單臂機器人模糊pid控制系統(tǒng)仿真

1、單臂機器人模糊PID控制系統(tǒng)仿真摘要：一般講單臂機器人的工作環(huán)境復(fù)雜，精度要求高，一般控制方法難以滿足控制需要。比如PID控制的算法簡單、魯棒性好，可靠性高，但由于參數(shù)整定復(fù)雜，經(jīng)典PID算法往往適應(yīng)新較差，性能欠佳。為了改善經(jīng)典PID的這些缺陷，將模糊PID應(yīng)用在機械臂控制器的力反饋回路中，利用MATLAB、Robotics工具箱和SIMULINK進行仿真，與經(jīng)典的PID仿真結(jié)果比較，模糊PID能夠獲得更好的性能參數(shù)和控制效果。關(guān)鍵詞：單臂機器人 模糊PID 仿真中圖分類號:TP27The Path Planning for Mobile Robot Based on the Fuzzy-P

2、ID controlAbstract: Mobile robot must achieve the path tracking and obstacle avoidance in motion .Based on the principle of the visual navigation and the Fuzzy-PID control, makes researches of the mobile robots system architecture and kinematics model, on that basis, this thesis set up hardware plat

3、form of the system. The hardware system can quickly acquire the video, horizontal and vertical sync signals, can drive the motor efficiently, and achieve the avoidance and path tracking. On the basis of the hardware system, the thesis develop the software system of mobile robot, the software system

4、consists of the image acquisition and processing subroutine, the steering engines Fuzzy-PHD control algorithm, the algorithm to measure electro motor and the motors Fuzzy-PID control algorithm. Finally, the joint debugging of the mobile robots software and hardware system, verifies the reliable and

5、stability of the system, and the thesis achieve the mobile robots path tracking and obstacle avoidance by the joint debugging, the test of the mobile robot achieves the desired effect.Key words: Mobile robot Path identification Fuzzy-PID control Barrier detection0 引言在過去幾十年間，機器人技術(shù)已經(jīng)取得了巨大的進展，機器人已在社會生活

6、的諸多領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要的作用，對于機器人控制，人們已經(jīng)提出了很多方法，比如自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。但這些方法大多仍是理論上的研究，一般工業(yè)和商用的機器人常用的仍然是PID控制策略。這主要因為PID控制器的結(jié)構(gòu)簡單，平穩(wěn)環(huán)境下控制效果好，魯棒性強，在工業(yè)控制中使用廣泛。但它對復(fù)雜環(huán)境下的非線性系統(tǒng)的效果并不理想。上世紀(jì)八十年代，出現(xiàn)了具有模糊控制的自整定參數(shù)的Fuzzy-PID控制調(diào)節(jié)器。這類控制器使用了模糊控制方法來優(yōu)化PID控制器的參數(shù)，有較強的適應(yīng)性。力反饋回路是發(fā)揮其控制功能的重要組成部分。為了獲得快速的系統(tǒng)響應(yīng)、無超調(diào)響應(yīng)，同時又能應(yīng)對惡劣的工作環(huán)境。1 PID控制原理

7、1.1 經(jīng)典PID原理在控制系統(tǒng)中，最廣泛最常見的控制策略就是經(jīng)典PID控制策略。PID控制是一種線性控制，它根據(jù)給定值與實際輸出值構(gòu)成控制偏差：PID控制規(guī)律為：式中， 為比例系數(shù)； 為積分時間常數(shù)； 為微分時間常數(shù)。各矯正環(huán)節(jié)的作用大致如下：比例環(huán)節(jié)，實現(xiàn)成比例的縮放，反應(yīng)了系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生就立即產(chǎn)生控制作用減小偏差數(shù)值。積分環(huán)節(jié),主要用來消除靜差，提高系統(tǒng)的無靜差度，即使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定。微分環(huán)節(jié)，反映偏差的變化速率，并能在偏差信號變得太大前，就在系統(tǒng)中引入有效的修正信號，從而加快動作速度，響應(yīng)速率，減少調(diào)節(jié)時間，但也同時使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。各環(huán)節(jié)相互作用，相輔相成共同實現(xiàn)經(jīng)典的P

8、ID控制過程。1.2 模糊PID原理PID應(yīng)用廣泛，實用性強，但仍然有一些缺點。這主要是因為PID參數(shù)一經(jīng)確定，在整個過程中就不會再變動。而現(xiàn)實環(huán)境中，系統(tǒng)參數(shù)卻是時變的，有的甚至是非線性的。這使得經(jīng)典PID控制系統(tǒng)很難達(dá)到理想的控制效果，尤其是對于機器人系統(tǒng)這種多輸入多輸出、強耦合時變非線性的系統(tǒng)，很難通過單純的經(jīng)典PID控制實現(xiàn)較好的控制效果。為了解決這種問題，人們應(yīng)用了很多方法，如人工智能領(lǐng)域的遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等等，但大多需要相當(dāng)強大的運算能力。目前的計算機從運算上看已經(jīng)基本滿足了。但計算機比較脆弱，對工控環(huán)境下的電磁環(huán)境敏感，并不能直接應(yīng)用于終端的控制。于是，在終端人們常常會使用

