（信号与信息处理专业论文）电脑鼠模糊pid控制算法研究.pdf

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 a b s t r a c t m i c r om o u s e ，w h i c hc o n t a i n ss o m e t e c h n o l o g ys u c ha sm o t o rc o n t r o l ，i n f r a r e ds e n s i n g a n di n t e l l i g e n ta l g o r i t h m s ，i sa ni n t e l l i g e n ta u t o n o m o u sm o b i l er o b o t w h e ni tl o c a t e si nt h e m a z e ，s e a r c h i n gt h ep a t h s ，g o i n gf o r w a r d , m e m o r yt h em a z ed a t a , c a l c u l a t i n gt h es h o r t e s tp a t h t ot h ee n da n ds oo nm u s tb ec o m p l e t e da u t o m a t i c a l l y t h em o t o ri sac r i t i c a lc o m p o n e n to fa m i c r om o u s e ，a c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i t t e db yt h em i c r o c o n t r o l l e r , t h es t a r t i n g ， m a r c h i n g ，t u r n i n g ，s t o p p i n ga n do t h e ra c t i v i t i e so ft h em i c r om o u s ea r ec o n t r o l l e db ym o t o r b e c a u s eo fs t e p p e rm o t o r so p e n l o o pc o n t r o la n ds h o r t c o m i n g ss u c ha so u to fs t e pa n d o s c i l l a t i o n s ，s os t e p p e rm o t o rc 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 d c o n t r o l l e ra r ed e s i g n e d ，a tt h es a m et i m e ，t h eh a r d w a r ec o n s t r u c t i o na n ds o f t w a r ef l o wc h a t a r eg i v e n t h i sp a p e rm a i n l yc o n t e n t st w o a s p e c t s ： ( 1 ) b e c a u s et h em o v e m e n ta n ds p e e do f t h em i c r om o u s ea r ea l lc o n t r o l l e db yt h em o t o r , s ot h ec o n c l u s i o nt h a tm o t o ri st h ee l e m e n t a r ya c t i o n sc o n t r o lc o r ei so b t a i n e d i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h ew e a kp o i n to fs t e p p i n gm o t o ro p e n - l o o po p e r a t i o n , s t e p p i n gm o t o rc l o s e l o o p 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 d 黜p 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 