基于模糊控制的智能競(jìng)速車舵機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，汽車正向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋線行駛、自實(shí)現(xiàn)路徑變化功能，并在可靠性基礎(chǔ)上快速行駛，在工程及物流等實(shí)際生產(chǎn)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。競(jìng)速車模的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，為車輛尋線行駛功能的實(shí)現(xiàn)提供了可借鑒的方案和方法。本文對(duì)競(jìng)速車模舵機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了一種模糊控制的舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制方法。

各種控制方法分析

目前，人們所采用的自動(dòng)控制方法大致分為三種：經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制和智能控制。

經(jīng)典控制是人們常用的控制方法，是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的。一般的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程較多屬于線性定常系統(tǒng)，故可以用經(jīng)典控制方法來(lái)控制，經(jīng)典控制方法最典型的就是pid控制方法[1-3]。其調(diào)節(jié)品質(zhì)取決于pid控制器各個(gè)參數(shù)的整定。但是這種控制方法只能解決線性定常系統(tǒng)的控制問(wèn)題。

現(xiàn)代控制理論可以解決時(shí)變系統(tǒng)的控制問(wèn)題，在時(shí)變系統(tǒng)中，輸入量和輸出量的關(guān)系隨時(shí)間的變化而變化。故而現(xiàn)代控制理論在航空航天和軍事上有很大的作用。現(xiàn)代控制方法以狀態(tài)方程為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)。

智能控制[4-5]是自動(dòng)控制發(fā)展的高級(jí)階段，是人工智能控制論、系統(tǒng)論和信息論的多種學(xué)科的高度綜合與集成，是一門新的交叉前沿學(xué)科。智能控制無(wú)需人的干預(yù)就能夠獨(dú)立驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的控制方法。目前，智能控制技術(shù)，如神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，模糊控制技術(shù)，遺傳算法優(yōu)化技術(shù)，專家控制系統(tǒng)，基于規(guī)則的仿人智能控制技術(shù)等已進(jìn)入工程化和實(shí)用化。

控制方案的選取

經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制，要求建立一套精確的數(shù)學(xué)模型，然而在實(shí)際應(yīng)用中，有些復(fù)雜過(guò)程難以求取數(shù)學(xué)模型或根本無(wú)法求取其數(shù)學(xué)模型。智能控制是利用人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)控制復(fù)雜過(guò)程的一種方法，并不斷完善和發(fā)展。模糊控制[6-8]是智能控制方法中的一種，智能競(jìng)速車采用模糊控制，有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)無(wú)需預(yù)先知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型。

(2)控制規(guī)則以人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)表示，容易掌握。

(3)對(duì)被控對(duì)象的參數(shù)變化有較強(qiáng)的魯棒性。

(4)控制知識(shí)是以人的語(yǔ)言形式表示，有利于人機(jī)對(duì)話和系統(tǒng)的知識(shí)處理，從而有利于系統(tǒng)處理的靈活性和機(jī)動(dòng)性。

智能車設(shè)計(jì)方案

智能車前輪轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)要求

智能車模以穩(wěn)、快、準(zhǔn)為目標(biāo)，即要求模型車速度及行駛路線穩(wěn)定，算法反應(yīng)和速度、角度調(diào)節(jié)快，以及速度控制和檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確，所以設(shè)計(jì)過(guò)程中，檢測(cè)部分必須選擇性能可靠、反應(yīng)速度快的傳感器，并使用智能算法控制車輛行駛[9-11]。

紅外傳感器的布置

針對(duì)白色底色寬60cm，標(biāo)識(shí)黑線寬2.5cm的道路條件，本設(shè)計(jì)采用7對(duì)紅外傳感器進(jìn)行道路識(shí)別，每個(gè)紅外傳感器間隔2.5cm，成水平直線排列，以保證只有一個(gè)光電管信號(hào)在黑線內(nèi)為穩(wěn)定目標(biāo)。這樣，就可以依據(jù)識(shí)別信號(hào)，將偏轉(zhuǎn)角度劃分為7個(gè)級(jí)別。

