CN102053561B - 基于模糊控制的智能雨刷控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模糊控制的智能雨刷控制器，包括雨量传感器，F330控制器，将F330控制器设计为模糊控制器，雨量传感器将检测挡风玻璃上有无雨滴及雨量的大小的信号通过A/D转换后输入模糊控制器，模糊控制器根据该信号判断当前雨量大小,并结合来自LIN总线用户设定信息,输出脉宽调制信号（PWM）来控制雨刷器电机的摆动速度,驱动雨刷器机构扫除挡风玻璃上的雨水。基于模糊控制技术的智能雨刷控制器其核心是设计模糊控制器，用模糊控制器代替传统的PID控制器，可以很好的对雨量传感器的非线性信号进行处理，克服负载参数大范围变化和非线性因素对系统造成的影响。

Description

基于模糊控制的智能雨刷控制器

技术领域

本发明涉及一种汽车雨刷系统，尤其是一种智能雨刷控制器。

背景技术

雨刷系统是汽车的重要系统之一，传统的手动机械雨刷系统在使用过程中，会分散驾驶员的注意力。在雨雪天气，成为发生交通事故的重要隐患。

在智能雨刷系统中，控制器通过雨量传感器检测雨量大小，进而控制雨刷的摆动速度。智能雨刷使用过程中，无需驾驶者干预，可自动保持挡风玻璃清晰，增加了行车安全性。系统采用模糊控制，传统的PID控制虽然性能可靠，结构简单，但是无法克服负载参数大范围变化和非线性因素对系统造成的影响。随着模糊控制理论的完善和模糊控制技术的成熟，模糊控制器也得到了实际应用，它无需建立精确地数学模型，而是由人的经验知识和思维进行推理。因此模糊控制技术对于难以获得数学模型和模型粗糙的系统有独特的控制优势。

基于模糊控制技术的智能雨刷系统其核心是设计模糊控制器的设计，用模糊控制器代替传统的PID控制器，可以较好的对雨量传感器的非线性信号进行处理。

发明内容

本发明是要提供一种基于模糊控制的智能雨刷控制器，用模糊控制器代替传统的PID控制器，对雨量传感器的非线性信号进行处理，克服负载参数大范围变化和非线性因素对系统造成的影响。

   为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于模糊控制的智能雨刷控制器，包括雨量传感器，F330控制器，其特点是：F330控制器设计为模糊控制器，雨量传感器将检测挡风玻璃上有无雨滴及雨量的大小的信号通过A/D转换后输入模糊控制器，模糊控制器根据该信号判断当前雨量大小,并结合来自LIN 总线用户设定信息,输出脉宽调制信号（PWM）来控制雨刷器电机的摆动速度,驱动雨刷器机构扫除挡风玻璃上的雨水。

雨量传感器由玻璃棱镜、红外线光源发射器和红外线光源接收器组成，玻璃棱镜包括发射端和接收端在不同光轴上的第一至第四透镜镜面和第一，二反射壁,第一至第四探测面,挡风玻璃,内表面,外壳,电路板；发射端由发光二极管构成,接收端由光敏二极管构成.两者被集成在电路基板上，发射端的发光二极管发出的入射光通过发射端第一透镜镜面和第二透镜镜面被转换为平行光，经第一透镜镜面转换的平行入射光以45°入射角被第一反射壁反射，透过透明连接物质以45°角被挡风玻璃11上的第一探测面反射到接收端第三透镜镜面，第三透镜镜面将光束聚至接收端的焦光敏元件；经第二透镜镜面转换的平行光束，透过透明连接物，以45°角入射至挡风玻璃11的第二探测面，经第二探测面反射后，平行光束以45°的入射角经第二反射壁反射到达接收端的第四透镜镜面， 第四透镜镜面同样将平行光束聚焦至接收端的焦光敏元件；在挡风玻璃的表面形成四个对雨滴检测的探测面。

