溫室移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航和避障模糊控制

1、2 0 0 2年3月農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)第33卷第2期溫室移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航和避障模糊控制謝守勇 鮑安紅 管在林 楊國(guó)才 【摘要】 對(duì)適用于溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航和避障進(jìn)行了研究,采用模糊控制技術(shù)對(duì)溫室移動(dòng)機(jī)器人的控制算法進(jìn)行研究。利用單片機(jī)作為控制核心,研制了一種模糊控制器,并在移動(dòng)機(jī)器人模型上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明,該模糊控制算法在一定程度上能夠滿足溫室移動(dòng)機(jī)器人控制的需要。敘詞:溫室 機(jī)器人視覺(jué) 導(dǎo)航 模糊控制中圖分類號(hào):TP249文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ANavigation of a Mobile Robot in Greenhouse and Its ObstacleAvoidance by Fuzz

2、y ControlXie Shouyong Bao Anhong Yang Guocai(Southwest Agricultural University) Guan Zailin(Huazhong University of Science and Technology)AbstractThe controlling arithmetic for a mobile robot in greenhouse was studied by fuzzy controltechnique and a fuzzy controller, which took a singlechip as its c

3、ore, was developed. The fuzzycontroller was tested for a mobile robot control and the results indicated that the control arith-metic satisfied the requirements of a mobile robot in greenhouse.Key words Greenhouses, Robot vision, Navigation, Fuzzy control收稿日期: 2001 02 14謝守勇 西南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 講師, 400716 重慶

4、市鮑安紅 西南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 博士管在林 華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 博士 副教授, 430074 武漢市楊國(guó)才 西南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院 教授 引言單個(gè)溫室使用面積小,一般的農(nóng)業(yè)機(jī)械不能滿足其使用要求,因此為了進(jìn)一步挖掘溫室生產(chǎn)潛力,提高經(jīng)濟(jì)效益,改善勞動(dòng)條件和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,開(kāi)發(fā)溫室移動(dòng)機(jī)器人非常必要。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境與工業(yè)相比有其特殊性,農(nóng)業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)過(guò)程中不但應(yīng)具有定位、導(dǎo)航功能,還應(yīng)能準(zhǔn)確識(shí)別農(nóng)作物的有無(wú)及其形狀,以便實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)均勻作業(yè)1。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究較少,因此,本文對(duì)溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)器人的導(dǎo)航和避障控制進(jìn)行研究。1 溫室移動(dòng)機(jī)器人的特點(diǎn)移動(dòng)式機(jī)器人具有自主運(yùn)動(dòng)功能

5、,即避障和導(dǎo)航功能。溫室移動(dòng)機(jī)器人活動(dòng)場(chǎng)所內(nèi)的障礙物主要是一些作物、溫室骨架、管道和附屬道路障礙等。溫室移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的目的主要是為了完成一定的工作任務(wù),移動(dòng)是完成生產(chǎn)任務(wù)的基礎(chǔ)。因此,溫室移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)具備三大主要功能,即導(dǎo)航避障工作。溫室移動(dòng)式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)前輪導(dǎo)向、后輪驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其運(yùn)動(dòng)的控制如果采用經(jīng)典控制理論,則需要建立精確的數(shù)學(xué)模型。由于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的障礙物具有復(fù)雜性,其數(shù)學(xué)模型難以建立,采用模糊控制技術(shù)可以不必建立精確的數(shù)學(xué)模型,所以在該機(jī)器人的控制方式上采用模糊控制技術(shù)。2 模糊控制器的設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)思想常規(guī)的模糊控制器是以某一變量的變化和變化率作為輸入量而構(gòu)成的二維模糊控

