硕士学位论文-电脑鼠模糊PID控制算法研究.pdf

分类号：t p 2 4 1 0 7 1 0 0 7 2 4 0 6 3 谖步犬海 硕士学位论文 电脑鼠模糊p i d 控制算法研究 导师姓名职称 申请学位级别 论文提交日期 学位授予单位 薛艳 茹锋副教授 答辩委员会主席 学位论文评阅人 汪贵平教授 虞鹤松教授 巨永锋教授 f u z z y ad i 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：。锡枷 弘。年f 月2 7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：锡栖 导师签名：茹绛 砂| o 年【玛i 日 劢如年f 月矽日 摘要 融合了电机控制、红外传感器和智能算法等技术为一体的电脑鼠实际上是一个自 主式移动机器人。当电脑鼠处于迷宫中时，它必须自行搜索路径并在迷宫中前进、记忆 迷宫资料、计算最短路径、搜寻终点等。而电机是电脑鼠至关重要的一个组成部分，它 要根据微控制器传来的信息控制电脑鼠启动、直行、转弯、停止等动作。 由于步进电机多为开环控制，并且具有失步、振荡等缺点，为了使电脑鼠能更加准 确和稳定的完成迷宫任务，本文设计了步进电机闭环模糊p i d 控制器和直流电机模糊 p i d 控制器，并给出了电脑鼠的硬件结构及软件程序流程图。本文的研究内容主要有以 下两个方面： ( 1 ) 由于电脑鼠在迷宫中转弯、走直线等动作和行走的速度都要靠电机驱动和控 制，得出电机是电脑鼠基本动作控制的核心。针对电脑鼠步进电机开环运行的缺点，提 出了步进电机闭环控制和直流电机控制的方法。 ( 2 ) 在分析比较传统p i d 控制方式的基础上设计了步进电机闭环模糊p i d 控制器 和直流电机模糊p i d 控制器。在m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境下，分别建立了步进电机 闭环控制模型和直流电机控制模型，并针对以上两种模型进行了详细的仿真分析。结果 表明，加入模糊p i d 策略后，减小了步进电机开环控制下的失步、丢步现象，加快了系 统的响应速度，提高了系统的稳定性。 关键字：电脑鼠、电机、模糊p i d 控制、m a t l a b s i m u l i n k c o n t r o lm e t h o da n dd cm o t o rc o n t r o lm e t h o da r ep r o p o s e d ( 2 ) b a s e do na n a l y z e da n dc o m p a r e dt h ec l a s s i cp i dc o n t r o lm e t h o d ，t h es t e p p e rm o m r c l o s e - l o o pf u z z yp i dc o n t r o l l e ra n dd cm o t o rf u z z yp i dc o n t r o l l e ra r ed e s i g n e d u n d e rt h e m a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t ，t h es t e e p e rm o t o rc l o s e l o o pm o d e la n dd cm o o rm o d e l a r ee s t a b l i s h e d ，a n dad e t a i l e ds i m u l a t i o na n a l y s i sa b o u tt h et w om o d e l si sc a r r i e do u t t h e r e s u l t ss h o wt h a tb e c a u s eo ft h ef u z z yp i da l g o r i t h m ，t h eo u to fs t e pa n dl o s ts t e pp h e n o m e n a a r er e d u c e d ，t h es y s t e m ss p e e do f r e s p o n s ei sa c c e l e r a t e d ，t h es y s t e m ss t a b i l i t yi si n c r e a s e d