杜冠峰,秦會斌

(杭州電子科技大學(xué) 新型電子器件與應(yīng)用研究所,浙江 杭州 310018)

0 引 言

隨著我國交通系統(tǒng)的快速發(fā)展，隧道的數(shù)量也成比例的增長。隧道照明作為公路隧道的重要組成部分，為隧道通行提供安全保障。但由于隧道照明系統(tǒng)的不合理設(shè)計(jì)使得高速公路隧道存在嚴(yán)重的過度照明現(xiàn)象，增加了隧道的運(yùn)營成本[1]。同時由于駕駛員駛?cè)胨淼篮婉偝鏊淼罆r，隧道內(nèi)外的亮度差過大時會造成“黑洞效應(yīng)”和“白洞效應(yīng)”[2]，降低駕駛員的可見度，造成交通事故，如何同時保證駕駛員的安全和隧道照明的運(yùn)營成本成為了公路交通的一個重要研究方向。

為減少隧道照明的電能損耗，張偉剛等人[3]設(shè)計(jì)了一種照明節(jié)能模糊控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)對采集到的亮度、車速以及車流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊處理后，自適應(yīng)調(diào)節(jié)隧道入口與出口處的亮度，雖然節(jié)能效果顯著，但隧道內(nèi)部的實(shí)際亮度無法達(dá)到《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》[4]所規(guī)定的安全亮度；Qin L等人[5]設(shè)計(jì)了一種基于交通量的隧道照明控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在在白天采用比例—積分—微分(proportional-integral-differential,PID)調(diào)光控制，在夜間采用“車進(jìn)燈亮，車走燈暗”的控制方法，該控制方法能滿足安全駕駛的需求，缺點(diǎn)是在白天仍是全時段開啟照明，在車流量較小的隧道節(jié)能效果還有待提高。

本文研究設(shè)計(jì)了一種基于車輛感知和模糊PID的隧道照明控制系統(tǒng)，通過車輛檢測控制隧道照明的開關(guān)，通過亮度探頭實(shí)時采集隧道內(nèi)外的亮度，并依據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》[4]使用模糊PID調(diào)節(jié)發(fā)光二極管(LED)燈使隧道內(nèi)亮度達(dá)到安全駕駛的需求。該系統(tǒng)能有效避免“黑洞效應(yīng)”和“白洞效應(yīng)”，同時有效降低隧道照明的能耗。

1 隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隧道照明控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集單元、亮度調(diào)節(jié)單元和數(shù)據(jù)處理及控制單元三個模塊組成：1)數(shù)據(jù)采集單元由亮度探頭、車輛檢測器和智能電表組成，用于采集車流量、車輛有無、隧道內(nèi)外亮度以及消耗功率等數(shù)據(jù)；2)亮度調(diào)節(jié)單元主要用于控制隧道燈的開關(guān)和使用脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)調(diào)光方式控制隧道燈的照明功率；3)數(shù)據(jù)處理及控制單元由運(yùn)行Windows 7系統(tǒng)的控制主機(jī)和兩個STM32單片機(jī)組成，其中STM32用于將數(shù)據(jù)采集單元采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦鳈C(jī)，以及將控制主機(jī)發(fā)送的調(diào)光指令轉(zhuǎn)換為PWM脈沖信號，控制主機(jī)使用給定的模糊邏輯計(jì)算需要調(diào)節(jié)的電壓大小，并提供人機(jī)交互界面。

圖1 隧道照明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 亮度檢測電路

亮度傳感器采用BH1750環(huán)境光傳感器，該傳感器內(nèi)置16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能通過雙行串行接口(I2C)直接輸出數(shù)字信號。亮度檢測電路如圖2所示，BH1750芯片的SCL為時鐘線，SDA 為數(shù)據(jù)線，分別與STM32的PB6和PB7連接，DVI為I2C總線的參考電壓終端同時也是異步重置終端，在VCC供應(yīng)后必須設(shè)置為電源掉電模式。

圖2 亮度檢測電路

1.2.2 調(diào)光控制電路

調(diào)光控制電路如圖3所示。

圖3 調(diào)光控制電路

本系統(tǒng)使用電磁繼電器用于LED的開關(guān)，由于STM32所輸出的電流無法直接驅(qū)動電磁繼電器，所以采用PNP晶體管作為放大電路來驅(qū)動線圈的閉合，又由于電磁繼電器是電感性負(fù)載，為保護(hù)繼電器，將D3作為續(xù)流二極管進(jìn)行保護(hù)。STM32輸出的PWM信號無法直接作用于LED，故使用STM32的PWM輸出與NPN晶體管Q3相連，通過控制Q3的通斷控制LED的亮暗從而起到調(diào)光的效果。

