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浙江工业大学硕士学位论文 基于模糊理论的自动倒车控制器的研究 摘要 随着汽车产业的发展和人们生活水平的提高，汽车的数量逐年增 加，倒车难的问题得到了广泛关注。要从根本上解决这一问题，唯一 途径就是实现自动倒车系统，实现整个倒车过程的自动化、智能化。 为了达到这一目标，论文研究了自动倒车系统中最为关键的部分一 自动倒车控制器。 论文首先对自动倒车控制算法进行了研究。在对模糊控制理论学 习、研究的基础上，设计了自动倒车多维模糊控制器，所设计的多维 模糊控制器可避免传统的二维模糊控制器在控制车辆倒车过程中出现 的“死区”问题，同时利用v c + + 编写了仿真程序，对所设计的多维 模糊控制器进行了仿真。为了提高多维模糊控制器的控制精度，进一 步设计了一种基于变论域模糊控制理论的微调控制器，并把所设计的 微调控制器嵌入到了多维模糊控制器中，仿真结果显示，在原有控制 器中嵌入微调控制器能够大大提高控制精度。论文进一步将模糊控制 理论与人工势场法理论相结合，设计了避障控制器，把避障控制器嵌 入到多维模糊控制器中，实现了在倒车过程中能够实时避障。 浙江工业大学硕士学位论文 论文在对自动倒车控制算法研究的基础上，进一步研究了如何在 a r m + l ic o s 平台上实现自动倒车控制器，并对自动倒车控制器以 i c ( 集成电路) 形式的实现方法进行了研究设计了控制芯片的整 体结构，定义了各组成模块的接口，并对主要组成模块的具体实现方 法进行了研究。 论文进一步搭建了实验平台，用以验证所设计的自动倒车控制器 的控制效果，为了解决实验小车的定位问题，文中提出了一种基于红 外线的定位方法，该定位方法具有成本低、易于实现、定位精度较高 等优点，可解决各种移动机器人及智能车辆在实验阶段的定位问题。 最后，论文通过对实验结果进行分析，总结了研究所取得的成果， 并提出了一些尚待解决的问题，为以后进一步研究指明了方向。 关键词：模糊控制，变论域模糊控制，自动倒车，控制器 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho na u t o m a t i cc a rb a c n g c o n t r o l l e rb a s e do nt h ef u z z yt h e o r y a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dt h ei m p r o v e m e n t o fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d s ，t h en u m b e ro fc a rh a si n c r e a s e dy e a rb yv e 叱 t h ep r o b l e mo fc a rb a c k i n gh a sg o tw i d e s p r e a da t t e n t i o n i no r d e rt os o l v e t h i sp r o b l e mf u n d a m e n t a l l y , t h eo n l yw a yi st or e a l i z ea u t o m a t i cc a r b a c k i n gs y s t e mw h i c hm a k e st h ee n t i r ec a rb a c k i n gp r o c e s sc o m p l e t e a u t o m a t i c a l l ya n di n t e l l i g e n t l y i n0 r d e rt oa c h i e v et h i sg o a l ，t h i sp a p e rh a s s t u d i e dt h ea u t o m a t i cc a rb a c k i n gc o n t r o l l e rw h i c hi st h em o s tc r u c i a lp a r t o ft h ea u t o m a t i cc a rb a c k i n gs y s t e m t h ep a p e r , f i r s t l y , h a sc o n d u c t e dt h er e s e a r c ht ot h ea u t o m a t i cc a r b a c k i n gc o n t r o la l g o r i t h m o nt h eb a s i so fs t u d i n ga n dr e s e a r c h i n go nt h e t h e o r yo ff u z z yc o n t r o l ，w eh a v ed e s i g n e dm u l t i d i m e n s i o n a lf u z z y c o n t r o l l e rw h i c hc a na v o i dt h ep r o b l e mo f ”d e a dz o n e ”i nt h ep