基于模糊控制的消防機(jī)器人控制與研究

杜文周

（西安航空學(xué)院,陜西 西安 710077）

引言

消防機(jī)器人在高溫、煙塵及缺氧等消防人員無法到達(dá)的惡劣工況的火災(zāi)救援中發(fā)揮著重要的作用，可有效減少消防人員的傷亡。消防機(jī)器人多以履帶驅(qū)動(dòng)的形式行走，其路徑的規(guī)劃及避障策略的優(yōu)劣直接影響了消防機(jī)器人的執(zhí)行效率。對(duì)于機(jī)器人的路徑規(guī)劃，提出多種算法。針對(duì)變電站巡檢機(jī)器人，路浩等提出了一種以時(shí)間消耗為目標(biāo)的路徑規(guī)劃模型，并提出了蟻群算法。但蟻群算法收斂速度慢，李燕等提出一種自適應(yīng)蟻群算法，提高移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃的效率。另一方面，消防機(jī)器人行走過程中其動(dòng)力一般由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其控制策略的優(yōu)劣直接影響了消防機(jī)器人行走電機(jī)的響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度。直流電機(jī)的控制一般采用PID的調(diào)節(jié)方式，但在一定程度上存著響應(yīng)速度慢、穩(wěn)態(tài)誤差大等不足。對(duì)此，馬曉陽(yáng)[1]等提出一種模糊自適應(yīng)PID 調(diào)節(jié)多葉光柵的方法，能實(shí)現(xiàn)光柵和速度的雙重精確控制。侯崎山[2]等將粒子群和PID 相結(jié)合應(yīng)用于多電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)多個(gè)伺服電機(jī)的協(xié)同控制。對(duì)于永磁同步電機(jī)，宦昱[3]等提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID 調(diào)節(jié)系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的相應(yīng)速度。由此可見，有效的驅(qū)動(dòng)方式和路徑規(guī)劃對(duì)提高消防機(jī)器人作業(yè)效率具有重要的意義。

針對(duì)消防機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式，本文提出一種模糊PID 自適應(yīng)方法，提高直流電機(jī)的響應(yīng)速度，精確控制其路徑，提高消防機(jī)器人的控制精度和系統(tǒng)的魯棒性。

1 消防機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊數(shù)學(xué)模型

消防機(jī)器人采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走，其中電機(jī)是運(yùn)動(dòng)的核心，建立其數(shù)學(xué)模型。

直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩正比于電樞繞組的電流為：

式中：T 電動(dòng)機(jī)軸上輸出的電磁轉(zhuǎn)矩，km為磁性材料的磁導(dǎo)率函數(shù)，ia為電樞回路的等效電流。

當(dāng)電樞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)e 為：

式中：θ 為電動(dòng)機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)角，Ke為感應(yīng)磁導(dǎo)率函數(shù)。

電樞回路方程為：

式中：La、Ra分別為電樞回路的等效電感和電阻，Ua為電樞輸入電壓。

2 驅(qū)動(dòng)裝置模糊PID 控制

2.1 模糊控制結(jié)構(gòu)

結(jié)合消防機(jī)器人工作特點(diǎn)及直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建雙輸入三輸出的模糊控制方式，如圖1 所示。其中θ0為直流電機(jī)的理論轉(zhuǎn)角，θ 為電機(jī)的實(shí)際角度，T 為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力，e 為轉(zhuǎn)角的誤差值，ec為轉(zhuǎn)角誤差的變化率，Kp、Ki、Kd為履帶裝置的驅(qū)動(dòng)參數(shù)。

圖1 驅(qū)動(dòng)模塊控制系統(tǒng)

2.2 模糊變量及隸屬函數(shù)

模糊控制器的輸入采用電機(jī)轉(zhuǎn)角的移偏差e 和偏差變化率ec為輸入量組成二維模糊控制器。對(duì)于直流電機(jī)而言，定義偏差e 論域劃分為{-6，-4，-2，0，2，4，6}，偏差變化率ec的論域劃分為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，定義模糊子集為{“負(fù)大”、“負(fù)中”、“負(fù)小”、“零”、“正小”、“正中”、“正大”}，分別記為NB、NM、NS、ZO、PS、PM 和PB。其中將輸出Kp論域定為[-4，4]、將Ki論域定為[-1，1]，將Kd的基本論域定為[-2.5，2.5]。根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，隸屬函數(shù)采用高斯隸屬函數(shù)和三角隸屬函數(shù)的方式。其中偏差率ec的隸屬函數(shù)如圖2 所示。

圖2 偏差率ec 隸屬函數(shù)

2.3 模糊規(guī)則

結(jié)合專家系統(tǒng)，參考相關(guān)文獻(xiàn)，確定消防機(jī)器人的模糊控制規(guī)則，如表1 所示。其中Kd的模糊規(guī)則如圖3 所示。

圖3 kd 模糊規(guī)則

表1 模糊規(guī)則表

3 模型搭建和系統(tǒng)仿真

為了研究消防機(jī)器人電機(jī)的響應(yīng)和性能，通過MATLAB 軟件中的SIMULINK 模塊搭建系統(tǒng)模型，調(diào)用了其中的Fuzzy 模糊模塊。為了對(duì)比系統(tǒng)的性能，與傳統(tǒng)的PID 調(diào)節(jié)進(jìn)行了對(duì)比。系統(tǒng)仿真模型如圖4 所示，結(jié)果如圖5 所示。從仿真結(jié)果可以看出，相比傳統(tǒng)PID，模糊控制的系統(tǒng)其響應(yīng)更快，調(diào)整時(shí)間較短，提高了系統(tǒng)的控制精度。

圖4 控制系統(tǒng)仿真模型

圖5 系統(tǒng)仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)控制策略有效解決了直流電機(jī)響應(yīng)慢、時(shí)滯性問題，提高了消防機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置的魯棒性，對(duì)提高消防機(jī)器人執(zhí)行效率具有積極的意義。