9、較為簡單的控制方法，并結(jié)合具有一定抗復(fù)雜環(huán)境但計算能力較低的PLC等進行實時控制。而計算機多作為服務(wù)端，實現(xiàn)總體的檢測和控制。因此，人們使用模糊數(shù)學(xué)的基本理論與方法，把有規(guī)律的條件和操作用模糊集來表示，并把這些模糊控制及有關(guān)信息（如評價指標(biāo)、初始PID參數(shù)等）作為知識存入計算機知識庫中，然后計算機利用這些知識結(jié)合控制系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況，運用模糊函數(shù)，就可以自動的對PID參數(shù)做出調(diào)整。這就是模糊PID控制系統(tǒng)。模糊PID控制系統(tǒng)以誤差e和誤差變化速率ec作為輸入，可以滿足不同時刻的e和ec對PID參數(shù)自整定的要求。利用模糊控制規(guī)則實現(xiàn)在線的參數(shù)調(diào)整，這就構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)。模糊PID

10、控制系統(tǒng)作為一種計算機控制系統(tǒng)，與普通計算機控制系統(tǒng)用相同的外部表示，如方框圖：e(t)e(kT)u(kT)u(t)+-A/DD/A計算機受控對象傳感器圖 1c(t)r(t)模糊控制系統(tǒng)通過模糊邏輯和近似推理方法，用計算機把人的經(jīng)驗形式化、模型化，根據(jù)給定的語言控制規(guī)則進行模糊推理，給出模糊輸出判決，并將其轉(zhuǎn)化為精確量，反饋給被控對象。在實際應(yīng)用中，一般是用系統(tǒng)輸出的偏差e和輸出偏差的變化率ec作為輸入信息，而把控制量的變化作為系統(tǒng)的輸出量，以此確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)。在實際的PC模糊控制中，一般先確定出模糊控制的規(guī)則，然后將規(guī)則表出入存儲器中，這樣在實際的過程控制中，PC根據(jù)采樣得到的e和ec

11、通過查詢控制規(guī)則表求得控制量，反饋到被控對象實現(xiàn)最終的模糊控制。選取誤差e及其誤差變化率ec的論域分別為選取誤差e及其誤差變化率ec的語言變量值分別為 模糊自整定PID的關(guān)鍵是利用工程技術(shù)人員的技術(shù)知識和實際操作經(jīng)驗，建立合適的模糊規(guī)則表。的自適應(yīng)矯正更新可以按照如下進行。先將系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec變化范圍定義為模糊集上的論域：其模糊子集為：子集中的元素分別表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。設(shè)服從正態(tài)分布，因此可得出各模糊子集的隸屬度，根據(jù)各模糊子集的隸屬度數(shù)值表和各參數(shù)模糊控制模型，應(yīng)用模糊合成理論設(shè)計PID參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)并帶入下式：在線運行的過程中,控制系統(tǒng)通

12、過對模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運算，完成對PID參數(shù)的自校正工作。工作流程如圖所示：圖 2 模糊PID控制系統(tǒng)模糊規(guī)則運行流程3 仿真分析2.1移動機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由于機械臂是多軸輸入、多軸輸出的，而且輸入間存在著耦合成分。為方便起見，把解耦方程進行簡化，并以其中一個軸作為研究對象。得到開環(huán)傳遞函數(shù)為：式中，為解耦后單軸的機械臂傳遞函數(shù)。代入所知參數(shù)可得。由Simulink仿真得到的e的隸屬度函數(shù)，ec的隸屬度函數(shù)曲線，分別如圖3，圖4所示。仿真結(jié)果，如圖4所示。超調(diào)量較大的為經(jīng)典PID曲線，另一條為Fuzzy-PID曲線。通過與經(jīng)典PID控制系統(tǒng)相比較，顯然模糊PID控制系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)

13、PID的局限性，具有很好的動態(tài)品質(zhì)，上升時間快，超調(diào)較小，且在仿真時間內(nèi)，具有較高的控制精度，較強的魯棒性。4 結(jié)束語本文通過對經(jīng)典PID和模糊PID進行了比較，并經(jīng)過仿真，證明了模糊PID控制系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)PID的局限性，具有很好的動態(tài)品質(zhì)，上升時間快，超調(diào)小，并且在仿真時間內(nèi)，具有較高的控制精度，較強的魯棒性。通過模糊PID的應(yīng)用，可以避免繁雜的參數(shù)調(diào)試，并且該系統(tǒng)具有自適應(yīng)的調(diào)整能力，使其可以更好地適應(yīng)不同的環(huán)境，增強了可靠性。這說明，相對經(jīng)典PID控制，模糊PID控制有更好的發(fā)展前景，將會在控制系統(tǒng)中大放異彩。移動機器人各功能模塊如下：(1) 微控制器系統(tǒng)：該控制系統(tǒng)由微控芯片輔以外