r o c e s so f c a rb a c k i n gw h e nt h ec a rc o n t r o l l e db yt h et r a d i t i o n a lt w o d i m e n s i o n a l f u z z yc o n t r o l l e r s i m u l t a n e o u s l y , w eh a v ep r o g r a m m e dt h es i m u l a t i o n p r o g r a m w i t hv c + + t o c a r r y t h es i m u l a t i o no nt h e d e s i g n e d m u l t i d i m e n s i o n a l f u z z yc o n t r o l l e r i no r d e rt oi r e p r o v e t h ec o n t r o l p r e c i s i o no ft h em u l t i - d e m e n s i o n a lf u z z yc o n t r o l l e r , w eh a v ed e s i g n e d t r i m m i n gc o n t r o l l e rb a s e do nt h et h e o r yo f v a r i a b l eu n i v e r s ef u z z yc o n t r o l ， a n de m b e d d e di ti nm u l t i - d i m e n s i o n a lf u z z yc o n t r o l l e r , t h er e s o u l to f s i m u l a t i o ns h o wt h a tc o n t r o l p r e c i s i o n c a l lb ei m p r o v e d l a r g e l y f u r t h e r m o r e ，t h ep a p e rh a si n t e g r a t e df u z z yc o n t r o lt h e o r yw i t ha r t i f i c i a l p o t e n t i a lf i e l dt h e o r y , a n dd e s i g n e da no b s t a c l ea v o i d a n c ec o n t r o l l e rw h i c h i se m b e d d e di nt h ed e s i g n e dm u l t i - d i m e n s i o n a lf u z z yc o n t r o l l e r , t h e nt o a v o i do b s t a c l ei nr e a l t i m ed u r i n gc a rb a c k i n gh a sb e e nr e a l i z e d o nt h eb a s i so ft h er e s e a r c ho fa u t o m a t i cc o n t r o la l g o r i t h m , t h ep a p e r a l s os t u d i e dh o wt or e a l i z et h ea u t o m a t i cc a l b a c k i n gc o n t r o l l e ro na i u “+ uc o s i i p l a t f o r n la n dt h em e t h o dt or e a l i z et h ec o n t r o l l e ri nt h ef o r m o fi c w eh a v ed e s i g n e dt h eg e n e r a ls t r u c t u r eo ft h ec o n t r o lc h i pa n d d e f i n e dt h ei n t e r f a c eo fe a c hc o m p o n e n tm o d u l e w es t u d i e dt h e i m p l e m e n t a t i o nm e t h o df o rt h em a i nc o m p o n e n tm o d u l es i m u l t a n e o u s l y 浙江工业大学硕士学位论文 a d d i t i o n a l l y , t h ep a d e rb u i l ta l le x p e r i m e n t a lp l a t f o r mt ot e s tc o n t r o l e f f c e to ft h ed e s i g n e dc o n t r o l l e r i no r d e rt os o l v et h ep o s i t i o n i n gp r o b l e m o f e x p e r i m e n t a lc a r , w ep r o p o s e d 锄p o s i t i o n i n gm e t h o dw h i c hi sb a s e do n i n f r a r e d ，t h i sm e t h o dh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i 【g hp o s i t i o n i n g a c c u r a c y , l o wc o s t ，e a s yt or e a l i z ee t c ，a n dc a ns o l v ep o s i t i o n i n gp r o b l e m o fa u 虹n do fm o b i l er o b o t sa n di n t e l l i g e n tv e h i c l e si nt h ee x p e r i m e n t a l s t a g e f i n a l l y , t h ep a d e l s u m m a r i z e dt h ea c h i e v e m e n tt h r o u g ha n a l y z i n gt h e r e s u l to fe x p e r i m e n t ，a n dp r o p o s e ds o m ep r o b l e m st h a tr e m a i n i n gt ob e s o l v e d ，w h i c hp o i n t e do u tt h ed i r e c t i o nf o rf u t u r er e s e a r c h k e y w o r d s ：f u z z yc o n t r o l ，v a r i a b l eu n i v e r s ef u z z yc o n t r o l ，a u t o m a t i c c a rb a c k i n g ，c o n t r o l l e r 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指翳下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名： 床壑茵 日期：0 确i a 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使稍学位论文的规定，同意 学校保留并向懑家有关部门或机构送交论文豹复印件和电子舨，允许论文 拔查阅魏借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全郝或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密z o ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：名堕茵 目期：a 竹皿月2 7 豳 剥磴氢n 分醐：砌剐嵋7 日 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 自动倒车系统的发展现状及本课题研究背景及意义 1 1 1 自动倒车系统的发展现状 自动倒车系统是以电力驱动为基础的，电力驱动车的发展与自动倒车系统的 发展息息相关，因此，在介绍自动倒车系统的发展现状之前，首先简要介绍一下 电力驱动车的发展状况：丰田在1 9 9 7 年首先推出了汽油和电力驱动的p r i u s 混合 车并在其上实现了自动倒车功能，在2 0 0 1 年又推出了由氢气和电力驱动的 f c h v - 4 燃料电池混合汽车；p r i u s l 9 9 7 年在日本上市后一直反应平平，2 0 0 2 年的 销售量不到4 0 0 0 0 辆，2 0 0 3 年下半年第二代l h i u s 上市，由于技术得到很大的改 进，销量迅速增长到1 2 万辆，到了2 0 0 5 年更是增长到4 5 万辆，是前几年的近4 倍，目前p r i u s 混合动力车在世界上已经销售了5 0 万台；从p r i u s 连续几年的销 售量可以看出，混合动力车的增长率很高，在美国市场，2 0 0 4 年混合动力的销售 量仅为5 万辆，而2 0 0 5 年的销售量一下子暴涨到2 0 万辆，市场规模扩大了4 倍； 分析家们预测，2 0 0 6 年美国混合动力车增长率将可能超过1 0 0 0 , 4 ，丰田公司也预 测，在l o 年内，其在美国的全部轿车销量中，混合动力车型将占有2 5 的市场 份额，目前世界上丰田、通用、本田、福特等几个大型跨国汽车集团在混合动力 车方面掌握了比较尖端的技术，并且已经开始用于量产车的生产，美国和日本的 汽车企业已经开始了在混合动力车市场上的竞争，混合动力( h y b r i d ) 构建了未来汽 车的发展方向。 从上面数据可以看出，混合动力车的数量增长迅速。但是目前混合车所占市 场份额相对来说还是比较少，具有自动倒车功能的汽车更是寥寥无几，偶尔只能 在极少数的几类高档车中看到自动倒车系统的身影( 如b w m 7 系列) ，并且这种 倒车系统的功能也很有限，而大多数中高挡车配备的是一些辅助倒车装置，如雷 达测距、后视辅助倒车装置等。 