基于單片機(jī)的汽車(chē)智能雨刮器設(shè)計(jì)

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長(zhǎng)春大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于單片機(jī)的汽車(chē)智能雨刮器設(shè)計(jì) 摘 要 雨刮器屬汽車(chē)的附件，是汽車(chē)安全行駛重要部件，用于消除擋風(fēng)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(qiáng)變化的原理設(shè)計(jì)了一種新型的汽車(chē)紅外線(xiàn)雨滴傳感器。當(dāng)下雨時(shí)，該雨刮器系統(tǒng)可以通過(guò)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(dòng)工作在高速或低速狀態(tài)，能夠取代傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的雨刮器。 在汽車(chē)智能雨刮系統(tǒng)中由于兩個(gè)雨刮電機(jī)的轉(zhuǎn)速不可能完全一樣，就存在兩個(gè)雨刮擺動(dòng)不同步的問(wèn)題。本文在分析了模糊控制理論及雨刮同步擺動(dòng)規(guī)則的基礎(chǔ)上，提出了一種基于模糊控制的汽車(chē)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(yǔ)言變量，根據(jù)所制定的一套模糊控制規(guī)則來(lái)選擇控制PWM的輸出語(yǔ)言變量，并以此通過(guò)脈寬調(diào)制技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，使兩個(gè)雨刮同步擺動(dòng)。 本文基于單片機(jī)完成了對(duì)雨滴傳感器及模糊控制的軟、硬件設(shè)計(jì)，并對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了MATLAB仿真，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)性能。 關(guān)鍵詞：雨滴傳感器；模糊控制；單片機(jī)；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(zhǎng)春大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（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(lèi) 4 2.1 雨滴傳感器的分類(lèi) 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(shí)器構(gòu)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(shè)計(jì) 12 4.1 智能雨刮器結(jié)構(gòu)框圖 12 4.2 雨滴傳感器硬件設(shè)計(jì) 12 4.3 電機(jī)控制的硬件設(shè)計(jì) 12 第五章 智能雨刮器軟件設(shè)計(jì) 15 5.1 雨滴傳感器流程圖設(shè)計(jì) 15 5.2 智能雨刮器雙電機(jī)控制的流程圖設(shè)計(jì) 16 5.3 汽車(chē)智能雨刮器的主程序流程圖設(shè)計(jì) 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(jiǎn)介 19 6.2 模糊控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 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(shè)計(jì) 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(jī)的調(diào)速原理 25 6.3.4 電機(jī)同步設(shè)計(jì)中選擇模糊控制的原因 26 6.3.5 模糊控制在電機(jī)同步控制中的應(yīng)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(jié) 36 參考文獻(xiàn) 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(zhǎng)春大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 第一章 引 言 1.1 研究背景 汽車(chē)工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，現(xiàn)代汽車(chē)正從一種單純的交通工具向著著滿(mǎn)足人們需求、安全、節(jié)能和環(huán)保的方向發(fā)展。為了滿(mǎn)足人們對(duì)汽車(chē)的要求，汽車(chē)研發(fā)與生產(chǎn)機(jī)構(gòu)必然要將越來(lái)越多的智能電子產(chǎn)品引入到汽車(chē)上，智能控制系統(tǒng)也成為汽車(chē)革新的主要內(nèi)容之一。 雨刮器屬汽車(chē)不可缺少的附件，也是汽車(chē)安全行駛的重要部件，用于消除擋風(fēng)玻璃、后窗玻璃及大燈玻璃上的雨雪等，以保證玻璃時(shí)刻保持透明清晰。 第一個(gè)發(fā)明電動(dòng)刮水器的公司是德國(guó)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(gè)產(chǎn)品逐漸成長(zhǎng)，從單純的刮片發(fā)展到了二十一世紀(jì)初的風(fēng)窗玻璃——無(wú)支架刮水器。在汽車(chē)的駕駛歷史上，對(duì)風(fēng)窗玻璃的清潔問(wèn)題解決開(kāi)始的比較晚。汽車(chē)從平添駕駛發(fā)展到成為全天候的駕駛。技術(shù)變化最大的時(shí)候是在二戰(zhàn)以后，隨著大規(guī)模機(jī)械的出現(xiàn)。風(fēng)窗擋風(fēng)玻璃洗滌器、間歇開(kāi)關(guān)、后窗刮水器與可加熱噴水器保證了駕駛時(shí)視野清晰與駕車(chē)安全。隨著其他一些技術(shù)的革新，如雨滴傳感器、可變位的刮水臂，刮水器的出現(xiàn)，擴(kuò)大了刮拭的范圍，刮水器成為了汽車(chē)車(chē)身一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。 