救援機器人模糊PID運動控制的研究與實現

摘 要:為實現救援機器人運動軌跡的實時精確控制，將模糊PID控制技術應用于其運動控制系統(tǒng)，對模糊PID控制器的三個參數Kp，Ki，Kd進行在線調整。最后，在Matlab/Simulink環(huán)境下對其控制效果進行仿真，結果表明，該運動控制系統(tǒng)將傳統(tǒng)PID控制的精確性和模糊控制的靈活性、自適應性有機結合起來，有效的克服了運動控制系統(tǒng)的變參數、非線性等因素的影響，使系統(tǒng)輸出響應的過渡平穩(wěn)、系統(tǒng)超調量小、過渡時間短、跟蹤性能好，具有較好的動態(tài)性能。

關鍵詞:救援機器人 模糊PID Matlab/Simulink 運動控制 精確控制

中圖分類號:TP242文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)03(a)-0020-01

引言

救援機器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集成了機械工程、電子技術、智能控制、計算機科學與技術等多個學科領域的先進研究成果，其運動控制是機器人領域的一個重要研究方向，也是救援機器人運動軌跡控制、定位和導航的基礎[1]。近年來，模糊控制被廣泛應用于各種控制中，其根源在于模糊控制本身提供了一種由專家構造語言構成的信息系統(tǒng)并將其轉化為控制策略的推理方法，因而能夠解決許多復雜而又無法建立精確數學模型的系統(tǒng)的控制問題，它是處理推理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)不精確和不確定性的一種有效方法。

1 救援機器人運動學分析

本文研究的是由貴州省信息與計算科學重點實驗室獨立開發(fā)研制的基于危險環(huán)境下的救援機器人平臺—— 黔援I號的運動控制系統(tǒng)。該救援機器人的動力系統(tǒng)主要由兩個主履帶和四個輔助履帶組成，運用差動驅動的方式實現對其運動系統(tǒng)的控制，通過左右兩側主履帶的差分運動實現轉彎運動，使救援機器人可以沿任意方向做直線運動。四個輔助履帶主要用于救援機器人的姿態(tài)調整，以輔助救援機器人完成爬坡、上下樓梯、翻越障礙物、跨越壕溝等復雜的動作。

2 模糊PID運動控制器系統(tǒng)設計

2.1 模糊PID運動控制的原理

由于救援機器人所處的救援環(huán)境一般較為復雜，其中充滿了隨機性和不確定性，采用一般的控制方法很難實現對機器人運動軌跡的精確控制。然而模糊PID運動控制器具有在線整定控制參數的功能，利用它控制救援機器人的運動則可以方便地解決由于環(huán)境變化帶來的軌跡改變問題[2]。

2.2 模糊PID運動控制器的設計

由以上分析，我們可以得出模糊PID運動控制器的結構如圖1所示:

3 系統(tǒng)的仿真

本文在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下，對救援機器人的模糊PID運動控制器的性能進行仿真實驗。Matlab7.0提供了豐富的仿真模塊庫Simulink以及配合其它工具箱一起使用的一系列仿真模塊庫，如模糊邏輯、神經網絡、控制系統(tǒng)、信號處理和通信系統(tǒng)等[3-4]。本文主要用到的模塊庫有:基本庫(simulink)、擴展庫(simulinkextras)和模糊邏輯庫(fuzzylogictool-box)。

通過仿真實驗，得出在控制器的作用下，救援機器人能夠快速的回到理想路徑并做直線運動，跟蹤誤差也能快速的收斂到零，具有良好的跟蹤性能。

4 結論

機器人運動控制系統(tǒng)是救援機器人的核心機構，它的性能決定著機器人的整體性能。考慮到系統(tǒng)的延遲和非線性因素對機器人運動軌跡的影響，本文采用模糊自適應PID控制策略，將模糊控制和傳統(tǒng)的PID控制相結合，在常規(guī)PID調節(jié)器的基礎上加上參數自整定的模糊控制環(huán)節(jié)，將傳統(tǒng)PID控制的精確性和模糊控制的靈活性、自適應性相結合，滿足了運動控制系統(tǒng)對變參數、非線性等不利因素自動調整的要求，使系統(tǒng)的輸出響應過渡平穩(wěn)、系統(tǒng)超調量小、過渡時間短、跟蹤性能好。因而，取得了較好的動態(tài)控制性能。

參考文獻

[1]蔡自興，賀漢根，陳虹.未知環(huán)境中移動機器人導航控制研究的若干問題[J].控制與決策，2002，17(4):385～390.

[2]黃炳強，曹廣益，費燕瓊.基于模糊控制器的機器人路徑規(guī)劃研究[J].測控技術，2007，26(1):30～32.

[3]陳桂明，張明照，等.應用Matlab建模與仿真[M].北京:科學出版社，2001.

[4]韓利竹，王華.Matlab電子仿真與應用[M].北京:國防工業(yè)出版社，2001.

①作者簡介：王祥(1986.2-)，男，河南省汝南縣，學歷:碩士研究生，研究方向:嵌入式開發(fā)。所在單位:貴州師范大學。

基金項目:貴州師范大學學生科研基金;貴陽市科技局科技計劃項目——基于危險品環(huán)境下的城市搜救機器人的研究與實現([2010]筑科工合同字第184號);貴陽市科技局大學生科技創(chuàng)業(yè)項目(合同[2011]06號)基金項目:貴州師范大學學生科研基金;貴陽市科技局科技計劃項目——基于危險品環(huán)境下的城市搜救機器人的研究與實現([2010]筑科工合同字第184號);貴陽市科技局大學生科技創(chuàng)業(yè)項目(合同[2011]06號)