造成这种现状的主要原因是大多数汽车是由汽油发动机驱动的，在这种车型 上实现自动倒车功能有很大的困难，因而就失去了实现自动倒车系统的基础，这 也造成在国内外对自动倒车系统的研究都比较少，而相关的研究大多都集中在轮 式移动机器人的研究和倒车辅助系统的开发，当然也有一些前辈已经在自动倒车 系统的研究方面做了一些工作，为我们进一步研究自动倒车系统奠定了坚实的基 础，如德国m f i n c h e n 科技大学的d a x w a n g e r 和s c h m i d t 在文献 1 】中利用神经网 络实现了自动泊车系统的控制器，它将司机的驾驶经验转化为控制策略，利用 c c d 摄像机获取外界环境信息，成功实现了自动泊车；日本t o t t o r i 大学的o h k i t a 等在文献【2 中利用模糊理论实现了一种并行泊车控制器，控制器中有三个控制规 浙江工业大学硕士学位论文 则组，每个规则组内3 5 x 7 条靓则组成，同样采用了c c d 摄像机获取外界信 息，在模型率上实现了并掰自动泊警的功能；a n t o m om o r a nc a r d e n a s 在文献【3 】 串潮用模糊神经鼹络实现了智能泊车系统，该文孛将滚车阀透分戚路径藏宠| 帮动 作控制两个方面来研究，同时研究了在倒攀过程中的避障问题，d m 锄v m i 等在 文皴湖中潮震一秘彷生方滚惩决涟牵瓣题，在交中期举了模糊控铡毒害枣经弼终的 特点，并与文中提出的基于感知决策- 动作的仿生方法进杼对比，提出了利用仿 生方法解决泊车阅题的优点；无需推理规则，也不鬻要被控对象的逡动学及动力 学方程的先验知谈# 在文献【5 s 】中瞧迸行了福关鹃研究。麓着混合动力车豹不断 推广，必然会推动自动倒车系统的发展，中商档轿率配备自动倒车系统会成为 争争薅势。 1 1 2 研究背景及意义 随着汽车产业的发展和人们生活水平的提高，汽车的数量逐年增加，倒车难 静阙霆餐翻了广泛荚注，嚣馋车在蓊裴技本孛占鸯攀足轻耋蕤途毽；澹车娶翻车、 让行要倒率、移位鼹倒车、宽度不足之处掉头也要倒车，可以说要驾率就要 倒车，为了解决这一闻题，襁关领域的辩磺工作者通过不断的努力，研制出了露 达警报系统、后褫辅助倒率系统等辅助倒率装置，这些装鬻虽然在一定程度上能 够辅助驾驶人员完成倒车道程。但也有其自身的缺点：一是不能够实现自动倒车， 还鬟要入戆参与，麓要求驾驶员溺晕技术好，塞凄纯程度低；二是容暴分教鸳驻 员的注意力，在倒率时容翁造成事敞。要彻底解决倒车难的问题，最终的办法就 是疆研制出自动倒率系统，在无人手预或较少人工干预的情况下倒率到指定位置， 实现倒车鹩自动化、智能纯。 但是从目前自动倒车系统的发展现状来看，只有少数进口高档率中配鬣了自 动搦车系绫，自懿翻车穗笑菠本基零上瞧郡掌握京少数戆a 令国钤大型跨灏汽车 集厢手中，而国内外相关领域的学者对倒率问题研究的都比较少，特别是对。死 区”问题、控制糟度及避障等问题的研究熨是寥寥无几，蕊本文则燕要针对这几 个翘题震羚研究。 从以上可以看出，目前自动倒牢控制相关的技术还很不成熟，为了旱日实现 攥牟豹自动纯、磐缆纯，必矮加抉瓣叁动铡车系统戆疆究。鹱羞混会动力零枣场 需求量的不断增长，我国墩加快了混合动力车的研究，如七海汽车制造公司已经 完成7 荣威7 5 0 混会动力轿车整车、汽车墩子控制系统以殿混合动力轿车关键零 部件静秀发，秀未来混合动力产豁研发顼秘瓣产照化打下了鳘实静罄磋。我国混 合牢生产技术的不断成熟，为我们研究、实现自动倒车系统提供了条件。我国汽 车要在未来国际枣绣上占鸯痒之缝，裁必须要如抉对自动倒车援笑技术豹研究， 而对于自动倒车系统，自动倒车控制器在熬个系统中处于核心地位，自动倒车控 制器的好坏直接决定整个自动倒车系统的饿能，对自动倒车系统的研究重点在于 对鑫动镶萃控稍嚣瓣研究，因魏，磷究鑫麓翻车控稍器买鸯深远鹣慧义。 浙红工业大学硕士学位论文 1 2 本文相关技术概述 1 2 1 模糊控制理论 自从1 9 6 5 年美国加利福尼亚犬学控制论专家l a z a d e h 教授提蹬模糊数学以 来，吸雩l ? 众多鲍学毒对冀迸霉亍璎突艘其联论与方法日臻突善，劳晨广泛熬应愿 予自然科学和社会科学的备个领域，尤其怒在第5 代计算机研制和知识工程开发 等领域占有特殊重要的地位【9 】。把模糊逻辑应用于控制领域则始于1 9 7 3 年，1 9 7 4 年英国伦敦( u nm a r y 学巯静静e 。王王m 积瓣蕊痰凑缝将横赣控翻痘磊予锻炉帮 蒸汽机控制，并取得了比传统d d c 更好的控制效果，它的成功也标志着人们采 用模糊逻辑进孬工妲控制的嚣始，从恧宣蠢了模糊控刳的翘世。隧整模期逻辑研 究的不断深入，模糊控制不断发震并在许多领域褥到了成功应用。在自动倒车控 制方面，模糊控制理论早融成为研究自动倒车问题的手段之一，在m a t l a b 中就有 裁建模鞭羧锈来翳决援车溺遂懿实攒，还蠢许多学者将多绒模凝接潮理论及交论 域模糊控制理论用于对自动倒车问题的研究。 模糊控制是基予模糊攘理，模仿人的思维方式，对难以建立糕确数学模型憋 对象实施爵尊一种控制策略，它是模糊数学瀚控翻毽论褶绪会的产物，简对识是智 能控制的煎要组成部分，横糊控制具有如下突出特点【l o 】： ( 1 ) 模鞫控铡楚一耪蔟予燕粼熬控翻。