目前傳感器在汽車(chē)上的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，汽車(chē)傳感器作為汽車(chē)電子控制系統(tǒng)的信息源，是汽車(chē)電子控制系統(tǒng)非常關(guān)鍵的部件，同時(shí)也是汽車(chē)電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之一。對(duì)于汽車(chē)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(shí)具有信息處理、檢測(cè)、自動(dòng)進(jìn)行各種誤差補(bǔ)償、量程覆蓋范圍廣、輸出信號(hào)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(yuǎn)距離輸送信號(hào)，有的可帶有自檢功能。 1.2 研究的意義 據(jù)統(tǒng)計(jì)全世界行車(chē)有8%的事故是因?yàn)樗緳C(jī)手動(dòng)操作雨刷引起的，所以現(xiàn)在的汽車(chē)中已經(jīng)安裝了越來(lái)越多的傳感器用來(lái)增加主動(dòng)性與被動(dòng)安全性。應(yīng)用雨滴感應(yīng)式自動(dòng)雨刷控制系統(tǒng)不僅可以使駕駛者免除手動(dòng)操作雨刷的麻煩，而且有效地增加了雨天行車(chē)的安全性。如果汽車(chē)安裝雨滴傳感器，駕駛者就不需要調(diào)節(jié)雨刮器的設(shè)置來(lái)停止刮片的運(yùn)動(dòng)或者得到更好的視角。而且當(dāng)在濕路上駕駛的時(shí)候，駕駛者與無(wú)需動(dòng)手來(lái)打開(kāi)雨刮器，因此駕駛者就可以集中精力開(kāi)車(chē)了。 1.3 論文的內(nèi)容 論文結(jié)合了智能雨刮系統(tǒng)的特點(diǎn)，進(jìn)行了以下幾個(gè)問(wèn)題的研究： 1．論文總結(jié)了汽車(chē)雨刮器的發(fā)展歷程以及汽車(chē)傳感器的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，提出了研制汽車(chē)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(gòu)成。我們依據(jù)雨滴傳感器在汽車(chē)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(xiàn)汽車(chē)的智能雨刮器系統(tǒng)。該雨滴傳感器能夠自動(dòng)的分辨出是大雨還是小雨，因此使雨刷做高速或低速擺動(dòng)。 3．本文系統(tǒng)的分析了模糊控制理論和模糊控制技術(shù)在汽車(chē)上的重要應(yīng)用。汽車(chē)工業(yè)在其發(fā)展過(guò)程中日益顯示的對(duì)于高新技術(shù)的可容性與電子化的趨勢(shì)，使得模糊控制技術(shù)領(lǐng)域頗受各國(guó)汽車(chē)廠商和公司的重視，并因此掀起了一股模糊控制技術(shù)用于汽車(chē)的浪潮。所以，要研制智能化的汽車(chē)是離不開(kāi)模糊控制技術(shù)的。 4．把模糊控制技術(shù)用于汽車(chē)智能雨刮系統(tǒng)中的兩個(gè)雨刮片的同步。因?yàn)樯a(chǎn)工藝的問(wèn)題，兩個(gè)雨刮電機(jī)的轉(zhuǎn)速不可能絕對(duì)一樣，所以存在兩個(gè)雨刮片擺動(dòng)不同步的問(wèn)題。用模糊控制器來(lái)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(gè)系統(tǒng)用80c51單片機(jī)來(lái)控制，給出了硬件和軟件設(shè)計(jì)。 5．用MATLAB對(duì)模糊控制系統(tǒng)與PID控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，對(duì)比兩個(gè)仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明了設(shè)計(jì)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(lèi) 現(xiàn)在開(kāi)發(fā)的雨滴檢測(cè)傳感器，將雨滴傳感器檢出的雨量變成了電信號(hào)，根據(jù)電信號(hào)的大小，控制刮雨器的動(dòng)作。在這個(gè)系統(tǒng)中雨滴傳感器起了至關(guān)重要的作用。 2.1 雨滴傳感器的分類(lèi) 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(dǎo)體發(fā)光元件與感光元件配成一對(duì)，發(fā)光元件發(fā)出的光信號(hào)，如果光在路途中遇到雨滴落下，因?yàn)楣獾纳⑸?，所以光?qiáng)減弱。可利用光強(qiáng)的衰減信號(hào)來(lái)控制雨刮器動(dòng)作。 前兩種雨滴傳感器必須放在汽車(chē)的外部，但是本文所研制的雨滴傳感器需要放在汽車(chē)內(nèi)部，即就是駕駛室一側(cè)的擋風(fēng)玻璃上。本文采用第三種方法，利用光強(qiáng)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的雨滴傳感器。 2.2 紅外雨滴傳感器的原理 本設(shè)計(jì)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(xiàn)）發(fā)射元件發(fā)射出的紅外光以全反射角度在擋風(fēng)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(fēng)玻璃上有雨，雨量越大，反射回來(lái)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(fēng)玻璃區(qū)域內(nèi)被稱(chēng)作傳感器的“敏感區(qū)域”，當(dāng)雨水滴到這個(gè)區(qū)域的時(shí)候，才能被探測(cè)出來(lái)。為使系統(tǒng)可靠，擋風(fēng)玻璃和靈敏區(qū)域之間必須要有一個(gè)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(gòu)成。電機(jī)部分的芯片是四總線(xiàn)緩沖門(mén)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(shè)計(jì)中光源定為紅外線(xiàn)，因此發(fā)射模塊主要由八個(gè)紅外發(fā)射器、一個(gè)555定時(shí)器與電阻電容元件構(gòu)成。