畢業(yè)：基于單片機(jī)的豆?jié){機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(完整版)資料

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基于單片機(jī)的豆?jié){機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)：基于單片機(jī)的豆?jié){機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計（完整版）資料(可以直接使用，可編輯優(yōu)秀版資料，歡迎下載）操英海指導(dǎo)老師：李兵（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院4年級農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動化合肥230061）摘要：豆?jié){機(jī)基本工作過程是將事先泡好的大豆放入豆?jié){機(jī)內(nèi)并加入適量冷水后將電熱管通電加熱至80°C，粉碎電機(jī)通電工作進(jìn)行磨豆?jié){其間斷續(xù)工作三次，每次2min，每兩次間隔5s，然后進(jìn)入煮豆?jié){程序，煮開后在延遲5min，并聲音提示工作過程結(jié)束。熟悉單片機(jī)SH66P20A的基本結(jié)構(gòu)，工作原理。根據(jù)單片機(jī)的工作原理，將其運(yùn)用于都將集中，以實現(xiàn)上述豆?jié){機(jī)的工作流程關(guān)鍵詞：SH66P20A加熱延遲引言：豆?jié){是一種老幼皆宜、價廉質(zhì)優(yōu)的液態(tài)營養(yǎng)品，它所含的鐵元素是牛奶的6倍，所含的蛋白質(zhì)雖不如牛奶高，但在人體內(nèi)的吸收率可達(dá)到85%，因此有人稱豆?jié){為“植物牛奶”。豆?jié){被譽(yù)為女人最完美的食物，是因為豆?jié){中含有豐富的營養(yǎng)成分，其中異黃酮可以調(diào)節(jié)女性內(nèi)分泌系統(tǒng)的平衡，保持女性肌膚美白，異黃酮還可發(fā)揮與雌激素相同的保健作用，如緩解更年期綜合癥、提高骨密度、預(yù)防骨質(zhì)疏松等，而且它還能避免雌激素帶來的副作用，如乳腺癌、子宮癌等。豆?jié){中富含人體所需優(yōu)質(zhì)植物蛋白，八種必需的氨基酸，多種維生素及鈣、鐵、磷、鋅、硒等微量元素，不含膽固醇，并且含有大豆皂甙等至少五六種可有效降低人體膽固醇的物質(zhì)，鮮豆?jié){的大豆?fàn)I養(yǎng)易于消化吸收，經(jīng)常飲用，對高血壓、冠心病，動脈粥樣硬化及糖尿病、骨質(zhì)疏松等大有益處，還具有平補(bǔ)肝腎、防老抗癌、降脂降糖、增強(qiáng)免疫的功效。但隨著人們健康認(rèn)識的增強(qiáng)，為了衛(wèi)生，防止上了“黑心作坊”的當(dāng)，喝的放心，紛紛選擇家庭自制豆?jié){，從而拉動家用微電腦全自動豆?jié){機(jī)市場活躍。

1.豆?jié){機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1.1豆?jié){機(jī)結(jié)構(gòu)圖圖1.1豆?jié){機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖1.2豆?jié){機(jī)結(jié)構(gòu)豆?jié){機(jī)，采用微電腦控制，實現(xiàn)預(yù)熱、打漿、煮漿和延時熬煮過程全自動化，特別是由于增設(shè)了“文火熬煮”處理程序，使豆?jié){營養(yǎng)更加豐富，口感更加香澤。

(1)杯體:杯體像一個碩大的茶杯，有把手和流口，主要用于盛水或豆?jié){。杯體有的用塑料制作，有的用不銹鋼制作，但都是符合食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的不銹鋼或聚碳酸脂材質(zhì)。購機(jī)時以選擇不銹鋼杯體為宜，主要是便于清潔。在杯體上標(biāo)有“上水位”線和“下水位”線，以此規(guī)范對杯體的加水量。杯體的上口沿恰好套住機(jī)頭下蓋，對機(jī)頭起固定和支撐作用。

(2)機(jī)頭:機(jī)頭是豆?jié){機(jī)的總成，除杯體外，其余各部件都固定在機(jī)頭上。機(jī)頭外殼分上蓋和下蓋。上蓋有提手、工作指示燈和電源插座。下蓋用于安裝各主要部件，在下蓋上部（也即機(jī)頭內(nèi)部）安裝有電腦板、變壓器和打漿電機(jī)。伸出下蓋的下部有電熱器、刀片、網(wǎng)罩、防溢電極、溫度傳感器以及防干燒電極。需要說明，下蓋的材質(zhì)同樣需要符合食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

(3)電熱器:加熱功率800W，不銹鋼材質(zhì)，用于加熱豆?jié){。加熱管下半部應(yīng)設(shè)計為小半圓形，易于洗刷和裝卸網(wǎng)罩。

(4)防溢電極:用于檢測豆?jié){沸騰，防止豆?jié){益出。它的外徑5mm，有效長度15mm，處在杯體上方。為保障防溢電極正常工作，必須及時對其清洗干凈，同時豆?jié){不宜太稀，否則，防溢電極將失去防護(hù)作用，造成溢杯。

(5)溫度傳感器:用于檢測“預(yù)熱”時杯體內(nèi)的水溫，當(dāng)水溫達(dá)到MCU（SH66P20A）設(shè)定溫度（一般要求8O℃左右）時，啟動電機(jī)開始打漿。

(6)防干燒電極:該電極并非獨(dú)立部件，而是利用溫度傳感器的不銹鋼外殼兼。外殼外徑6mm，有效長度89mm，長度比防溢電極長很多，插入杯體底部。杯體水位正常時，防干燒電極下端是應(yīng)當(dāng)被浸泡在水中。當(dāng)杯體中水位偏低或無水，或機(jī)頭被提起，并使防干燒電極下端離開水面時，MCU(微控制器)通過防干燒電極檢測到這種狀態(tài)后，為保安全，將禁止豆?jié){機(jī)工作。

