汽车自动雨刮控制器 -danny

自动感应式雨刮控制系统的设计和分析
裴冯来学号：1010180016
（同济大学汽车学院车辆工程，上海， 201804）
摘要：本文分析了自动雨刮系统对汽车安全性需求的影响以及新型车用雨量传感器的基本原理，并对基于单片机的新型红外线雨量自动感应式雨刮控制器进行了简单介绍。

在此基础上，对更加复杂的基于模糊控制原理的自动雨刮系统进行了进一步的研究。

自动雨刮系统有效的提高了驾驶员行驶过程中的安全系数，同时，基于模糊控制的自动雨刮控制器具有更好的可靠性和效果。

关键词：雨滴传感器，控制器，模糊控制
0 引言
雨刮系统是汽车上重要的安全设备之一。

根据操作过程中是否需要驾驶者参与，雨刮系统分为人工雨刮系统和自动雨刮系统。

在人工雨刮系统中，驾驶者手动控制雨刮器的摆动速度，手动操作会影响驾驶员的行车注意力，造成不必要的危险。

自动雨刮系统在使用中不需要驾驶者的干预，控制器通过雨量传感器检测降雨量的大小，根据雨量的大小自动改变雨刮器的摆动速度，从而保持挡风玻璃的清晰，增加了行车的安全。

1 雨量传感器
自动雨刮系统之所以能检测到雨量的大小，主要是依靠一个雨量传感器。

一般的，雨量传感器安装在车内挡风玻璃上的后视镜后面,由玻璃棱镜、红外线光源发射器和红外线光源接收器等部件组成。

图1 给出了雨量传感器工作原理示意图。

由图1 可以看到, 红外光源发射器将红外光以固定角度投射到挡风玻璃上, 经由挡风玻璃、棱镜反射回到红外光源接收器; 当挡风玻璃足够清晰时, 红外光源接收器收到的红外线总量与发出的红外线总量基本相等, 如图1( a) 所示; 当有雨滴落在挡风玻璃上时, 部分红外线会因为雨滴的折射而分散到外部, 导致红外光源接收器收到的红外线总量小于发出的红外线总量, 如图1 ( b) 所示。

红外光源接收器与模拟数字转换单元连接, 根据红外光源接收器输出模拟电压值的不同, 控制器即可判断当前雨量大小。

图 1 红外线雨量传感器原理图
2 基于单片机的自动感应式雨刮控制器
一般的，雨量自动感应式雨刮控制系统主要由红外雨滴传感器、放大电路、控制器等部分组成，系统结构如图2 所示
图 2 自动感应式雨刮控制器系统原理框图
其工作原理是通过雨量大小改变传感器电信号的大小，且不受外界环境光源影响．通过单片机进行A／D转换和脉宽调制输出控制雨刮电机可靠动作．汽车行驶中检测到雨滴后，雨刮器就自动工作．采用自动雨刮系统，可以将现在的雨刮器减少3个开关．自动设定雨刮器工作的时间间隔，控制雨刮器动作．这样就大大提高了驾驶员行驶过程中的安全系数，满足用户需求．
3 基于Takagi-Sugeno模糊模型的自动雨刮控制系统
对于简单的自动雨刮系统来说，挡风玻璃的清晰度不能由驾驶者根据自身需要进行改变; 没有考虑与汽车中控单元的接口, 不符合现代汽车采用CAN、LIN总线来构成总线式车身通讯系统的发展趋势; 当挡风玻璃上附着较大固体物时, 可能因用力刮除引起雨刮系统的损坏; 另外, 雨刮系统的核心电子控制模块多数依赖进口,比如常应用的FREESCALE或MOTOROLA系列，这就与汽车电子零部件国产化的产业发展趋势不符。

基于上述考虑, 设计了一种基于Takagi- Sugeno模糊模型的自动雨刮系统。

该系统使用红外发射接收器来构成雨量传感器, 采用LIN 总线与汽车中控单元接口, 通过构建模糊控制算法, 实现对雨刮器摆动速度的控制。

模糊算法不需要建立精确的数学模型，而是应用模糊理论将人的经验知识，思维进行推理，控制过程的方法和策略有所谓模糊控制器来实现。

模糊控制对那些难以获得数学模型或模型非常粗糙的工业系统有独特的优势，很适合于应对雨刮系统的非线性和不确定性。

3.1 工作原理
自动雨刮控制系统的结构如图3 所示, 主要由雨量传感器、控制器、雨刮器电机、雨刮器机构、挡风玻璃、LIN 总线接口等部件构成。

其中, 雨量传感器用来检测挡风玻璃上是否有雨水, 根据雨量传感器的输出信号, 控制器判断当前雨量的大小, 结合来自LIN 总线的用户设定等信息, 控制雨刮器电机摆动速度, 以便驱动雨刮器机构快速扫除挡风玻璃上的雨水。

