汽车自动雨刷控制系统的软件设计
汽车自动雨刷控制系统的软件设计[20200409091947]
摘 要
雨刮器是安装在挡风玻璃前方的片式结构，由电动机、减速机构、刮水刷片总成和驱动杆铰链等组成的。用于清除驾驶室挡风玻璃上妨碍驾驶员视线的雨水、雪花、尘土等污物。本设计基于光强变化的原理研究出一种新型汽车红外线雨滴传感器，它通过红外线雨滴传感器感知雨量的大小，同时使雨刮器自动工作在高速或者低速的状态下，取代了老式的机械结构雨刮器。
本设计提出了一种基于模糊控制的智能雨刮系统，它将模糊控制技术和雨刮同步摆动规则的知识相结合，解决了由于工艺生产缺陷所引起两个电机转速不一样而导致的雨刮摆动不同步的问题。本系统中模糊控制器的输入变化量为转速偏差以及转速偏差变化量的模糊化，然后由经验所得模糊控制规则来选择控制PWM的输入语言变量，再通过脉宽调制技术驱动直流电机，这样就可以使两雨刮片达到同步摆动的状态。
本设计基于单片机完成对雨滴传感器和模糊控制的软硬件设计，同时用MATLAB对本系统进行仿真，从得到的仿真结果可以看出本设计有效的提高了雨刮控制系统的响应速度和稳态性能。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:雨滴传感器模糊控制单片机雨刮器
目 录
1.引 言 1
1.1选题背景 1
1.2研究意义 1
1.3论文内容 1
2.汽车雨刮智能化的软件设计 3
2.1 雨滴传感器的流程图设计 3
2.2 智能雨刮器双电机控制的流程图设计 4
2.3 汽车智能雨刮器的主程序流程图设计 5
3.模糊控制在电机同步控制中的应用 6
3.1 直流电机的调速原理 6
3.2 模糊控制在电机同步控制中的应用原理 7
3.3 模糊控制器的设计 8
3.3.1精确量的模糊化 9
3.3.2 模糊控制规则的确定 11
3.4 论域、量化因子及比例因子的选择 11
3.4.1 论域及基本论域 11
3.4.2 量化因子和比例因子 11
3.4.3 量化因子和比例因子的选择 12
3.5 运用MATLAB设计模糊控制器 13
4.模糊控制系统的仿真及分析 18
4.1 模糊控制算法流程图 18
4.2 模糊控制与PID控制的对比分析 19
5.系统的调试及仿真 22
5.1 仿真软件的介绍 22
5.2 系统开发过程 23
参考文献 29
致 谢 30
附录A 程序 31
1.引 言
1.1选题背景
汽车是当今社会最重要的交通工具之一，是国民经济的支柱产业。目前，汽车已不仅仅是代步或运输的工具，它正在改变着人们的工作、生活和思维方式。汽车的快速发展，在很大程度上归结为汽车控制技术的进步。应用控制理论和技术，能改变汽车传统的机械装置，增加许多新的功能，使汽车的驾驶更为简单方便，乘坐更为舒适安全，更能使人类以前认为做不到的事情成为现实。
雨刮器属于汽车的附件，是汽车安全行驶的重要部件之一。对于驾驶员来说，雨雪天气行驶轿车，清除前挡风玻璃上的雨雪是很有必要的，因此雨刮器的使用保证了驾驶员行驶时的视野清晰度，汽车雨刮器直接影响乘车人员的生命和财产安全。近些年，在中国的汽车配件市场，人们对雨刮器的要求也变得越来越高。汽车雨刮器的发明至今已有一百多年的历史了，它从最初的手动式变成现在的电动式其结构上发生了翻天覆地的变化。随着汽车电子技术的不断发展和其他技术的革新，汽车雨刮系统正朝着智能化和人性化的方向不断地飞跃发展。
传感器是汽车控制系统的输入装置，用来测量被控量的大小。它把汽车运行中各种工况的信息变换成电压、电流、压力、位移等模拟或数字信号后输送到控制器[1]。因此在汽车雨刮系统中，智能雨滴传感器成为其不可或缺的重要组成部件。
1.2研究意义
雨天驾车行驶的安全性一直以来都是个问题，据统计其中百分之七的事故原因是因为驾驶员手动操控雨刮器所引发的，现代汽车上已经安装了各种各样的传感器，用来增加行车的主动性和被动安全性。雨滴感应式自动雨刮控制系统很好的代替了驾驶员手动操控雨刮器的步骤，使得驾驶员在雨雪天气行车时就无需手动调节雨刮器，大大降低了雨天行车的事故发生率提高了驾驶者行车安全性。