(7)刀片:外形酷似船舶螺旋槳，高硬度不銹鋼材質(zhì)，用于粉碎豆粒。

(8)網(wǎng)罩:用于盛豆子，過慮豆?jié){。實際工作時，網(wǎng)罩通過扣合斜楞而與機(jī)頭下蓋是扣合在一起的。清洗時會發(fā)現(xiàn)，因受熱后網(wǎng)罩與機(jī)頭下蓋扣合出現(xiàn)過緊，因此拆卸網(wǎng)罩時應(yīng)先用涼水將其冷卻，以免用力過大而劃傷手或弄壞網(wǎng)罩。特別是清洗網(wǎng)罩比較費(fèi)事，往往讓用戶感到太辛苦，這一問題引起各廠家重視。九陽公司經(jīng)過技術(shù)創(chuàng)新，對網(wǎng)罩改進(jìn)實現(xiàn)了重大突破，應(yīng)用九陽專利導(dǎo)流技術(shù)的拉法爾網(wǎng)，匹配“X型旋風(fēng)刀片”，經(jīng)上萬次全循環(huán)精細(xì)磨漿，不但大大地提高了豆?jié){營養(yǎng)質(zhì)量，同時使網(wǎng)罩的清洗變得簡便而輕松。2．豆?jié){機(jī)控制系統(tǒng)工作原理2.1豆?jié){機(jī)控制系統(tǒng)工作原理圖圖2.1豆?jié){機(jī)控制系統(tǒng)2.2豆?jié){機(jī)工作原理一般豆?jié){機(jī)的預(yù)熱、打漿、煮漿等全自動化過程，都是通過MCU有關(guān)腳控制，相應(yīng)三極管驅(qū)動，再由多個繼電器組成的繼電器組實施電路轉(zhuǎn)換來完成。MCUSH66P20A基本結(jié)構(gòu)特性以SH6610C為核心的4位單片微控制器ROM：1K×16位RAM：64×4位（數(shù)據(jù)存儲器）工作電壓：12個CMOS雙相I/O引腳4層子程序嵌套（包括中斷）一個8位自動重裝入定時/計數(shù)器上電復(fù)位預(yù)熱定時器有效中斷源:內(nèi)部中斷（定時器O）外部中斷：PortB&portC（下降沿信號觸發(fā)振蕩器（用戶選項）適應(yīng)振蕩器：32.768KHZ～4MHZ陶瓷振蕩器：400K～4MHZRC振蕩器：400K～4MHZ外部時鐘：30K～4MHZ指令周期對于32.768KHZ的時鐘位4/32.768KHZ(≈122us)對于4MHZ的時鐘為4/4MHZ（≈1US）兩種節(jié)電工作模式：HALT和STOPOTP類型代碼保護(hù)內(nèi)置看門狗定時器概述SH66P20A是一種4位微處理器，該芯片是以SH6610C4位CPU為核心，并集成了SRAM，1K一次性可編程的程序存儲器ROM，定時器和I/O端口。圖SH66P20A基本機(jī)構(gòu)圖SH66P20A功能框圖備注：除了15管教外，所有的管腳與OTP燒寫共享表SH66P20A引腳說明豆?jié){機(jī)整流電路豆?jié){機(jī)整流電路圖圖豆?jié){機(jī)整流電路豆?jié){機(jī)整流電路材料名稱規(guī)格單位個數(shù)變壓器220/11V個1二極管1N4001個4電容C1470u/25V個2電容C4100u/25V個2穩(wěn)壓器個1分類號___________密級_____________收藏編號___________學(xué)號_____________學(xué)校代碼10386編號_____________應(yīng)用研究基于單片機(jī)的交通信號燈智能控制系統(tǒng)的設(shè)計工程領(lǐng)域：研究方向：研究生姓名：指導(dǎo)教師、職稱：所在學(xué)院：答辯委員會主席簽名：二〇一年月一遵守學(xué)術(shù)行為規(guī)范承諾本人已熟知并愿意自覺遵守《福州大學(xué)研究生和導(dǎo)師學(xué)術(shù)行為規(guī)范暫行規(guī)定》和《福州大學(xué)關(guān)于加強(qiáng)研究生畢業(yè)與學(xué)位論文質(zhì)量管理的規(guī)定》的所有內(nèi)容，承諾所提交的畢業(yè)和學(xué)位論文是終稿，不存在學(xué)術(shù)造假或?qū)W術(shù)不端行為，且論文的紙質(zhì)版與電子版內(nèi)容完全一致。二獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所提交的論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得福州大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。三關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本人完全了解福州大學(xué)有關(guān)保留使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。（保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）本學(xué)位論文屬于（必須在以下相應(yīng)方框內(nèi)打“√”，否則一律按“非保密論文”處理）：1、保密論文：□本學(xué)位論文屬于保密，在年解密后適用本授權(quán)書。2、非保密論文：□本學(xué)位論文不屬于保密范圍，適用本授權(quán)書。研究生本人簽名：簽字日期：20年月日研究生導(dǎo)師簽名：簽字日期：20年月日基于單片機(jī)的交通信號燈智能控制系統(tǒng)的設(shè)計中文摘要隨著城市交通智能化的日益發(fā)展，城市交通控制也步入了新的時代，在當(dāng)代，智能交通領(lǐng)域交通信號燈的合理高效使用，是治理城市交通擁堵的有效的手段之一。雖然困擾城市交通的問題有很多種，如基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)跟不上現(xiàn)代交通的發(fā)展，未能充分利用城市空間或者道路設(shè)置不合理等問題，但在實際現(xiàn)有交通的設(shè)施的基礎(chǔ)上最大化的充分利用卻是一個亟需解決的問題，交通燈的智能控制正是解決這一問題的重要方法。在本文中選用STC系列的8位單片機(jī)作為整個交通燈控制系統(tǒng)的核心，配合最小系統(tǒng)以及其他外圍功能芯片在實驗室電路上模擬對交通燈的控制，采用LED顯示功能結(jié)合外部擴(kuò)展的DS1302芯片實現(xiàn)交通燈的倒數(shù)讀秒功能，通過外部車輛檢測傳感器測量通過路口的車輛數(shù)以及等待的車輛數(shù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊處理，采用模糊控制輸出來實時調(diào)整信號燈的時間，并將數(shù)據(jù)通過RS232傳遞給上位機(jī)便于控制室人員掌握信息。在本設(shè)計中交通信號燈采用模糊控制算法，實現(xiàn)了對交叉路口的模糊控制，文中通過MATLAB仿真和實物電路實驗驗證了算法的可行性和實際的可操作性，表明該算法可以很好的實現(xiàn)交通信號燈的智能控制。關(guān)鍵詞：智能交通，單片機(jī)，模糊控制，MatlabTheDesignof

IntelligentTrafficLights

Control

SystembasedonSCMABSTRACTWiththedevelopmentofcitytraffic,citytrafficcontrolhasenteredintoanewera,signallamp

reasonablyandefficiently

usedthattosolve

thecitytraffic

jamin

intelligenttransportationsystems.Althoughtroubledcitytrafficproblemhasdevelopedmanykindsofsuchasinfrastructureconstructioncannotkeepupwiththemoderntraffic,notfulluseofcityspaceorroadisunreasonable,butthemaximumbasedonactualexistingtrafficfacilitiesonthefulluseofitisaproblemtobesolved,theintelligentcontroloftrafficlightsisanimportantmethodtosolvethisproblem.Inthispaperthe8bitMCUusedforthetrafficlightcontrolsystem,withtheminimumsystemandotherperipheralchipssimulationtocontrolthetrafficlightsinthelaboratorycircuit,usingLEDtoachievethetrafficlightsbyDS1302.Thechiphasthefunctionofcountdown.Vehicledetectionsensorsmeasurementthevehiclethatarethroughthecrossandwaiting.Thosedataarefuzzed,thenusefuzzycontroloutputthereal-timetoadjustmentofsignal.ThedatatransmittedtothehostcomputerforcontrolroompersonnelinformationbyRS232.Thetrafficlightcontrolalgorithmusingfuzzycontrol,fuzzycontrolcanrealizetheintersectionwithouttheestablishmentofmathematicalmodel,inthispaperuseMATLABsimulationandtheactualcircuittovalidate

