汽車智能雨刷模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許霜霜+張振東+孔祥棟

摘 要：雨刷器是汽車電子產(chǎn)品中重要的安全部件之一。借助模糊控制理論，提出了一種基于模糊控制模塊的汽車智能雨刷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)通過(guò)紅外式雨量檢測(cè)裝置檢測(cè)出車外雨量大小，雨量信息經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換傳送到雨刷控制器，不需要駕駛員的操作，自動(dòng)運(yùn)用模糊控制算法和脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)調(diào)節(jié)雨刷器的速度，以保證擋風(fēng)玻璃的清晰度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的智能雨刷模糊控制系統(tǒng)很好地達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，性能穩(wěn)定可靠且反應(yīng)靈敏。

關(guān)鍵詞：雨刷器；模糊控制；紅外式雨量檢測(cè)裝置；PWM

DOIDOI：10.11907/rjdk.171260

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2017）007-0113-03

0 引言

隨著科技的快速發(fā)展，人們對(duì)汽車安全、舒適性等要求越來(lái)越高，故眾多高技術(shù)含量的汽車電子產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，雨刷器也是其中一個(gè)關(guān)鍵產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于雨天駕駛員手動(dòng)操作雨刷，其精力受到很大干擾，全世界雨天行車發(fā)生的事故率高達(dá)7%，因此雨刷在雨天行車安全中扮演著重要角色[1]。目前，在汽車上使用的雨刷器種類大致分為5種：普通雨刷器、無(wú)骨雨刷器、手動(dòng)調(diào)節(jié)式雨刷器、隨速感應(yīng)式雨刷器、雨量感應(yīng)式雨刷器等，其中雨量感應(yīng)式雨刷能夠自動(dòng)感應(yīng)出擋風(fēng)玻璃上的雨量大小，不需要駕駛員干預(yù)，可以自動(dòng)處于工作狀態(tài)，比較智能，極大地增加了行車安全。

智能雨刷控制器由于成本高，一般只出現(xiàn)在高檔車型上，普通車型不便于安裝以及無(wú)法承受高端產(chǎn)品的價(jià)格，但隨著技術(shù)的日益完善與成本的大幅度降低，智能雨刷控制器也在向普通車型方向普及，故智能雨刷必然是一種趨勢(shì)[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多汽車企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)等研究以模糊控制理論為基礎(chǔ)的智能雨刷系統(tǒng)，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)手動(dòng)操作的機(jī)械雨刷系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的汽車智能雨刷控制系統(tǒng)基于Simulink中的模糊控制模塊，利用模糊邏輯控制理論，以電機(jī)的轉(zhuǎn)速誤差E和電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差的變化率EC作為輸入量，以模糊控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器，具有很好的控制效果，可以有效地保持擋風(fēng)玻璃的清晰度。

1 智能雨刷模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

基于模糊控制的智能雨刷控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由雨刷器機(jī)構(gòu)、紅外式雨量檢測(cè)裝置、模糊控制器、雨刷器電機(jī)、LIN總線等主要部件組成[2]。模糊控制器把來(lái)自紅外式雨量檢測(cè)裝置通過(guò)紅外線接收器與發(fā)射器傳遞的信息判斷出雨量大小，繼而將電機(jī)的轉(zhuǎn)速誤差E和電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差的變化率EC作為輸入，查找根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)提前設(shè)定好的模糊決策表，輸出脈沖寬度調(diào)制即PWM信號(hào)隨時(shí)調(diào)節(jié)雨刷器電機(jī)的速度，清理?yè)躏L(fēng)玻璃上的積水，為駕駛員提供良好的視野。

1.2 雨刷系統(tǒng)流程

設(shè)計(jì)的智能雨刷系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

1.3 雨量檢測(cè)裝置

傳統(tǒng)機(jī)械雨刷一般分快慢兩個(gè)速度檔位以及復(fù)位檔位，雨天天氣時(shí)，需要駕駛員自我感知車外雨量大小，然后手動(dòng)選擇高速檔或者低速檔。然而雨天行車路況較晴天路況更為復(fù)雜，如輪胎與路面之間的摩擦力減小、制動(dòng)距離增加等，手動(dòng)調(diào)節(jié)雨刷檔位必然會(huì)影響駕駛員開車注意力，這可能會(huì)帶來(lái)很大的危險(xiǎn)。智能雨刷控制系統(tǒng)根據(jù)雨量檢測(cè)裝置自動(dòng)檢測(cè)雨量大小進(jìn)而控制雨刷速度，不需要駕駛員手動(dòng)操作，可以大大增加行車安全性。

