野 外 巡 檢 機 器 人 的 控 制 器

胡秀敏， 何志琴， 鈔 凡， 楊睿婉

(貴州大學 電氣工程學院, 貴陽 550025)

0 引 言

在20世紀80年代，在日本、美國等西方國家對巡檢機器人的相關研究不斷展開[1-2]。經過不斷研究，國外已有一定的巡檢機器人技術。在1999年，國內開始研究巡檢機器人，到目前為止，巡檢機器人在工業、快遞行業都有廣泛應用。

據不完全統計，有20多家制造商都在開發機器人[3-6]，而機器人最重要的模塊是運動控制器。當巡檢機器人在有坡度及轉角時，會出現速度緩慢、運行不夠平穩等，本文基于此情況對控制器進行研究。

1 控制器設計

1.1 控制器主要功能

控制器分為橫向控制和縱向控制兩種，分別控制機器人的運動速度與轉向。其控制系統結構見圖1。要使巡檢機器人在山地環境中，在保證一定負載和自發性情況下，穩定有效完成巡視檢查工作。須使控制器的后輪對電機進行控制，通過調整電機速度，完成對機器人速度的控制。該設計具有以下特點：

(1) 滿足安裝方便。巡檢車體有一定的大小和承重范圍，所以控制器的尺寸和重量要盡可能小；

(2) 要有一定實時性。在后輪驅動且前輪實現速度差的過程中，耗時要盡量小；

圖1 控制系統結構圖

(3) 具有獨立性。各部分硬件模塊化，能實現擴展，便于后續相應功能調整；

(4) 具有直觀性。為了使系統調試與監控更加方便，設計良好的交互界面；

(5) 具有抗干擾性。由于實際運行道路崎嶇，應考慮抗干擾能力；

(6) 具有自發性。使用電磁傳感器規劃路線，機器人能自發巡檢；

(7) 具有便捷性。為了巡檢方便和安全，使用蓄電池提供動力。

(8) 具有容錯性。能及時自動糾正運行中的路徑偏差。

1.2 自適應PI控制器設計

為了提高系統的速度環的抗干擾能力，在轉速環采用自適應模糊PI調節器的閉環策略。自適應模糊PI控制器原理如圖2所示。自適應模糊PI控制的基本思想是按照專家經驗，找出比例(Kp)、積分(Ki)、誤差e以及誤差的變化率ec四者之間的關系。PI參數應該滿足下面規則[7-9]:

(1) 在系統剛開始運行時候，誤差e的絕對值比較大，為了使系統能快速響應，且保證消除積分飽和影響，則KP此時的值很大，同時，要控制超調量的干擾，所以Ki等于零；

(2) 在系統進入穩定狀態的前一個時間段，此時誤差的絕對值大約是誤差最大值的一半，考慮到系統響應速度以及超調量大小，要保證Ki的值在一定范圍里，盡可能小，但也不能太小，盡量居中；

(3) 在系統即將進入到穩定狀態時候，這個時候誤差已經很小了，為了使系統穩定運行，且保持良好的響應速度與抗干擾能力，要適當增加Kp、Ki的值。

圖2 自適應模糊PI控制器原理圖

模糊子集設定為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，其中，NB表示負大、NM表示負中、NS表示負小，ZO表示零，PS表示正大、PM表示正中、PB表示正小。模糊論域設定為[-3，-2，-1，0，1，2，3]。根據PI控制器的工作原理和以上控制規則就可以設計出模糊控制的規則表，見表1、2。

表1 Kp模糊控制規則表

表2 Ki模糊控制規則表

1.3 模塊化設計

1.3.1 硬件模塊化

巡檢機器人運動控制系統硬件由5大部分構成，即MK60DN512ZVLQ10、電磁、速度控制、動力電源和驅動系統算箅模塊。各個部分分別完成了主要數據處理、路徑規劃、差速檢測反饋、提供電源、動力驅動功能[10-12]。硬件框圖如圖3所示。

圖3 硬件框圖

1.3.2 軟件模塊化

巡檢機器人系統軟件根據功能分成了4個部分，主要是電磁傳感器部分、速度控制部分、轉向實現部分、車體保護部分[13-16]。軟件整體框架圖如圖4所示。

圖4 軟件整體框架圖

2 真結果分析

2.1 前輪差速仿真

當輸入量角度δ為斜坡函數，這里取δ=15t進行仿真實驗。車輪速度變化如圖5所示，其中，v2、v1是前側左右輪速度，v3、v4是后側左右輪速度。

圖5 4車輪速度變化

由圖5可知，隨著時間增加，v2、v1、v4逐漸增大，v3逐漸減小，但v4增加比較緩慢，這是由于隨著δ角的增加，巡檢車的轉向半徑越來越小，左右驅動輪間的差值越來越大才能滿足轉向需求。

這個時候，對相應的左邊和右邊調速系統的相電流、轉矩和繞組反電動勢仿真波形如圖6所示。

從仿真圖形中可以看出，在起始階段，左邊和右邊的相電流都是大于零的值，這是因為在開始階段，左右兩邊驅動輪的速度都是在逐漸增大的。在時間為25 ms時候，左邊驅動輪的相電流以及電磁轉矩開始不斷減小，右邊的驅動輪則相反，相電流以及電磁轉矩開始增加，左右輪之間速度差值越來越大，達到了轉向的需求。

2.2 自適應PI控制仿真

速度環采用自適應模糊PI控制，輸入為速度偏差值、偏差變化值。自適應PI控制下轉矩仿真如圖7所示。

圖7 自適應 PI 控制下轉矩曲線

轉速仿真如圖8所示，在時間為0.2 s時，突然增加2 N·m的負載，如圖9所示，自適應PI控制器能及時恢復平衡穩定。由圖 8、9可知，在某一時刻突然增加負載，自適應模糊PI控制能立即響應，維持穩定，具有更好的抗干擾能力，符合本設計的要求。

圖8 自適應模糊 PI 控制 轉速曲線圖9 突加負載后轉速 曲線

3 實驗測試

本系統的測試在室內環境下進行。具體巡檢車調試平臺如圖10所示。

圖10 巡檢車調試平臺

選擇半徑分別為1 m、3 m進行測試，測試結果如圖11、12所示。由圖11、12可見，如果巡檢機器人的速度越小，在轉向時，誤差就小，反之亦然。但誤差是在一定小范圍，不影響系統行徑，能滿足性能要求。

圖11 圓弧半徑1 m時速度與平均測試誤差關系

圖12 圓弧半徑3 m時速度與平均誤差關系

4 結 語

對于運行在道路崎嶇、環境惡劣中的巡檢機器人，根據其具體性能要求，在經典四車輪模型基礎上，使用雙后輪驅動，前輪實現轉速差，實現巡檢機器人的穩定運行。在MATLAB平臺上進行了仿真，并在模擬車體平臺上進行了測試，測試結果表明，本文設計的差速分配方案能滿足巡檢機器人的性能指標要求。