基于車輛感知和模糊PID的隧道照明控制系統(tǒng)*

杜冠峰,秦會斌

(杭州電子科技大學(xué) 新型電子器件與應(yīng)用研究所,浙江 杭州 310018)

0 引 言

隨著我國交通系統(tǒng)的快速發(fā)展，隧道的數(shù)量也成比例的增長。隧道照明作為公路隧道的重要組成部分，為隧道通行提供安全保障。但由于隧道照明系統(tǒng)的不合理設(shè)計使得高速公路隧道存在嚴(yán)重的過度照明現(xiàn)象，增加了隧道的運營成本[1]。同時由于駕駛員駛?cè)胨淼篮婉偝鏊淼罆r，隧道內(nèi)外的亮度差過大時會造成“黑洞效應(yīng)”和“白洞效應(yīng)”[2]，降低駕駛員的可見度，造成交通事故，如何同時保證駕駛員的安全和隧道照明的運營成本成為了公路交通的一個重要研究方向。

為減少隧道照明的電能損耗，張偉剛等人[3]設(shè)計了一種照明節(jié)能模糊控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)對采集到的亮度、車速以及車流量等數(shù)據(jù)進行模糊處理后，自適應(yīng)調(diào)節(jié)隧道入口與出口處的亮度，雖然節(jié)能效果顯著，但隧道內(nèi)部的實際亮度無法達到《公路隧道照明設(shè)計細則》[4]所規(guī)定的安全亮度；Qin L等人[5]設(shè)計了一種基于交通量的隧道照明控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在在白天采用比例—積分—微分(proportional-integral-differential,PID)調(diào)光控制，在夜間采用“車進燈亮，車走燈暗”的控制方法，該控制方法能滿足安全駕駛的需求，缺點是在白天仍是全時段開啟照明，在車流量較小的隧道節(jié)能效果還有待提高。

本文研究設(shè)計了一種基于車輛感知和模糊PID的隧道照明控制系統(tǒng)，通過車輛檢測控制隧道照明的開關(guān)，通過亮度探頭實時采集隧道內(nèi)外的亮度，并依據(jù)《公路隧道照明設(shè)計細則》[4]使用模糊PID調(diào)節(jié)發(fā)光二極管(LED)燈使隧道內(nèi)亮度達到安全駕駛的需求。該系統(tǒng)能有效避免“黑洞效應(yīng)”和“白洞效應(yīng)”，同時有效降低隧道照明的能耗。

1 隧道照明系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隧道照明控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集單元、亮度調(diào)節(jié)單元和數(shù)據(jù)處理及控制單元三個模塊組成：1)數(shù)據(jù)采集單元由亮度探頭、車輛檢測器和智能電表組成，用于采集車流量、車輛有無、隧道內(nèi)外亮度以及消耗功率等數(shù)據(jù)；2)亮度調(diào)節(jié)單元主要用于控制隧道燈的開關(guān)和使用脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)調(diào)光方式控制隧道燈的照明功率；3)數(shù)據(jù)處理及控制單元由運行Windows 7系統(tǒng)的控制主機和兩個STM32單片機組成，其中STM32用于將數(shù)據(jù)采集單元采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦鳈C，以及將控制主機發(fā)送的調(diào)光指令轉(zhuǎn)換為PWM脈沖信號，控制主機使用給定的模糊邏輯計算需要調(diào)節(jié)的電壓大小，并提供人機交互界面。

圖1 隧道照明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 硬件設(shè)計

1.2.1 亮度檢測電路

亮度傳感器采用BH1750環(huán)境光傳感器，該傳感器內(nèi)置16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能通過雙行串行接口(I2C)直接輸出數(shù)字信號。亮度檢測電路如圖2所示，BH1750芯片的SCL為時鐘線，SDA 為數(shù)據(jù)線，分別與STM32的PB6和PB7連接，DVI為I2C總線的參考電壓終端同時也是異步重置終端，在VCC供應(yīng)后必須設(shè)置為電源掉電模式。

圖2 亮度檢測電路

1.2.2 調(diào)光控制電路

調(diào)光控制電路如圖3所示。

圖3 調(diào)光控制電路

本系統(tǒng)使用電磁繼電器用于LED的開關(guān)，由于STM32所輸出的電流無法直接驅(qū)動電磁繼電器，所以采用PNP晶體管作為放大電路來驅(qū)動線圈的閉合，又由于電磁繼電器是電感性負載，為保護繼電器，將D3作為續(xù)流二極管進行保護。STM32輸出的PWM信號無法直接作用于LED，故使用STM32的PWM輸出與NPN晶體管Q3相連，通過控制Q3的通斷控制LED的亮暗從而起到調(diào)光的效果。

