交通灯的模糊控制器设计

[摘 要]交通灯的控制是城市交通系统中重要的问题，模糊控制是通过单片机来实现的，许多发达国家已经通过交通灯的模糊控制来降低交通事故的发生率，并提高道路的通行质量，希望通过本文能够让我国的交通信号处理也早日实现模糊控制，从而让我国的道路交通状况得以改观。

[关键词]模糊控制； 交通灯；单片机

中图分类号：TP273+.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）27-0030-01

引言：

随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。

一、系统设计

1.现有的交通灯控制方法

1.1 控制方法

在现有交通控制系统中，控制行为通常通过“红”、“黄”、“绿”灯及“左右”拐弯箭头等信息得以实施，我们称之为“相”。路口的交通灯总在进行着一系列的相变以控制车辆的运动，一系列的相就组成了一个周期。实时方法则将交通状态看作一个连续变化的量，并根据当前的交通状态计算相持续时间。

1.2 存在的问题

在交通灯控制系统中，均假设相的变化是周期化的。但在实际系统中，没有理由假设相邻周期内相的持续时间相等；在交通状况有特殊需要时， 应该可跳过一个相，直接变化到另一个相去；相邻路口的周期差亦应该可改变以适应不同的车速。

对交通灯的相持续时间，相邻路通灯周期差进行动态控制；对此，我们引入智能控制方法―模糊逻辑控制， 使得交通灯控制系统能根据当前交通路口的状况动态地控制各信号灯的转换间隔。

2. 交通灯模糊控制系统设计

交通灯的模糊控制是仿人的控制策略，根据当前道口的交通状况动态地控制红绿灯的转换间隔。在此过程中，车辆数量变化都是描述性的，称为模糊变量。

本系统根据绿灯方向的车辆流量及红灯方向的等待车辆数来控制绿灯的延时时间。因此控制模型采用两输入单输出控制模型。两输入量分别为：绿灯方向的车流量，即单位时间内通过道口的车辆数GN，红灯方向排队的车辆数RN，输出量为绿灯的延时时间t。模糊控制器的设计首先研究输入量和输出量的论域即其取值范围，并模糊化。然后设计出输入到输出的映射关系。最后根据控制规则判决和处理，生成控制时间t。控制模型。

3 输入量的模糊化

3.1输入量的采集

本控制器针对十字交叉路口的情况，在十字道口的四侧设置8个传感器。在斑马先端的为近端传感器，分别为PE1、PS1、PW1、PN1，在距它们150米出为远端传感器，分别为PE2、PS2、PW2、PN2。当车辆经过传感器时，给计数器一个信号，由计数器记录经传感器的车辆数，送入控制器的输入端口，在绿灯期间由近端传感器记录10秒以内通过道口的车辆数GN，此时由另一方向的远端传感器记录进入道口排队等待的车辆数RN。

3.2 输入量的模糊化

把红绿灯切换的时刻作为计时的起点，记录10秒以内的数据。根据常规，在绿灯期间车辆通过道口的车速为10～20km/h，因此10秒以内可能通过的最大车辆数为11辆，所以变量GN的论域取为0～11。在论域内，将其分为3个模糊状态的隶属度值。

红灯方向由远端传感器记录进入道口排队等待的车辆数，远端传感器距道口的距离为150米，车辆平均长度取5米，则可记录进入道口排队车辆数最大为30辆。因此RN的论域为0～30，将其分为5个模糊状态：RVS（很少）、RS（少）RM（中）RL（多）RVL（很多）。并将0～30的范围细分为15个分点，分别给出他们对5个模糊状态的隶属度值，。

3.3输出量的模糊化

对于红绿灯控制来说，只需要对当前的绿灯延时作出决策，因此系统的输出量为绿灯的延时时间t。根据交通警的经验，规定绿灯延时最长为40秒，数据的采集时间为10秒，因此绿灯延时范围为10～40秒，将其分为 5个模糊状态：tVS（很短）、tS（短）、tM（中）、tL（长）、tVL（很长）。将10～40秒细分为10个点，并给出他们分属于不同模糊状态的隶属度值。

3.4 模糊规则

在传统的控制方法中，输入输出关系由传递函数来表示。在模糊控制中则由模糊规则来联系，用一组“if……then……”语句来表达。对两输入单输出模糊控制器，其规则则由“if and then ”来描述。在本控制器中，绿灯方向车辆流量有3个模糊变量，红灯方向排队等待的车辆数有5个模糊变量，因此模糊控制规则最多有15条。

可以看到，if = GL and = RVS then = tVL ，用语言表达。需说明的是，如果两输入量值相近，则取延时时间为短，以保证双向流通的均衡。

3.5 模糊关系矩阵与解模糊

是一个11×15×10的矩阵。对于每次得到的输入量来求算输出量，都要处理这样一个矩阵，难以用单片机处理。为此，我们事先计算出矩阵，然后根据计算出每种输入组合状态下的值，最后根据最大隶属度决算法，将模糊量转化为精确量t。

二、模糊控制器的实现

1.系统硬件设计

由于单片机但结构集成了CPU、存储器、I/O接口甚至A/D和D/A转换器等，为实现模糊控制应用提供了理想了平台，此外，目前大部分模糊控制都是通过在通用单片机上运行算法来实现的。只有复杂的应用才可能需要用到模糊逻辑专用硬件芯片。

我们所设计的控制器由主控制器8031单片机以及相应的接口电路和驱动电路构成。有传感器采集到的数据经两个方向上的计数器送入扩展口8255，程序及中间数据存入扩展的ROM/RAM当中，计算结果送入可编程定时器，由可编程定时器根据8031送入的控制字来决定延时时间的长短。经相应的驱动器来控制灯的切换。译码器及显示器用来同步显示当前绿灯的剩余时间。

2 系统软件流程

由于事先我们已计算出了模糊控制器表，在实现模糊控制器时，把控制表存入ROM当中，用单片机进行模糊控制的算法归结为查表运算。每次根据输入量的不同组合进行查表来求出控制量。程序的设计采用模块化结构，程序的主要模块有数据的采集及转换，控制量计算及显示部分构成。

三、 结束语

至此我们完成了输入量及输出量的模糊化，并设计出其模糊控制规则。在此基础上，提出了用单片机实现红绿灯模糊控制的方法。该控制方法与传统控制方法相比，使平均停车时间缩短。

参考文献

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