the

feasibilityandoperability,simulationresultsandcircuitexperimentsshowthatthealgorithmcanadjustthetrafficsignallamp.KeyWords：IntelligentTransportation，SingleChipMicrocomputer，F(xiàn)uzzyControl，Matlab目錄第1章緒論 11.1課題背景 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2國外研究現(xiàn)狀 31.3本文研究意義、內(nèi)容及創(chuàng)新 4第2章交通燈控制方法和模糊控制原理 62.1交通燈的含義及類型 62.2信號燈控制的基本參數(shù)及控制方式 7基本參數(shù) 7定時控制 8感應(yīng)式交通信號控制 9自適應(yīng)控制方式 102.3交通信號燈控制系統(tǒng)類型 102.4模糊控制概述 112.5不同控制間的比較 12第3章交通燈控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案 153.1交通信號的模糊化設(shè)計 15對輸入?yún)?shù)進(jìn)行模糊化 15輸出量的模糊化 17模糊規(guī)則確定 17模糊關(guān)系矩陣與解模糊 183.4交通燈模糊控制器的仿真 193.5區(qū)域協(xié)調(diào)模糊控制系統(tǒng) 22區(qū)域協(xié)調(diào)模糊控制器的組成 22區(qū)域協(xié)調(diào)模糊控制的基本步驟 24區(qū)域協(xié)調(diào)模糊控制輸入輸出系統(tǒng)的設(shè)計 26區(qū)域協(xié)調(diào)模糊控制規(guī)則的設(shè)計 27區(qū)域協(xié)調(diào)模糊控制清晰化方法 283.6區(qū)域協(xié)調(diào)模糊控制的仿真 28各級模糊控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計 28各級模糊控制器輸入輸出變量隸屬函數(shù)的設(shè)計 29各級模糊控制器模糊規(guī)則的設(shè)計 32仿真結(jié)果觀測 33仿真結(jié)果分析 35第4章硬件設(shè)計 364.1硬件總體構(gòu)架 364.2MCU系統(tǒng) 37單片機(jī)選型 37單片機(jī)最小系統(tǒng) 384.3各相關(guān)電路設(shè)計 39數(shù)據(jù)通訊 39直流穩(wěn)壓電源 40顯示及按鍵 41傳感器信號的轉(zhuǎn)換及調(diào)理 42時鐘芯片DS1302 454.4硬件可靠性設(shè)計 47第5章軟件設(shè)計 485.1開發(fā)工具介紹 485.2軟件總流程 485.3時間信息讀取模塊 495.4傳感器信號采樣及計數(shù) 525.5模糊控制 535.6交通燈顯示輸出與按鍵輸入 575.7串行通訊 59結(jié)論與展望 62參考文獻(xiàn) 64致謝 66個人簡歷 67在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 68第1章緒論1.1課題背景隨著城市化速度的加快,機(jī)動車日益普及,人們在賺取由機(jī)動車輛所帶來的巨額利潤以及充分享受汽車巨大便利的同時,也越來越受到交通擁堵，交通事故頻發(fā)，環(huán)境污染加劇和燃油損耗上升所帶來的困擾。國內(nèi)外城市中的交通阻塞主要發(fā)生在交叉口,交叉口是兩條道路相互交叉而產(chǎn)生的作為方向轉(zhuǎn)換的樞紐,是道路網(wǎng)中道路通行能力的咽喉交通阻塞和事故的多發(fā)地。日本全國每年由于交通擁擠所造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)12兆3千億日元(合人民幣9000多億元)作為經(jīng)濟(jì)和科技都很發(fā)達(dá)的美國,每年因為交通問題導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失也高達(dá)2370億美元,而美國交通事故約有一半發(fā)生在交叉口，我國國內(nèi)百萬人口以上的大城市,每年由于交通帶來的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1600億元,相當(dāng)于國內(nèi)生產(chǎn)總值的3.2%如果我們不及早采取綜合措施加以管理,則城市交通必影響我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市功能正常的發(fā)揮。解決城市交通問題主要通過最直接的兩種方式，一方面完善基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，一方面增強(qiáng)交通管制的水平。由于城市發(fā)展現(xiàn)已到瓶頸階段大范圍的擴(kuò)建城市路網(wǎng)已不太可能，所以在現(xiàn)有條件的基礎(chǔ)上對智能交通的合理管控和提高基礎(chǔ)設(shè)施的高效使用，此方法是現(xiàn)在現(xiàn)實可行有效解決道路擁堵問題的關(guān)鍵方法，多年前有專家提出，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上只有在城市道路的優(yōu)化升級改造、城市道路的方向的合理分布和城市交通控制信號燈全面智能化三個角度來系統(tǒng)探討解決城市交通問題，為城市暢通提供一個全方位的概念，只有這樣才能從根本上徹底解決現(xiàn)有交通問題[1-3]。第1層次：城市道路優(yōu)化升級改造現(xiàn)有城市道路的通行保障能力能否適應(yīng)交通車流的日益增長，是擺在面前必須要加以重視的問題。在現(xiàn)有路網(wǎng)的通行能力滿足交通基本需求的前提下，對路網(wǎng)進(jìn)行改擴(kuò)建使得道路更加的通暢，但在現(xiàn)有城市中繼續(xù)無節(jié)制的擴(kuò)建已經(jīng)不太可能。本層次上需要做的工作是，找出已經(jīng)建設(shè)網(wǎng)絡(luò)中不能滿足車流量需求的瓶頸地段，用盡量少的資金和人力投入其中去改造已經(jīng)存在的網(wǎng)絡(luò)，使得這些存在的路段能夠滿足日益發(fā)展的大流量，因此需要考慮到以下幾個方面的問題：已經(jīng)存在于城市的道路作為基準(zhǔn)建立數(shù)學(xué)模型，我們暫且把道路的出口處定為集合點(diǎn)，將每條道路設(shè)為子集，對每個道路設(shè)定一個車輛通行數(shù)值能夠體現(xiàn)道路對車輛的保有能力。第2層次：城市道路矢量變更城市道路的方向性決定了一個城市的發(fā)展方向與城市走向，對城市道路的劃分方向通常有兩種方式：一種是將集合中道路細(xì)分成不定數(shù)的行車道路，將每個車道規(guī)定一個主要的引導(dǎo)的方向，道路方向的確定直接對兩個不同方向的通行能力造成影響，所以必將會對整個系統(tǒng)的路網(wǎng)通行能力造成直接的影響，對此問題的重視程度直接關(guān)乎城市交通通暢能力，所以道路走向的矢量問題是城市交通不可或缺的一個至關(guān)重要的方面。第3層次：交通信號燈的合理調(diào)配在完成上述兩點(diǎn)之后即基本實現(xiàn)路網(wǎng)交通的優(yōu)化與改造，下一步的工作是進(jìn)一步優(yōu)化交通的通行速率，如何使得交通能夠有序且高速的流動，需要采取哪些措施這些需要進(jìn)一步討論，交通燈的合理配置與高效智能管理是一個很好的手段去解決上述問題，因此如何合理高效的利用交通信號燈控制車流將會是未來城市發(fā)展的一個關(guān)鍵性問題[4-5]。交通信號燈的控制方式可以分為定時控制、感應(yīng)控制、自適應(yīng)控制。定時控制：交叉口交通信號控制機(jī)均按事先設(shè)定的配時方案運(yùn)行，也稱定周期控制。感應(yīng)控制：感應(yīng)控制是在交叉口進(jìn)口道上設(shè)置車輛檢測器，交通信號燈配時方案由計算機(jī)或智能化信號控制機(jī)計算，可隨檢測器檢測到的車流信息而隨時改變的一種控制方式。自適應(yīng)控制：把交通系統(tǒng)作為一個不確定系統(tǒng)，能夠連續(xù)測量其狀態(tài)，如車流量、停車次數(shù)、延誤時間、排隊長度等，逐漸了解和掌握對象，把他們與希望的動態(tài)特性進(jìn)行比較，并利用差值以改變系統(tǒng)的可調(diào)參數(shù)或產(chǎn)生一個控制，從而保證不論環(huán)境如何變化，均可使控制效果達(dá)到最優(yōu)或次優(yōu)控制的一種控制方式。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在我國現(xiàn)有的城市中，對交通燈的控制有眾多手段和方法，其中點(diǎn)對點(diǎn)的控制，道路線路控制以及局域地段或者地區(qū)的整體交通控制是常見的手法。