k e yw o r d s ：m i c r o m o u s e ；m o t o r ；f u z z yp i dc o n t r o l ；m a t l a b s i m u l i n k 目录 第一章绪论l 1 1 课题研究的背景及意义l 1 1 1 课题研究的背景1 1 1 2 研究电脑鼠的现实意义2 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国内外智能机器人的发展2 1 2 2 迷宫电脑鼠的发展3 1 2 3 模糊控制方法的研究现状4 1 3 论文研究问题的提出4 1 4 论文的主要内容及章节安排5 第二章电脑鼠的控制策略分析6 2 1 电脑鼠速度控制6 2 2 电脑鼠走直线控制1 0 2 2 1 电脑鼠的姿势修正l o 2 2 2 红外传感器测距原理1 2 2 2 3 传感器检测资料的存储1 3 2 3 电脑鼠转弯控制1 4 2 4 电机的比较j 1 6 2 5 本章小结17 第三章电机的模糊p id 控制原理分析1 8 3 1p i d 控制原理1 8 3 2 模糊控制原理2 0 3 3 模糊p i d 控制原理2 2 3 4 模糊p i d 算法在电机控制中的应用2 3 3 5 本章小结。2 6 第四章步进电机模糊p id 控制器设计。2 7 4 1 步进电机控制方式的改进2 7 4 2 步进电机模型的建立2 8 4 2 1 步进电机的数学模型2 8 4 2 2 步进电机仿真模型的建立2 9 i 4 3 步进电机闭环系统模糊p i d 控制器设计3 0 4 4 仿真结果分析3 7 4 5 本章小结4 0 第五章无刷直流电机模糊pid 控制器设计4 1 5 1 无刷直流电机的模型建立4 l 5 1 1 无刷直流电机的数学模型4 l 5 1 2 无刷直流电机仿真模型的建立4 1 5 2 无刷直流电机模糊p i d 控制器设计4 2 5 3 仿真结果分析4 8 5 4 本章小结：5 0 第六章电脑鼠的系统实现5 1 6 1 电脑鼠硬件设计5l 6 1 1 电脑鼠硬件结构及功能5 1 6 1 2 步进电机驱动5 3 6 2 电脑鼠的软件设计与实现5 4 6 2 1 电脑鼠软件开发环境5 5 6 2 2 电脑鼠电机控制程序5 5 6 2 3 电脑鼠主程序5 8 6 3 本章小结6 0 结论与展望6 1 一主要研究结论6 l 二进一步研究工作展望6 1 参考文献。6 3 致谢6 6 i v 理器控制的机器人车辆，在复杂迷宫中具有译码和导航的功能。 国际电工和电子工程学会( i e e e ) 每年都要举办一次国际性的比赛，自举办以来有 多国踊跃参加，得到许多国家和学校的高度重视，为此一些大学还开设了“电脑鼠原理 与制作“ 课程。i e e e 标准迷宫是由1 6 x1 6 个1 8 c r u x1 8 c m 大小的正方形单元组成，迷 宫的隔墙板沿方块的四周布设，形成迷宫通道，终点在迷宫的中央，由四个正方形单元 组成，迷宫的起点是迷宫的四个角，在比赛时确定到底选用哪个角作为起点。电脑鼠需 要在规定时间内，按照某种算法，根据探测到的迷宫信息，找出一条最优路径，然后以 最快的速度从起点冲刺到终点。图1 1 为迷宫及电脑鼠示意图。 图1 1 比赛所用。迷宫”和“电老鼠一 我校参加了“全国i e e e 标准电脑鼠走迷宫”竞赛陕西赛区的比赛，这是在陕西举 办的第一届比赛，吸引了众多在陕高校的参与。虽然，我们也取得了一定的成绩，但是 还有很多不足的地方需要改进，如电脑鼠的电机耗电量大：电机步数控制不够准确；电 第一章绪论 机容易发烫等。这些问题都会影响到比赛结果，怎样改进这些不足，找到更适合于电脑 鼠电机和电机控制策略，正是本文需要研究的内容。 1 1 2 研究电脑鼠的现实意义 电脑鼠具有快速的行走能力，精确的定位能力和优秀的避障能力，所以对电脑鼠升 级后可以应用到许多场合。电脑鼠技术可以应用到工业机器人和特种机器人的设计中， 并可以将电脑鼠技术所涉及的各个学科知识分别应用到各相应的领域。 电脑鼠结合许多学科的知识，这对提升大学生的动手能力、团结协作能力和创新能 力，促进学生对理论知识的理解和扩展学生知识面都有很大的帮助。另外电脑鼠走迷宫 竞赛极具趣味性，容易得到广大学生的认可与参与，激发和引起学生在这方面的兴趣和 爱好。竞赛的开展必然能提升参赛者在相关领域的技术水平和应用能力，为技术创新提 供了平台。