基于单片机的汽车智能雨刮器设计

长春大学 毕业设计（论文）基于单片机的汽车智能雨刮器设计摘 要雨刮器属汽车的附件，是汽车安全行驶重要部件，用于消除挡风玻璃、后窗玻璃及大灯玻璃上的雨雪和灰尘等，以保证玻璃透明清晰。本文分析了三种雨滴传感器的组成原理，基于光强变化的原理设计了一种新型的汽车红外线雨滴传感器。当下雨时，该雨刮器系统可以通过红外雨滴传感器感知雨量大小，分辨出是大雨还是小雨,使雨刮器自动工作在高速或低速状态，能够取代传统的机械结构的雨刮器。在汽车智能雨刮系统中由于两个雨刮电机的转速不可能完全一样，就存在两个雨刮摆动不同步的问题。本文在分析了模糊控制理论及雨刮同步摆动规则的基础上，提出了一种基于模糊控制的汽车智能雨刮系统。该系统将转速偏差和转速偏差变化量模糊化为模糊控制器的输入语言变量，根据所制定的一套模糊控制规则来选择控制PWM的输出语言变量，并以此通过脉宽调制技术来驱动直流电机，使两个雨刮同步摆动。本文基于单片机完成了对雨滴传感器及模糊控制的软、硬件设计，并对控制系统进行了MATLAB仿真，仿真实验结果表明该系统能有效的抑制超调现象，提高系统的响应速度和稳态性能。关键词：雨滴传感器；模糊控制；单片机；雨刮器The Design Of Intelligent Windscreen Wiper Of Automobile Based On Single Integrated CircuitAbstractThe 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 wiper51长春大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 研究背景11.2 研究的意义21.3 论文的内容2第二章 智能雨刮器的原理及种类42.1 雨滴传感器的分类42.1.1 压电振子原理雨滴传感器42.1.2 光量变化雨滴传感器42.2 红外雨滴传感器的原理5第三章 智能雨刮器的硬件组成及其芯片的介绍63.1 发射模块63.1.1 发射管63.1.2 由555定时器构成的多谐振荡器63.2 接收模块83.2.1 红外接收管83.2.2 带通滤波器9第四章 智能雨刮器的硬件设计124.1 智能雨刮器结构框图124.2 雨滴传感器硬件设计124.3 电机控制的硬件设计12第五章 智能雨刮器软件设计155.1 雨滴传感器流程图设计155.2 智能雨刮器双电机控制的流程图设计165.3 汽车智能雨刮器的主程序流程图设计18第六章 基于模糊控制的智能雨刮控制系统196.1 模糊控制简介196.2 模糊控制的数学基础196.2.1 模糊集合196.2.2 隶属度函数及确定206.3 模糊控制设计216.3.1 精确量模糊化226.3.2建立模糊控制器的控制规则236.3.3模糊判决236.3.4论域、量化因子与比例因子的选择236.3.4.1论域与基本论域236.3.4.2量化因子236.3.4.3比例因子246.3.4.4量化因子和比例因子的选择246.3.2 智能雨刮器的控制原理图256.3.3 直流电机的调速原理256.3.4 电机同步设计中选择模糊控制的原因266.3.5 模糊控制在电机同步控制中的应用276.4 模糊控制算法流程图316.5 控制系统的仿真与分析33总结36参考文献37附录A matlab仿真图38附录B 硬件原理图41附录C 程序42长春大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 引 言1.1 研究背景汽车工业是国民经济发展的重要支柱产业之一，现代汽车正从一种单纯的交通工具向着着满足人们需求、安全、节能和环保的方向发展。为了满足人们对汽车的要求，汽车研发与生产机构必然要将越来越多的智能电子产品引入到汽车上，智能控制系统也成为汽车革新的主要内容之一。雨刮器属汽车不可缺少的附件，也是汽车安全行驶的重要部件，用于消除挡风玻璃、后窗玻璃及大灯玻璃上的雨雪等，以保证玻璃时刻保持透明清晰。第一个发明电动刮水器的公司是德国博世，博世将它作为“博世最年幼的产品”加入到了博世的产品家族。从那以后，这个产品逐渐成长，从单纯的刮片发展到了二十一世纪初的风窗玻璃无支架刮水器。在汽车的驾驶历史上，对风窗玻璃的清洁问题解决开始的比较晚。汽车从平添驾驶发展到成为全天候的驾驶。技术变化最大的时候是在二战以后，随着大规模机械的出现。风窗挡风玻璃洗涤器、间歇开关、后窗刮水器与可加热喷水器保证了驾驶时视野清晰与驾车安全。随着其他一些技术的革新，如雨滴传感器、可变位的刮水臂，刮水器的出现，扩大了刮拭的范围，刮水器成为了汽车车身一个复杂的系统。