舵機(jī)控制模塊

采用hs-925型舵機(jī)來(lái)控制智能車前輪的轉(zhuǎn)向，其特點(diǎn)為扭力大，穩(wěn)定性好，控制簡(jiǎn)單，便于和數(shù)字系統(tǒng)接口，控制角度精確。

舵機(jī)工作原理

（1）舵機(jī)結(jié)構(gòu)包括減速齒輪組，位置反饋電位計(jì)，直流電機(jī)和控制電路等。

舵機(jī)工作原理如圖1所示，減速齒輪組由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其輸出軸帶動(dòng)一個(gè)線性的比例電位器作位置檢測(cè)，該電位器把轉(zhuǎn)角線性地轉(zhuǎn)換為電壓并反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號(hào)比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，從而達(dá)到使伺服馬達(dá)精確定位的目的[12-13]。



圖1 舵機(jī)工作原

（2） 舵機(jī)的控制

本系統(tǒng)采用的控制信號(hào)為周期13ms的脈沖信號(hào)，改變脈沖寬度就可以改變舵機(jī)的方向，另外脈沖寬度和轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系[14-16]，其計(jì)算公式為：

a=（l-1.5）×90° (1)

其中a是舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，單位是度；l是脈沖寬度，單位是毫秒。其轉(zhuǎn)角和脈沖寬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。



圖2 舵機(jī)的控制

在硬件實(shí)現(xiàn)上，利用了一路16位的pwm來(lái)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)向。

模糊控制方案的設(shè)計(jì)

模糊控制器有三個(gè)功能模塊：模糊化，模糊推理，清晰化，如圖3所示。



圖3 模糊控制器

模糊子集和隸屬函數(shù)的建立紅外接收管編碼如圖4所示。



圖4 紅外接受管編碼

本系統(tǒng)模糊控制器采用常規(guī)模糊控制器，其輸入量為當(dāng)前位置偏差e，輸出量為舵機(jī)控制信號(hào)u。

位置偏差e是光電傳感器反饋回的實(shí)際位置與智能車中軸線的偏差。e為零時(shí)，智能車未偏離路徑；e為正數(shù)時(shí)，智能車向左偏離路徑；e為負(fù)數(shù)時(shí)，智能車向右偏離路徑。其偏離范圍e（論域，單位為cm）為[-9，9]，將論域離散化為整數(shù)集e={-9，-6，-3，0，3，6，9}，則量化因子k=n/x=1.0。

將位置偏差e的值模糊化。設(shè)模糊子集e={nb,nm,ns,ze,ps,pm,pb}，其中，nb：[-9，-6]，表示左偏特大；nm：[-9，-3]，表示左偏較大；ns：[-6，0]，表示左偏較小；ze：[-3，3]，表示正中；ps：[0，6]，表示右偏較小；pm：[3，9]，表示右偏較大；pb：[6，9]，表示右偏特大。

e的隸屬函數(shù)為三角形函數(shù)分布，如圖5所示。



圖5 e的隸屬度函數(shù)

由于位置偏差有正負(fù)，則舵機(jī)轉(zhuǎn)角也有正負(fù)，位置模糊控制器輸出控制舵機(jī)偏轉(zhuǎn)的信號(hào)u就有正負(fù)。設(shè)定u為正時(shí)舵機(jī)向右偏轉(zhuǎn)，u為負(fù)時(shí)舵機(jī)向左偏轉(zhuǎn)，則u的模糊子集與位置偏差e的模糊子集相似，即u={nb,nm,ns,ze,ps,pm,pb}。將u的大小也量化為七個(gè)等級(jí)，其論域u={-45,-30,-15,0,15,30,45}。u的隸屬函數(shù)如圖6所示。

