宇世雄 肖洪祥

桂林理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 廣西 541004

0 引言

近年來，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，導(dǎo)致了交通量的急劇增長(zhǎng)。交通燈作為城市交通監(jiān)管系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于保證機(jī)動(dòng)車輛的安全運(yùn)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(shí)控制，燈亮的時(shí)間是預(yù)先設(shè)定好的，一定程度上造成了交通資源的浪費(fèi)。本設(shè)計(jì)通過FPGA的相關(guān)技術(shù)，根據(jù)檢測(cè)出等待車輛和通行車輛的數(shù)目，運(yùn)用模糊控制算法，合理的調(diào)整燈亮?xí)r間。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

交通燈控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示，該系統(tǒng)包括模糊控制模塊、分頻模塊、控制模塊、數(shù)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(fā)送的通行車輛P和等待車輛W，經(jīng)過模糊控制算法得到最佳紅綠燈時(shí)間，通過使用verilog語言設(shè)計(jì)一個(gè)LUT查找表將模糊控制輸出表的數(shù)據(jù)輸入到LUT查找表中，把檢測(cè)到的等待車輛W和通行車輛P作為查找表的兩個(gè)查詢變量，通過查表把最佳綠燈時(shí)間發(fā)送出去。分頻模塊主要將系統(tǒng)輸入的基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換為1Hz的激勵(lì)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)控制模塊工作?？刂颇K控制交通燈亮滅時(shí)間，并將燈亮?xí)r間以倒計(jì)時(shí)的形式通過數(shù)碼管顯示出來。

圖1 交通燈控制系統(tǒng)原理圖

2 主要功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 分頻模塊

本設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)時(shí)鐘采取的是ASK2CB開發(fā)板上時(shí)鐘頻率為50MHz的時(shí)鐘, 分頻模塊采用計(jì)數(shù)的方法對(duì)基準(zhǔn)時(shí)鐘進(jìn)行分頻，當(dāng)檢測(cè)到時(shí)鐘上升沿到來時(shí)，計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到50M時(shí)，發(fā)出一個(gè)高脈沖，同時(shí)使計(jì)數(shù)器清零。

2.2 控制模塊

該系統(tǒng)的交通燈共有4個(gè)狀態(tài)，由于每個(gè)狀態(tài)所持續(xù)的時(shí)間不一樣，所以控制模塊的核心部分是狀態(tài)機(jī)和定時(shí)器，狀態(tài)機(jī)根據(jù)定時(shí)器的定時(shí)作用完成交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。如表1交通燈控制要求所示，當(dāng)東西方向紅燈亮，南北方向綠燈亮?xí)r，綠燈持續(xù)時(shí)間為T1，當(dāng)東西方向紅燈亮，南北方向黃燈亮?xí)r，黃燈持續(xù)時(shí)間為3s，當(dāng)南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮?xí)r，綠燈持續(xù)時(shí)間為T2，當(dāng)南北方向紅燈亮，東西方向黃燈亮?xí)r，黃燈持續(xù)時(shí)間為3s。由于檢測(cè)器檢測(cè)到的等待車輛W和通行車輛P隨著時(shí)間的不同而不同，所以由模糊控制模塊產(chǎn)生的綠燈時(shí)間也隨著時(shí)間的不同而不同。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2所示，控制模塊根據(jù)當(dāng)前交通燈狀態(tài)和定時(shí)器狀態(tài)判斷下一個(gè)交通燈狀態(tài)。當(dāng)定時(shí)器倒計(jì)時(shí)為0時(shí)，交通燈狀態(tài)改變，否則交通燈保持原有狀態(tài)。

表1 交通燈控制要求

圖2 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

2.3 模糊控制模塊

2.3.1 輸入輸出量及模糊化

本設(shè)計(jì)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(gè)方向的停止線處以及距停止線100處各安置一個(gè)傳感器來檢測(cè)采集綠燈方向和紅燈方向未通過路口的車輛數(shù)。假設(shè)車長(zhǎng)為2米，所以設(shè)檢測(cè)器最多只能檢測(cè)到50輛車，取等待車輛W和通行車輛P的論域?yàn)閇0,52]，其模糊子集為很少，少，中等，多，很多，隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)如圖3所示。

輸出量為各個(gè)相位的通行方向的綠燈時(shí)間T。如果檢測(cè)到有車，為了保證車輛通過路口而不影響交通安全，則設(shè)每個(gè)相位的最短綠燈時(shí)間tmin=15s；如果沒有檢測(cè)到車，則tmin=0s。各相位的綠燈時(shí)間t為最短綠燈時(shí)間tmin和模糊控制時(shí)間T之和，即t=T+tmin。取T的論域?yàn)閇0,52]，其模糊子集為很長(zhǎng)，長(zhǎng)，適中，短，很短，隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.3.2 模糊規(guī)則的設(shè)計(jì)

模糊控制器的核心部分是模糊控制規(guī)則，模糊控制規(guī)則是模糊推理的基礎(chǔ)。根據(jù)交警的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)通行車輛P和等待車輛W相同時(shí)，輸出綠燈時(shí)間為短，使不同方向上的車輛快速均衡的通過交叉口，以達(dá)到加速相位循環(huán)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(guī)則

本設(shè)計(jì)采用雙輸入單輸出的模糊規(guī)則設(shè)計(jì)，其控制規(guī)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(jù)表2模糊控制規(guī)則，可以得出等待車輛W、通行車輛P和綠燈時(shí)間T的模糊關(guān)系：

運(yùn)用模糊邏輯運(yùn)算，也就是隸屬度函數(shù)的運(yùn)算，選取模糊邏輯蘊(yùn)含為最小運(yùn)算，其隸屬度函數(shù)為：

對(duì)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(shù)μPi×Wj為：

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

運(yùn)用max-min合成運(yùn)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(shù)法；

(3) 加權(quán)平均法。

本文采用最大隸屬度法進(jìn)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(dāng)通行車輛P大于等待車輛W時(shí)，綠燈時(shí)間設(shè)置較長(zhǎng)，達(dá)到了最大限度放行當(dāng)前相位車輛的目的；當(dāng)通行車輛P小于等待車輛W時(shí)，綠燈時(shí)間設(shè)置短，以減少等待車輛的等待時(shí)間，減少了交通資源的浪費(fèi)，當(dāng)通行車輛P等于等待車輛W時(shí)，綠燈時(shí)間短，達(dá)到了加速循環(huán)的目的。

3 仿真與結(jié)果

利用QuartusⅡ 9.0仿真工具，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)整體仿真結(jié)果

設(shè)置CLK時(shí)鐘為系統(tǒng)基準(zhǔn)時(shí)鐘50MHz，rst復(fù)位信號(hào)為高電平，din_p和din_w分別為車輛通行數(shù)和等待車輛數(shù)，設(shè)定為0到52的8位的隨機(jī)數(shù)，t為通過查找表輸出的紅綠燈時(shí)間，通過輸出led的6位數(shù)據(jù)來控制兩個(gè)方向的交通燈，ew_dout,sn_dout分別為等待相位和通行相位的數(shù)碼管輸入數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)交叉路口傳統(tǒng)的紅綠燈定時(shí)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(tǒng)的定時(shí)控制的交通燈相比，模糊控制器可以根據(jù)交叉路口的交通特點(diǎn)靈活的設(shè)置綠燈時(shí)間，減少了交通資源的浪費(fèi)。此外，系統(tǒng)采用FPGA為核心的控制器，具有設(shè)計(jì)方便、修改容易等特點(diǎn)，減少了大量布局布線。

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