t o 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 t 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 长安大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 1 1 1 课题研究的背景 电脑鼠，英文名字叫m i c r o m o u s e ，是一种具有人工智能的轮式机器人，是由嵌入 式微控制器、传感器和机电运动部件构成的一种智能行走装置，它结合了机械、电子、 电机、控制、光学、程序设计和人工智能等多方面的科技知识。在人类的科技发展史上， 一直都在尝试要创造出一个具有肢体、感官、脑力等综合为一体的智能机器人，而电脑 鼠就是这样一个能诠释肢体、感官及脑力综合工作的实例，这也是当初人们发明电脑鼠 的理由，同时也希望人类能够通过电脑鼠的创作来研究与发明更复杂、更实用的机械为 人类服务。1 9 7 7 年i e e es p e c t r u m 杂志提出电脑鼠的概念：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 m 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。 第一章绪论 1 2 3 模糊控制方法的研究现状 ( 1 ) f u z z y - p i d 复合控制： f u z z y p i d 复合控制是指模糊技术与常规p i d 控制算法相结合的一种控制方法。这 种控制方法常见的一种是f u z z y p i 双模控制形式。在第五章对无刷直流电机的仿真就用 的这种控制方法啼1 。 ( 2 ) 参数自整定模糊控制： 参数自整定模糊控制根据控制系统的性能在线整定参数七一，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 第二章电脑鼠的控制策略分析 第二章电脑鼠的控制策略分析 电脑鼠功能的强弱通常直接与其控制系统性能的好坏有关。通常情况下，要求电脑 鼠的控制系统能够满足以下几个条件1 ：一电脑鼠的所有元器件都集成在车体上，并且 迷宫宽度有限，为了方便安装、拆卸，就必须要求小车的控制系统尽可能的小型化。电 脑鼠身体负担越轻，在迷宫中奔跑的速度就越快，这就要求系统尽可能的轻型化；二 电脑鼠需要存储的信息量多，需要处理的数据量大，对控制精度的要求也相对比较高， 这些都要求控制系统的实时性较高；三电脑鼠要顺利完成比赛，稳定行走是前提，只 有在稳定的基础上才能提高速度。此外，为了方便系统改进和移植，这就对控制系统的 开放性提出了很高的要求。 2 1 电脑鼠速度控制 在比赛中，采用的是步进电机驱动和控制电脑鼠行走的，对电脑鼠的速度控制，采 用的是步进电机匀加减速的控制方法。先让电机以恒定的加速度加速到指定的转速，经 过一段时间匀速运行，当快要到达指定的停止位置时，再以恒定的减速度减速，在需要 停止的位置处停止。如图2 1 所示。其中加速度和减速度是要根据不同的电机来设定的， 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t o 到的是第一步持续的 时间为t o ，a t , 到f 20 0 9 - - - 步持续的时间为互，从乞一。n t 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 o t l t 2t m - it m 时间 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： 五号 其中e 为第，2 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 加速度和减谏度c o ( 单位：步秒2 ) ： ( 2 1 ) ( 2 2 ) l 辫：堑坠二g ! ! ! ( 2 3 ) 垒上旦q + e ( g + 。+ c 。) 一 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 ) 丝2 = 胁) k。 