第 31卷 第 5期 2009年 l0月 电 气 电子 教 学 学 报 JOuRNAL OF EEE V oI．31 NO．5 Oct．2009 基 于 模 糊 控 制 的 路 径 识 别 智 能 小 车 设 计 祝 愿 博 ，刘 振 兴 ，康 晓 晶 ，刘 翔 (武 汉科技 大学 信 息 学院 ，湖北 武 汉 430081) 摘 要 ：本 文介 绍 了一 种 C语 言 实 现 的 基 于模 糊 控 制 的 智 能小 车系 统 ，通 过小 车 的位 置 值 和 位 置 差值 建 立 模 糊 系 统 ，配 合 以 速 度 PID 控 制 ，达 到 智 能 寻迹 和速 度 匹 配 的 目的 。文 章 着 重 阐述 了智 能 车 的 路径 识 别 方 法 和 用 C语 言 实 现 模 糊 算 法 的 方 法 。智 能 车 系统 核 心控 制 单 元 采 用 了 具 有 模 糊指 令 的 MC9S12DG128单 片 机 。实 践 表 明 ，采 用模 糊 控 制 的 智 能小 车 在 路 径 识别 的精 准 度 ，稳 定 性 ，及速 度 控 制 上 具 有 明显 优 势 。 关 键 词 ：模 糊控 制 ；路 径 识 别 ；智 能 小 车 中 图分 类 号 ：TP273+．4 文献 标 识 码 ：B 文 章编 号 ：1008 0686(2009)05 0074 03 A Design of Sm art Car of Track Recognition based on Fuzzy Control ZHU Yuan-bo，LIU Zhen—xing，KANG Xiao-j ing，LIU Xiang (W uhan University D Science and Technology，W uhan 430081，China) Abstract：This paper presents a C language program m ing sm art car system based on fuzzy contro1． T he purpose is perfecting the track recognition and speed matching by the foundation of the fuzzy system through using position value and its difference． The method of track recognition and the m ethod of fuzzy realized by C language are introduced particularly． The controller of sm art car is M cgs12DG 128 with the fuzzy instruction． T he result of practices shows that the sm art car using fuzzy control has a big advantage obviously on speed control and the accuracy，stability of track recognition． Keywords：fuzzy contro1； track recognition； sm art car 本 文 介 绍 的 智 能 小 车 采 用 红 外 传 感 器 ，能 够 极管 收发 的红外 线来识 别路 径 。由于赛 道上 的黑 色 自主识 别 赛 道 上 的 25mm 宽 黑 色 引 导 线 (引 导 线 引导线对 红外线 的反射 率 低 于对 白色 跑道 ，当某 红 的路 径 是 未 知 的 )，并 沿 线 行 驶 。运 行 过 程 中 ，小 外发 射管 直射 到前 方黑 色 引 导线 上 时 ，其 对应 的接 车 的 速 度 控 制 是 重 点 。 根 据 路 径 情 况 ，合 理 的 加 收管 的 电压则低 于其它 接 收管 电压 。