基于模糊控制的汽车自动倒车系统研究

【摘要】随着人们生活水平的提高和科学技术的发展，汽车进入千家万户成为日用品。在汽车的使用过程中，倒车是驾驶员较难掌握的驾驶技术，因倒车所引发的交通事故也随之增多。本文通过汽车驾驶自动化的现状，基于模糊控制技术的相关原理与实际应用，提出实现汽车自动倒车系统中的模糊控制器的设计方案。以期解决人们倒车中的不便，降低因汽车倒车不当而带来的安全风险。

【关键词】模糊控制;汽车;自动倒车

0.引言

倒车在驾驶过程以及驾驶技术中有着至关重要的地位，不论是在泊车、让行、移位还是掉头中都需要倒车，可以说倒车考验着一个驾驶员的驾驶能力。但是，因倒车的难度高，驾驶员往往受到外部环境的干扰，自身技术经验的不足而无法正常实现倒车，甚至引发交通事故。为此，加强对模糊控制的汽车自动倒车系统的研究很有必要。

1.汽车倒车预警系统的发展与现状

目前，解决汽车倒车问题的研究方向主要有两个。一是基于仿真驾驶的汽车自动驾驶;二是汽车的倒车雷达。在这两种方案中，前一种预示着未来汽车的发展方向，实现自动化和智能化驾驶，对道路的智能系统和卫星的定位系统要求比较高，目前处于研究的初级阶段，由于成本相对而言较高，距普及还有一段距离。后一种方案时基于超声波系统的导航，能够通过超声波显示车后的真实场景，由于对驾驶者的驾驶技术要求较高，是一种被动式的消除野盲区或防撞的预警系统。就整个汽车市场而言，目前智能化的技术并没有得到全面的普及，对于大多数的消费者而言，实现其倒车的自动化和智能化还是需要一些时间的[1]。

2.模糊控制技术的原理及应用

模糊控制，指的是以模糊集合论，模糊逻辑推理及模糊语言变量为推理基础的一种计算机的判定职能方法。模糊控制的是一种通过计算机或其他装置实现人对系统的控制过程。模糊控制在汽车工业的研究和应用历史还是比较长的。在1965年，洛特菲教授用一种数学手段和防范为描述模糊概念，创立了模糊的逻辑理论。在模糊控制的具体运用中，不论是日本三菱公司为了检测前转向的转角和车速以求汽车转弯速度的模糊跟踪系统，还是马自达公司为了解决车速控制装置不稳、使其在下坡是保持恒定速度的问题而设计的模糊逻辑控制车速的系统，亦或是德国的巴伐利亚汽车公司利用模糊控制技术控制设计的超声停车器。可见。模糊技术在汽车行业的发展中已经呈现了一种产业化的发展趋势，汽车制造商想要更好地发展，就必须在汽车的发动机控制、变速控制、汽车的反锁刹车系统中更好地运用模糊控制技术。运用模糊控制技术解决汽车自动倒车的问题便是顺应了这一趋势。

3.自动倒车模糊控制器的建立和设计

3.1 模糊控制器的控制过程

在实现汽车自动倒车的模糊控制中，汽车模糊控制过程如下：首先，应该根据汽车的原始位置记录好汽车的坐标和航向角，通过模糊控制得到转向轮的转角，再通过汽车的控制系统使汽车倒车，接下来通过更换转向轮得到新的转向角以及汽车运动后的新的车身位置与新的航向角，通过模糊控制器的再次得到新的转向转角，反复倒车，记录准确的数据以便进行下一步的研究[2]。

3.2 模糊控制器的参数设计

确定倒车的位置坐标与航向角是进行参数设计分析的依据，所以，控制器的设计过程分为三个部分，首先，应该确定隶属度函数和一输入三输出的取值范围。根据倒车的初始位置和初始航向角的关系，计算并分析汽车车身在不同的方向盘和区域时所需的车身的航向角，具体过程如下：

确定0的论域范围为[-20°120°] 将其划分为5个模糊子集：0={负，零，正小，正中，正大}一{N，Z，PS，PM，PB}，其中，隶属度函数为梯形：[-20°，-20°，-5°，0°]N表示车身航向角为负，隶属度函数为三角形：[-5°，0°，5°];z表示车身航向角为零，隶属度函数为三角形：[0°，30°，70°];PS表示车身航向角为正小，隶属度函数为三角形：[50°，70°，90°];PM表示车身航向角为正中，隶属度函数为梯形：[80°，90°，120°，120°]PB表示车身航向角为正大[3]，再根据倒车时所用的公式，计算在汽车最小转弯半径的前提下，车身所处位置的极限坐标，如图1所示：

图1

其次，从专家所获得的经验中提取关于倒车控制的规则，将其输入至模糊规则数据库中。所谓模糊控制就是输入量和输出量之间蕴含的模糊关系，这种模糊的含糊关系是模糊控制器的核心。

最后是模糊控制参数的确定，如上步骤建成的GUI界面的模糊控制器如下，如图2所示：

图2

3.3 利用Simulink/Matlab搭建仿真框架

验证已经设计好的模糊控制器的效果，仿真模型意图如图3所示：

图3

以对汽车初始航向角为10°的情况进行仿真，得到其航向角的变化与汽车倒车的行驶轨迹，如图4所示。

图4

初始角度为10°时的倒车轨迹，如图5所示：

图5

由图5可以看出初始航向角为10°时，倒车的轨迹十分的平滑，在本次仿真的结果中，通过采取多次的数据进行试验，可以看出此方法在理论上可以有效地完成倒车任务。

4.结语

倒车在汽车的行驶使用中占用重要的地位，但是，倒车系统目前还处于非自动化的发展阶段，因此利用模糊控制技术实现其倒车的自动化具现实意义。本文通过汽车驾驶自动化的现状，基于模糊控制技术的相关原理与实际应用，通过分析模糊控制器的控制过程，设计模糊控制器的参数，利用Simulink/Matlab搭建仿真框架，提出实现汽车自动倒车系统中的模糊控制器的理论设计方案。在理论研究之后，应该与试验相结合，结合车身定位和车身探测的超声波传感器进行定位，使模糊控制的理论研究能实际运用到车身系统的开发中，不断改进和分析，研发出智能高效的模糊控制倒车系统。解决人们倒车中的不便，降低因汽车倒车不当而带来的安全风险。

参考文献

[1]刘锦江，林中尉，罗如忠等.自动泊车系统[J].中国自然科学报，2010，4（03）：31-33.

[2]杨昔阳，尤晴曦，李洪兴.基于变论域理论的自动倒车控制[J].北京师范大学学报，2011，8（05）：22-23.

[3]郭孔辉，姜辉，张建伟等.基于模糊逻辑的自动平行泊车转向控制器[J].吉林大学学报（工学版），2012，9（04）：56-58.