控制規(guī)則

模糊規(guī)則反映了輸入輸出變量之間的關(guān)系，模糊控制規(guī)則是模糊控制的核心。

智能車運(yùn)動(dòng)時(shí)，舵機(jī)控制信號(hào)u的選擇應(yīng)與位置偏差的大小和符號(hào)相關(guān)。位置偏差e絕對(duì)值較大時(shí)應(yīng)以較大的絕對(duì)值的控制信號(hào)控制舵機(jī)偏轉(zhuǎn)；而位置偏差e絕對(duì)值較小時(shí)應(yīng)以較小的絕對(duì)值的控制信號(hào)控制舵機(jī)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)位置偏差e為正，即智能車向左偏離路徑時(shí)，控制信號(hào)控制舵機(jī)向右偏轉(zhuǎn)才能減小位置偏差；而當(dāng)位置偏差e為負(fù)，即智能車向右偏離路徑時(shí)，控制信號(hào)控制舵機(jī)向左偏轉(zhuǎn)才能減小位置偏差。

模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表


模糊推理和清晰化

推理是模糊控制系統(tǒng)的核心。以模糊概念為基礎(chǔ)，模糊控制信息可通過(guò)模糊蘊(yùn)涵和模糊邏輯的推理規(guī)則來(lái)獲取，并可實(shí)現(xiàn)擬人決策過(guò)程。根據(jù)模糊輸入量（偏差e）和模糊控制規(guī)則，模糊推理求解模糊關(guān)系方程，獲得模糊輸出量（偏轉(zhuǎn)角u）。

清晰化是將模糊推理后得到的模糊集轉(zhuǎn)換為用作控制的數(shù)字值的過(guò)程?？刹捎弥匦姆ǖ姆椒ㄇ逦Ｖ匦姆ㄊ侵溉∧：`屬函數(shù)曲線同基礎(chǔ)變量軸所圍面積的重心對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)變量作為清晰值的方法。

舵機(jī)控制策略及算法

對(duì)傳感器檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行量化處理，對(duì)應(yīng)舵機(jī)偏轉(zhuǎn)角的計(jì)算。另外為了避免從直道入彎的過(guò)沖，和從彎道進(jìn)入直道的振蕩問(wèn)題，程序中還需要對(duì)速度進(jìn)行控制。

量化的過(guò)程

智能車通過(guò)7個(gè)光傳感器進(jìn)行位置的采樣，根據(jù)傳感器的布局，從左至右依次編號(hào)為1，2，3，4，5，6，7。由于傳感器分布比較密，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)或兩個(gè)傳感器同時(shí)檢測(cè)到黑線的情況，這樣可以得到13種路面情況。為了方便處理，將所得到的傳感器的信號(hào)量化為[1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13]。

舵機(jī)偏轉(zhuǎn)角的計(jì)算

通過(guò)計(jì)算來(lái)得到最后的舵機(jī)偏轉(zhuǎn)角，具體計(jì)算推理過(guò)程如下：

(1)將傳感器的設(shè)計(jì)位置投影到基準(zhǔn)線上得到的對(duì)應(yīng)偏差從左到右依次為-9，-6，-3，0，3，6，9。與上面的量化處理之后的1，3，5，7，9，11，13對(duì)應(yīng)。這樣的話，量化結(jié)果可用zadeh表示法來(lái)表示其在論域e上的模糊集合，如：10的位置可以表示為。

(2)通過(guò)模糊推理，可得到個(gè)量化結(jié)果的輸出量（模糊量），用zadeh表示法表示在論域u上，如10對(duì)應(yīng)的輸出結(jié)果（模糊量）可以表示為。

(3)再通過(guò)重心法清晰化后得到各量化結(jié)果對(duì)應(yīng)的輸出結(jié)果，則10對(duì)應(yīng)的輸出結(jié)果為0.5×15+0.5×30=22.5。

(4)為了使競(jìng)速車在直道上行駛平穩(wěn)，對(duì)量化值5到9的輸出結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使中間6，7，8對(duì)應(yīng)的輸出量為0度，其他的相應(yīng)調(diào)整使得角度變化較為平均。