八個(gè)紅外發(fā)射管采用4個(gè)為一組，兩組并聯(lián)的方式，由555定時(shí)器驅(qū)動(dòng)。 3.1.1 發(fā)射管 發(fā)射管采用了西門(mén)子公司生產(chǎn)的SFH421作為光源，實(shí)物圖如圖2-10。峰值波長(zhǎng)λ為880 nm，帶寬<80 nm。具有高可靠性、高線(xiàn)性度、高脈沖處理能力等特點(diǎn)。采用4個(gè)為一組，兩組并聯(lián)的方式，由555定時(shí)器驅(qū)動(dòng)，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(shí)器構(gòu)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(hào)就可以產(chǎn)生一定頻率與幅值的矩形脈沖或方波?？梢杂杉呻娐贩聪嗥?、555定時(shí)器、與非門(mén)、無(wú)穩(wěn)態(tài)電路等組成. 其中555定時(shí)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(lái)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(dāng)v上升到v時(shí)，觸發(fā)器被復(fù)位，同時(shí)放電BJT T導(dǎo)通，這個(gè)時(shí)候v為低電平，電容C通過(guò)R和T放電，使v下降。直到v降到v時(shí)， v翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電需要的時(shí)間： 式(3.1) C放電結(jié)束，T截止，v通過(guò)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(shí)，觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，這樣周而復(fù)始，輸出端就能得到一個(gè)方波，頻率為[2]： 式(3.3) 圖3.1 多謝振蕩器電路圖 本設(shè)計(jì)用的發(fā)射模塊是由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，通過(guò)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(dòng)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(duì)發(fā)射頻率的影響可忽略不計(jì)。不過(guò)對(duì)紅外光發(fā)射強(qiáng)度的影響不能忽略,得采取提高穩(wěn)定發(fā)射強(qiáng)度的措施,采取恒流源技術(shù)或窄脈沖發(fā)射的措施,能使紅外輻射強(qiáng)度不變[3]。設(shè)計(jì)中采用的是恒流源技術(shù)。 圖3.2 555定時(shí)器原理圖 3.2 接收模塊 接收模塊是由一個(gè)濾波器，接收管，分頻器和51單片機(jī)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(hào)變成電脈沖信號(hào)后送入帶通濾波器。峰值波長(zhǎng)λ為880 nm，具有高可靠性、高線(xiàn)性度等特點(diǎn)。 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(hào)通過(guò)，將此頻帶以外的信號(hào)隔斷。這種濾波器經(jīng)常用于抗信號(hào)，以便接收某一頻帶范圍內(nèi)干擾的設(shè)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(lái)，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(hào)通過(guò)。將二者串聯(lián)起來(lái)，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(gè)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(gè)電阻R和電容C組成高通電路，二者串聯(lián)起來(lái)接在集成運(yùn)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(shè)R=2R，R=R，此時(shí)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(shè)計(jì)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(guò)。因?yàn)榇笕萘康碾娙萜鲀r(jià)格高，體積大，盡量避免使用。由式取C=0.1，,由式(3.5)可得： 計(jì)算出R=41.9.在根據(jù)Ｑ值求出與：由于f=時(shí)，=380，因此。根據(jù)與A、、的關(guān)系，集成運(yùn)放兩輸入端外接電阻的對(duì)稱(chēng)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(shè)計(jì) 4.1 智能雨刮器結(jié)構(gòu)框圖 智能雨刮器系統(tǒng)由單片機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)、雨刷及雨滴傳感器等組成。智能雨刮器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4.1。 圖4.1智能雨刮器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 4.2 雨滴傳感器硬件設(shè)計(jì) 雨滴傳感器部分，由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器對(duì)紅外發(fā)射管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，再由接收管接收，這樣就構(gòu)成了一個(gè)光電傳感器。把光電傳感器的信號(hào)經(jīng)帶通濾波器把信號(hào)頻率控制在38KHz左右，再由分頻器進(jìn)行128分頻，使脈沖信號(hào)變?yōu)楹撩霐?shù)量級(jí)。這樣構(gòu)成的硬件圖如圖4.2： 4.3 電機(jī)控制的硬件設(shè)計(jì) 80c51單片機(jī)的P0口的P0.0、P0.1與P0.3、P0.4分別經(jīng)反向驅(qū)動(dòng)器74LS04和四總線(xiàn)緩沖門(mén)74LS125控制4個(gè)大功率場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)管IRF640和4個(gè)光電隔離器。 