一种智能车载雨刮器的模糊控制方法 技术领域 本发明涉及一种智能车载雨刮器的模糊控制方法， 尤其涉及一种根据驾驶员操作 行为进行分析和模糊识别， 进而控制车载雨刮器时间间隔和速度的方法， 属于车辆配件控 制技术领域。
背景技术
雨刮器是所有车辆必须配置的辅助部件之一， 其作用是在雨雪天气中， 清除车辆 前后挡风玻璃上的雨雪， 以保证驾驶员视线清楚。现有普通车辆的雨刮设备一般设置有慢 速、 中速、 快速三档速度调节， 其中慢速档通过延长两次雨刮运动之间的时间间隔， 中速档 和高速档则调节雨刮运动速度。根据雨量的大小， 驾驶员可以选择其中的一档工作。
一般情况下， 各档的时间间隔和速度都是事先调节好的， 驾驶员在实际操控中， 只 能选择不同的档位， 无法根据实际雨量的大小， 具体调节雨刮器的时间间隔和速度。因此， 当雨量较小时， 即使慢速档的工作速度也太快， 雨刮条刮过相对干燥的挡风玻璃， 反而模糊 视线 ； 而当雨量较大时， 由于雨刮的工作速度无法和雨量相匹配， 只能启用更高的速度档 位。这不仅增加了雨刮条不必要的摩擦， 减少了使用寿命， 而且也不是一种好的驾驶体验。 为了改善雨刮器性能， 已经提出了多项技术解决方案， 如：
公告号为 ： CN 2052368U 的中国实用新型专利 “全自动雨刮器” 公开了一种将雨水 信号转换为电流信号， 并经放大器将电流放大， 调节电机转速的技术方案。 这种技术方案的 好处是成本低， 缺点是速度调节效果不佳。
公告号为 ： CN 2118669U 的中国实用新型专利 “可调间歇式雨刮器控制器” 公开了 采用频率调节电位器和自动复位电路调整雨刮器工作间隔时间的技术方案， 优点是结构简 单、 成本低， 缺点是操控复杂。
公告号为 ： CN 1415507A 的中国发明专利 “智能雨刮器” 公开了一种在车顶迎风方 向安装特别设计的雨量传感器， 检测雨量大小， 然后由单片机控制电机工作在最佳转速状 态的技术方案。这种技术方案的好处在于驾驶员无需人为地频繁切换雨刮器的速度， 缺点 是需要安装雨量传感器， 且安装维护复杂。
而公告号为 ： CN 2812064Y 的中国实用新型专利 “一种基于接近觉传感器的智能 雨刮控制装置” 公开了选用接近觉传感器代替雨量传感器的技术方案。
公告号为 ： CN 201294430Y 的中国实用新型专利 “雨量感应刮水电机” 则公开了一 种能够直接感应雨量大小并控制档速的电机。
另外， 公告号为 ： CN 101750965A 的中国发明专利 “汽车雨刮器雨量自适应传感方 法” 公开了优化雨量传感器量化雨量强度的自适应技术方案。
总的来说， 以上的技术解决方案都是大多基于雨量强度的检测， 而优化雨刮效果 的最终目的是清除前后挡风玻璃上的雨雪， 以使驾驶员视线清晰， 就这个目标来说， 首先应 该建立雨量强度和视线清晰之间的关系， 而这个关系的建立存在较复杂的约束条件， 换句 话说， 即使准确地检测了雨量强度， 合理地调节了雨刮时间间隔和速度， 也未必能达到使驾驶员视线清晰的目的， 更何况不同驾驶员对视线清晰的要求也不一样， 固定的反馈参数也 不一定适合每一位驾驶员。 因此目前市面上销售的车载雨刮器大多还是采用传统的三档位 驱动电机。
本发明的出发点是 ： 在实际使用中， 驾驶员的主观判断是视线清晰与否的重要依 据。一般情况下， 如果雨量较小， 慢速档都嫌快时， 驾驶员会主动关闭雨刮， 以延长时间间 隔； 而当雨量较大时， 驾驶员又会主动加快速度档， 以达到快速清除的效果。 因此， 如果能够 智能分析驾驶员的操作行为， 并提取出反馈参数， 以控制雨刮时间间隔和速度， 可以达到更 好的适用性和易用性。 在本发明公开的技术方案中， 不需要额外加装雨量传感器， 驾驶员本 身就是最好的雨量观察者。 发明内容
