當(dāng)前位置:首頁 > 工業(yè)控制 > 工業(yè)控制
[導(dǎo)讀]摘 要:通過對足球機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型的分析,考慮到系統(tǒng)的時變、非線性、干擾大等特點(diǎn),以全向移動機(jī)器人為研究平臺,提出一種將模糊控制與傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合的方法,應(yīng)用到足球機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)中。針對足球機(jī)器

摘 要:通過對足球機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型的分析,考慮到系統(tǒng)的時變、非線性、干擾大等特點(diǎn),以全向移動機(jī)器人為研究平臺,提出一種將模糊控制與傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合的方法,應(yīng)用到足球機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)中。針對足球機(jī)器人運(yùn)動控制中的重點(diǎn)問題,著重提出了基于模糊控制的PID控制器中三個參數(shù)的動態(tài)調(diào)整方法。實(shí)驗(yàn)表明,該控制器能夠很好地改善控制系統(tǒng)對輪速的控制效果。
關(guān)鍵詞:移動機(jī)器人;運(yùn)動控制:四論全向機(jī)器人:模糊PID


0 引 言
    移動機(jī)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),其運(yùn)動控制是移動機(jī)器人領(lǐng)域的一個重要研究方向,也是移動機(jī)器人軌跡控制、定位和導(dǎo)航的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的運(yùn)動控制常采用PID控制算法,其特點(diǎn)是算法簡單,魯棒性強(qiáng),可靠性高,但需要精確的數(shù)學(xué)模型才對線性系統(tǒng)具有較好的控制效果,然而它對非線性系統(tǒng)的控制效果并不非常理想。模糊控制不要求控制對象的精確數(shù)學(xué)模型,因而靈活、適應(yīng)性強(qiáng)??墒?,任何一種純模糊控制器本質(zhì)上是一種非線性PD控制,不具備積分作用,所以很難在模糊控制系統(tǒng)中消除穩(wěn)態(tài)誤差。針對這個問題,采用模糊PID控制方法,將模糊控制器和傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合,使其既具有模糊控制靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),又具有PID控制精度高的特點(diǎn)。


1 全方位移動機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析
    研究的是由第二炮兵工程學(xué)院自主研制的全自主移動機(jī)器人平臺——東風(fēng)一Ⅱ型足球機(jī)器人。東風(fēng)一Ⅱ型機(jī)器人采用了四輪全向移動的運(yùn)動方式,具有全向運(yùn)動能力的系統(tǒng)使機(jī)器人可以向任意方向做直線運(yùn)動,而之前不需要做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,并且這種輪系可滿足一邊做直線運(yùn)動一邊旋轉(zhuǎn)的要求,以達(dá)到終狀態(tài)所需要的任意姿態(tài)角。全向輪系的應(yīng)用將使足球機(jī)器人具有運(yùn)動快速靈活,控球穩(wěn)定,進(jìn)攻性強(qiáng),以及易于控制等優(yōu)點(diǎn),使機(jī)器人在賽場上更具競爭力。
1.1 全向輪
    該機(jī)器人采用在大輪周圍均勻分布小輪子的全向輪,大輪由電機(jī)驅(qū)動;小輪可自由轉(zhuǎn)動。這種全方位輪可有效避免普通輪子不能側(cè)滑所帶來的非完整性約束,使機(jī)器人具有平面運(yùn)動的全部三個自由度,機(jī)動性增強(qiáng)。基于以上分析,選擇使用這種全向輪。
1.2 運(yùn)動學(xué)分析
    在建立機(jī)器人的運(yùn)動模型前,先做以下假設(shè):
    (1)小車是在一個理想的平面上運(yùn)動,地面的不規(guī)則可以忽略。
    (2)小車是一個剛體,形變可以忽略。
    (3)輪子和地面之間滿足純滾動的條件,沒有相對滑動。
    全方位移動機(jī)器人由4個全向輪作為驅(qū)動輪,它們之間間隔90°均勻分布(如圖1所示),其簡化運(yùn)動學(xué)模型如圖6所示。其中,xw-yw為絕對坐標(biāo)系;xm-ym為固連在機(jī)器人車體上的相對坐標(biāo)系,其坐標(biāo)原點(diǎn)與機(jī)器人中心重合。θ為xw與xm的夾角;δ為輪子與ym的夾角;L為機(jī)器人中心到輪子中心的距離vi為第i個輪子的沿驅(qū)動方向的速度。

    可求出運(yùn)動學(xué)方程如下:

   
    因?yàn)檩喿訛閷ΨQ分布,常數(shù)δ為45。,故得到全向移動機(jī)器人的運(yùn)動模型:

   
P為轉(zhuǎn)換矩陣。
    這樣,就可以將機(jī)器人整體期望速度解算到4個輪子分別的速度,把數(shù)據(jù)傳送到控制器中,可以完成對機(jī)器人的控制。


