基于移動機器人路徑跟蹤的智能控制設計與實踐

文/龍凱

隨著科學技術的不斷進步，科技人員將機器人向智能化、功能化、質量化等方面發展，目前，機器人已廣泛應用到軍事戰爭、地質和海洋監測、醫療、工業、等多領域。移動機器人在路徑跟蹤智能控制設計中，由于涉及學科較廣、知識較為高端、令機器人在進行系統運行時易發生無法完成指令狀態。在對移動機器人路徑跟蹤的智能控制設計中，研究控制系統、方向精準度和速度調節，可令移動機器人對路徑跟蹤形成優化并及時發出指令狀態，提升移動機器人穩定性和效率性。

1 移動機器人路徑跟蹤的智能控制設計原理

1.1 模糊控制系統

模糊控制系統作為移動機器人路徑跟蹤的控制系統之一，主要是通過模糊控制芯片存儲基于模糊控制的隸屬度函數和模糊控制規則，通過模糊控制器發出指令使移動機器人完成相應動作。當前用于移動機器人路徑跟蹤的智能控制中模糊控制系統一般有硬件式指令控制器和軟件式指令控制器，前者通過專業式模糊芯片完成模糊控制；后者通過離線式計算方法對模糊控制進行時效性控制。在進行模糊預算控制時，應先系統內部的即性給定值（U）和反饋性誤差值（N），通過高斯隸屬函數進行模糊運算求出反饋值誤差轉移量（ec）、模糊控制端口輸入量（L）和模糊控制預設性規則（R），經過運算得出模糊控制決策。

1.2 視覺導航系統

視覺導航系統通過視線傳感器對行走路徑上的障礙物進行三維坐標分析，將避障信息準確傳遞到移動機器人運動反饋系統，達到移動機器人路徑自主優化。視覺導航系統經過距離信息和基于水平線的觀察角度將產生的偏差作為控制數據量，將其指令傳遞到閉路循環系統，令移動機器人對角速度進行分析并發出指令。移動機器人對前進速度的調整，是通過視覺導航系統所測得路徑曲直度和路徑角度之間的偏差進行閉路循環反饋。視線導航系統將移動機器人與待行駛路徑的軌跡作為三維立體環境初始點，通過視覺導航系統的立體化觀察方式對待移動路徑進行整體優化，減少移動機器人在運行過程中的能源損耗，提升路徑跟蹤的智能控制性能。

2 在FPGA下移動機器人速度調節

FPGA 作為可編程門陣列表現形式之一，由專用集成電路（ASIC）衍生出來，融合可編程邏輯陣列（PLA）、通用邏輯陣列（GLA）、復雜可編程邏輯陣列（CPLD）等優點一種現場可編輯門陣列。通過使用FPGA 可減少系統對其他元器件的承載負擔，FPGA 具有功能性面積廣、產品成型快、可編輯性強等優點。FPGA 通過脈沖寬度調制（PWM）進行對脈沖信號的傳輸，利用微型處理器對數據信息處理結果完成對模擬電路的控制。調制脈沖寬度時，必須使用信號產生器，通常情況下，產生器由兩部分組成，即起到源作用的信號發生器（多為鋸齒波形式）、起到對比作用的信號比較器。信號產生器內部還存在一些起到連接作用的結構，各個結構協同輸出邏輯信號，直至達成調制目標。FPGA 結構內部，鋸齒波形式信號通過數據非溢出的方式對二進制計數單元進行數據編碼，在PWM 脈沖寬度調制中對數據信息進行目標傳輸，其在運行過程中的穩態電壓為(t/T)N=αN,α 的值率對穩態電壓值和機器人整體前行速度有關。

在進行實際試驗過程中，通過控制系統對機器人速度控制在15cm/s，FPGA 通過改變α 值大小，調整伺服電機內部穩態電壓值，令當前行駛速度與預設速度達到相一致狀態。當前運行速度小于預設速度時，增大α 值，提升內部穩態電壓，提升機器人速度；當運行速度大于預設速度時，通過減小α 值，令速度相符，達到控制的基本要求。

3 基于移動機器人路徑跟蹤的智能方向控制PSO算法

粒子群優化算法（PSO）作為方向控制器的主要算法之一，PSO 是一種基于整體群中的隨機性質的計算方法。通過對PSO 計算方法進行優化，可令移動機器人在進行路徑跟蹤時，對方向控制更為精確。POS 在運行過程中，通過PID 控制元器件進行對PSO 傳輸數據信息。PID 主要由比例參數（Kp）、積分參數（Ki）、微分參數（Kd）三種參數對路徑優化。Kp 參數實現誤差調節，Ki 參數實現穩定狀態調節，Kd 參數實現對誤差范圍進行預判及改正。PSO 基本算法在移動機器人運行過程中，對移動機器人運行速度具有整零功能，由于長期進行路徑跟蹤時，移動機器人易發生穩定性下降，導致機器人在預設軌跡上發生改變。對穩定性算法進行優化時，應正確選擇雜交概率（Q），當Q數值高時，粒子群就會進入停止運行狀態，降低整體變異算子發揮的作用，當Q數值低時，粒子群運行就會進入忽略性狀態。經過技術人員不斷對數據進行優化，在Q 值為0.01 時，通過將y、z 設置為父代微粒，對雜交操作進行公式行算法。

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通過POS 算法的精準度，可有效在對障礙物進行細分原則，當途徑一處障礙物時，選擇相應的規避方式，對于二次性遇到類似障礙時，此路徑自動優化信息逐漸增多，通過算法可完成移動機器人路徑跟蹤的智能化控制。

4 結語

綜上所述，本文通過對移動機器人模糊控制自動避障功能，視覺導航系統的三維立體型閉路循環反饋系統進行分析，通過FPGA 具有功能性面積廣、產品成型快、可編輯性強等優點對移動機器人路徑跟蹤速度進行優化，改良PSO 算法對移動機器人路徑跟蹤方向調節進行優化。通過對移動機器人進行細致結構分析，對各項指標進行優化，進而使移動機器人應用領域更廣泛。