一种基于模糊控制的智能雨刷控制器的设计方法，其步骤是：

1．计算挡风玻璃由清晰到模糊的电压变化量：　　　　　　　　　　　　　

其中，X为传感器采集从小雨，中雨，大雨时的模拟电压，

为传感器模拟电压差分量

2．计算出电压差分量的平均值：

设定清晰无雨水时挡风玻璃的值为X1，得到一个电压变化量：

3．令

和E作为模糊控制的两个输入，设定控制规则，得到模糊控制算法控制器。

设定控制规则方法是：首先设定

和E的隶属度函数，其次，根据

和E隶属度函数和模糊控制器有两个输入，一个输出，三个量的基本模糊集均为3，模糊逻辑推理，设定九条控制规则：

（1） 如果电压差分量是小并且电压变化量是小，那么模糊控制为慢档输出；

（2）如果电压差分量是中并且电压变化量是小， 那么模糊控制为慢档输出；  

（3）如果电压差分量是大并且电压变化量是中，那么模糊控制为中档输出 ；  

（4）如果电压差分量是小并且电压变化量是中，那么模糊控制为中档输出 ；  

（5）如果电压差分量是中并且电压变化量是中，那么模糊控制为中档输出 ；  

（6）如果电压差分量是大并且电压变化量是中，那么模糊控制为快档输出 ； 

（7）如果电压差分量是小并且电压变化量是大，那么模糊控制为中档输出 ；

（8）如果电压差分量是中并且电压变化量是大，那么模糊控制为快档输出；

（9）如果电压差分量是大并且电压变化量是大，那么模糊控制为快档输出 。

最后，模糊控制器的输出分为三个值分别对应小、中、大三个档位，依次对应雨刷电机的慢、中、快三个档。

本发明的有益效果是：基于模糊控制技术的智能雨刷控制器其核心是设计模糊控制器，用模糊控制器代替传统的PID控制器，可以很好的对雨量传感器的非线性信号进行处理，克服负载参数大范围变化和非线性因素对系统造成的影响。

附图说明

图1是本发明的控制原理图；

图2是雨量传感器原理剖视图；

图3是图2的俯视图；

图4是本发明的模糊控制器的输入、输出原理图；

图5是模糊控制器的隶属度函数图；

图6是本发明的试验结果图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的基于模糊控制的智能雨刷控制器主要由雨量传感器、F330控制器、雨刷电机、雨刷机构、挡风玻璃、LIN 总线接口等部件构成。其中,雨量传感器用来检测挡风玻璃上有无雨滴及雨量的大小,对雨量传感器的输出信号进行A/D转换,控制器根据该信号判断当前雨量大小,结合来自LIN 总线的用户设定信息,输出PWM（脉宽调制）信号控制雨刷器电机的摆动速度,驱动雨刷器机构扫除挡风玻璃上的雨水。

基于模糊控制的智能雨刷控制器需要实时检测雨量大小，与汽车中控单元通信，并且实现模糊控制算法，该系统采用改进的F330单片机作为信号处理的硬件核心。F330单片机采用Cygnal专利的CIP-51控制内核，与8051单片机完全兼容。CIP-51控制内核采用流水线结构，与8051单片机相比指令执行速度有很大提高。指令执行周期相比于8051单片机，F33单片的指令执行周期更短。标准的8051单片机除了MUL和DIV指令外都需要12或24系统时钟周期，最大时钟频率为12-24MHz；而对于CIP-51内核70%的指令只需要1或2个系统时钟周期，4条指令需要4个系统时钟周期，最大工作频率为25MHz。片上具有PWM信号发生器、模拟数字转换单元、支持LIN总线的串行通讯口等外设,从硬件资源上可较好满足系统要求。

如图2，3所示，雨量传感器1要求它在尽量减小自身体积的同时增大探测面积。该雨量传感器1正式基于这一点进行设计的。雨量传感器1安装在车内挡风玻璃上的后视镜后面,由玻璃棱镜、红外线光源发射器和红外线光源接收器等部件组成。 

玻璃棱镜包括发射端7和接收端9在不同光轴上的第一至第四透镜镜面19,21,23,25和第一，二反射壁27,29,第一至第四探测面33,35,37,39,挡风玻璃11,内表面13,外壳3,电路板31。发射端7由发光二极管构成,接收端9由光敏二极管构成.两者被集成在电路基板上，发射端7的发光二极管发出的入射光通过发射端第一透镜镜面19和第二透镜镜面21被转换为平行光，经第一透镜镜面19转换的平行入射光以45°入射角被第一反射壁27反射，透过透明连接物质15以45°角被挡风玻璃11上的第一探测面33反射到接收端第三透镜镜面23，第三透镜镜面23将光束聚至接收端9的焦光敏元件；经第二透镜镜面21转换的平行光束，透过透明连接物15，以45°角入射至挡风玻璃11的第二探测面35，经第二探测面35反射后，平行光束以45°的入射角经第二反射壁29反射到达接收端9的第四透镜镜面25，第四透镜镜面25同样将平行光束聚焦至接收端9的焦光敏元件。通过一系列光的入射和反射，在挡风玻璃的表面形成四个对雨滴检测的探测面。