目前传感器在汽车上的应用已经非常广泛，汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统非常关键的部件，同时也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。对于汽车雨刮器的研究上，智能雨滴传感器也就成了智能雨刮系统的重要组成部分。智能传感器是具有智能功能的高档传感器，它同时具有信息处理、检测、自动进行各种误差补偿、量程覆盖范围广、输出信号大、稳定性好、信噪比高、精度高、传输中抗干扰性能好等功能，甚至可远距离输送信号，有的可带有自检功能。1.2 研究的意义据统计全世界行车有8%的事故是因为司机手动操作雨刷引起的，所以现在的汽车中已经安装了越来越多的传感器用来增加主动性与被动安全性。应用雨滴感应式自动雨刷控制系统不仅可以使驾驶者免除手动操作雨刷的麻烦，而且有效地增加了雨天行车的安全性。如果汽车安装雨滴传感器，驾驶者就不需要调节雨刮器的设置来停止刮片的运动或者得到更好的视角。而且当在湿路上驾驶的时候，驾驶者与无需动手来打开雨刮器，因此驾驶者就可以集中精力开车了。1.3 论文的内容论文结合了智能雨刮系统的特点，进行了以下几个问题的研究：1论文总结了汽车雨刮器的发展历程以及汽车传感器的现状和发展趋势，提出了研制汽车雨滴传感器具有重要的意义。2到目前截止，雨滴传感器主要由利用电容传感器、利用压电振子传感器与利用光量变化传感器三种原理构成。我们依据雨滴传感器在汽车内部的需要，利用光量变化原理，研发出了一种新型红外线汽车的智能雨刮器系统。该雨滴传感器能够自动的分辨出是大雨还是小雨，因此使雨刷做高速或低速摆动。3本文系统的分析了模糊控制理论和模糊控制技术在汽车上的重要应用。汽车工业在其发展过程中日益显示的对于高新技术的可容性与电子化的趋势，使得模糊控制技术领域颇受各国汽车厂商和公司的重视，并因此掀起了一股模糊控制技术用于汽车的浪潮。所以，要研制智能化的汽车是离不开模糊控制技术的。4把模糊控制技术用于汽车智能雨刮系统中的两个雨刮片的同步。因为生产工艺的问题，两个雨刮电机的转速不可能绝对一样，所以存在两个雨刮片摆动不同步的问题。用模糊控制器来取代传统的PID控制器，就可以更好的控制雨刮片的同步。整个系统用80c51单片机来控制，给出了硬件和软件设计。5用MATLAB对模糊控制系统与PID控制系统进行了仿真，对比两个仿真结果。仿真结果表明了设计的合理性与方案的可行性。第二章 智能雨刮器的原理及种类现在开发的雨滴检测传感器，将雨滴传感器检出的雨量变成了电信号，根据电信号的大小，控制刮雨器的动作。在这个系统中雨滴传感器起了至关重要的作用。2.1 雨滴传感器的分类2.1.1 压电振子原理雨滴传感器0图2.2 静电电容传感器2.1.2 光量变化雨滴传感器把半导体发光元件与感光元件配成一对，发光元件发出的光信号，如果光在路途中遇到雨滴落下，因为光的散射，所以光强减弱。可利用光强的衰减信号来控制雨刮器动作。前两种雨滴传感器必须放在汽车的外部，但是本文所研制的雨滴传感器需要放在汽车内部，即就是驾驶室一侧的挡风玻璃上。本文采用第三种方法，利用光强的变化来实现的雨滴传感器。2.2 红外雨滴传感器的原理本设计选用的雨滴传感器是红外雨滴传感器，是光量变化原理雨滴传感器的一种。由光（红外线）发射元件发射出的红外光以全反射角度在挡风玻璃的外表面反射，其角度一定要在42（玻璃-水）和63（玻璃-空气）之间。要是挡风玻璃上有雨，雨量越大，反射回来的光就越多。从发射元件发出的红外光反射到接收装置的挡风玻璃区域内被称作传感器的“敏感区域”，当雨水滴到这个区域的时候，才能被探测出来。为使系统可靠，挡风玻璃和灵敏区域之间必须要有一个比较好的比例1。雨滴传感器原理图如图2.3所示：图2.3雨滴传感器原理图第三章 智能雨刮器的硬件组成及其芯片的介绍雨刮器的雨滴传感器部分主要由发射模块与接收模块两大模块构成。电机部分的芯片是四总线缓冲门74LS125。3.1 发射模块发射模块主要功能是为了接收模块提供足够的光辐射通量，设计中光源定为红外线，因此发射模块主要由八个红外发射器、一个555定时器与电阻电容元件构成。八个红外发射管采用4个为一组，两组并联的方式，由555定时器驱动。3.1.1 发射管发射管采用了西门子公司生产的SFH421作为光源，实物图如图2-10。峰值波长为880 nm，带宽80 nm。具有高可靠性、高线性度、高脉冲处理能力等特点。采用4个为一组，两组并联的方式，由555定时器驱动，发出频率是38kHz的红外光。工作在38kHz的频率下，采用这种方式能减少发射电路功耗。