1.3论文内容
本论文结合了智能雨刮系统的特点，对以下几个问题进行研究：
1.论文系统的介绍了关于模糊控制的有关理论以及将模糊控制技术运用于汽车上的研究。在现代化智能汽车成长的旅程中，模糊控制技术受到了世界各国汽车研究者的重视，引起了一股模糊控制技术与汽车系统相结合的热潮。所以模糊控制将成为日后开发智能汽车的主流技术。
2.在传统的雨刮系统中，一直以来雨刮片都存在着摆动不同步的问题，这是因为生产工艺使得两个雨刮电机不具有完全相同的转速。本论文用模糊控制器代替传统的PID控制器解决了汽车智能系统中两个雨刮片的不同步问题。
3.运用MATLAB软件对模糊控制系统进行仿真实验，并且将PID控制系统放入此软件中同样进行仿真实验，最后对比两者得出的结果从中看出模糊控制系统设计的合理性。
4.利用Proteus和Keil软件创建近似于真实的单片机软、硬件运行环境，通过调试得到仿真界面并运行可以看出本设计的可行性。
2.汽车雨刮智能化的软件设计
2.1 雨滴传感器的流程图设计
本设计按脉冲的多少来进行大小雨的分配，当外部无雨时脉冲个数小于3；小雨情况下脉冲个数为3到12之间；大雨时脉冲个数则在大于12且小于20的范围内，由脉冲个数可以得到雨滴传感器的流程图如图2-1所示。
图2-1 雨滴传感器部分流程图
定时器的定时时间选取60ms，因为38kHz的脉冲中心频率进行128分频后的频率约为300Hz，也就是周期为3ms，即在60ms内最多可以接收20个脉冲。定时器的流程如图2-2所示。
图2-2 定时器流程图
2.2 智能雨刮器双电机控制的流程图设计
当励磁恒定时，直流电机的转速和电枢电压成正比例关系，因此通过调节直流电动机的电枢电压或者利用改变励磁的大小来达到对直流电机转速控制的目的[2]。控制直流电动机的电枢电压则是通过改变单片机输出PWM脉宽信号的占空比来实现的。汽车雨刮器电机的软件流程图如图2-3所示：
图2-3 雨刮器电机部分流程图
2.3 汽车智能雨刮器的主程序流程图设计
为了使雨刮系统中两个电机达到同步摆动的效果，我们将模糊控制技术引用了进来，即通过人的经验知识来调整PWM信号的占空比，使得系统获得良好的控制。这也就是克服了传统智能雨刮系统中，非线性因素对雨刮同步所造成的干扰。汽车智能雨刮器的主流程图如图2-4所示。
图2-4 汽车智能雨刮器的主流程图
3.模糊控制在电机同步控制中的应用
3.1 直流电机的调速原理
直流电机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。因为它具有良好的线性调速特性、简单的控制性能、较高的效率及优异的动态特性。所以长期以来，直流电机在调速控制中占据着重要的位置。
直流电动机转速n的表达式为：
式（3.1）
式中： ---电枢端电压； ---电枢电流； ---电枢电路总电阻；
---每极磁通量； ---电动机结构参数。
线性放大驱动方式和开关驱动方式是在直流电机电枢电压控制驱动中对半导体功率电器使用的两种不同的方式，而绝大数的直流电机采用开关驱动的方式。所谓的开关驱动方式是指使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，从而实现调速的目的。
在PWM调速中，占空比 是一个重要参数。下面三种方法都可以改变占空比的值：
（1）定宽调频法： 保持不变，改变 ，使周期T（或频率）也随之改变。
（2）调宽调频法： 保持不变，改变 ，使周期T（或频率）也随之改变。
（3）定频调宽法：保持周期T（或频率）不变，同时改变 和 [3]。
本论文采用的是定频调宽法。由于定宽调频法和调宽调频法都要改变频率，这样就使得系统的固有频率与控制频率接近从而导致振荡，因此不采用这两种。在脉冲的作用下，改变电机的通断时间就可以实现对电机转速的控制，即给电机通电时，电机转速增加；电机断电时，转速逐渐减小。如图3-1所示的脉冲宽度调速的系统原理图[4]。
摘 要