本发明的目标是提供一种智能车载雨刮器的模糊控制方法， 使得在不额外增加雨 量传感器的情况， 在改进三档式雨刮控制电气结构的基础上， 对驾驶员操作行为进行分析 和模糊识别， 以获取反馈参数， 进而控制雨刮器的时间间隔和速度， 达到有效去除雨雪， 保 证驾驶员视线清晰。
为实现上述目的， 本发明采用以下控制结构 ：
本发明一种智能车载雨刮器的模糊控制方法， 其控制结构主要包括 ： 雨刮控制杆、 微控制器、 驾驶员、 无级调速电机、 车辆挡风玻璃、 雨刮执行机构。
其中， 驾驶员根据车辆挡风玻璃上的雨量强度， 通过控制雨刮控制杆选择档位， 微 控制器接受雨刮控制杆的档位信息， 根据模糊控制算法， 调节无级调速电机的时间间隔和 速度， 并最终驱动雨刮执行机构完成整个控制过程。
一般情况下， 使用传统的三档式雨刮控制器， 有以下几种情况 ：
(1) 在雨量强度较小时， 驾驶员会选择手动慢速档， 即等到雨量在车辆挡风玻璃上 积聚到一定量， 并导致视线模糊之后， 才执行一次慢速档操作， 执行完之后， 立即手动关闭 慢速档， 等雨量再度积聚之后， 再重复操作 ；
(2) 在雨量强度稍大时， 驾驶员会选择慢速档， 雨刮控制器按照预先设定的时间间 隔和速度执行操作， 此时在雨量积聚之前即被清除， 达到了动态平衡， 在满足驾驶员视线要 求的情况下， 驾驶员不会进行手动调节 ；
(3) 在雨量强度进一步增大时， 驾驶员会选择中速档， 雨刮控制器按照预先设定的 中档速度连续执行操作， 达到动态平衡 ；
(4) 在雨量强度很大时， 驾驶员会选择快速档， 雨刮控制器按照预先设定的快档速 度连续执行操作， 达到动态平衡。事实上， 雨刮控制器都有最快速度限定， 因此当雨量强度 特别大时， 也无法选择更快档速度了， 不过这种气象条件一般很少出现。
在上述过程中， 虽然驾驶员可以根据不同的雨量强度选择不同的操作模式， 但是 不同档位的时间间隔和速度是预先设定的， 无法自适应调节。
一般情况下， 在雨量强度和雨刮控制器速度不匹配时， 有的时候驾驶员可能会通 过主动切换档位的方式进行调节， 以达到视线清楚。事实上， 驾驶员的这种主动调节， 正是 雨量强度的直接反馈， 通过分析驾驶员的操作行为， 模糊识别驾驶员对雨量强度的判断， 作 为反馈信息， 进而调节无级调速电机速度。因此， 本发明提出的技术方案如下 ：
通过测算档位切换时间间隔获得驾驶员对雨量强度的判断， 在某一档位上停留时 间越长， 说明驾驶员对该档位认可度越高， 反馈量越少 ；
(1) 模糊化过程。
(2) 建立二维输入。设 (P， Δt) 表示 “档位 - 档位停留时间” 数对， 其中取值范围 为： P ∈ {0， 1， 2， 3}， Δt ＞ 0 ；
(3) 记录档位停留时间。所谓 “档位停留时间” 是指从驾驶员切换至某一个档位开 始， 到切换至另一个档位结束之间的时间间隔 ；
(4) 计算隶属度。选择隶属度函数为 ：
公式中已经考虑到档位是连续排列的， 在选择某一档位时会顺带经过中间档位， 因此需要忽略这种情况， T0 为这种情况设定最小时间间隔阈值 ；
(5) 设置模糊阈值。将隶属函数分成两个模糊子集 { 失匹配， 匹配 }， 公式为 ：
(6) 判断失匹配方向。根据驾驶员选择的下一个档位确定欠匹配和过匹配， 公式为：