3.1.2 由555定时器构成的多谐振荡器 发射器的核心部件为振荡器,多谐振荡器是一种自激振荡电路，该电路在接通电源后不需要外接触发信号就可以产生一定频率与幅值的矩形脉冲或方波。可以由集成电路反相器、555定时器、与非门、无稳态电路等组成. 其中555定时器组成的振荡发射系统比较容易起振,本身的输出功率也非常大,常用来组成发射系统,芯片图如图3.1，原理图如图3.2C、C的比较电压分别是V和V。电容C被充电，v上升，当v上升到v时，触发器被复位，同时放电BJT T导通，这个时候v为低电平，电容C通过R和T放电，使v下降。直到v降到v时， v翻转为高电平。电容器C放电需要的时间： 式(3.1)C放电结束，T截止，v通过R、R向电容器C充电，v由v上升到v经历的T是： 式(3.2) v上升到v时，触发器发生翻转，这样周而复始，输出端就能得到一个方波，频率为2： 式(3.3) 图3.1 多谢振荡器电路图本设计用的发射模块是由555定时器构成的多谐振荡器，通过式(3.1)、(3.2)、(3.3)算出R、R与C的值，使555电路发出频率为38 kHz的脉冲波，因此驱动红外发射管工作在38 kHz的频率下。由于555内部的比较器灵敏度很高，并且采用差分电路的形式，它的振荡频率受电压与温度变化的影响不大。所以电源电压的变化,对发射频率的影响可忽略不计。不过对红外光发射强度的影响不能忽略,得采取提高稳定发射强度的措施,采取恒流源技术或窄脉冲发射的措施,能使红外辐射强度不变3。设计中采用的是恒流源技术。图3.2 555定时器原理图3.2 接收模块接收模块是由一个滤波器，接收管，分频器和51单片机组成。3.2.1 红外接收管红外接收管是由松下公司生产的，外形图如图3.2。将接收到的脉冲信号变成电脉冲信号后送入带通滤波器。峰值波长为880 nm，具有高可靠性、高线性度等特点。图3.2 SFH3203.2.2 带通滤波器带通滤波器的作用是只允许某一段频带内的信号通过，将此频带以外的信号隔断。这种滤波器经常用于抗信号，以便接收某一频带范围内干扰的设备里，从而消除高频段与低频的干涉。将高通滤波器与低通滤波器串联起来，就可以获得带通滤波电路。其原理示意图如图3.3。低通滤波器截止频率为f，该低通滤波器只允许ff的信号通过。将二者串联起来，且ff，其通频带就是上述二者频带的覆盖部分，等于f-f，成为一个带通滤波器。根据以上原理组成的带通滤波器的典型电路如图2.4。输入端的电容C和电阻R组成低通电路，另一个电阻R和电容C组成高通电路，二者串联起来接在集成运放的同相输入端中。图3.3 带通滤波器原理示意图图3.4 带通滤波器的典型电路为了估算方便，设R=2R，R=R，此时可以求得带通滤波器的电压放大倍数为： 式(3.4) 式(3.5) 式(3.6) 式(3.7) 式(3.8)设计中选取带宽为100Hz，中心频率为38kHz，因此Q为380，选取C，再求R 。C的容量不容易超过。因为大容量的电容器价格高，体积大，尽量避免使用。由式取C=0.1，,由式(3.5)可得：计算出R=41.9.在根据值求出与：由于f=时，=380，因此。根据与A、的关系，集成运放两输入端外接电阻的对称条件，可得： 1+ 解得：R=188.7,R=376.8第四章 智能雨刮器的硬件设计4.1 智能雨刮器结构框图智能雨刮器系统由单片机、直流电动机、雨刷及雨滴传感器等组成。智能雨刮器的系统结构框图如图4.1。图4.1智能雨刮器的系统结构框图4.2 雨滴传感器硬件设计雨滴传感器部分，由555定时器构成的多谐振荡器对红外发射管进行驱动，再由接收管接收，这样就构成了一个光电传感器。把光电传感器的信号经带通滤波器把信号频率控制在38KHz左右，再由分频器进行128分频，使脉冲信号变为毫秒数量级。这样构成的硬件图如图4.2：4.3 电机控制的硬件设计80c51单片机的P0口的P0.0、P0.1与P0.3、P0.4分别经反向驱动器74LS04和四总线缓冲门74LS125控制4个大功率场效应开关管IRF640和4个光电隔离器。下面说明此电路对电机A的控制过程:当单片机经P0接口输出12H控制模型时因为锁存器74LS125中的三态门1是打开的，因此光电隔离器LEI导通并发光，光敏三极管输出为高电平，所以使大功率场效应开关管IRF640导通。同理，74LS125中的三态门4输出为高电平，所以光电隔离器LEI发光并导通，所以使v4导通。同理可分析，此时v2与v3是关断的。所以电流从左到右流过直流电机，使电机正转。当P0接口输出09H时，锁存器74LS125中的2，3号三态门打开，使得v2与v3接通，v1与v4关断，电流从右向左流过电机，使电机反转。