14、圍硬件設(shè)備組成。微控制芯片選用Freescale公司HS12X系列的MC9S12XS128芯片。（2）控制子系統(tǒng)：將控制指令轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械運動，實現(xiàn)移動平臺的速度和轉(zhuǎn)向控制等。控制系統(tǒng)包括兩大部分：驅(qū)動器和電機部分，其中電動機分為控制速度的直流電機和控制轉(zhuǎn)向的伺服舵機。電機選用7.2V的RS540直流電機，舵機選用JRES539滾珠軸承標(biāo)準(zhǔn)舵機。（3）感知子系統(tǒng)：用于感知環(huán)境信息和自身狀態(tài)信息，由傳感器和外圍電路組成。傳感器包括：紅外避障傳感器E18-D80NK、CCD單板機CA-S42A以及測速傳感器ST258E。（4）電源子系統(tǒng)：選用7.2V、1800mAh的鎳鉻動力電池以及包括5V、6V和1

15、2V直流穩(wěn)壓電源模塊。（5）移動平臺：即移動機構(gòu)，在控制子系統(tǒng)控制下實現(xiàn)運動功能。本實驗移動機器人采用四輪式移動機構(gòu)，選用差速器驅(qū)動汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)。（6）人機交互子系統(tǒng)：為用戶和機器人直接提供一個信息交流平臺。本人機交互系統(tǒng)采用4*4鍵盤模塊和128*64的LCD模塊組成。2.2 移動機器人的工作原理首先移動機器人通過CCD傳感器采集導(dǎo)航線圖像信息并傳輸給HS12X單片機處理，確定導(dǎo)航線形狀和斜率。然后HS12X單片機根據(jù)圖像處理結(jié)果對移動機器人的速度和轉(zhuǎn)向?qū)嵭心：齈ID控制，將控制量傳輸給驅(qū)動器和舵機，從而控制運動速度和轉(zhuǎn)向角度，使機器人沿著導(dǎo)航線快速、穩(wěn)定的運行。2.3移動平臺運動學(xué)模型圖2

16、 導(dǎo)向驅(qū)動輪式平臺結(jié)構(gòu)以P點為參考點定義的廣義坐標(biāo)向量為,其中為P點固定坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，為平臺運行方向同X軸夾角，為導(dǎo)向角。兩輪軸軸心F與M的距離為h，F(xiàn)坐標(biāo)為,M坐標(biāo)為,P和M的距離為，與平臺中軸線夾角為。當(dāng)輪子做無滑動的純滾動運動時，移動平臺前后輪所受的約束分別描述為： （5） (6)將M作為參考點，用廣義坐標(biāo)表達(dá)的前后輪約束矩陣為： （7）2.4后輪驅(qū)動運動學(xué)模型設(shè)在中軸線方向上的驅(qū)動速度為，導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)角速度為，因此，以任意點P作為參考點的運動學(xué)模型為： （8）3 移動機器人的系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 視覺傳感器系統(tǒng)硬件設(shè)計攝像頭主要由圖像傳感芯片、鏡頭以及外圍輔助電路組成。圖像傳感器芯片是視

17、覺傳感器系統(tǒng)的核心部件，本實驗采用CCD黑白低照度單板機作為圖像傳感器。CCD黑白低照度單板機含有三個接口端子：電源端、地端以及視頻信號端。電源接+12V電壓，視頻信號輸出為PAL格式，電壓一般在-0.5V2V之間。圖3 PAL視頻信號電路圖PAL視頻信號包含行同步信號和場同步信號，本實驗采用LM1881同步分離芯片對攝像頭黑白PAL信號進行分離，得到場同步信號、行同步信號以及奇偶場同步信號。由于攝像頭輸出的是PAL制式的復(fù)合視頻信號 ，其視頻段的信號是用電壓來表示相應(yīng)的圖像灰度值的。因此MCU在處理視頻信號前，必須對視頻信號進行AD模數(shù)處理，本實驗采用由AD轉(zhuǎn)換芯片TLC5510組成的AD模