速度的控制

小車勻速行駛時(shí)，從直道進(jìn)入彎道，可能會(huì)產(chǎn)生過(guò)沖，從彎道進(jìn)入直道，可能會(huì)有振蕩，所以必須進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。具體做法是，在檢測(cè)到傳感器偏出時(shí)立即減速，當(dāng)從偏出回到中心位置時(shí)再恢復(fù)原速。

試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)采集當(dāng)前路況信號(hào)，對(duì)舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)小車循跡功能的控制。智能小車前輪轉(zhuǎn)向角度的輸出,是通過(guò)對(duì)舵機(jī)輸入pwm信號(hào)的調(diào)制脈寬進(jìn)行控制的。實(shí)驗(yàn)中測(cè)出脈寬在8316至9084微秒之間，對(duì)應(yīng)舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角為-45度到+45度，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)將舵機(jī)轉(zhuǎn)角傳遞到前輪。忽略舵機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，在舵機(jī)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，脈寬與前輪的方向轉(zhuǎn)角存在一一對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系。因此模糊控制器的輸出就是控制舵機(jī)的脈沖寬度，范圍為8316至9084微秒，輸出時(shí)將論域定為0到768微秒，則對(duì)應(yīng)舵機(jī)向左或向右轉(zhuǎn)動(dòng)45度。本設(shè)計(jì)中采用的是智能車對(duì)黑線的直接變化量作為偏差輸入，在給pwm模塊設(shè)置脈寬時(shí)加上8316微秒的偏移量。具體的舵機(jī)轉(zhuǎn)角與pwm對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 舵機(jī)轉(zhuǎn)角與pwm對(duì)應(yīng)關(guān)系表


根據(jù)本文介紹的模糊算法和傳統(tǒng)pid算法為智能車編制了兩個(gè)控制程序，將這兩個(gè)控制程序分別下載到同一個(gè)智能車的mcu中，并在跑道上運(yùn)行。通過(guò)多次對(duì)比，把制作完成的智能小車放到特定的跑道上進(jìn)行試驗(yàn)，如圖7、圖8、圖9、圖10，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，小車都能很好的、快速的在規(guī)定的軌道內(nèi)行駛。基于模糊控制的轉(zhuǎn)向控制器在直線、曲率半徑大的彎道、曲率半徑小的彎道、蛇形彎處行駛是都可以實(shí)現(xiàn)智能車輛的轉(zhuǎn)向控制，轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性較好。



圖7 小車行駛在直道中



圖8 小車行駛在曲率半徑大的彎道中



圖9 小車行駛在曲率半徑小的彎道中



圖10 小車行駛在蛇形彎道中

小結(jié)

本文的研究目的主要是利用模糊控制算法對(duì)智能車的舵機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，針對(duì)模糊控制器參數(shù)進(jìn)行深入細(xì)致研究并優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到如下結(jié)論：

(1)建立了隸屬函數(shù)和模糊控制規(guī)則。根據(jù)系統(tǒng)的固有特性，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)實(shí)時(shí)調(diào)整模糊控制規(guī)則。與使用模糊控制規(guī)則表改變控制規(guī)則的方法相比，本文提出的方法更能反映系統(tǒng)的固有特性，且實(shí)現(xiàn)更為簡(jiǎn)單。

(2)針對(duì)舵機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)，為了提高系統(tǒng)的控制性能，設(shè)計(jì)了一種fuzzy控制器，并將該控制器應(yīng)用到智能車系統(tǒng)的舵機(jī)控制中。

(3)完成整個(gè)智能車舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，模仿人工駕駛行為設(shè)計(jì)智能車運(yùn)動(dòng)控制策略，采用常規(guī)模糊控制器對(duì)智能車系統(tǒng)的舵機(jī)轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和分析。

通過(guò)智能車實(shí)驗(yàn)和競(jìng)賽，證明文中所提出的方案是先進(jìn)有效的。