移動(dòng)機(jī)器人多規(guī)則因子模糊控制方法

1、文章編號(hào):1008-0570(200901-2-0239-02機(jī)器人技術(shù)移動(dòng)機(jī)器人多規(guī)則因子模糊控制方法Fuzzy Control Method of Multiple Weighting Factor for Mobile Robot（齊齊哈爾大學(xué)）劉彥忠戴學(xué)豐LIU Yan-zhong DAI Xue-feng摘要:本文針對(duì)輪式移動(dòng)機(jī)器人這種典型的非完整性系統(tǒng)，在給出了動(dòng)力學(xué)模型后將模型中的參數(shù)選取進(jìn)行了一些改進(jìn)使用直觀的電壓參數(shù)來(lái)取代轉(zhuǎn)距；在實(shí)際應(yīng)用中由于模糊規(guī)則一經(jīng)確定就無(wú)法改變，本文采用了一種在全論域范圍內(nèi)自調(diào)整規(guī)則因子的方法，調(diào)整過(guò)程符合人在決策過(guò)程中的思維特點(diǎn)，且易于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控

2、制算法。仿真結(jié)果表明系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到明顯改善。關(guān)鍵詞:輪式移動(dòng)機(jī)器人; 動(dòng)力學(xué)模型; 非完整性系統(tǒng); 模糊控制文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 中圖分類(lèi)號(hào):TP24Abstract:This paper improved the parameters of the model were selected to carry out to replace the switch by the direct voltage pa -rameters after studying kinetic model of the non-integrity mobile robot model. In practice, be

3、cause of fuzzy rules determined, it willbe impossible to change the rules, we proposed a kind of self-adjusting method in the whole domain to adjust the weighting factor. This adjustment is accord with thinkingQ characters of people in the decision -making process of thinking, and easy to be achieve

4、d via a computer algorithm. The result of simulation indicates that dynamic function of system is improved obviously. Key words:wheeled mobile robot; kinetic model; non-integrity systems; fuzzy control1引言移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制與執(zhí)行等多種功能為一體的綜合系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)外在移動(dòng)機(jī)器人控制方面已做了大量的研究工作，目前面臨的主要問(wèn)題是移動(dòng)機(jī)器人在控制和規(guī)劃方面缺乏智能性和

5、魯棒性。本文針對(duì)三輪移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行研究，由于在非完整性模型中，移動(dòng)機(jī)器人有些參數(shù)是無(wú)法取得精確值的，所以使用模糊控制作為機(jī)器人的主要控制方法，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于模糊規(guī)則一經(jīng)確定，就無(wú)法進(jìn)行改變，本文采用自調(diào)整多規(guī)則因子模糊控制，其中加權(quán)因子的選取，在全論域范圍內(nèi)自調(diào)整規(guī)則因子的方法，這種調(diào)整過(guò)程符合人在決策過(guò)程中的思維特點(diǎn)，且易于通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制算法。約束矩陣；：約束力，它是不能直接改變的，而只能視為一個(gè)產(chǎn)生于約束方程的特殊內(nèi)部變量。其中，是一個(gè)雅克比矩陣，用于將基礎(chǔ)坐標(biāo)系下的速度轉(zhuǎn)換成為卡笛爾坐標(biāo)系下的速度。2.2電壓參數(shù)取代轉(zhuǎn)矩的機(jī)器人系統(tǒng)模型結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，公式(1可以用一

