員需要手動操作雨刮器來掃除擋風玻璃上的雨水，因此增加了雨天行車的危險性。即有雨滴落在擋風玻璃上，按脈沖個數(shù)對轉(zhuǎn)速進行分配，兩個雨刮就開始左右擺動，當大雨時，雨刮器工作在高速擋。當小雨時，雨刮器工作在低速擋。因為生產(chǎn)工藝的問題，兩個雨刮電機的轉(zhuǎn)速不可能完全一樣，就會發(fā)生兩個雨刮擺動不同步的現(xiàn)象。用電機的復位信號來檢測雨刮器擺動的快慢，雨刮先到復位位置，說明它快，經(jīng)過單片機的PWM口，對快的進行斬波。雨刮器每運行一個周期檢測一次，先到復位位置就對那個斬波，直到兩個雨刮無論在什么檔位狀態(tài)，都能達到同步擺動代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器，能明顯改善系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)，控制效果好。 6.3.5 模糊控制在電機同步控制中的應用 本設計中的雨刮器是采用具有高速與低速兩個檔位的雨刮電機來同時控制兩個雨刮器，雨刮器不工作時，兩個雨刮器都停在擋風玻璃的左側位置，就是雨刮電機復位位置。我們用單片機來控制整個系統(tǒng)，當80C51的INT1口檢測到紅外雨滴傳感器的信號時，本設計設計的基于模糊控制的汽車智能雨刮系統(tǒng)是采用成熟的模糊控制技術,汽車的許多裝置也越來越多的使用了模糊控制技術,例如變速控制、剎車裝置等。。 1． 確定輸入變量和輸出變量 本設計中選擇兩電極復位端的偏差變化及時間偏差E為輸入變量，PWM脈寬調(diào)制信號占空比增量U為輸出。 模糊變量E、Ec及U的隸屬度函數(shù)賦值表如表6.1，表6.2，表6.3所示[12]： 表6.1 模糊變量E的隸屬度函數(shù)賦值表 表6.2 模糊變量Ec的隸屬度函數(shù)賦值表 表6.3 模糊變量U的隸屬度函數(shù)賦值表 3.模糊控制規(guī)則的確定 確定了模糊控制器的論域及隸屬度函數(shù)、輸入變量與輸出變量的模糊集之后,則需建立模糊控制規(guī)則。根據(jù)人的思維推理,由系統(tǒng)輸出的誤差率來消除系統(tǒng)誤差的模糊規(guī)則可以用35條if—then條件語句來描述。如,從系統(tǒng)的響應看,如果誤差E為PB,需要給出正的控制量U。如果此時EC為值時,說明誤差較大且還有加大的趨勢,應該設置控制量U為PB;相反的如果EC為NS,說明誤差有減小的趨勢,所以無需加太大的控制量U,可以設置為PM;若EC為NM、NB,則說明誤差有較快的減小趨勢,則應該加更小的控制量U,甚至可以不加,如設置U為0。這樣,針對E、EC的組合可以總結出類似的規(guī)則,如表6.4所示。 正常情況下，模糊控制器完成，模糊推理和語言規(guī)則就確定了。隨著在設計模糊控制規(guī)則時要結合操作者的實際經(jīng)驗，對控制規(guī)則進行調(diào)整，直到控制結果滿意為止。 表6.4模糊控制規(guī)則表 4.量化因子和比例因子的選擇 本設計中，經(jīng)過Matlab仿真的調(diào)試，選定K e=7.5，K ec=0.4，K u=3.5根據(jù)式6.4，6.5，6.6，6.7，可得模糊控制器的誤差范圍是[-700,700]ms,誤差變化的范圍是[-1600，1600]ms，Pwm占空比的增量是[-24.4%,24.4%]。而本設計中電機選用3000r/min的小型直流電機，其轉(zhuǎn)動的最慢速度的占空比在程序中幾經(jīng)給出為30%，相當于一轉(zhuǎn)需要60ms。雨刮器從一端擺到另一端需要半個周期，為35ms，所以誤差范圍最大為[-20，20]ms，誤差變化的最大范圍是[-65，65]ms，Pwm增量范圍是[-10.6%,10.6%],因此說明此量化因子和比例因子選擇恰當，可以完全反應本設計的控制規(guī)律。 5.模糊控制器的設計 MATLAB，取自矩陣和實驗室兩個英文單詞的前三個字母即“矩陣實驗室”。