基于模糊控制的智能車尋跡算法研究

基于模糊控制的智能車尋跡算法研究摘要：與傳統(tǒng)的自動控制相比，模糊控制不用建立在被控對象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上。這一特點(diǎn)在非常適用于實(shí)際運(yùn)用中影響因素很多、結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜系統(tǒng)。其系統(tǒng)有易于接受，設(shè)計(jì)簡單，維護(hù)方便，而且比常規(guī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好，魯棒性高等特點(diǎn)。因其與本設(shè)計(jì)實(shí)際條件相似，所以選其做智能小車的尋跡算法研究。關(guān)鍵詞智能小車；模糊控制；尋跡算法ABSTRACTComparedwiththetraditionalautomaticcontrol，fuzzycontrolwithoutbasedonaaccuratemathematicalmodelofcontrolledobject.Thisfeatureissuitableforthesystemswhichhavemanyinfluencingfactorsandaverycomplexstructureinthepracticalapplication.Therearemanyfeatureinthissystem:suchaseasytoaccept,thedesignissimple,convenientmaintenance,morestabilityandrobustnessthanconventionalcontrolsystem，andsoon.Becauseitissimilartotheactualconditionsofourdesign,sowechooseitforthesmartcartracingalgorithm.KEYWORDSsmartcar；fuzzycontrol；tracingalgorithm目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument".前言 1\o"CurrentDocument".硬件設(shè)計(jì) 3整體結(jié)構(gòu) 3傳感部分 4\o"CurrentDocument"原理 4\o"CurrentDocument"電路設(shè)計(jì) 4傳感器感應(yīng)板布局 4閘門感應(yīng)器 5控制部分 5驅(qū)動部分 6\o"CurrentDocument"電機(jī)驅(qū)動 6\o"CurrentDocument"舵機(jī)驅(qū)動 6\o"CurrentDocument".程序設(shè)計(jì)部分 7模糊控制原理 7智能車模糊邏輯控制器 7\o"CurrentDocument"編碼 8\o"CurrentDocument"模糊化 8模糊規(guī)則庫 9\o"CurrentDocument"模糊判決 9模糊控制器實(shí)現(xiàn) 10\o"CurrentDocument"4.結(jié)論 11\o"CurrentDocument"致謝 11\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 121.前言本題目來源于瑞薩超級MCU模型車大賽。瑞薩超級MCU模型車大賽主要是設(shè)計(jì)智能控制程序，根據(jù)感應(yīng)器以及測速器反饋的信號（通過前方的反射式紅外光電傳感器檢測到黑色跑道上白線路徑），然后通過智能程序的判斷與控制，使智能小車能在特定賽道（直道、S道、交叉道、上下坡、變線區(qū)等軌道）上高速行駛為目的的比賽。其中涉及的技術(shù)主要有傳感器技術(shù)、單片機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)和控制算法。MCU模型車大賽是參賽選手要求在搭載有瑞薩MCU主板上的模型車上自行設(shè)計(jì)并編入獨(dú)立的控制程序，拼裝制作成自動駕駛車參加競技，勝負(fù)是根據(jù)順利跑完全程比賽的時間長短來判定的。縱觀一下現(xiàn)時的智能控制算法，如PI、PD、PID、模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等，再根據(jù)該賽事車子感應(yīng)及跑道的情況，提出用模糊算法進(jìn)行車子的尋跡控制，希望能研究出較好的尋跡算法。努力尋求小車性能最優(yōu)（檢測準(zhǔn)確、行駛平穩(wěn)、速度快、抗干擾強(qiáng)等）。模糊邏輯控制（FuzzyLogicControl）簡稱模糊控制（FuzzyControl），是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。