救援機(jī)器人模糊PID運(yùn)動控制的研究與實(shí)現(xiàn)

摘 要:為實(shí)現(xiàn)救援機(jī)器人運(yùn)動軌跡的實(shí)時精確控制，將模糊PID控制技術(shù)應(yīng)用于其運(yùn)動控制系統(tǒng)，對模糊PID控制器的三個參數(shù)Kp，Ki，Kd進(jìn)行在線調(diào)整。最后，在Matlab/Simulink環(huán)境下對其控制效果進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，該運(yùn)動控制系統(tǒng)將傳統(tǒng)PID控制的精確性和模糊控制的靈活性、自適應(yīng)性有機(jī)結(jié)合起來，有效的克服了運(yùn)動控制系統(tǒng)的變參數(shù)、非線性等因素的影響，使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的過渡平穩(wěn)、系統(tǒng)超調(diào)量小、過渡時間短、跟蹤性能好，具有較好的動態(tài)性能。

關(guān)鍵詞:救援機(jī)器人 模糊PID Matlab/Simulink 運(yùn)動控制 精確控制

中圖分類號:TP242文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2012)03(a)-0020-01

引言

救援機(jī)器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集成了機(jī)械工程、電子技術(shù)、智能控制、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等多個學(xué)科領(lǐng)域的先進(jìn)研究成果，其運(yùn)動控制是機(jī)器人領(lǐng)域的一個重要研究方向，也是救援機(jī)器人運(yùn)動軌跡控制、定位和導(dǎo)航的基礎(chǔ)[1]。近年來，模糊控制被廣泛應(yīng)用于各種控制中，其根源在于模糊控制本身提供了一種由專家構(gòu)造語言構(gòu)成的信息系統(tǒng)并將其轉(zhuǎn)化為控制策略的推理方法，因而能夠解決許多復(fù)雜而又無法建立精確數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)的控制問題，它是處理推理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)不精確和不確定性的一種有效方法。

1 救援機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析

本文研究的是由貴州省信息與計算科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室獨(dú)立開發(fā)研制的基于危險環(huán)境下的救援機(jī)器人平臺—— 黔援I號的運(yùn)動控制系統(tǒng)。該救援機(jī)器人的動力系統(tǒng)主要由兩個主履帶和四個輔助履帶組成，運(yùn)用差動驅(qū)動的方式實(shí)現(xiàn)對其運(yùn)動系統(tǒng)的控制，通過左右兩側(cè)主履帶的差分運(yùn)動實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動，使救援機(jī)器人可以沿任意方向做直線運(yùn)動。四個輔助履帶主要用于救援機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)整，以輔助救援機(jī)器人完成爬坡、上下樓梯、翻越障礙物、跨越壕溝等復(fù)雜的動作。

2 模糊PID運(yùn)動控制器系統(tǒng)設(shè)計

2.1 模糊PID運(yùn)動控制的原理

由于救援機(jī)器人所處的救援環(huán)境一般較為復(fù)雜，其中充滿了隨機(jī)性和不確定性，采用一般的控制方法很難實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人運(yùn)動軌跡的精確控制。然而模糊PID運(yùn)動控制器具有在線整定控制參數(shù)的功能，利用它控制救援機(jī)器人的運(yùn)動則可以方便地解決由于環(huán)境變化帶來的軌跡改變問題[2]。

2.2 模糊PID運(yùn)動控制器的設(shè)計

由以上分析，我們可以得出模糊PID運(yùn)動控制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示:

3 系統(tǒng)的仿真

本文在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下，對救援機(jī)器人的模糊PID運(yùn)動控制器的性能進(jìn)行仿真實(shí)驗。Matlab7.0提供了豐富的仿真模塊庫Simulink以及配合其它工具箱一起使用的一系列仿真模塊庫，如模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、控制系統(tǒng)、信號處理和通信系統(tǒng)等[3-4]。本文主要用到的模塊庫有:基本庫(simulink)、擴(kuò)展庫(simulinkextras)和模糊邏輯庫(fuzzylogictool-box)。

通過仿真實(shí)驗，得出在控制器的作用下，救援機(jī)器人能夠快速的回到理想路徑并做直線運(yùn)動，跟蹤誤差也能快速的收斂到零，具有良好的跟蹤性能。

4 結(jié)論

機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)是救援機(jī)器人的核心機(jī)構(gòu)，它的性能決定著機(jī)器人的整體性能。考慮到系統(tǒng)的延遲和非線性因素對機(jī)器人運(yùn)動軌跡的影響，本文采用模糊自適應(yīng)PID控制策略，將模糊控制和傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合，在常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加上參數(shù)自整定的模糊控制環(huán)節(jié)，將傳統(tǒng)PID控制的精確性和模糊控制的靈活性、自適應(yīng)性相結(jié)合，滿足了運(yùn)動控制系統(tǒng)對變參數(shù)、非線性等不利因素自動調(diào)整的要求，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)過渡平穩(wěn)、系統(tǒng)超調(diào)量小、過渡時間短、跟蹤性能好。因而，取得了較好的動態(tài)控制性能。

參考文獻(xiàn)

[1]蔡自興，賀漢根，陳虹.未知環(huán)境中移動機(jī)器人導(dǎo)航控制研究的若干問題[J].控制與決策，2002，17(4):385～390.

[2]黃炳強(qiáng)，曹廣益，費(fèi)燕瓊.基于模糊控制器的機(jī)器人路徑規(guī)劃研究[J].測控技術(shù)，2007，26(1):30～32.

[3]陳桂明，張明照，等.應(yīng)用Matlab建模與仿真[M].北京:科學(xué)出版社，2001.

[4]韓利竹，王華.Matlab電子仿真與應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社，2001.

①作者簡介：王祥(1986.2-)，男，河南省汝南縣，學(xué)歷:碩士研究生，研究方向:嵌入式開發(fā)。所在單位:貴州師范大學(xué)。

基金項目:貴州師范大學(xué)學(xué)生科研基金;貴陽市科技局科技計劃項目——基于危險品環(huán)境下的城市搜救機(jī)器人的研究與實(shí)現(xiàn)([2010]筑科工合同字第184號);貴陽市科技局大學(xué)生科技創(chuàng)業(yè)項目(合同[2011]06號)基金項目:貴州師范大學(xué)學(xué)生科研基金;貴陽市科技局科技計劃項目——基于危險品環(huán)境下的城市搜救機(jī)器人的研究與實(shí)現(xiàn)([2010]筑科工合同字第184號);貴陽市科技局大學(xué)生科技創(chuàng)業(yè)項目(合同[2011]06號)