SA0为电机左到位开关，当SA0置一时，输出正向代码；SA1为电机右到位开关，当SA1置一时，输出反向代码7。电机复位端为两电机各自的左到位开关。电机部分硬件图如图4.3：图4.2雨滴传感器部分硬件图图4.3雨刮器电机控制部分硬件图第五章 智能雨刮器软件设计5.1 雨滴传感器流程图设计由于脉冲的中心频率为38KHZ，进行128分频后约为300HZ，周期为3ms，因此选定定时时间为60ms，这个时间段内最多可以接收20个脉冲，在按脉冲的多少进行大小雨的分配，因此形成的雨滴传感器的流程图如图5.1，60ms定时器的流程图如图5.2：图5.1雨滴传感器部分流程图图5.2 60ms定时器流程图5.2 智能雨刮器双电机控制的流程图设计对直流电动机来讲，励磁是随着电枢电压的增减而增减的。因此，一旦改变或调节直流电动机的电压，就可控制转速。通过改变单片机输出脉宽信号，管理直流电机的电压，因此改变雨刮电动机的转速。汽车雨刮器电机的软件流程图如图5.3：5.3 汽车智能雨刮器的主程序流程图设计汽车智能雨刮系统中，有很多非线性因素会对雨刮同步造成影响。因此，我们就要用人的经验知识来调整PWM信号的占空比，使两个雨刮同步摆动。所以，把模糊控制技术运用到雨刮同步控制中，可以使系统有较好的控制效果。汽车智能雨刮器的主程序流程图如图5.4： 图5.4 智能雨刮器主程序流程图第六章 基于模糊控制的智能雨刮控制系统6.1 模糊控制简介 最近几十年来，控制理论的发展历经了现代控制理论、古典控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制包括神经网络控制、模糊控制、仿人智能控制和专家控制等。模糊控制理论是由美国加利福尼亚大学著名教授L.A.Zade在1965年首先提出的。以模糊数学为基础，用语言规则表示与先进的计算机技术，由模糊推但是模糊集合的边界是模糊的，允许某些元素部分属于该集合，只要规定该元素属于这个集合的程度就行。对于普通集合中特征函数的值域从0,1集合扩展为0,1闭区间，并定义特征函数为该闭区间的连续函数，模糊推理集成块开始研发。1986年在日本，基于模糊控制技术所开发的产品和系统也开始出现，而且在实际应用中取得明显的效益。从那以后，模糊控制在许多国家比如美国、东南亚、西欧、中国引起了广泛的重视，同时受到国际控制理论学术界的密切关注。1984年，国际模糊系统学会成立。1985年，召开了第一届学术交流会，各国相继建立了模糊控制公司开始了模糊产品的研发。截止到目前，从广义上可将它定义为：“模糊控制指的是以模糊语言变量、模糊集合理论及模糊推理为基础的一类计算机数字控制方法”，或者定义为“基于模糊逻辑、模糊集合理论，并与传统的控制理论相结合，模拟人的思维，对难以建立数学模型的对象实施的一种控制方法”。它的基本思想是在被控对象的模糊模型的基础上，用机器去模拟人对系统控制的一种方法。6.2 模糊控制的数学基础6.2.1 模糊集合模糊集合是一种特别的定义的集合、它与普通集合有联系。任何一个元素要么属于该集合，要么不属于该集合，界限分明，决不模棱两可。它可以用来描述模糊现象，但是模糊集合的边界是模糊的，允许某些收到了空间属于该集合，只要规定该元素属于这个集合的程度就行。对于普通集合中特征函数的值域从0,6集合扩展为0,6闭区间，并定义特征函数为该闭区间的函数对论域进行划分，就可以得到这个集合。给定论域U中的模糊集A，就是指对任意u U，都可以为其指定一个数(u)u0,1并与之对应，这个数叫u对A的隶属一个映射：:u0,1，u这个映射称之为A的以这个隶属函数为特征的集合。由此看来，模糊集是普通集的一般化，普通集是合用隶属函数表示。隶属函数描述了事物的模糊隶属函数的值域为0,1时候，A就蜕化为普通集，(u)则变为普通集的特征函数。6.2.2 隶属度函数及确定普通集合用特征函数表示，模糊集合用隶属函数表示。隶属函数说明了事物的几点重要说明：(1)隶属函数值域为0,1，它将普通集合特征函数只能取0，1两个值，拓展到0,1闭区间上连续取值。的值越接近1，表示元素x属于模糊集合A的程度越大。相反，的值越接近0，则表示元素x隶属于模糊集合A的程度越小。(2)隶属函数刻化了模糊集合，不同的隶属函数所描述的模糊集合也不同。借助隶属函数才能对模糊集合描述，如何正确建立隶属函数，是一项非常关键的工作。在工作中，隶属函数选择好坏的标准看是否符合客观实际。即使我们所面对的对象不一样，在选择隶属函数时有很大的主观性，不过，仍有一些原则可遵循。常见的隶属函数形式在实际应用中，根据满足问题要及计算简便的原则，常用的隶属函数有下列几种：(1)正态型，b0 式(6.1) (2)三角形 式(6.2) (3)升半梯形 式(6.3) 选用的是三角形隶属函数。