6、制器。在該控制系統(tǒng)中,將傳感器(3組紅外線測(cè)距傳感器)所檢測(cè)到的障礙物距離變化量和方位角變化量作為輸入量,通過(guò)模糊化、模糊推理、反模糊化得到一個(gè)角度變化量作為輸出量,再轉(zhuǎn)變成角速度和控制時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)前輪方向控制電機(jī)的控制,以實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)方向的控制。2.2 導(dǎo)航策略為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的自動(dòng)性,需要對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行確定,根據(jù)檢測(cè)到的障礙物信息自動(dòng)找出其運(yùn)動(dòng)方向。圖1為某溫室移動(dòng)機(jī)器人向目標(biāo)G運(yùn)動(dòng)的示意圖2。圖1 移動(dòng)機(jī)器人向目標(biāo)運(yùn)動(dòng)示意圖 在該圖中,假設(shè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)只有前進(jìn),其前進(jìn)速度為定值。由物理學(xué)可知,在任意兩個(gè)物體之間將產(chǎn)生吸引力3,現(xiàn)假設(shè)目標(biāo)G對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生吸引力為Fa

7、,該力很小,對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)具有引導(dǎo)作用。g為機(jī)器人前輪轉(zhuǎn)向的角速度,g為偏離目標(biāo)的角度,為導(dǎo)向角,D為機(jī)器人寬度。圖2 g與g的關(guān)系圖當(dāng)PG>D時(shí),其角速度為g=CgPGD180g(1)式中 Cg控制轉(zhuǎn)彎的系數(shù),其選擇參照?qǐng)D22,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,可以取為1當(dāng)PGD時(shí),其角速度為g=Cg180g(2)2.3 模糊控制避障算法設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)根據(jù)導(dǎo)航策略確定運(yùn)動(dòng)方向,并在前進(jìn)過(guò)程中將獲取的障礙物信息加以處理,以實(shí)現(xiàn)避障。這里的移動(dòng)機(jī)器人避障采用模糊控制技術(shù)。在模糊控制器設(shè)計(jì)中,重要的是控制算法的設(shè)計(jì),合理的算法有利于模糊控制器的計(jì)算,并提高計(jì)算速度。在該模糊控制器的算法設(shè)計(jì)中,以機(jī)器人與障礙物

8、的距離ED和前進(jìn)方向與障礙物之間的角度E(即方位角)作為輸入量,U(即g的變化量)作為輸出量,采用IF THEN的形式,如:IF ED=S AND E=NS THEN U=PS歸納總結(jié)其控制算法規(guī)則為35條,見(jiàn)表1。表中:VS、S、M、L、VL、NL、NS、NZ、Z、PZ、PS、PL含義分別為很小、小、中等、長(zhǎng)、很長(zhǎng)、負(fù)大、負(fù)小、負(fù)零、零、正零、正小、正大。表1 模糊規(guī)則控制表EEDVS S M L VLNL Z Z Z Z ZNS PS PS Z Z ZNZ PL PL PS Z ZZ PL PL PS PS ZPZ NL NL NS Z ZPS NS NS Z Z ZPL Z Z Z Z

9、Z對(duì)溫室移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制是模仿人對(duì)小車的駕駛控制行為,將距離變化范圍和方位變化范圍細(xì)分為9個(gè)點(diǎn),它們各自對(duì)各模糊子狀態(tài)的賦值(即隸屬度)見(jiàn)表24。表2 ED的語(yǔ)言變量賦值表ED-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4VS 1 0.5 0 0 0 0 0 0 0S 0 0.5 1 0.5 0 0 0 0 0M 0 0 0 0.5 1 0.5 0 0 0L 0 0 0 0 0 0.5 1 0.5 0VL 0 0 0 0 0 0 0 0.5 1表3 E的語(yǔ)言變量賦值表E-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4NL 1 0.5 0 0 0 0 0 0 0NS 0 0.5 1 0.5 0 0 0

10、 0 0NZ 0 0 0 0.5 1 0.5 0 0 0Z 0 0 0 0.5 1 0.5 0 0 0PZ 0 0 0 0.5 1 0.5 0 0 0PS 0 0 0 0 0 0.5 1 0.5 0PL 0 0 0 0 0 0 0 0.5 1表4 U的語(yǔ)言變量賦值表U-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4NL 1 0.5 0 0 0 0 0 0 0NS 0 0.5 1 0.5 0 0 0 0 0NZ 0 0 0 0.5 1 0.5 0 0 0Z 0 0 0 0.5 1 0.5 0 0 0PZ 0 0 0 0.5 1 0.5 0 0 0PS 0 0 0 0 0 0.5 1 0.5 0PL 0