2 基于模糊PID的運(yùn)動控制器設(shè)計(jì)
    目前,常規(guī)PID控制器已被廣泛應(yīng)用于自動化領(lǐng)域,但常規(guī)PID控制器不具備在線整定控制參數(shù)忌kp,k1,kD的功能,不能滿足系統(tǒng)的不同偏差對e和偏差值變化率ec及對PID參數(shù)的自整定要求,因而不適用于非線性系統(tǒng)控制。
    結(jié)合該運(yùn)動控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行條件,設(shè)計(jì)采用模糊PID控制方法來實(shí)現(xiàn)快速移動機(jī)器人車輪轉(zhuǎn)速大范圍誤差調(diào)節(jié),將模糊控制和PID控制結(jié)合起來構(gòu)成參數(shù)模糊自整定PID算法用于伺服電機(jī)的控制,使控制器既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),又具有PID控制精度高的特點(diǎn),使運(yùn)動控制系統(tǒng)兼顧了實(shí)時性高,魯棒性強(qiáng)及穩(wěn)定性等設(shè)計(jì)要點(diǎn),并可通過模糊控制規(guī)則庫的擴(kuò)充,為該運(yùn)動控制系統(tǒng)方便添加其他功能。
2.1 參數(shù)模糊自整定PID的結(jié)構(gòu)
    模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,系統(tǒng)的輸入為控制器給定輪速,反饋值為電機(jī)光電碼盤反饋數(shù)字量,ΔkP,Δk1,ΔkD為修正參數(shù)。PID控制器的參數(shù)kP,k1,kD。由式(3)得到(kP',k1',kD'為PID參數(shù)初值):


    由此,根據(jù)增量式PID控制算法可得到參數(shù)自整定PID控制器的傳遞函數(shù)為:

   

2.2 速度控制輸入/輸出變量模糊化
    該速度控制器的輸入為實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速的偏差值e,以及偏差值的變化率ec;輸出量為PID參數(shù)的修正量ΔkP,Δk1,ΔkD。它們的語言變量、基本論域、模糊子集、模糊論域及量化因子如表1所示。

    在模糊變量E和EC以及輸出量ΔKP,ΔK1,ΔKD,的語言變量和論域確定后,首先必須確定模糊語言變量的隸屬度。常用的隸屬函數(shù)有B樣條基函數(shù)、高斯隸屬函數(shù)、三角隸屬函數(shù)等,考慮到設(shè)計(jì)簡便及實(shí)時性的要求,采用了三角隸屬函數(shù)。
2.3 參數(shù)自整定規(guī)則
    模糊控制設(shè)計(jì)的核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn),建立合適的模糊規(guī)則表,得到針對kP,k1,kD三個參數(shù)分別整定的模糊控制表。根據(jù)kP,k1,kD三個參數(shù)各自的作用,可制定模糊控制規(guī)則。以kP,k1,kD為例,所列規(guī)則見表2,k1,kD。可類似推出。

2.4 輸出量解模糊
    依據(jù)速度模糊控制參數(shù)整定規(guī)則確定輸出量后,得到的只是一個模糊集合,在實(shí)際應(yīng)用中,必須用一個精確量控制被控對象,在模糊集合中,取一個最能代表這個模糊集合的單值過程稱為解模糊裁決。常用的解模糊算法有最大隸屬度法、加權(quán)平均法等,根據(jù)實(shí)際情況,采用加權(quán)平均法進(jìn)行解模糊。此時,模糊控制器輸出可表示為:

   
    最后,根據(jù)式(3)可得到最終的PID控制器參數(shù)。模糊PID控制程序流程圖如圖3所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    為了驗(yàn)證參數(shù)模糊自整定PID控制器的有效性,對直流電機(jī)分別做了常規(guī)PID控制和模糊PID控制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中給定輪速為50 min,圖4為采用常規(guī)PID控制方法控制的電機(jī)轉(zhuǎn)速;圖5為采用模糊PID控制方法控制的電機(jī)轉(zhuǎn)速。從結(jié)果看,采用參數(shù)模糊自整定PID算法能夠明顯降低超調(diào)量,加快響應(yīng)速度,改善控制系統(tǒng)對輪速的控制效果。

4 結(jié) 語
    機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)是整個Robocup機(jī)器人系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),在場上的表現(xiàn)直接影響了整個足球機(jī)器人系統(tǒng)。以足球機(jī)器人為平臺,考慮到系統(tǒng)的時滯性和非線性,采用了模糊控制與PID控制相結(jié)合的方式,并在自行研制的足球機(jī)器人上進(jìn)行了速度控制的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明,該方法彌補(bǔ)了常規(guī)PID控制應(yīng)用在機(jī)器人運(yùn)動速度控制時超調(diào)量大,響應(yīng)時間長的缺點(diǎn),可以取得理想的效果。目前該方法已應(yīng)用于足球機(jī)器人的運(yùn)動控制,并在第七屆中國機(jī)器人大賽暨ROBCUP中國公開賽中取得了優(yōu)異的成績。

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點(diǎn),本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。需要轉(zhuǎn)載請聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請及時聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫?dú)角獸公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

加利福尼亞州圣克拉拉縣2024年8月30日 /美通社/ -- 數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)解決方案公司Trianz今天宣布,該公司與Amazon Web Services (AWS)簽訂了...

關(guān)鍵字: AWS AN BSP 數(shù)字化

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國汽車技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時1.5...

關(guān)鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動 BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運(yùn)行,同時企業(yè)卻面臨越來越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險,如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報(bào)道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對日本游戲市場的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會開幕式在貴陽舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機(jī) 衛(wèi)星通信

要點(diǎn): 有效應(yīng)對環(huán)境變化,經(jīng)營業(yè)績穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措,毛利潤率延續(xù)升勢 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競爭力 堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強(qiáng)核心競爭優(yōu)勢...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運(yùn)營商 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺與中國電影電視技術(shù)學(xué)會聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會上宣布正式成立。 活動現(xiàn)場 NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會上,軟通動力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡稱"軟通動力")與長三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