移動機器人多規(guī)則因子模糊控制方法_圖文

1、文章編號:1008-0570(200901-2-0239-02機器人技術移動機器人多規(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）劉彥忠戴學豐LIU Yan-zhong DAI Xue-feng摘要:本文針對輪式移動機器人這種典型的非完整性系統(tǒng)，在給出了動力學模型后將模型中的參數(shù)選取進行了一些改進使用直觀的電壓參數(shù)來取代轉距；在實際應用中由于模糊規(guī)則一經(jīng)確定就無法改變，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)整過程符合人在決策過程中的思維特點，且易于計算機實現(xiàn)控

2、制算法。仿真結果表明系統(tǒng)的動態(tài)性能得到明顯改善。關鍵詞:輪式移動機器人; 動力學模型; 非完整性系統(tǒng); 模糊控制文獻標識碼:A 中圖分類號: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引言移動機器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、運動控制與執(zhí)行等多種功能為一體的綜合系統(tǒng)。國內(nèi)外在移動機器人控制方面已做了大量的研究工作，目前面臨的主要問題是移動機器人在控制和規(guī)劃方面缺乏智能性和

5、魯棒性。本文針對三輪移動機器人的運動控制進行研究，由于在非完整性模型中，移動機器人有些參數(shù)是無法取得精確值的，所以使用模糊控制作為機器人的主要控制方法，但在實際應用中，由于模糊規(guī)則一經(jīng)確定，就無法進行改變，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)整過程符合人在決策過程中的思維特點，且易于通過計算機實現(xiàn)控制算法。約束矩陣；：約束力，它是不能直接改變的，而只能視為一個產(chǎn)生于約束方程的特殊內(nèi)部變量。其中，是一個雅克比矩陣，用于將基礎坐標系下的速度轉換成為卡笛爾坐標系下的速度。2.2電壓參數(shù)取代轉矩的機器人系統(tǒng)模型結合運動學公式，公式(1可以用一

6、個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。假設所有的發(fā)動機都是直流右邊電動機的控制公式如下：電動機。忽略電動機的自感應，(3(4其中，是右測電動機所形成的轉矩，是阻力，是電場力系數(shù)，是右發(fā)動機的角速度，可得到輪子的角速度與之的關系為：(5發(fā)動機轉矩與輪子轉矩的關系為：(6輪子角速度和機器人的速度的關系為：(7從(2(7，可以得到移動機器人的包含執(zhí)行裝置的動力學公式：假設且，是發(fā)動機的輸入電壓。，(8，技術創(chuàng)新2輪式移動機器人系統(tǒng)模型2.1移動機器人動力學模型輪式移動機器人及自動駕駛裝置等實際受控對象要考慮到與外部環(huán)境的滾動接觸等非完整約束等因素，屬于一個具有非完整性移動機一階非

7、完整約束動力學系統(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，是對稱正定慣性矩陣；是向心力和哥氏力項；是有界的未知撓動和未建模動力學；是輸入轉換矩陣；是輸入向量；是劉彥忠:副教授碩士基金項目:基金申請人:戴學豐; 基金項目名稱:輪式移動機器人自組織控制系統(tǒng)研究; 基金頒發(fā)部門:黑龍江省教育廳(10551330機器人技術中文核心期刊微計算機信息(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計通過調(diào)整規(guī)則因子來修改模糊控制器控制規(guī)則，可以獲得較好的控制效果。但對于只帶有一個規(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，但當值一

8、旦選定，在整個控制過程中就不再改變。而實際上，模糊控制系統(tǒng)在不同的階段和狀態(tài)下，對控制規(guī)則中誤差E 和誤差變化EC 的加權程度一般來說有不同的要求。以二維模糊控制系統(tǒng)為例，當誤差較大時，控制系統(tǒng)的主要任務是消除誤差，此時對誤差在控制規(guī)則中的加權應大些；而當誤差較小時，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，即對誤差變化加權大些。依據(jù)上述思想，對于每個誤差等級都各自引入一個規(guī)則因子，就構成了帶多個規(guī)則因子的控制規(guī)則，這樣有利于滿足控制系統(tǒng)在不同被控狀態(tài)下對調(diào)整因子的不同要求。當誤差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, 帶多個規(guī)則因子