通过举办比赛，还可以向社会大众展示我国相关技术领域的发展状况，另外 积极参与国际比赛，还能促进我国与其他国家进行技术交流，增进国际友谊，提升我国 在机器人领域的知名度和国际地位嘲。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外智能机器人的发展 随着科学技术的进步和不断深入发展，智能机器人的应用领域越来越广泛，已经涉 及了到了如工业、农业、林业、矿业、军事、医疗、文娱等领域。前面讲到，电脑鼠实 际上就是一个自走式移动机器人，它的发展与移动机器人的发展息息相关口1 。 国外移动机器人的研究始于2 0 世纪6 0 年代末期，斯坦福研究院( s 对) 的n i l s n i l s s e n 和c h a r l e sr o s e n 等人，在1 9 6 6 年至1 9 7 2 年间研制出了名为s h a k e y 的自主移动机器人。 进入2 0 世纪8 0 年代以后，人们的研究方向逐渐转移到了面向实际应用的室内移动机器 人的研究，并逐步形成了自主式移动机器人a m p ( i n d o o r a u t o n o m o u sm o b i l er o b o t ) 概 念。进入9 0 年代，随着技术的进步，移动机器人开始在更现实的基础上，开拓各个应 用领域，向实用化进军。 国内对移动机器人的研究起步比较晚。从“六五“ 到“八五”，我国对移动机器人 研究，无论是从理论、样机设计、研制还是机器人的实际应用等各方面都取得了一大批 成果。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全 的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成 2 长安大学硕士学位论文 熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风 汽车厂投入运行。1 9 9 0 年，国防科技大学成功研制出我国第一台类人型机器人一“先行 者”，实现了我国机器人技术的重大突破，这台机器人可以前进、后退、左右侧行，左 右转弯和前后摆臂，行走频率为每秒2 步，并具备简单的语言功能h 3 。 1 2 2 迷宫电脑鼠的发展 最初，电脑鼠是机械的。1 9 7 2 年的时候机械设计杂志发起了一场比赛，在比赛中， 仅由捕鼠器的弹簧驱动的机械鼠不停地与其它参赛鼠竞赛，以判断哪个机械鼠能够沿着 跑道跑出最长的距离。 1 9 7 7 年，i e e es p e c t r u m 杂志提出了电脑鼠的概念。电脑鼠是一个小型的由微处理 器控制的机器人车辆，在复杂的迷宫中具有译码和导航的功能和能力。1 9 7 7 年5 月， s p e c t r u m 宣布美国首场令人震惊的电脑鼠迷宫大赛于1 9 7 9 在纽约举行。在6 0 0 0 多个参 赛作品中只有1 5 只电脑鼠比赛胜出，这场比赛让人们看到，智能鼠的设计和制作远比 想象中困难得多。 电脑鼠走迷宫竞赛从1 9 7 9 年首次在美国举办以后，就迅速在世界各地流行开来。 1 9 8 0 年欧洲引入电脑鼠走迷宫竞赛，第一场比赛在伦敦举行，但是1 8 个参赛鼠都没有 成功走出这个迷宫。1 9 8 5 年8 月，在日本t s u k u b a 举行了首场世界电脑鼠大赛，电脑鼠 来自整个欧洲和美国，使用的传感器有红外的、超声波的和c c d 的，驱动装置有步进 电机和d c 伺服电机。之后台湾、新加坡也都相继举办了比赛。目前来看，电脑鼠发展 状况比较好，实力较强的国家和地区有美国、英国、新加坡、台湾、韩国和印度等。 台湾发展电脑鼠比较早，而且也取得了不错的成绩。但是自从1 9 9 8 年台湾停止举 办电脑鼠走迷宫竞赛以后，台湾的电脑鼠水平就开始滑落。直到2 0 0 6 年，台湾教育部 又重新开始举办比赛，欲通过开展电脑鼠比赛重新夺回台湾在国际电脑鼠领域的地位。 在美国a p e c 2 0 0 9 电脑鼠比赛中，来自台湾的代表队获得了第三名的好成绩n 1 。 我国电脑鼠比赛起步非常晚，电脑鼠比赛在中国大陆还很少见。直到2 0 0 7 年，上 海市计算机学会主办的首届i e e e 标准电脑鼠走迷宫邀请赛( - k 三角地区) 在上海师范 大学举行，有三十多所院校参赛，反响强烈。2 0 0 8 年9 月，长三角嵌入式系统创新设计 应用竞赛暨i e e e 标准电脑鼠走迷宫邀请赛在华东师范大学举行，5 0 支队伍参加了比赛， 比赛的规模和质量都比往年有了很大的提高。 