基于MSP430的酒駕報警減速器的研制*

吳川隆,王 忠,羅 雪,康 凱

（四川大學 電氣信息學院,四川 成都 610065）

面對酒后駕車這一當今世界重大問題，研究和開發新的防酒駕技術變得迫在眉睫。汽車酒駕報警減速器是一款基于MSP40和FPGA、能夠檢測汽車室內空氣中乙醇分子濃度，并根據乙醇分子濃度和汽車運動狀態控制汽車運動狀態的系統。其構成模塊的關系如圖1所示，該系統以MSP430為核心控制芯片，并考慮到運算負擔和節能問題，利用FPGA構成一個基于模糊控制的PID算法的報警減速器，當檢測到司機酒后駕車，并發出聲光報警之后，若汽車并未停駛，則觸發減速器工作。

1 系統環境的模塊構成簡介

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，由于價格和使用便利性等因素，普遍應用的只有半導體型和燃料電池型兩種。其中，常溫型半導體型HS-3A酒精濃度傳感器[1]因靈敏度高、恢復速度快、壽命長，可以抵抗汽油、水蒸氣和煙霧的干擾。等特點而受到廣泛應用。

為使檢測方便可行性高,系統不采用嘴吹氣的方式。而從司機的開車姿勢分析,呼出的氣流方向總是正對著方向盤，方向盤處的乙醇分子濃度在車室內總是最先達到最高濃度，故將酒精濃度傳感器安放于方向盤，且進氣口朝上。

1.2 測速器的設計

系統環境模塊采用槽式光電對管的方法實現，圖2所示為測速碼盤，碼盤的邊緣是離碼盤中心距離相等、排列間隔一致的過孔。將碼盤安裝在汽車的變速齒輪箱或者輪胎轉軸上，用槽式光電對管的U形槽直接將測速碼盤夾在凹槽中央（測速碼盤能自由轉動），當測速碼盤轉動時便能測出汽車的速度。

設R為汽車輪胎半徑，N為碼盤上過孔的數量，以n為每次計算的過孔數量，t為MSP430F149捕獲到n個脈沖的時間，v為車輛速度，則在時間t內汽車的平均速度為：

根據式(1)即可實現對汽車行駛速度的測量。

1.3 減速器及其驅動的設計

為避免車輛在行駛過程中突然剎車，采用步進電機控制汽車盤式液壓減速器實現平穩減速，其驅動芯片采用步進電機專用控制芯片L297和L298N。其中L298N工作電壓最高達46 V，瞬間峰值電流可高達3 A,一般維持在2 A左右。

2 信息采集及處理

酒精傳感器采集到乙醇分子濃度信息后,采用MSP430自帶ADC12模塊,實現模擬/數字信號的轉換，其轉換公式為:

式中,VR+和 VR-分別表示通過MSP430寄存器 ADC12CTL0和ADC12MCTLx設定最大轉換電壓與最小轉換電壓,Vin表示通過A/D通道采集到的電壓信息,NADC表示轉換成數字信號后的電壓值。

酒精濃度傳感器采集的數據中通常含有干擾信號，因此在數據有效使用之前，必須將采集到的信息進行必要的濾波處理，濾除干擾信號。而采用軟件濾波與硬件濾波相結合的方法能達到很好的效果。

在軟件濾波法中，中位值平均濾波法融合了中位值濾波法和算術平均濾波法的優點，對偶然出現的脈沖干擾，可消除由脈沖干擾引起的信號偏差，使信號更加平滑。設連續采樣N個數據，考慮到微處理器的負擔，N值不宜取過大，此處取18。使用冒泡法排序后去掉一個最大值和最小值，然后右移4位計算16個數據的算術平均值：

3 減速器設計及控制

整個減速器基于FPGA響應并實現,采用PID改進算法。由于PID控制原理簡單、使用方便、參數KP、KI和KD能根據動態過程適時調整，魯棒性強，其控制品質對被控對象特性的變化不太敏感。但它對非線性和復雜過程的控制效果不佳，因此在實際工業控制中均使用PID改進的算法。而模糊控制對于非線性、復雜的控制對象顯示出了控制性能高、魯棒性強等優點。因此，基于模糊控制自適應的PID控制算法[2]，即將PID控制算法與模糊控制算法相結合實現復雜的控制過程，其減速器控制結構如圖3所示。