6、個(gè)更加適合于控制的表示方式：(2考慮到執(zhí)行裝置電力的部分。假設(shè)所有的發(fā)動(dòng)機(jī)都是直流右邊電動(dòng)機(jī)的控制公式如下：電動(dòng)機(jī)。忽略電動(dòng)機(jī)的自感應(yīng)，(3(4其中，是右測(cè)電動(dòng)機(jī)所形成的轉(zhuǎn)矩，是阻力，是電場(chǎng)力系數(shù)，是右發(fā)動(dòng)機(jī)的角速度，可得到輪子的角速度與之的關(guān)系為：(5發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與輪子轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為：(6輪子角速度和機(jī)器人的速度的關(guān)系為：(7從(2(7，可以得到移動(dòng)機(jī)器人的包含執(zhí)行裝置的動(dòng)力學(xué)公式：假設(shè)且，是發(fā)動(dòng)機(jī)的輸入電壓。，(8，技術(shù)創(chuàng)新2輪式移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)模型2.1移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型輪式移動(dòng)機(jī)器人及自動(dòng)駕駛裝置等實(shí)際受控對(duì)象要考慮到與外部環(huán)境的滾動(dòng)接觸等非完整約束等因素，屬于一個(gè)具有非完整性移動(dòng)機(jī)一階非

7、完整約束動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，在n 維空間中，器人系統(tǒng)的n 維矢量變量和m 維的約束變量可以被如下描述：(1其中，是對(duì)稱(chēng)正定慣性矩陣；是向心力和哥氏力項(xiàng)；是有界的未知撓動(dòng)和未建模動(dòng)力學(xué)；是輸入轉(zhuǎn)換矩陣；是輸入向量；是劉彥忠:副教授碩士基金項(xiàng)目:基金申請(qǐng)人:戴學(xué)豐; 基金項(xiàng)目名稱(chēng):輪式移動(dòng)機(jī)器人自組織控制系統(tǒng)研究; 基金頒發(fā)部門(mén):黑龍江省教育廳(10551330機(jī)器人技術(shù)中文核心期刊微計(jì)算機(jī)信息(嵌入式與SOC 2009年第25卷第1-2期3多規(guī)則因子模糊控制器設(shè)計(jì)通過(guò)調(diào)整規(guī)則因子來(lái)修改模糊控制器控制規(guī)則，可以獲得較好的控制效果。但對(duì)于只帶有一個(gè)規(guī)則因子模糊控制器，雖然可以改變的大小調(diào)整控制規(guī)則，但當(dāng)值一

8、旦選定，在整個(gè)控制過(guò)程中就不再改變。而實(shí)際上，模糊控制系統(tǒng)在不同的階段和狀態(tài)下，對(duì)控制規(guī)則中誤差E 和誤差變化EC 的加權(quán)程度一般來(lái)說(shuō)有不同的要求。以二維模糊控制系統(tǒng)為例，當(dāng)誤差較大時(shí)，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是消除誤差，此時(shí)對(duì)誤差在控制規(guī)則中的加權(quán)應(yīng)大些；而當(dāng)誤差較小時(shí)，系統(tǒng)己接近穩(wěn)態(tài)，這就要求在控制規(guī)則中誤差變化引起的作用大些，即對(duì)誤差變化加權(quán)大些。依據(jù)上述思想，對(duì)于每個(gè)誤差等級(jí)都各自引入一個(gè)規(guī)則因子，就構(gòu)成了帶多個(gè)規(guī)則因子的控制規(guī)則，這樣有利于滿(mǎn)足控制系統(tǒng)在不同被控狀態(tài)下對(duì)調(diào)整因子的不同要求。當(dāng)誤差E, 誤差變化EC 及控制量U 的論域都取為-3,-2,-1,0,1,2,3時(shí), 帶多個(gè)規(guī)則因子

9、的控制規(guī)則可表示為:當(dāng)速度差值e 的絕對(duì)值較大，此時(shí)不論差值變化大小如何，由(11式得到的a 也較大，從而控制規(guī)則中給予速度差值e 的權(quán)重較大，而差值變化的權(quán)重1-較小，增強(qiáng)e 的作用，促使系統(tǒng)快速響應(yīng)，以盡快移動(dòng)機(jī)器人的速度偏差。當(dāng)速度差值e 的絕對(duì)值較小，于是控制規(guī)則中速度差值e 的權(quán)重也就較小，而差值變化的權(quán)重1-較大，增大差值變化e 的作用，從而避免超調(diào)，有效抑制振蕩，保證速度變化的穩(wěn)定調(diào)整。4仿真實(shí)驗(yàn)本文利用MATLAB6的模糊邏輯工具箱，并結(jié)合S 函數(shù)創(chuàng)建的功能模塊，實(shí)現(xiàn)規(guī)則自調(diào)整模糊控制仿真，系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)如圖1所示，由此得到的仿真結(jié)果如圖2所示。圖1模糊控制系統(tǒng)仿真框圖技術(shù)創(chuàng)新(