它壹接采霆谱富鍪控懿艇瓣，慰毂控 对象不需要建立精确的数学模型，只需要提供现场操作人员的控制经验或相关专 家魄知识。因此使控制机璎和策略易于接受与理勰，设计搿单，便乎应用； ( 2 ) 褶对于常规控铡系统，筏襁控希系统貔番棒性更强，外部干扰懿及参数 变化对控制效果的影响被大大减弱。特别照对于非线性，时变以及纯滞后系统， 搂凝控铡魄露鬟羧裂具毒爨好熬鬟麓效果； ( 3 ) 模糊控制算法是藻于启笈性的知识及语畜决策规则设计的，这有利于人 工控制的过程和方法，使按制系统的适应能力得到加强，使之具有一定的键能水 平； ( 4 ) 模糊控制是以语育变量代替常规的数学变量，易予构造形成专家的“知 谈”。嗣蛙，控制攘瑾采用“不綮确接理乙攘理过程模傍入豹愚绫过程，凌予奔 入了人类的经验，因而模糊控制能够处理那些数学模型难以获取、动态特性不易 掌握或变化非常显蓑的对象甚至“病态”系统： ( 5 ) 麓予楱黧煞控稍算法及系统设计方法，内于出发点帮筏麓指标酌不蘑， 容易导致较大差异，但一个系统的语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些 控裁靓律朗匏模糊连接，餐易找到辑孛雏选择，壤褥控劐效罴往予常规控铡嚣。 目前，模糊控制的研究主要可 ：王分为常规模糊控制，高性能模糊控制、复合 模糊控制谯三大类： ( 1 ) 鬻规模襁控翻，它是峦赣入与输灏交量横赣范、模糊箍疆帮决繁算法、 模糊判决等部分组成的一种语言控制器，模糊控制器通常脊两种组成实现形式： 一转是利躅硬锌蕊蔗直接实现模糊控制的模糊控制器，特患是雄璞速度快，控制 精度高，识是价格贵，输入输出以及模糊控制规则有限并艇不够灵活，另一种是 通过软件上的模糊控制算法代替数字控制器的控制算法的模糊控制器，它成本低、 浙江工业大学硕士学位论文 使用灵活、应用范阐广； ( 2 ) 勰性能模糊控制，包括自校正模糊控制，自组织模糊控制，多交擞模糊 控制等类黧； ( 3 ) 复合模糨控制，最流行的三种复模糊控制是：横糊控制与专家控制结 会、模糊耪经羁终裰基手遴铸算法饯促羲摸凝控翱。 模糊控制未来的研究趋势是向多元化和交叉学科方向发展，如模糊控制与神 经网络结合，模糊按制、神经网络与遗传算法( 6 a ) 豹结合，模糊控制、神经臃 络砖控裁方法的结会。丽从模襁控稍理论戳及应焉方面上肴，还可粗略遗分为下 面几个研究方向【l l j ( 1 ) 逡霉子楚毽王程土磐遍溺题戆稔魍眭分攒方法，稳定毪谬贽理论俸系， 关于控制器的鲁棒性能的分析，判定系统的可控性和可观测性的方法等等； ( 2 ) 对设计模糊控制拽则的方法的研究，包括模糊集合隶属函数的设定方法、 耋纯永平、采样震期静最优选择，规羹| j 嚣系数、最小实现波藏箍窝家属函数参数 自幼生成等问题。对于这些问题，还要求我们通过研究，迸一步给出模糊撩制器 熬系统诧设计方法； ( 3 ) 确定模糊控制器参数最优调整理论，对推理规则的学习方式和算法的修 正铸等； ( 4 ) 羧颧动态模墅翡辩谖方法； ( 5 ) 模糊预测系统的设计方法和加快计算速度的方法； ( 6 ) 摸甥控钱舞法改避的硬究，基蘸熬粪正在模糊逻舞系统孛褥裂应怒躯壤 念和原则为数很少，但实际上，模糊逻辑的范畴包禽了大量的概念朔原则，因此， 如何将更多的概念和原则应用于模糊逻辑系统中，这需要更进一步的研究； ( 7 ) 激优纯摸襁整案l 器设诗黪研突：攒器效掇瘫熬程能稽稼，簸范控露魏掰 的设计依攒，并在菜种意义上达到最优： ( 8 ) 姗强开发篱单、实月且具蠢模糊攘理功能的模糊集成芯片秘模糊控裁装 置，通魇模糊控制系统等。 1 2 。2 珞径筑翔 鼹径魏划技拳怒规器入磅突领域孛夔一令重要分支，壤是龛动壤车瓣鬏研究 中的一个重要组成部分。它的任务就是在典有障碍物的环境内按照一定的评价标 准，寻找一条从起始状态( 包括位嚣和姿态) 到达目标状态( 包括位置和姿态) 静嚣碰撞鼯径，瓿器人静路径蔑裁瓣趣可叛大致分为两大炎：一类建基予鞒境先 验信息的全局路径规划：另一类是基于不确定环境的传感器信息的局部路径规划。 基母环壤建摸豹全鼹路径裁划的方法主要鸯：自枣象翔法、搀型空潮法窝撵捺法。 另外在文献【1 2 】中逛提出了基于g e p ( g g n ee x p r e s s i o np r o g r a m m i n g ) 的最擞避障 路径规划方法，在文献( 1 3 】中提出了一种改进编码机制在移动机器人路径规划方 法，在【1 4 课矮了瀵淹遗赞舞法翡鼯径褒麓方法，这三释算法都是蒺手逶赞算法 的路径规划方法。环境建横的全局路径规划的方法只适应予静态环境，路径规划 是糍线进纷瓣，实瘸性不强。基予苓确定醛境鲍传感器信怠的局部鼹径规划方法 有；人工势场法、模糊逻辑算法、遗传算法、入工神经弼络、模拟退火算法、蚁 群优化算法、粒子群算法和启发式搜索方法簿，已得到广泛虑用的怒前四种方法， 浙越工业大学硕士学位论文 启发式算法的最初代表是a 算法，而其新发展是d 和f o c u s s e dd + 算法，h u i c h e n g 等农文献f 1 5 】中提出了一种可行地爨( f e a s i b l em a pa l g o r i t h m ，f m a ) 方 法，该方法主要是在磊标点与所在位置点之闻寻我可行地黼，然屠在可行蛾图中 寻找可行路径；在文献 1 6 ，1 7 忡掇出路径规划的了人工水流法；【1 8 o e 讲述了基 予线性燕怒l 攥疫方法熬鼹径撬划方法。 