小擾動機器人縱向非線性控制電路系統(tǒng)設(shè)計

柳智鑫++蘇波寧

摘 要： 傳統(tǒng)的小擾動機器人縱向非線性控制方法采用傳感器通過敏感元件實現(xiàn)驅(qū)動器和執(zhí)行系統(tǒng)聯(lián)動控制，但控制系統(tǒng)容易出現(xiàn)非線性隨機干擾失真。提出基于自校正模型參考自適應(yīng)的小擾動機器人縱向非線性控制方法，利用改進后的控制算法進行電路系統(tǒng)設(shè)計。當(dāng)小擾動機器人縱向非線性控制系統(tǒng)受到隨機干擾作用時，根據(jù)自適應(yīng)多通道加權(quán)控制律，機器人非線性控制系統(tǒng)的測量誤差按指標隨時調(diào)整控制器參數(shù)權(quán)重，給出合適的控制信號，在機器人的執(zhí)行控制系統(tǒng)中設(shè)置一個初始權(quán)值，參考模型并聯(lián)于被控系統(tǒng)，在伺服控制中采用最小方差法確定控制規(guī)律，實現(xiàn)機器人的縱向非線性控制，最后進行PCB電路板的設(shè)計。實驗和調(diào)試結(jié)果表明，采用該系統(tǒng)能有效實現(xiàn)對機器人的非線性控制，控制品質(zhì)和精度較高，收斂性和穩(wěn)定性較好。

關(guān)鍵詞： 機器人； 非線性控制； 電路系統(tǒng)； 小擾動

中圖分類號： TN710?34； TP391.4 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）22?0122?04

0 引 言

機器人是現(xiàn)代工業(yè)與信息化高度發(fā)展的產(chǎn)物，其是通過人工智能操作實現(xiàn)自動控制，代替人類進行相應(yīng)難度的作業(yè)操作，而今，機器人在野外作業(yè)、極地科考、太空探測和水下探測等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用價值。機器人由控制單元、驅(qū)動裝置和傳感裝置等主要部分組成，按照設(shè)定的位置、速度和加速度，進行相關(guān)的環(huán)境作業(yè)和外界信息感知。其中，機器人的控制系統(tǒng)和機器人系統(tǒng)的核心，機器人的作業(yè)環(huán)境相對較為復(fù)雜，需要設(shè)計有效的機器人控制方法，提高機器人的行為控制精度。本文研究小擾動機器人的縱向控制問題，小擾動機器人的運動幅度不大但控制精度較高，廣泛應(yīng)用在精密控制環(huán)境，對小擾動機器人的縱向運動非線性控制是保證機器人穩(wěn)定可靠動作的關(guān)鍵，研究小擾動機器人的控制方法具有重要意義[1]。

機器人的控制和運動規(guī)劃問題是一個具有多種約束的運動規(guī)劃問題，傳統(tǒng)的控制方法采用傳感器通過敏感元件實現(xiàn)驅(qū)動器和執(zhí)行系統(tǒng)聯(lián)動控制，但控制系統(tǒng)容易出現(xiàn)非線性失真[2]。對此，相關(guān)的文獻進行了機器人控制系統(tǒng)的改進設(shè)計，其中，文獻[3]提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的強化學(xué)習(xí)的機器人運動軌跡跟蹤控制方法，采用DSP芯片進行電路設(shè)計，但是該控制系統(tǒng)對機器人的縱向路徑規(guī)劃和自主定位性能不好。文獻[4]設(shè)計一種具有聲電轉(zhuǎn)換和姿態(tài)控制的機器人控制執(zhí)行系統(tǒng)，主要包括基陣、收發(fā)轉(zhuǎn)換和功率放大器等部分，通過控制信號將開關(guān)接通在發(fā)射信號端實現(xiàn)機器人非線性控制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但該控制系統(tǒng)在進行模擬信號預(yù)處理時受到的干擾較大[5]。針對上述問題，本文提出一種基于自校正模型參考自適應(yīng)控制的小擾動機器人縱向非線性控制算法，在算法改進設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行機器人控制系統(tǒng)設(shè)計，控制系統(tǒng)的改進主要體現(xiàn)在控制執(zhí)行單元設(shè)計誤差補償器，使機器人縱向非線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差控制在較小的幅度內(nèi)，最后通過仿真實驗進行了性能驗證，展示了本文設(shè)計的控制系統(tǒng)在提高小擾動機器人的非線性控制精度和品質(zhì)方面的優(yōu)越性，展示了較好的應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成及控制算法描述