l l 7 砂 矿 rr二-jo l i 曙 第二章电脑鼠的控制策略分析 转过甩步所花的时n t , 为： 厮 乙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g l 以、表示为： g = c o ( 而一石) ( 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g 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a r m 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 - = 一= q 1琢万丽一f 而 根据泰勒公式变换可得： 属址石1 一壶+ 。i n + 把公式( 2 1 0 ) 代入公式( 2 9 ) 可近似得到： 旦：4 n - 1 e l 4 n + 1 由上式可得递推公式： e = e 。一而2 c _ 1 把上式的刀换成f ，得到： e = e 一。一考碧 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 由公式( 2 5 ) 开始，就假设国大于零，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i 司 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： ci-c-i一而2cf_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 4 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 4 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 c o ( 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 o 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 3 0 0 ；n + + ) g u i a c c e l t a b l e n = g u i a c e e l t a b l e n - l 】- ( 2 奎g u i a c c e l t a b l e n - 1 ) ( 4 幸n + 1 ) ) 9 第二章电脑鼠的控制策略分析 2 2 电脑鼠走直线控制 如何让电脑鼠在直线迷宫中正常行走，这是我们调试电脑鼠走迷宫的第一步，只有 在电脑鼠能直线行走，不碰触墙壁的情况下，其他的任务才有可能完成。电脑鼠要在前 进的过程中不断调整自己的姿势，以免碰到挡板，它在迷宫中的理想姿势是处于迷宫的 中央，且前进方向平行于挡板。 2 2 1 电脑鼠的姿势修正 电脑鼠在迷宫中的姿势修正，主要依靠它身上的传感器来完成。m i c r o m o u s e 6 1 5 上 共有5 组红外传感器，如图2 4 所示。u 1 u 5 为红外线接收头传感器。r f l r f 5 为红外 线发送装置。w 1 w 5 是用来调节红外线发送的强度，即用来调节传感器的检测范围。 图2 4m o c r o m o u s e 6 1 5 传感器布局 传感器安装在五个不同的角度，可以分为两组：u 1 、u 3 、u 5 为一组，分别用来检 测左前右三个方向的挡板信息；u 2 、u 4 为一组，主要用来修正电脑鼠的姿势。下面来 看电脑鼠在迷宫中走直线时的姿势修正方法。 1 两侧都存在挡板的修正原理 如图2 5 所示，这时电脑鼠处于最佳姿势，是不需要修正的。图2 6 ( a ) 表示电脑 鼠的前进方向偏离，需要进行姿势调整，否则会撞到左边挡板。( b ) 图表示电脑鼠平行 靠近左侧，这时也需要调整，使电脑鼠要走到迷宫的中央去。( c ) 图表示电脑前进方向 偏移且接近左侧，按照图中的情形是不要修正的，因为电脑鼠在下一时刻就会跑到迷宫 格的中央去。图2 6 指的是电脑鼠在迷宫中左侧发生偏移的校正方法，当电脑鼠在右侧 发生偏移的校正方法与之相同。 1 0 长安大学硕士学位论文 图2 5 电脑鼠的正常姿势 ( a )( b )( c ) 图2 6 两侧都有挡板时左侧位置偏差示意图 。 图2 5 和图2 6 有一段带箭头的线段，这是传感器u 2 的检测示意，线段的长度代表 传感器u 2 能够探测的距离。可以看出，在图2 5 和图2 6 ( c ) 中，传感器u 2 探测不到 挡板，即不需要修正姿势：图2 6 ( a ) 和( b ) 中，传感器能够探测到墙壁，这时就需 要修正自己的姿势。当电脑鼠靠近右侧挡板时，修正的原理和方法是一样的，只是此时 用来判断的传感器是u 4 。 2 只有一侧有挡板的修正原理 图2 7 是几种电脑鼠在迷宫中行走时只有一侧存在挡板的情况。