1.2.3 車輛感知電路

系統(tǒng)的車輛檢測采用霍尼韋爾公司的HMC1001磁傳感器，該傳感器能將磁場信號轉(zhuǎn)換為電信號[6]。該傳感器的輸出為差模信號，在傳輸過程中易引入共模信號，故采用儀表放大芯片AD623來抑制共模信號，典型電路如圖4(a)所示。HMC1001傳感器在受到強(qiáng)磁場的干擾時，輸出會有嚴(yán)重的誤差，為了消除該影響，在每次測量前需對HMC1001進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位電路如圖4(b)所示。

圖4 車輛檢測電路

1.3 軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖5所示，隧道入口處的車檢器檢測到有車通過時，開啟隧道內(nèi)的照明并使車輛計(jì)數(shù)加1，同時收集車流量、車速以及隧道內(nèi)外的亮度數(shù)據(jù)，依據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》計(jì)算出隧道內(nèi)部的需求亮度，之后使用模糊PID算法實(shí)時調(diào)節(jié)隧道內(nèi)LED的照明功率，使隧道內(nèi)實(shí)時亮度在車輛抵達(dá)隧道入口處前達(dá)到安全亮度。若隧道出口處的車檢器檢測到有車經(jīng)過，則將車輛計(jì)數(shù)減1，當(dāng)車輛計(jì)數(shù)為0時，表明隧道內(nèi)沒有車輛，此時關(guān)閉隧道內(nèi)的照明，調(diào)光結(jié)束。

圖5 系統(tǒng)工作流程圖

1.3.2 模糊PID調(diào)光控制

隧道照明控制系統(tǒng)的模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，其中Rin為需求亮度，Rout為經(jīng)過調(diào)節(jié)后的實(shí)際輸出亮度，e為亮度偏差值，ec為偏差變化率。每次調(diào)節(jié)前，模糊控制器通過分析輸入e和ec，不斷調(diào)整PID控制器的比例系數(shù)(Kp)、積分系數(shù)(Ki)和微分系數(shù)(Kd)，從而滿足不同的e和ec對控制器參數(shù)的要求，使被控對象具有更好的動態(tài)性能[7]。

圖6 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖

模糊控制器主要由模糊化、模糊控制規(guī)則和反模糊推理三個模塊組成。

1)模糊化是將控制系統(tǒng)的偏差及偏差率的值映射到對應(yīng)的模糊語言變量值[8]。本系統(tǒng)將亮度偏差值、亮度偏差變化率以及輸出的PID參數(shù)的論域設(shè)為[-3,3]，將模糊控制器的輸入和輸出變量的模糊子集均劃分為{NL,NM,NS,ZO,PS,PM,PL}，即{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}。

2)模糊控制規(guī)則作為模糊控制的最重要的部分，設(shè)計(jì)時需要充分考慮其完整性，并避免相互矛盾的控制規(guī)則，依據(jù)相關(guān)技術(shù)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)建立的模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 輸出變量模糊控制規(guī)則表

3)利用重心法進(jìn)行反模糊化[9]，可以得出PID控制參數(shù)的調(diào)整量。PID控制器的參數(shù)實(shí)時校正公式如下

Kp=ΔKp+Kp0，Ki=ΔKi+Ki0，Kd=ΔKd+Kd0

(1)

式中Kp0，Ki0，Kd0為PID控制器的初始值，一般使用試湊法確定[10]。

1.3.3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)使用Visual Studio為開發(fā)平臺，基于C#語言編寫，提供圖形顯示界面及人機(jī)交互功能。通過串口通信，能夠顯示實(shí)時亮度、色溫、功率等數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)部亮度的實(shí)時控制。上位機(jī)軟件如圖7所示。

圖7 上位機(jī)軟件

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 車輛感知分析

由圖8可以看出，當(dāng)有小車經(jīng)過時，采集到的電壓會有較為明顯的變化，通過判斷車輛感知電路的電壓變化情況可以判斷出是否有車輛經(jīng)過。

圖8 車輛感知電路檢測電壓

2.2 調(diào)光效果分析

使用MATLAB對模糊PID及傳統(tǒng)PID照明控制進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖9所示。從圖中可知，理想狀態(tài)下模糊PID和傳統(tǒng)PID控制的調(diào)光速度相差不大，但發(fā)生光衰現(xiàn)象后，使用模糊PID控制達(dá)到安全亮度的時間和達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間明顯短于傳統(tǒng)PID控制。故使用模糊PID控制的具有更好的抗干擾性，能有效的減少光衰現(xiàn)象對調(diào)光系統(tǒng)的影響，延長LED燈的使用壽命。

圖9 仿真結(jié)果對比

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于車輛感知和模糊PID算法的隧道照明節(jié)能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用“車進(jìn)燈亮，車走燈滅”的控制策略，并使用模糊PID算法控制隧道照明，加快隧道內(nèi)部亮度的調(diào)節(jié)速率并且減少光衰現(xiàn)象對照明系統(tǒng)的影響。在保證了駕駛員安全的同時，最大程度地減少了隧道照明的電能損耗。