雨量檢測(cè)裝置安裝在車內(nèi)擋風(fēng)玻璃上，由紅外線光源發(fā)射器、玻璃棱鏡和紅外線光源接收器等主要部件組成。發(fā)射器以某一設(shè)定好的固定角度將紅外光投射到擋風(fēng)玻璃上，經(jīng)擋風(fēng)玻璃、反射棱鏡發(fā)射到接收器，若擋風(fēng)玻璃清晰度很高，接收器接受到的紅外線總量與發(fā)射器發(fā)射的紅外線總量基本相等，如圖3（a）所示；當(dāng)雨滴落在擋風(fēng)玻璃上時(shí)，部分紅外線會(huì)因?yàn)橛甑蔚恼凵浞稚⒊鋈?，此時(shí)接收器收到的紅外線總量小于發(fā)射器發(fā)出的紅外線總量，如圖3（b）所示[2]。雨量檢測(cè)裝置檢測(cè)到雨水被激活后，會(huì)判斷雨量大小并發(fā)送信息，單片機(jī)讀取信息后，查找提前設(shè)定好的模糊決策表，共同傳遞到模糊控制器。

2 模糊控制器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)在多年的發(fā)展中已經(jīng)趨于完善，搭建結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，已在多領(lǐng)域得到運(yùn)用，但是也存在其弊端，當(dāng)負(fù)載參數(shù)值在較大范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，此控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)就有所下降，并且非線性情況對(duì)其也有較大影響[3]。在汽車智能雨刷系統(tǒng)中，多種因素都可能影響其性能，例如由于天氣、車速等帶來(lái)的多種非線性情況，如果在雨刷系統(tǒng)中加入模糊控制技術(shù)，用來(lái)調(diào)整PWM信號(hào)的占空比，這樣雨刷系統(tǒng)的控制效果將會(huì)得到較好的改善。

模糊控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是模糊控制器的設(shè)計(jì)，模糊控制是一種利用人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和思維設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型[4]。本文采用的是廣泛應(yīng)用的二維模糊控制器，將兩個(gè)參數(shù)E（電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差）、EC（電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差變化率）作為控制器的輸入信號(hào)，以控制量的變化電壓U作為輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)比例變換后作為輸入量傳送到雨刷直流電機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)負(fù)反饋的目的?；谀：刂频挠晁⑵麟姍C(jī)系統(tǒng)如圖4所示，其中KE、KEC分別為誤差E及其變化率EC的量化因子，KU為輸出變量U的比例因子。增大量化因子KE會(huì)縮短信號(hào)上升時(shí)間，但是會(huì)增大系統(tǒng)超調(diào)量；相反，減小增量因子KEC會(huì)增大系統(tǒng)的超調(diào)量，不過(guò)響應(yīng)速度則會(huì)變快；增量因子KU過(guò)小會(huì)使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程變大，過(guò)大時(shí)則會(huì)造成系統(tǒng)震蕩[5]。

為了軟件設(shè)計(jì)方便，便于操作，雨刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中的E、EC、U都選擇負(fù)大（NB）、負(fù)?。∟S）、零（ZO）、正小（PS）、正大（PB）這5個(gè)語(yǔ)言變量值作為模糊論域。依據(jù)模糊控制理論知識(shí)，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，得出如圖5所示的有關(guān)E、EC、U智能雨刷模糊控制決策表。

在MATLAB中的命令窗口內(nèi)輸入“fuzzy”命令后即可調(diào)用模糊工具箱界面，設(shè)定E、EC、U的論域和模糊集，選擇高斯型隸屬度函數(shù)，可得電機(jī)的轉(zhuǎn)速誤差E和電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差的變化率EC對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù)分別如圖6（a）、（b）所示，相應(yīng)的三維隸屬度函數(shù)分布如圖7所示。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 模型搭建

本文利用MATLAB/Simulink中的Fuzzy Logic工具箱，借助Fuzzy Logic Control模塊搭建智能雨刷模糊控制器系統(tǒng)，如圖8所示。其中，以階躍響應(yīng)作為輸入。

3.2 仿真結(jié)果

設(shè)置仿真終止時(shí)間為2s，取消過(guò)零點(diǎn)的限制，仿真采樣時(shí)間間隔為0.01s，仿真結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，運(yùn)用模糊控制算法后，前期反應(yīng)速度快，超調(diào)量較小，穩(wěn)定性好，表現(xiàn)出系統(tǒng)具有良好的控制能力。

4 結(jié)語(yǔ)

在雨天行車時(shí)，駕駛員視線易被雨水遮擋，傳統(tǒng)雨刷又難以確保擋風(fēng)玻璃的清晰度，為了克服此缺點(diǎn)，提出了一種基于模糊邏輯控制的智能雨刷控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)配備了紅外式雨量檢測(cè)裝置，為了控制好雨刷器刮雨速度，在模糊控制算法和PWM技術(shù)基礎(chǔ)上，通過(guò)紅外光發(fā)射器及接收器獲得降雨量的數(shù)據(jù)來(lái)達(dá)到控制的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的智能雨刷控制系統(tǒng)無(wú)需駕駛員的過(guò)多關(guān)注，而且較好地保證了擋風(fēng)玻璃的視野清晰度，做到了反應(yīng)靈敏、工作穩(wěn)定可靠，整體性能俱佳，為行車安全提供了很好的保障。

參考文獻(xiàn)：

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