把所 有接 收管 速 、减 速 ，才 能 使 智 能 小 车 行 驶 得 更 稳 定 快 捷 。 在 的接 收 电压 信 号送 入 MCU 的 AD转 换 单 元 ，得 到 速度 控制 环 节 中 ，速度 的设 定 是 关 键 因素 ，智 能 小 一 组 量化 的数 字 电压值 ，通过 比较 大小 ，从 而可 以判 车 应 能 够 根 据 前 方 路 径 的 不 同 ，自 主 设 定 不 同 的 断 出黑线 位置 。路径识 别信 息作 为方 向控制和速 度 速度 。 比如 ，直 道 快 速 ，弯 道 慢 速 等 。在 本 设 计 控制 的输入 。速度控制 方框 图如 图 1所 示 。 中 ，速度 设定 采 用模 糊 算 法 ，它 比查 表 法 具 有 更 好 的 灵 活 性 和 自适 应 性 。 红外传 感器 检测前方路 模糊算法给 出 速 度 设 定 值 PW M 控 制 直 流 电 机 PID控 制 二=[= 采样速度 反 馈 值 图 1 速 度控 制框 图 1 智 能小 车 速 度控 制方 案 智 能小 车通过 车头前方 安装 的一排 红外 收发二 收 稿 日期 ：2009—02—17；修 回 日期 ：2009 03 2O 作 者 简介 ：祝 愿 博 (1984一)，男 ，硕 士 研 究 生 ，主要 研 究 方 向 为单 片机 、DSP的开 发 与 应 用 ，E—mail：zhuyuanbo一04@ 163．com 刘 振 兴 (1965一)，男 ，博 士 ，教 授 ，主要 从 事 控 制 理 论 及 应用 、故 障 诊 断 技 术 与应 用 等 研 究 工作 。 

第 5期 祝 愿 博 ，刘 振 兴等 ：基 于 模 糊 控 制 的路 径 识 别 智 能小 车设 计 75 由图可 见 智 能 小 车 根 据 赛 道 路 径 情 况 ，由模 指 令 在 处 理 每 个 规 则 时 ，将 前 件 表 达 式 的 运 算 结 果 糊 控制 给 定速 度 值 ，然 后 用 增 量 式 PID调 节 _3]，控 乘 以一个 权值 后 ，作 为 模糊 后 件 ，而 REV 指令 直 接 制 小 车 实 际 速 度 。 只 要 模 糊 控 制 建 立 合 适 ，小 车 将 结 果 送 给 后 件 。 速 度 就能 和 赛 道 弧 度 合 理 匹 配 ，以最 佳 速 度 跑 完 3)WAV反模 糊 化指令 全 程 。 2 模 糊 控 制 的 C语 言 实 现 wAV(weighted Average)指 令 是 解 模 糊 的核 心 指令 ，其 作用 是把 经 模 糊 推 理输 出 的模 糊 结 果变 换 为精 确结 果 。$12单 片机 采 用 重 心 法 解 模 糊 ，其 本设 计 利 用 路 径 识 别 信 息 ，通 过 模 糊 控 制 器 计 算 公 式 为 ： 得 到 速 度 设 定 值 ]。 MC9S12DG128(以 下 简 称 S12)单 片 机 自带 模 糊 控 制 功 能 。我 们 可 以利 用 单 Systern Output= ∑ SiF。／∑ F。 i= 1 i一 1 片 机 的模 糊 控 制 指令 ，再 根 据 智 能 小 车 的 特 点 ，完 式 中 ，S．表 示各 个输 出模糊 自己对 应 的模 糊单 成 程 序设 计 。 2．1 S12单 片 机 模 糊 控 制 指 令 1)M EM 模 糊 化 指 令 点 集 的值 ，Fi表示 对该 子集 的隶 属度 2．2 模 糊 指 令 的 C 语 言 实 现 1)隶 属度 函数 的建 立 MEM(MEMbership function)指 令是 单个 隶 属 S12单 片机使用梯 形隶 属度 函数 ，X坐标 的值 必 度 函数计 算 的核心 指令 。其作 用是 在 内存 中建立 描 述 隶 属 度 函数 的 数 据 结 构 。 图 2左 所 示 为 有 3个 隶 属 度 函数 的位 置 值 变 量 描 述 ，分 别 为 速 度 慢 、速 度 中 、速 度快 。X坐 标 为 位 置 值 ，Y 坐 标 被 规 定 为 从 0x00到 0xFF(十 进制 0—255)的数值 。