下面說(shuō)明此電路對(duì)電機(jī)A的控制過(guò)程:當(dāng)單片機(jī)經(jīng)P0接口輸出12H控制模型時(shí)因?yàn)殒i存器74LS125中的三態(tài)門(mén)1是打開(kāi)的，因此光電隔離器LEI導(dǎo)通并發(fā)光，光敏三極管輸出為高電平，所以使大功率場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)管IRF640導(dǎo)通。同理，74LS125中的三態(tài)門(mén)4輸出為高電平，所以光電隔離器LEI發(fā)光并導(dǎo)通，所以使v4導(dǎo)通。同理可分析，此時(shí)v2與v3是關(guān)斷的。所以電流從左到右流過(guò)直流電機(jī)，使電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)P0接口輸出09H時(shí)，鎖存器74LS125中的2，3號(hào)三態(tài)門(mén)打開(kāi)，使得v2與v3接通，v1與v4關(guān)斷，電流從右向左流過(guò)電機(jī)，使電機(jī)反轉(zhuǎn)。SA0為電機(jī)左到位開(kāi)關(guān)，當(dāng)SA0置一時(shí)，輸出正向代碼；SA1為電機(jī)右到位開(kāi)關(guān)，當(dāng)SA1置一時(shí)，輸出反向代碼[7]。電機(jī)復(fù)位端為兩電機(jī)各自的左到位開(kāi)關(guān)。 電機(jī)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(jī)控制部分硬件圖 第五章 智能雨刮器軟件設(shè)計(jì) 5.1 雨滴傳感器流程圖設(shè)計(jì) 由于脈沖的中心頻率為38KHZ，進(jìn)行128分頻后約為300HZ，周期為3ms，因此選定定時(shí)時(shí)間為60ms，這個(gè)時(shí)間段內(nèi)最多可以接收20個(gè)脈沖，在按脈沖的多少進(jìn)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(shí)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(shí)器流程圖 5.2 智能雨刮器雙電機(jī)控制的流程圖設(shè)計(jì) 對(duì)直流電動(dòng)機(jī)來(lái)講，勵(lì)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(dòng)機(jī)的電壓，就可控制轉(zhuǎn)速。通過(guò)改變單片機(jī)輸出脈寬信號(hào)，管理直流電機(jī)的電壓，因此改變雨刮電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。汽車(chē)雨刮器電機(jī)的軟件流程圖如圖5.3： 5.3 汽車(chē)智能雨刮器的主程序流程圖設(shè)計(jì) 汽車(chē)智能雨刮系統(tǒng)中，有很多非線(xiàn)性因素會(huì)對(duì)雨刮同步造成影響。因此，我們就要用人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來(lái)調(diào)整PWM信號(hào)的占空比，使兩個(gè)雨刮同步擺動(dòng)。所以，把模糊控制技術(shù)運(yùn)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(chē)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(jiǎn)介 最近幾十年來(lái)，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(gè)階段。智能控制包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、仿人智能控制和專(zhuān)家控制等。 模糊控制理論是由美國(guó)加利福尼亞大學(xué)著名教授L.A.Zade在1965年首先提出的。以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，用語(yǔ)言規(guī)則表示與先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，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(gè)集合的程度就行。對(duì)于普通集合中特征函數(shù)的值域從{0,1}集合擴(kuò)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(kāi)始研發(fā)。1986年在日本，基于模糊控制技術(shù)所開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品和系統(tǒng)也開(kāi)始出現(xiàn)，而且在實(shí)際應(yīng)用中取得明顯的效益。從那以后，模糊控制在許多國(guó)家比如美國(guó)、東南亞、西歐、中國(guó)引起了廣泛的重視，同時(shí)受到國(guó)際控制理論學(xué)術(shù)界的密切關(guān)注。1984年，國(guó)際模糊系統(tǒng)學(xué)會(huì)成立。1985年，召開(kāi)了第一屆學(xué)術(shù)交流會(huì)，各國(guó)相繼建立了模糊控制公司開(kāi)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(yǔ)言變量、模糊集合理論及模糊推理為基礎(chǔ)的一類(lèi)計(jì)算機(jī)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(jié)合，模擬人的思維，對(duì)難以建立數(shù)學(xué)模型的對(duì)象實(shí)施的一種控制方法”。它的基本思想是在被控對(duì)象的模糊模型的基礎(chǔ)上，用機(jī)器去模擬人對(duì)系統(tǒng)控制的一種方法。 6.2 模糊控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 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(gè)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(lái)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(gè)集合的程度就行。