10、9其中，一般情況下取，這樣，在偏差E 較小時(shí)，對(duì)EC 的加權(quán)大于對(duì)E 的加權(quán)，以利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；對(duì)偏差E 的加權(quán)應(yīng)大于EC 的加權(quán)，以加速系統(tǒng)的響應(yīng)。雖然采用多規(guī)則因子模糊控制方法可取得較好的控制效果，但對(duì)于加權(quán)因子的選取還主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或由反復(fù)試驗(yàn)確定，具有一定的盲目性，有必要引入尋優(yōu)方法。若采用通過(guò)I 帶TAE 積分性能指標(biāo)目標(biāo)函數(shù)尋優(yōu)獲得多規(guī)則因子值的方法，有多個(gè)規(guī)則因子的模糊控制規(guī)則雖然比較靈活、方便，但對(duì)多個(gè)調(diào)整因子的尋優(yōu)要花費(fèi)較大的計(jì)算量，因此大多是采用離線(xiàn)計(jì)算的方式，難以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)優(yōu)化。因此，一方面要考慮吸取帶多個(gè)規(guī)則因子的優(yōu)點(diǎn)，另一方面又要考慮盡量簡(jiǎn)化尋優(yōu)過(guò)程。為此，提出了

11、一種在全論域范圍內(nèi)自調(diào)整規(guī)則因子的模糊控制器，其中規(guī)則因子的自調(diào)整方法如下：(10(11其中，。上述調(diào)整公式的特點(diǎn)是規(guī)則因子在及之間隨著偏差絕對(duì)值的大小呈線(xiàn)性變化，故有N 個(gè)可能的取值。當(dāng)=時(shí)，N 為偏差E 的量化等級(jí)，上式則變?yōu)橹挥幸粋€(gè)調(diào)整因子的控制規(guī)則了。它體現(xiàn)了按誤差大小自動(dòng)調(diào)整誤差對(duì)控制作用權(quán)重的思想。顯然，這種調(diào)整過(guò)程符合人在控制決策過(guò)程中的思維特點(diǎn)，己經(jīng)具有優(yōu)化的特點(diǎn)，且易于通過(guò)微機(jī)實(shí)現(xiàn)其控制算法。系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，將移動(dòng)機(jī)器人車(chē)輪速度的差值和差值變化，代入(11式計(jì)算出此時(shí)的調(diào)整因子，然后再依據(jù)此時(shí)的控制規(guī)則(11式進(jìn)行模糊判決得到控制量u ，經(jīng)反模糊化，得到精確的輸出量，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電

12、機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，控制速度變化，執(zhí)行糾偏動(dòng)作。當(dāng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，在系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程中，由于車(chē)輪速度的差值由(11式得到的規(guī)則調(diào)整因子也隨之變e 是隨時(shí)間變化的，化，改變了差值e 和差值變化的權(quán)重，從而對(duì)控制規(guī)則(10進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，使系統(tǒng)具有一定的自調(diào)整、自學(xué)習(xí)能力，更能適應(yīng)環(huán)境的變化。圖2系統(tǒng)的階躍響應(yīng)仿真曲線(xiàn)仿真結(jié)果表明：與常規(guī)模糊控制相比，系統(tǒng)采用規(guī)則自調(diào)整模糊控制時(shí)，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間都明顯減少，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到明顯改善。5結(jié)論本文對(duì)輪式移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了分析，給出電壓參數(shù)取代轉(zhuǎn)矩的機(jī)器人控制模型，提出了一種在全論域范圍內(nèi)自調(diào)整規(guī)則因子的模糊控制器，并對(duì)帶有多個(gè)規(guī)則因子的模糊控制器給出了設(shè)計(jì)