如图2所示，如果探测面上有雨滴，光束在探测面反射时，会损失部分能量，最终照射在光敏元件上的光能会减少。通过检测光敏元件输出的模拟电压，经过F330单片机上10位精度模数转换单元，得到对应的数字信号，由模糊控制器对其进行处理，并产生控制信号。

雨刷摆动的实现通过雨刷电机带动雨刷机构来完成。利用F330控制器片上PWM 信号发生器, 将适当PWM 脉冲施加到电机驱动器上,从而实现对步进电机速度、位置的控制。

模糊控制器的设计：

一．模糊控制算法设计：

表1.传感器模拟电压X：

X	X1	X2	X3	X4	X5	X6	X7	X8	X9	X10
											小雨	2.6123	2.5976	2.5830	2.5732	2.5488	2.5244	2.5001	2.4609	2.4462	2.4365
中雨	2.5195	2.4562	2.3781	2.3146	2.2819	2.2184	2.1526	2.1184	2.1061	2.0361
											大雨	2.5	2.4023	2.3046	2.2460	2.1484	2.0675	1.9580	2.1386	1.8798	1.7968

通过实验得到雨量不同时，传感器采集到的数据，并且从大量的实验数据中抽出具有代表一般性的一组数据如表1。然后根据表1计算出挡风玻璃有清晰到模糊的电压变化量：　　　　　　　　　　　　　

表2.传感器模拟电压差分量：

										小雨	0.0147	0.0146	0.0098	0.0244	0.0244	0.0243	0.0392	0.0147	0.0097
中雨	0.0633	0.0781	0.0635	0.0327	0.0635	0.0658	0.0342	0.0123	0.0700
										大雨	0.0977	0.0977	0.0586	0.0976	0.0809	0.1095	-0.1086	0.2588	0.083

由表2计算出电压差分量的平均值：

同时由表格1可以发现随着雨量变大，采集到的数据的最后一个数据的电压值越小，所以设定清晰无雨水时挡风玻璃的值为X1，所以可以得到一个电压变化量E。

然后由表3和表4得到电压差分量

和电压变化量Ｅ，令

和E作为模糊控制的两个输入，设定控制规则，得到模糊控制器（图4）：

    首先是模糊控制器的输入电压差分量

和电压变化量Ｅ进行模糊化，由表3和表4可知两个变量E的取值范围为（0.1，0.9）,

的取值范围为（0.01，0.09），将

放大十倍，两个变量的取值范围一致，提高运算效率，经过模糊化，不影响控制器输出结果。

设定

和E的隶属度函数如图5。糊逻辑推理。根据

和E隶属度函数，设定控制规则。该模糊控制器有两个输入，一个输出。三个量的基本模糊集均为3，所以可以设定九条控制规则：

 （1） 如果电压差分量是小并且电压变化量是小，那么模糊控制为慢档输出；

（2）如果电压差分量是中并且电压变化量是小， 那么模糊控制为慢档输出；  

（3）如果电压差分量是大并且电压变化量是中，那么模糊控制为中档输出 ；  

（4）如果电压差分量是小并且电压变化量是中，那么模糊控制为中档输出 ；  

（5）如果电压差分量是中并且电压变化量是中，那么模糊控制为中档输出 ；  

（6）如果电压差分量是大并且电压变化量是中，那么模糊控制为快档输出 ； 

（7）如果电压差分量是小并且电压变化量是大，那么模糊控制为中档输出 ；

（8）如果电压差分量是中并且电压变化量是大，那么模糊控制为快档输出；

（9）如果电压差分量是大并且电压变化量是大，那么模糊控制为快档输出 。

最后，模糊控制器的输出分为三个值分别对应小、中、大三个档位，依次对应雨刷电机的慢、中、快三个档。

二．实验结果

为了验证给予模糊控制的智能雨刷控制器的有效性，对其进行实验仿真。如图6显示结果。横坐标分别为电压变化量E和电压差分量的平均值

，其中电压变化量E为主控制变量，

为从控制变量。纵坐标为模糊控制器的输出深黑色粗曲线段对应min，雨刷电机处于慢档；黑色细曲线段对应mid，雨刷电机处于中档；黑色虚曲线段对应max雨刷电机处于快档。

