汽车智能雨刷模糊控制系统设计

许霜霜+张振东+孔祥栋

摘 要：雨刷器是汽车电子产品中重要的安全部件之一。借助模糊控制理论，提出了一种基于模糊控制模块的汽车智能雨刷系统设计方案。该系统通过红外式雨量检测装置检测出车外雨量大小，雨量信息经过信号转换传送到雨刷控制器，不需要驾驶员的操作，自动运用模糊控制算法和脉冲宽度调制（PWM）技术调节雨刷器的速度，以保证挡风玻璃的清晰度。实验结果表明，所设计的智能雨刷模糊控制系统很好地达到了设计要求，性能稳定可靠且反应灵敏。

关键词：雨刷器；模糊控制；红外式雨量检测装置；PWM

DOIDOI：10.11907/rjdk.171260

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2017）007-0113-03

0 引言

随着科技的快速发展，人们对汽车安全、舒适性等要求越来越高，故众多高技术含量的汽车电子产品应运而生，雨刷器也是其中一个关键产品。据统计，由于雨天驾驶员手动操作雨刷，其精力受到很大干扰，全世界雨天行车发生的事故率高达7%，因此雨刷在雨天行车安全中扮演着重要角色[1]。目前，在汽车上使用的雨刷器种类大致分为5种：普通雨刷器、无骨雨刷器、手动调节式雨刷器、随速感应式雨刷器、雨量感应式雨刷器等，其中雨量感应式雨刷能够自动感应出挡风玻璃上的雨量大小，不需要驾驶员干预，可以自动处于工作状态，比较智能，极大地增加了行车安全。

智能雨刷控制器由于成本高，一般只出现在高档车型上，普通车型不便于安装以及无法承受高端产品的价格，但随着技术的日益完善与成本的大幅度降低，智能雨刷控制器也在向普通车型方向普及，故智能雨刷必然是一种趋势[1]。近年来，国内外许多汽车企业、科研机构等研究以模糊控制理论为基础的智能雨刷系统，用以代替传统手动操作的机械雨刷系统。本文设计的汽车智能雨刷控制系统基于Simulink中的模糊控制模块，利用模糊逻辑控制理论，以电机的转速误差E和电机转速误差的变化率EC作为输入量，以模糊控制器代替传统的PID调节器，具有很好的控制效果，可以有效地保持挡风玻璃的清晰度。

1 智能雨刷模糊控制系统设计

1.1 工作原理

基于模糊控制的智能雨刷控制系统的基本结构如图1所示，其主要由雨刷器机构、红外式雨量检测装置、模糊控制器、雨刷器电机、LIN总线等主要部件组成[2]。模糊控制器把来自红外式雨量检测装置通过红外线接收器与发射器传递的信息判断出雨量大小，继而将电机的转速误差E和电机转速误差的变化率EC作为输入，查找根据专家经验提前设定好的模糊决策表，输出脉冲宽度调制即PWM信号随时调节雨刷器电机的速度，清理挡风玻璃上的积水，为驾驶员提供良好的视野。

1.2 雨刷系统流程

设计的智能雨刷系统工作流程如图2所示。

1.3 雨量检测装置

传统机械雨刷一般分快慢两个速度档位以及复位档位，雨天天气时，需要驾驶员自我感知车外雨量大小，然后手动选择高速档或者低速档。然而雨天行车路况较晴天路况更为复杂，如轮胎与路面之间的摩擦力减小、制动距离增加等，手动调节雨刷档位必然会影响驾驶员开车注意力，这可能会带来很大的危险。智能雨刷控制系统根据雨量检测装置自动检测雨量大小进而控制雨刷速度，不需要驾驶员手动操作，可以大大增加行车安全性。

雨量检测装置安装在车内挡风玻璃上，由红外线光源发射器、玻璃棱镜和红外线光源接收器等主要部件组成。发射器以某一设定好的固定角度将红外光投射到挡风玻璃上，经挡风玻璃、反射棱镜发射到接收器，若挡风玻璃清晰度很高，接收器接受到的红外线总量与发射器发射的红外线总量基本相等，如图3（a）所示；当雨滴落在挡风玻璃上时，部分红外线会因为雨滴的折射分散出去，此时接收器收到的红外线总量小于发射器发出的红外线总量，如图3（b）所示[2]。雨量检测装置检测到雨水被激活后，会判断雨量大小并发送信息，单片机读取信息后，查找提前设定好的模糊决策表，共同传递到模糊控制器。