1965年，美國的L.A.Zadeh創(chuàng)立了模糊集合論；1973年他給出了模糊邏輯控制的定義和相關(guān)的定理。1974年，英國的E.H.Mamdani首先用模糊控制語句組成模糊控制器，并把它應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制，在實(shí)驗(yàn)室獲得成功。這一開拓性的工作標(biāo)志著模糊控制論的誕生。模糊控制實(shí)質(zhì)上是一種非線性控制，從屬于智能控制的范疇。模糊控制的一大特點(diǎn)是既具有系統(tǒng)化的理論，又有著大量實(shí)際應(yīng)用背景。其典型應(yīng)用的例子涉及生產(chǎn)和生活的許多方面，例如在家用電器設(shè)備中有模糊洗衣機(jī)、空調(diào)、微波爐、吸塵器、照相機(jī)和攝錄機(jī)等；在工業(yè)控制領(lǐng)域中有水凈化處理、發(fā)酵過程、化學(xué)反應(yīng)釜、水泥窯爐等的模糊控制；在專用系統(tǒng)和其它方面有地鐵靠站停車、汽車駕駛、電梯、自動扶梯、蒸汽引擎以及機(jī)器人的模糊控制等。近年來，研究模糊算法在智能尋跡小車上應(yīng)用的課題漸漸增加，但大多數(shù)都是靜態(tài)傳感，即傳感器安裝在車體上，并不會隨方向改變而發(fā)生變化。本設(shè)計(jì)就是研究另一種基于動態(tài)傳感器的智能尋跡小車的設(shè)計(jì)。2.2.硬件設(shè)計(jì)2.1整體結(jié)構(gòu)本智能小車包括三大部分：傳感部分、控制部分和驅(qū)動部分。傳感部分有傳感器感應(yīng)板、傳感器子處理板和閘門感覺器三個模塊；控制部分的CPU板使用的是H8-3048單片機(jī)；驅(qū)動部分的電機(jī)驅(qū)動析集成了控制電路、驅(qū)動電路和電源電路。如圖2.1，圖2.2： 控制系筑電流方向電機(jī)驅(qū)動板獨(dú)立電源供應(yīng) 控制系筑電流方向電機(jī)驅(qū)動板獨(dú)立電源供應(yīng)驅(qū)成系統(tǒng)電汽方：口.圖2.1智能小車整體結(jié)構(gòu)模塊圖圖2.1智能小車整體結(jié)構(gòu)模塊圖圖2.2智能小車整體結(jié)構(gòu)實(shí)物圖2.2.1原理根據(jù)跑道的實(shí)際情況（黑色跑道白線路徑），我們采用了較為簡單的紅外光電感應(yīng)器。其原理是：紅外線照射到白色的路徑上時，白色不吸光而發(fā)生反射，從而感應(yīng)器接收到光信號，繼而轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺ǖ碗娖?，LED點(diǎn)亮）；而照射到黑色跑道上時，黑色吸光，感應(yīng)器接收不到信號，從而轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺ǜ唠娖?，LED熄滅）。s反射不反射平，LED點(diǎn)亮）；而照射到黑色跑道上時，黑色吸光，感應(yīng)器接收不到信號，從而轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺ǜ唠娖?，LED熄滅）。s反射不反射圖2.3紅外感應(yīng)器原理圖圖2.4紅外感應(yīng)器電路原理圖2.2.2電路設(shè)計(jì)電路原理如圖2.4：2.2.3傳感器感應(yīng)板布局傳感器的布置方案有單排、雙排、W字形排列等。我們采用了單排一字形的排列方式。具體的布置方式如圖2.5,圖2.6，也就是在車模的頭部安裝一塊電路板，其

底部安裝8個傳感器。圖2.5紅外感應(yīng)器布局框架圖圖底部安裝8個傳感器。圖2.5紅外感應(yīng)器布局框架圖圖2.6紅外感應(yīng)器布局實(shí)物圖2.2.4閘門感應(yīng)器閘門感應(yīng)器也是采用紅外傳感器，原理同上，布局如圖2.7，圖2.8。圖2.5閘門感應(yīng)器布局框架圖圖圖2.5閘門感應(yīng)器布局框架圖圖2.6閘門感應(yīng)器布局實(shí)物圖2.3控制部分日本的瑞薩H8-3048單片機(jī)擁有128KROM和4KRAM,11個IO端口（1?B）,5個ITU（整型定時器）等較為豐富的資源。

