Устройство управления светофором на основе нечеткой логики Российский патент 2024 года по МПК G08G1/01 G08G1/08 

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано для управления транспортными потоками с целью повышения безопасности передвижений на перекрестке с пешеходным переходом.

Известен способ регулирования движения автотранспорта на перекрестке, основывающийся на корректировке времени работы сигналов светофора в зависимости от расстояния от стоп-линии до конечной границы участка дороги, занятой автомобилями. [Патент РФ № 2379761, G08G 1/01 (аналог)].

Недостаток описанного способа заключается в отсутствии блока, учитывающего количество пешеходов на перекрестке, что является функциональным ограничением данного устройства.

Известна автоматическая система управления движением мобильного объекта и способ автоматического управления движением мобильного объекта [Патент РФ № 2451593, B25J 5/00 (прототип)].

Недостатками указанного прототипа является отсутствие описания способа дефаззификации результирующей переменной и то, что предлагаемые функции принадлежности не обладают свойством разбиения единицы, следовательно, при реализации нечеткого вывода будут наблюдаться большие скачки результирующей переменной. А в связи с тем, что не описаны методы нечеткой импликации, используемые в нечетком выводе, предлагаемый способ не воспроизводим.

Технической задачей изобретения является разработка устройства управления светофором на основе нечеткой логики с возможностью учета числа пешеходов на перекрестке.

Техническая задача решается за счет введения микроконтроллера, к входам которого подключены две видеокамеры, выходы которых соединены с входами блоков функций принадлежности, подключенных к входам блока вычисления степеней истинности, выходы которого соединены с входами блока усечения функций принадлежности, подключенного к блоку дефаззификации, с входами которого также соединены выходы блока выходных функций принадлежности, выход блока дефаззификации соединен с входом первого таймера, выходы двух таймеров соединены с входами блока выдачи управляющего сигнала микроконтроллера, выходы которого подключены к анодам светодиодов, выходы которых заземлены через резисторы.

Техническим результатом является устройство, имитирующее работу системы управления светофорами на основе нечеткой логики, регулирующее время задержки сигналов светофора в зависимости от данных о количестве автомобилей и пешеходов на перекрестке. Для реализации устройства в него введены микроконтроллер ATmega (можно реализовать на базе Arduino Uno), резисторы, светодиоды красного, зеленого и желтого цветов.

Изобретение поясняется чертежами: фиг. 1 – устройство управления светофором на основе нечеткой логики; фиг. 2 – график функции принадлежности входной переменной «Автомобили»; фиг. 3 – график функции принадлежности входной переменной «Пешеходы»; фиг. 4 – метки выходной функции принадлежности; фиг. 5 – диаграмма изменения времени задержки сигналов светофора в зависимости от количества автомобилей и пешеходов на перекрестке; фиг. 6 – таблица 1. Режимы работы светофора.

Устройство управления светофором на основе нечеткой логики содержит две видеокамеры ВК1 2 и ВК2 3, первый светофор 15, содержащий три светодиода VD1÷VD3 13.1÷13.3 и три резистора R1÷R3 14.1÷14.3, второй светофор 16, содержащий три светодиода VD4÷VD6 13.4÷13.6 и три резистора R4÷R6 14.4÷14.6, микроконтроллер 1, состоящий из двух блоков функций принадлежности БФП1 4 и БФП2 5, блока вычисления степеней истинности БВСИ 6, блока усечения функций принадлежности БУФП 7, блока выходных функций принадлежности БВФП 8, блока дефаззификации БД 9, двух таймеров Timer1 10 и Тimer2 11, блока выдачи управляющего сигнала БВУС 12.