據(jù)資料顯示目前我國國內(nèi)僅有幾十家生產(chǎn)交通裝備的企業(yè)，且產(chǎn)品的做工和樣式比較落后，針對此現(xiàn)象國家出臺了GA47-20025行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)出臺后廠家針對此標(biāo)準(zhǔn)制定了相應(yīng)的生產(chǎn)流程和規(guī)則，在市場上產(chǎn)品質(zhì)量得到很大的提升。但是縱觀整個產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，還是以中小企業(yè)為主至今沒有出現(xiàn)大型企業(yè)投身到其中，整個行業(yè)也沒有一個龍頭企業(yè)。這有多種因素導(dǎo)致這個現(xiàn)象，首先是行業(yè)本身利潤較低不能吸引大企業(yè)的投入，其次沒有足夠的經(jīng)費(fèi)投入和高端人才的加入，整體的技術(shù)水平還處于初級階段，極少有廠家能開發(fā)出多輪信號協(xié)調(diào)控制的，因此穩(wěn)定性和功能都不強(qiáng)。在我國城鎮(zhèn)化過程中城市的交叉路口是越來越多，于此同時如何合理控制交通信號燈的問題也越發(fā)的重要和急迫，傳統(tǒng)的控制屬于粗放型控制不能很好的適應(yīng)現(xiàn)代交通飛躍式的發(fā)展，盡管現(xiàn)代技術(shù)手段逐漸增強(qiáng)，但在交通控制的研究上還處于相對薄弱的環(huán)節(jié)，雖然還是采用紅黃綠三種顏色的信號燈進(jìn)行控制，但是其控制的方法卻在不斷的改進(jìn)中。其主流的算法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模糊控制等算法都在研究中得到很好的應(yīng)用。所以在未來的發(fā)展中交通信號等水平的發(fā)展程度很大程度上決定了未來城市交通的發(fā)展程度。我國現(xiàn)有交通信號燈存在的不足有：1、對機(jī)動車與非機(jī)動車的控制方式存在一些模糊概念，兩種車量互相制約，導(dǎo)致整個交通系統(tǒng)運(yùn)行效率不高。2、在實際的優(yōu)化道路過程中對道路通行能力考慮不夠充分。3、現(xiàn)有很多智能交通燈的控制系統(tǒng)只能實現(xiàn)2相位的控制，這個控制帶來了一定的局限性需要進(jìn)一步完善綜上所述雖然我們在交通燈控制上取得了一定的成績并且也還在不斷提升中，但我國人口基數(shù)大車輛未來保有量會有進(jìn)一步擴(kuò)大的這個基本國情下，快速合理的建立適合我國實際需要的交通信號規(guī)范還有待加強(qiáng)，開發(fā)出屬于自主知識產(chǎn)權(quán)的能與發(fā)達(dá)國家比一比的智能交通控制系統(tǒng)還有很長的路要走。進(jìn)入21世紀(jì)之后很多發(fā)達(dá)國家，如美日歐等從傳統(tǒng)的粗放的不斷修建路網(wǎng)來解決問題的模式，慢慢過渡到利用現(xiàn)代科技的方式來高效合理的使用現(xiàn)有路網(wǎng)系統(tǒng)，進(jìn)一步改良和發(fā)展交通控制系統(tǒng)，從而最大化的利用現(xiàn)有系統(tǒng)。在降低事故死亡率，優(yōu)化生態(tài)環(huán)境，保護(hù)我們共同生活的地球資源有著很多現(xiàn)實意義，正是基于上述考慮，智能交通控制被廣泛采用也在不斷的探索中積極向前進(jìn)步，與此同時時代與科技共同進(jìn)步的步伐，帶動本行業(yè)的發(fā)展有了進(jìn)一步的實質(zhì)性提升，這也是發(fā)達(dá)國家能夠走在前列的根本原因所在。技術(shù)發(fā)展與社會發(fā)展同步并且在科技力量的研發(fā)投入在國民生產(chǎn)中的比重也大，所以能協(xié)調(diào)發(fā)展。以美國為例在上個世紀(jì)就已經(jīng)致力于智能交通系統(tǒng)的開發(fā)與研究了，雖然起步也算比較遲的，但是其強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)和科研實力推動著本技術(shù)的快速高效發(fā)展，雄厚的資金投入加上科技人才的全力研發(fā)，造就了美國在本領(lǐng)域的國家領(lǐng)導(dǎo)地位，并最終在1991年通過立法的形式規(guī)范其交通運(yùn)輸體系，并配有專門的執(zhí)法機(jī)構(gòu)。正是這樣的投入與重視導(dǎo)致美國研發(fā)了先進(jìn)的交通控制管理系統(tǒng)、先進(jìn)的出行信息系統(tǒng)，這些超前的交通控制系統(tǒng)為國內(nèi)的道路使用者提供了極大的幫助，不僅能實時有效的反應(yīng)路況信息更能為駕駛員朋友發(fā)布住宿和飲食方面的消息。這項技術(shù)融合了多門學(xué)科，在很多方面有著很多意義，這是基于這個技術(shù)的成功使用使得美國在多年后提出要在主要城市建設(shè)智能交通系統(tǒng)。反觀歐洲大陸，智能交通可謂是經(jīng)歷了一波三折，首先在起步階段就比其他發(fā)達(dá)國家要落后，即使是在當(dāng)今社會其智能交通和路網(wǎng)建設(shè)也不及美日等發(fā)達(dá)國家。其實在上世紀(jì)后期以法國為首的一幫歐洲國家試圖發(fā)展智能交通也投入了一定的資金，想通過拓寬道路這樣的基礎(chǔ)設(shè)施以及政府相關(guān)部委的管理能力來解決交通問題，另一方面也準(zhǔn)備在技術(shù)領(lǐng)域通入資金和人力來構(gòu)建一套完備的系統(tǒng)來綜合解決面臨的挑戰(zhàn)，但是由于當(dāng)時社會的技術(shù)發(fā)展和人們的意識水平問題很多問題都沒有很好的解決。直到2021年以歐盟為一個整體進(jìn)行多單位的合作開發(fā)以無線網(wǎng)為基礎(chǔ)研發(fā)出著名的Telematics這個系統(tǒng)的研制依靠歐洲明間的公司及科研單位，他們強(qiáng)烈的現(xiàn)實和利益需要是他們這些團(tuán)體參與到其中的根本動機(jī)，正是這樣的動機(jī)推動著歐洲智能交通的快速發(fā)展，先進(jìn)的智能交通系統(tǒng)為整個歐洲大陸帶來新的生命源泉，使得城市重新煥發(fā)了活力。日本是一個島國，所以對智能交通的渴望遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一般國家的需求，加之日本是一個雄厚科技實力的國家所以日本在對智能交通方面不惜重金的投入換來的是一個世界領(lǐng)先的科技成果。比較具有代表性的是動態(tài)路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)，正是以此為基礎(chǔ)日本人在他的現(xiàn)有基礎(chǔ)上開發(fā)了多套車輛誘導(dǎo)和領(lǐng)航系統(tǒng)，在上世紀(jì)末期日本成立行業(yè)理事會，并通過理事會與政府的合作快速的發(fā)展了本國的交通系統(tǒng)，并采用世界當(dāng)時最好的技術(shù)和工程師建設(shè)了東京的智能交通控制系統(tǒng)，在1996年開始正式啟用，取得良好的效果后迅速在全國的其他地方推廣，在90年代末基本已經(jīng)能夠覆蓋全國，就是這樣的渴求與技術(shù)以及資金的配套成就了日本在智能交通領(lǐng)域的眾多第一，也是現(xiàn)今在這方面世界領(lǐng)導(dǎo)者，為世界智能交通的發(fā)展做出了不可或缺的努力。1.3本文研究意義、內(nèi)容及創(chuàng)新有效的交通控制可以大大提高人和貨物的運(yùn)輸安全并可以對過往行駛的車輛起到警告和疏導(dǎo)的作用，如何實現(xiàn)這些目的需要涉及到交通信號設(shè)備的安裝調(diào)試和使用。城市交通的控制主要是交通信號燈的調(diào)節(jié)，通過對車輛的誘導(dǎo)從而實現(xiàn)交通控制。在高速公路主要是通過警示和信號標(biāo)識來通知車輛進(jìn)出匝道。本文正是基于以上的目的通過對通過車輛和等待車輛的統(tǒng)計采用模糊控制算法來確定交通燈的延時時間，從而實現(xiàn)城市交通的智能控制。本文主要通過5章來對整個交通燈模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行闡述，主要結(jié)構(gòu)內(nèi)容如下：第一章是緒論部分對現(xiàn)有城市的交通問題以及交通燈控制現(xiàn)在存在的一些不足進(jìn)行了總體的闡述，對國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀進(jìn)行了對比，提出我國現(xiàn)在在交通控制方面存在的問題及未來發(fā)展的趨勢，針對這些問題提出基于模糊控制的交通信號燈的解決方法。第二章首先對交通燈一些基本參數(shù)和概念進(jìn)行介紹，進(jìn)一步引入交通燈在城市交通中的控制方式，最后通過這些方式的對比來說明選擇模糊控制的原因和理由為下一章的引出做鋪墊。第三章針對基于模糊控制的交通信號燈進(jìn)行設(shè)計首先介紹了模糊控制的基本概念并與其它算法對比，隨后介紹了整個模糊控制器的設(shè)計過程和相關(guān)參數(shù)最后通過MATLAB軟件對控制器進(jìn)行仿真得出仿真結(jié)果證明算法的可行性和可靠性。第四章是基于單片機(jī)交通信號燈的硬件設(shè)計通過單片機(jī)最小系統(tǒng)和各個功能模塊的介紹展現(xiàn)了一個完整控制的硬件設(shè)計。