数，毛，岛，使它们保持合 适的数值，从而使系统的性能达到令人满意的水平。这种控制方法较之常规的固定比例 因子的模糊控制方法，对环境变化有较强的自适应能力，在随机环境中能对控制器进行 自动校正，使得在被控对象他认证变化或扰动情况下，控制系统保持较好的性能。第四 章中对步进电机闭环的仿真就采用这种控制方法。 ( 3 ) 模型参考自适应、自组织、自学习模糊控制： 自适应模糊控制利用参考模型输出与控制作用下系统输出间的偏差来修正模糊控 制器的输出，包括比例因子、解模糊策略、模糊控制规则等。自组织模糊控制将参考模 型和自组织机制相结合，它能自动的对模糊控制规则进行修改、改进和完善，以提高控 制系统的性能。自学习模糊控制包括多种对外扰影响或重复任务的性能具有自学习功能 的模糊控制方法，以及自寻优模糊控制器等，其关键在于学习和寻优算法的设计，尤其 是提高其速度和效率。 1 3 论文研究问题的提出 电机是自动控制系统的重要组成部分，它作为电脑鼠动作的执行者，当接收到微控 制器传来的信息后，要实时调节左右驱动轮的速度，完成启动、前进、后退、直行、转 弯、避障等任务。 在比赛时我们采用步进电机驱动和控制电脑鼠行走，根据实际情况来看，电脑鼠在 行走过程中出现的问题大概可以归纳为三点：一是不能准确控制步进电机每次前进的步 数，导致在转弯控制时给定的电脑鼠左右轮的步数，电机很难准确完成，出现车体因步 数走太多转弯碰壁或者步数不够转不过去的情况；二是电脑鼠在行走过程中容易发生失 步、丢步或者过冲等现象；三是电脑鼠在运行一段时间后，由于电机太烫而出现迷失方 向，记错路径的情况。 4 长安大学硕士学位论文 分析以上三点问题，提出了两种解决方案。针对问题一和问题二，我们可以采用步 进电机闭环控制或者直流电机闭环控制，有了速度和位置反馈之后，我们就可以较准确 的控制电脑鼠的速度和位置并且防止失步和丢步等现象。针对问题三，我们可以采用直 流电机驱动电脑鼠行走，因为直流电机具有速度快、耗电少、工作效率高等优点。 1 4 论文的主要内容及章节安排 本文研究的主要内容有如下几个方面：第一，对电脑鼠的控制策略进行分析，包括 电脑鼠的方向控制，速度控制，在迷宫中走直线控制等。第二，通过对比分析，得出两 种电机控制方案，并运用常规p i d 控制算法和模糊p i d 控制算法对电脑鼠的电机进行仿 真分析。第三，电脑鼠的硬件结构及软件部分设计与实现。 本文的章节安排如下： 第一章首先介绍本文研究的背景、意义以及国内外研究现状，接着提出本文研究的 主要问题，最后给出本文的主要研究内容及章节安排。 第二章研究电脑鼠的控制策略，着重分析电脑鼠的速度调节、直线行走、转弯等控 制方法，然后对电机进行对比选择，得出电脑鼠适用的两种电机，即步进电机和直流电 机。 第三章介绍p i d 控制原理、模糊控制原理和模糊p i d 控制原理，分析模糊p i d 算法 在电机控制中的应用方法。 第四章在s i m u l i n k 中建立步进电机的仿真模型，设计步进电机闭环p i d 控制器和步 进电机闭环模糊p i d 控制器，然后分析仿真结果。 第五章在s i m u l i n k 中建立无刷直流电机的仿真模型，设计无刷直流电机模糊p i d 控 制器，分析传统p i 控制器和混合型模糊p i d 控制器的仿真结果。 第六章电脑鼠的系统实现。设计电脑鼠的硬件元件布局图并说明各模块的功能，设 计电脑鼠电机控制程序，包括电机调速、后转和右转程序。设计电脑鼠的主程序和各子 程序。 最后对本文进行总结和展望。总结本文完成的各项工作内容，对电脑鼠的各方面性 能优化进行展望。 5 如果它们的值较大，则可以很快到达指定位置，但是有可能产生振荡，如果它们的值较 小，由于转矩和加减速度成正比，转矩可能过小，产生失步现象。我们要根据不同的电 机，结合不同的使用要求，选择好加速度和减速度，它们的值可以相同，也可以不同口。1 们。 转 速 开始停止 位置 图2 1 加减速示意图 加减速算法的核心是使用定时器中断，当定时器发生超时中断时，中断函数推动电 机走一步，然后设定好下一步将要维持的时间，并将其设置为下一次的中断时间，当下 6 长安大学硕士学位论文 一次中断来临时，中断再推动电机走一步，并设置下一步的时间，如此下去，如图2 2 所示。步进电机先以加速度q 加速，然后以哆减速到停止。从岛到的是第一步持续的 时间为写，从f l 到f 2 的第二步持续的时间为互，h t 一。到乙是最后一步持续的时间乙一。； 每一步的时间间隔越短，平均加减速越接近q 和哆。