6.3 模糊控制设计模糊控制是模糊控制系统核心，他采用基于模糊同，模糊控制器的规则也是有所不同，模糊控制算法各异。事实上，模糊控制器的作用和其他控制器的作用一样，在经典控制理论中，有串、PID控制器、并联校正器。在现代控制理论中，有自适应控制器、有限状态观测器、鲁棒控制器等。 模糊控制器的组成如图6.1，主要包括输入量的模糊推理 模糊化和逆模糊化三部分。模糊控制器的实现可由模糊控制通用芯片实现或由计算机的程序来实现，用计算机实现的具体过程如下：1求系统反馈值与给定值的误差e。微机通过获得精确值，将其与误差变化率定值比较，得到系统误差。2计算误差变化率。对误差由模糊控制通用芯片实现或由计样周期内求误差的变化e。3输入量由前边得到的误差与误差变化率都是精确值，所以，必须将其模糊化。与此同时，把语言变量值化为某适当论域上模糊子集。4模糊控制器的核心，是现场操作人员或经验专家的知识的一种体现，就是控制中所需要的策略。控制规则的条数有很多条，需要求出总的控制规则R，作为模糊推理依据。5输入量模糊化后的语言变量作为模糊推理部分的输入，再由E、EC和总的控制规则R，由于推理合成规则进行模糊推理得到模糊控制量U为：U=(E*EC)*R6为了对被控对象进行精确的控制，须将模糊控制量转化为精确量u，暨逆模糊化。7计算机执行完16步骤后，就算完成了对被控对象的一步控制，等到下一次A/D采样，进行第二步控制，这样循环，就完成对被控对象的控制了。图6.1 模糊控制器的组成6.3.1 精确量模糊化将精确量转化为模糊量的过程称为模糊化。在计算机中算出的控制量都是精确量，必须经过模糊量化处理，然后变为模糊量，实现模糊控制算法。如果把-6，+6区间的离散化了的精确量分成七个档次，每个档次对应一个模糊集，模糊化过程就变得简单。如果每一精确量都对应一个模糊集，就有无数多个模糊子集，模糊化过程就相当复杂了。6.3.2建立模糊控制器的控制规则模糊控制器就是利用语言来归纳手动控制过程中所使用策略一般都可以用“IFTHEN”形式的条件语句表示二维模糊控制器：“若e is A and ec is B，则u is C”。A表示误差e的对应误差语言变量E的语言值，如PB、PM、0、NS、NB中的一个值。B、C分别表示误差e、控制量u的对应语言变量的语言值，如PM、PS、0、NM中的一个值。6.3.3模糊判决输出信息的模糊判决模糊控制器的输出是一个量，一般来说，非模糊化方法有三种情况：1取中位数法。2对应的模糊决策的模糊集为c，那么决策u应满足：U。这个判别方法非常简单，实时性好，不过它概括的信息量少，由于它完全不考虑其余一切从属程度较小的点的情况。3加权平均法。6.3.4论域、量化因子与比例因子的选择6.3.4.1论域与基本论域理论上增加一些论域与数据不是不可以，只是数目不能少，为了不受计算机控制字长，就的增加一些计算的量，增加论域等级，也能提高控制精确度，因此误差及误差变化的基本论域只能做初步选择，等系统调整时再进一步确定。6.3.4.2量化因子中间输入变量并乘以相应的量化因子。 设误差变量所取的模糊子集的论域为：-n，-n+1，0,，n，误差变化量所取的模糊子集论域为:-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) 模糊控制器实际工作过程中，一般误差与误差变化的基本论域选择范围比模糊论域选择范围小，因此量化因子一般都大于1。6.3.4.3比例因子采样给出的控制量还不能直接去控制对象，设控制量所取的模糊子集论域为：-h,-h+1, ,0,h-1,h,即: Ku=y/h 式(6.6)连续的实际域，控制量的模糊集论域可以用下式计算，即：y=Ku*h 式(6.7)式中h为控制量模糊集个精确量，Ku为比例因子。6.3.4.4量化因子和比例因子的选择设计一个模糊控制器不仅要有一个好的模糊控制规则，还要有合理的选择模糊控制器输入变量的量化因子。结果表明，量化因子也是非常重要的。结果表明，量化因子与比例因子的大小和不同量化控制性能影响非常大。合理的确定量选择量化因子与比例因子要充分考虑与D/A转换精度相协调，使接口板的转换精度变换范围被利用。Ke及Kec的大小量误差，显然论域内的量为精确量。但在理论上，增加论域中的元素个数。把等级细分，能提高控制精度，不过这受到计算机字长的限制，同时也要增大计算量。对于基本论域的选择，因为事先对被控对象缺乏先验知识，因此误差及误差变化，不过系统的响应速度变慢。Ku作为控制器的总的增量，大小影响着控制器的输出量，但是Ku选择过大会导致系统振荡加剧。通过调整Ku可以对被控对象输入的大小。