第五章在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計并給出了設(shè)計流程和部分源代碼最后通過實物調(diào)試實現(xiàn)了總體功能。本文的創(chuàng)新之處在于將模糊控制算法引入交通信號燈的控制中，并通過實驗驗證了算法的可行性和系統(tǒng)的可實現(xiàn)性，為今后進(jìn)一步研究交通燈的高效控制提供了一定的借鑒意義。第2章交通燈控制方法和模糊控制原理通常意義上的交通智能化指的是，利用相關(guān)的設(shè)備對原始信號進(jìn)行采集，然后傳輸?shù)较嚓P(guān)的控制設(shè)備上，并對獲得的相關(guān)信息進(jìn)行分析處理，以實現(xiàn)對交通的智能化實時處理，并做相應(yīng)的情況做出正確的反映，從而保證路面交通的順暢和安全。從其定義上可以知道，在進(jìn)行智能交通管理時，我們主要研究的是行駛車輛，通過相關(guān)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)從而完成對交通的引導(dǎo)和控制，并及時的對駕駛員提供信息幫助，對行人提供安全指示，從而使得交通從容不迫，有條不紊的進(jìn)行。停車標(biāo)志紅綠信號等等顯示控制的設(shè)置一般設(shè)在道路的交叉處，只有合理的設(shè)計信號燈才能發(fā)揮智能交通控制的最佳效益。2.1交通燈的含義及類型一個城市是否發(fā)達(dá)，與該城市的路網(wǎng)系統(tǒng)有著直接的聯(lián)系，當(dāng)?shù)缆返穆?lián)系越多那么城市越發(fā)達(dá)，但是當(dāng)聯(lián)系多了之后必然會有交叉之處，起初人們通過修建一個類似島一樣的地方來緩解這種路口的擁堵，通過這種方式的確在初期解決了車輛延誤和堵塞，但是與此同時這也帶來一些其他新的問題，例如這個建筑設(shè)施本身需要占用公共用地這就帶來一個土地使用的問題，其次雖然能夠分流一部分的車輛但是當(dāng)短時間的出現(xiàn)車輛擁擠涌向一個路口時刻，這樣的環(huán)型島的分流效果也不是很明顯甚至可能帶來反向作用使得道路更加擁擠，經(jīng)過不斷的努力摸索和實踐經(jīng)驗的總結(jié)，人們利用信號燈來改變車輛通行的時間，從而交替的讓車輛通過路口，這樣一種方法更加的行之有效而且不會占用太多的場地。交通信號燈含義1、綠燈閃亮?xí)r刻，通過但是直行的車或者人具有最高的優(yōu)先級，任何想要拐彎的車或者人都不得和直行車爭搶道路使用權(quán)。2、黃燈閃亮?xí)r刻，黃燈代表警示，以禁止線為標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)通過禁止線的車輛繼續(xù)通行，沒有通過的則全部暫?！，F(xiàn)在修改后的交規(guī)有了更為細(xì)致的解釋和判罰標(biāo)準(zhǔn)。3、紅燈閃亮?xí)r刻，是禁止指示一切的車輛和行人都要停止不能繼續(xù)前進(jìn)。城市不同那么城市中的道路也相應(yīng)的不完全相同，但是不論城市的道路如何的交錯其終究會有一部分地方有道路的交叉與交錯口，這些路口不僅承擔(dān)了分流車輛的任務(wù)更是城市東西南北各個走向的分界點(diǎn)，對城市來說起到了承上啟下的作用，縱觀城市的交叉路口大致可以分為以下幾個形狀的類似T形交叉口，類似X形交叉口，類似Y形交叉口，類似加號的十字形路口。圖2-1展示了以下幾種路口的形狀。圖2-1各個形態(tài)的路口分析上述的這幾個路口，其中十字路口是城市中最常見到的路口形式在，我國主要城市中這個路口是相比與其他來說最具通行效率的，所以對這個路口的討論將是本文的重點(diǎn)。其他路口例如T型以及X型都是在十字路口基礎(chǔ)上演化出來的，針對當(dāng)?shù)仫@示的一些路況問題因地制宜開發(fā)出來。雖然能適應(yīng)一段路段的特殊情況但是不能具備代表性所以在本文暫時不做討論[13-18]。2.2信號燈控制的基本參數(shù)及控制方式2.2.1基本參數(shù)1、綠信比所謂綠信比是指在一個特定的時期內(nèi)綠燈的點(diǎn)亮?xí)r間和這樣一段特定時間的比值，這其中綠燈的點(diǎn)亮?xí)r間計算方法是將黃燈和綠燈的點(diǎn)亮?xí)r間相加取得的值N再減去通過路口第一輛汽車延誤的時間T,取得的一個數(shù)值就是我們所謂的綠信比，這個數(shù)據(jù)是控制交通信號的一個重要參數(shù)。2、相位是指在一段時間內(nèi)根據(jù)道路交叉段車輛通行情況作為判斷依據(jù)來改變一定方向上紅綠燈的時間即通行的權(quán)利也可以是幾個方向上的通行權(quán)。在單一方向上的改變我們稱為單相位，多個方向上的改變我們稱為多相位。3、相位差所謂相位差是在一段特定時間內(nèi)，同一個方向上通行權(quán)交替起止所消耗的時間差4、飽和流量顧名思義所謂飽和流量是指一段路口能通過的最大的車流，使路口達(dá)到飽和的數(shù)量。5、流量比所謂流量比是指實際通過路口的車輛數(shù)和上面提到的飽和流量的一個比較值，這個數(shù)值也是信號燈控制中一個非常重要的參數(shù)，這也是測量一個道路通行能力的只要指標(biāo)。6、延誤所謂延誤就是說有限的交通控制能力給整個城市交通造成的時間累積折損，這個是由于自身設(shè)備原因或者人為原因不能及時調(diào)整所帶來的可避免的損失，這也是考量控制的一個重要參數(shù)和指標(biāo)。在現(xiàn)今城市中，智能交通的控制已經(jīng)滲透到了城市的每個角落，現(xiàn)在比較流行的智能交通控制方式大致可以分為以下幾種自適應(yīng)式的智能交通燈控制系統(tǒng)：可實現(xiàn)定時智能交通燈的控制系統(tǒng)以及感應(yīng)式智能交通燈控制系統(tǒng)。下面我們來具體詳細(xì)介紹。2.2.2定時控制所謂的定時交通燈控制系統(tǒng)是一種人為的設(shè)置方式，在這種方式中首先要通過查詢大量的某一路口交通通行的歷史狀況再來總結(jié)這種狀況的成因和解決方式，分析出最終方案后根據(jù)來制定綠燈的閃亮周期從而實現(xiàn)交通信號的時間方案，此方法的缺點(diǎn)是，當(dāng)方案一旦確定后就不會再去更改。這種形式的交通信號燈的控制在我國大多數(shù)城市得到了廣泛的應(yīng)用，也是普及率和推廣度最高的一種控制方式，此方法中又可以細(xì)分為定周期控制方式和不定周期的控制方式兩種方法。在定周期中交通信號燈根據(jù)事先制定好的周期閃爍，每天的綠燈閃爍時間不會根據(jù)任何外界的車輛變化而變化相對來說比較死板。另一種變周期方式，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)判斷在一天的不同時間段中設(shè)置不同的綠燈信號時間，這樣的好處是在于交通信號燈可以根據(jù)路口不同時段車輛通行的波峰波谷來調(diào)節(jié)綠燈的時間，從而疏通道路的交通，這樣不僅可以使得路口使用率得到大大的提升更能高效的利用交通信號燈。此方式的適用對象一般是車輛通行能力相對固定，變化量不大的路口并且此路口一般是可以預(yù)測的有歷史數(shù)據(jù)可以參考的。這樣可以讓簡單的硬件設(shè)備完成整個控制系統(tǒng)的操作，而且這種方式的控制投入較少，維護(hù)起來也簡便快捷，此外本控制方式還可以多臺機(jī)器聯(lián)合操作，實現(xiàn)對路網(wǎng)的整體或者局域的監(jiān)控和管制。然而在某些不確定的條件下，例如車流量時多時少的情況下，控制起來十分不便，當(dāng)路口出現(xiàn)意外情況或者需要暫時交通管制的情況這種相對固定的控制方式?jīng)]有辦法很好的適應(yīng)，因為一旦控制方案形成那么他是不會自動適應(yīng)和調(diào)整控制方案的。2.2.3感應(yīng)式交通信號控制所謂感應(yīng)控制是指在各個交通路口通過安置交通通行能力信號檢測裝置來實時探測路口車輛通行數(shù)據(jù)，并根據(jù)這個數(shù)據(jù)來改變交通信號燈的綠燈時間從而實現(xiàn)交通信號燈的動態(tài)調(diào)整。在一段時間內(nèi)檢測裝置如果能檢測到某一段路口突然增加，則可以下一段綠燈時間內(nèi)增加時間即大于原先設(shè)置好的綠燈時間，把其他路口的時間減少，從而實現(xiàn)若干條主干道的疏導(dǎo)，這樣可以實時動態(tài)的控制各個路口的信號燈時間，實現(xiàn)智能疏導(dǎo)交通的目的。通過感應(yīng)控制交通信號燈的方式，信號燈本身并不會被設(shè)置一個時間段或者配置綠燈時間方案，在進(jìn)行監(jiān)控時，系統(tǒng)是實時調(diào)整，實時檢測的，這種檢測設(shè)備有多種方式可以是通過超聲波的探測返回超聲波探測信號給交通信號燈，可以是微博探測返回微波探測信號給交通信號燈，再或者是通過電感等感應(yīng)設(shè)備來實時動態(tài)的檢測各個路口的車輛信息，匯總給總的控制器來動態(tài)分配整個路網(wǎng)系統(tǒng)的綠燈時間，本系統(tǒng)適合車流量變化較大，但整體流量不大的路口，這樣的路口采用本控制方式可以極大的降低車輛等待時間，提高路口通過效率。在現(xiàn)實的使用中本控制方式大體可以分為如下兩類：第一是非全感應(yīng)式交通信號燈控制系統(tǒng)，首先在設(shè)備的安裝上，檢測裝置一般只安裝在路口的非主線干道上，這種以主干道為主要通行的控制中支線干道一般都是紅燈保持主干道是綠燈，這樣主干道是基本順暢通行的，只有在主干道上出現(xiàn)紅燈支線干道才會變?yōu)榫G燈這樣支線干道才會放行，這樣的控制方式是保證主干道通行的優(yōu)先權(quán)為前提的。