交通信號模糊控制器的FPGA設計

宇世雄 肖洪祥

桂林理工大學信息科學與工程學院 廣西 541004

0 引言

近年來，隨著國民經濟的發展和人民生活水平的日益提高，導致了交通量的急劇增長。交通燈作為城市交通監管系統的重要組成部分，對于保證機動車輛的安全運行，維持城市道路的順暢起到了重要作用。目前很多城市交叉路口的交通燈使用的是定時控制，燈亮的時間是預先設定好的，一定程度上造成了交通資源的浪費。本設計通過FPGA的相關技術，根據檢測出等待車輛和通行車輛的數目，運用模糊控制算法，合理的調整燈亮時間。

1 系統的總體設計

交通燈控制系統原理圖如圖1所示，該系統包括模糊控制模塊、分頻模塊、控制模塊、數碼管顯示模塊、LED顯示模塊。其中模糊控制模塊的主要作用是將外部傳感器發送的通行車輛P和等待車輛W，經過模糊控制算法得到最佳紅綠燈時間，通過使用verilog語言設計一個LUT查找表將模糊控制輸出表的數據輸入到LUT查找表中，把檢測到的等待車輛W和通行車輛P作為查找表的兩個查詢變量，通過查表把最佳綠燈時間發送出去。分頻模塊主要將系統輸入的基準時鐘信號轉換為1Hz的激勵信號，驅動控制模塊工作。控制模塊控制交通燈亮滅時間，并將燈亮時間以倒計時的形式通過數碼管顯示出來。

圖1 交通燈控制系統原理圖

2 主要功能模塊設計

2.1 分頻模塊

本設計的基準時鐘采取的是ASK2CB開發板上時鐘頻率為50MHz的時鐘, 分頻模塊采用計數的方法對基準時鐘進行分頻，當檢測到時鐘上升沿到來時，計數器自動加1，當計數器計數到50M時，發出一個高脈沖，同時使計數器清零。

2.2 控制模塊

該系統的交通燈共有4個狀態，由于每個狀態所持續的時間不一樣，所以控制模塊的核心部分是狀態機和定時器，狀態機根據定時器的定時作用完成交通燈的狀態轉換。如表1交通燈控制要求所示，當東西方向紅燈亮，南北方向綠燈亮時，綠燈持續時間為T1，當東西方向紅燈亮，南北方向黃燈亮時，黃燈持續時間為3s，當南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮時，綠燈持續時間為T2，當南北方向紅燈亮，東西方向黃燈亮時，黃燈持續時間為3s。由于檢測器檢測到的等待車輛W和通行車輛P隨著時間的不同而不同，所以由模糊控制模塊產生的綠燈時間也隨著時間的不同而不同。狀態轉移圖如圖2所示，控制模塊根據當前交通燈狀態和定時器狀態判斷下一個交通燈狀態。當定時器倒計時為0時，交通燈狀態改變，否則交通燈保持原有狀態。

表1 交通燈控制要求

圖2 狀態轉移圖

2.3 模糊控制模塊

2.3.1 輸入輸出量及模糊化

本設計的輸入量為交叉路口處的等待車輛W和通行車輛P，在十字路口的四個方向的停止線處以及距停止線100處各安置一個傳感器來檢測采集綠燈方向和紅燈方向未通過路口的車輛數。假設車長為2米，所以設檢測器最多只能檢測到50輛車，取等待車輛W和通行車輛P的論域為[0,52]，其模糊子集為很少，少，中等，多，很多，隸屬度函數設計如圖3所示。

輸出量為各個相位的通行方向的綠燈時間T。如果檢測到有車，為了保證車輛通過路口而不影響交通安全，則設每個相位的最短綠燈時間tmin=15s；如果沒有檢測到車，則tmin=0s。各相位的綠燈時間t為最短綠燈時間tmin和模糊控制時間T之和，即t=T+tmin。取T的論域為[0,52]，其模糊子集為很長，長，適中，短，很短，隸屬度函數設計如圖4所示。

2.3.2 模糊規則的設計

模糊控制器的核心部分是模糊控制規則，模糊控制規則是模糊推理的基礎。根據交警的經驗，當通行車輛P和等待車輛W相同時，輸出綠燈時間為短，使不同方向上的車輛快速均衡的通過交叉口，以達到加速相位循環的目的，如表2所示，表中一共包含了25條模糊條件語句。

表2 模糊控制規則

本設計采用雙輸入單輸出的模糊規則設計，其控制規則可以表示為：

If Piand Wjthen Tij，其中Pi、Wj、Tij分別表示語言變量。

2.3.3 模糊推理及其去模糊化

根據表2模糊控制規則，可以得出等待車輛W、通行車輛P和綠燈時間T的模糊關系：

運用模糊邏輯運算，也就是隸屬度函數的運算，選取模糊邏輯蘊含為最小運算，其隸屬度函數為：

對于具有相同論域U的有限集Pi和Wj，則Pi×Wj的論域也是U，其隸屬度函數μPi×Wj為：

由Pi、Wj、Tij以及式(2)、(3)，得到模糊關系矩陣R=[μ Rij]，根據模糊合成關系式：

運用max-min合成運算，將Pi'和Wj'代入(4)可以得出Tij。

常用的輸出信息去模糊判決有以下三種方法：

(1) 最大隸屬度法；

(2) 中位數法；

(3) 加權平均法。

本文采用最大隸屬度法進行模糊判決，得到如表3所示輸出量T的清晰值。

表3 模糊控制輸出

由表可以看出，當通行車輛P大于等待車輛W時，綠燈時間設置較長，達到了最大限度放行當前相位車輛的目的；當通行車輛P小于等待車輛W時，綠燈時間設置短，以減少等待車輛的等待時間，減少了交通資源的浪費，當通行車輛P等于等待車輛W時，綠燈時間短，達到了加速循環的目的。

3 仿真與結果

利用QuartusⅡ 9.0仿真工具，對系統進行仿真，仿真圖如圖5所示。

圖5 系統整體仿真結果

設置CLK時鐘為系統基準時鐘50MHz，rst復位信號為高電平，din_p和din_w分別為車輛通行數和等待車輛數，設定為0到52的8位的隨機數，t為通過查找表輸出的紅綠燈時間，通過輸出led的6位數據來控制兩個方向的交通燈，ew_dout,sn_dout分別為等待相位和通行相位的數碼管輸入數據。

4 結束語

本文針對交叉路口傳統的紅綠燈定時控制方式，提出了一種基于模糊控制的交通燈控制器，與傳統的定時控制的交通燈相比，模糊控制器可以根據交叉路口的交通特點靈活的設置綠燈時間，減少了交通資源的浪費。此外，系統采用FPGA為核心的控制器，具有設計方便、修改容易等特點，減少了大量布局布線。

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