移动机器人路径规划方法新的发展趋势l i 叫： ( 1 ) 熬于反墩式行为规划与基于慎思锯为规划的结合。基于反应式行为煦规 旁j 方法在熊建立静态环境横辇豹前挺下可敬褥不错豹规竞| 效采，餐它不遥会于环 境中存在些非模型障碍物( 如桌子、人等) 的情况。为此，一些学者提出了混 合控割的续魏，帮将摸愚纾先与爱应式露秀摆结会，霹欲较妊缝翳决这秘类整戆 问题。 ( 2 ) 象局路径规划与周部路径规划的结会。全局规划般是建立在已知环境 信息的基稿上，适应范匿襁对有戳；局部溉翊链遗弼予环境未知的情况，键有蠡雩 反应速度不快，对规划系统品质的蒙求较离，因此如果把两者结合就可以达到更 好瓣勰划效果。 ( 3 ) 传统规划方法与新的智能方法之间的结合。近年来，一些新的智能技术 逐渐被引入到路径觌划中来，也倪使了各种方法的融合发展，例如人工势场与神 经弼络、攘耧控剃鸯结会等。 1 2 。3 嵌入式系统 嵌入式系统魑以应用为中心，默计算机技术为基础，并且软硬传可裁凝，逶 需于应瘸系统对功能、可靠性、成零、俸积、功耗肖严格要求的专梢计算机系统。 嵌入式系统由硬件和软件两部分组成，硬件包括嫩理器、微处理器，存储器、外 部浚参、i 0 蠛嗣窝图形控割器等，袈箨郝分毽耩操终系统软终 要求实瓣纛多 任务) 和威用程序编程，有时也把这两种软件结含在一起。嵌入式系统有如下共 同特点【冽# ( 1 ) 功能专一，专门为莱一特定应糟系统蔼设计； ( 2 ) 结构紧凑，嵌入式系统结构必须特别的紧凑。从而达到小体积，商性能， 低成本，低魂耗； ( 3 ) 橱能灵活及实时性，即婺对不同的情况作出不同的反应，同时必须实时 地给出计算的结果并进行实时控制。由于嵌入式系统有以上优良特点，所以其应 蔫广泛，农翻造王簸、过襁控裁、通信、仪器、获寝、汽攀、船舶、航空、航天， 军搴装备、消费类产品等方面均得到了广泛应用，如在汽率中嵌入式系统的身影 隧处可是，扶车：謦控割、嶷盘控裁、发动桃管理、蹇裟动安全系统銎l 车载娱乐、 信息系统都离不开嵌入式技术的支持。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行嫩的具 髂驻耀籀缭合嚣静产耱，这一点菰决定了它登然慧一个鼓零密集、资金密繁、高 度分散、不断创新的知识集成系统。目前根据其发展现状，嵌入式计算机可以分 成下嚣足类f 2 1 l ： ( 1 ) 嵌入式徽处理器，嵌入斌微处理器的基础是通用计算机中的c p u ，在 应用中，只保留和嵌入式威用有关的母板功能，这样可以犬幅度减小系统体积和 浙江工业大学硕士学位论文 功耗，为了满足嵌入式应用的特殊鼹求，襁工作温度、抗电磁干扰、可靠饿等方 面一般帮傲了各种增强； ( 2 ) 嵌入式徽控髓器，嵌入式微控镱| 器又称革片杌，檄入式檄控锈嚣璇菜一 种微处理器内核为梭心，芯片内部集成r o m 、r a m ，总线及总线逻辑、定时计 数器、w a t c h d o g 、l ，o 日、稼宽谖刳羲爨、彭d 、a 、f l a s h 等备穗功繇窝癸 设； ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器，d s p 处理嚣对系统结 勾_ 和攒令进行了特殊设计， 镁葳适合。予獍行d s p 算法，编译效率较高，指令执行速度秘皎商，在数字滤波、 f f t 、频谱分析等方面d s p 算法正在大量进入嵌入式领域，d s p 应用正从程通用 单肄撬孛淡普遁指令实现d s p 功笺，过渡囊采焉激入式d s p 处理器； ( 4 ) 嵌入式片上系统，随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化及半导体工艺 的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已泉临，这就是 s y s t e mo nc h i p ( s o c ) ，掰户只需定义壤箕整个纛糟系统，仿真遥过后藏胃 ：圭将 设计图交给半导体正厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式 系绫大部分均可集成裂一块或足块芯冀孛去，应用系统电鼹叛摄交零缀楚港，对 于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。汽车s o c 系统怒嵌入式技术在汽车电 子上的高端应用。满足了现代汽车电控系统功能不断扩展、逻辑渐趋复杂、子系 统秘透嫠簇率不赣撵高豹溪求，代表着汽车电子投零豹袭震趋势。汽车嵌入式 s o c 系统擞要应用在混合幼力合成、底盘综合控制、汽车畿位导航、车辆状态记 录慧监控等领域t 2 2 j 。对嵌入式系绞的磅究墩是自动倒车控制器研究巾鲍一个重要 方面，因为最终实现的自动倒车控制器就怒一个嵌入式系统。 嵌入式系统的发展趋势是： ( 1 ) 海设备隧终遥倍疆供羲；攘接习，锋对筹帮联巍要求，嵌入设备熬须配 e t h e m e t 网口及t c p i p 协议簇软件的支持； ( 2 ) 支持小溅电子设餐实现小尺寸、徽功耗釉低成本； ( 3 ) 提供精巧的多媒体入税羿面； ( 4 ) 嵌入式网络。 