11、 0 0 0 0 0 0 0.5 175 第2期謝守勇等:溫室移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航和避障模糊控制 在模糊控制器的設(shè)計(jì)中,模糊關(guān)系為R=35i=1(EDi×Ei)T Ui (3)式中 i規(guī)則序號(hào)再由檢測(cè)到的距離變化量ED和角度變化量E得出角度控制量為U=(ED×E)T R(4)由式(4)得出的控制量U是模糊量4,還需要進(jìn)行反模糊化。反模糊化的方法很多5,在這里,采用最大隸屬度法。將模糊量進(jìn)行精確化,所得到的精確量即導(dǎo)向角變化量d,通過(guò)式(1)或(2)求出角速度g就可以求出控制作用時(shí)間dt,這樣就可以直接控制電機(jī),實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)角控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)向控制。3 硬件設(shè)計(jì)該

12、移動(dòng)機(jī)器人為一模型,運(yùn)動(dòng)速度很小,為了驗(yàn)證該模糊控制器的算法,將單片處理機(jī)作為控制核心,設(shè)計(jì)出一種模糊控制器,其模糊控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3模糊控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖轉(zhuǎn)向控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電源光電隔離8031 EPROMA/D轉(zhuǎn)換電路放大電路測(cè)距傳感器3.1 單片機(jī)的選擇由于機(jī)器人模型的運(yùn)動(dòng)速度較小,只考慮了兩個(gè)輸入量,所以其運(yùn)算速度要求不是很高,選用8031單片處理機(jī)作為該系統(tǒng)的處理控制芯片,即可滿足該系統(tǒng)模糊控制的需要。3.2 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展由于8031單片機(jī)無(wú)程序存儲(chǔ)器,須外接E-PROM,在這里選用2764。在程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展中,必須將8031的EA接地,使CPU只執(zhí)行片外程序存

13、儲(chǔ)器中的程序。3.3 檢測(cè)放大電路采用紅外線測(cè)距傳感器對(duì)輸入變量進(jìn)行檢測(cè),該傳感器利用移相原理制成,實(shí)現(xiàn)對(duì)前方障礙物的距離和方位的檢測(cè)。由于檢測(cè)到的信號(hào)很小,需要對(duì)其進(jìn)行放大,采用OP07運(yùn)放組成低漂移、高精度前置放大器,再由741組成后級(jí)放大器。3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路紅外線測(cè)距傳感器所檢測(cè)到的距離和方位信號(hào)是模擬信號(hào),須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0809,因?yàn)樗试S8路模擬量分時(shí)輸入,共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)供模糊控制器處理。3.5 輸出驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)模糊控制器根據(jù)輸入信息輸出相應(yīng)的控制策略,由于該控制量的能量有限,不能直接用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向控制電機(jī),因此要采

14、用驅(qū)動(dòng)電路,其中驅(qū)動(dòng)電路采用74LS244。為了消除單片機(jī)處理電路和功率輸出電路之間的影響,提高抗干擾能力,采用光電耦合器TIL117,將兩個(gè)電路隔離開(kāi)來(lái)。4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果將所研制的模糊控制器安裝在移動(dòng)式機(jī)器人模型上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、5所示(圖中虛圖4 在形狀簡(jiǎn)單障礙物下的小車避障軌跡 圖5 在形狀復(fù)雜障礙物下的小車避障軌跡 線為軌跡曲線)。實(shí)驗(yàn)表明:機(jī)器人模型可以自主地運(yùn)動(dòng),能夠避開(kāi)障礙物,該模糊控制器中的算法和結(jié)構(gòu)基本能夠滿足溫室移動(dòng)機(jī)器人的需要;但是對(duì)于表面過(guò)于復(fù)雜的障礙物,避障效果不是很好,這是由于所使用的傳感器的精度不高,所檢測(cè)到的障礙物表面信息誤差大,從而使模糊控制器的判斷推理產(chǎn)生偏差,使其避障效果受到影響。因此對(duì)傳感器還需作進(jìn)一步改進(jìn),以提高其精度