量化因子选择不是唯一的，可能有不同的值，有时采用一组固定的量化因子与比例因子难以收到预期的控制效果，可以在控制过程中采用改变量化因子与比例因子的方法，以此调整整个控制过程中不同阶段上的控制特性，对复杂过程控制收到良好的控制效果智能雨刮器电机的模糊控制6.3.2 智能雨刮器的控制原理图 智能雨刮器的控制原理图如图6.5所示：图6.5智能雨刮器控制原理图6.3.3 直流电机的调速原理直流电动机转速的控制方法可分为电枢电压控制法与励磁控制法两类。随着电力电子技术的发展，发展了许多新的电枢电压控制方法。例如：用交流电源供电,具有以下优点：电流波形系数好，线路简单；需用的大功率可控器件少，调速范围宽；附加损耗小；功率因数高。小功率直流电机调速原理：对于小功率电机调速系统，使用单片机控制是最方便的。方法是通过改变电机电枢电压接通时间和通电周期的比值来控制电机速度。PWM驱动控制的调整系统中，按固定的频率来接通和断开电源， PWM改变占空比的方法有三种：（1）调宽调频法，保持t不变，而改变 t，这样也使周期T改变；（2）定宽调频法，保持t不变，只改变t，这样周期T也随之改变。脉冲宽度调速的系统原理图如图6.6所示：设电机永远接通电源时，最大转速为V，设占空比D=t/T，则电机的平均速度V，V=V*D，平均速度V和占空比D的函数曲线如图6.7。从图中可看出，V与占空比D不是完全的线性关系（实线），系统允许时，就可以将其近似的看成线性关系（虚线），本系统采用近似法。 图6.6 脉冲宽度调速系统原理图图6.7平均速度与占空比关系6.3.4 电机同步设计中选择模糊控制的原因古典控制理论中，应用最成功的是比例积分微分的控制。它是一种在工业生产中应用最广泛的常规控制方式，同时他也是发展应用前景最好的一种，但是必须提供准确的数学模型才行。即使数值计算与计算机技术发展的好了也要从中求索，从而求解这些参数时又往往缺少足够的信息特征与信息量，所以限制了现代控制理论的有效应用。 一个控制系统控制质量的优劣，主要在于它能不能对被控对象提供精确的控制。当研究的控制系统涉及多变量、非线性、时变性等这样的大系统时，例如煤炭生产过程、石油化工，工业铁炉等方面。实践经验的操作人员，手动操作效果却意想不到的好。操作人员正好是利用了人脑的特点，通过对外界事物进判决与行识别，达到精确控制的目的。模糊控制和传统的控制方式相比，具有以下优点：1控制效果好，且所需设备简单，经济效益显著。2从不同观点出发，可以设计不同的指标函数，但是对一个给定系统来说，其语言控制规则是独立的，而且通过整个控制系统的协调可以取得总体的协调控制。传统的雨刮器基本上是机械连杆结构的，下雨时，驾驶员需要手动操作雨刮器来扫除挡风玻璃上的雨水，因此增加了雨天行车的危险性。即有雨滴落在挡风玻璃上，按脉冲个数对转速进行分配，两个雨刮就开始左右摆动，当大雨时，雨刮器工作在高速挡。当小雨时，雨刮器工作在低速挡。因为生产工艺的问题，两个雨刮电机的转速不可能完全一样，就会发生两个雨刮摆动不同步的现象。用电机的复位信号来检测雨刮器摆动的快慢，雨刮先到复位位置，说明它快，经过单片机的PWM口，对快的进行斩波。雨刮器每运行一个周期检测一次，先到复位位置就对那个斩波，直到两个雨刮无论在什么档位状态，都能达到同步摆动代替传统的PID调节器，能明显改善系统的动态性能和稳态，控制效果好。6.3.5 模糊控制在电机同步控制中的应用本设计中的雨刮器是采用具有高速与低速两个档位的雨刮电机来同时控制两个雨刮器，雨刮器不工作时，两个雨刮器都停在挡风玻璃的左侧位置，就是雨刮电机复位位置。我们用单片机来控制整个系统，当80C51的INT1口检测到红外雨滴传感器的信号时，本设计设计的基于模糊控制的汽车智能雨刮系统是采用成熟的模糊控制技术,汽车的许多装置也越来越多的使用了模糊控制技术,例如变速控制、刹车装置等。1 确定输入变量和输出变量本设计中选择两电极复位端的偏差变化及时间偏差E为输入变量，PWM脉宽调制信号占空比增量U为输出。模糊变量E、Ec及U的隶属度函数赋值表如表6.1，表6.2，表6.3所示12：表6.1 模糊变量E的隶属度函数赋值表 表6.2 模糊变量Ec的隶属度函数赋值表表6.3 模糊变量U的隶属度函数赋值表3.模糊控制规则的确定确定了模糊控制器的论域及隶属度函数、输入变量与输出变量的模糊集之后,则需建立模糊控制规则。根据人的思维推理,由系统输出的误差率来消除系统误差的模糊规则可以用35条ifthen条件语句来描述。如,从系统的响应看,如果误差E为PB,需要给出正的控制量U。