模糊控制在武裝機器人穩定平臺中的應用

孫鐘阜

（海軍駐上海地區水聲導航系統軍事代表室，上海201108）

模糊控制在武裝機器人穩定平臺中的應用

孫鐘阜

（海軍駐上海地區水聲導航系統軍事代表室，上海201108）

針對武裝機器人武器平臺操控穩定性的應用需求，提出了模糊控制在武裝機器人武器平臺穩定操控中的應用問題。在以往對穩定平臺動力學規律分析的基礎上，提取兩自由度穩定平臺的輸入輸出變量，利用ADAMS建立穩定平臺的數學模型，將ADAMS中建立的穩定平臺模型導入到Matlab中，按照穩定平臺的動力學規律設計模糊控制器，通過Matlab/Simulink建立穩定平臺的模糊控制系統框圖，通過仿真計算，分析穩定平臺在階躍力矩信號下的響應特性，修改完善控制系統。并給出了優化后控制系統的Matlab和ADAMS聯合仿真結果，結果表明，設計的模糊控制器在武裝機器人武器平臺穩定控制中具有良好的控制效果。

穩定平臺；模糊控制器；聯合仿真

進入21世紀以來，隨著現代科學技術的發展，現代軍事發生了極大的變化，特別是移動武裝機器人的誕生使得人類將有可能從未來的戰爭中解脫出來［1］。本研究著重討論陸上武裝機器人，陸上武裝機器人一般在野外復雜環境下執行任務，工作環境比較惡劣，這就要求必須為武裝機器人配備控制性能較好的穩定平臺，實現機器人在行駛過程中保持一定精度的水平穩定性和方位跟蹤能力［2-3］。

隨著科技的發展，部隊對穩定平臺控制系統提出了高精度、快速的響應速度等要求。傳統的PID控制是基于偏差大小輸出控制力，原理上就存在偏差，同時由于控制系統的非線性時變強耦合等特征，參數固定不變的傳統PID控制越來越滿足不了新的控制要求。這就為模糊控制等一系列的智能控制技術的誕生提供了現實的需求［4］。

模糊控制理論的誕生在現代控制領域具有里程碑意義。鑒于作戰環境的復雜性，武裝機器人在野外作戰的平臺控制不可能是線性的，需要具有一定智能的模糊控制。模糊控制把控制對象作為“黑箱”，將人們對“黑箱”的操作經驗用現實生活中的語言表達出來，并設計成“模糊規則”，讓計算機通過這些“模糊規則”模仿人類的決策過程，從而實現對被控對象的模糊控制。

為了達到較好的控制效果，模糊控制理論給出了一套系統而有效的方法，可以方便地將人們現實中使用的自然語言轉換成計算機可以識別和處理的機器語言。模糊控制器是一種基于自然語言控制規則、模糊邏輯推理的計算機控制技術，它不需要知道控制系統的數學模型，而只依賴于操作者的經驗，將表達知識轉化成“模糊規則”，設計簡單，抗干擾能力強，響應速度快，對系統參數的變化有較強的魯棒性，屬于一種智能控制［5］。

本研究針對模糊控制算法在穩定平臺中的應用進行了仿真研究，使用ADAMS建立武裝機器人穩定平臺的機械模型（本文研究兩自由度穩定平臺），利用Matlab的Simulink模塊建立穩定平臺的控制模型并進行控制仿真［6-7］。仿真結果表明模糊控制在武裝機器人穩定平臺的應用中具有較好的控制效果。

1 穩定平臺ADAMS模型

1.1 虛擬樣機技術

虛擬樣機技術——ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical system）全稱是機械系統自動動力學分析軟件，它是目前世界范圍內應用非常廣泛的多體系統仿真分析軟件。ADAMS軟件使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫，創建完全參數化的機械系統幾何模型，其求解器采用多剛體系統動力學理論中的拉格朗日方程方法，建立系統動力學方程，對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預測機械系統的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。

ADAMS一方面是虛擬樣機分析的應用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析。另一方面，又是虛擬樣機分析開發工具，其開放性的程序結構和多種接口，可以成為特殊行業用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發工具平臺［8-9］。