Связи в устройстве управления светофором на основе нечеткой логики определяются следующим образом. Выход видеокамеры ВК1 2 подключен к входу блока функций принадлежности БФП1 4. Выход видеокамеры ВК2 3 подключен к входу блока функций принадлежности БФП2 5. Выходы А1÷А3 и В1÷В3 блоков функций принадлежности БФП1 4 и БФП2 5 соединены с входами блока вычисления степеней истинности БВСИ 6. Выходы R1÷R9 блока вычисления степеней истинности БВСИ 6 соединены с входами блока усечения функций принадлежности БУФП 7. Выходы Y1÷Y5 блока усечения функций принадлежности БУФП 7 и выходы M1÷M5 блока выходных функций принадлежности БВФП 8 соединены с входами блока дефаззификации БД 9. Выход блока дефаззификации БД 9 соединен с входом таймера Timer1 10. Выходы таймеров Timer1 10 и Тimer2 11 соединены с входами блока выдачи управляющего сигнала БВУС 12. Выходы блока выдачи управляющего сигнала БВУС 12 соединены с анодами светодиодов VD1÷VD6 13.1÷13.6, которые заземлены через резисторы R1÷R6 14.1÷14.6.

Принцип работы устройства управления светофором на основе нечеткой логики заключается в расчете времени задержки переключения сигналов с красного на зеленый цвет в зависимости от числа автомобилей и пешеходов на перекрестке. Входными данными (фиг. 2, фиг. 3) устройства управления светофором на основе нечеткой логики являются количество автомобилей и пешеходов, которые определяются с помощью систем технического зрения видеокамер ВК1 и ВК2. Входная информация с видеокамер ВК1 2 и ВК2 3 поступает в блоки функций принадлежности БФП1 4 и БФП2 5, входящих в структуру микроконтроллера 1. В данных блоках используя формулу (1) происходит вычисление степеней функций принадлежности для каждой из переменных, представленных на фиг. 2 и фиг. 3. Полученные в блоках 4 и 5 значения степеней функций принадлежности А1÷А3 и В1÷В3 поступают в блок вычисления степеней истинности БВСИ 6, где по формуле (2) с учетом базы нечетких правил (таблица 2) происходит расчет степеней истинности предпосылок нечетких правил. Полученные степени истинности предпосылок нечетких правил R1-R9 поступают в блок усечения функций принадлежности БУФП 7, где по формуле (3) происходит усечение функций принадлежности. Полученные в блоке 7 значения усеченных функций принадлежности Y1÷Y5 подаются на вход блока дефаззификации БД 9. На вход блока 9 также подаются значения меток выходной функции принадлежности M1÷M5, хранящиеся в блоке 8, где каждое значение метки может корректироваться в зависимости от входных данных о количестве автомобилей и пешеходов на перекрестке (фиг. 4). В блоке дефаззификации БД 9 по формуле (4) осуществляется дефаззификация выходной переменной, результатом которой является значение времени задержки переключения красного сигнала светофора на зеленый. Вычисленное значение времени задержки передается в блок Timer1 10. Блок Тimer2 11 хранит установленное значение времени мигания желтого сигнала светофора (по умолчанию t_yellow =2 сек, за это время проходит 10 тактов в течение которых желтый сигнал горит 5 тактов и 5 тактов находится в выключенном состоянии). Общая схема работы светофора состоит из 2 основных и 2 промежуточных режимов регулирования. В первом режиме в соответствии с таблицей 1 (фиг. 6) на первом светофоре 15 горит красный светодиод VD1, а светодиоды желтого VD2 и зеленого VD3 цветов выключены. На втором светофоре 16 горит зеленый светодиод VD4, а светодиоды желтого VD5 красного VD6 цветов выключены. Второй режим является промежуточным перед сменой сигналов с красного на зеленый, при этом к горящим светодиодам VD1 и VD4 добавляется мигающий желтый цвет на светодиодах VD2 и VD5. Происходит пять коротких включений сигнала жёлтого света на светодиодах VD2 и VD5 в течение 2 мс, после чего устройство переходит в 3 режим. Режим 3 полностью противоположен режиму 1. Режим 4 аналогичен режиму 2. После прохождения всех 4 режимов цикл возобновляется. Режимы работы светофора представлены в таблице 1 (фиг. 6).