如果此时EC为值时,说明误差较大且还有加大的趋势,应该设置控制量U为PB;相反的如果EC为NS,说明误差有减小的趋势,所以无需加太大的控制量U,可以设置为PM;若EC为NM、NB,则说明误差有较快的减小趋势,则应该加更小的控制量U,甚至可以不加,如设置U为0。这样,针对E、EC的组合可以总结出类似的规则,如表6.4所示。正常情况下，模糊控制器完成，模糊推理和语言规则就确定了。随着在设计模糊控制规则时要结合操作者的实际经验，对控制规则进行调整，直到控制结果满意为止。表6.4模糊控制规则表 4.量化因子和比例因子的选择本设计中，经过Matlab仿真的调试，选定K e=7.5，K ec=0.4，K u=3.5根据式6.4，6.5，6.6，6.7，可得模糊控制器的误差范围是-700,700ms,误差变化的范围是-1600，1600ms，Pwm占空比的增量是-24.4%,24.4%。而本设计中电机选用3000r/min的小型直流电机，其转动的最慢速度的占空比在程序中几经给出为30%，相当于一转需要60ms。雨刮器从一端摆到另一端需要半个周期，为35ms，所以误差范围最大为-20，20ms，误差变化的最大范围是-65，65ms，Pwm增量范围是-10.6%,10.6%,因此说明此量化因子和比例因子选择恰当，可以完全反应本设计的控制规律。5.模糊控制器的设计MATLAB，取自矩阵和实验室两个英文单词的前三个字母即“矩阵实验室”。它是一种以矩阵作为基本数据单元的程序设计语言，提供了算法实现、数据分析与应用开发的交互式开发环境，经历了30多年的发展历程。本设计采用MATLAB模糊逻辑工具箱设计模糊控制器。在MATLAB中键入命令，进入模糊逻辑编辑窗口，在输入e、ec，和输出u图标双击，可以对输入和输出的隶属函数进行特殊编辑，例如：隶属函数条数、论域范围、隶属函数形状等。如附录中图A.1所示，本设计中取两个雨刷到达复位位置的时间偏差e的论域为-7,+7，有6个语言变量，三角形隶属度函数。如附录中图A.2所示，两个雨刷到达复位位置的时间偏差变化率ec的论域为-7,+7，有5个语言变量，三角形隶属度函数 。如附录中图A.3所示，输出PWM脉宽调制信号占空比的增量u的论域为-6,+6，有6个语言变量，三角形隶属度函数。然后在Rules Editor窗口中输入控制雨刮同步的36条模糊控制规则，如附录中图A.4所示。这样模糊控制器就好了，可以通过附录中图A.5,图A.6观察结果。6.4 模糊控制算法流程图 模糊控制器的控制算可以看出，这种控制算法程序方便，计算机容易实现。同时对噪声也具有较强的控制能力。但是由于控制器本身没有积分，消除系统稳态误差的性能差，尤其在变量分级不够多的时候，还可能会在平衡点附件产生震荡。但是与PID控制比起来模糊控制器具有超调量小，调节速度快等特点。为了准确建立系统模型与进行仿真分析，模糊控制算法流程图如图6.8：图6.8模糊控制算法流程图6.5 控制系统的仿真与分析近年来PWM技术的发展为电机的数字化控制提供了方便，对噪声也具有较强的控制能力。但是由于控制器本身没有积分，消除系统稳态误差的性能差，尤其在变量分级不够多的时候，还可能会在平衡点附件产生震荡。但是与PID控制比起来模糊控制器具有超调量小，调节速度快等特点。通常的工业过程可以等效成二阶系统，为了一般性，我们取作为智能雨刮器系统的模型。在Matlab中键入命令Siulink，建立模糊控制系统Siulink模型如图6.9。 基于实验中反复调试和量化因子及比例因子的选取规则，取Ke=7.6，Kec=0.5，Ku=3.4，仿真结果如图6.10。 图6.9 模糊控制系统模型模型如图6.11，取Kp=2.4，Ki=2，Kd=0.3。仿真结果如图6.12：图6.10 模糊控制系统仿真结果由于控制器本身没有积分，消除系统稳态误差的性能差，尤其在变量分级不够多的时候，还可能会在平衡点附件产生震荡。用模糊控制器取代PID控制器能提高控制精度，具有很好的动态性能。 图6.11 PID控制系统模型 图6.12 PID控制系统仿真结果总结本设计将雨滴传感器安装在挡风玻璃上驾驶室一侧，通过改变雨滴量的大小，能使雨刮器自动工作在高速档或低速档。实验表明，该智能雨刮系统性能稳定，反应灵敏，输出信号延时可忽略，实现了雨量实时监测。设计在对智能雨刮系统进行了大量的研究，但是发现国内的厂商没有在这方面太优秀的，基本上是国外领先，所以，价格非常昂贵，普及困难。本文所研究的红外雨滴传感器和智能雨刮系统，因为性能稳定，可靠性高，成本低廉，易于在低档轿车上和大客车普及应用，有广泛的市场前景。对于红外雨滴传感器和模糊控制器的设计，有一些特殊情况没在本设计研究范围之内，仍有待进一步研究。参考文献1 许兆林,赵育良,张玉叶. 基于光学自准直的航空相机自动调焦系统J. 