1.2 建立穩定平臺模型

在ADMAS中建立穩定平臺的模型如圖1所示。該模型包括支架、外框和內框3部分，支架與地面固連在一起。建立各部件之間的約束關系，支架與外框建立Cylindrical約束關系，外框與內框建立Cylindrical約束關系。在穩定平臺各關節之間建立驅動元件（本文使用力矩），分別作用于穩定平臺的內框和外框。

圖1 穩定平臺模型

1.3 確定輸入輸出變量

穩定平臺的建模過程中除了需要建立模型，添加約束和驅動力矩外，還需要建立輸入輸出變量，這些變量是實現ADAMS和Matlab聯合仿真的中介。在ADAMS中定義驅動力矩T1和T2作為其輸入變量，同時ADAMS中的輸入變量又是Matlab的輸出變量；在ADAMS中定義外框的橫滾角φ，角速度，內框的俯仰角θ，角速度作為其輸出變量，同時ADAMS中的輸出變量又是Matlab的輸入變量。

2 模糊控制器的設計

2.1 精確量轉化成模糊量

將精確的參數離散化，將它分成若干段，每一段對應一個模糊子集，每一個模糊子集運用模糊語言表示如下：NB（負大），NS（負?。琙E（零），PS（正小），PB（正大）。某個精確的參數屬于某一個模糊子集的程度用隸屬度表示，而隸屬度可以通過隸屬函數計算出來。隸屬度函數比較常用的有三角型、梯形、高斯型、和鐘型。三角型函數表達式為

式中：μ為三角形中心值；2σ為三角形底寬。

高斯型函數表達式為

式中：μ為中心值；2σ為標準偏差。

2.2 模糊控制規則

模糊控制規則是模糊控制器的核心，體現了任何模糊控制算法的“智力”，通常根據經驗和理論模擬確定，是設計者知識和經驗的表現形式［10-11］。其正確性可通過試驗來驗證和調整。Mamdani型模糊控制算法表示為

其中，E、EC、U表示語言變量。本文具體表示為角度、角速度和力矩輸出。其中，E、EC在論域中所取的語言值為｛NB、NS、ZE、PS、PB｝，對應為負大、負小、零、正小、正大。U在論域中所取的語言變量為｛NB、NM、NS、NZE、ZE、PZE、PS、NM、PB｝，對應于負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。根據穩定平臺的具體要求，使用Mamdani型規則，經過多次仿真，最終得到控制效果較理想的模糊規則表，如表1所示。

表1 模糊規則表

2.3 解模糊

解模糊是指將模糊量轉化為精確值的過程。通常反模糊化的方法有3種：中位數法、最大隸屬度法和加權平均法，其中最常用的是加權平均法。在實際的應用過程中，應該通過具體的情況來確定采用哪一種解模糊方法。根據穩定平臺的具體設計要求，本文采用加權平均法來進行解模糊化處理，加權平均法為

式中：kj為加權系數，通常可以選擇隸屬度函數作為加權系數，通常根據經驗確定。

3 Matlab控制模塊的建立

3.1 虛擬模型的導入

Simulink首先需要將ADAMS中的數據模型文件拷貝到Matlab的工作空間中，然后在Matlab中輸入該模型文件的名稱（本文中為wendingpingtai.m），就可以將穩定平臺的數學模型導入到Matlab中。使用Matlab和ADAMS的連接指令adams_sys，可以獲得Matlab使用的虛擬樣機的模型數據。如圖2為穩定平臺的虛擬模型。

圖2 Matlab中的穩定平臺模型

3.2 穩定平臺模糊控制框圖的設計

本文模糊控制邏輯設置的內容如表2所示。選取模糊控制器角度的方法為高斯函數法和三角形函數法相結合的方法，如圖3所示。角速度輸入和模糊控制器的輸出均采用三角形函數法，如圖4、圖5所示。模糊控制框圖如圖6所示。

表2 模糊控制邏輯

圖3 角度輸入的隸屬度函數

圖4 角速度輸入的隸屬度函數

圖5 力矩輸出的隸屬度函數

圖6 模糊控制框圖

3.3 仿真過程及結果

針對穩定平臺進行自穩定控制的實際情況進行仿真，即穩定平臺跟隨載體有連續的位置變化。對兩自由度穩定平臺的橫滾環和俯仰環分別加入階躍信號擾動，觀察穩定平臺在擾動信號作用下的運行情況。穩定平臺控制系統脈沖響應如圖7和圖8所示。在模糊控制器的作用下，穩定平臺能在短時間內達到穩定，其跟蹤誤差較小，仿真結果表明模糊控制器在穩定平臺的自穩定中具有很好的控制效果。

