基于FPGA的模糊控制交通燈控制方案設計

1 概述

為了解決城市交通擁擠的問(wèn)題，需要從供求兩個(gè)方面來(lái)采取措施：一是加強城市道路的基礎建設，二是要充分利用、提高現有路網(wǎng)的利用效率。目前，國內的城市交通燈大多數都是采用固定的綠信比（一個(gè)信號相位的有效綠燈時(shí)長(cháng)與周期時(shí)長(cháng)之比），不能滿(mǎn)足交叉路口車(chē)輛的時(shí)變性要求。

模糊控制技術(shù)作為智能控制的重要分支之一，它的最大特點(diǎn)是針對各類(lèi)具有非線(xiàn)性、強耦合、不確定性、時(shí)變的多變量復雜系統，在各個(gè)控制領(lǐng)域中得到廣泛的應用，并取得良好的控制效果。在城市道路中存在大量的平面交叉路口，交叉路口一般可以分成十字形、X形、T行、Y行和多路交叉形，本文以十字形交叉路口作為研究對象。

在平面交叉路口上某一支或者幾支交通流所獲得的通行權稱(chēng)為信號權，簡(jiǎn)稱(chēng)相位。一個(gè)周期內有幾個(gè)信號相位，則稱(chēng)該信號系統為幾相位系統。本文以雙向6車(chē)道4相位系統為例。第1相位東西方向交通流直行，第2相位東西方向交通流左轉，第3相位南北方向交通流直行，第4相位南北方向交通流左轉，所有右轉方向交通流不予控制。其交通運行圖如圖1所示。

圖1 4相位交通運行圖

2 模糊控制器的設計

模糊控制器通常包括模糊化接口、數據庫、規則庫、模糊推理機和解模糊接口5部分，如圖2所示。

圖2 模糊控制器的組成

2.1 隸屬度函數

為了完成輸入的模糊化，必須知道輸入精確值對模糊化的隸屬度函數，如取7個(gè)，即PL（正大）、PM（正中）、PS（正?。?、ZE（零）、NS（負?。?、NM（負中）、NL（負大）。在精度要求比較高的情況下可以采用正態(tài)分布，一般情況下可取三角形或者梯形，本文采用三角形的隸屬度函數。

在紅燈期間，取線(xiàn)圈感應取為100 m，車(chē)身及車(chē)距平均距離取5 m，將測得的車(chē)輛排隊長(cháng)度P看作模糊變量。其論域為：
P={1,3,5,7,9,11,13,15,17,19,21}
取7個(gè)語(yǔ)言值，其賦值表如表1所列。

表1 P賦值表

當前相位車(chē)隊長(cháng)度與下一相位的車(chē)隊長(cháng)度之差Q作為綠燈延遲的修正值。其論域為：
Q={-12，-9，-6,3,0,3,6,9,12}
取7個(gè)語(yǔ)言值，其賦值表如表2所列。

表2 Q賦值表

一般情況下，為了避免車(chē)輛來(lái)不及通過(guò)，綠燈時(shí)間不低于20 s；為了避免車(chē)輛等待時(shí)間太長(cháng)，綠燈時(shí)間不超過(guò)60 s。綠燈的追加時(shí)間看作模糊量g?？偟淖芳訒r(shí)間的論域為：
T={4,8,12,16,20,24,28,32,36}
取7個(gè)語(yǔ)言值，其賦值表如表3所列。

表3 T賦值表


2.2 車(chē)輛檢測器

采用環(huán)形線(xiàn)圈式，金屬線(xiàn)圈埋在地下，構成LC振蕩回路。受車(chē)身鐵磁材料的影響，電感量發(fā)生變化，根據電感不同可知車(chē)輛通過(guò)時(shí)的脈沖，從而推算出車(chē)輛通過(guò)的頻率。

2.3 控制器的設計

本文采用二維模糊控制器，二維指的是模糊控制器的輸入變量有兩個(gè)，而控制器的輸出只有一個(gè)。這類(lèi)模糊規則的一般形式為：
IF X1 IS Ai AND X2 IS Bi THEN Y IS Ci
由控制規則得到模糊控制規則表，如表4所列。

