本論文研究目的在於設計一自動倒車入庫之控制晶片。首先利用MATLAB模擬軟體對車體行駛行為進行模擬，模擬環境則設定車輛行走於具有牆面之道路與停車庫之環境下。車輛行駛過程中，在車輛靠牆邊的前後輪端設置感測器，量測車輛與牆面之間的距離，再將此所量測之類比訊號利用類比轉數位轉換器(A/D converter)轉成數位訊號作為控制晶片之輸入資料。此控制晶片之設計以模糊邏輯理論為基礎，將輸入訊號進行模糊化、與解模糊化運算，求得輸出訊號以控制車輛下一時刻的輸出轉角之大小。所設計之倒車入庫程序經過軟體模擬驗證無誤後以FPGA方式實現之，其中利用ALTERA公司推出之Quartus II軟體，對各個區塊之電路模組進行硬體描述語言（VHDL）之編寫，並進行輸入輸出之波形模擬驗證。最後完成的晶片功能將包含對輸入訊號模糊化、解模糊化、判斷是否抵達車庫位置、等倒車之功能。

The purpose of this thesis is to design and implement a FPGA chip for garage parking. Firstly, this study utilizes MATLAB to simulate and test the schema of garage parking. It assumes that the garage is walled. In other words, the parking process is to drive the car along the wall for backing into the garage. The side near to the wall of the car is installed distance sensors near the front and rear wheel. The analog signals of the detecting distance between the car and wall is transferred to digital signals by the analog to digital converter as the input signal of the FPGA chip. The control schema of the garage parking is the fuzzy theory and implemented by the Quartus II issued by the ALTERA based on the hardware description language. Finally, the function verification is performed to confirm the availability of the control chip.

中文摘要  	I
英文摘要		II
誌謝	         III
目錄	         IV
圖索引	         VII
表索引	         X

第一章	緒論	1
	1.1研究動機與目的	1
	1.2研究步驟與方法	1
	1.3論文內容概述	2
第二章	模糊系統	3
	2.1簡介	3
	2.2模糊集合	3
	2.3歸屬函數	5
	2.4模糊系統之架構	8
		2.4.1模糊化機構	8
		2.4.2模糊規則庫	9
		2.4.3模糊推論引擎	10
		2.4.4解模糊化機構	12
第三章	倒車系統描述與分析	15
3.1系統數學模型	15
	3.2倒車入庫機制	18
		3.2.1前進狀態模糊控制機制	20
		3.2.2後退狀態模糊控制機制	25
	3.3車庫停車系統設計	27
	3.4倒車入庫系統控制器模擬結果	29
第四章	硬體電路設計與模擬結果	35
	4.1數位電路設計	35
	4.2數位電路設計流程	36
	4.3硬體描述語言與設計	39
		4.3.1VHDL介紹	39
		4.3.2模組化設計	42
		4.3.3階層式設計	42
	4.4晶片系統設計軟體與設計流程	44
	4.5各區塊硬體電路模組設計	         45
		4.5.1模糊化控制電路	46
		4.5.2決策邏輯電路	         49
			4.5.2.1取小電路	49
			4.5.2.2知識庫電路	50
		4.5.3解模糊化控制電路	52
			4.5.3.1二進位乘法器電路設計	53
			4.5.3.2除法器電路設計	54
		4.5.4脈衝寬度調變電路設計	58
	4.6硬體電路模擬結果     59
第五章	結論與未來展望	      67
5.1結論	                        67
	5.2未來展望	      67
參考文獻		               69


