面對(duì)酒后駕車這一當(dāng)今世界重大問(wèn)題，研究和開(kāi)發(fā)新的防酒駕技術(shù)變得迫在眉睫。汽車酒駕報(bào)警減速器是一款基于MSP40和FPGA、能夠檢測(cè)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制汽車運(yùn)動(dòng)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(yùn)算負(fù)擔(dān)和節(jié)能問(wèn)題，利用FPGA構(gòu)成一個(gè)基于模糊控制的PID算法的報(bào)警減速器，當(dāng)檢測(cè)到司機(jī)酒后駕車，并發(fā)出聲光報(bào)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(jiǎn)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(jià)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(zhǎng)，可以抵抗汽油、水蒸氣和煙霧的干擾。等特點(diǎn)而受到廣泛應(yīng)用。
    為使檢測(cè)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(kāi)車姿勢(shì)分析,呼出的氣流方向總是正對(duì)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(cè)速器的設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)環(huán)境模塊采用槽式光電對(duì)管的方法實(shí)現(xiàn)，圖2所示為測(cè)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(guò)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(duì)管的U形槽直接將測(cè)速碼盤夾在凹槽中央（測(cè)速碼盤能自由轉(zhuǎn)動(dòng)），當(dāng)測(cè)速碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)便能測(cè)出汽車的速度。

3 減速器設(shè)計(jì)及控制
    整個(gè)減速器基于FPGA響應(yīng)并實(shí)現(xiàn),采用PID改進(jìn)算法。由于PID控制原理簡(jiǎn)單、使用方便、參數(shù)KP、KI和KD能根據(jù)動(dòng)態(tài)過(guò)程適時(shí)調(diào)整，魯棒性強(qiáng)，其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變化不太敏感。但它對(duì)非線性和復(fù)雜過(guò)程的控制效果不佳，因此在實(shí)際工業(yè)控制中均使用PID改進(jìn)的算法。而模糊控制對(duì)于非線性、復(fù)雜的控制對(duì)象顯示出了控制性能高、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制過(guò)程，其減速器控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    (1)當(dāng)e較小時(shí)，汽車運(yùn)動(dòng)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(shí)，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(shí)，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(duì)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(hào)時(shí)， e較大。為加快響應(yīng)速度，取較大的KP和較小的KD，同時(shí)為避免速度超調(diào)，產(chǎn)生積分飽和，應(yīng)對(duì)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(shí)際輸入的模糊值得到輸出的模糊狀態(tài)。假設(shè)實(shí)際檢測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)與輸出端信號(hào)基本重合，可見(jiàn)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(bào)警減速器工作穩(wěn)定，性能可靠。經(jīng)實(shí)際檢測(cè)，當(dāng)車室內(nèi)空氣中乙醇分子的濃度達(dá)到聲光報(bào)警（酒后駕駛）點(diǎn)時(shí)，能夠很好地作出響應(yīng)。如果在汽車靜止時(shí)檢測(cè)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(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，檢測(cè)到屬于酒后駕車，則MSP430將會(huì)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(shí)現(xiàn)酒后駕駛報(bào)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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