这样就用软件实现了电机的加减 速控制，减小了步进电机的振荡和失步现象。 转 速 t ot lt 2t m - lt m 时间 图2 2 疋町器弪利叮1 日j 如图2 2 所示，电机某一步的持续时间乙( 即定时器的延时时间) 为： 瓦寺 其中c y g gn 步时定时器的计数值，为给定定时器提供的时钟源频率。 转速圪( 单位：步秒) 为： 圪= 百f 加谏度和减谏摩n ) ( 单位：步秒2 ) ： ( 2 1 ) ( 2 2 ) l 堑：鲨坠二g ! ! ! ( 2 3 ) 垒上旦g + e ( g + 。+ c 。) 。 2 l2 l 上式假设了每步的平均速度等于中心时间的速度，如果为加速状态，则e 大于e q ， 国大于0 ；如果为减速状态，则q 小于q - l ，小于0 。 电机转过的步数，l 为： ( 2 4 ) 生2 = 胁) k。 l l 7 砂 矿 ，r二-jo l i 悖 第二章电脑鼠的控制策略分析 转过甩步所花的时间乙为： 厮 厶2 、i 由图2 2 可知，第，l 步的定时器计数值g 为： c ：= f ( 乙+ 1 一厶) 由上面两式可得第0 步白勺计数值驰 c o = 厂后 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 再由上面三条公式，可得出第刀步的定时器计数值g 也可以表示为： q = c o ( 鬲一石) ( 2 8 ) 由公式( 2 7 ) 可知，第0 步的计数值c o 包含了加速度( 或减速度) 的信息，只 要把c 0 设置好，后面的实时计算就可以不用再考虑了。但是公式( 2 8 ) 需要开平方， 它不适合没有浮点运算功能的删处理器，下面再加以变换。 由公式( 2 8 ) 可得相邻两步的比值是： e - 二! 一= q 1 c 0 ( 疗+ i - 4 n ) 4 1 + i n - i c o ( 4 n - 4 n - i ) 1 - 4 1 - 1 n ：= = = = = = = = r = ；= = = = = = = = 根琚黍朝公瓦父秧口j 得： 去= 互1 i 一1 8 刀：+ 。 专 把公式( 2 1 0 ) 代入公式( 2 9 ) 可近似得到： 旦：4 n - 1 g l 4 n + l 由上式可得递推公式： e = e 。一急 把上式的刀换成f ，得到： e = e 一。一耄碧 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 由公式( 2 5 ) 开始，就假设大于零，即为加速，所以公式( 2 1 3 ) 是加速的递推 公式，只要知道前一步的计数值，就可以计算出后一步的计数值。加速过程如图2 3 所示。 3 长安大学硕士学位论文 转 数 时间 图2 3 加速过程 可以推断，减速过程是加速过程的逆过程，它的第0 步对应加速过程的第f 步，最 后一步对应加速过程的第0 步。如果减速过程中要跑m 步，则有： n c i “ - - c i - i 一砺z 丽t 7 i _ 1 ； 2 1 4 由于每一步的延时时间是由前一步计算出来的，如果前一步g 的误差较大，后面每 一步的延时误差就都增大，解决办法就是把c 1 单独挑出来，使它等于0 a 1 4 2 倍的c o ， 其他值按照公式( 2 1 2 ) 计算递推公式计算。如公式( 2 1 5 ) 所示。 c 1 = 0 a 1 4 2 x c o ( 2 1 5 ) 从公式( 2 4 ) 可推导出步进电机从速度0 加速到s ，以及速度从s 减速到0 所要走 过的步数为： s 2 n = 2 1 0 ( 2 1 6 ) 在实际中，加速度和减速度都为1 0 0 0 步秒2 给定时器提供时钟源频率为5 0 m ，根 据公式( 2 7 ) 和公式( 2 1 5 ) 我们可以计算出c 0 和c l 的值，根据( 2 1 2 ) 就可以推导出 g 的值，程序如下所示。 s t a t i cu n i t 3 2 g u i a c c e l t a b l e 3 0 0 = 0 ； 电机加减速各阶段定时器值 u n i t l6 n = o ； g u i a c c e l t a b l e 0 = 2 2 3 6 0 6 8 ； g u i a c c e l t a b l e 1 = 9 2 6 17 9 ； f o r ( n = 2 ；n e l s e i f ( _ _ g m r i g h t i s p e e d i f l g m r i g h t i s p e e d t i m e r l o a d s e t ( t i m e r 0 _ b a s e ，t i m e r ：a ，g u 认e c e l t a b l e l g m r i g h t i s p e e d ) ； 设置定时时间 2 电脑鼠后转程序。 