假设只有左侧存在 挡板，当电脑鼠靠近左侧时，它的修正方法与前面相同。 ( a ) ( b ) 图2 7 只有一侧有挡板时左侧位置偏差示意图 当电脑鼠靠近右侧时，由于右边没有挡板，会出现如图2 8 所示的情况，这时就要 l l 第二章电脑鼠的控制策略分析 使用左方的传感器u 1 ，当u 1 检测到左方存在挡板，且距离挡板的距离太远时，电脑鼠 就应该向左靠，以达到修正姿势的目的。迷宫格中只有右边有挡板时的修正情况与之类 似。 图2 8 左侧位置偏差示意图 3 前方存在挡板时的修正方法 如图2 9 所示，当电脑鼠处于图中的位置时，用于左右修正姿势的u 2 、u 4 传感器 探测到的是前方的挡板，这样就会为姿势修正带来误判。所以当前方存在挡板时，就不 处理u 2 和u 4 检测到的结果。 图2 9 前方存在挡板 2 2 2 红外传感器测距原理 u 1 u 5 为一体式红外线接收传感器，其型号为i r m 8 6 0 1 s ，该接收头内部集成自动 增益控制电路、带通滤波电路、解码电路及输出驱动电路。i r m 8 6 0 1 s 传感器内部的带 通滤波器的中心频率为3 8 k h z ，当红外线的载波频率也是3 8 k h z 时，经过滤波器的时 候衰减最小，越是偏离该值，衰减就越多，这也是一体化接收头的关键原理。在不改变 驱动电压和电流的情况下，改变载波频率就可以判断出障碍物的远近。 当发射管发出的红外检测信号遇到墙壁以后，反射回来，被接收管接收，接收到的 信号转化为电压，根据电压的大小分析电脑鼠与迷宫墙壁之间的距离，对其二值化，转 化为墙壁有无的信息，左前和右前的传感器根据检测得到电脑鼠两侧与墙壁之间的距离 差异，来调整电脑鼠的姿势。 1 2 长安大学硕士学位论文 2 2 3 传感器检测资料的存储 通过上面的分析知道：传感器u 1 、u 5 不但要检测左右两边是否存在挡板，还要在 部分情况下检测电脑鼠是否偏离太远；u 3 只需要检测正前方是否存在挡板；u 2 、u 4 用 来检测电脑鼠的位置是否正常。 在应用中，根据需要把每个传感器的检测结果用一个变量保存。为了方便管理，把 5 个传感器的状态信息统一保存在一个数组里，g u c d i s t a n c e 0 - 一g u c d i s t a n c e 4 依次代 表传感器u 1 u 5 的状态。传感器定义程序如下： s t a t i cu n i t 8 g u c d i s t a n c e 5 】= o ) ； 记录传感器状态 # d e f i n el e f t0f i 在责传惑器 # d e f i n ef r o n t ll 左前方传感器 # d e f i n ef r o n t2 前方传感器 # d e f m ef r o n t r3 右前方传感器 # d e f i n er i g h t4 | | 奄贡传感器 变量g u c d i s t a n c e 保存的传感器状态的数据含义见表2 1 。 在控制电脑鼠前进的过程中，电脑鼠要根据传感器检测到的信息实时调整自己的姿 势。例如需要控制电脑鼠向右靠，就可以让左电机比右电机多转动几步，反之要使电脑 鼠向左靠，就可以使右电机比左电机多转动几步。这样就可以通过调节左右两边电机的 速度来完成电脑鼠的姿势修正，但是为了方便，通常使用暂停功能控制电机少走一步， 也就是说当传感器检测到电脑鼠需要进行修正姿势时，就使用定时器中断使得某个电机 少走一步。 表2 1 变量g u c d i s t a n c e 说明 变量名值含义 g u c d i s t a n c e l e f t 】 o x 0 0 左边无挡板 o x 0 1 左边存在挡板，但是距离较远 o x 0 3 左边存在挡板 其它无意义 g u c d i s t a n c e f r o n t l 】 0 x 0 0 左前方未检测到障碍 0 x o l 左前方检测到障碍 其它无意义 g u c d i s t a n c e f r o n t 0 x 0 0 前方无挡板 0 x 0 1 前方有挡板 第二章电脑鼠的控制策略分析 表2 1 变量g u c d i s t a n c e 说明( 续) 变量名值 含义 其它无意义 g u c d i s t a n c e f r o n t r 】 0 x 0 0 右前方未检测到障碍 o x 0 1 右前方检测到障碍 其它无意义 g u c d i s t a n c e r i g h t o x 0 0 右方无挡板 o x 0 1 右方存在挡板，但是距离较远 o x 0 3 右方存在挡板 其它无意义 2 3 电脑鼠转弯控制 首先要知电脑鼠的转弯是怎样实现的。