其中， P1 为后一个档位， P0 为前一个档位 ； (7) 模糊推理过程。 (8) 欠匹配逻辑。需要加快雨刮器速度。 IF E ＝失匹配 AND CE ＝欠匹配 THEN CU ＝ CU1 (9) 过匹配逻辑。需要降低雨刮器速度。 IF E ＝失匹配 AND CE ＝过匹配 THEN CU ＝ CU2 (10) 匹配逻辑。保持现状不处理。 IF E ＝匹配 THEN CU ＝ CU3 ＝ 0 其中 CU 为模糊量输出。 (11) 去模糊化过程。用以下公式计算反馈控制量 ：式中， μ(Δt) 越小， 说明驾驶员越不认可当前档位， 反馈量应该越大， 反馈的方向 由 CUi 确定。
(12) 更新速度值。VNEW ＝ VOLD+VFEEDBACK， 为了避免过深反馈， 需对 VNEW 进行限幅 ；
(13) 反馈量限幅。采用公式 ：
其中 VP 为该档位的中心速度， ΔV 为档位之间的速度差， 这些参数都是事先设定的常量 ；
(14) 速度换算时间间隔。 对于慢速档， 有一个最低速度限制， 当小于这个速度的时 候， 改成通过调节时间间隔来控制速度， 因此通过公式 ：
其中 VSLOWEST 是最低速度， G 为换算常数， 目标速度越慢， 时间间隔越长 ；
(15) 最快速度限幅。对于快速档， 有一个最快速度限制， 如果大于这个速度， 则取 最快速度， 通过公式 ：
(16) 决策反馈过程。用新的速度值驱动无级调速电机工作， 并返回步骤 (1)等待分析新的操作。
综上所述， 本发明所提出的技术方案的有益技术效果是 ： 通过对驾驶员的操作进 行模糊识别和分析， 获得雨量强度的反馈信息， 从而控制雨刮器速度， 可以在改进三档式雨 刮控制器的基础上， 不需要额外安装雨量强度传感器， 既节约了成本， 又具有良好操控性， 具有良好的经济效益和市场前景。 附图说明 图 1 是本发明一种智能车载雨刮器的模糊控制方法的控制结构框图 ；
图 2 是本发明一种智能车载雨刮器的模糊控制方法的传统三档式雨刮控制器雨 量强度 - 速度 - 时间间隔关系图 ；
图 3 是本发明一种智能车载雨刮器的模糊控制方法的流程图 ；
图 4 是本发明一种智能车载雨刮器的模糊控制方法的实施例的档位切换时序图 ；
图 5 是本发明一种智能车载雨刮器的模糊控制方法的隶属函数示意图。
具体实施方式
参考附图， 下面对本发明进行详细描述。
如图 1 所示， 本发明所采用的控制结构主要包括 ： 雨刮控制杆 (100)、 微控制器 (101)、 驾驶员 (102)、 无级调速电机 (103)、 车辆挡风玻璃 (104)、 雨刮执行机构 (105)。
其中， 驾驶员 (102) 根据车辆挡风玻璃 (104) 上的雨量强度， 通过控制雨刮控制杆 (100) 选择档位， 微控制器 (101) 接受雨刮控制杆 (100) 的档位信息， 根据模糊控制算法， 调 节无级调速电机 (103) 的时间间隔和速度， 并最终驱动雨刮执行机构 (105) 完成整个控制 过程。
可以看到， 除了无级调速电机 (103) 比三档式雨刮控制器配置高外， 其他的配置都不需要增加额外的投入。
如图 2 所示， 一般情况下， 驾驶员根据雨量强度选择档位， 假设雨量强度曲线 (200) 为一上升曲线， 即雨量强度逐渐增强。在不同的雨量强度下， 驾驶员根据经验先后选 择慢速档 (206)、 中速档 (207)、 快速档 (208)， 分别对应于雨量强度较小 (201)、 雨量强度稍 大 (202)、 雨量强度进一步增大 (203)、 雨量强度很大 (204) 的情况。
值得注意的是， 在雨量强度较小 (201) 和雨量强度稍大 (202) 阶段， 虽然同样选择 慢速档 (206)， 但是可以分别采用手动慢速档时间间隔 (209) 和慢速档时间间隔 (210) 的区 别方式满足各自的需求。而当雨量强度特别大 (205) 时， 只能保持快速档 (208) 不变， 因为 无法选择更快档速度了， 不过这种气象条件一般很少出现。