Claims (1)

1.一种基于模糊控制的智能雨刷控制器，包括雨量传感器，F330控制器，其特征在于：所述F330控制器设计为模糊控制器，所述雨量传感器将检测挡风玻璃上有无雨滴及雨量的大小的信号通过A/D转换后输入模糊控制器，模糊控制器根据该信号判断当前雨量大小,并结合来自LIN 总线用户设定信息,输出脉宽调制信号来控制雨刷器电机的摆动速度,驱动雨刷器机构扫除挡风玻璃上的雨水；所述雨量传感器由玻璃棱镜、红外线光源发射器和红外线光源接收器组成，玻璃棱镜包括发射端(7)和接收端(9)在不同光轴上的第一至第四透镜镜面(19,21,23,25)和第一，二反射壁(27,29),第一至第四探测面(33,35,37,39),挡风玻璃(11),内表面(13),外壳(3),电路板(31)；发射端（7）由发光二极管构成,接收端（9）由光敏二极管构成，两者被集成在电路基板上，发射端（7）的发光二极管发出的入射光通过发射端第一透镜镜面（19）和第二透镜镜面（21）被转换为平行光，经第一透镜镜面（19）转换的平行入射光以45°入射角被第一反射壁（27）反射，透过透明连接物质（15）以45°角被挡风玻璃（11）上的第一探测面（33）反射到接收端第三透镜镜面（23），第三透镜镜面（23）将光束聚至接收端（9）的焦光敏元件；经第二透镜镜面（21）转换的平行光束，透过透明连接物（15），以45°角入射至挡风玻璃（11）的第二探测面（35），经第二探测面（35）反射后，平行光束以45°的入射角经第二反射壁（29）反射到达接收端（9）的第四透镜镜面（25），第四透镜镜面（25）同样将平行光束聚焦至接收端（9）的焦光敏元件；在挡风玻璃的表面形成四个对雨滴检测的探测面；所述模糊控制器是通过以下步骤设计而成：

（1）计算挡风玻璃由清晰到模糊的电压变化量：　　　　　　　　　　　　　

；

其中，X为传感器采集从小雨，中雨，大雨时的模拟电压，

为传感器模拟电压差分量，n为传感器采集雨量的次数；

（2）计算出电压差分量的平均值：

 ；

设定清晰无雨水时挡风玻璃的值为X1，得到一个电压变化量E：

 ； 

（3）令

和E作为模糊控制的两个输入，设定控制规则，得到模糊控制器；

所述设定控制规则：首先设定

和E的隶属度函数，其次，根据和E隶属度函数和模糊控制器有两个输入，一个输出，三个量的基本模糊集均为3，模糊逻辑推理，设定九条控制规则：

（1） 如果电压差分量是小并且电压变化量是小，那么模糊控制为慢档输出；

（2）如果电压差分量是中并且电压变化量是小， 那么模糊控制为慢档输出；  

（3）如果电压差分量是大并且电压变化量是中，那么模糊控制为中档输出 ；  

（4）如果电压差分量是小并且电压变化量是中，那么模糊控制为中档输出 ；  

（5）如果电压差分量是中并且电压变化量是中，那么模糊控制为中档输出 ；  

（6）如果电压差分量是大并且电压变化量是中，那么模糊控制为快档输出 ； 

（7）如果电压差分量是小并且电压变化量是大，那么模糊控制为中档输出 ；

（8）如果电压差分量是中并且电压变化量是大，那么模糊控制为快档输出；

（9）如果电压差分量是大并且电压变化量是大，那么模糊控制为快档输出 ；

最后，模糊控制器的输出分为三个值分别对应小、中、大三个档位，依次对应雨刷电机的慢、中、快三个档。

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