Значения времени мигания желтого сигнала t_yellow и времени задержки t_delay из блоков 10 и 11 подаются на входы блока выдачи управляющего сигнала БВУС 12, где выполняется расчет времени регулирования сигналов светофора t_рег = t_min + t_delay при t_min = 10 сек. Значение t_min задается для корректной работы устройства в ситуации, когда время задержки t_delay равно нулю. Данное значение показывает минимальное время горения разрешающего сигнала светофора и при необходимости может быть изменено. В зависимости от режима работы светофоров блок выдачи управляющего сигнала БВУС формирует время переключения режимов и сигналы, подаваемые на светодиоды VD1÷VD6 в соответствии с таблицей 1 (фиг. 6).

Светодиоды VD1÷VD6 заземлены через резисторы R1÷R6. Резисторы используются в качестве токоограждения. Так как напряжение с выходов микроконтроллера 1 (фиг. 1) составляет 5В, то ток, при котором горят светодиоды VD1÷VD6 не должен превышать 40 мА. Тогда по закону Ома сопротивление должно находиться в диапазоне от 150 Ом до 250 Ом. Было выбрано стандартное сопротивление R=220 Ом и резисторы R1-R6 имеют этот номинал.

Вычисление операций в устройстве управления светофором на основе нечеткой логики происходит за 6 шагов.

На первом шаге происходит построение и расчет степеней функции принадлежностей, которые вычисляются в блоках 4 и 5 в зависимости от типа входного сигнала (количество автомобилей или пешеходов). Расчет выполняется по формуле (1).

μ (x) = (1)

где μ(х) – функция принадлежности входных переменных; a, b, c – вершины соответствующего треугольника функции принадлежности.

На втором шаге выполняется расчет степеней истинности предпосылок нечетких правил, который осуществляется в блоке 6 и происходит с учетом базы нечетких правил (таблица 2), по формуле (2).

Таблица 2. База нечетких правил

B1 B2 B3 A1 Y3 Y4 Y5 A2 Y4 Y3 Y4 A3 Y1 Y2 Y3

Расчет 9 степеней истинности предпосылок нечетких правил осуществляется по формулам:

R1 = min (A1; B1);

R2 = min (A1; B2);

R3 = min (A1; B3);

R4 = min (A2; B1);

R5 = min (A2; B2); (2)

R6 = min (A2; B3);

R7 = min (A3; B1);

R8 = min (A3; B2);

R9 = min (A3; B3).

На шаге 3 происходит усечение функций принадлежности в зависимости от нечетких правил, которое осуществляется в блоке 7. Расчет выполняется по формулам (3):

Y5 = R₃;

Y4 = max (R2; R6);

Y3 = max (R1; R5; R9); (3)

Y2 = max (R8; R4);

Y1 = R7.

На четвертом шаге в блоке 9 по методу упрощенного центра тяжести осуществляется дефаззификация результирующей переменной на основе формулы (4):

, (4)

где M_i – метки выходной функции принадлежности, которые задаются в блоке 8 (фиг. 4).

На пятом шаге происходит расчет времени работы 1 и 3 режимов светофоров 15 и 16 (формула 5):

t_рег = t_min + t_delay (5)

На шестом шаге вычисляется полный цикл работы светофоров, состоящий из 4 режимов. Время одного цикла работы составит

t_ц = t_рег + t_yellow + t_рег + t_yellow = 2 (t_рег + t_yellow). (6)

Пример численного моделирования работы устройства управления светофором на основе нечеткой логики.

Пусть системы технического зрения видеокамер ВК1 и ВК2 определили, что на перекрестке находятся 11 машин (car = 11) и 9 пешеходов (person = 9) (фиг. 2, фиг. 3). Тогда на первом шаге в блоках 4 и 5 происходит расчет степени принадлежности нечеткого множества определенного по формуле (1).

