基于模糊控制的汽车防撞控制系统设计

中国科技论文在线基于模糊控制的汽车防撞控制系统设计胡媛媛，邓世建**作者简介：胡媛媛，（1986-），女，在读硕士，主要研究方向为检测技术与自动化装置通信联系人：邓世建，（1962-），男，教授，主要研究方向为：检测技术与自动化装置.E-mail:[e-mail]（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州221008）摘要：为了实现汽车行驶过程中与前车车距的自动控制,降低交通事故发生率,设计了一种基5于模糊控制的汽车防撞控制系统模型。该控制系统包括雷达测距、防撞控制器、车辆接口和近距报警等模块，论文阐述了系统的工作原理及各模块功能。研究表明：该汽车防撞控制系统工作稳定可靠，能及时准确地发现道路前方潜在的危险目标并进行报警，较好地实现紧急报警情况下的汽车与障碍物间距离控制，满足防撞控制系统的实时性准确性要求。关键词：防撞控制；模糊控制器；雷达测距；制动执行10中图分类号：TP212.9TheDesignOfAutomobileanti-collisionControlSystemBasedontheFuzzyControlHUYuanyuan,DENGShijian15(SchoolofInformation&ElectricalEngineering,ChinaUnivercityOfMinningandTechnology,JiangSuXuZhou221008)Abstract:Inordertocontrolthelongitudinaldistancebetweentherunningvehicles,reducethetrafficaccidentseffectively,thepaperdesignsakindofautomobileanti-collisioncontrolmodelbasedonthefuzzycontrol.Itincludesmultiplemodulessuchasradarranging,crash-avoiding20controller,vehicleinterface,distancecontrolalarmandsoon,andelaboratedsthesystem’soperatingprinciplesandthefunctionofthemodules.Theresearchshowsthat:Thesystemisstableandreliable,anditcantimelyandaccuratelyfindthedangertargetontheroadandalarm,achievebetterthedistancecontrolbetweenvehiclesandobstaclesincaseofanemergencyalarm,meetthereal-timeandaccuracyrequirements.25Keywords:Anti-collisioncontrol;fuzzycontroller;radarranging;brakingexecution0引言随着现代工业化程度的高速发展，车辆的持续增多，交通安全已成为各国关注的重大问题。要有效地减少事故的发生，归根结底就是要解决驾驶员如何根据车速及车距来掌握刹车30的问题。传统的控制方法都建立在被控制对象精确的数学模型之上，而汽车是一个复杂的非线性系统，且驾驶员的驾驶行为也表现出明显的不确定性，很难建立精确的数学模型，致使传统的控制方法控制精度低、响应慢，在实际中很难得到有效应用。而近年来发展起来的模糊逻辑方法，不依赖系统精确的数学模型，能用模糊数学的隶属度函数描述车辆安全行驶的控制模型，可以有效地防止追尾碰撞事故的发生。351汽车防撞控制系统模型汽车防撞控制系统如图1所示，选用功能较强的单片机做核心，对各种雷达传感器测得的信号进行处理，然后根据模糊控制模型做出相应的模糊运算和处理，产生相应的控制信号，是一种开环控制系统。主要包括四部分：通过雷达传感器数据采集部分、通过单片机进行数据处理部分，模糊控制器控制部分和信号显示部分。数据采集部分是通过毫米波雷达和传感40器获得车速和距离以及测角；数据处理部分是通过单片机来实现的，它是控制系统的核心，中国科技论文在线运用模糊控制原理，确定一定的隶属函数；执行部分是执行元件，它是通过调速机和调速电机来实现控制的；信号显示部分主要包括报警装置和LCD显示等[1][2]。图1汽车防撞控制系统框图45Fig.1AutomobileAnti-collisionControlSystemDiagram汽车与障碍物的距离在危险距离状态时才有发生碰撞的可能，因此先采集汽车与障碍物的距离和本车车速，并与当时车速下安全报警距离和危险距离进行比较，进行危险性程度判定，判断汽车与障碍物的距离是否安全，当达到设置的安全报警距离时能发出声音报警，提50醒驾驶员注意。汽车防撞控制系统遵循驾驶员优先的原则，汽车在行驶的过程中如果驾驶员采取了措施，则要抑制模糊控制系统；如果驾驶员没有采取措施，则要启动模糊控制器；控制汽车的运行，使其处在安全运行状态。为了实现实时控制，在产生输出的同时，对车速和相对距离进行反馈，重新进行判断，当汽车重新返回安全状态时，由驾驶员控制车辆[3]。汽车防撞原理图如图2所示。