基于模糊控制的汽車燈光隨動(dòng)系統(tǒng)仿真

摘要：利用模糊控制的原理，把方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器和車速傳感器檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行模糊化處理，計(jì)算得到汽車行駛的轉(zhuǎn)彎半徑，把輸出結(jié)果傳遞給汽車前照燈控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)汽車前照燈的燈光隨動(dòng)控制。完成了燈光隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并利用Matlab軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證燈光隨動(dòng)系統(tǒng)控制的效果。
關(guān)鍵詞：智能前照燈；模糊控制；燈光隨動(dòng)；Matlab

    自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)(Adaptive Front-lighting Systern，AFS)是使近光燈光軸在水平方向上與轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角聯(lián)動(dòng)進(jìn)行左右轉(zhuǎn)動(dòng)，在垂直方向上與車高聯(lián)動(dòng)進(jìn)行上下擺動(dòng)的燈光隨動(dòng)系統(tǒng)。它使得近光燈的照射光線能轉(zhuǎn)向車輛的前進(jìn)方向，在夜間行駛時(shí)，前方的交叉路口、彎道處的可視性能得到提高，能夠有效地降低駕駛員在夜晚彎路上行車的疲勞程度，使駕駛者能夠看清轉(zhuǎn)彎處的實(shí)際路況，進(jìn)而有充分的時(shí)間來(lái)應(yīng)付緊急情況，從而明顯提升夜晚彎路上行車的安全性。

1 汽車燈光隨動(dòng)系統(tǒng)的工作原理
    汽車燈光隨動(dòng)系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。汽車燈光隨動(dòng)系統(tǒng)共由四部分組成：傳感器、ECU、車燈控制系統(tǒng)和前照燈。汽車車速傳感器和方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器不斷地把檢測(cè)到的信號(hào)傳遞給ECU，ECU根據(jù)傳感器檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行處理，把處理完后的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，輸出前照燈轉(zhuǎn)角指令，使前照燈轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)的角度。


    汽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)，重點(diǎn)是要提前看到所轉(zhuǎn)方向的障礙物，根據(jù)現(xiàn)實(shí)駕駛的經(jīng)驗(yàn)，車燈一般只需轉(zhuǎn)過(guò)O～15°即可，只需要所轉(zhuǎn)方向側(cè)的那只前照燈實(shí)現(xiàn)智能轉(zhuǎn)向就可，另一側(cè)前照燈還是保持原來(lái)的方向。雖簡(jiǎn)化了控制，仍然能夠達(dá)到預(yù)期的效果。

2 模糊控制系統(tǒng)的組成和實(shí)現(xiàn)過(guò)程
    一個(gè)模糊控制系統(tǒng)必須包含一些必要的部件。模糊控制屬于計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的一種形式，它的組成類似于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)，如圖2所示。


    模糊控制器的組成如圖3所示，它主要包括輸入量的模糊化、模糊推理和逆模糊化(或稱模糊判決)三部分。模糊控制器的實(shí)現(xiàn)可由模糊控制通用芯片實(shí)現(xiàn)或由計(jì)算機(jī)(或微處理機(jī))的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 燈光隨動(dòng)系統(tǒng)模糊控制器設(shè)計(jì)原理
    如圖4所示：當(dāng)汽車轉(zhuǎn)過(guò)很小的角度時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)半徑R近似地等于L和轉(zhuǎn)動(dòng)角度δ的比值，通過(guò)車速傳感器的數(shù)據(jù)很容易計(jì)算出行駛的距離L，通過(guò)方向盤(pán)傳感器檢測(cè)到的信號(hào)也容易得出δ的值，這樣就很容易求出轉(zhuǎn)動(dòng)半徑R的值。而且，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知，燈的轉(zhuǎn)向和汽車行駛的半徑R的關(guān)系最大。因此，可根據(jù)R值的變化對(duì)汽車車燈的轉(zhuǎn)向進(jìn)行模糊控制。首先定義R，如果為正值，說(shuō)明為逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，負(fù)值為順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；另外定義θ為正，說(shuō)明為左邊燈向左轉(zhuǎn)動(dòng)度數(shù)，負(fù)值為右邊燈向右轉(zhuǎn)動(dòng)度數(shù)。



4 汽車燈光隨動(dòng)系統(tǒng)仿真及結(jié)果
    本系統(tǒng)的模糊設(shè)計(jì)器采用Matlab模糊工具箱設(shè)計(jì)模糊控制器。
    在Madab中鍵入FUZZY，進(jìn)入模糊邏輯編輯窗口FIS Editor，如圖5所示。可以對(duì)輸入和輸出的隸屬函數(shù)進(jìn)行編輯。


    如圖6所示，R的論域?yàn)閇0，1]，有三個(gè)語(yǔ)言變量，三角形隸屬度函數(shù)。
    如圖7所示，△R的論域?yàn)閇0，1]，有一個(gè)語(yǔ)言變量，三角形隸屬度函數(shù)。
    如圖8所示，輸出θ的論域?yàn)閇O，1]，有三個(gè)語(yǔ)言變量，三角形隸屬度函數(shù)。
    在Rulers Editor窗口中輸入控制前照燈轉(zhuǎn)向的3條模糊控制規(guī)則：
  
5 仿真結(jié)果與分析
    為了準(zhǔn)確建立系統(tǒng)模型和進(jìn)行仿真分析，通常的工業(yè)過(guò)程可以等效成二階系統(tǒng)，不失一般性，取G(s)=作為汽車燈光隨動(dòng)系統(tǒng)的模型。在Matlab中建立的模糊控制系統(tǒng)模型如圖9所示，基于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以及量化因子和比例因子的選取規(guī)則，經(jīng)過(guò)仔細(xì)選擇，取K1=0.0 5，K2=0．25，K3=1，仿真結(jié)果如圖10所示。


    本文中，由于汽車的順時(shí)針和逆時(shí)針的轉(zhuǎn)向時(shí)的控制道理相同，故只對(duì)逆時(shí)針轉(zhuǎn)向進(jìn)行仿真。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，基本符合預(yù)期，在汽車轉(zhuǎn)彎半徑小時(shí)，前照燈的轉(zhuǎn)向角度大，在轉(zhuǎn)彎半徑大時(shí)，前照燈的轉(zhuǎn)彎角度小，而半徑的變化率△R對(duì)前照燈轉(zhuǎn)動(dòng)角度影響小些，△R增大，前照燈的轉(zhuǎn)過(guò)角度較小。
    通過(guò)仿真可以看出，基于模糊控制的汽車燈光隨動(dòng)系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能，能夠提高汽車夜間行駛的安全性。

6 結(jié)語(yǔ)
    (1)分析了模糊控制理論及模糊控制技術(shù)，進(jìn)行汽車燈光隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并根據(jù)汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)的實(shí)際路況找出兩個(gè)關(guān)鍵可控參數(shù)，即汽車行駛速度和方向盤(pán)轉(zhuǎn)角，把這兩個(gè)控制參數(shù)通過(guò)模糊控制方法轉(zhuǎn)為對(duì)汽車行駛半徑一個(gè)變量的控制，使控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，以達(dá)到較好的控制效果。
    (2)用Matlab軟件對(duì)模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)的合理性和方案的可行性。
    通過(guò)仿真可以觀察到，基于模糊控制的燈光隨動(dòng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)汽車前照燈的智能轉(zhuǎn)彎，能使汽車夜間行駛的安全性大大提高，降低了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)。