9、的控制規(guī)則可表示為:當速度差值e 的絕對值較大，此時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 的權重較大，而差值變化的權重1-較小，增強e 的作用，促使系統(tǒng)快速響應，以盡快移動機器人的速度偏差。當速度差值e 的絕對值較小，于是控制規(guī)則中速度差值e 的權重也就較小，而差值變化的權重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仿真實驗本文利用MATLAB6的模糊邏輯工具箱，并結合S 函數(shù)創(chuàng)建的功能模塊，實現(xiàn)規(guī)則自調(diào)整模糊控制仿真，系統(tǒng)仿真結構如圖1所示，由此得到的仿真結果如圖2所示。圖1模糊控制系統(tǒng)仿真框圖技術創(chuàng)新(

10、9其中，一般情況下取，這樣，在偏差E 較小時，對EC 的加權大于對E 的加權，以利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；對偏差E 的加權應大于EC 的加權，以加速系統(tǒng)的響應。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，但對于加權因子的選取還主要是根據(jù)經(jīng)驗或由反復試驗確定，具有一定的盲目性，有必要引入尋優(yōu)方法。若采用通過I 帶TAE 積分性能指標目標函數(shù)尋優(yōu)獲得多規(guī)則因子值的方法，有多個規(guī)則因子的模糊控制規(guī)則雖然比較靈活、方便，但對多個調(diào)整因子的尋優(yōu)要花費較大的計算量，因此大多是采用離線計算的方式，難以實現(xiàn)在線優(yōu)化。因此，一方面要考慮吸取帶多個規(guī)則因子的優(yōu)點，另一方面又要考慮盡量簡化尋優(yōu)過程。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)整公式的特點是規(guī)則因子在及之間隨著偏差絕對值的大小呈線性變化，故有N 個可能的取值。當=時，N 為偏差E 的量化等級，上式則變?yōu)橹挥幸粋€調(diào)整因子的控制規(guī)則了。它體現(xiàn)了按誤差大小自動調(diào)整誤差對控制作用權重的思想。顯然，這種調(diào)整過程符合人在控制決策過程中的思維特點，己經(jīng)具有優(yōu)化的特點，且易于通過微機實現(xiàn)其控制算法。系統(tǒng)在運行時，將移動機器人車輪速度的差值和差值變化，代入(11式計算出此時的調(diào)整因子，然后再依據(jù)此時的控制規(guī)則(11式進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)動步進電

12、機運轉，控制速度變化，執(zhí)行糾偏動作。當發(fā)生擾動時，在系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程中，由于車輪速度的差值由(11式得到的規(guī)則調(diào)整因子也隨之變e 是隨時間變化的，化，改變了差值e 和差值變化的權重，從而對控制規(guī)則(10進行相應的調(diào)整，使系統(tǒng)具有一定的自調(diào)整、自學習能力，更能適應環(huán)境的變化。圖2系統(tǒng)的階躍響應仿真曲線仿真結果表明：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，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間都明顯減少，系統(tǒng)的動態(tài)性能得到明顯改善。5結論本文對輪式移動機器人的動力學模型進行了分析，給出電壓參數(shù)取代轉矩的機器人控制模型，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，并對帶有多個規(guī)則因子的模糊控制器給出了設計