驅(qū)動部分主要驅(qū)動的是兩路電機(jī)和一路舵機(jī)，均使用PWM來控制。PWM(PulseWidthModulation)，又稱脈沖寬度調(diào)制方式，是指通過改變輸入脈沖的有效工作時間，改變輸入平均電壓的調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速方式。PWM信號的有效工作時間和周期的比值為PWM信號的占空比2為：a=to/T式中：a一占空比值，10011t—PWM一個周期內(nèi)篙低電平中有效電平時間，T—PWM周期2.4.1電機(jī)驅(qū)動硬件驅(qū)動設(shè)計(jì)是基于H橋的電路(如圖2.7)，控速則采用PMW控制電流來調(diào)整速度。圖2.7H橋原理圖圖2.7H橋原理圖AB操尸0Vov［三止0VLDV反轉(zhuǎn)10Vov玲2.4.2舵機(jī)驅(qū)動舵機(jī)采用PWM脈沖控制，舵機(jī)采用PWM脈沖控制，2.8所示。通過調(diào)整脈沖的占空比實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，如圖圖2.7舵機(jī)控制原理圖程序設(shè)計(jì)部分模糊控制原理模糊控制(FuzzyControl)是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法，它從行為上模仿人的模糊推理和決策過程。該方法首先將操作人員或?qū)＜医?jīng)驗(yàn)編成模糊規(guī)則，然后將來自傳感器的實(shí)時信號模糊化，將模糊化后的信號作為模糊規(guī)則的輸入，完成模糊推理，將推理后得到的輸出量加到執(zhí)行器上。實(shí)現(xiàn)模糊控制算法的過為：單片機(jī)采樣得到被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號E；把誤差信號E的精確題壁進(jìn)行模糊化變成模糊量，誤差E的模糊量可用相應(yīng)的模糊語言表示。至此，得到了誤差的模糊語言集合的一個子集e(e實(shí)際是一個模糊相量)。再有e和模糊控制規(guī)則R(模糊關(guān)系)根據(jù)推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量u，即u=eoR式中：u為一個模糊量。為了給被控對象施加精確的控制，還需進(jìn)行解模糊處理。在得到控制量后，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)變?yōu)榫_的模擬量送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對被控對象進(jìn)行一步控制。之后，中斷等待第2次采樣，進(jìn)行第2步控制。這樣循環(huán)下去，就實(shí)現(xiàn)了被控對象漠糊控制。智能車模糊邏輯控制器模糊控制器(FuzzyController,FC)也稱為模糊邏輯控制器(FuzzyLogicController,FLC),由于所用的模糊控制是由模糊理論中模糊條件語句來描述的，因此，模糊控制器是一種語言型控制器，故也稱為模糊語言控制器(FuzzyLanguageController,FLC)o模糊控制器主要由3個功能模塊組成，即模糊化模塊、和模糊判決模塊，如圖3.1所示。模糊判決模糊化#模塊口圖3.1模糊邏輯控制器結(jié)構(gòu)圖模糊量模糊判決模糊化#模塊口圖3.1模糊邏輯控制器結(jié)構(gòu)圖模糊量輸入控制量精確輸誤差輸入模糊決策模塊歲sa 量輸出規(guī)則庫,編碼位置偏差e及其變化率ec是模糊控制器的2個輸入，其中：ecuei-ei-j。模糊控制器需對這2個精確量進(jìn)行編碼，使其成為模糊量，進(jìn)而參加模糊推理。智能車上使用了8個光電管，其編碼表如表3.1所示。表3.1軌跡位置編碼表軌跡位置傳感數(shù)值編碼軌跡位置傳感數(shù)值編碼L10x80;0x81-7L50x081L1&L20xc0-6L4&L5&L60x1c1L1&L2&L30xe0-5L5&L60x0c2L20x40-5L5&L6&L70x0e3L2&L30x60-4L60x043L2&L3&L40x70-3L6&L70x064L30x20-3L6&L7&L80v075L3&L40x30-2L70x025L3&L4&L50V31-1L7&L80x036L40x10-1L80x01;0x817L4&L50x180設(shè)偏差值的模糊量為E,偏差變化率的模糊值為EC,U為速度和方向控制量的變化量。考慮到實(shí)際情況，設(shè)偏差e的基本論域?yàn)椋?7,7］,偏差變化ec的基本論域?yàn)椋?3，3］，控制量的基本論域?yàn)椋?40，40］，均劃分為7個等級，即{-3,-2,-1,0,1,2,3}則偏差e的量化因子K=7/3=2.33偏差變化ec的量化因子 eK=3/3=1ec控制量u的比例因子K=40/3=13.33模糊集取7個語言值，分別為{負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,0,正小,正中,正大}即{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}上文中：U為速度和方向控制量的變化量。模糊化由于傳感器所檢測到的信號都是精確量,但模糊控制器中需要的卻是模糊量,所以需要將這些精確量轉(zhuǎn)變成語言變量值,即模糊量。在模糊控制中，通常將控制量的實(shí)際值與期望值比較，得到一個偏差e,并將其模糊化處理為模糊量E,控制器根據(jù)E來決定如何對系統(tǒng)加以調(diào)節(jié)控制。為了使控制器的性能更好，通常還需要將偏差變化量EC作為輸人量，以此對系統(tǒng)進(jìn)行綜