第二類就是全感應(yīng)式控制，此控制方式相比較上一種控制方式首先在檢測設(shè)備的安裝上就會有不同，此安裝方式不分主干道和非主干道，所有路線均安裝檢測設(shè)備，各個路口的綠燈時間完全根據(jù)該路口的車輛通行情況考慮。在這種控制方式主要考慮三個方面的因素，最長綠燈時間，需要延長的綠燈時間以及最短的綠燈時間。在這個三個因素中不論最長還是最短的綠燈時間均設(shè)有上下限值為6~60s。此外為了能夠保證最快的路口通行速度在重要的道路進(jìn)口處還會安裝設(shè)備來實時監(jiān)測車量在該道路上的平均速度為下一步路口的信號燈輸出提供判斷依據(jù)。具體示意圖如下所示。圖2-2全感應(yīng)相位綠燈延長間隔時間由上圖可看出在本控制方式中首先會在一個路口通行方向設(shè)置一個綠燈最短時間，隨后通過檢測設(shè)備的檢測數(shù)據(jù)不斷調(diào)整該路口的綠燈的時間長度，其檢測機(jī)理可以分解我兩部分，第一步檢測到N量車通過這個路口，第二步就在這個車被檢測到之后，這個方向的綠燈開始延時N個已經(jīng)設(shè)置好的時間段即已經(jīng)設(shè)定好的周期時間。相反如果沒有檢測到有車輛則更改綠燈方向即原綠燈變?yōu)榧t燈，相反方向的綠燈亮[19-22]。2.2.4自適應(yīng)控制方式隨著社會經(jīng)濟(jì)技術(shù)的飛躍發(fā)展自適應(yīng)這種高端的控制方式也得到大力發(fā)展，所謂自適應(yīng)即設(shè)備可以根據(jù)現(xiàn)場的環(huán)境和參數(shù)變化完全自動的改變交通信號燈，來適應(yīng)現(xiàn)場變化的交通狀況。類似上面給出的感應(yīng)控制系統(tǒng)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)首先需要有車輛檢測和數(shù)據(jù)傳感裝置作為提供數(shù)據(jù)的采集端，這些數(shù)據(jù)包括停車的次數(shù)和時間長短，車輛具體的數(shù)量以及排隊的長度等等，通過計算來分配最優(yōu)的綠燈時間，這樣的分配兼顧各個路段的通行狀況，使得在使用自適應(yīng)控制的交通信號燈的區(qū)域內(nèi)協(xié)調(diào)控制，使得道路可以實現(xiàn)最大化的通行速率。計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展讓這種分配方式的結(jié)果可以傳到網(wǎng)上或者上，讓駕駛員可以實時接收這些數(shù)據(jù)，從而規(guī)劃出最適合自己的行車路線這樣不僅可以節(jié)省駕駛員的時間更可以優(yōu)化道路通行情況，有效的避免了堵車現(xiàn)象便于相關(guān)部門的管理。2.3交通信號燈控制系統(tǒng)類型在當(dāng)今智能交通管理體系中交通信號燈的使用是不可或缺的部分，在我們常用的智能交通的交通信號指示燈中按其可控區(qū)域的大小通?？梢苑譃橐韵聨追N類型：第一種類型是小范圍的點(diǎn)對點(diǎn)控制，所有的交通信號指示燈各自為政相互之間沒有任何聯(lián)系，各個路口的交通信號指示燈只對各自控制的路口負(fù)責(zé)，這種點(diǎn)對點(diǎn)的控制可以保證交通信號燈所在路口的車流盡量通暢，但是對區(qū)域性控制沒有太大幫助，所以只能使用在小范圍的交通信號控制對于大范圍的控制不太適用。第二種是整條道路的整體控制是線性控制，交通信號燈對整體道路的不同路口均設(shè)有檢測裝置在一條道路中的不同路口協(xié)調(diào)統(tǒng)一，保證整條道路的車輛可以順利的通行。這樣控制的前提是有統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)，一般在一條道路中選擇一個交通信號燈為基準(zhǔn)信號燈，這個信號控制燈對整條道路上的信號燈發(fā)出基準(zhǔn)信號，所有道路上的信號燈可以聯(lián)動控制，采用這種控制最大的好處是在一條道路上行駛時一般行駛中預(yù)見紅燈或者綠燈的時間是相對可控的，如果一開始遇到紅燈那么后面路口的交通信號燈綠燈的可能性就會加大，這中控制方式有個原則是支路服從主干道要求，即主干道優(yōu)先級高于支線。第三種是范圍控制即區(qū)域控制，顧名思義這種控制方式是對一個較大區(qū)域整體協(xié)調(diào)控制，在這種控制系統(tǒng)中每個路口和道路的交通信號燈都由一個統(tǒng)一控制中心來協(xié)調(diào)和操控，這種控制方式是一種面控的控制方式在這種控制中下面又會分出小的區(qū)域一級級劃分最終實現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的控制，所以不管是面控還是線控最終的出發(fā)點(diǎn)還是點(diǎn)控。面控適合在大型城市中的環(huán)形路網(wǎng)，交通控制較為復(fù)雜的情況中使用[30-34]。2.4模糊控制概述模糊控制的理論基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)中的模糊集合論，這個理論中的奠基人LA.Zadeh在1965年發(fā)表了模糊集理論，這個理論的誕生為使得模糊控制得到了新的發(fā)展空間，并奠定了理論的科研和應(yīng)用基礎(chǔ)。經(jīng)過了多年的研究探索，模糊控制理論已經(jīng)得到了長足的發(fā)展，理論也逐漸完善，尤其在控制領(lǐng)域的應(yīng)用更是大放光輝。將此理論應(yīng)用到控制方面的先驅(qū)是EH.Mamd他在1974年開創(chuàng)性的將這個理論在應(yīng)用層面獲得了巨大的成功，從而使得其應(yīng)用打開了一扇窗，此后模糊控制理論的發(fā)展取得飛躍式發(fā)展。此理論的也逐漸應(yīng)用的越來越廣泛。例如在測量數(shù)據(jù)時由于數(shù)據(jù)測量等問題，測得的數(shù)據(jù)并不十分確定，數(shù)據(jù)的兼容性也未可知[35-38]。在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用模糊控制得到了很好的驗證，相比于傳統(tǒng)的控制器模糊控制器可以不受控制器行為參數(shù)的限制，然而有的控制器在工作時仍然需要控制者的相關(guān)經(jīng)驗。在進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整時，一般利用微分方程提供的狀態(tài)模型分析等綜合方法來完成，但調(diào)整模糊控制器的輸入輸出參數(shù)時，是從過程函數(shù)在邏輯層面產(chǎn)生的。改變模糊控制器的基本方式之一就是模糊規(guī)則，所謂的模糊規(guī)則是一種數(shù)學(xué)統(tǒng)計的邏輯表達(dá)式，操作者可以根據(jù)以往工作經(jīng)驗改變輸入?yún)?shù)而不需要精確的了解數(shù)學(xué)模型，適合各個層次的使用者。通過眾多的實驗可以對模糊控制理論做如下總結(jié)1、數(shù)學(xué)模型在模糊控制中可以忽略；2、是一種智能控制可以適度的反應(yīng)出人們生活中對事物的總結(jié)，是人思維過程中的模糊量的反應(yīng)如高矮胖瘦等沒有定量的分析只是一個概念或者想法，這些推理結(jié)果其實是人們表達(dá)自己思考結(jié)果的一個方式。3、模糊控制規(guī)則是模糊控制的靈魂這個規(guī)則決定了這個模糊控制器能否適應(yīng)控制要求，這些規(guī)則類似人類語言的表達(dá)例如在洗衣服時衣物多了就應(yīng)該多放些洗衣粉洗的時間長一點(diǎn)，這樣就很容易理解了；4、構(gòu)造相對簡單；5、魯棒性相對較好。2.5不同控制間的比較由于模糊控制機(jī)傳統(tǒng)控制在所用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并不相同，模糊控制并不是在準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型上建立起來的控制方法，所以對影響控制模型的各個輸入?yún)?shù)的方面是沒有具體的規(guī)則的，因此在進(jìn)行建模時，避免了一些相關(guān)的問題。1、理論基礎(chǔ)模糊控制的實質(zhì)是一種建立在數(shù)據(jù)推理基礎(chǔ)上的控制思想，這種控制理論的推理在控制中可以總結(jié)成一種規(guī)則或者指令，各種控制的推理正是基于這種指令的運(yùn)算。在模糊控制中有個很重要的概念就是隸屬度，所謂隸屬度就是用數(shù)字零和一來表示子集與集合的關(guān)聯(lián)關(guān)系，零代表與集合的非關(guān)系，一代表與關(guān)系。以生活中一個簡單的例子做個比方，當(dāng)一個人在紙上描繪出了一個圓形，那我們可以說這個圓是圓還是不圓，這個是一個大眾的評審標(biāo)準(zhǔn)，不同的人可能有不同的判斷，那么我們估且認(rèn)為這個圓像圓的人越多那么這個圓的隸屬度就會越高，同樣認(rèn)為他不像的越多那么這個畫出的圓隸屬度就越低。