13、步驟以及仿真結(jié)果，從仿真中可以表明采用規(guī)則自調(diào)整的模糊控制方法，與使用常規(guī)的模糊控制方法相比，可以取得更快的收斂速度。論文創(chuàng)新點(diǎn)：本文對(duì)輪式移動(dòng)機(jī)器人具有一階非完整約束動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，給出電壓參數(shù)取代轉(zhuǎn)矩的機(jī)器人控制模型，提出了一種在全論域范圍內(nèi)自調(diào)整規(guī)則因子的模糊控制器，并對(duì)帶有多個(gè)規(guī)則因子的模糊控制器給出了設(shè)計(jì)步驟以及仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明與常規(guī)模糊控制相比，系統(tǒng)采用規(guī)則自調(diào)整模糊控制時(shí)，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間都明顯減少，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到明顯改善。參考文獻(xiàn)1Park.Tong-Jin, Han Chang-Soo. A path generation algorithm of auton

14、omous robot vehicle through scanning of a sensor platformJ.IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2001(4:151-156.2M.J. Er, Y. Gao. Robust adaptive control of robot manipulators using generalized fuzzy nerual networks, IEEE transactions on in dustrial electronics, vol. 50, NO .3, p

15、p. 620628, JUNE 2003.（下轉(zhuǎn)第頁(yè)）DSP 開(kāi)發(fā)與應(yīng)用中文核心期刊微計(jì)算機(jī)信息(嵌入式與SOC 2009年第25卷第1-2期率和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；另一方面，考慮到代碼的通用性和可移植性，最好使用易讀的c 語(yǔ)言。FFT 核心算法采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，主程序采用C 語(yǔ)言編寫(xiě)。為防止數(shù)據(jù)溢出，蝶形運(yùn)算結(jié)果采用歸一化處理。3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上，主要對(duì)AD9238采集的12bit 的數(shù)據(jù)在FPGA 內(nèi)部進(jìn)行預(yù)處理。由于采用了Altera 公司Stratix 系列芯片，F(xiàn)PGA 的開(kāi)發(fā)環(huán)境采用的是Quartus6.0軟件，對(duì)采用的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行了數(shù)字下變頻，將信號(hào)變?yōu)榛鶐盘?hào)I 、然后Q 量

16、形式，圖3是在FPGA 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的一個(gè)數(shù)字送給DSP 完成后續(xù)處理。下變頻濃能的模塊。王誠(chéng)編著.Altera FPGA/CPLD設(shè)計(jì)（基礎(chǔ)篇）人民5吳繼華，M，郵電出版社，2005作者簡(jiǎn)介:簡(jiǎn)遠(yuǎn)鳴（1981），女（漢），廣西北海人，中南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，碩士研究生，主要從事混沌加密和DSP 的研究。Biography:JIAN Yuan -ming (1981-, female (hanethnic ，Guang Xi Province, School of Physics Sci&Tech,Central South University, Master, Research a

17、rea include chaos encryption and DSP .(410083湖南長(zhǎng)沙中南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院）簡(jiǎn)遠(yuǎn)鳴晏福平劉念孔德元（School of Physics Sci&Tech,Central South University, Changsha Hunan 410083，China ）JIAN Yuan-mingYAN Fu-ping LIU Nian KONG De-yuan通訊地址:(410083中南大學(xué)物理笠學(xué)與技術(shù)學(xué)院 簡(jiǎn)遠(yuǎn)鳴(收稿日期:2008.12.05(修稿日期:2009.01.03圖3數(shù)字下變頻模塊技術(shù)創(chuàng)新對(duì)于AD9238采集的信號(hào)可以采用Q