它是一種以矩陣作為基本數(shù)據(jù)單元的程序設計語言，提供了算法實現(xiàn)、數(shù)據(jù)分析與應用開發(fā)的交互式開發(fā)環(huán)境，經(jīng)歷了30多年的發(fā)展歷程。 本設計采用MATLAB模糊邏輯工具箱設計模糊控制器。在MATLAB中鍵入命令，進入模糊邏輯編輯窗口，在輸入e、ec，和輸出u圖標雙擊，可以對輸入和輸出的隸屬函數(shù)進行特殊編輯，例如：隸屬函數(shù)條數(shù)、論域范圍、隸屬函數(shù)形狀等。 如附錄中圖A.1所示，本設計中取兩個雨刷到達復位位置的時間偏差e的論域為[-7,+7]，有6個語言變量，三角形隸屬度函數(shù)。 如附錄中圖A.2所示，兩個雨刷到達復位位置的時間偏差變化率ec的論域為[-7,+7]，有5個語言變量，三角形隸屬度函數(shù) 。 如附錄中圖A.3所示，輸出PWM脈寬調(diào)制信號占空比的增量u的論域為[-6,+6]，有6個語言變量，三角形隸屬度函數(shù)。 然后在Rules Editor窗口中輸入控制雨刮同步的36條模糊控制規(guī)則，如附錄中圖A.4所示。 這樣模糊控制器就好了，可以通過附錄中圖A.5,圖A.6觀察結果。 6.4 模糊控制算法流程圖 模糊控制器的控制算可以看出，這種控制算法程序方便，計算機容易實現(xiàn)。同時對噪聲也具有較強的控制能力。但是由于控制器本身沒有積分，消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能差，尤其在變量分級不夠多的時候，還可能會在平衡點附件產(chǎn)生震蕩。但是與PID控制比起來模糊控制器具有超調(diào)量小，調(diào)節(jié)速度快等特點。為了準確建立系統(tǒng)模型與進行仿真分析，模糊控制算法流程圖如圖6.8： 圖6.8模糊控制算法流程圖 6.5 控制系統(tǒng)的仿真與分析 近年來PWM技術的發(fā)展為電機的數(shù)字化控制提供了方便，對噪聲也具有較強的控制能力。但是由于控制器本身沒有積分，消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能差，尤其在變量分級不夠多的時候，還可能會在平衡點附件產(chǎn)生震蕩。但是與PID控制比起來模糊控制器具有超調(diào)量小，調(diào)節(jié)速度快等特點。 通常的工業(yè)過程可以等效成二階系統(tǒng)，為了一般性，我們?nèi)∽鳛橹悄苡旯纹飨到y(tǒng)的模型。在Matlab中鍵入命令Siulink，建立模糊控制系統(tǒng)Siulink模型如圖6.9。 基于實驗中反復調(diào)試和量化因子及比例因子的選取規(guī)則，取Ke=7.6，Kec=0.5，Ku=3.4，仿真結果如圖6.10。 圖6.9 模糊控制系統(tǒng)模型 模型如圖6.11，取Kp=2.4，Ki=2，Kd=0.3。仿真結果如圖6.12： 圖6.10 模糊控制系統(tǒng)仿真結果 由于控制器本身沒有積分，消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能差，尤其在變量分級不夠多的時候，還可能會在平衡點附件產(chǎn)生震蕩。用模糊控制器取代PID控制器能提高控制精度，具有很好的動態(tài)性能。 圖6.11 PID控制系統(tǒng)模型 圖6.12 PID控制系統(tǒng)仿真結果 總結 本設計將雨滴傳感器安裝在擋風玻璃上駕駛室一側，通過改變雨滴量的大小，能使雨刮器自動工作在高速檔或低速檔。實驗表明，該智能雨刮系統(tǒng)性能穩(wěn)定，反應靈敏，輸出信號延時可忽略，實現(xiàn)了雨量實時監(jiān)測。 設計在對智能雨刮系統(tǒng)進行了大量的研究，但是發(fā)現(xiàn)國內(nèi)的廠商沒有在這方面太優(yōu)秀的，基本上是國外領先，所以，價格非常昂貴，普及困難。本文所研究的紅外雨滴傳感器和智能雨刮系統(tǒng)，因為性能穩(wěn)定，可靠性高，成本低廉，易于在低檔轎車上和大客車普及應用，有廣泛的市場前景。對于紅外雨滴傳感器和模糊控制器的設計，有一些特殊情況沒在本設計研究范圍之內(nèi)，仍有待進一步研究。 