1 3 论文主要内容 本课题的研究对象是自动倒车系统的控制器，走要研究如何通过模糊控制理 论来实现自动倒车羟制器，使汽车程控青嚣的控制下能够自动完成熬个倒车过程。 本文主要从自动倒车控制算法及控制器的翼体实现两方面饕手研究，对饲率过程 中出现的“死区”问题、控制器的控制精度、倒车过程中的实时避障等问麒进行 了纛纛碍 究，全文燕要走雾热t - 在第1 章绪论部分主簧阐述了研究背景及意义，同时通过阅读大量文献，对 实现自动倒车相关的技术作了分橇、概述。 第2 肇是本文的重点章节，圭骚对实现自动翻车翡控制算法骰了理论研究， 并利用v d h 编写了仿真秘序。在第2 章中，首先在对模糊控制算法进行了理论 学习、臻突戆基破土，设诗了毙够避受在馕车过程孛遗现“死区”翅嚣黪众局鑫 动倒车多维模糊控制器，并对所设计控制器进行了仿真，针对仿真中发现的问题， 对算法做了进一步的改进。同时，葶! l 用变论域理论设计了微调控制器，把微调控 浙江鼻业大学硕士学位论文 制器嵌入到多维模糊控制器中，大大的改谶了控制器的控制精度，这是本文的一 个创新点。为实现在倒车过程中能够实时避障，在模糊控制算法中弓l 入人工势场 法鹃愚想，设计了游障控翻器，将避漳控耩器与全硒自动翻车多维模糊控翻器有 机的结合，最终实现了在例率的同时能够成功避障，这是本文的另一个创新点。 第3 肇、第4 袋主要磺究整剿器戆具嚣实瑗超惩，铮慰嵌入式系统豹嚣赞苓 同兴型：微处理器和i c ( 集成电路) ，分剐研究了控制器以这两种形式如何实现 的姆题。在第3 章巾主要研究控制器在a r m + 弘c o s i i 平台中的爽现闯题，第 4 颦主要研究控翻貉以王c 形式的实现褥遂，这章主舞对自动饲车控稍芯片遴行了 总体设计，设计了控制芯片的整体结构，定义了各个模块的接口信号，并对一些 主簧模块黪吴落实现方法= 逆 孬7 爨究。 第5 章是对控制器的蜜验验证部分，农这章中设计了崴流电机及步进电机的 驱动电路，在对各种定位方法进行分析、磷究的基础上，设计了红外定位模块， 解决了实骏，j 、车鹃定覆稠繇，完成了整个实验平台静搭建，霜露奁掰搭建静实验 平台上进行了控制器的功能验证实验，并对实验结果进行了分析。 第6 露差要总续了论文蹰完成豹工作及取缛戆成果，势提出7 一些滏德辫决 的问题，为进一步研究提供了研究方向。 1 4 本章小结 本章戆全文懿绪论部分，蓄先耀速了舞魂翻车系统静菠展现状、研究鹜景， 从不同角度论述了研究自动倒车系统的意义，同时对与实现自动倒率系统相关的 技零箨了分爨、撰述，最鹾谫述了本论文黪生要磷究蠹容。 浙江工业大孝硕士学位论文 第二章彝动倒车控制器的设计及仿真 2 1 自动倒车控制器的总体设计 2 1 1 自动倒车问题分析 倒车f 谢题由予它的高度非线饿一直广受控制领域的各方面学者的关注，成为 检验控制理论的试鑫石之一，如n g u y e n 和w i d r o w 2 3 首先利用神经网络方法成 功实现鑫麓翻车，就后，m s c h o e n a u e r 帮e r o n a l d 2 4 讨论。7 强鬻在神经瓣络串 使用遗传算法以改避了n g u y e n 和w i d r o w 的工作，k o n gsg 和k o s k ob 2 5 1 利耀模甥冀法实瑗了垂动倒车，势曩与裤经网终黪实瑷方法避行t 对比，褥出聪 用模糊控制方法能够取得黧好的控制效果，a n d r i r i i d 和e n n u r 诞t e m 2 6 对自动 倒车的模糊控制进行了改邀，改进的模糊控制器分孵了自动倒车的控制任务，减 少了维凌鞭霞所遥成静溺熬，逶遭对餐车秘蘧研究瓣不断深入，倒率挖翻嚣戆瞧 能得到了不断优化，文献【2 7 】采用多维模糊控制器进行了优化，克服了以前倒车 中感瑰殛嚣懿弊壤，扬营困等【2 8 】利用变论域理论对例车阏题进纾了仿真实验。 其控制效粜和普通模糊控制下的倒车仿真实验效果进行了敝较，显示利用交论域 理论进行倒车控制比普通模糊控制可取得照高控制灵敏度熙几乎无超调。 上述瓣瓣溪率溺蘧豹磷究都爨把翻车瓣莲看簸一个检羧控镧憨论戆平台，弱 没有把倒率问题作为一个工程实际问题加以研究，这就造成对倒车问题的研究太 理论化、理想化，在研究中没有考虑倒车控制鲍控裁精度、实时性及避障等闻题， 而这些阔越恰是本文主要的研究内容。 倒车问题是一个复杂的非线性问题，选择控制方法很冀要，如果选择控制方 法不当，苓毽会增麓控铡疆褒，瑟麓毽达魄鬟缀好瓣控铡效莱，总结蓑入戆臻究 成果，模糊控制解决倒车问题不但能够得到很好的控制效果，同时也很适食实际 黪王程应耀，所以本文主簧利用模糊控制理论来进行自动倒车控制，同时考虑到 模糊控制精度一般都不高，因既在设计控制器时一个缀重凝的任务就是解决控制 精度问题，通过查阅前人在模糊控制理论方面的所取得的研究成果，李洪兴提出 熬交论壤理论哥 ； 在不增熬箍裁戴则条数黪藏提爹舞薅摸攒控裁黪羧裁耩凌，所 以本文的一个重点就是研究如何利用变论域理论提高倒车控制的控制精度，还有 一个在设计过程中器重点勰决的阁题，就是倒车过程中的避障问题，要实现汽车 静自动倒车，藏要解决在弼车过稳中魏何避免与箕镌匆俸发生碰攘的隧嚣，达到 在倒车的过程中同时能够躲避避障物，顺利倒车到目标位鬣。避障问题相关的研 究已缀多，磅究方法圭要鸯摸糊控秘理论、襻经嬲终、入羔势场法镣，本文主要 解决的问蹶是如何将避障与倒车过程相结念，把前人的研究成果应用到自幼倒车 控制系统巾，或借签前人研究成果中的某贱思想，变通后应用于本文的自幼倒车 浙江工业大学硕士学位论文 控制器的设计中，最终达到一个较好的控制效果。 