式中，KP為比例系數；Ti為積分時間常數；TD為微分時間常數。其傳遞函數為:

對于PID控制而言，有：

實際控制系統中采用離散控制，將根據某一時刻的值來計算偏差值。對式(4)進行離散化處理，設采樣周期為 T，采樣時刻為 kT(k=0,1,2,3…)則:

式中,KP表示比例系數；KI表示積分系表示微分系

PID控制器第k次的輸出量為:

模糊控制器以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，以PID參數KP、KI和 KD作為輸出。利用PID參數與e和 ec之間的關系，在運行中不斷檢測規則庫，經過模糊推理，輸出參數 KP、KI和 KD。

為進一步提高系統的響應速率，采用增量式控制方法對 KP、KI和 KD進行控制，保存上一次 PID 參數 KP′、KI′和然后把模糊控制器輸出變量值 △KP、△KI和 △KD與保存值相加作為實際PID參數值。

將系統誤差 e、誤差變化率 ec、△KP、△KI和 △KD變化范圍定義為模糊集的論域，即 e,ec, △KP、△KI、△KD={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6} 其模糊子集為 e,ec={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},子集元素依次表示負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。選取三角形隸屬函數，如圖4所示。

根據控制系統設計經驗以及PID參數對系統輸出的影響， 可得知 e、ec,△KP、△KI和 △KD自適應調整規則[2-3]如下：

(1)當e較小時，汽車運動速度與期望值接近，為使系統具有良好的穩態性能，應增加 KP和KI，同時，為了避免系統在設定值附近振蕩，應適當選取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 e和ec為中等大小時，為使系統響應的起調較小，KP應取較小值。在這種情況下，KD的取值對系統影響較大，KI和KD應取值適當,以保證系統響應速度。

(3)當減速控制系統響應酒后駕車信號時，e較大。為加快響應速度，取較大的KP和較小的KD，同時為避免速度超調，產生積分飽和，應對積分作用加以限制，一般取KI=0。

根據以上分析，制定出如表1所示的控制規則。

糊控制器根據規則中的輸入、輸出模糊關系和實際輸入的模糊值得到輸出的模糊狀態。假設實際檢測的系統誤差和誤差變化率分別為e*和ec*，誤差連續取值范圍為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：

將模糊控制器精確輸入E*和EC*,通過模糊化借口轉化為模糊輸入A*和AC*。利用Mamdani方法計算模糊輸出U*的求解，對于模糊規則：IF x isTHEN z isand IF x isTHEN z is可得：

最后利用式(12)即可實現對 KP、KI和 KD的控制，減速器仿真圖[4]如圖5所示。從圖中可知，輸入端信號與輸出端信號基本重合，可見基于模糊控制自適應的PID控制器能夠很好地滿足控制要求。

基于MSP430的汽車酒駕報警減速器工作穩定，性能可靠。經實際檢測，當車室內空氣中乙醇分子的濃度達到聲光報警（酒后駕駛）點時，能夠很好地作出響應。如果在汽車靜止時檢測到屬于酒后駕車，則控制減速器工作的步進電機將停止工作；如果在汽車運動的過程中，檢測到屬于酒后駕車，則MSP430將會觸發FPGA減速器，使步進電機工作，迫使汽車平穩地停駛，從而真正實現酒后駕駛報警減速的作用，有效控制酒后駕車和預防交通事故的發生。

表1 控制規則

[1]潘祖軍，朱文勝，岳睿.汽車用酒精傳感器的分析[J].北京汽車，2007（1）：39-41.

[2]王述彥,師寧,馮忠緒.基于模糊 PID控制器的控制方法研究[J].機械科學與技術,2011,30(1):166-167.

[3]王吉龍.基于模糊PID的溫度控制系統[J].電子工程師,2008,34(5):77-80.

[4]李國勇.智能控制及其MATLAB實現[M].北京：電子工業出版社,2005.