參考文獻 [1] 許兆林,趙育良,張玉葉. 基于光學自準直的航空相機自動調(diào)焦系統(tǒng)[J]. 光學儀器.2011,33(2):53-56. 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International Journal of Computer Science and Network Security,2008,8(11):423-428. 附錄A matlab仿真圖 圖A．1 電機復位時間偏差的隸屬函數(shù) 圖A．2 電機復位時間偏差變化的隸屬函數(shù) 圖A.3 Pwm占空比增量的隸屬函數(shù) 圖A.4 模糊控制規(guī)則 圖A.5模糊控制規(guī)則視圖 圖A.6模糊控制表面圖 附錄B 硬件原理圖 附錄C 程序 第一片單片機的雨滴傳感器程序： #include #define_MHZ_12 /設置單片機使用的晶振頻率 unsigned int count=0,precount,Maichong; void t1 (void); /t1定時子函數(shù) void int1(void) interrupt1; /中斷服務子函數(shù) void Yudi(void); /判斷雨量多少子函數(shù) sbit Q7=p3^3; sbit int1=p3^3; main() { t1(); /調(diào)用定時子程序 while(precount!=0) { Yudi(); P0=Maichong; /調(diào)用雨量多少子程序 t1(); } } void t1 (void); { TMOD=0x10; /定時器1工作在方式1，即為16位計數(shù)器 TH1=0X01; /設置60ms定時時間的初值 TL1=0XA0; TR1=1； /啟動T1 IT1=1； /設置INTR1中斷方式為邊沿觸發(fā)方式，負跳變時產(chǎn)生中斷 EA=1; ET1=1; /允許定時器1中斷 EX1=1; /允許外部中斷1中斷 EA=1； /CPU開放中斷 count=0; } void int1(void) interrupt1; /外部中斷1處理函數(shù) TR1=0; TH1=0X15; TL1=0XA0; while (int1==0); count ++; precount=count; TR1=1; } void Yudi(void); /雨滴傳感器子程序 { if(precount>=3&&precount<12) {Maichong=04H; else if (precount>=12&&precount<20) {Maichong=0FH;} else Maichong=00H Maichong=P0; } 第二片用于電機控制的單片機程序： #include #include float pwmcycle, pwmcycle1,pwmcycle2; char E(k)[8],Ec(k)[8]; sbit pwm1=P0.0; sbit pwm1=P0.1; sbit pwm2=P0.3; sbit pwm2=P0.4; void delay(unit m); /聲明延時函數(shù) void dianji(void); void timer1(void)interrupt 0 using 1; void timer2(void)interrupt 1 using 1; void shijiancha(void); void Tongbu(void); void gengxin(void); main { P1=P0; dianji(); shijiancha(); tongbu(); dengxin(); if(timer1!=timer2) {dianji();} } void delay(unit m) /延時1ms子程序 { uchar i; while(m--) for(i=125;i>0;i--) } void dianji(void) /電機雙向子程序 { while (Maichong==4) {if(SA1==1