一般的智能小车都会有舵机，在智能小车上， 舵机的输出转角通过连杆传动来控制前轮的转向，从而实现对智能车转向的控制。而电 脑鼠身上并没有这个控制方向的舵机，它是通过调节电机的运行速度来控制电脑鼠的转 向。 电脑鼠的转弯基本分为左转9 0 度、右转9 0 度和后转1 8 0 度三种方法。向左转9 0 度和向右转9 0 度实质上是一样的，这里以向右转9 0 度为例作说明。如图2 1 0 和2 1 1 所示，转弯共有两种方式：一种是前进中转弯，即一个电机快转，一个电机慢转。另外 一种方式是原地转弯，即车体先停在需要转弯的路口，然后一个轮子正转，一个轮子反 转，完成转弯动作后，再以相同的速度前进或后退。前进中转弯能节约时间，效率高， 但是原地转弯方法控制简单。图2 1 2 为电脑鼠1 8 0 度转弯示意图。 图2 1 0 前进中转弯 1 4 长安大学硕士学位论文 图2 1 l 原地转弯 图2 1 21 8 0 度转弯 在比赛冲刺阶段我们设计并应用了行进中转弯的方法。如何让电脑鼠在行进过程中 实现拐弯的动作，并且能够及时的处理坐标和地图信息，是一个关键的问题。上面一节 讲到，电脑鼠在行进过程中速度的控制是依靠两个中断来完成的，在直行的过程中，当 电脑鼠剩余的步数小于当前的速度时，电脑鼠就进行减速，小于最大速度时就加速，在 停拐的时候，拐弯前和拐弯后都可以看作是直行，而拐弯只是一个独立的过程。运动中 的拐弯是依靠一个轮加速、一个轮减速来实现的，即在拐弯到来的时候，在中断中分别 给左右电机一个不同的速度，让其在规定的步数内完成拐弯，拐弯完成以后( 标志为某 一个轮子的步数已经走完) ，再分别给左右电机一个相同的速度，让其恢复直行时的状 态。在这一过程中，需要设置一个中断表，对于中断表中的每一个速度都有一个对应的 脉冲时间，这样就可以通过在中断表中进行查询来完成对不同速度响应时间的调用。从 比赛中的实际情况来看，这种方法能大大提高冲刺的速度，减少冲刺所需的时间。 这里还有一个重要的问题就是电脑鼠转弯的时机问题。电脑鼠转弯时，转的太早或 者太晚都不行，因为这样很容易就撞到挡板，最理想的方式就是在电脑鼠准备转弯时， 就必须停在迷宫格子的中间位置，并且转动的角度刚刚好，转弯的角度是通过控制左右 电机的转动步数来实现的，这样在转弯完成后，电脑鼠就会停在迷宫格的中心线上，在 不需要修正姿势的情况下迅速前进。但是这只是一个理想情况，要想使电脑鼠在转弯前 就停在迷宫格子的中间是比较困难的，迷宫太大难免会出现偏差，这里以每个缺口为参 照点，修正电脑鼠记忆中的位置偏差。当电脑鼠走到迷宫的支路口时，如需要转弯，则 1 5 第二章电脑鼠的控制策略分析 从检测到支路口算起，继续前进n 步就到了迷宫格子的中心位置，n 的值是通过实验和 计算得出来的。在实验中，我们发现，只有在电脑鼠的前进过程中才能进行姿势修正， 在电脑鼠的转弯过程中不宜进行姿势修正，这样有可能导致转弯的角度出来偏差。 2 4 电机的比较 由上文的分析可以看出，电机在电脑鼠的行走过程中起着重要的作用。电机是电脑 鼠的驱动装置也是执行机构，电脑鼠的速度和转弯都是靠电机来控制的，良好的控制效 果才能提高电脑鼠的运行速度，增加电脑鼠的稳定性，因此有必要对电机进行智能控制 的研究。具体实现方法在第四章和第五章中有详细的说明。 在移动控制系统中，对电机的要求是体积小、重量轻、耗电少，另外还要求电机有 高可靠性、高精度和快速响应的特点，归纳起来主要有以下几个方面： ( 1 ) 高可靠性。控制电机的高可靠性对保证任何自动控制系统能正常工作起到非 常重要的作用，一旦发生故障，作为机器人的驱动元件，很难在短时间内能得到维修。 ( 2 ) 高精度。机器人发展地越高级，对移动控制的要求就越高。从广义上讲，直 流电机特性的线性度和失灵区和步进电机的步距精度、失步振荡等都会直接影响到控制 系统的精度。 ( 3 ) 启动、停止和反向均能连续有效进行，具有良好的响应特性。 ( 4 ) 良好的抗干扰能力，体积小、重量轻、耗电少。 目前，智能机器人控制系统常用的控制电机有两大类，一种是步进电机，一种是直 流电机。它们的性能比较如表2 2 所示n 。 表2 2 步进电机和直流电机比较 优点缺点注意事项 步进 1 控制简单1 效率低 电机2 程序简短2 速度慢c p u 输出脉冲控 3 电路设计容易3 耗电大 制 直流1 效率高速度同步控制及低速加减速齿轮利用 电机 2 速度快运行控制较困难 闭环回路控制 3 耗电小 1 6 长安大学硕士学位论文 由此，可以得出两种方案： 方案一：采用步进电机。 