圖7 橫滾框階躍信號下的響應圖

圖8 俯仰框在階躍信號下的響應圖

4 結論

本研究采用模糊控制器對陸上武裝機器人兩自由度穩定平臺的橫滾環和俯仰環進行控制，并在ADAMS和Matlab環境下進行了聯合仿真，通過聯合仿真的結果可以說明這種模糊控制器能夠很好地對兩軸穩定平臺進行自穩定控制，為今后對未知模型或難以獲得傳遞函數的模型進行控制打下較好的基礎。ADAMS與Matlab在此次仿真中可以很好地發揮2個軟件的各自優勢，ADAMS建?？梢院芸斓孬@得系統的傳遞函數，同時又可以避免復雜的數學推導過程，Matlab具有強大的控制仿真能力，同時聯合仿真的結果既清晰又直觀。當ADAMS和Matlab的聯合仿真運用到更加復雜的仿真時，這種方法的優勢將更加明顯，具有非常重要的現實意義。

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［3］高翌陽，齊蓉.艦載天線穩定平臺伺服控制器研究［J］.計算機測量與控制，2012，20（5）:1301-1306.

［4］姜麗輝，周長省.慣性穩定平臺位置伺服的模糊控制仿真研究［J］.微機電，2014，47（7）:67-71.

［5］畢永利，王中鮮.模糊控制在光電穩定平臺跟蹤中的應用［J］.黑龍江水專學報，2010，37（2）:94-96.

［6］應再恩，平雪良.基于ADAMS和Matlab的雙回路PID控制倒立擺聯合仿真［J］.機械傳動，2012，36（8）:64 -67.

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［8］陳文凱，莫亞武.三自由度并聯機器人動力學及仿真［J］.機械傳動，2009，33（1）:25-27.

［9］王建平，彭凱.基于ADAMS的一種新型六自由度并聯機構的參數分析與仿真［J］.機械傳動，2011，35（5）:31 -35.

［10］姜麗輝，周長省.慣性穩定平臺位置伺服的模糊控制仿真研究［J］.微電機，2014，47（7）:67-71.

［11］邱寶梅，王鳳娟.基于模糊-PID控制的小型機載攝影穩定平臺［J］.光電工程，2010，37（10）:23-28.

［12］蘇豪，薛方正.關節型機器人通用仿真平臺設計［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2012（6）:82-88.

（責任編輯周江川）

Application of Fuzzy Control on Armed Robot's Turntable

SUN Zhong-fu
（The Navy Military Agent's Room of Acoustic Navigation System in Shanghai Area，Shanghai 201108，China）

According to the armed robot stable platform application，the problem of the fuzzy control in the application of armed robot weapons platform stability control was proposed.Based on the analysis of the kinetics of stabilized platform in the past，we set up the input and output variables for the two-degree-of-freedom turntables，and ADAMS was employed to establish the mathematical model for the turntables.The turntables model established in ADAMS were imported to Matlab and the fuzzy controller was designed according to the dynamics of stabilized platform，and the block diagram for the fuzzy control system of the two-degree-of-freedom turntables was established through Matlab/Simulink.Through the simulation calculation，we analyzed the response characteristics of stabilized platform which under the effect of step torque signal and improved the control system.Finally we gave the results of ADAMS and Matlab joint simulation about the optimized control system.The results of the united simulation of Matlab and ADAMS show that the fuzzy controller designed in this paper has great effect in the armed robot weapons platform stability control.

stable platform；fuzzy control；united simulation

孫鐘阜.模糊控制在武裝機器人穩定平臺中的應用［J］.四川兵工學報，2015（11）：15-18.

format：SUN Zhong-fu.Application of Fuzzy Control on Armed Robot's Turntable［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2015（11）：15-18.

TP242；TJ9

A

1006-0707（2015）11-0015-04

10.11809/scbgxb2015.11.005

2015-05-25

孫鐘阜（1965—），男，高級工程師，主要從事水聲對抗，控制技術研究。