文獻(xiàn)標(biāo)識碼: B
文章編號: 0258-7998(2012)09-0131-03
面對酒后駕車這一當(dāng)今世界重大問題,,研究和開發(fā)新的防酒駕技術(shù)變得迫在眉睫。汽車酒駕報警減速器是一款基于MSP40和FPGA,、能夠檢測汽車室內(nèi)空氣中乙醇分子濃度,,并根據(jù)乙醇分子濃度和汽車運動狀態(tài)控制汽車運動狀態(tài)的系統(tǒng)。其構(gòu)成模塊的關(guān)系如圖1所示,該系統(tǒng)以MSP430為核心控制芯片,,并考慮到運算負(fù)擔(dān)和節(jié)能問題,,利用FPGA構(gòu)成一個基于模糊控制的PID算法的報警減速器,當(dāng)檢測到司機(jī)酒后駕車,,并發(fā)出聲光報警之后,,若汽車并未停駛,則觸發(fā)減速器工作,。
1 系統(tǒng)環(huán)境的模塊構(gòu)成簡介
1.1 傳感器及安放位置
空氣酒精濃度傳感器主要有半導(dǎo)體型,、燃料電池型、紅外線型,、色譜分析型及比色型等五大類,,由于價格和使用便利性等因素,普遍應(yīng)用的只有半導(dǎo)體型和燃料電池型兩種,。其中,,常溫型半導(dǎo)體型HS-3A酒精濃度傳感器[1]因靈敏度高、恢復(fù)速度快,、壽命長,,可以抵抗汽油、水蒸氣和煙霧的干擾,。等特點而受到廣泛應(yīng)用,。
為使檢測方便可行性高,系統(tǒng)不采用嘴吹氣的方式。而從司機(jī)的開車姿勢分析,呼出的氣流方向總是正對著方向盤,,方向盤處的乙醇分子濃度在車室內(nèi)總是最先達(dá)到最高濃度,,故將酒精濃度傳感器安放于方向盤,且進(jìn)氣口朝上,。
1.2 測速器的設(shè)計
系統(tǒng)環(huán)境模塊采用槽式光電對管的方法實現(xiàn),,圖2所示為測速碼盤,碼盤的邊緣是離碼盤中心距離相等,、排列間隔一致的過孔,。將碼盤安裝在汽車的變速齒輪箱或者輪胎轉(zhuǎn)軸上,用槽式光電對管的U形槽直接將測速碼盤夾在凹槽中央(測速碼盤能自由轉(zhuǎn)動),,當(dāng)測速碼盤轉(zhuǎn)動時便能測出汽車的速度,。
3 減速器設(shè)計及控制
整個減速器基于FPGA響應(yīng)并實現(xiàn),采用PID改進(jìn)算法。由于PID控制原理簡單,、使用方便,、參數(shù)KP、KI和KD能根據(jù)動態(tài)過程適時調(diào)整,,魯棒性強(qiáng),其控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不太敏感。但它對非線性和復(fù)雜過程的控制效果不佳,,因此在實際工業(yè)控制中均使用PID改進(jìn)的算法,。而模糊控制對于非線性、復(fù)雜的控制對象顯示出了控制性能高,、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點,。因此,基于模糊控制自適應(yīng)的PID控制算法[2],,即將PID控制算法與模糊控制算法相結(jié)合實現(xiàn)復(fù)雜的控制過程,,其減速器控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。
(1)當(dāng)e較小時,,汽車運動速度與期望值接近,,為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能,應(yīng)增加KP和KI,,同時,,為了避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近振蕩,應(yīng)適當(dāng)選取KD值,,選取原則如下:若ec較大,則KD取較小值;若ec較小,則KD取較大值,。
(2)當(dāng)e和ec為中等大小時,為使系統(tǒng)響應(yīng)的起調(diào)較小,,KP應(yīng)取較小值,。在這種情況下,KD的取值對系統(tǒng)影響較大,,KI和KD應(yīng)取值適當(dāng),以保證系統(tǒng)響應(yīng)速度,。
(3)當(dāng)減速控制系統(tǒng)響應(yīng)酒后駕車信號時, e較大,。為加快響應(yīng)速度,,取較大的KP和較小的KD,同時為避免速度超調(diào),,產(chǎn)生積分飽和,,應(yīng)對積分作用加以限制,一般取KI=0,。
根據(jù)以上分析,,制定出如表1所示的控制規(guī)則。
糊控制器根據(jù)規(guī)則中的輸入,、輸出模糊關(guān)系和實際輸入的模糊值得到輸出的模糊狀態(tài),。假設(shè)實際檢測的系統(tǒng)誤差和誤差變化率分別為e*和ec*,誤差連續(xù)取值范圍為e=[eL,eH],,eL表示低限值,,eH表示高限值,,則量化為模糊控制器的精確輸入為E*和EC*,分別表示如下:
最后利用式(12)即可實現(xiàn)對KP,、KI和KD的控制,,減速器仿真圖[4]如圖5所示。從圖中可知,,輸入端信號與輸出端信號基本重合,,可見基于模糊控制自適應(yīng)的PID控制器能夠很好地滿足控制要求。
基于MSP430的汽車酒駕報警減速器工作穩(wěn)定,,性能可靠,。經(jīng)實際檢測,當(dāng)車室內(nèi)空氣中乙醇分子的濃度達(dá)到聲光報警(酒后駕駛)點時,,能夠很好地作出響應(yīng),。如果在汽車靜止時檢測到屬于酒后駕車,則控制減速器工作的步進(jìn)電機(jī)將停止工作,;如果在汽車運動的過程中,,檢測到屬于酒后駕車,則MSP430將會觸發(fā)FPGA減速器,,使步進(jìn)電機(jī)工作,,迫使汽車平穩(wěn)地停駛,從而真正實現(xiàn)酒后駕駛報警減速的作用,,有效控制酒后駕車和預(yù)防交通事故的發(fā)生,。
參考文獻(xiàn)
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