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(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安 710048)

引 言

隨著人類社會經(jīng)濟水平和科技水平的不斷提高，汽車已逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢商娲墓ぞ?。隨著汽車使用量的不斷增加，汽車引發(fā)的道路交通事故等一系列社會問題也日益突出，汽車安全問題在世界各地都有著不同程度的困擾。據(jù)交通局統(tǒng)計數(shù)據(jù)，目前我國高速公路上70%的交通事故為輪胎氣壓問題引起的，而爆胎是目前汽車交通事故的重大殺手之一。本文設(shè)計了基于模糊控制帶剎車聯(lián)動作用的智能胎壓監(jiān)測制動系統(tǒng)，通過胎壓胎溫信息和模糊控制輸出制動力的大小，實現(xiàn)自動剎車動作，減少事故發(fā)生率[1-2]。

1 胎壓監(jiān)測系統(tǒng)框架設(shè)計

基于ZigBee的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)框架如圖1所示。ZigBee作為一種無線通信技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[3]。該部分主要分為4個從節(jié)點，分別對應(yīng)4個輪子，一個主節(jié)點作為主控制器和制動系統(tǒng)。傳感器將采集到的胎壓數(shù)據(jù)傳輸給從節(jié)點，然后從節(jié)點將數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換處理，再經(jīng)過ZigBee無線通信模塊將數(shù)據(jù)傳遞給主控制器，胎壓信息與主控模塊事先設(shè)置的胎壓范圍進行比較，進而決定對制動系統(tǒng)進行控制。

圖1 基于ZigBee的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 無線通信網(wǎng)絡(luò)

目前因為6LoWPAN無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用了IPv6技術(shù)，使其可以接入龐大的地址空間而受到歡迎，普遍認(rèn)為這種技術(shù)會成為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的事實標(biāo)準(zhǔn)。它和ZigBee有很多相似點，表1為ZigBee和6LoWPAN兩種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的簡單比較。

表1 ZigBee和6LoWPAN技術(shù)比較

由表1可知，ZigBee和6LoWPAN在功耗、網(wǎng)絡(luò)容量、自組網(wǎng)、安全性方面相差不大，但ZigBee的可靠性高于6LoWPAN，因本文設(shè)計的系統(tǒng)可靠性要求較高，所以選擇ZigBee作為傳感器與主控制器之間的通信模塊。

2.2 數(shù)據(jù)采集

為了對輪胎的壓力和溫度進行實時采集，本文采用英飛凌SP400胎壓監(jiān)測傳感器，相較于SP370有如下特點：封裝體積更??；能耗更低，靜態(tài)電流從550 nA降至245 nA；存儲容量更大，F(xiàn)lash增加了一倍；測量精度更高，只需一個26 MHz就可同時支持315 MHz和434 MHz的工作頻率[4]。

2.3 發(fā)射模塊

CC2530是一個具有IEEE802.15.4協(xié)議的無線收發(fā)器，同時具有數(shù)據(jù)包過濾模塊和地址識別模塊，從而可以快速定位到各個車輪的壓力和溫度值。為了降低功耗，在汽車未啟動的時候，收發(fā)模塊處于休眠狀態(tài)。汽車啟動時，通過加速度來喚醒MCU工作。通過不斷檢測啟動時的輪胎壓力和溫度，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)濾波、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字解調(diào)后輸出數(shù)字信號。發(fā)射模塊框圖如圖2所示[5]。

圖2 發(fā)射模塊框圖

2.4 接收模塊

接收模塊主要是通過天線將發(fā)射過來的胎壓、溫度、加速度數(shù)據(jù)經(jīng)過MCU處理，加上模糊控制部分實現(xiàn)隨著胎壓、溫度的變化，對制動力大小進行自動調(diào)節(jié)，當(dāng)數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閾值時，制動力達到最大值，從而實現(xiàn)胎壓和制動系統(tǒng)的聯(lián)動作用[6]。接收模塊框圖如圖3所示。

圖3 接收模塊框圖

3 制動系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電后對CC2530和顯示器初始化，首先獲取加速度的值并判斷其是否超過設(shè)定值，如果超過這個值，則獲取胎壓和胎溫的數(shù)據(jù)，然后對獲取到的數(shù)據(jù)判斷是否有效，如果有效，則在液晶上顯示，同時進入模糊控制環(huán)節(jié)，控制制動力的大小。其制動系統(tǒng)軟件總體流程如圖4所示[7]。

圖4 制動系統(tǒng)軟件總體流程圖

4 制動模糊控制器設(shè)計

4.1 模糊控制結(jié)構(gòu)設(shè)計

模糊控制器是一種基于規(guī)則或知識的系統(tǒng)。它是由IF-THEN規(guī)則組成的知識庫，一個模糊規(guī)則是用連續(xù)隸屬度函數(shù)對所描述的相關(guān)句子做出IF-THEN形式的描述，主要用于解決傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜、非線性問題。

該模糊控制器的輸入量為輪胎的壓力和溫度，輸出量為制動力的大小。首先胎壓和胎溫經(jīng)過模糊化得到模糊輸入量，再經(jīng)過模糊推理機匹配模糊規(guī)則中的規(guī)則，最后再經(jīng)過解模糊化輸出制動力的大小，從而可達到自動控制車輛的行駛速度[8]。其制動模糊控制器原理圖如圖5所示。

圖5 制動模糊控制器原理圖

4.2 輸入輸出量的確定

(1)

(2)

在式(1)、式(2)中，K為比例因子。設(shè)比例因子K均為0.1，輪胎胎壓F的模糊論域為[0,30]，輪胎胎溫T的模糊論域為[0,11]，制動力Br的模糊論域為[0,1.6]。輪胎溫度的語言變量T為很小(VS)代表溫度很低，小(S)代表溫度較低，中(M)代表溫度最佳，大(B)代表溫度較高，很大(VB)代表溫度很高。輪胎胎壓的語言變量F為很小(VS)代表胎壓很低，小(S)代表胎壓較低，中(M)代表胎壓最佳，大(B)代表胎壓較高，很大(VB)代表胎壓很高。輸出語言變量制動力Br為很小(VS)代表制動力很小，小(S)代表制動力較小，中(M)代表制動力最佳，大(B)代表制動力較大，很大(VB)代表制動力很大。輸入輸出變量隸屬度函數(shù)的取值需要根據(jù)控制系統(tǒng)特性進行合理的選擇。模糊控制器的變量均成線性變化，因此，在此系統(tǒng)選用三角形隸屬度函數(shù)，使其在整個論域中均勻分布，其輸入輸出變量隸屬度函數(shù)定義如圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)所示。

圖6 輸入輸出變量隸屬度函數(shù)

4.3 模糊控制規(guī)則的建立

模糊控制規(guī)則是設(shè)計模糊控制系統(tǒng)的核心，其實質(zhì)就是將駕駛員的駕駛經(jīng)驗加以總結(jié)而得到一個包含各種模糊條件語句的集合。模糊控制規(guī)則的確立原則是必須保證控制系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動靜態(tài)特性能夠達到最佳。

根據(jù)實際影響汽車制動距離有效參數(shù)的分析，當(dāng)胎溫T超過正常值范圍時，制動力Br應(yīng)隨著胎溫的增加而增加，當(dāng)胎壓F低于或高于正常情況下的胎壓時，為避免發(fā)生事故，制動力都應(yīng)增加。由這些關(guān)系可得到表2所列的模糊控制規(guī)則,圖7是輸出特性曲線。

表2 模糊控制規(guī)則

圖7 制動力輸出特性曲面

結(jié) 語