根 据 已建 立 的 3个 隶属 度 函数 ，可 在 内存 中表 示 出此 函数 的描 述 。例 如 ，40位 置 值 在 “左 ”中 的 Y 值 为 100，在 “中”中的 Y 值 为 100，在 “右 ”中的 Y 值 为 0；60位 置值 在“左 ”中 的 Y 值为 0，在“中”的 Y值 为 255，在 “右 ”中 的 Y值 为 0(如 图 2)。 须 小于 255，而 Y坐标 必须 固定 在 0-255间(图 3)。 图 3 隶 属 度 函 数 样 例 用 C语 言 写 隶 属 度 函数 必 须 满 足 一 个 特 定 格 式 ，即建立 一个 二 维数 组 。二维 数 组 由 n行 ，4列 组 成 ，a[n][O]表 示隶 属度 函数 的起 始值 ，al-i][1]表 示 隶属 度 函数 的终 点 值 ，a[-i][2]表 示 前 沿 斜 率 ，a[i] [3-I表示后 沿 斜率 。一 般 来 说 ，一 个 变 量取 3～ 9个 隶属 度 函数 。此 例 中位 置 值 变 量 E 中有 5个 隶 属 度 函数 ，位置 值差 值变 量有 3个 隶属 度 函数 。 说 明 ：① X 轴 的定 义 域 必 须 映 射 到 O-255的 区 间 内 。 图 2 位 置值 的 隶属 度 函 数 对 于此 位 置 变量 ，有 3个 隶 属 度 函 数 (左 、中 、 右 )，在模 糊化 时 ，建立好 隶 属度 函 数后 ，需 要 执 行 3 I 9 l ②斜率一I丽 ③ 前 沿 斜率 和后 沿 斜率 进位 取 整 ，避 免前 沿 斜 蓓l 个 MEM 指 令 ，使 用 循 环 结 构 。 线 与 后 沿 斜 线 交 叉 2)REV 模 糊 推 理 指 令 和 REVW 带 权 重 模 糊 智 能 小 车 应用 中 ，把 红 外 传感 器 采 集 的位 置 值 推 理指令 E映射 到 0-250的 区间 内 ，建 立 位 置 值 E的 隶属 度 REV (Rule Evaluation)指 令 和 REVW (Rule 函数 ；用 时 间 上 的位 置值 的 差 值 ，建 立 的隶 属 度 函 Evaluation)指 令 的作 用 是 在 内 存 建 立 描 述 规 则 库 数 。经 多次 实验 ，本 例 中隶 属 度 函数 采 用 等 腰 三 角 的数 据 结 构 ，并 经 过 模 糊 推 理 ，输 出 模 糊 结 果 。 形 模型 建立 最妥 。建 立隶 属度 函数 如下 ， REV 指令 和 REVW 指 令 基 本 相 同 。只 是 REVW const uchar input mfs[8~[4]一 

76 电 气 电 子教 学 学 报 第 31卷 0，80，0，7， … ／／E的隶 属度 函数 0，6O，0，5， 3)C程 序 中嵌 入模糊 指 令 建 立好 隶 属度 函数 和规 则表 后 ，就 可执 行模 糊 指令 了。 由于 codewarrior编程 器 支 持 C 和汇 编 的 … ／／AE 的 隶 属 度 函数 混 编程序 ，这 里 采 用 C 程 序 框 架 中嵌 套 汇 编 的 方 } ； 式 ，即 asm 指令完 成 。通 过载 入 两个 输 入变 量 的隶 属 函数 、进行模 糊 化 、载入 模 糊 规则 表 、进 行模 糊 推 理 、载入 输 出变量 的隶 属 度 函数 及 进行 反模 糊 化等 6个 程序 步骤 后[5]，可 得 出 精 确 的输 出结 果 。输 出 的结 果调 节 控制 直 流 电机 的 PWM 信 号 的 占空 比一， 从 而设 定智 能小 车速度 。 位置 二 竺 位置差值△E的隶属度函数 3 模糊算法的优势 2)模糊规则表的建立 。。一。 … ’。 建 立模 糊 规则 表 ，即建立 输入 变 量 与输 出变量 在 智 能小 车速 度 比赛 中 ，两 个关 键 参数 为 期望 的模糊 规则 。这 里 输 入 变 量 为位 置值 E 和位 置 差 速 度 和 实 际 速 度 。 