基于模糊控制的自主尋跡機器人設計*

董存輝，擺玉龍,柴乾隆

(西北師范大學 物理與電子工程學院，甘肅省原子分子物理與功能材料重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

機器人是一個復雜的多輸入多輸出的非線性系統,潛在應用前景在過去的十多年中，對輪式移動機器人的研究受到了越來越多的關注[1]。國內外在移動機器人控制方面已做了大量的研究工作，目前的主要問題在于控制算法缺乏智能性和魯棒性[2]。模糊控制算法不需要提供精確的數學模型,即能較好地完成從輸入到輸出的非線性映射,克服了人工勢場法的局部優化陷阱和遺傳算法的運行時間過長的缺點[3]。本文采用模糊控制算法對機器人進行控制，實現了自動快速尋跡。

1 系統總體設計

本設計以飛思卡爾MC9S12XS128單片機為核心部件，設計了灰度傳感器、減速電機驅動模塊、調試模塊、穩壓模塊等硬件電路。單片機通過傳感器來獲得外部狀態，并對其進行分析，通過控制算法控制減速電機實現尋跡、壁障及按照比賽要求訪問各個景點的功能。整體設計如圖1所示。

2 機械機構方案

本文所實現的機器人采用車輪方式的行走機構，由兩個雙軸減速電機組成。機器人小車的車身是由長30 cm、寬20 cm、高6 cm鋁合金板材制成。兩個減速電機的正反轉，以及不同的組合方式可以實現前進、后退及各種轉向功能。比賽規則要求小車的寬度不能超過橋面的寬度30 cm，否則無法通過橋面。小車如果過窄，則不利于通過減速板，而且也不利于尋跡。另外小車兩輪之間的距離不能太短,否則小車在爬坡時會卡在斜面上。

3 系統硬件設計

3.1 傳感器模塊塊

由于機器人行走的活動場地地表為綠色地毯，引導線為白色，橋體表面為灰色。因此要求傳感器能夠識別綠色、白色和灰色。一般可選的方式有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、激光傳感器、顏色傳感器、CCD攝像頭等。但是考慮到成本、實際效果等因素，這里選擇了光敏二極管組成的灰度傳感器。

3.2 電機驅動模塊

電機驅動采用BTS7960B芯片。使用2片BTS7960B芯片組成一個H橋驅動一個電機。利用4片BTS7960B實現機器人的雙電機的控制要求。BTS7960是一款針對電機驅動應用的完全集成的大電流半橋芯片,其驅動電流可以達到43 A，內阻為16 mΩ。因為該芯片內部的驅動控制集成電路具有邏輯電平輸入，使得與微控制器的接口變得很方便，而且該驅動集成電路還具有電流檢測診斷、轉換率調整、死區時間生成以及過熱、過壓、欠壓、過流和短路保護等功能。相對于LM298和分離的H橋,具更強的驅動能力和穩定性。H橋驅動電路圖如圖2所示。

4 系統軟件設計

系統的軟件流程圖如圖3所示。比賽成績的好壞取決于機器人小車實現前后尋跡、各種路口的識別和障礙物的識別的功能。機器人尋跡轉向采用減速電機差速來實現，差速控制實現轉向相對于舵機來說精確性不高，而且比較盲目，需要不斷地調試才能達到比較好的效果。另外電機的響應還依賴于供電電壓的穩定性。如果直接采用電池供電，隨著電池電量的損耗，控制精確度將隨之不斷降低；其次兩個減速電機也不可能做到性能完全一致。本文的解決方式是：第一，在硬件上增加穩壓模塊；第二，對于減速電機不一致的問題，通過測試，在軟件上給相應電機增加補償即可解決；第三，對尋跡算法進行比較好的改進。

4.1 主程序設計

機器人要按照一定的路徑到達指定的位置，可將其運動過程分為若干步驟。將機器人的基本動作生成函數，即為若干個子模塊。機器人尋跡的是一條連續的線路,在線路上有不同的結點,而結點有可能是轉彎點,也可能有景點。這和鏈表的數據結構類似,把線路上的結點作為鏈表的結點(設有N-1個),結點是一結構體,結構體內包含了結點編號,如果只是轉彎點則提供轉彎的方向、如果有景點則提供景點的方向和編號。當機器人走過一個結點后,就調用下一個結點為下一步的控制提供依據,直到最后一個結點結束。當前方為障礙物時，機器人根據前一個結點可以判斷出障礙物的位置，然后通過修改鏈表來改變路徑。即在原有的路徑當中插入了一段新的繞過該障礙物的最優路徑。