电脑鼠在遇到死胡同时需要1 8 0 度后转，继续搜索其他路径。后转方法在第二章2 3 节给出，具体实现程序如下。 v o i dm o u s e t u r n b a c k ( v o i d ) g u c m o u s e s t a t e 2 t u r n b a c k ； 5 6 | | 等待博灶 长安大学硕士学位论文 w h i l e ( _ g m l e f l c s t a t e ! = m o t o r s t o p ) ； w h i l el g m r i g h t c s t a t e ! = m o t o r s t o p ) ； g u c m o u s e s t a t e2i z i r n b a c k ； g m r i g h t c d i r = m o t o r g o b a c k ； c , m r i g h t u i p u l s e = 8 8 ； 一g m l e f t c d i r = _ m o t o r g o a h e a d ； g m l e f t u i p u l s e 28 8 ； 一g m l e f t c s t a t e = m o t o r r u n ； _ _ g m r j g h t c s t a t e2 i m o t o r r u n ； g u c m o u s e d i r g u c m o u s e d i r + 2 ) 4 ； w h i l e ( g m l e f t c s t a t e ! = m o t o r s t o p ) ； w h i l e ( 删出c s t a t e ! = m o t o r s t o p ) ； c l e a r u i p u l s e c t r 0 ； _ m a z e i n f d e b u 9 0 ； 婶l a y ( 10 0 0 0 0 ) ； ) 3 电脑鼠右转。 瞬始居转 方向标记 同上，在2 3 节分析了电脑鼠转弯的两种方法，一种是原地转弯，一种是行进中转 弯，以下是电脑鼠原地右转的程序，左转与之相同。 v o i dm o u s e t u m r i g h t ( v o i d ) f 等待停灶 w h i l e ( g m l e f t c s t a t e ! = m o t o r s t o p ) ； w h i l e ( o m r i e g a t c s t a t e ! = m o t o r s t o p ) ； g u c m o u s e s t a t e = t u r n r i g h t ； 标记电脑鼠的运行状态，开始右转 删g h t c d i r = m o t o r g o b a c k ； 控制右轮向后转动 c , m r i g h t u i p u l s e = 4 1 ； 设定右轮转动的步数 g m l e f t c d i r = - m o t o r g o a h e a d ；控制左轮向前转动 c n n l e f t u i p u l s e = 4 1 ； 设定左轮转动的步数 o m r i g h t c s t a t e = m o t o r r u n ； 使能右轮转动 5 7 第六章电脑鼠的系统实现 r r u n ； ! = m o t o r s t o p ) ； ! = m o t o r s t o p ) ； 使能左轮转动 等待右转完成 电脑鼠的软件部分主要由主程序和实现各种功能的子程序组成，主程序主要起导向 决策功能，而电脑鼠的各种功能实现则是通过调用子程序来实现的。主程序流程图如图 6 5 所示。 图6 5 主程序流程图 电脑鼠在运行中可以划分为四个状态：等待状态、启动状态、搜索迷宫状态和冲刺 状态纠引。 1 等待状态：在该状态中，电脑鼠静止在起点，等待命令，同时实时显示传感器的 检测结果和电池的电压，这样方便调试传感器的灵敏度和更换电池。