13、步驟以及仿真結果，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：本文對輪式移動機器人具有一階非完整約束動力學系統(tǒng)進行了分析，給出電壓參數(shù)取代轉矩的機器人控制模型，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，并對帶有多個規(guī)則因子的模糊控制器給出了設計步驟以及仿真結果。仿真結果表明與常規(guī)模糊控制相比，系統(tǒng)采用規(guī)則自調(diào)整模糊控制時，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間都明顯減少，系統(tǒng)的動態(tài)性能得到明顯改善。參考文獻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.（下轉第頁）DSP 開發(fā)與應用中文核心期刊微計算機信息(嵌入式與SOC 2009年第25卷第1-2期率和系統(tǒng)的實時性；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 語言。FFT 核心算法采用匯編語言編寫，主程序采用C 語言編寫。為防止數(shù)據(jù)溢出，蝶形運算結果采用歸一化處理。3系統(tǒng)實現(xiàn)與測試系統(tǒng)實現(xiàn)上，主要對AD9238采集的12bit 的數(shù)據(jù)在FPGA 內(nèi)部進行預處理。由于采用了Altera 公司Stratix 系列芯片，F(xiàn)PGA 的開發(fā)環(huán)境采用的是Quartus6.0軟件，對采用的數(shù)據(jù)首先進行了數(shù)字下變頻，將信號變?yōu)榛鶐盘朓 、然后Q 量

16、形式，圖3是在FPGA 內(nèi)部實現(xiàn)的一個數(shù)字送給DSP 完成后續(xù)處理。下變頻濃能的模塊。王誠編著.Altera FPGA/CPLD設計（基礎篇）人民5吳繼華，M，郵電出版社，2005作者簡介:簡遠鳴（1981），女（漢），廣西北海人，中南大學物理科學與技術學院，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湖南長沙中南大學物理科學與技術學院）簡遠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中南大學物理笠學與技術學院 簡遠鳴(收稿日期:2008.12.05(修稿日期:2009.01.03圖3數(shù)字下變頻模塊技術創(chuàng)新對于AD9238采集的信號可以采用Q

18、uartus6.0環(huán)境下的SignalTap 嵌入式邏輯分析儀觀察實時采集的信號。下面是一組系統(tǒng)采樣率為40MHZ ，輸入信號頻率為500KHz 的正弦信號情況下，通過SignalTap 嵌入式邏輯分析采集到的信號波形圖。圖4數(shù)據(jù)采集信號波形圖4結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)的設計，對其高速采樣電路、FPGA 設計與處理電路以及DSP 設計與處理電路進行了詳細介紹，并對后續(xù)處理系統(tǒng)的功能做了詳細闡述。在Quartus6.0環(huán)境下在FPGA 內(nèi)部實現(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AD 采樣后的數(shù)據(jù)進行了實際測試，

19、測試波形表明采樣的正確性。本文設計的基于DSP 的高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)方就可以進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，而無需更換后面的硬件，因此該設計在工程應用上具有一定的應用價值。本文作者創(chuàng)新點：基于DSP 的高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設計具有一定通用性和可擴展性，采用浮點DSP 進行后續(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 的資源可擴展，存儲與相應的數(shù)據(jù)預處理，為DSP 分擔部分信號處理工作，且硬件實現(xiàn)速度快于DSP 的數(shù)據(jù)處理。參考文獻張淑娥. 基于DSP 的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的設計J，電1張菊，力系統(tǒng)通信，2006.1曹治國，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)的設計J.微計算機信息，2004-11,21-23楊建宇，熊金濤.12b 雙通道高速A/D轉換器AD92383苗書立，的原理及應用J，現(xiàn)代電子技術，2004.13夏應清，袁泉等. 基于AD9238的高速高精度ADC 采4向常州，集系統(tǒng)J，電子元器件應用，2007.6(上接第240頁張新暉等. 基于Agent 的自主式智能機器人體系結構3朱淼良，及集成系統(tǒng). 模式識別與人工智能, 2000,13(1:36-41.戴學豐，劉艷菊. 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的機器人關節(jié)驅(qū)4劉彥忠，動補償控制器. 微計算機信息, 2006,153(1,215-217.作者

21、簡介:劉彥忠（1971-），男（漢），黑龍江省齊齊哈爾人，齊齊哈爾大學計控學院副教授，碩士，主要從事機器人自組織模糊），男（漢），河北省石家莊人，齊齊哈爾控制研究；戴學豐（1962-大學計控學院院長，教授，博士后，主要從事機器人控制、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齊齊哈爾大學計算機與控制學院 劉彥忠戴學豐(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計控學院）劉彥忠 (收稿日期