1.2.3 車輛感知電路

系統(tǒng)的車輛檢測采用霍尼韋爾公司的HMC1001磁傳感器，該傳感器能將磁場信號轉(zhuǎn)換為電信號[6]。該傳感器的輸出為差模信號，在傳輸過程中易引入共模信號，故采用儀表放大芯片AD623來抑制共模信號，典型電路如圖4(a)所示。HMC1001傳感器在受到強磁場的干擾時，輸出會有嚴(yán)重的誤差，為了消除該影響，在每次測量前需對HMC1001進行復(fù)位，復(fù)位電路如圖4(b)所示。

圖4 車輛檢測電路

1.3 軟件設(shè)計

1.3.1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖5所示，隧道入口處的車檢器檢測到有車通過時，開啟隧道內(nèi)的照明并使車輛計數(shù)加1，同時收集車流量、車速以及隧道內(nèi)外的亮度數(shù)據(jù)，依據(jù)《公路隧道照明設(shè)計細則》計算出隧道內(nèi)部的需求亮度，之后使用模糊PID算法實時調(diào)節(jié)隧道內(nèi)LED的照明功率，使隧道內(nèi)實時亮度在車輛抵達隧道入口處前達到安全亮度。若隧道出口處的車檢器檢測到有車經(jīng)過，則將車輛計數(shù)減1，當(dāng)車輛計數(shù)為0時，表明隧道內(nèi)沒有車輛，此時關(guān)閉隧道內(nèi)的照明，調(diào)光結(jié)束。

圖5 系統(tǒng)工作流程圖

1.3.2 模糊PID調(diào)光控制

隧道照明控制系統(tǒng)的模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，其中Rin為需求亮度，Rout為經(jīng)過調(diào)節(jié)后的實際輸出亮度，e為亮度偏差值，ec為偏差變化率。每次調(diào)節(jié)前，模糊控制器通過分析輸入e和ec，不斷調(diào)整PID控制器的比例系數(shù)(Kp)、積分系數(shù)(Ki)和微分系數(shù)(Kd)，從而滿足不同的e和ec對控制器參數(shù)的要求，使被控對象具有更好的動態(tài)性能[7]。

圖6 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖

模糊控制器主要由模糊化、模糊控制規(guī)則和反模糊推理三個模塊組成。

1)模糊化是將控制系統(tǒng)的偏差及偏差率的值映射到對應(yīng)的模糊語言變量值[8]。本系統(tǒng)將亮度偏差值、亮度偏差變化率以及輸出的PID參數(shù)的論域設(shè)為[-3,3]，將模糊控制器的輸入和輸出變量的模糊子集均劃分為{NL,NM,NS,ZO,PS,PM,PL}，即{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}。

2)模糊控制規(guī)則作為模糊控制的最重要的部分，設(shè)計時需要充分考慮其完整性，并避免相互矛盾的控制規(guī)則，依據(jù)相關(guān)技術(shù)及實踐經(jīng)驗建立的模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 輸出變量模糊控制規(guī)則表

3)利用重心法進行反模糊化[9]，可以得出PID控制參數(shù)的調(diào)整量。PID控制器的參數(shù)實時校正公式如下

Kp=ΔKp+Kp0，Ki=ΔKi+Ki0，Kd=ΔKd+Kd0

(1)

式中Kp0，Ki0，Kd0為PID控制器的初始值，一般使用試湊法確定[10]。

1.3.3 上位機設(shè)計

上位機使用Visual Studio為開發(fā)平臺，基于C#語言編寫，提供圖形顯示界面及人機交互功能。通過串口通信，能夠顯示實時亮度、色溫、功率等數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)隧道內(nèi)部亮度的實時控制。上位機軟件如圖7所示。

圖7 上位機軟件

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 車輛感知分析

由圖8可以看出，當(dāng)有小車經(jīng)過時，采集到的電壓會有較為明顯的變化，通過判斷車輛感知電路的電壓變化情況可以判斷出是否有車輛經(jīng)過。

圖8 車輛感知電路檢測電壓

2.2 調(diào)光效果分析

使用MATLAB對模糊PID及傳統(tǒng)PID照明控制進行仿真，仿真結(jié)果如圖9所示。從圖中可知，理想狀態(tài)下模糊PID和傳統(tǒng)PID控制的調(diào)光速度相差不大，但發(fā)生光衰現(xiàn)象后，使用模糊PID控制達到安全亮度的時間和達到穩(wěn)態(tài)的時間明顯短于傳統(tǒng)PID控制。故使用模糊PID控制的具有更好的抗干擾性，能有效的減少光衰現(xiàn)象對調(diào)光系統(tǒng)的影響，延長LED燈的使用壽命。

圖9 仿真結(jié)果對比

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于車輛感知和模糊PID算法的隧道照明節(jié)能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用“車進燈亮，車走燈滅”的控制策略，并使用模糊PID算法控制隧道照明，加快隧道內(nèi)部亮度的調(diào)節(jié)速率并且減少光衰現(xiàn)象對照明系統(tǒng)的影響。在保證了駕駛員安全的同時，最大程度地減少了隧道照明的電能損耗。