18、uartus6.0環(huán)境下的SignalTap 嵌入式邏輯分析儀觀察實(shí)時(shí)采集的信號(hào)。下面是一組系統(tǒng)采樣率為40MHZ ，輸入信號(hào)頻率為500KHz 的正弦信號(hào)情況下，通過(guò)SignalTap 嵌入式邏輯分析采集到的信號(hào)波形圖。圖4數(shù)據(jù)采集信號(hào)波形圖4結(jié)論本文介紹了一種基于DSP 的高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)其高速采樣電路、FPGA 設(shè)計(jì)與處理電路以及DSP 設(shè)計(jì)與處理電路進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對(duì)后續(xù)處理系統(tǒng)的功能做了詳細(xì)闡述。在Quartus6.0環(huán)境下在FPGA 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了數(shù)字下變頻模塊，并借助Quartus6.0環(huán)境下的SignalTap 嵌入式邏輯分析儀對(duì)AD 采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，

19、測(cè)試波形表明采樣的正確性。本文設(shè)計(jì)的基于DSP 的高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)方就可以進(jìn)案具有一定的通用性，更換更高采樣速率AD 的芯片，一步的提高系統(tǒng)的采樣速率，而無(wú)需更換后面的硬件，因此該設(shè)計(jì)在工程應(yīng)用上具有一定的應(yīng)用價(jià)值。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：基于DSP 的高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定通用性和可擴(kuò)展性，采用浮點(diǎn)DSP 進(jìn)行后續(xù)處理，提高了數(shù)據(jù)處理精度；可完成高速數(shù)據(jù)的FPGA 的資源可擴(kuò)展，存儲(chǔ)與相應(yīng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理，為DSP 分擔(dān)部分信號(hào)處理工作，且硬件實(shí)現(xiàn)速度快于DSP 的數(shù)據(jù)處理。參考文獻(xiàn)張淑娥. 基于DSP 的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J，電1張菊，力系統(tǒng)通信，2006.1曹治國(guó)，張貴清等.

20、 基于FPGA 和DSP 的并行數(shù)據(jù)采2王文武，集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J.微計(jì)算機(jī)信息，2004-11,21-23楊建宇，熊金濤.12b 雙通道高速A/D轉(zhuǎn)換器AD92383苗書(shū)立，的原理及應(yīng)用J，現(xiàn)代電子技術(shù)，2004.13夏應(yīng)清，袁泉等. 基于AD9238的高速高精度ADC 采4向常州，集系統(tǒng)J，電子元器件應(yīng)用，2007.6(上接第240頁(yè)張新暉等. 基于Agent 的自主式智能機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)3朱淼良，及集成系統(tǒng). 模式識(shí)別與人工智能, 2000,13(1:36-41.戴學(xué)豐，劉艷菊. 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)4劉彥忠，動(dòng)補(bǔ)償控制器. 微計(jì)算機(jī)信息, 2006,153(1,215-217.作者

21、簡(jiǎn)介:劉彥忠（1971-），男（漢），黑龍江省齊齊哈爾人，齊齊哈爾大學(xué)計(jì)控學(xué)院副教授，碩士，主要從事機(jī)器人自組織模糊），男（漢），河北省石家莊人，齊齊哈爾控制研究；戴學(xué)豐（1962-大學(xué)計(jì)控學(xué)院院長(zhǎng)，教授，博士后，主要從事機(jī)器人控制、離散事件系統(tǒng)研究。Biography:LIU Yan-zhong (1971-,Male, Computer and Con -trol Engineering Institute, Qiqihar University, Vice Professor, Master. Engaged in:Self-organizing Fuzzy Control for robot. (161006齊齊哈爾大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制學(xué)院 劉彥忠戴學(xué)豐(Computerand Control Engineering Institute, Qiqihar Uni -versity, 161006 LIU Yan-zhong DAI Xue-feng通訊地址：（161006黑龍江省齊齊哈爾齊齊哈爾大學(xué)計(jì)控學(xué)院）劉彥忠 (收稿日期