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1、 基于 Simulink 的模糊控制卡车倒车仿真系统专业：航空工程院系：航空航天工程学部姓名：李东伟2016年 04月 12日基于 Simulink的模糊控制卡车倒车仿真系统摘要：用的matlab中的sltbu模糊控制器设计了汽车倒车的模糊控制器. 通过仿真实验发现, 用模糊控制方法控制汽车倒车, 汽车运动轨迹圆滑, 倒车准确, 具有很好的鲁棒性, 具有实际应用价值.关键词：sltbu.模糊控制，卡车倒车一引言利用模糊集合理论, 把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法不仅能实现控制, 而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效地控制. 本文利
2、用MATLAB 的模糊逻辑控制工具箱 1- 3 设计模糊控制器, 自动控制汽车的行驶方向, 使其能顺利地到达最终地点, 要求轨迹平滑, 路径合理. 最后利用SIMULINK 仿真工具进行仿真, 验证结果.二.模糊控制器基本结构分析模糊逻辑控制, 是一种基于模糊数学理论的新型控制方法. 模糊控制系统的基本结构如图1 所示.图1 模糊控制系统框图( 1) 模糊化接口: 测量输入变量( 设定输入) 和受控系统的输出变量, 并把它们映射到一个合适的相应论域的量程, 然后把精确的输入数据被变换为适当的语言值或模糊集合的标识符. ( 2) 知识库: 涉及应用领域和控制目标的相关知识, 它由数据库和语言(
3、模糊) 控制规则库组成. 数据库为语言控制规则的论域离散化和隶属函数提供必要的定义, 语言控制规则标记控制目标和领域专家的控制策略。( 3) 推理机: 是模糊控制系统的核心, 根据模糊输入和模糊控制规则, 模糊推理求解模糊关系方程, 获得模糊输出.( 4) 模糊判决接口: 起到模糊控制的推断作用, 并产生一个精确的或非模糊的控制作用.2 .汽车倒车模糊控制器构建利用MAT LAB 模糊工具箱的图形界面可视化工具, 可以方便直观地实现模糊推理系统的设计过程.MATLAB 模糊工具箱提供的图形化工具有模糊推理系统编辑器( Fuzzy) 、隶属函数编辑器( Mfedit ) 、模糊规则编辑器( Ru
4、ledit ) 、模糊规则观察器( Ruleview ) 、模糊推理输入输出曲面视图( Surfview ) 等5 类. 这5个图形化工具操作简单, 相互动态联系, 可以同时用来快速构建用户设计的模糊系统.( 1) FIS 编辑器. 通过上节的分析可以知道, 系统设置为3 个输入1 个输出. 3 个输入分别改为距离、角度1 和角度2, 输出改为控制角度, 这时建立的为初步模糊推理的GUI 界面.( 2) 隶属度函数编辑器. 通过规则可以知道, 在这里需要定义距离的隶属度函数类型, 这里选择Z 型和S 型分别定义近距离和远距离.( 3) 模糊规则编辑器. 在规则编辑器中产生已得到的模糊推理规则:
5、 如果D 是远, 则; 如果D 是近,则.在FIS 编辑器的File 下选择Save to disk as, 将设计的FIS 保存到磁盘文件中, 命名为sltbu, 调用时直接采用sltbu. fis 文件.图2 matlab中的sltbu模糊控制器三 汽车仿真系统构建3.1 仿真模型构建在实际的倒车中, 当我们想把汽车倒入车库时, 首先要估算一下车位的位置和车的相对位置( 如左前方,距离远近等) , 然后分析判断, 确定一个行驶的路线进行倒车. 当确认汽车完全进入车库后, 倒车结束. 代替人控后, 模糊控制汽车倒车的工作流程如图3 所示. 图3 倒车系统流程图由此得出建立汽车仿真模型需要的几
6、个模块: 模糊控制模块、汽车模块、停止模块、动画显示模块、定位模块等.( 1) 汽车模型. 可以根据汽车的动力学方程构造汽车的模型:sin*cota/vyx在这里,为汽车的车轴和水平方向的夹角,为汽车的前轮和汽车车轴的夹角. 从上面的分析可以看出汽车有3个控制状态变量x 、y 、, 一个输出变量.所以可以初步确定计算转角的模型. 如图4 所示.图4 matlab中的倒车系统仿真模型（2） 汽车的停止模块. 汽车的停止模块同样采用的是用户自定义模块中的Fcn 子模块.( 3) 汽车定位模块. 汽车定位模块主要是利用了用户自定义模块中的Fcn 模块来实现距离函数.在这个模型中, near 和far
7、 是2 个状态反馈控制器, 它们分别工作在2 个不同的状态变量的时候, 而模糊控制器在这里如同一个搅拌机使2 个状态能够平滑地控制. 根据卡车模型建立的仿真模型, 如图4 所示.其中, 模块Tr uck kinemat ics 为方程组表示的汽车系统模型, 并经过了封装; Fuzzy cont ro ller 模块表示的是模糊控制器; Animat ion 模块作为输出的动画显示模块.3. 2 软件编程本文中主要是编辑结果输出的动画显示模块. 动画的输出与SIMULINK 仿真过程中的时间设定有关. 流程如图4 所示. MATLAB 定义的S 函数中, 主要用Flag控制标签来实现控制, 完成
8、仿真动画的输出.truck kinematics 为方程组表示的汽车系统模型, fuzzy controller为模糊控制器,animation为输出的动画显示模块, f(x)函数表达式为sqrt(x2+y2),为现在位置到车库位置的距离，用于实现车辆的定位。四模糊控制器的构建图5 模糊控制器的构建FIS编辑器：系统设置为3个输入，1个输出，3个输入分别为距离、角度1、角度2，输出。隶属度函数编辑器：距离的隶属度函数选择Z型和S型，分别定义为近距离和远距离。模糊规则编辑器：如果distance 是远，则选择角度1，如果distance 是近，则选择角度2。五系统的仿真与性能的分析以看到小车在各
9、个位置开始倒车时的运动轨迹及能否顺利到达车库，仿真图形如图6，图7，图8，图9所示。 通过仿真实验可以发现发现，汽车距离远，近都可以顺利到达车库，模糊控制汽车倒车具有汽车行驶轨迹呈光滑的弧状，控制良好的效果，这说明模糊控制汽车倒车时可行的，成功的解决了倒车时后视不良的问题，相对于人的控制有很大的优越性。图6 垂直距离较近，水平距离较近倒车运动轨迹 图7 垂直距离较近，水平距离较远时的倒车运动轨迹图8 垂直距离较远，水平距离较近时的倒车运动轨迹 图9 垂直距离较远，水平距离较远时的倒车运动轨迹对于一些距离较近，水平距离相对较大的情况，模糊控制无法完成倒车，说明模糊控制倒车有一定的局限性，在距离近到一定程度时，一定的角度内无法完成。如图10所示。图10 距离较近时，水平距离相对较大综上：大部分情况下可以完成倒车，但是该模糊控制需要改进。参考文献：1吴小莉,林哲辉.MATLAB 辅助模糊系统设计M.西安:西安电子科技大学出版社,2002.2楼天顺,胡昌华.基于 MATLAB的系统分析与设计模糊系统M.西安:西安电子科技大学出版社,2003.3王正林,王胜开.MATLAB/Simulink 与控制系统仿真M.北京:电子工业出版社,2005.5孟慧霞,耿俊梅.基于 MATLAB的模糊控制汽车倒车仿真系统M.郑州:中原工学院学报,2009.