對(duì)于普通集合中特征函數(shù)的值域從{0,6}集合擴(kuò)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(duì)論域進(jìn)行劃分，就可以得到這個(gè)集合。 給定論域U中的模糊集A，就是指對(duì)任意u ∈U，都可以為其指定一個(gè)數(shù)μ(u)u∈[0,1]并與之對(duì)應(yīng)，這個(gè)數(shù)叫u對(duì)A的隸屬一個(gè)映射：:μ:u→[0,1]，u這個(gè)映射稱(chēng)之為A的以這個(gè)隸屬函數(shù)為特征的集合。 由此看來(lái)，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?yàn)閧0,1}時(shí)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(shuō)明了事物的幾點(diǎn)重要說(shuō)明： (1)隸屬函數(shù)值域?yàn)閇0,1]，它將普通集合特征函數(shù)只能取0，1兩個(gè)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(duì)模糊集合描述，如何正確建立隸屬函數(shù)，是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的工作。在工作中，隸屬函數(shù)選擇好壞的標(biāo)準(zhǔn)看是否符合客觀實(shí)際。即使我們所面對(duì)的對(duì)象不一樣，在選擇隸屬函數(shù)時(shí)有很大的主觀性，不過(guò)，仍有一些原則可遵循。 常見(jiàn)的隸屬函數(shù)形式在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)滿(mǎn)足問(wèn)題要及計(jì)算簡(jiǎn)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(shè)計(jì) 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(shí)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(yīng)控制器、有限狀態(tài)觀測(cè)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(shí)現(xiàn)可由模糊控制通用芯片實(shí)現(xiàn)或由計(jì)算機(jī)的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的具體過(guò)程如下： 1．求系統(tǒng)反饋值與給定值的誤差e。微機(jī)通過(guò)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(jì)算誤差變化率。對(duì)誤差由模糊控制通用芯片實(shí)現(xiàn)或由計(jì)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(shí)，把語(yǔ)言變量值化為某適當(dāng)論域上模糊子集。 4．模糊控制器的核心，是現(xiàn)場(chǎng)操作人員或經(jīng)驗(yàn)專(zhuān)家的知識(shí)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(yǔ)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(jìn)行模糊推理得到模糊控制量U為：U=(E*EC)*R 6．為了對(duì)被控對(duì)象進(jìn)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(jì)算機(jī)執(zhí)行完1~6步驟后，就算完成了對(duì)被控對(duì)象的一步控制，等到下一次A/D采樣，進(jìn)行第二步控制，這樣循環(huán)，就完成對(duì)被控對(duì)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(guò)程稱(chēng)為模糊化。在計(jì)算機(jī)中算出的控制量都是精確量，必須經(jīng)過(guò)模糊量化處理，然后變?yōu)槟：?，?shí)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(gè)檔次，每個(gè)檔次對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊集，模糊化過(guò)程就變得簡(jiǎn)單。如果每一精確量都對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊集，就有無(wú)數(shù)多個(gè)模糊子集，模糊化過(guò)程就相當(dāng)復(fù)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(yǔ)言來(lái)歸納手動(dòng)控制過(guò)程中所使用策略一般都可以用“IF－THEN”形式的條件語(yǔ)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(duì)應(yīng)誤差語(yǔ)言變量E的語(yǔ)言值，如PB、PM、0、NS、NB中的一個(gè)值。B、C分別表示誤差e、控制量u的對(duì)應(yīng)語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值，如PM、PS、0、NM中的一個(gè)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(gè)量，一般來(lái)說(shuō)，非模糊化方法有三種情況： 1．取中位數(shù)法。 2．對(duì)應(yīng)的模糊決策的模糊集為c，那么決策u應(yīng)滿(mǎn)足：∈U。 這個(gè)判別方法非常簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好，不過(guò)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(diǎn)的情況。 3．加權(quán)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(jì)算機(jī)控制字長(zhǎng)，就的增加一些計(jì)算的量，增加論域等級(jí)，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(shí)再進(jìn)一步確定。 