圖目錄

圖2.1  三角形歸屬函數	5
圖2.2  梯形歸屬函數	6
圖2.3  高斯函數歸屬函數	6
圖2.4  s函數歸屬函數	7
圖2.5  π函數歸屬函數	7
圖2.6  模糊系統基本架構	8
圖2.7  Simplified Fuzzy-Singleton法運算流程	12
圖3.1  模型車動態模型圖	15
圖3.2  車身與車庫相對位置俯視圖	18
圖3.3  模糊控制器架構示意圖	19
圖3.4  車體與牆相對示意圖	20
圖3.5(a)  模糊輸入變數 	23
圖3.5(b)  模糊輸入變數 	23
圖3.5(c)  模糊輸出變數 	24
圖3.6  車庫倒車流程圖	27
圖3.7(a)  倒車示意圖-車庫左側起始	28
圖3.7(b)  倒車示意圖-車庫右側起始	28
圖3.8(a)  車體位於車庫左側倒車模擬圖
[起始位置(xr,yr)=(600,1100)，起始角度θ=0o]	31
圖3.8(b)  車體位於車庫左側倒車模擬圖
[起始位置(xr,yr)=(600,950)，起始角度θ=0o]	31
圖3.8(c)  車體位於車庫左側倒車模擬圖
[起始位置(xr,yr)=(600,1100)，起始角度θ=20o]	32
圖3.8(d)  車體位於車庫左側倒車模擬圖
[起始位置(xr,yr)=(600,1100)，起始角度θ=-20o]	32
圖3.9(a)  車體位於車庫右側倒車模擬圖
[起始位置(xr,yr)=(3000,1100)，起始角度θ=0o]	33
圖3.9(b)  車體位於車庫右側倒車模擬圖
[起始位置(xr,yr)=(3000,950)，起始角度θ=0o]	33
圖3.9(c)  車體位於車庫右側倒車模擬圖
[起始位置(xr,yr)=(3000,1100)，起始角度θ=20o]	34
圖3.9(d)  車體位於車庫右側倒車模擬圖
[起始位置(xr,yr)=(3000,1100)，起始角度θ=-20o]	34
圖4.1  數位電路設計流程圖	37
圖4.2  VHDL 程式語言的設計靈活性說明圖	40
圖4.3  不同VHDL描述風格設計一個二位元比較器	41
圖4.4  VHDL階層式的設計架構示意圖	43
圖4.5  Quartus II使用介面	44
圖4.6  Quartus II的硬體開發流程圖	45
圖4.7  模糊晶片電路架構圖	45
圖4.8  模糊化電路示意圖	46
圖4.9  歸屬函數狀態與函數值範例	47
圖4.10 模糊化歸屬函數示意圖	48
圖4.11 決策邏輯電路示意圖	49
圖4.12 知識庫電路設計架構圖	51
圖4.13 解模糊化電路圖	52
圖4.14 乘法器示意圖	53
圖4.15(a) 運算控制電路	55
圖4.15(b) 商數運算電路	55
圖4.15(c) 餘數運算電路	56
圖4.16 脈衝寬度調變電路方塊圖	59
圖4.17 模糊化電路波形圖	60
圖4.18 取小電路波形圖	61
圖4.19 知識庫電路波型圖	61
圖4.20 決策電路波形圖	62
圖4.21 乘法電路波形圖	63
圖4.22 除法電路波形圖	64
圖4.23 解模糊化電路波形圖	65
圖4.24 脈衝寬度調變電路模擬圖	66


表目錄

表3.1  前進模糊輸入、輸出變數之轉角控制定義表	22
表3.2  車體前進轉角控制之決策推論邏輯規則表	25
表3.3  後退模糊輸入、輸出變數之轉角控制定義表	26
表3.4  車體前進轉角控制之決策推論邏輯規則表	26
表3.5  車庫與車體規格	30
表4.1  除法器運算電路步驟	56
表4.2  模糊化電路輸入輸出規格	60
表4.3  取小電路輸入輸出規格表	61
表4.4  知識庫電路輸入輸出規格表	61
表4.5  決策電路輸入輸出規格表	62
表4.6  乘法電路輸入輸出規格表	63
表4.7  除法電路輸入輸出規格表	64
表4.8  解模糊化電路輸入輸出規格表	65
表4.9  脈衝寬度調變電路輸入輸出腳規格	66