1.1 小擾動機器人縱向非線性控制系統(tǒng)的總體構(gòu)成

小擾動機器人縱向非線性控制系統(tǒng)主要由感知系統(tǒng)、驅(qū)動器和執(zhí)行器系統(tǒng)、以及控制中心單元等子系統(tǒng)組成。其中，感知系統(tǒng)指由感知原件組成的供小擾動機器人縱向非線性控制系統(tǒng)獲取外界信息的感知器件即傳感器，通過對外界信息的感知實現(xiàn)有用信息的輸入，供中樞神經(jīng)系統(tǒng)即小擾動機器人縱向非線性控制系統(tǒng)的控制中心單元處理，為控制執(zhí)行單元提供執(zhí)行指導(dǎo)。傳感器通過敏感元件和換能器實現(xiàn)信號的檢測和輸入，驅(qū)動器和執(zhí)行系統(tǒng)是小擾動機器人縱向非線性控制系統(tǒng)的輸出機構(gòu)，它由控制陀螺、繼電器、電磁閥等組成，小擾動機器人縱向非線性控制系統(tǒng)的控制中心單元是系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，它相當(dāng)于人的大腦，向控制系統(tǒng)發(fā)出控制指令，使得整個機器人控制系統(tǒng)按既定的方案運轉(zhuǎn)[6?7]。中心控制單元處理器有單片機、DSP、ARM等，綜上描述，得到機器人縱向非線性控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

在上述總體結(jié)構(gòu)描述的基礎(chǔ)上，研究小擾動機器人縱向非線性控制原理，機器人縱向非線性控制執(zhí)行單元通過系統(tǒng)本身與外界的數(shù)據(jù)傳輸和通信來改善和調(diào)整統(tǒng)自身的姿態(tài)信息，非線性控制也就是一種反饋控制，考慮機器人控制系統(tǒng)的非線性特性和不確定性，機器人的跟蹤控制問題一般由[n]個決策變量的多信息融合模型構(gòu)成，自適應(yīng)小擾動機器人縱向非線性控制的參數(shù)融合輸入和輸出系統(tǒng)模型如圖2所示。圖中，輸入?yún)?shù)為[u（n）]，[w*0]…[w*M]，輸出變量為[y（n）]，表示機器人的姿態(tài)量化特征。

1.2 控制算法改進設(shè)計

在上述進行機器人控制系統(tǒng)模型總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，需要進行控制算法優(yōu)化設(shè)計。作為整個機器人控制系統(tǒng)的核心軟件組成，基于自校正控制原理，本文提出一種基于自校正模型參考自適應(yīng)控制的小擾動機器人縱向非線性控制算法。算法原理描述為：當(dāng)小擾動機器人縱向非線性控制系統(tǒng)受到隨機干擾作用時，根據(jù)自適應(yīng)多通道加權(quán)控制律，機器人非線性控制系統(tǒng)的測量誤差按指標隨時調(diào)整控制器參數(shù)權(quán)重，給出合適的控制信號，基于控制品質(zhì)在機器人的執(zhí)行控制系統(tǒng)中設(shè)置一個動態(tài)品質(zhì)良好的初始權(quán)值，參考模型并聯(lián)于被控系統(tǒng)，在伺服控制中采用最小方差法確定控制規(guī)律，實現(xiàn)機器人的縱向非線性控制。控制原理如圖3所示。

結(jié)合圖3，機器人的輸入控制參數(shù)采用一個隨機信號發(fā)生器，通過對控制信道的調(diào)制解調(diào)，進行干擾抑制，使得被控制系統(tǒng)的動態(tài)特性與模型相一致，設(shè)定小擾動機器人控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

在上述控制算法改進設(shè)計的基礎(chǔ)上，將算法嵌入到DSP芯片中，進行小擾動機器人的控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計。硬件電路設(shè)計中，根據(jù)小擾動機器人控制系統(tǒng)的應(yīng)用目標確定系統(tǒng)的性能指標、DSP信號處理的要求，通常可用數(shù)據(jù)流程圖、數(shù)學(xué)運算序列進行總體設(shè)計，控制系統(tǒng)的數(shù)字信息處理芯片采用TMS320VC5509A DSP芯片，該芯片為低功耗16位定點DSP，運行在200 MHz的主頻范圍之內(nèi)，比較適合機器人控制環(huán)境的應(yīng)用需求。系統(tǒng)的A/D模塊主要完成輸入模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，另外包括時鐘發(fā)生器，將接收到的輸入時鐘變換為CPU及其外設(shè)所需要的工作時鐘。小擾動機器人縱向非線性控制系統(tǒng)的DSP板電源電路用外部電源給整個系統(tǒng)供5 V和±12 V的電壓，電源芯片選用TPS767HD301，為整個控制系統(tǒng)提供1.5～1.6 V的可調(diào)電壓和3.3 V的固定電壓。DSP時鐘可由外部提供，也可由板上的晶振提供。選擇EM B380C作為接口芯片，接口電路框圖如圖4所示。