這個例子說明這個所謂的模糊控制就是人們對日常生活中遇事的一種邏輯推理過程，他可以表示為條件結(jié)構(gòu)若….就…，形成一個閉環(huán)的邏輯控制系統(tǒng)。圖3-1模糊控制器的組成框圖如上圖所示任何一個模糊控制系統(tǒng)總體來說都可以分為三個過程，這也是模糊控制器和一般控制器的區(qū)別之處，但是不論過程怎么變結(jié)果都是實現(xiàn)預(yù)先制定的控制目標(biāo)。首先是模糊化，就是通過某一個子集來表述整體論域上的關(guān)系，并羅列子集之間的隸屬關(guān)系或求出其隸屬函數(shù)。其次是模糊控制器的核心部分模糊控制算法，這種算法一般是就是對事物的的規(guī)則控制，這種規(guī)則是一定數(shù)量的條件語句組成，每一種實際情況所對應(yīng)的的規(guī)則都可以用一種語句表示，所有的語句最終可以描述每一種實際中可能發(fā)生的情況，形成一種模糊關(guān)系的總的集合。最后是模糊判決，根據(jù)模糊化的輸入量以及模糊規(guī)則的算法判定，通過一系列的算法推理最終得出控制輸出量即對這個事件的控制方式。通過上述描述我們可以看出，模糊控制器的成熟度與可靠性與設(shè)計者的工作積累和實際考慮的成熟度有直接關(guān)系，這種控制器也是對人類思維模式的全方面模仿，人對事物是先認(rèn)識再判斷最后反應(yīng)這個模糊控制器也是如此，通過一系列的判斷最終實現(xiàn)最佳控制。但是在實際的生產(chǎn)生活中由于很多情況復(fù)雜多變，特別是在突然的外界不確定因素的干擾下很難做出正確合理的判斷，因此如何不斷完善系統(tǒng)并且能夠應(yīng)對突發(fā)的外界干擾產(chǎn)生的不利影響，從而對其提出了新的要求。2、兩種控制的關(guān)系隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，使得傳統(tǒng)的控制方法遇到了發(fā)展的瓶頸，人們在不斷的思考與探索中發(fā)現(xiàn)了模糊控制這個全新的控制思路和發(fā)展方向，這個人們帶來了新的控制方向。雖然模糊控制尤其獨(dú)到的優(yōu)勢但是并不是說傳統(tǒng)的控制被遺棄，而是這兩種方式相輔相成共同推動人類的科技進(jìn)步。在模糊控制中也吸收了很多傳統(tǒng)控制的精華如PID控制以及自適應(yīng)算法等等，在融合之后又發(fā)展了屬于自己的一套獨(dú)特的控制體系。同樣傳統(tǒng)的控制中也日益增多了模糊控制的因素，使得傳統(tǒng)控制方法可以在更大的平臺上使用，兩者的不斷的發(fā)展與不斷學(xué)習(xí)共同為控制發(fā)展帶來了生機(jī)?？傊?，模糊控制理論的提出、發(fā)展及使用，并非將模糊性徹底剔除，而是逐漸向模糊性方向發(fā)展，而是肯定在控制中是由精確性的控制方式向模糊性的控制方式漸漸靠近，是一種模糊控制的思考問題的方式，是一種在控制理論學(xué)術(shù)領(lǐng)域中的再提升。在實際的生活中，模糊控制往往具有其他系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。主要為一下幾個方面：1、模糊控制是基于非線性的控制理論的，因此在進(jìn)行處理時完全不需要考慮精確的模型，掌握了相關(guān)的經(jīng)驗知識和編程語言就可以完成它的設(shè)計。2、在設(shè)定模糊控制器的參數(shù)時，不需要太多的設(shè)置，因為其參數(shù)是動態(tài)變法的，具有較好的動態(tài)變化及適應(yīng)。3、由于模糊控制的設(shè)計不需要太多的理論基礎(chǔ)，因此具有豐富經(jīng)驗的技工等可以熟練的使用[38-40]。第3章交通燈控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案3.1交通信號的模糊化設(shè)計城市中的交通縱橫交錯，因此比較復(fù)雜且毫無章法可循，因此一般不可能完成對城市交通的建模，基于模糊理論的特殊性，故而一般采用模糊化的控制對其進(jìn)行處理，從而完成對交通信號的模糊化設(shè)計。道路交口的信號燈的控制原則是：在車流量不大的前提下，信號燈的周期會較短這樣可以縮短同一方向等待車輛減少等待時間，這樣不會造成較大時間延誤。雖然可以適當(dāng)縮短信號燈時間，然而信號燈時間的縮短會造成交通的指揮不當(dāng)，甚至有可能出現(xiàn)癱瘓。一般需要遵循相位數(shù)*（黃燈時間（一般為3秒）+某一相位綠燈時間（一般為10秒）秒，這樣可以有效的避免在一個方向上綠燈時間過短，導(dǎo)致車輛不能夠及時通過岔口從而引發(fā)一些交通事故，與此同時也是給路人和非機(jī)動車相對寬裕的時間去過馬路。在車輛流量比較多的時候，增長信號燈的周期，可以降低不同車向換位的時間，進(jìn)一步降低路口等待時間，但在實際中信號燈的周期也不可以過長，否則會因為某個方向上綠燈時間過長而其他方向上的司機(jī)心里上難以承受，導(dǎo)致安全事故。在設(shè)計本系統(tǒng)時，考慮到紅綠燈的各個方向上的等待及運(yùn)行的車流量，用該變量來決定綠燈的的亮滅周期。在本系統(tǒng)中的輸入輸出分別為綠燈方向的車流量（GN）及紅燈方向的等待車輛（RN）兩個變量，輸出的結(jié)果為綠燈的亮滅的時間t。首先確定輸入量的變化范圍，然后將模糊化的變量和關(guān)系轉(zhuǎn)化為模糊控制規(guī)則，最后根據(jù)解模糊的方法，得到控制時間t。圖3-2顯示了精確的模型。圖3-2兩輸入單輸出控制模型3.1.1對輸入?yún)?shù)進(jìn)行模糊化考慮到十字路口的方向問題，在四個方向分別設(shè)置一個雙向傳感器，圖3-3所示顯示了其放置的位置。近端傳感器分別為PE1、PS1、PW1、PN1，需要放在斑馬線附近。在距離他們150m處為遠(yuǎn)端傳感器，分別為PE2、PS2、PW2、PN2，每當(dāng)有車輛，此時計數(shù)器將接收到信號激勵，從而可以將車輛數(shù)傳輸?shù)娇刂破鳎瑥亩涗浵戮G燈期間10s以內(nèi)通過的車輛總數(shù)GN，此時由另一方向的遠(yuǎn)端傳感器記錄進(jìn)入道口排隊等待的車輛數(shù)RN圖3-3傳感器的設(shè)置在計時時，應(yīng)該設(shè)置時間的起點(diǎn)為紅等向綠燈切換的時刻，然后對時間間隔10s內(nèi)的車流量進(jìn)行統(tǒng)計。通過大量的統(tǒng)計，在切換到綠燈后，車輛的速度大約在10~20km/h之間。因此在時間間隔為10s時，最多大約有11輛車通過路口，因而由此得到變量GN的取值范圍為0~11。在該范圍內(nèi)，模糊狀態(tài)可以設(shè)計為：GS(少)、GM(中)、GL(多)，分別給出GN對3個模糊狀態(tài)的隸屬度值，如表3-1所示。表3-1輸入量GN的模糊化表GN~GN01234567891011GS10.750.50.2500000000GM000510.750.50.2500GL0000000051一般選取150m作為遠(yuǎn)端記錄的長度，車輛長度一般取5m。從而可以推算出大約可以進(jìn)入30輛車。于是可以確定RN的取值范圍為0~30之間。根據(jù)數(shù)據(jù)分析原理，可以將其劃分成5個狀態(tài)：PVS（很少）、PS（少）、RM（中）、RVL（很多）。然后可以劃分0~30的范圍每兩個點(diǎn)劃分，從而得到他們對5個模糊狀態(tài)的隸屬度值，如表3-2所示表3-2輸入量RN的模糊化表RN~RN0~23~45~67~89~1011~1213~1415~1617~1819~2021~2223~2425~2627~2829~30123456789101112131415RVS10.50000000000000RS0000.510.5000000000RM0000000.510.5000000RL0000000000.510.5000RVL00000000000000.51在進(jìn)行紅燈的控制上，考慮到綠燈的時間為系統(tǒng)的輸出時間t，根據(jù)大量統(tǒng)計，綠燈的延時時間設(shè)置為40秒，用于采集數(shù)據(jù)的時間仍然設(shè)為10s，基于此，可以將綠燈的變化范圍控制在10~40秒之間，從而可以每8秒分為一個狀態(tài)：tVS（很短）、tS（短）、tM（中），tL（長）、tVL（很長）。根據(jù)取值范圍，沒8個點(diǎn)進(jìn)行劃分，可以得到每個值的隸屬值。表3-3輸出量t的模糊化表t~t10~1314~1617~1920~2223~2526~2829~3132~3435~3738~4012345678910tVS10.500000000tS00.510.5000000tM0000.510.50000tL000000.510.500tVL000000000.51通常由狀態(tài)空間或傳遞函數(shù)來確定輸入輸出相對應(yīng)的關(guān)系，同理，在模糊控制理論中，也有相對應(yīng)的規(guī)則，一般利用If···Then邏輯判斷表示，當(dāng)有兩個信號輸入時，需要對兩個信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算后判斷。在設(shè)計本系統(tǒng)時，考慮到紅燈車輛有5個變量輸入，而綠燈方向只有3個，故根據(jù)乘法原理，可知最多有15條規(guī)則。表3-4顯示了相關(guān)的規(guī)則。