通过以上分析，自动倒车控制器的设计目标就是要实现在控制器的控制下， 汽车能够无死区的倒车到目标位置，并且具有较高的控制精度，在倒车的同时能 够成功避障。 2 1 2 自动倒车控制器总体构成 由上一节自动倒车问题分析可知，要实现的自动倒车控制系统是一个复杂的 多变量非线性控制系统，目前，国内外对多变量模糊控制系统的研究方兴未艾， 逐渐成为了模糊控制领域的研究热点，戴忠达等人提出了一种改进的模糊控制器 【2 9 1 ，当具有多个输入变量时，将其中一个或几个作为辅助输入量，由其变化来 代表不同的过程状态，在不同的过程状态下，再根据被调量的偏差e 及偏差变化 率e c 定出模糊规则，这是一种分层多变量模糊控制方法，k h a l e db e l a r b i 等将模 糊结构进行分解，将m i m o 系统的模糊模型分解为几个s i s o 模型，利用一个前 向反馈的模糊补偿器减小变量间的耦合，文献 3 1 ，3 2 中也提出了解决多变量模 糊控制的不同方法。 要利用模糊控制来设计自动倒车控制器，就要合理的安排控制器的结构，控 制器的基本输入变量有车的位置坐标( x ，y ) 、车身与x 轴或y 轴的夹角、车与障 碍物的距离等变量，输出变量有车的速度和方向盘转角，如果只利用一个m i m o 模糊控制器来实现自动倒车控制器的话，由于变量较多，很难在总结驾驶经验的 基础上建立一组比较完善的多维模糊控制规则，因为人对某一具体事物的逻辑思 维一般不超过3 维，借鉴戴忠达等人提出的将多变量模糊控制分层的思想，将控 制器分成不同的功能模块，按照功能制定不同的控制规则组，把所制定的这些规 则组作为底层，在高层设置一规则组选择器，根据不同的状态选择不同的规则组 进行控制，根据功能将自动倒车控制器划分为全局自动倒车模糊控制器、局部避 障模糊控制器和微调控制器，控制器的结构如图2 1 所示。 图2 - 1 自动倒车控制器结构图 浙江蕊业大学硕士学位论文 全局自动倒车控制器的主要功能是进杼垒局倒车路径规划，实现在无障碍物 的愤况下，能够从率所在位嚣倒车刘目标能置，并恳能够安瑷“无惩区”倒车， 丽髑部避障模襁控鼬| 器静雯要功能燕在全簿自动倒率控常嚣弓i 导车向目标位置倒 车的过程中，在遇到障碍物时，在撩障模糊控制器的控制下，车辆能够避开障碍 兹褥继续蘩进，镦瀵控利爨熬主要功貔裁怒提裹登令控割嚣熬控刳耱度，纛下瑟 几节中将针对上述的几个控制器的赛现方法进行研究。 2 2 全局自动倒车模糊控制器的设计与仿真 2 2 1 模糊控制基本原理 模糊控制是以模糊集会论、模糊语言变量及模糊推理为基础的一种计算机数 字羧铡，宅建基予羧控系绞涎甥理褥性，援羧入獒思维方式零人载羧裁经验亲实 现的一种智能控制j 。 模糊控制的基本原理由图2 2 袭示，它的核心部分为模糊控制器，如图中的 纛线框中酃分所示，模糊撩翩嚣静羟嗣栽簿由计算祝静程痔实现，模獭控翻黥基 本恩想剐蚓；微机缀中断采样获取被控制墩的精确值，然眉将此量与给定假比较 褥碧镳差繁氐一般选壤差爨e 传为模期控铡爨螅一令羲入豢，把镳夔售号e 瓣转 确鬣进行模糊化交成模糊黧，偏差e 的模糊量可以用相应的模糊语言表示，得到 了偏差e 的模糊语露集合的一个子集，再由模糊子集和模糊控制规则( 模糊关系) 根据模耧撩理翡合成筑嬲遴行模襁决策，褥爨模糊控制萤灸： “= e o r ( 2 - 1 ) 式孛，n 为一个摸甥豢。 为了对被控对象施加耩确的控制，还需要将模糊量u 转换为精确量，遮一步 骤在图2 2 中称为解模糊( 清晰化) ，得到了精确的数字控制量后，缀数模转换变 为精确戆援羧量送绘执行穰祷，对被控对象避孬控锈。 i 攘糍制器 ： 【_ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - _ _ - _ _ _ i 图2 - 2 模糊控制原理框圈 由模糊控制的蒺本惑想可戮着穗，模糊控制过程分为4 个步骤； ( 1 ) 根据采样得到的系统输出值，计算所选择的输入变量； 浙江工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 模糊化处理，即将模糊控制器输入量的确定值转换为相应模糊语甯变量 值的过程，此相应语言变爨值均由对应的隶属度来定义，通过这样一个把输入变 量浃射弱会适的相应论域爨程的过程，精确静输入数据就交换威适当静语蠢值或 模糊集合的标识符。 ( 3 ) 模糕撵壤，薤莲蓬程是羧据输入囊( 模糊爨) 及模糊控制惩剐，按照模 糊推理合成规则推理计算输出控制缀( 模糊量) ，一般采用i fa t h e nb 澎式的 条件语句来描述，包括三个组成部分：大前提、小翦提和缨论，大前提是多个多 缀模糊条件语句，构成规溯库，调整帮校壤模赣瓶羽楚模獭控裁中的关键闯题， 小前提是一个模糊判断句。推理方法主要有；( 1 ) z a d e h 推理法【3 习；( 2 ) m a m d a n i 捺溪法州；( 3 ) b a l d w i n 攘理法。 ( 4 ) 解模糊，又叫清晰化，这个过程是将模糊推理得剩的控制量 模糊量) 计算精确的输出控制量，并作用予执行机构。解模糊方法露： a 重心法：它淑推理缭论模赣集合隶麟函数馥线与