在非線性控制系統(tǒng)的干擾濾波部分，采用MAX264濾波器，內(nèi)部有兩個獨立的二階濾波器，可通過級聯(lián)實現(xiàn)高階濾波器。輸入時鐘頻率可以利用片內(nèi)時鐘外接晶體產(chǎn)生晶振頻率進過內(nèi)部電路進行2分頻。對[M0]，[M1]兩個管腳編程可使芯片工作于模式1～4四種方式，每一種工作方式都能實現(xiàn)濾波輸出。經(jīng)過DC?DC變換為5 V，再由5 V的直流經(jīng)過DC?DC得到3.3 V和4.2 V電壓，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的自校正模型參考自適應(yīng)控制濾波。

圖5中，通過開關(guān)的關(guān)斷或接通來控制濾波器模式的選擇。濾波器的工作時鐘可通過DSP的時鐘分頻進行小擾動機器人的縱向非線性控制。以此為基礎(chǔ)，在控制執(zhí)行單元設(shè)計誤差補償器，使機器人縱向非線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差控制在較小的幅度內(nèi)。在原理圖的設(shè)計完成后，則可以進行PCB的設(shè)計，最后通過本文的改進設(shè)計，得到小擾動機器人縱向非線性控制系統(tǒng)電路PCB圖如圖6所示。

圖6中，包括了控制系統(tǒng)的DSP數(shù)字處理芯片的電路PCB板圖和控制器數(shù)據(jù)采集板PCB圖，PCB板的制作完成之后，便可進行硬件的裝配及調(diào)試和系統(tǒng)仿真。

3 系統(tǒng)仿真實驗結(jié)果分析

在上述進行了小擾動機器人縱向非線性控制系統(tǒng)電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行系統(tǒng)的調(diào)試和仿真實驗分析，驗證本文系統(tǒng)在實現(xiàn)機器人控制中的可靠性能。與文獻[7]的方法進行對比分析，硬件調(diào)試過程中需要的設(shè)備包括電源、DSP硬件開發(fā)環(huán)境，如PC機、硬件仿真器、軟件開發(fā)工具等，根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計要求，采用模型參考小擾動機器人縱向非線性控制算法，采用嵌入式算法設(shè)計，把軟件算法輸入到相關(guān)控制系統(tǒng)中，進行系統(tǒng)的調(diào)試分析。系統(tǒng)仿真調(diào)試的工具還包括萬用表、示波器、邏輯分析儀和信號源等。仿真器是合眾達公司的SEED?XDSUSB 2.0，該仿真器采用JTAG接口，所以可以方便地進行調(diào)試。控制算法的實現(xiàn)采用的是C語言進行算法的仿真。

在上述仿真環(huán)境設(shè)定的基礎(chǔ)上，對小擾動機器人縱向非線性控制系統(tǒng)的俯仰、偏航和縱向追蹤等三個通道單獨進行控制仿真測試。運用文獻[7]的方法和本文的方法進行對比，在示波器上分別輸出的控制信號波形如圖7所示。從圖可見，采用本文設(shè)計的系統(tǒng)，輸出的控制信號的權(quán)值的穩(wěn)定性提高幅度較大，大約提高30%，與延時的采樣點相同，能有效實現(xiàn)對小擾動機器人的非線性控制。最后對在邏輯分析儀上對控制系統(tǒng)的控制誤差進行分析，不同方法得到誤差結(jié)果如圖8所示。從圖8結(jié)果可見，雖然小擾動機器人的運動幅度不大，但采用本文設(shè)計的系統(tǒng)能準確實現(xiàn)對機器人的縱向運動的非線性伴隨控制，由于本文系統(tǒng)控制執(zhí)行單元設(shè)計誤差補償器，使機器人縱向非線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差控制在較小的幅度內(nèi)，精度較高，避免了非線性失真，展示了本系統(tǒng)的優(yōu)越性能。

4 結(jié) 語

本文研究了小擾動機器人的縱向控制問題，小擾動機器人的運動幅度不大但控制精度較高，廣泛應(yīng)用在精密控制環(huán)境，對小擾動機器人的縱向運動非線性控制是保證機器人穩(wěn)定可靠動作的關(guān)鍵，提出一種基于自校正模型參考自適應(yīng)控制的小擾動機器人縱向非線性控制算法，在算法改進設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行機器人控制系統(tǒng)設(shè)計，控制系統(tǒng)的改進設(shè)計主要體現(xiàn)在于控制執(zhí)行單元設(shè)計誤差補償器，使機器人縱向非線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差控制在較小的幅度內(nèi)，實驗結(jié)果表明，采用本文系統(tǒng)能有效實現(xiàn)對機器人的非線性控制，控制品質(zhì)和精度較高，展示了較好的實際應(yīng)用價值。

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