雨刮器是安装在挡风玻璃前方的片式结构，由电动机、减速机构、刮水刷片总成和驱动杆铰链等组成的。用于清除驾驶室挡风玻璃上妨碍驾驶员视线的雨水、雪花、尘土等污物。本设计基于光强变化的原理研究出一种新型汽车红外线雨滴传感器，它通过红外线雨滴传感器感知雨量的大小，同时使雨刮器自动工作在高速或者低速的状态下，取代了老式的机械结构雨刮器。
本设计提出了一种基于模糊控制的智能雨刮系统，它将模糊控制技术和雨刮同步摆动规则的知识相结合，解决了由于工艺生产缺陷所引起两个电机转速不一样而导致的雨刮摆动不同步的问题。本系统中模糊控制器的输入变化量为转速偏差以及转速偏差变化量的模糊化，然后由经验所得模糊控制规则来选择控制PWM的输入语言变量，再通过脉宽调制技术驱动直流电机，这样就可以使两雨刮片达到同步摆动的状态。
本设计基于单片机完成对雨滴传感器和模糊控制的软硬件设计，同时用MATLAB对本系统进行仿真，从得到的仿真结果可以看出本设计有效的提高了雨刮控制系统的响应速度和稳态性能。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:雨滴传感器模糊控制单片机雨刮器
目 录
1.引 言 1
1.1选题背景 1
1.2研究意义 1
1.3论文内容 1
2.汽车雨刮智能化的软件设计 3
2.1 雨滴传感器的流程图设计 3
2.2 智能雨刮器双电机控制的流程图设计 4
2.3 汽车智能雨刮器的主程序流程图设计 5
3.模糊控制在电机同步控制中的应用 6
3.1 直流电机的调速原理 6
3.2 模糊控制在电机同步控制中的应用原理 7
3.3 模糊控制器的设计 8
3.3.1精确量的模糊化 9
3.3.2 模糊控制规则的确定 11
3.4 论域、量化因子及比例因子的选择 11
3.4.1 论域及基本论域 11
3.4.2 量化因子和比例因子 11
3.4.3 量化因子和比例因子的选择 12
3.5 运用MATLAB设计模糊控制器 13
4.模糊控制系统的仿真及分析 18
4.1 模糊控制算法流程图 18
4.2 模糊控制与PID控制的对比分析 19
5.系统的调试及仿真 22
5.1 仿真软件的介绍 22
5.2 系统开发过程 23
参考文献 29
致 谢 30
附录A 程序 31
1.引 言
1.1选题背景
汽车是当今社会最重要的交通工具之一，是国民经济的支柱产业。目前，汽车已不仅仅是代步或运输的工具，它正在改变着人们的工作、生活和思维方式。汽车的快速发展，在很大程度上归结为汽车控制技术的进步。应用控制理论和技术，能改变汽车传统的机械装置，增加许多新的功能，使汽车的驾驶更为简单方便，乘坐更为舒适安全，更能使人类以前认为做不到的事情成为现实。
雨刮器属于汽车的附件，是汽车安全行驶的重要部件之一。对于驾驶员来说，雨雪天气行驶轿车，清除前挡风玻璃上的雨雪是很有必要的，因此雨刮器的使用保证了驾驶员行驶时的视野清晰度，汽车雨刮器直接影响乘车人员的生命和财产安全。近些年，在中国的汽车配件市场，人们对雨刮器的要求也变得越来越高。汽车雨刮器的发明至今已有一百多年的历史了，它从最初的手动式变成现在的电动式其结构上发生了翻天覆地的变化。随着汽车电子技术的不断发展和其他技术的革新，汽车雨刮系统正朝着智能化和人性化的方向不断地飞跃发展。
传感器是汽车控制系统的输入装置，用来测量被控量的大小。它把汽车运行中各种工况的信息变换成电压、电流、压力、位移等模拟或数字信号后输送到控制器[1]。因此在汽车雨刮系统中，智能雨滴传感器成为其不可或缺的重要组成部件。
1.2研究意义
雨天驾车行驶的安全性一直以来都是个问题，据统计其中百分之七的事故原因是因为驾驶员手动操控雨刮器所引发的，现代汽车上已经安装了各种各样的传感器，用来增加行车的主动性和被动安全性。雨滴感应式自动雨刮控制系统很好的代替了驾驶员手动操控雨刮器的步骤，使得驾驶员在雨雪天气行车时就无需手动调节雨刮器，大大降低了雨天行车的事故发生率提高了驾驶者行车安全性。
1.3论文内容
