基于模糊控制的電磁智能車設計

摘要：智能車控制是涵蓋自動控制、模式識別、傳感技術(shù)、計算機、機械與汽車等多個學科的復雜系統(tǒng)。為了實現(xiàn)對其很好的控制，文章提出了基于模糊控制的電磁引導的智能車控制方案。實際結(jié)果表明智能車運行性能優(yōu)良。
關鍵詞：智能車控制；模糊控制；電磁傳感器

0 引言
    智能車涵蓋自動控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機、機械與汽車等多個學科專業(yè)，十分復雜。傳統(tǒng)的控制理論對于復雜或難以精確描述的系統(tǒng)，則顯得無能為力了。模糊控制是利用模糊數(shù)學，可以有效地利用專家知識，適用于許多復雜系統(tǒng)。因此提出了基于模糊控制的電磁智能車設計。

1 系統(tǒng)總體方案及車模各項參數(shù)
1．1 系統(tǒng)總體方案
    智能車系統(tǒng)由車前橋的電磁傳感器單元、舵機單元、轉(zhuǎn)向機構(gòu)，負責路徑檢測以及轉(zhuǎn)向工作。后橋的光電編碼器、電機、制動裝置以及Freescale的MC9S12XS128主控單元構(gòu)成，負責電機速度控制，主控單元負責賽道數(shù)據(jù)處理以及控制策略的實施。此外增加無線單元對智能車的實時數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，以對模糊控制規(guī)則進行優(yōu)化。智能車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關系如圖1所示：

1．2 系統(tǒng)的硬件參數(shù)
    智能車外形參數(shù)：車長39cm，車寬17cm，車高13cm，車重約1．0kg。

2 硬件電路設計
2．1 主控單元的設計
    主控單元采用Freescale MC9S12XS128，主頻40MHz，F(xiàn)lashRom128kB，具備SPI、SCI、IIC等常用接口。
2．2 光電編碼器的選取與安裝
    旋轉(zhuǎn)編碼器，線數(shù)越高，測速精度就越高，但是體積就越大，最終選用了200線的編碼器E6A2-CS3E。將編碼器安裝在后輪傳動齒輪上既可以保證其運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，又降低了整車的重心，其具體安裝如圖3所示。

2．3 電機驅(qū)動單元
    電機驅(qū)動單元由H橋電路組成，H橋具有工作電壓范圍大，導通電阻小，導通電流大的優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2．4 電磁傳感器電路
    電磁智能車的路徑引導線為通有20kHZ、100mA電流的漆包線(線徑0．1～0.3mm)。如何將引導線產(chǎn)生的電磁波能量轉(zhuǎn)換為電壓信號供AD采樣成了智能車傳感器中最為關鍵的部分，道路檢測原理如圖5所示。

    智能車采用雙排八電感的傳感器排布方案，每排四個電感，分前后兩排。

3 控制算法的設計
3．1 舵機控制算法
    舵機作為車的方向控制結(jié)構(gòu)，其控制算法直接影響到車的整體質(zhì)量，如果舵機的控制算法不好，會導致舵機轉(zhuǎn)角不平滑，過彎時多次轉(zhuǎn)彎，使車速在彎道時大大地減小，因此，使舵機平滑及時地過渡是舵機控制算法的主要目的。
    舵機的控制采用經(jīng)典的PID控制，各環(huán)節(jié)的具體參數(shù)要經(jīng)過反復的調(diào)整，以達到對各種賽道類型的適應性的平衡。
3．2 電機速度模糊控制算法
3．2．1 模糊控制
    模糊控制是以專家的經(jīng)驗為基礎實施的一種智能控制，不需要精確的數(shù)學模型。模糊控制器的設計主要考慮以下幾項主要內(nèi)容：1)確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量(即控制量)。2)設計模糊控制器的控制規(guī)則。3)確立模糊化和解模糊的方法。4)選擇模糊控制器的輸入變量及輸出變量的論域，并確定模糊控制器的參數(shù)(如量化因子、比例因子等)。5)編制模糊控制算法的應用程序。
3．2．2 模糊控制器的設計
    速度控制器的輸入量為角度量和速度量，輸出的為控制電機速度的PWM波占空比。
    將智能車轉(zhuǎn)角的大小分為9種情況。而對智能車的速度，根據(jù)跑道的情況，在轉(zhuǎn)彎的最小速度值到直道上的最大速度值之間分為8種情況。它們的模糊化采用三角形隸屬度函數(shù)，輸出的隸屬度函數(shù)采用單點值，如圖6所示。

    根據(jù)車體的運動學規(guī)律，為了使車行駛的平均速度最大且不偏離車道，總結(jié)出模糊控制規(guī)律如下：
    (1)如果智能車在直道上，智能車以高速行駛，并且導線在智能車的正中，則以智能車的最高速度行駛。
    (2)如果智能車要進入彎道，則要減速，如果已經(jīng)進入彎道，則要加速，以使得駛出彎道進入直道時加速更加迅速。
    (3)如果智能車以高速駛?cè)霃澋?，則要剎車，以免沖出跑道。
    基于上述經(jīng)驗，得出的模糊控制規(guī)則如表1所示。

3．3 系統(tǒng)控制總體流程圖
    智能車的控制軟件采用單元化的程序結(jié)構(gòu)，流程圖如圖7所示。

4 調(diào)試
    在調(diào)試階段，利用Labview開發(fā)了智能車實時 監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要完成將智能車行駛過程中的各種狀態(tài)信息(如電磁傳感器數(shù)值、車速、舵機轉(zhuǎn)角、電池電量等)實時的以無線串行通信方式發(fā)送至上位機處理，方便及時調(diào)整各個參數(shù)。

5 總結(jié)
    通過模糊算法的運用，實現(xiàn)了智能車的動態(tài)平衡，使智能車能夠很好地完成賽道。