2 模糊控制器设计

传统的PID控制技术在多年的发展中已经趋于完善，搭建结构较为简单，已在多领域得到运用，但是也存在其弊端，当负载参数值在较大范围内波动时，此控制技术的优势就有所下降，并且非线性情况对其也有较大影响[3]。在汽车智能雨刷系统中，多种因素都可能影响其性能，例如由于天气、车速等带来的多种非线性情况，如果在雨刷系统中加入模糊控制技术，用来调整PWM信号的占空比，这样雨刷系统的控制效果将会得到较好的改善。

模糊控制设计的关键是模糊控制器的设计，模糊控制是一种利用人的经验知识和思维设计的控制系统，不需要建立精确的数学模型[4]。本文采用的是广泛应用的二维模糊控制器，将两个参数E（电机转速误差）、EC（电机转速误差变化率）作为控制器的输入信号，以控制量的变化电压U作为输出信号，经过比例变换后作为输入量传送到雨刷直流电机，进而实现电机调速系统的闭环负反馈的目的。基于模糊控制的雨刷器电机系统如图4所示，其中KE、KEC分别为误差E及其变化率EC的量化因子，KU为输出变量U的比例因子。增大量化因子KE会缩短信号上升时间，但是会增大系统超调量；相反，减小增量因子KEC会增大系统的超调量，不过响应速度则会变快；增量因子KU过小会使得动态响应过程变大，过大时则会造成系统震荡[5]。

为了软件设计方便，便于操作，雨刷直流电机控制系统中的E、EC、U都选择负大（NB）、负小（NS）、零（ZO）、正小（PS）、正大（PB）这5个语言变量值作为模糊论域。依据模糊控制理论知识，根据专家经验，得出如图5所示的有关E、EC、U智能雨刷模糊控制决策表。

在MATLAB中的命令窗口内输入“fuzzy”命令后即可调用模糊工具箱界面，设定E、EC、U的论域和模糊集，选择高斯型隶属度函数，可得电机的转速误差E和电机转速误差的变化率EC对应的隶属度函数分别如图6（a）、（b）所示，相应的三维隶属度函数分布如图7所示。

3 实验分析

3.1 模型搭建

本文利用MATLAB/Simulink中的Fuzzy Logic工具箱，借助Fuzzy Logic Control模块搭建智能雨刷模糊控制器系统，如图8所示。其中，以阶跃响应作为输入。

3.2 仿真结果

设置仿真终止时间为2s，取消过零点的限制，仿真采样时间间隔为0.01s，仿真结果如图9所示。从图9可以看出，运用模糊控制算法后，前期反应速度快，超调量较小，稳定性好，表现出系统具有良好的控制能力。

4 结语

在雨天行车时，驾驶员视线易被雨水遮挡，传统雨刷又难以确保挡风玻璃的清晰度，为了克服此缺点，提出了一种基于模糊逻辑控制的智能雨刷控制系统。本控制系统配备了红外式雨量检测装置，为了控制好雨刷器刮雨速度，在模糊控制算法和PWM技术基础上，通过红外光发射器及接收器获得降雨量的数据来达到控制的目的。实验结果表明，本文设计的智能雨刷控制系统无需驾驶员的过多关注，而且较好地保证了挡风玻璃的视野清晰度，做到了反应灵敏、工作稳定可靠，整体性能俱佳，为行车安全提供了很好的保障。

参考文献：

[1] 鲍迪.智能雨刷控制器的研究與实现[D].长春：长春工业大学，2010.

[2] 韩安太，郭小华.一种新型的汽车智能雨刷控制系统设计[J].自动化技术与应用，2008，27（10）：35-38.

[3] 赵岩，王哈力，王东辉.基于模糊控制的汽车智能雨刷系统设计[J].佳木斯大学学报：自然科学版，2006，24（4）：529-531.

[4] 闻新.MATLAB模糊逻辑工具箱的分析与应用[M].北京：科学出版社，2001.

[5] 侯勇严.模糊PID控制器与神经网络PID控制器的研究与应用[D].西安：陕西科技大学，2004.endprint