[1] L. A. Zadeh, “Fuzzy Set,” Information and Control, vol.8, pp.338-353, 1965.
[2] L. A. Zadeh, “Fuzzy Algorithms,” Information and Control, Vol.12, pp. 94-102, 1968.
[3] C.C. Lee, “Fuzzy Logic Control System: Fuzzy Logic Controller-Part I & II,” IEEE Trans. On System, Man and Cybernetics, Vol. 20, pp.  404-435, 1991.
[4] M. Yamamoto, Y. Hayashi, and A. Mohri, “Garage Parking Planning and Control of Car-like Robot Using a Real Time Optimization Method,” Proc. of the 6th IEEE Int. Symposium, pp. 248-253, 19-21 July, 2005.
[5] J. Barraquand and J. C. Latombe, “On Nonholonomic Mobile Robots and Optimal Maneuvering,” Proc. of IEEE Int. Conf. Control, pp. 340-347, 25-26 Sept, 1989.
[6] D. Lyon, “Parallel Parking with Curvature and Nonholonomic Contrains,” Proc. Of IEEE Int. Conf. on Intelligient Mobile Robots, pp. 341-346, 1992.
[7] M. Ohkita, H. Miyata, M. Miura, and H. Kouno, “Traveling Experiment of an Autonomous Mobile Robot for a Flush Parking,” Proc. of IEEE Int. Conf. on Fuzzy Systems, Vol. 1, pp. 327-332, 1993.
[8] I. E. Paromtchik and C. Laugier, “Motion Generation and Control for Parking an Autonomous Mobile robot,” Proc. of the IEEE Int. Conf. on Robots and Automation, Vol. 4, pp. 3117-3122, 1996.
[9] T. H. Li, S. J. Chang, and Y. X. Chen “Implementation of autonomous fuzzy garage-parking control by an FPGA-based car-like mobile robot using infrared sensors,” Proc. of the IEEE Int. Conf. on Robots and Automation, Vol. 3, pp. 3776-3781, Sept. 2003.
[10] J. Y. Han and, V. E. McMurray, “Introduction of information in fuzzy control systems,” Proc. of the 36th Midwest Symposium (Circuits and Systems), Detroit, MI USA, Vol. 1, pp. 503-505, Aug. 1993.
[11] L. Y. Cai and H. K. Kwan, “Fuzzy classifications using fuzzy inference networks,” IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics, Vol. 28,  pp. 334-347, June 1998.
[12] Y. M. Park, U. C. Moon, and K. Y. Lee, “A self-organizing fuzzy logic controller for dynamic systems using a fuzzy auto-regressive moving average (FARMA) model,” IEEE Transactions on Fuzzy Systems, Vol. 3 , pp. 75-82, Feb. 1995.
[13] M. Balazinski, E. Czogala, and S. Gravelle, “Automatic tool selection using a fuzzy decision support system,” Proceedings of 1995 IEEE International Conference on Fuzzy Systems and The Second International Fuzzy Engineering Symposium, Yokohama Japan, Vol. 2, pp. 615 – 620, March 1995.
[14] M. Maeda, Y. Harada, and S. Murakami, “Design of fuzzy artificial intelligent system with a learning function: integration and elimination of knowledge,” Proceedings of 1995 IEEE International Conference on Fuzzy Systems and The Second International Fuzzy Engineering Symposium, Yokohama Japan, Vol. 2, pp. 447-454, March 1995.
[15] L. X. Wang, A Course in Fuzzy Systems and Control, by Prentice-Hall International, Inc.. August 1996.
[16] E. H. Mamdani, “Application of fuzzy logic to approximate reasoning using linguistic synthesis,” IEEE Trans. on Computers, Vol. C-26, 1977.
[17] P. M. Larsen, “Industrial applications of fuzzy logic control,” Int. J. Mach. Studies, Vol. 12, pp. 3-10, 1980.
[18] Y. Tsuakmoto, “An approach of fuzzy reasoning method,” Advances in Fuzzy Set Theory and Applications, M. M. Gupta, R. K. Ragade and R. R. Yager, Eds. Amsterdam: North-Holland, 1979.
[19] T. Takagi and M. Sugeno, “Fuzzy identification of systems and its applications to modeling and control,” IEEE Trans. Syst. Man. Cybern., Vol. SMC-15, pp. 116-132, 1985.
[20] 陳意翔，具智慧型停車功能型機器人之設計與研製，國立成功大學電機工程學系博士論文，2002。
[21] 張世傑，用於車型機器人之模糊停車控制法的設計與實現，國立成功大學電機工程學系博士論文，2003。
[22] S. J. E. Wilton, and R. Saleh, “Programmable logic IP cores in SoC design: opportunities and challenges,” IEEE Conference on Custom Integrated Circuits, San Diego, CA USA 6-9, pp. 63-66, May 2001.
[23] M. Rincon, C. Cherichetti, J. A. Monzel, D. R. Stauffer, and M. T. Trick, “Core-design and system-on-a-chip integration,” IEEE Design & Test of Computers, Vol. 14, No. 4, pp. 26-35, 1997.
[24] H. De Man, “System-on-chip design: impact on education and research,” IEEE Design & Test of Computers, Vol. 16, July-Sept 1999.
[25] 林傳生，使用VHDL電路設計語言之數位電路設計，儒林圖書公司，民國88年5月。
[26] 賈證主，VHDL數位系統設計與應用，台科大圖書股份有限公司，民國93年11月。
[27] “Embedded Processor System Design,” http://www.ALTERA.com.