本论文结合了智能雨刮系统的特点，对以下几个问题进行研究：
1.论文系统的介绍了关于模糊控制的有关理论以及将模糊控制技术运用于汽车上的研究。在现代化智能汽车成长的旅程中，模糊控制技术受到了世界各国汽车研究者的重视，引起了一股模糊控制技术与汽车系统相结合的热潮。所以模糊控制将成为日后开发智能汽车的主流技术。
2.在传统的雨刮系统中，一直以来雨刮片都存在着摆动不同步的问题，这是因为生产工艺使得两个雨刮电机不具有完全相同的转速。本论文用模糊控制器代替传统的PID控制器解决了汽车智能系统中两个雨刮片的不同步问题。
3.运用MATLAB软件对模糊控制系统进行仿真实验，并且将PID控制系统放入此软件中同样进行仿真实验，最后对比两者得出的结果从中看出模糊控制系统设计的合理性。
4.利用Proteus和Keil软件创建近似于真实的单片机软、硬件运行环境，通过调试得到仿真界面并运行可以看出本设计的可行性。
2.汽车雨刮智能化的软件设计
2.1 雨滴传感器的流程图设计
本设计按脉冲的多少来进行大小雨的分配，当外部无雨时脉冲个数小于3；小雨情况下脉冲个数为3到12之间；大雨时脉冲个数则在大于12且小于20的范围内，由脉冲个数可以得到雨滴传感器的流程图如图2-1所示。
图2-1 雨滴传感器部分流程图
定时器的定时时间选取60ms，因为38kHz的脉冲中心频率进行128分频后的频率约为300Hz，也就是周期为3ms，即在60ms内最多可以接收20个脉冲。定时器的流程如图2-2所示。
图2-2 定时器流程图
2.2 智能雨刮器双电机控制的流程图设计
当励磁恒定时，直流电机的转速和电枢电压成正比例关系，因此通过调节直流电动机的电枢电压或者利用改变励磁的大小来达到对直流电机转速控制的目的[2]。控制直流电动机的电枢电压则是通过改变单片机输出PWM脉宽信号的占空比来实现的。汽车雨刮器电机的软件流程图如图2-3所示：
图2-3 雨刮器电机部分流程图
2.3 汽车智能雨刮器的主程序流程图设计
为了使雨刮系统中两个电机达到同步摆动的效果，我们将模糊控制技术引用了进来，即通过人的经验知识来调整PWM信号的占空比，使得系统获得良好的控制。这也就是克服了传统智能雨刮系统中，非线性因素对雨刮同步所造成的干扰。汽车智能雨刮器的主流程图如图2-4所示。
图2-4 汽车智能雨刮器的主流程图
3.模糊控制在电机同步控制中的应用
3.1 直流电机的调速原理
直流电机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。因为它具有良好的线性调速特性、简单的控制性能、较高的效率及优异的动态特性。所以长期以来，直流电机在调速控制中占据着重要的位置。
直流电动机转速n的表达式为：
式（3.1）
式中： ---电枢端电压； ---电枢电流； ---电枢电路总电阻；
---每极磁通量； ---电动机结构参数。
线性放大驱动方式和开关驱动方式是在直流电机电枢电压控制驱动中对半导体功率电器使用的两种不同的方式，而绝大数的直流电机采用开关驱动的方式。所谓的开关驱动方式是指使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，从而实现调速的目的。
在PWM调速中，占空比 是一个重要参数。下面三种方法都可以改变占空比的值：
（1）定宽调频法： 保持不变，改变 ，使周期T（或频率）也随之改变。
（2）调宽调频法： 保持不变，改变 ，使周期T（或频率）也随之改变。
（3）定频调宽法：保持周期T（或频率）不变，同时改变 和 [3]。
本论文采用的是定频调宽法。由于定宽调频法和调宽调频法都要改变频率，这样就使得系统的固有频率与控制频率接近从而导致振荡，因此不采用这两种。在脉冲的作用下，改变电机的通断时间就可以实现对电机转速的控制，即给电机通电时，电机转速增加；电机断电时，转速逐渐减小。如图3-1所示的脉冲宽度调速的系统原理图[4]。
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