图 3 控制电路原理图
3.2 硬件设计
依据自动雨刮系统的工作原理, 图4 给出了自动雨刮控制系统硬件原理图。

考虑到系统需要实时检测雨量大小, 运行模糊控制算法等需要, 硬件核心使用了数字信号控制器dsPIC30F2010, 它具有30MIPS 的执行速度, 16 位字长, 片上具有EEPROM、脉宽调制( PWM)信号发生器、模拟数字转换单元、LIN 通讯接口等外设, 可较好满足系统要求。

图 4 自动雨刮控制系统示意图
为了满足现代汽车采用CAN、LIN 总线构成总线式车身通讯系统的需要, 系统使用LIN 总线收发器MCP201 实现与汽车中控单元通讯, 通过LIN 总线与汽车上的其它电子设备进行信息交互。

3.3 软件设计
根据自动雨刮系统的工作原理, 结合图4 硬件平台, 所设计的模糊自动雨刮控制器如
图5 所示。

图 5 模糊自动雨刮控制器
在图5 中, 取雨量误差e、雨量误差变化率e i 作为控制器输入变量, 电机控制PWM脉冲的导
通时间t 作为控制器输出变量, 则:
e=v f- v s
其中, v s—用户设定的挡风玻璃清晰度; v f—雨量传感器的输出信号; 需要注意, 当v f>v s 时, 表示降雨量不足以影响挡风玻璃的清晰度, 雨刮器无动作。

为了软件设计方便, 输入变量e、e i 取相同个数的模糊语言值, 本文取值如下:
{L M H}
其中, L—“低”; M—“中”, H—“高”, 对应的隶属度函数如图6 所示。

图 6 输入变量e、e i的隶属度函数
对于每次采样输入信号, 按照图6 所示隶属度函数进行模糊化, 可得到对应模糊语言值, 代入模糊规则库中, 即可找到适当控制规则并从线性后件中得到精确控制量t。

根据控制量的t 大小, 对PWM信号的占空比进行调节, 从而实现雨刮器摆动速度控制。

为了保证系统可靠运行, 控制器实时采集流过雨刮器电机的电流大小; 如果电流过大, 表示雨刮器在摆动过程中遇到了障碍, 如果继续摆动, 则可能因电流过大而导致雨刮器电机烧毁, 因此, 应立即停止雨刮器摆动, 通过设置控制量t=0, 即可实现对雨刮系统的保护。

4 结论与总结
针对现有雨刮控制系统的优缺点, 本文讨论了一种基于Takagi- Sugeno 模糊模型的自动雨刮控制系统。

该系统使用红外光发射和接收器来构成雨量传感器, 采用LIN 总线通讯接口与汽车中控单元连接; 通过构建基于Takagi- Sugemo 模糊模型的控制算法, 实现对雨刮器摆动速度的控制。

该模糊自动雨刮控制系统具有较高的控制精度, 良好的动态性能, 能有效保持挡风玻璃的清晰度, 满足汽车驾驶者的需求。

参考文献：
[1] Hsu B.S., Ling S.F. Windshield wiper system design [J]. International Journal Vehicle Design, 1990, 1.
[2] Levine, J. On the synchronization of a pair of independent windshield wiper [J]. IEEE Transitions on Control Systems Technology, 2004, 5.
[3] Song Dafeng, Li Jing, Ma Zhimin, etc. Application of CAN in vehicle traction control system. IEEE International Conference on Vehicular Electronics and Safety, 2005.
[4] TAKAGI T, SUGENO M. Fuzzy identification of systems and its application to modeling and control [J]. IEEE Trans. Systems Man and Cybern, 1985,1.
[5] 王研博，杜坤梅，张洁. 基于单片机的自动感应式雨刮控制器设计与实现 [J]. 哈尔滨理工大学学报，2009：（14）159-164.
[6] 赵岩，张春晶基于模糊PID控制器的汽车雨刮系统的研究 [J]. 制造业自动化，2010：（32）179-188.
[7] 董辉，汽车用传感器 [M]. 北京：北京理工大学出版社，2005.。