模糊控制在智能雨刮系统的应用

摘要：在分析雨量传感器雨量大小的基础上，设计了一种基于模糊控制和PWM调速的智能雨刮控制系统。该系统以变化的雨量大小为参量，智能控制雨刮电机的转速，保持挡风玻璃清晰。

关键词：雨量传感器；模糊控制；PWM调速；智能雨刮；

0 前言

汽车工业是国民经济发展的支柱产业之一，雨刮系统是汽车的重要组成部分，机械雨刮在使用过程中会分散驾驶员的注意力，往往成为发生交通事故的重要安全隐患。随着技术的发展，汽车正从一种单纯的交通工具向着满足人们需求、安全、节能、环保的方向发展，雨刷产品也逐渐向智能化发展。

1 控制系统的工作原理

本智能雨刮系统以51单片机AT89C51为主机，L298为电机驱动，雨量传感器为检测元件。雨量传感器实时检测前挡风玻璃的雨量大小，雨量传感器的输出信号送给单片机，进行处理后获得测量结果，模糊控制部分根据测量结果，利用模糊控制规律运算出相应的控制量。执行部分由PWM调速电路完成，它根据控制量实现电机的调速，驱动雨刷机构快速扫除挡风玻璃上的雨水，从而达到保持驾驶者良好视野的目的。

2 模糊控制器的设计

雨刮电机转速与诸多非线性因素有关，要使模糊控制器具有良好的控制效果，必须具有较为完善的控制规则。为灵活调整模糊控制器，在输入输出关系中加入调整因子[1]，实现控制规则的调整，以适应不同的雨雪天气情况，达到希望的控制效果。

系统的输入为雨量偏差e及雨量变化率c，输出为控制量t。对变量进行模糊化处理获得E、C及T的模糊子集为：

E、C、T的论域分别为：

系统为适应不同的雨量要求，采用多个调整因子的控制规则为[2]：

式中a1、a2、a3、a4为调整因子，且0

凭经验选定初始调整因子：a1=0.4，a2=0.5，a3=0.6，a4=0.7构成初始单纯型，以目标函数

为性能指标进行寻优，雨刮电机转速经自寻优后获得一组优化的调整因子：a1=0.42，a2=0.54，a3=0.65，

a4=0.85。将a值代入多个调整因子的控制规则中，经过计算，再根据实际经验及人工修正，得到优化的模糊控制规则，如表1所示。

表1构成整个模糊控制器的核心，是系统模糊算法的结果。将控制表存到单片机的存储器中，并编写一个相应的查找控制表的子程序[3]。

3 雨刮电机的PWM调速设计

PWM信号是利用单片机AT89C51编程实现的[4]，选用定频调宽法，即PWM脉冲信号的周期是固定的，通过调节PWM脉冲的宽度改变PWM脉冲信号的占空比，从而改变雨刮电机电枢两端的平均电压值，实现直流电机的调速。根据经验设定PWM脉冲的固定周期为20，上述模糊控制器的输出控制量t作为PWM脉冲的宽度，同时对单片机的定时器T0设置相应初值后，可计算T0发生一次溢出中断的时间，并在T0的中断函数中设置溢出中断发生一次，OV的值加1。对OV值进行判断，当OV值小于t值时，单片机引脚P3.7输出高电平，P3.7与L298的ENA引脚相连，故ENA为高电平，L298使能，PWM脉冲信号为高电平；当OV值大于t，P3.7输出低电平，ENA变为低电平，L298被禁止，无电压输出，此时PWM脉冲信号为低电平。如此反复，形成的PWM信号即为电压脉冲信号。当模糊控制器的输出量t增大，PWM脉冲宽度随着变宽， t值减小，PWM脉冲宽度随之变窄。

系统的软件设计主要采用C语言对AT89C51进行编程，选用模块化的结构设计，各模块相对独立。本软件主要由键盘模块、显示模块、模糊控制模块、通信模块、中断服务模块等组成。

4 结束语

结果表明， 该自动雨刷控制系统具有较高控制精度，良好的动态性能，能有效保持挡风玻璃的清晰度，提高雨雾天气下的行车安全，满足汽车驾驶者的需求；实际应用中由于挡风玻璃清晰度受降雨量大小、汽车行驶速度、驾驶员视距等因素影响，用户设定的挡风玻璃清晰度与雨量传感器输出信号之间的对应关系必须进行实验测定。

[参考文献]

[1] 闻新，周露，李东江.MATLAB模糊逻辑工具箱的分析与应用[M].北京：科学出版社，2001，112- 128.

[2] 李士勇. 模糊控制・神经控制和智能控制论[M]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学出版社， 1996.

[3] 肖金球.单片机原理与接口技术[M】清华大学出版社：2004.

[4] 余永权，曾碧.单片机模糊逻辑控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，1995.

（作者单位：山东科技职业学院 机电工程系，山东 潍坊 261053）