基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)力擺設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

許可行　劉延飛　羊帆

摘 要：隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)出現(xiàn)了新的方法。提出了一種自上而下的設(shè)計(jì)方法，并詳細(xì)地闡述了其工作原理和軟、硬結(jié)合的設(shè)計(jì)理念。通過(guò)卡爾曼濾波融合陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量反饋的數(shù)據(jù)，并基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊輸入電壓的PWM控制，以達(dá)到對(duì)風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)軌跡的預(yù)定控制。設(shè)計(jì)方案以XS128單片機(jī)為核心，配合以風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、陀螺儀測(cè)量模塊、串口數(shù)據(jù)接收模塊和電源模塊。測(cè)試結(jié)果表明，該方案所設(shè)計(jì)的風(fēng)力控制系統(tǒng)響應(yīng)快、偏差小、程序過(guò)程清晰、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)可靠性高、易于維護(hù)和更新。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；風(fēng)力擺設(shè)計(jì)；XS128單片機(jī)；數(shù)字陀螺儀

中圖分類號(hào)：TP273+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.006

隨著世界各國(guó)對(duì)水下航行器的不斷研究，人們對(duì)水下航行器的需求已經(jīng)不再僅局限于在水中低速或高速地運(yùn)動(dòng)，而是要求其具有懸浮、爬潛以及按照預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)等更出色的機(jī)動(dòng)性能。但是，由于水下航行器在運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的環(huán)境干擾復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)更優(yōu)的控制算法，使水下航行器具有較強(qiáng)的魯棒性和抗干擾能力。因此，本文以風(fēng)力擺為研究對(duì)象，模擬水下航行器的運(yùn)動(dòng)環(huán)境，提出了一種基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法。該方法是將幾組軸流風(fēng)機(jī)搭配成風(fēng)力擺，依靠其內(nèi)部風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)形成軸向風(fēng)力，并以流體力學(xué)和牛頓第三定律等相關(guān)理論為指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)其在復(fù)雜環(huán)境下的特定運(yùn)動(dòng)。這一方案既保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又使產(chǎn)生的控制誤差最小。

1 理論分析和計(jì)算

1.1 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

為了方便分析，在分析運(yùn)動(dòng)學(xué)之前，我們作了以下幾種假設(shè)：①假設(shè)系統(tǒng)X軸與Y軸相互獨(dú)立且不存在耦合；②假設(shè)系統(tǒng)均為勻質(zhì)剛體，不存在彈性形變；③假設(shè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中系統(tǒng)的慣性參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)不發(fā)生改變；④假設(shè)風(fēng)機(jī)及底座質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于擺桿質(zhì)量，忽略擺桿質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)質(zhì)心的影響。

1.3.3 目標(biāo)三：圓錐擺控制

在目標(biāo)二的基礎(chǔ)上設(shè)定α=λt，即可實(shí)現(xiàn)期望運(yùn)動(dòng)的圓周運(yùn)動(dòng)。其中，參數(shù)λ用于控制圓錐擺的角速度。相關(guān)計(jì)算公式為：

1.3.4 目標(biāo)四：有界干擾情況下的控制

由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制本身是一種自適應(yīng)控制，具有較好的魯棒性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)不斷測(cè)試參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)有界干擾情況下的控制。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果得出系統(tǒng)的性能描述，再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分解，將其核心控制部分劃分為6個(gè)子模塊，分別是給定量輸入、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、軸流風(fēng)機(jī)組、MPU6050、被控量輸出。其基本控制系統(tǒng)如圖4所示。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)力擺結(jié)構(gòu)如圖5所示，通過(guò)萬(wàn)向節(jié)連接硬質(zhì)連桿，連桿另一端連接“十”字形硬質(zhì)底座；“十”字形底座每一端各安裝一個(gè)軸流風(fēng)機(jī)，在硬質(zhì)連桿中部安裝數(shù)字陀螺儀和加速度計(jì)。通過(guò)“十”字形安裝軸流風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)擺在擺動(dòng)投影面內(nèi)的四象限可達(dá)。采用硬質(zhì)桿連接可有效避免連接彈性形變所帶來(lái)的非線性控制問(wèn)題。