軟件部分主要包括以下模塊：電機模糊控制、任務數組處理、延時調用、中斷服務、對端口的初始化及讀/寫、調試等模塊。機器人能否成功訪問各點,關鍵是能否實現魯棒性強的前后尋跡功能,以及精確地轉向。

4.2 模糊控制的引入

分析系統后可知，由于小車機械部分以及電路部分的復雜性，使得系統很難建立精確的數學模型。因此，采用模糊控制的辦法，從理論上建立模糊控制過程，以完善整體控制體系。模糊控制過程如圖4所示,圖中，u為系統輸出，即小車電機差速調整量；SP為系統設定輸入，即尋跡線上小車的正方向中央位置。模糊控制器由單片機編程模塊實現，灰度感器模塊采集反饋信號，控制對象為機器人小車的減速電機的轉速。其中模糊控制器的設計如下。

(1)模糊化小車偏離位置

設小車左偏方向為負方向，右偏方向為正方向，其偏離范圍 e(論域，單位為 cm)為[-7.5，7.5]，在將論域離散化為整數集 E=[-6，-5，…,5,6]，則量化因子 k=n/x=12/15=0.8。同時設定：

“負大”（NB）：[-6,-4],左偏特大。

“負中”（NM）：[-6,-2],左偏較大。

“負小”（NS）：[-4,0],左偏較小。

“零” （ZE）：[-2,2],正中。

“正小”（PS）：[0,4],右偏較小。

“正中”（PM）：[2,6],右偏較大。

“正大”（PB）：[4,6],右偏特大。

設隸屬函數為三角函數分布。偏離位置的語言變量值表如表1所示。

表1 語言變量值表

(2)模糊化控制量u（差速偏轉量）

u的論域為[-36，36]，將其離散化為整數集 N=[-6，-5，…,5,6]。 取 PB，PM，PS，ZE，NS，NM，NB 7 個語言變量值檔次，與偏離位置表1類似。

(3)控制規則，控制規則如表2所示。

(4)模糊推理

表2 控制規則

采用CRI推理查表法，即直接通過輸入量(偏差 E)與控制規則比較得出控制量（偏轉角U）。

(5)模糊量的清晰化

采用重心法，即將模糊化的輸出量（模糊集）的各個元素與其對應的論域值相乘取平均值：

4.3 尋線程序

根據要求機器人不僅要實現穩定的走直線功能，而且還要實現曲線尋跡。這對于通過電機的差速實現轉向的機器人來說難度比較大。因為差速控制比較盲目而且影響因素比較多，小車的魯棒性不是很好，所以尋跡算法的好壞對于獲得的成績至關重要。

本機器人傳感器按前后各一字型排列，每排7個傳感器。以前尋跡為例說明，當白線處于 s2、s3、s4、s5、s6這5個傳感器之間時，利用減速電機的差速實現微調，即通過模糊控制實現。當白線在5個傳感器之外時，將兩個電機差速轉向模擬為舵機。所謂的模擬舵機是指通過兩個電機快速正反轉來實現所需角度，一般根據實際需要可以調整轉向的時間。調整小車使白線處于5個傳感器之間，這樣做的好處是小車行駛穩定超調量小，當小車偏離白線較遠時，能迅速得到調整。另外,車身兩邊各有一個傳感器s15和s16用以檢測路口。

文中給出了基于模糊控制的自動尋跡避障機器人的設計方法，利用灰度傳感器和避障傳感器獲知外部環境情況，根據傳感器的狀態來實現差速電機的尋跡功能，預制導航地圖。制作的機器人小車能夠很好地進行尋跡和訪問目標點，運行過程穩定、抗干擾能力強、超調量小、反應速度快。相比其他同類機器人的設計[4-5]，增強了機器人的驅動能力，對機器人的尋跡算法進行了改進。

[1]李磊,葉濤.移動機器人技術研究現狀與未來[J].機器人,2002,24(5):476-480.

[2]付夢印,鄧志紅,劉彤,等.智能車輛導航技術[M].北京:科學出版社,2009.

[3]姚錫凡.人工智能技術及應用[M].北京：中國電力出版社,2008.

[4]侯少云,曹衛華,吳敏，等.基于DSP和模糊控制的尋線行走機器人設計與實現[J].電子技術應用,2006,32(3):11-14.

[5]包明,張賽,余成波.基于模糊控制的移動機器人 FPGA實現[J].電子技術應用,2008,34(7):29-31.