6.3.4.2量化因子 中間輸入變量并乘以相應(yīng)的量化因子。 設(shè)誤差變量所取的模糊子集的論域?yàn)椋簕-n，-n+1，…，0,…，n}，誤差變化量所取的模糊子集論域?yàn)?{-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(shí)際工作過(guò)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(duì)象，設(shè)控制量所取的模糊子集論域?yàn)椋簕-h,-h+1, …,0,…h(huán)-1,h},即: Ku=y/h 式(6.6) 連續(xù)的實(shí)際域，控制量的模糊集論域可以用下式計(jì)算，即： y=Ku*h 式(6.7) 式中h為控制量模糊集個(gè)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(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制器不僅要有一個(gè)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(jié)果表明，量化因子也是非常重要的。結(jié)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(gè)數(shù)。把等級(jí)細(xì)分，能提高控制精度，不過(guò)這受到計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)的限制，同時(shí)也要增大計(jì)算量。對(duì)于基本論域的選擇，因?yàn)槭孪葘?duì)被控對(duì)象缺乏先驗(yàn)知識(shí)，因此誤差及誤差變化，不過(guò)系統(tǒng)的響應(yīng)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(guò)大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩加劇。通過(guò)調(diào)整Ku可以對(duì)被控對(duì)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(shí)采用一組固定的量化因子與比例因子難以收到預(yù)期的控制效果，可以在控制過(guò)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(gè)控制過(guò)程中不同階段上的控制特性，對(duì)復(fù)雜過(guò)程控制收到良好的控制效果智能雨刮器電機(jī)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(jī)的調(diào)速原理 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為電樞電壓控制法與勵(lì)磁控制法兩類(lèi)。隨著電力電子技術(shù)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(diǎn)：電流波形系數(shù)好，線(xiàn)路簡(jiǎn)單；需用的大功率可控器件少，調(diào)速范圍寬；附加損耗?。还β室驍?shù)高。 小功率直流電機(jī)調(diào)速原理：對(duì)于小功率電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，使用單片機(jī)控制是最方便的。方法是通過(guò)改變電機(jī)電樞電壓接通時(shí)間和通電周期的比值來(lái)控制電機(jī)速度。PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)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(shè)電機(jī)永遠(yuǎn)接通電源時(shí)，最大轉(zhuǎn)速為V，設(shè)占空比D=t/T，則電機(jī)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(xiàn)如圖6.7。從圖中可看出，V與占空比D不是完全的線(xiàn)性關(guān)系（實(shí)線(xiàn)），系統(tǒng)允許時(shí)，就可以將其近似的看成線(xiàn)性關(guān)系（虛線(xiàn)），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(guān)系 6.3.4 電機(jī)同步設(shè)計(jì)中選擇模糊控制的原因 古典控制理論中，應(yīng)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(yīng)用最廣泛的常規(guī)控制方式，同時(shí)他也是發(fā)展應(yīng)用前景最好的一種，但是必須提供準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型才行。即使數(shù)值計(jì)算與計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的好了也要從中求索，從而求解這些參數(shù)時(shí)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(yīng)用。 一個(gè)控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的優(yōu)劣，主要在于它能不能對(duì)被控對(duì)象提供精確的控制。當(dāng)研究的控制系統(tǒng)涉及多變量、非線(xiàn)性、時(shí)變性等這樣的大系統(tǒng)時(shí)，例如煤炭生產(chǎn)過(guò)程、石油化工，工業(yè)鐵爐等方面。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的操作人員，手動(dòng)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(diǎn)，通過(guò)對(duì)外界事物進(jìn)判決與行識(shí)別，達(dá)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(diǎn)： 1．控制效果好，且所需設(shè)備簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)效益顯著。 2．