当控制启动的按键 按下去以后，电脑鼠就进入了启动状态。 2 启动状态：因为在比赛中，电脑鼠的起点是随意设置的，所以在启动状态中，电 长安大学硕士学位论文 脑鼠需要根据第一次转弯时的方向来判断起点的坐标是( 0 ，0 ) 点还是( 1 5 ，1 5 ) 点。 判断起点流程图如图6 6 所示。 3 搜索迷宫状态：在该状态中，电脑鼠的任务就是搜索迷宫并记录迷宫的地图信息， 这里以右手搜索法则，并搜索全迷宫为例。其流程图如图6 7 所示。 4 冲刺状态：迷宫搜索完毕后，根据算法找出一条最优的路径冲刺到终点，冲刺结 束后返回到起点。 图6 6 判断起点坐标程序流程图 5 9 第六章电脑鼠的系统实现 6 3 本章小结 图6 7 迷宫搜索流程图 本章是电脑鼠的硬件及软件设计与实现部分。先总体叙述了电脑鼠硬件组成各模块 的功能和硬件布局，以及比赛时所采用的步进电机驱动，然后介绍了电脑鼠的软件开发 环境及电脑鼠电机控制程序，最后设计出了电脑鼠的主程序流程图和各子模块的程序流 程图。 一丰 l 近 挑战性 控制电 自如地行走，不出现碰壁、转弯失控等情况，才有赢得比赛的希望。本文的主要结论有 以下几个方面： 1 本文对电脑鼠的控制策略进行了详细的研究，如速度控制、走直线控制、转弯控 制等，得出电机在电脑鼠的控制系统中起到了至关重要的作用。 2 本文通过对当前广泛运用在电脑鼠上的两种电机进行了分析，得出两种改进的电 机控制方法，一种是对原有的步进电机进行闭环控制，这样可以减小步进电机因失步、 丢步造成的误差，而且有了反馈之后，可以对步进电机步数进行更加准确的控制；另外 一种是采用直流电机，这样不仅可以提高电脑鼠的运行速度，而且可以提高电机的运行 效率。 3 采用模糊p i d 控制算法对电机进行控制。在m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境中建立 了步进电机闭环控制模型和直流电机控制模型，并加入了模糊p i d 控制策略。采用模糊 p i d 控制算法，既解决了模糊控制的精度不高的问题，又解决了p i d 算法抗干扰性差的 问题，提高了电脑鼠电机运行的准确性和稳定性。 二进一步研究工作展望 1 文章提出了改进电脑鼠的电机，并用仿真的方法验证了直流电机控制会提高电脑 鼠的速度和稳定性，由于时间关系，并没有实际对电脑鼠的电机进行改装，这就需要在 今后的研究中对电脑鼠的硬件进行改装，迸一步验证文中所提方案的可行性。 2 本文把模糊p i d 算法应用于电脑鼠的电机控制，此种算法与常规p i d 算法相比的 确取到了更好的控制效果，但是由于模糊p i d 控制算法在设计过程也存在人为因素，所 以在对隶属度函数的选择，七口，毛和参数的选取，模糊控制规则的制定等方面要进行 进一步的实验，把人为因素对控制效果的影响降到最低。 3 电脑鼠的项层智能算法对电脑鼠能否快速准确得走出迷宫起着非常重要的作用。 6 l 结论与展望 电脑鼠的基本动作进行了研究，并没有涉及到搜索、寻路等智能算法，所以 作中要对电脑鼠的顶层算法做详细的研究。 长安大学硕士学位论文 【1 】 2 】 【3 】 【4 】 5 】 【6 】 【7 】 【9 】 【1 0 】 【1 2 】 1 3 】 1 4 】 【1 5 】 【1 6 】 【1 7 】 【1 8 】 【1 9 】 参考文献 周立功i e e e 电脑鼠开发指南 j 广州致远电子有限公司，2 0 0 8 ：4 0 8 5 周建玉基于粒子群算法的迷宫电脑鼠应用研究 d 赣州：江西理工大学，2 0 0 9 方建军，何广平智能机器人 m 北京：化学工业出版社，2 0 0 4 ：1 2 4 宋长会移动机器人控制系统设计与研究 d 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2 0 0 6 席爱民模糊控制技术 m 西安：西安电子科技大学出版社，2 0 0 8 ：6 8 1 0 8 曹文智自主移动机器人的控制系统开发 d 沈阳：东北大学，2 0 0 4 屈传坤，徐国政，崔建伟基于d s p 电脑鼠系统设计叨电气电子教学学报，2 0 0 8 ， 3 0 ( 4 ) ：3 2 - 3 4 方金亮，谈英姿，周怡君基于a r m 的i e e e 标准电脑鼠研究与实现 j 信息技 术，2 0 0 8 ，3 7 ( 5 ) ：9 9 1 0 1 陈懂智能小车运动控制系统的研究与实现 d 南京：东南大学，2 0 0 5 宗光华机器人的创意设计与实践 m 