如图 3 所示， 本发明提出的技术方案是通过测算档位切换时间间隔获得驾驶员对 雨量强度的判断， 在某一档位上停留时间越长， 说明驾驶员对该档位认可度越高， 反馈量越 少；
(1) 模糊化过程 (300)。
(2) 建立二维输入 (301)。设 (P， Δt) 表示 “档位 - 档位停留时间” 数对， 其中取 值范围为 ： P ∈ {0， 1， 2， 3}， Δt ＞ 0 ； (3) 记录档位停留时间 (302)。所谓 “档位停留时间” 是指从驾驶员切换至某一个 档位开始， 到切换至另一个档位结束之间的时间间隔 ；
(4) 计算隶属度 (303)。选择隶属度函数为 ：
公式中已经考虑到档位是连续排列的， 在选择某一档位时会顺带经过中间档位， 因此需要忽略这种情况， T0 为这种情况设定最小时间间隔阈值 ；
(5) 设置模糊阈值 (304)。将隶属函数分成两个模糊子集 { 失匹配， 匹配 }， 公式 为：
(6) 判断失匹配方向 (305)。根据驾驶员选择的下一个档位确定欠匹配和过匹配， 公式为 ：
其中， P1 为后一个档位， P0 为前一个档位 ； (7) 模糊推理过程 (306)。 (8) 欠匹配逻辑 (307)。需要加快雨刮器速度。 IF E ＝失匹配 AND CE ＝欠匹配 THEN CU ＝ CU1 (9) 过匹配逻辑 (308)。需要降低雨刮器速度。 IF E ＝失匹配 AND CE ＝过匹配 THEN CU ＝ CU2 (10) 匹配逻辑 (309)。保持现状不处理。IF E ＝匹配 THEN CU ＝ CU3 ＝ 0 其中 CU 为模糊量输出。 (11) 去模糊化过程 (310)。用以下公式计算反馈控制量 ：式中， μ(Δt) 越小， 说明驾驶员越不认可当前档位， 反馈量应该越大， 反馈的方向 由 CUi 确定。
(12) 更新速度值 (311)。VNEW ＝ VOLD +VFEEDBACK， 为了避免过深反馈， 需对 VNEW 进行限 幅；
(13) 反馈量限幅 (312)。采用公式 ：
其中 VP 为该档位的中心速度， ΔV 为档位之间的速度差， 这些参数都是事先设定的常量 ；
(14) 速度换算时间间隔 (314)。对于慢速档， 有一个最低速度限制， 当小于这个速 度的时候， 改成通过调节时间间隔来控制速度， 因此通过公式 ：
其中 VSLOWEST 是最低速度， G 为换算常数， 目标速度越慢， 时间间隔越长 ；
(15) 最快速度限幅 (313)。对于快速档， 有一个最快速度限制， 如果大于这个速 度， 则取最快速度， 通过公式 ：
(16) 决策反馈过程 (315)。用新的速度值驱动无级调速电机工作， 并返回步骤 (1) 等待分析新的操作。
如图 4 所示， 一个实施例的档位切换时序 (400)， 其中慢速档停留时间 (401) 足够 短， 少于最小时间间隔阈值 T0， 说明驾驶员所选择目标档位不是慢速档， 忽略处理 ； 而中速 档停留时间 (402) 较长， 大于最小时间间隔阈值 T0， 之后， 驾驶员又切换至快速档， 并在快速 档上停留了快速档停留时间 (403) 之后， 又重新切换回中速档， 并在中速档上停留了足够 长的第二次中速档停留时间 (404)， 这说明驾驶员对雨量强度的判断是基本上中速档是最 佳的， 但是在速度上稍嫌不够， 所以驾驶员尝试更快档之后， 还是选择中速档， 因此这种操 作行为蕴示着驾驶员期望略高于中速档的速度。
如图 5 所示， 隶属函数 (500) 在最小时间间隔阈值 (502) 开始的指数曲线， 而模糊 阈值 (501) 将档位停留时间 Δt 分成两个模糊子集。