從不同觀點(diǎn)出發(fā)，可以設(shè)計(jì)不同的指標(biāo)函數(shù)，但是對(duì)一個(gè)給定系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其語(yǔ)言控制規(guī)則是獨(dú)立的，而且通過(guò)整個(gè)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(jī)械連桿結(jié)構(gòu)的，下雨時(shí)，駕駛員需要手動(dòng)操作雨刮器來(lái)掃除擋風(fēng)玻璃上的雨水，因此增加了雨天行車(chē)的危險(xiǎn)性。即有雨滴落在擋風(fēng)玻璃上，按脈沖個(gè)數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行分配，兩個(gè)雨刮就開(kāi)始左右擺動(dòng)，當(dāng)大雨時(shí)，雨刮器工作在高速擋。當(dāng)小雨時(shí)，雨刮器工作在低速擋。因?yàn)樯a(chǎn)工藝的問(wèn)題，兩個(gè)雨刮電機(jī)的轉(zhuǎn)速不可能完全一樣，就會(huì)發(fā)生兩個(gè)雨刮擺動(dòng)不同步的現(xiàn)象。用電機(jī)的復(fù)位信號(hào)來(lái)檢測(cè)雨刮器擺動(dòng)的快慢，雨刮先到復(fù)位位置，說(shuō)明它快，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的PWM口，對(duì)快的進(jìn)行斬波。雨刮器每運(yùn)行一個(gè)周期檢測(cè)一次，先到復(fù)位位置就對(duì)那個(gè)斬波，直到兩個(gè)雨刮無(wú)論在什么檔位狀態(tài)，都能達(dá)到同步擺動(dòng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器，能明顯改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)，控制效果好。 6.3.5 模糊控制在電機(jī)同步控制中的應(yīng)用 本設(shè)計(jì)中的雨刮器是采用具有高速與低速兩個(gè)檔位的雨刮電機(jī)來(lái)同時(shí)控制兩個(gè)雨刮器，雨刮器不工作時(shí)，兩個(gè)雨刮器都停在擋風(fēng)玻璃的左側(cè)位置，就是雨刮電機(jī)復(fù)位位置。我們用單片機(jī)來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)80C51的INT1口檢測(cè)到紅外雨滴傳感器的信號(hào)時(shí)，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的基于模糊控制的汽車(chē)智能雨刮系統(tǒng)是采用成熟的模糊控制技術(shù),汽車(chē)的許多裝置也越來(lái)越多的使用了模糊控制技術(shù),例如變速控制、剎車(chē)裝置等。。 1． 確定輸入變量和輸出變量 本設(shè)計(jì)中選擇兩電極復(fù)位端的偏差變化及時(shí)間偏差E為輸入變量，PWM脈寬調(diào)制信號(hào)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(lái)消除系統(tǒng)誤差的模糊規(guī)則可以用35條if—then條件語(yǔ)句來(lái)描述。如,從系統(tǒng)的響應(yīng)看,如果誤差E為PB,需要給出正的控制量U。如果此時(shí)EC為值時(shí),說(shuō)明誤差較大且還有加大的趨勢(shì),應(yīng)該設(shè)置控制量U為PB;相反的如果EC為NS,說(shuō)明誤差有減小的趨勢(shì),所以無(wú)需加太大的控制量U,可以設(shè)置為PM;若EC為NM、NB,則說(shuō)明誤差有較快的減小趨勢(shì),則應(yīng)該加更小的控制量U,甚至可以不加,如設(shè)置U為0。這樣,針對(duì)E、EC的組合可以總結(jié)出類(lèi)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(yǔ)言規(guī)則就確定了。隨著在設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則時(shí)要結(jié)合操作者的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)控制規(guī)則進(jìn)行調(diào)整，直到控制結(jié)果滿(mǎn)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(shè)計(jì)中，經(jīng)過(guò)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(shè)計(jì)中電機(jī)選用3000r/min的小型直流電機(jī)，其轉(zhuǎn)動(dòng)的最慢速度的占空比在程序中幾經(jīng)給出為30%，相當(dāng)于一轉(zhuǎn)需要60ms。雨刮器從一端擺到另一端需要半個(gè)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(shuō)明此量化因子和比例因子選擇恰當(dāng)，可以完全反應(yīng)本設(shè)計(jì)的控制規(guī)律。 5.模糊控制器的設(shè)計(jì) MATLAB，取自矩陣和實(shí)驗(yàn)室兩個(gè)英文單詞的前三個(gè)字母即“矩陣實(shí)驗(yàn)室”。它是一種以矩陣作為基本數(shù)據(jù)單元的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，提供了算法實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用開(kāi)發(fā)的交互式開(kāi)發(fā)環(huán)境，經(jīng)歷了30多年的發(fā)展歷程。 本設(shè)計(jì)采用MATLAB模糊邏輯工具箱設(shè)計(jì)模糊控制器。在MATLAB中鍵入命令，進(jìn)入模糊邏輯編輯窗口，在輸入e、ec，和輸出u圖標(biāo)雙擊，可以對(duì)輸入和輸出的隸屬函數(shù)進(jìn)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(shè)計(jì)中取兩個(gè)雨刷到達(dá)復(fù)位位置的時(shí)間偏差e的論域?yàn)閇-7,+7]，有6個(gè)語(yǔ)言變量，三角形隸屬度函數(shù)。 