北京：北京航空航天大学出版社， 2 0 0 4 - 1 2 2 3 ( 美) 丹尼斯克拉克，迈克尔欧文斯机器人设计与控制 m 北京：科学出版 社，2 0 0 4 ：6 2 8 石辛民，郝整清模糊控制及其m a t l a b 仿真 m 北京：清华大学出版社；北 京交通大学出版社，2 0 0 8 ：1 2 1 2 0 8 闻新，周露，李东江等m a t l a b 模糊逻辑工具箱的分析与应用 m 北京：科学 出版社，2 0 0 1 ：4 6 6 2 薛定宇控制系统计算机辅助设计- m a t l a b 语言与应用 m 第二版北京：清华 大学出版社，2 0 0 6 ：3 7 2 3 7 9 薛定宇陈阳泉控制数学问题的m a t l a b 求解 m 北京：清华大学出版社， 2 0 0 7 ：3 3 7 3 5 6 刘川，刘景林基于s i m u l i n k 仿真的步进电机闭环控制系统分析 j 测控技术， 2 0 0 9 ，2 8 ( 1 ) ：4 4 _ 4 9 尔桂花，窦日轩运动控制系统 m 北京：清华大学出版社，2 0 0 2 ：5 9 8 2 肖云茂基于模糊p i d 的步进电机控制技术研究 d 杭州：浙江工业大学，2 0 0 8 薛定宇，陈阳泉控制数学问题的m a t l a b 求解 m 北京：清华大学出版社， 6 3 参考文献 2 8 】 【2 9 】 【3 0 】 【3 1 】 【3 2 】 3 3 】 【3 4 】 【3 5 】 【3 6 】 2 0 0 7 ：3 3 7 3 5 2 诸静模糊控制理论与系统原理 m 北京：机械工业出版社，2 0 0 5 ：2 0 7 2 8 6 毛宗源机器人的智能控制方法 m 北京：国防工业出版社，2 0 0 2 刘宝廷，程树康步进电动机及其驱动控制系统 m 哈尔滨：哈尔滨工业大学出 版社，1 9 9 7 陈士进，朱学忠步进电动机系统驱动与控制策略综述【j 】电机技术， 2 0 0 7 ，( 6 ) ：1 4 1 7 段英宏，杨硕步进电动机的模糊p i d 控制 j 计算机仿真，2 0 0 6 ，2 3 ( 2 ) ：2 9 0 2 9 3 陈隆昌控制电机 m 第三版西安：西安电子科技大学出版社，2 0 0 0 夏长亮无刷直流电机控制系统 m 北京：科学出版社，2 0 0 9 ：2 5 5 3 ，5 7 6 6 王祖麟，朱顺利，刘洁基于a r m 的直流电机模糊控制系统设计与研究 j 科 技广场，2 0 0 7 ，9 ：1 8 4 1 8 5 王祥好模糊p i d 控制算法在智能小车中的研究与应用 d 合肥：合肥工业大学， 2 0 0 9 丁芳，贾翔羽，李科伟模糊算法在智能车控制中的应用 j 中国民航大学学报， 2 0 0 9 ，2 7 ( 1 ) ：2 7 3 0 李士勇模糊控制、神经控制和智能控制论 m 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 1 9 9 8 李鸿吉模糊数学基础及实用算法 m 】北京：科学出版社，2 0 0 5 ：3 0 9 3 5 1 f r a n kk ，j 0 玛g ，r u d o l fk f u z z y c o n t r o lo nt h eb a s i so fe q u a l i t yr e l a t i o n s 证t l la n e x a m p l ef r o mi d l es p e e dc o n t r o l j i e e et r a n s a c t i o n so l lf u z z ys y s t e m s ，19 9 5 卿浩，辜承林，唐小琦等无刷直流电机模糊控制系统的建模及仿真分析 j 微电 机，2 0 0 6 ，3 9 ( 3 ) ：1 9 - 2 2 b o d s o nm ，c h i a s s o nj n ，n o v o t n a kr t ，r e k o w s k ir b h i g h - p e r f o r m a n c e n o n l i n e a rf e e d b a c kc o n t r o l o fap e r m a n e n tm a g n e t s t e p p e r m o t o r j i e e et r a m o n c o n t r o ls y s t e m st e c h n o l o g y , 19 9 3 g h a f a