表4 模糊控制規則表


3 模糊控制的FPGA實(shí)現

3.1 Spartan3A/3AN介紹

FPGA具有性能好、規模大、可重復編程、開(kāi)發(fā)投資小等優(yōu)點(diǎn)，在現代電子產(chǎn)品中應用得越來(lái)越廣。使用Xilinx的Spartan3A/3AN FPGA時(shí)，ISE是必備的設計工具。它可以完成開(kāi)發(fā)的全部流程，包括設計輸入、仿真、綜合、布局布線(xiàn)、生成BIT下載文件、配置和在線(xiàn)調試等[4]。本文采用EElements ISE Development Kit開(kāi)發(fā)套件和ISE10.1軟件設計工具，建立模糊控制交通燈系統工程，如圖3所示。

圖3 模糊控制交通燈系統工程圖

3.2 系統的整體結構及軟件設計

系統生成的RTL如圖4所示。該系統主要由數據采集模塊、模糊推理模塊、分頻模塊、計數器模塊、狀態(tài)機控制模塊和顯示模塊組成。數據采集模塊主要是采集當前相位的車(chē)流量和下一相位的車(chē)流量；模糊推理模塊對采集到的數據進(jìn)行計算，并確定當前交叉口的通行情況（包括4個(gè)相位的通行與禁止、通行的準確時(shí)間）；分頻模塊將系統提供的40 MHz的頻率進(jìn)行分頻得到1 Hz；計數器將模糊推理模塊得到的具體數據實(shí)現減1計數，并通過(guò)7段數碼管顯示。

圖4 系統生成的RTL

對于模糊決策部分，其中每一條模糊條件語(yǔ)句都決定一個(gè)模糊關(guān)系。
例如：if P=P1 and Q=Q2，then T=T2所決定的模糊關(guān)系可以按下式計算：

此處的T表示將矩陣按行排列成一列向量，通過(guò)39個(gè)模糊關(guān)系的“并”運算，可獲取表征總的模糊關(guān)系，即：

給定輸入，由R按合成推理規則可得模糊輸出：

根據所有的組合以及按式（2）和式（3）可求得綠燈延時(shí)，加上綠燈基本延時(shí)最終可確定當前相位的綠燈總時(shí)間，然后建立控制查詢(xún)表，編寫(xiě)VHDL描述語(yǔ)言。

3.3 模糊控制交通燈硬件實(shí)現

BIT文件由FPGA綜合實(shí)現工具產(chǎn)生，用于配置FPGA，JTAG邊界掃描鏈的每一個(gè)FPGA需要一個(gè)BIT文件。使用電纜下載配置文件到PROM時(shí)，主要工作過(guò)程是啟動(dòng)iMPACT，在文件模式中用PROM Formatter把BIT文件轉為MCS/EXO格式的PROM文件，然后在配置模式中初始化邊界掃描鏈，接著(zhù)就可以下載配置文件了，如圖5所示。

圖5 下載配置文件

以上設計已經(jīng)編程完畢并且完成驗證，開(kāi)發(fā)板Spartan3A/3AN已經(jīng)可以工作。由7個(gè)按鍵模擬輸入，輸入數據不同，數碼管根據模糊控制判決得出不同的數據顯示，狀態(tài)控制器得出當前狀態(tài)，并用LED燈來(lái)直觀(guān)顯示，如圖6所示。

圖6 硬件實(shí)現

結語(yǔ)

本文提出一種智能交通燈模糊控制的方法，利用FPGA的優(yōu)勢以及其軟硬件協(xié)同工作帶來(lái)的便利，將智能交通燈控制在FPGA上實(shí)現。由硬件實(shí)現可以看出，它能根據采集到的當前相位車(chē)流量和當前相位與下一相位車(chē)流量之差，由模糊控制器按一定的規則實(shí)時(shí)決定當前相位綠燈延時(shí)時(shí)間，從而達到最大程度的通行量。