如附錄中圖A.2所示，兩個(gè)雨刷到達(dá)復(fù)位位置的時(shí)間偏差變化率ec的論域?yàn)閇-7,+7]，有5個(gè)語(yǔ)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(hào)占空比的增量u的論域?yàn)閇-6,+6]，有6個(gè)語(yǔ)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(guò)附錄中圖A.5,圖A.6觀察結(jié)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(jì)算機(jī)容易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)對(duì)噪聲也具有較強(qiáng)的控制能力。但是由于控制器本身沒(méi)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(jí)不夠多的時(shí)候，還可能會(huì)在平衡點(diǎn)附件產(chǎn)生震蕩。但是與PID控制比起來(lái)模糊控制器具有超調(diào)量小，調(diào)節(jié)速度快等特點(diǎn)。為了準(zhǔn)確建立系統(tǒng)模型與進(jìn)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(lái)PWM技術(shù)的發(fā)展為電機(jī)的數(shù)字化控制提供了方便，對(duì)噪聲也具有較強(qiáng)的控制能力。但是由于控制器本身沒(méi)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(jí)不夠多的時(shí)候，還可能會(huì)在平衡點(diǎn)附件產(chǎn)生震蕩。但是與PID控制比起來(lái)模糊控制器具有超調(diào)量小，調(diào)節(jié)速度快等特點(diǎn)。 通常的工業(yè)過(guò)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(shí)驗(yàn)中反復(fù)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(jié)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(jié)果如圖6.12： 圖6.10 模糊控制系統(tǒng)仿真結(jié)果 由于控制器本身沒(méi)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(jí)不夠多的時(shí)候，還可能會(huì)在平衡點(diǎn)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(dòng)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(jié)果 總結(jié) 本設(shè)計(jì)將雨滴傳感器安裝在擋風(fēng)玻璃上駕駛室一側(cè)，通過(guò)改變雨滴量的大小，能使雨刮器自動(dòng)工作在高速檔或低速檔。實(shí)驗(yàn)表明，該智能雨刮系統(tǒng)性能穩(wěn)定，反應(yīng)靈敏，輸出信號(hào)延時(shí)可忽略，實(shí)現(xiàn)了雨量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 設(shè)計(jì)在對(duì)智能雨刮系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，但是發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)的廠商沒(méi)有在這方面太優(yōu)秀的，基本上是國(guó)外領(lǐng)先，所以，價(jià)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?yàn)樾阅芊€(wěn)定，可靠性高，成本低廉，易于在低檔轎車(chē)上和大客車(chē)普及應(yīng)用，有廣泛的市場(chǎng)前景。對(duì)于紅外雨滴傳感器和模糊控制器的設(shè)計(jì)，有一些特殊情況沒(méi)在本設(shè)計(jì)研究范圍之內(nèi)，仍有待進(jìn)一步研究。 參考文獻(xiàn) [1] 許兆林,趙育良,張玉葉. 基于光學(xué)自準(zhǔn)直的航空相機(jī)自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)[J]. 光學(xué)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(jī)復(fù)位時(shí)間偏差的隸屬函數(shù) 圖A．2 電機(jī)復(fù)位時(shí)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(jī)的雨滴傳感器程序： #include #define_MHZ_12 /設(shè)置單片機(jī)使用的晶振頻率 unsigned int count=0,precount,Maichong; void t1 (void); /t1定時(shí)子函數(shù) void int1(void) interrupt1; /中斷服務(wù)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(shí)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(shí)器1工作在方式1，即為16位計(jì)數(shù)器 TH1=0X01; /設(shè)置60ms定時(shí)時(shí)間的初值 TL1=0XA0; TR1=1； /啟動(dòng)T1 IT1=1； /設(shè)置INTR1中斷方式為邊沿觸發(fā)方式，負(fù)跳變時(shí)產(chǎn)生中斷 EA=1; ET1=1; /允許定時(shí)器1中斷 EX1=1; /允許外部中斷1中斷 EA=1； /CPU開(kāi)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(jī)控制的單片機(jī)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(shí)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(shí)1ms子程序 { uchar i; while(m--) for(i=125;i>0;i--) } void dianji(void) /電機(jī)雙向子程序 { while (Maichong==4) {if(SA1==1