合判斷。根據(jù)從實(shí)際調(diào)試中得到的經(jīng)驗(yàn)，可以將偏差e、偏差變化ec和控制量變化u映射到模糊域中，如表3.2。表3.2偏差變化e劃分表-3-2-10123A1NB10.500000A2NM00.510000A3NS000.50000A4ZO0001000A5PS00000.500A6PM000010.50A7PB000000.51模糊規(guī)則庫在智能車控制系統(tǒng)中，模糊控制器的輸入量為位置偏差E及其相對行駛距離的變化量EC，輸出量為速度和方向的控制量，所以該模糊控制器為一個雙輸入單輸出的模糊控制器，其控制規(guī)則通常采用以下模糊條件語句，即IfEandECthenU其中：為輸入系統(tǒng)偏差變量e模糊化的模糊集合；EC為輸入系統(tǒng)偏差△?模糊化的模糊集合；U為輸出變量的模糊集合。通過對路況進(jìn)行分析，根據(jù)人們開車時的經(jīng)驗(yàn)，可以得到相應(yīng)的模糊控制規(guī)則集如表3.3所示。將這些模糊規(guī)則以程序的形式寫到單片機(jī)中，從而實(shí)現(xiàn)對智能車的控制。表3.3偏差變化e劃分表UECNBNMNSZOPSPNPBENBPBPBPBPBPMZOZONMPBPBPBPMPMZOZONSPBPMPMPSZONSNMZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONMNMNMNBPMZOZOZONMNBNBNBPBZONSNBNBNBNBNB模糊器控制器控制規(guī)則的設(shè)計(jì)原則為：當(dāng)誤差較大時，控制量應(yīng)當(dāng)盡可能快地減小誤差；當(dāng)誤差較小時，除了消除誤差外，還必須考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以避免不需要的超調(diào)和振蕩。模糊判決在智能車模糊控制器中，對建立的模糊控制規(guī)則要經(jīng)過模糊推理才能決策出控制變量的一個模糊子集，它是一個模糊量而不能直接控制被控對象，還需要采取合理的方法將模糊量轉(zhuǎn)換為精確量，以便最好地發(fā)揮出模糊推理結(jié)果的決策效果。本設(shè)計(jì)采用的解模糊方法為重心法，其表達(dá)式為u。=Eu.口N（u）/SuN（ui）式中：u。為模糊控制器輸出量解模糊后的精確值；%為模糊控制量論域內(nèi)的值；口N（u）為9的隸屬度值。模糊控制器實(shí)現(xiàn)模糊控制器的控制算法是通過編程實(shí)現(xiàn)的。程序一般包括兩個部分：一個是計(jì)算查詢表的程序，屬于模糊矩陣運(yùn)算；另一個在模糊控制過程中，計(jì)算輸入變量（誤差和誤差變化），并將其進(jìn)行模糊化處理、查找查詢表后，再作輸出處理的程序。圖3.2為智能車模糊控制器模糊控制查表算法流程圖。圖3.2智能車模糊控制器模糊控制查表算法流程圖4.結(jié)論本智能小車整體上實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的要求，具有較好的尋跡算法，能保證有較小的軌跡識別錯誤率，整體性能良好。實(shí)驗(yàn)證明，小車能在跑道上穩(wěn)定且快速的行駛。基本上解決了一般控制程序下，小車行駛時舵機(jī)抖動劇烈的問題。與原來相比，速度也有一定的提高。但模糊控制器用于智能車系統(tǒng)中參數(shù)的適應(yīng)性較差，超調(diào)量較大，動態(tài)特性不佳，系統(tǒng)的魯棒性較低，從而使得小車的性能受到一定的約束。致謝在此特別感謝XXX和XXX老師，一直以來，他們總在我遇到難題的時候，點(diǎn)明一盞明燈，為我指明方向。正是由于他們不厭其煩地指導(dǎo)我，我才能克服種種困難而取得今天的成功。在這一段時間里，我們學(xué)到許多東西，不僅有理論的知識和實(shí)踐方面的經(jīng)驗(yàn)，而且還有很多為人做事的感悟。在這里，我想衷心向兩們賢師說聲謝謝！參考文獻(xiàn)1、專著[1]卓晴等.學(xué)做智能車.北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2007年3月第1版.ThomasD.Gillespie.車輛動力學(xué)基礎(chǔ).北京：清華大學(xué)出版社.2006年12月第1版.邵貝貝.單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法.北京：清華大學(xué)出版社.2004年10月第1版.[4]楊國田，白焰.摩托羅拉68HC12系列微控制器原理，應(yīng)用與開發(fā)關(guān)系.中國電力出版社.2003.9