表3-4控制規(guī)則表~RN~GNRVSRSRMRLRVLGStStStVStVStVSGMtVLtLtStMtSGLtVLtVLtLtMtS從表3-3可以看到，if~GN=GLand~RN=RVSthen~t=tVL，算法意在平衡雙向流通的均衡性。在進(jìn)行模糊運(yùn)算時，要使用If~Aand~Bthen~C，綠燈下的車輛在這里為~A，紅燈下的車輛數(shù)用~B表示，綠燈時間間隔用~C表示。輸入到輸出的模糊關(guān)系關(guān)系R可以用公式3-1表示：(3-1)模糊輸出~t：(3-2)~R是一個11*15*10的三維矩陣，當(dāng)利用輸入量計算輸出量時，需要對該矩陣進(jìn)行處理，由于是三維矩陣，因此信息量大，計算復(fù)雜，耗費(fèi)時間長，從而對單片機(jī)是非常大的挑戰(zhàn)，故而為了避免這種情況，采取~R作為臨時矩陣，事先求出該矩陣，然后利用該矩陣將~t轉(zhuǎn)為精確的測量值，表3-2為計算每種組合的~t值，表3-5為輸入狀態(tài)不同時的精確表。表3-5控制量值表RNGN123456789101112131415033221111111111113322111111111112443211111111111344433333111111149988763333333335109887633333333361010987633333333371010108773733333338101010888776555333910101010101087665433310101010101010876654433111010101010108766544333.4交通燈模糊控制器的仿真本文中針對涉及的模糊控制在MATLAB的命令輸入欄中輸入FUZZY**（**代表文件名）可以調(diào)出仿真控制界面進(jìn)行仿真，其中輸入RN，GN的隸屬度函數(shù)如圖3-4和3-5所示圖3-4輸入GN隸屬度函數(shù)圖3-5輸入RN隸屬度函數(shù)輸出的隸屬度函數(shù)如下圖3-6所示圖3-6輸出t隸屬度函數(shù)模糊控制規(guī)則根據(jù)表3-4可以得到下圖中的規(guī)則表述和規(guī)則視圖圖3-7模糊規(guī)則的確定圖3-8模糊規(guī)則視圖在Fuzzy控制器中的SurfaceViewer中可以看到根據(jù)上述的模糊控制規(guī)則得到的輸出時間t與輸入模糊量RN和GN的3D關(guān)系圖如下圖所示，仿真研究表明這種方法實現(xiàn)了交通信號燈的模糊控制，從圖中可以看出延時時間t會隨著GN和RN的變化而進(jìn)行模糊輸出達(dá)到有效控制信號燈的目標(biāo)，可以減低各個路口的等待時間提高交通通行效率。。圖3-9模糊控制器輸出曲面為了驗證本算法在實際工作中是否有效，采用本算法進(jìn)行了一個仿真實驗，以一天路口通過的車輛數(shù)為衡量標(biāo)準(zhǔn)，為了便于比較采用定時控制與模糊控制做對比，其結(jié)果如下圖所示圖3-10路口通過車輛數(shù)與算法關(guān)系從圖中可以看出模糊控制相比與傳統(tǒng)的定時控制，模糊控制的交通信號燈指揮的交通在一天中不同時段通過的車輛數(shù)比傳統(tǒng)算法都要多，因此驗證了算法的有效性。3.5區(qū)域協(xié)調(diào)模糊控制系統(tǒng)上文對單路口的控制提出了解決方案，這個對解決路口交通擁堵具有重要的意義，然而如果只是對一個路口采用智能交通控制會產(chǎn)生一種狀況：即在一個路口交通可能比較通暢，但是與其相鄰的路口確出現(xiàn)嚴(yán)重的交通堵塞情況。出現(xiàn)這種狀況的原因是，單個路口的控制僅以本路口為中心沒有通盤考慮整個交通網(wǎng)絡(luò)，因此在整個系統(tǒng)中如果僅對單個路口進(jìn)行控制雖然提高了單個路口的控制效果，但對這個網(wǎng)絡(luò)的控制效果卻并不明顯。因此解決這個問題的方法可以采用區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)行協(xié)調(diào)與控制，從而實現(xiàn)整個城市的路網(wǎng)通暢。3.5.1區(qū)域協(xié)調(diào)模糊控制器的組成該模糊控制器可以實現(xiàn)一定區(qū)域范圍內(nèi)的交通燈模糊控制，其設(shè)計過程如下圖3-11所示，本區(qū)域模糊控制系統(tǒng)包含兩級，分別是一級模糊控制系統(tǒng)的兩個模糊輸入量敘述邏輯有誤。。在一級系統(tǒng)中的輸出變量為時間，同時該變量作為二級控制器的輸入變量，此外，利用預(yù)測信號作為二級控制器的另一個輸入信號，通過上述兩個二級控制器的輸入可以確定二級控制器的輸出，該信號可以作為實時綠燈延長時間，得到的該信號在與綠燈預(yù)設(shè)的信號疊加可以實現(xiàn)實際信號的輸出時間，下面詳細(xì)介紹具體計算過程：敘述邏輯有誤。(3-3)在公式3-3中X代表區(qū)域內(nèi)各自然交叉口當(dāng)前時刻綠燈相位上、下游車輛檢測器之間的車輛數(shù)之和，為該區(qū)域內(nèi)十字路口車輛最大值，代表區(qū)域內(nèi)各自然交叉口當(dāng)前時刻紅燈相位上、下游車輛檢測器之間的車輛數(shù)之和，為該區(qū)域內(nèi)最大值。圖3-11區(qū)域協(xié)調(diào)控制模糊控制器原理圖(3-4)在公式3-4中，分辨表示t時刻十字路口到十字路口以及到交叉路口中間路段的車輛，代表在時刻區(qū)域內(nèi)鄰街的十字路口到十字路口以及到十字路口中間路段的車輛。詳細(xì)計算過程如下公式：這段解釋與（3-4）對不上？(3-5)這段解釋與（3-4）對不上？(3-6)(3-7)(3-8)（3-5）--（3-8）如何推導(dǎo)得來？含義是什么？（3-5）--（3-8）如何推導(dǎo)得來？含義是什么？其中，為在時段內(nèi)第j個車道由i號交叉口駕駛出到相鄰叉到口的車輛數(shù)：為第j個車道區(qū)域內(nèi)相鄰交叉口該時段內(nèi)駛?cè)氲趇號交叉口的車輛數(shù)。當(dāng)東西直行相位為綠色時，其他時刻等于0；當(dāng)南北左轉(zhuǎn)相位為綠燈時,,其他時刻等于0。3.5.2區(qū)域協(xié)調(diào)模糊控制的基本步驟在區(qū)域協(xié)調(diào)控制中為了可以達(dá)到預(yù)定的控制效果，可以采用以下的設(shè)計步驟來設(shè)計整個區(qū)域協(xié)調(diào)模糊控制系統(tǒng)：第一步：初始化化系統(tǒng)各個參數(shù)，通過檢測裝置可以確定個十字路口的交通信息，計算并確定下一個時間段中信號燈的時間長度；設(shè)定各個十字路口的初始相位，其相位標(biāo)志，在下圖中處于相位1狀態(tài)時為當(dāng)前綠燈相位信號，假設(shè)各十字路口最少綠燈時間和最大綠燈時間分別為相位1相位2相位3相位4圖3-12區(qū)域協(xié)調(diào)控制相位分布圖假設(shè)東西直行為區(qū)域內(nèi)信號周期的初始相位，其相位如上圖相位1所示，在初始時間里各個十字路口所有綠燈時間均設(shè)為。第二步：在當(dāng)前綠燈信號的時間內(nèi)通過高速計算來算出以及，在通過模糊控制器來整合這些參數(shù)從而得到輸入變量。圖3-13區(qū)域協(xié)調(diào)模糊控制系統(tǒng)流程框圖第三步：二級模糊控制器的輸入變量根據(jù)系統(tǒng)一級模糊控制輸出結(jié)果和現(xiàn)在信號周期內(nèi)留下的信號周期時長確定，由模糊邏輯推理計算出各交叉口實際綠燈延長時間。Step4怎么又用英文STEP判斷Gmin+Ti2與Gmax的關(guān)系。怎么又用英文STEP若有：(3-9)此時，將當(dāng)前相位直接延時Ti2跳轉(zhuǎn)到STEP5若有：(3-10)此時，將當(dāng)前相位延時Gmax-Gmin；跳到Step5。Step5在綠燈延時期間(Ti2或Gmax-Gmin)的末尾，根據(jù)flag標(biāo)志位狀態(tài)判斷各交叉口的相位切換：當(dāng)所有交叉口flag=1時，則置子區(qū)內(nèi)各交叉口東西直行方向為綠燈時期的下一個綠燈相位；否則，根據(jù)采集得到的交通流量數(shù)據(jù)信息，放行紅燈滯留最大的相位為下一時段的綠燈相位。并且置下一綠燈相位的初始綠燈時間為Gmin。Step6令n=n+1，判斷n與N的關(guān)系。如果n>N，轉(zhuǎn)Step7；否則，返回Step2。Step7根據(jù)該段時間內(nèi)的交通流量數(shù)據(jù)信息情況，計算出下一時段的信號周期時長，返回Step1。算法的流程圖描述如圖3-13所示。3.5.3區(qū)域協(xié)調(diào)模糊控制輸入輸出系統(tǒng)的設(shè)計(1)一級模糊控制器輸入輸出變量設(shè)輸入輔助變量Ii1(t)論域為[0，80]，在此論域上定義七個模糊子集{很少(VF)、少(F)、較少(MF)、中(M)、較多(MR)、多(R)、很多(VR)}；輸入輔助變量Ii2(t)論域為[0，200]，在此論域上定義七個模糊子集{很少(VF)、少(F)、較少(MF)、中(M)、較多(MR)、多(R)、很多(VR)}；輸出變量Ti1的論域為[0,25]，在此論域上定義六個模糊子集{零(Z)、很短(VS)、短(S)、中(M)、長(L)、很長(VL)}。模糊集的定義如表3-6所示。表3-6一級模糊集合的定義表中PCU啥意思？表中PCU啥意思？變量論域模糊子