55图2汽车防撞原理框图Fig.2TheAutomotiveAnti-collisionPrincipleDiagram2模糊控制器设计60首先考虑驾驶员驾驶时的情况，为了对车辆进行控制，驾驶员首先要了解所驾驶车辆的性能以及估计与前车的相对距离和相对速度。如果相对距离很大，相对速度大，则驾驶员会以适当大的加速度行使。如果相对距离较近，相对速度速度大，则驾驶员会以适当的加速度减速行使。在实际中，驾驶员是通过踩刹车或油门，使车辆加速或减速，从而改变车辆的行使状态。显然，这些驾驶行为可以利用模糊逻辑来描述，与前导车的相对车距以及相对速度65可作为两个输入信号，加在油门上的加速度作为输出控制信号[4]。模糊控制器框图如图3所示。图3模糊控制器框图Fig.3FuzzyControllerDiagram70由我国高速公路规定知：汽车车速一般在60km/h~120km/h以内，因此，X1的范围为[-60km/h,60km/h]；当两车的相对距离大于350m时，追尾发生的概率已接近于0，所以，的范围为[0m,350m]；加速度是反映对车辆控制的量，范围定为[-7m/s2,7m/s2]。设在各论域上模糊子集均为正大(PB)，正中(PM)，正小(PS)，零(ZE)，负大(NB)，负中(NM)，75负小(NS)，利用这些模糊子集可以形成描述驾驶员实际经验的模糊规则如表1所示(其中X1和X2是已经模糊化的相对车距和相对车速，A是已经模糊化的后车加速度)，根据这些模糊规则可以构造模糊控制器。表1车辆控制器的模糊控制规则80Table1TheFuzzyControlRulesOfTheVehicleController首先把输入信号X1和X2归一化到[-6,6]，输出信号A归一化到[-3,3]，再转化为模糊子集，其相应隶属函数为})(exp{)(2iiAiacxx−−=μ，其中，{ai,ci}是参数集；然后计85算不同情况下的加速度来控制车辆的行驶，达到防撞的目的[5]。3雷达系统模块雷达系统实时监测车辆的前方，当有危险目标(如行驶前方停止或慢行的车辆)出现，实时把数据信息传达模糊控制系统，根据情况进行自动实时控制。毫米波雷达的工作频率高，有利于提高距离和速度的测量精度和分辨能力并能分析目标特征。因此设计中采用毫米波雷90达作为数据收发模块，进行测距、测速，达到实时监测前方障碍物的目的。当有危险目标(如行驶前方停止或慢行的车辆)出现，实时把数据信息传达模糊控制系统，根据情况进行自动实时控制。图4为雷达模块框图。图4雷达模块框图95Fig.4TheRadarModuleDiagram毫米波雷达测距公式为R=C×T×(fb++fb-)/4Δf×2………………………………………………………………..(1)式中：R为目标与系统所在车之间的相对距离，m；C为光速，m/s；T为三角波周期100s；Δf为发射频率的最大频偏，HZ；fb为发射和接收信号间的差拍频率，HZ；“+”与“-”分别代表正负调频，雷达测速公式为V=λ×(fb+-fb-)/4……………………………………………………………………….(2)式中：V为目标与系统所在车之间的相对速度，m/s；λ为高频发射波的波长，m；fb为发射和接收信号间的差拍频率，HZ；“+”与“-”分别代表正负调频[6]。105中国科技论文在线汽车间的距离小于行车安全距离时，报警模块就报警提示驾驶人员注意，若驾驶人员没有采取措施则汽车防撞控制系统主动工作以增大两车间的距离。所谓行车安全距离就是指在同一条车道上，同向行驶前后两车间的距离(后车车头与前车车尾间的距离)，保持既不发生追尾事故，又不降低道路通行能力的适当距离。4汽车制动执行机构110汽车防撞装置执行机构是在汽车行驶过程中自动改变汽车节气门开度的变化和汽车自动制动的机械控制装置。通过伺服电机驱动滚轴使绕在滚轴上的油门拉索长度伸缩以实现改变节气门开度，也可通过伺服电机驱动滚轴使绕在滚轴上的拉索长度伸缩来拉动制动踏板以实现汽车制动[7]。5总结115汽车防撞装置是汽车朝着智能导航系统发展的一部分，随着我国汽车工业的发展，装备汽车防撞装置的车辆将有较大的需求。论文讨论的汽车防撞模糊控制器具有良好的应用性能，在车体上合理装置该控制系统，利用雷达测量汽车与障碍物距离，实现汽车与障碍物之间距离的检测；通过LCD实时显示相对距离和车速，使汽车避免和障碍物发生碰撞。实验表明该汽车防撞控制装置有测距速度快、准确度高、易于实现等优点，具有很好的应用前景。120[参考文献](References)[1]张学军,张岳锋.基于模糊逻辑的汽车防撞控制器的设计[J].电脑开发与应用,2008,8:24-27.[2]张学军,张岳锋.基于毫米波雷达的汽车防撞模糊控制研究[J].兰州交通大学学报,2008,27(1):103-106.[3]罗玉涛.基于图像识别的汽车防撞模糊控制系统及其仿真[J].华南理工大学学报(自然科学125版),2003,10:41-45[4]张学军,郑丽英.汽车智能防撞自适应控制研究与仿真[J].计算机工程,2010,36(9):171-175.[5]许力.智能控制与智能系统[M].北京:机械工业出版社,2007.[6]李捷辉.车辆行使速度模糊控制系统的仿真研究[J].汽车工程,2005,27(6):702-705.[7]李以农,郑玲,谯艳娟.汽车纵向动力学系统的模糊—PID控制[J].中国机械工程,2006,17(1):99-103130