18、塊處理PAL視頻信號。3.2 紅外探測傳感器硬件電路設(shè)計圖4慢反射式光電傳感器E18-D80NK連接方式本實驗紅外傳感器選用慢反射式光電傳感器E18-D80NK，其探測距離3-80cm可調(diào)，采用直流三線NPN型常開結(jié)構(gòu)，由+5V單電源供電，功耗較低。3.3 控制子系統(tǒng)硬件電路設(shè)計驅(qū)動電路是電機控制系統(tǒng)的核心部件，本實驗采用RS540馬達(dá)，由7.2V鎳鉻電池直接提供電壓。本實驗驅(qū)動電路采用BTS7960構(gòu)成電機的驅(qū)動電路。 電機的轉(zhuǎn)速主要通過控制PWM驅(qū)動信號的占空比和頻率來進行控制。 圖5 透射式光電檢測電路工作原理圖本實驗設(shè)計的測速檢測電路選用透射式光電檢測電路，由直徑為22mm的100線光

19、柵圓盤構(gòu)成編碼盤，當(dāng)編碼盤旋轉(zhuǎn)時，光電接受管根據(jù)光柵盤的遮擋情況產(chǎn)生不同的受光能力，其電阻特性也將不同，在經(jīng)過信號調(diào)理電路后產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，單片機利用ECT對脈沖進行計數(shù)，從而得到速度值：，其中 為車輪半徑，為齒圈齒數(shù)，為視頻信號輸出脈沖個數(shù)，為測量時間。影響舵機控制特性的一個主要參數(shù)是舵機的相應(yīng)速度即舵機輸出軸轉(zhuǎn)動角速度。控制舵機的脈沖信號由MC9S12XS128的1路PWM產(chǎn)生，由PP3端口輸出。舵機電路接口由+6V單電源供電，因為舵機在轉(zhuǎn)動過程中會產(chǎn)生脈沖干擾信號，該信號會對單片機造成影響，因此對舵機的控制信號進行光耦隔離，增強單片機的抗干擾能力。3.4 人機互動子系統(tǒng)硬件電路設(shè)

20、計鍵盤采用4*4的矩陣式結(jié)構(gòu)，由16個按鍵組成，分別代表0-9,、A-F以及1個ENTER鍵，其與單片機的連接端口為PH07。LCD選用128*64模板。3.5 電源子系統(tǒng)硬件設(shè)計本實驗采用7.2V可充電的鎳鉻動力電池，電池容量1800mAh,其實際電壓從滿電的8.2V到少電的7.0V之間。系統(tǒng)的電源分為信號電源和功率電源兩部分，功率電源為電機驅(qū)動模塊和舵機供電，信號電源則為余下部分供電。4 移動機器人系統(tǒng)軟件開發(fā)與調(diào)試4.1 軟件開發(fā)總體方案軟件系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化方式，主要分為圖像采集和處理子程序、運動模糊控制子程序以及避障子程序。圖6 軟件系統(tǒng)主流程圖本系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，根據(jù)攝像頭數(shù)據(jù)采集

21、與舵機、電機控制的關(guān)系構(gòu)建模糊PID控制策略：其中舵機以橫向偏差為輸入量的模糊PID算法進行控制，利用攝像頭獲取斜率進行反饋；電機采用以轉(zhuǎn)速脈沖數(shù)為輸入量的模糊PID算法進行控制，利用光電測速傳感器進行反饋，從而構(gòu)成了控制策略的基本框架。4.2 系統(tǒng)調(diào)試攝像頭要進行模塊調(diào)試，在攝像頭接入系統(tǒng)之前要先調(diào)整攝像頭的焦距，接入母板前，首先要用示波器觀察視頻信號是否正常。電機驅(qū)動板調(diào)試時，應(yīng)仔細(xì)檢查電源接口正負(fù)極，確定沒有接反后，將電機驅(qū)動板通電，觀察電源指示燈是否正常，各部分電壓是否正常。正確后將電機接口和母板正確接插。然后下載MCU的電機驅(qū)動程序，從10%到70%給出不同的PWM占空比，用示波器觀

22、察驅(qū)動電路輸出信號波形是否正確。5 結(jié)論本文在深入研究和分析當(dāng)前移動機器人研究現(xiàn)狀和相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于MC9S12XS128單片機和CCD圖像傳感器的移動機器人系統(tǒng)，理論和實踐表明，該系統(tǒng)采用模糊PID控制算法實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向功能，提高了路徑跟蹤的準(zhǔn)確性、實時性和穩(wěn)定性。參考文獻(xiàn)1 張毅.移動機器人技術(shù)及其應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)版社，2007.9ZHANG Yi. Mobile Robotics and Its ApplicationM.Beijing: Electronic Industry Press,2007.92 王耀男.機器人智能控制工程M.北京：科學(xué)出版社，2004WANG Yaonan. Robot Intelligent Control EngineeringM. Beijing: Science Press,20043 江樺.基于嵌入式移動機器人的模糊控制算法設(shè)計J.自動化與儀表.2010,25(3):33-36JIANG Hua. Embedded Mobile Robot Based on Fuzzy Contr