Lógica Fuzzy Para um Veículo Autônomo

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Sistema de Controle Fuzzy Atividade de Laboratório: Lógica Fuzzy Para um Veículo Autônomo

Aluno: Thales Miquéias dos Santos

Este relatório tem por objetivo apresentar um sistema de controle de velocidade para um veículo autônomo simplicado considerando dois veículos trafegando em uma rodovia. O sistema foi dividido em duas etapas. Na primeira, a velocidade do veículo de interesse depende apenas da distância do veículo da frente. Na segunda, a velocidade depende também da velocidade relativa entre os dois veículos. Em ambos os casos, foram obtidos resultados satisfatórios com lógicas bem simplicadas e um conjunto bem reduzido de regras. Foi utilizado o software MATLAB em conjunto com o Simulink para desenvolver o sistema por meio da toolbox Fuzzy bem como para simulá-lo. Palavras-chaves: Fuzzy; Veículo Autônomo, MATLAB. Resumo

Problema 1 O primeiro problema dado se baseia situação que segue. Dois carros trafegam numa rodovia no mesmo sentido e é necessário desenvolver um controle de velocidade para o carro de trás de tal modo que não haja colisão considerando apenas a distância entre os dois veículos. Dada a situação, foi pedido que o sistema de controle seja baseado em lógica fuzzy e apresente os requerimentos dados à seguir: Descrição:

• Determinação das variáveis

fuzzy

, tanto entradas como saídas e seu alcance (range );

• Formulação da base de regras; • Usar raciocínio

fuzzy

para vericar a operabilidade da base de regras.

A Figura 1 apresenta oo veículos considerados, onde o veículo A deverá ser controlado de acordo com a distância em relação ao veículo B.

Figura 1: Distância como parâmetro de entrada.

Problema 2 Na segunda parte, a velocidade relativa entre os dois veículos foram incluídas no sistema de controle. Com isso, agora serão necessárias duas variáveis de entrada para se controlar a saída, isto é, a velocidade do veículo A. A Figura 2 apresenta um diagrama do novo sistema. Descrição:

1

Figura 2: Distância e velocidade como parâmetros de entrada.

Desenvolvimento Apresenta-se à seguir, a construção da estratégia de controle para ambos os sistemas separadamente.

Controle da Velocidade em Função da Distância

Nesta etapa, como descrito anteriormente, apenas a distância entre os dois veículos é considerada como parâmetro de entrada para o sistema. A lógica foi desenvolvida de tal forma que o carro A tenha velocidades baixas quando a distância para o carro B é pequena e velocidade próxima da máxima permitida quando a distância é longa. O sistema possui apenas uma entrada e uma saída. Foi utilizado um intervalo de 0 à 100 metros para a distância e 0 à 120 km/h a velocidade. Foram utilizadas para a distância entre os carros cinco funções de pertinência, sendo elas: muito perto, perto, média, longe e muito longe. Para a velocidade foram utilizadas 4 funções de pertinência: muito baixa, baixa, média e alta. As Figuras 3 4 apresentam as funções de pertinência para entrada e saída do controlador fuzzy.

Figura 3: Funções de pertinência da entrada.

Figura 4: Funções de pertinência da saída. Estes valores foram obtidos de maneira empírica pela toolbox fuzzy do MATLAB. As Figuras 5, 6 e 7 apresentam os resultados da saída para diferentes valores de entrada.

Figura 5: Funções de pertinência da saída. Na primeira situação, é dada uma entrada de 0,873 m e a velocidade resultante é de 0,533 km/h.

Figura 6: Funções de pertinência da saída. Na segunda situação, é dada uma entrada de 61,7 m e a velocidade resultante é de 84,5 km/h.

Figura 7: Funções de pertinência da saída. Por m, na terceira situação, é dada uma entrada de 100 m e a velocidade resultante é de 102 km/h. A Figura 8 apresenta em suma esta discussão com o gráco de superfície, que resulta em uma função no espaço R2 . O que se espera é que a velocidade do carro A diminua conforme a sua distância com relação ao carro B se torna menor, o que de fato acontece como mostrado no gráco de superfície, oferecendo ainda uma margem de segurança para quando os veículos estão muito próximos.

Controle da Velocidade em Função da Distância e da Velocidade

Para esta nova etapa, agora são consideradas uma nova variável de entrada: a velocidade relativa entre os dois veículos. A lógica pode ser desenvolvida várias maneiras diferentes e levando regras em consideração. Para simplicar o projeto, foram adotadas um número reduzido de funções de pertinência para a distância e apenas

Figura 8: Gráco de superfície do sistema. três para a velocidade. Para a distância, foram denidas as funções muito perto, perto, média e longe. Para a velocidade relativa, baixa, média e alta. Para a saída, deniu-se a velocidade como sendo muito baixa, baixa, média e alta. Não foram adotados valores negativos de velocidade relativa (carro A mais rápido que o B), pois a lógica formada, a qual será posteriormente discutida com maiores detalhes, faz com que o carro A reduza a velocidade quando a distância entre os dois veículos diminui. Se o carro A está mais rápido que o B, a distância entre os dois irá eventualmente diminuir, fazendo com que a velocidade do carro A também diminua. A Figura 9 mostra as funções de pertinência da segunda parte do projeto.

Figura 9: Regras de pertinência. As Figuras 10, 11 e 12, mostram a distribuição das funções de pertinência nas variáveis linguísticas.

Figura 10: Regras para distância.

Figura 11: Regras para velocidade relativa.

Figura 12: Regras para a velocidade do carro A. A Figura 13, apresenta a distribuição das regras em gráco de superfície. Como se pode observar, para valores pequenos de distância, não importando a velocidade relativa, a velocidade do carro A sempre será muito baixa. Todavia, observa-se que há a possibilidade de melhora no desempenho quando a velocidade relativa está baixa, havendo a possibilidade de suavizar mais aquele trecho onde a velocidade de saída é alta e bruscamente torna-se baixa. Isso pode ser feito adicionando uma regra de modo que a velocidade do carro A deve ser média se a velocidade relativa é baixa e a distância é baixa.

Figura 13: Gráco de superfície para a lógica em questão.

Conclusão Neste trabalho foi apresentado um controle para velocidade de um veículo baseado em sua distância com o veículo da frente e posteriormente foi também acrescida a velocidade relativa entre ambos. O primeiro sistema se mostrou muito simples de se implementar e de se interpretar. Não muito diferente, o segundo sistema também permitiu simples implementação e interpretação.

Para que obtivesse simplicidade nas regras de pertinência, foi escolhido um número pequeno de funções de pertinência. Tal escolha se mostrou efetiva gerando bons resultados, além disso, dispende hardwares menos potentes para implementação, o que benecia no quesito de custo e tempo de projeto.