基于模糊控制的汽車防撞控制器的研究

史成芳，郭　緊

（蚌埠學院　電子與電氣工程學院，安徽　蚌埠　233030）

隨著社會的進步，私家車數量迅速增長，汽車的安全成為急需解決的問題，由于影響汽車安全行使的因素大部分是非線性的、不確定性的，傳統的控制方法已經無法從根本上有效解決汽車行駛的安全性.本文提出了一種模糊PID控制器方法，這種控制方法將操作人員長期積累的經驗知識用控制規則模型化，并運用推理實現對PID參數實行調整.

1　車輛前進運動定義的模糊集合[2]

汽車在運動中，駕駛員總是根據自己的車與前面車的距離和與前面車的相對運動速度來決定自己駕駛車輛前進的加速度.汽車的控制信號是由汽車的加速度來實現的，這個控制信號的大小取決于兩個方面，一個是己車與前車的相對距離，另外一個是己車與前車的相對速度，也就是相對距離對時間的導數.汽車的控制信號的實現是由駕駛員對油門和剎車的力度來實現的.相對距離大，相對速度小，可以通過深踩油門獲得較大的加速度，汽車加速行駛.相對距離小，相對速度大，可以用力踩剎車，使汽車減速行駛.兩車的相對距離，相對速度，汽車輸出的控制信號，這個變量可以采用模糊集合來實現.分為正大（PB），正中（PM），正小（PS），零（ZO），負大（NB），負中（NM），負小（NS），利用這些模糊子集形成駕駛員的模糊控制規則.

2　模糊控制器的設計

自適應模糊PID控制器以誤差E和誤差變化率EC作為輸入，利用模糊控制規則在線對PID參數進行修改，以滿足不同時刻的E和EC對PID參數自整定的要求[1].離散PID控制算法為：u(k)=kp{e(k)+

kp，Ti，Td分別為比例系數、積分時間常數、微分時間常數，T為采樣周期，u0為誤差為0的時候系統輸出，u(k)是第K個采用時刻的輸出.

PID參數自整定是找出PID的3個參數Kp，Ti，Td與E和EC之間的模糊關系.在運行中通過不斷檢測E和EC，根據模糊控制原理對3個參數進行在線修改，以滿足不同的E和EC對控制參數的要求，從而使被控對象有良好的動態和靜態性能.控制器的各變量的邏輯關系如圖1所示.

圖1　PID模糊控制器框圖

比例系數kp的作用是提高系統的相應速度，但是過大會使系統的穩定性變差，甚至會導致系統不穩定，積分時間常數Ti是消除系統的穩態誤差，Td的作用是改善系統的動態特性，對偏差變化進行提前預報，Td過大，會使得系統的響應過程提前制動，從而延長調節時間，而且過大會降低系統的抗干擾性能.

3　模糊控制器的輸入、輸出變量及其隸屬度函數

選定本車與前車的相對距離和相對速度為輸入變量，本車的加速度為輸出變量.每一個變量都可以用七個模糊子集來描述分為正大（PB），正中（PM），正小（PS），零（ZO），負大（NB），負中（NM），負小（NS）.中間變量為 kp，Ti，Td，模糊控制的各變量均采用三角形隸屬度函數來描述[3]，如圖2所示：

圖2　各變量的隸屬度函數

4　模糊控制規則表

E 和 EC 的模糊子集{正大（PB），正中（PM），正小（PS），零（ZO），負大（NB），負中（NM），負小（NS）}，參數 Kp，Ti，Td的模糊子集為{（PB），正中（PM），正小（PS），零（ZO）}，模糊控制規則如下：

4.1　整定的模糊規則表

4.2　整定的模糊規則表

4.3　整定的模糊規則表

表3　Td模糊控制規則表

5　結果驗證及仿真分析

避撞工作狀況，前導車與本車的相對距離45KM，前車速度90km/h，本車的速度為95km/h，相對車速為5km/h，前車突然采取緊急制動，本車跟隨前車減速并停止，仿真結果如圖所示：

圖3　仿真結果

由圖可以看出，在15秒左右，減速度最大，隨后瞬間達到了-2.5m/s2，比較小的加速度會使駕乘人員有較大的舒適性，在20秒左右汽車停車，停車時候兩車的車間距離大約10m左右，避免了與前車的追尾，有效的實現了避撞.

6　結論

根據上述仿真實驗結果，模糊自適應PID控制器能夠在高速公路上，前車突然緊急剎車的情況下，對本車實現減速控制，提高了汽車行駛的安全性，實現了高速公路行駛基本的避撞要求.本設計在保證安全的前提下，產生的沖擊度在人體可接受的范圍內[5]，從而實現了比較舒適的停車，使得該控制器體現出了人性化的設計.

參考文獻：

〔1〕劉金琨.智能控制[M].北京:電子工業出版社,2009.49-51.

〔2〕林粵彤,王飛躍,等.基于模糊神經元網絡的智能車輛個性自動駕駛系統的設計與實現[J].自動化學報,2001,27(4):531-542.

〔3〕張學軍,張岳峰.基于模糊邏輯的汽車防撞控制器的設計[J].電腦開發與應用,2008,21(8)：25-44.

〔4〕趙偉,魏朗,等.汽車側向避撞系統的模糊-PID控制仿真[J].南昌大學學報,2008,30(2)：159-164.

〔5〕王熔熔,李朋.基于模糊控制的汽車避撞系統建模與研究[J].公路與汽運,2012,149(2)：9-15.