光学仪器.2011,33(2):53-56. 2 原育凯. 光学系统的自动调焦方法J. 红外,2004(06):15-21.3 瞿蓬,林喜荣. 一种基于图像处理的自动调焦系统J. 电子技术应用.2002, 10:33-35.4 程永强,黄英男,谢克明. 一种摄像头自动聚焦方法及硬件实现J. 电子技术应用,2009, (1): 28-33.5 朱瑶. 光学系统的星点检验方法J. 红外,2004,1:31-37.6 杨丽凤. 面阵CCD高精度测量应用技术D. 太原:太原理工大学硕士论文,2002:1-81.7 I.M.Vellekoop,A.P.Mosk. Focusing coherent light through opaque strongly scattering mediaJ. Optics Lett. 2007,32 (16):2309-2311.8 Subbarao M and Nikzad A. Focusing TechniquesJ. Optical Engineering,1993,32(11):2824-2836.9 S.F.Rezeka. Fuzzy Gain Scheduling Control of a Stepper Motor Driving a Flexible RotorJ. European Journal of Scientific Research,2010,39(1):50-63.10 Mohammad Syuhaimi Ab-Rahman,Aswir Premadi and Kasmiran Jumari.Remote Monitor and Control based Access Control System using PIC MicrocontrollerJ. International Journal of Computer Science and Network Security,2008,8(11):423-428.附录A matlab仿真图 图A1 电机复位时间偏差的隶属函数图A2 电机复位时间偏差变化的隶属函数 图A.3 Pwm占空比增量的隶属函数图A.4 模糊控制规则图A.5模糊控制规则视图图A.6模糊控制表面图附录B 硬件原理图附录C 程序第一片单片机的雨滴传感器程序：#include #define_MHZ_12 /设置单片机使用的晶振频率unsigned int count=0,precount,Maichong;void t1 (void); /t1定时子函数void int1(void) interrupt1; /中断服务子函数void Yudi(void); /判断雨量多少子函数sbit Q7=p33;sbit int1=p33;main() t1(); /调用定时子程序while(precount!=0)Yudi();P0=Maichong; /调用雨量多少子程序t1();void t1 (void);TMOD=0x10; /定时器1工作在方式1，即为16位计数器TH1=0X01; /设置60ms定时时间的初值TL1=0XA0;TR1=1； /启动T1IT1=1； /设置INTR1中断方式为边沿触发方式，负跳变时产生中断EA=1;ET1=1; /允许定时器1中断EX1=1; /允许外部中断1中断EA=1； /CPU开放中断count=0;void int1(void) interrupt1; /外部中断1处理函数TR1=0;TH1=0X15;TL1=0XA0;while (int1=0);count +;precount=count;TR1=1;void Yudi(void); /雨滴传感器子程序 if(precount=3&precount=12&precount20) Maichong=0FH;else Maichong=00HMaichong=P0;第二片用于电机控制的单片机程序：#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); /声明延时函数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);mainP1=P0; dianji();shijiancha();tongbu();dengxin();if(timer1!=timer2) dianji();void delay(unit m) /延时1ms子程序 uchar i;while(m-)for(i=125;i0;i-)void dianji(void) /电机双向子程序 while (Maichong=4) if(SA1=1