后 者 可 以 通 过 PID 控 制 来 调 节 。 值 AE，输 出变 量 为 速 度 控 制 PW M 值 。 模糊规 则应 该符 合 合 理 的经 验 。在 此应 用 中 ， 如位 置值 E为 零 ，位置 差值 AE为零 ，说 明智 能小 车 在直 道上行 驶 ，速 度 为 极 大 ；如 位 置 值 E为 负 大 或 正 大 ，位 置 差 值 AE为 负 或 正 ，说 明 智 能 小 车 在 弯 道 上行 驶 ，应 以最慢速 度行驶 ，速度 为极 小 。具 体规 则 如 表 1。 表 1 模 糊 规 则 表 △ E 负大 负 小 负 零 正 极 小 小 极 小 小 大 小 E 零 大 极 大 大 正小 正 大 小 大 小 极 小 小 极 小 给定 了设 定 速 度 ，通 过 PID算 法 ，输 出速 度 基 本 能 够达 到与输 入速 度 匹 配 的要 求 。此 时 ，期望 速 度成 为设计 的关键 。常规 的期望 速 度 设定 方 法 为 ，把速 度量设 定为 一组数 组 ，通 过对位 置传感 器 的分析 ，给 定速度 量 。与本 文介 绍 的模 糊 算 法 相 比 ，此 种 方式 的 缺 点 为 ：① 速 度 量 为 有 限 值 ，速 度 的 档 位 少 ；② 在 给 定 速 度 量 时 ，判 断 的条 件 一 般 为 某 个 门 限 值 ，即采 用 的逻 辑方式 为三三=a，则 一b，使得 设定 速度 的突变量 大 ，不 利 于 速 度 的平 稳 过 度 ，容易 带 来 后 级 PID 控 制 的超 调 。而采 用模糊算 法设 定速 度 的方 案完全 能 克 服 以 上 两 个 缺 点 。 4 结 语 另外 ，C语 言模 糊库也 有特定 的 格式 ，即一 个 一 本 文描述了在智能小车程 序设计 中，模糊算 法的 维数 组 ，每一 行 为一 条 模糊 规 则 。此 例 中有 两 个 前 C语 言 程 序 实 现 。用 模 糊 算 法 来 设 定 速 度 值 ，因隶 属 件 ，一 个 后 件 。前 件 与 后 件 间 用 0xfe隔 开 ，每 条 规 度 函数 与模糊 库的设计 中加入 了人 的经验 ，使 小车在 则 间 也 用 0xfe隔 开 ，最 后 以 0xff结 尾 。 则 建 立 的 C 行驶 中，能够体现专 家经验 ，实时合理配置速度 。 语 言 模 糊 库 ，可 写 为 ： const uchar rule— start[76~一 { 参 考 文 献 ： (5*0)4-0，(3* 1)4- 0，Oxfe，(4 * 0)4-0 4- 8， [1] 诸 静 ．模 糊 控 制原 理 与 应 用 [M]．北 京 ：机 械工 业 出版 社 ，1 995 0xfe，／／E为 负大 ，△ E为 负 ，输 出速度 为极小 [2] Steven F．Barrett，Daniel J．Pack．郑 扣 根 ，唐 杰 ，何 通 能 ．Em— (5*0)+ 0，(3* 1)4- 1，0xfe，(4* 0)4- 1+ 8， Oxfe，／／E为 负 大 ，△ E为 零 ，输 出 速 度 为 小 bedded Systems-- Design and Applications with the 68HC12 and HCs12[M]．北 京 ：电子 工 业 出版 社 ，2006 [3] 王 晓 明．电动 机 的 单 片 机控 制 [M]．北 京 ：北 京 航 空 航 天 大 学 (5*0)4-0，(3* 1)4-2，0xfe，(4* 0)4- 0+ 8， 出 版社 ，2002 0xfe，／／E为 负 大 ，△ E 为 正 ，输 出速 度 为 极 小 [4] 王芳 ．基 于 MC9S12DG128B单 片机 模 糊 控制 的直 流 电机 调 整 系 0xff }； 统 的设 计 _J]．哈尔 滨 ：自动 化 技术 与 应用 ．2007，26(11)：83—85 [5] 邵 贝贝．单片机嵌入式应用 的在线开发方法 [M]．北京 ：清华 大 学 出 版 社 ，2004