На шаге 2 в блоке 6 происходит расчет степени истинности предпосылок нечетких правил с учетом формулы (2):

R1 = min (0; 0,2) = 0;

R2 = min (0; 0,8) = 0;

R3 = min (0; 0) = 0;

R4 = min (0,8; 0,2) = 0,2;

R5 = min (0,8; 0,8) = 0,8;

R6 = min (0,8; 0) = 0;

R7 = min (0,2; 0,2) = 0,2;

R8 = min (0,2; 0,8) = 0,2;

R9 = min (0,2; 0) = 0.

На шаге 3 в блоке 7 выполняется усечение функций принадлежности в зависимости от нечетких правил по формуле (3):

Y5 = R3 = 0;

Y4 = max (0; 0) = 0;

Y3 = max (0; 0,8; 0) = 0,8;

Y2 = max (0,2; 0,2) = 0,2;

Y1 = R7 = 0,2.

На шаге 4 в блоке 9 выполняется расчет дефаззификации по формуле (4), при этом пусть метки выходной функции принадлежности равны M1=2000, M2=3000, M3=4000, M4=5000, M5=6000 (фиг. 4).

= 3,5 сек.

На шаге 5 в блоке 12 выполняется расчет времени регулирования сигналов светофора по формуле (5):

t_рег = 10+3,5 =13,5 сек.

На шестом шаге определяется полный цикл работы светофора по формуле (6), который составит:

t_ц = 13,5 + 2 + 13,5 + 2 = 2 (13,5 + 2) = 31 сек.

Проведено моделирование с помощью функции Serial Plotter в Arduino IDE, показывающее время задержки сигналов светофора в зависимости от данных о количестве автомобилей и пешеходов на перекрестке (фиг. 5). Программная модель плоттера по последовательному соединению в микропроцессоре 1 выводит 100 показаний плоттера за 54 сек. Таким образом, время регулировки для эксперимента, представленного на фиг. 5 составляет

54(t1 – t2)/100 = 54(70-45)/100 = 13,5 сек.

Таким образом, устройство управления светофором на основе нечеткой логики позволяет корректировать время работы сигналов светофора в зависимости от количества пешеходов и автомобилей, находящихся на перекрестке.

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано для управления транспортными потоками. Устройство управления светофором на основе нечеткой логики содержит две видеокамеры и микроконтроллер, включающий блок нечеткой логики, два блока функций принадлежности, блок вычисления степеней истинности и блок выдачи управляющего сигнала. К входам микроконтроллера подключены две видеокамеры, выходы которых соединены с входами блоков функций принадлежности, подключенных к входам блока вычисления степеней истинности. Выходы блока вычисления степеней истинности соединены с входами блока усечения функций принадлежности, подключенного к блоку дефаззификации. С входами блока дефаззификации соединены выходы блока выходных функций принадлежности. Выход блока дефаззификации соединен с входом первого таймера, выходы двух таймеров соединены с входами блока выдачи управляющего сигнала микроконтроллера, выходы которого подключены к анодам светодиодов, выходы которых заземлены через резисторы. Достигается возможность управления светофорами на основе нечеткой логики, регулирующее время задержки сигналов светофора в зависимости от данных о количестве автомобилей и пешеходов на перекрестке. 6 ил., 1 табл.

Устройство управления светофором на основе нечеткой логики, содержащее две видеокамеры и блок нечеткой логики, включающий два блока функций принадлежности, блок вычисления степеней истинности и блок выдачи управляющего сигнала, отличающееся тем, что в него введен микроконтроллер, к входам которого подключены две видеокамеры, выходы которых соединены с входами блоков функций принадлежности, подключенных к входам блока вычисления степеней истинности, выходы которого соединены с входами блока усечения функций принадлежности, подключенного к блоку дефаззификации, с входами которого также соединены выходы блока выходных функций принадлежности, выход блока дефаззификации соединен с входом первого таймера, выходы двух таймеров соединены с входами блока выдачи управляющего сигнала микроконтроллера, выходы которого подключены к анодам светодиодов, выходы которых заземлены через резисторы.