2.3 測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

本文的設(shè)計(jì)方案所采用的慣性測(cè)量元件為高精度的陀螺加速器MPU6050，通過(guò)處理器所帶的串口讀取MPU6050測(cè)量的數(shù)據(jù)。該模塊集成了卡爾曼濾波算法，可有效降低干擾，提高測(cè)量精度，并且整合了三軸陀螺儀、三軸加速器和六軸運(yùn)動(dòng)處理組件。MPU6050的角速度全格感測(cè)范圍為±250°/s（dps）、±500°/s（dps）、±1 000°/s（dps）和±2 000°/s（dps），可準(zhǔn)確追蹤物體的運(yùn)動(dòng)，模塊采集到的數(shù)據(jù)可通過(guò)I2C或SPI接口傳輸。

陀螺儀角度計(jì)算公式為：

θn=θn-1+（gyro-gyroc）×gyror. （8）

公式（8）中：θn為當(dāng)前的角度值，°；gyro為陀螺儀的敏感軸偏轉(zhuǎn)值；gyroc為陀螺儀的零點(diǎn)偏移值；gyror為陀螺儀的比例。

加速度計(jì)角度計(jì)算公式為：

θz=（Az-Cz）×Rz. （9）

公式（9）中：θz為加速度計(jì)敏感軸Z軸產(chǎn)生的傾角，°；Az是加速儀Z軸的讀數(shù)；Cz為Z軸零點(diǎn)的偏移量，測(cè)量方法與陀螺儀一致；Rz為Z軸的比例。

3 測(cè)試方案和測(cè)試結(jié)果

3.1 測(cè)試條件及方案

測(cè)試環(huán)境：溫度28 ℃，濕度60%.

測(cè)試儀器：60 W電風(fēng)扇、TDS210示波器、VICTOR VC09805萬(wàn)用表、PS-528金屬秒表、量角器、直尺、基準(zhǔn)測(cè)量板。

系統(tǒng)參數(shù)：質(zhì)量350 g，擺長(zhǎng)（靜止時(shí)頂端到測(cè)量基準(zhǔn)面的垂線距離）110 cm。

測(cè)試步驟：①對(duì)各個(gè)硬件電路進(jìn)行單模塊測(cè)試，保證各模塊功能正常后進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)；②將程序下載到單片機(jī)中，觀察不同模式下擺桿的擺動(dòng)狀況，并實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，分析判斷。

3.2 測(cè)試結(jié)果與分析

測(cè)試結(jié)果有以下幾種：①測(cè)試陀螺儀角度、角速度的精度。角度測(cè)量偏差為0.1°，角速度測(cè)量精度為0.05°/s。該精度滿足使用要求。②測(cè)試類似自由擺動(dòng)，相關(guān)測(cè)試結(jié)果見表1.③測(cè)試30～60 cm可控直線擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)，相關(guān)測(cè)試結(jié)果見表2.④測(cè)試設(shè)定擺向擺動(dòng)，相關(guān)測(cè)試結(jié)果見表3.⑤測(cè)試圓錐擺，相關(guān)測(cè)試結(jié)果見表4.⑥測(cè)試有外部干擾（靜止時(shí)水平距離風(fēng)力擺為50 cm處，對(duì)準(zhǔn)風(fēng)力擺中心用60 W電風(fēng)扇直吹）的圓錐擺，相關(guān)測(cè)試結(jié)果見表5.

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用數(shù)字陀螺儀作為測(cè)量裝置，由于系統(tǒng)存在非線性關(guān)系且要求有一定的魯棒性，因此采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法獲得系統(tǒng)輸入控制率。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能良好，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。可見，運(yùn)用基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制算法，不僅能夠保證水下航行器軌跡跟蹤的穩(wěn)定性，還能夠保證軌跡跟蹤的精度。這對(duì)其執(zhí)行循跡探測(cè)任務(wù)具有重大意義。

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〔編輯：劉曉芳〕