步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线运动的执行机构，一般采用开环 控制。当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号时，它就驱动步进电机按设定的方向转动 一个固定的角度即步距角，步进电机的转过的角度与输入脉冲个数之间有严格的比例关 系，脉冲输入越多，电机转子转过的角度就越大，输入脉冲的频率越高，电机的转速就 越快。步进电机的显著特点是，在非超载情况下，电机的转动、停止的位置只取决于脉 冲信号的频率和脉冲数，不受负载变化的影响：步进电机只有周期性误差而无累积误差； 具有快速起停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步 进电机启动或反转。这些优势特点使步进电机在速度、位置等控制领域被频繁采用。 方案二：采用直流电机。 直流电机能够将输入的电压信号变成转轴的角位移或角速度输出，改变控制电压即 可改变电机转速和转向，用途很广泛，主要有如下优点：直流电机驱动系统为闭环控制， 控制效果较步进电机准确；驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位 置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠；直流 电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；直流电机比步进电机的加 速性能要好，过载能力大。直流电机的这些优点使其能满足各种特殊场合的运行要求。 为了对这两种电机各自的控制效果进行仿真比较，在第三章中，我们将对电机的控 制算法做简单的分析，即p i d 控制算法和模糊p i d 控制算法，为第四章和第五章对电机 的仿真分析建立理论基础。 2 5 本章小结 本章主要对电脑鼠的控制策略进行了分析研究。在电脑鼠的速度控制中，对其核心 加减速算法进了推导，并建立了加减速资料表。走直线控制包括电脑鼠的姿势修正、传 感器的测量原理和传感器资料的存储，本文对电脑鼠姿势修正的方法进行了分类分析， 阐述了传感器资料存储的原理及方法。然后对电脑鼠的转弯控制进行了研究，提出了前 进中转弯的方法，最后对电机的选择进行比较分析。 1 7 第三章电机的模糊p i d 控制原理分析 第三章电机的模糊p i d 控制原理分析 常规p i d 控制器具有算法简单、稳定性好、可靠性高的特点，加之设计容易、适应 面宽，是自动控制领域中应用最广泛的一类基本控制器。它对于各种线性定常系统的控 制，都能够获得满意的控制效果，尤其适用于被控对象参数固定，非线性不是很严重的 系统。但是，工业生产过程中被控对象的负荷多变，干扰因素复杂，要获得满意的效果， 就需要不断对p i d 的控制参数进行在线调整。然而，这些参数往往没有确定的数学模型 和规律可循，所以就想到利用模糊控制器来调节这些参数，这样就使得参数调节变得简 便、实用而且可行。模糊控制器能充分利用操作人员进行实时非线性调节的成功实践操 作经验，充分发挥p i d 控制器的优良控制作用，使整个系统达到最佳控制效果n 幻。 在本章中，将分别介绍p i d 控制算法、模糊控制算法和模糊p i d 控制算法的一些基 础知识，通过分析原理，得出适用于电脑鼠电机的控制算法，为后面章节的仿真做理论 铺垫。 3 1p i d 控制原理 p i d 控制是最早发展起来的线性控制策略之一，由于其具有算法简单、鲁棒性好、 可靠性高和参数易整定等优点，已在实际中得到了广泛的应用。其控制系统典型的结构 如图3 1 所示。 图3 1p i d 控制系统框图 p i d 控制的基本原理是根据设定值与实际值之间的偏差e o ) ，按比例一积分一微分 的线性组合关系构成控制量u ( t ) ，利用控制量u ( t ) 再对控制对象进行控制。连续p i d 控 制器的数学模型表达式可写为： ) = _ + i 1m 以+ z = r 掣 t ， 1 8 长安大学硕士学位论文 式中：吒为比例常数；l 是积分时间常数；乃是微分时间常数； 现代控制系统为了提高系统的可靠性，一般使用数字式p i d 控制器。因为连续p i d 控制算法不能直接使用，需要对其进行离散化处理，得到离散式p i d 控制器的数学模型 表达式( 也称位置式p i d 控制算法) 可写为： 个1个 甜( 七) = p ( j | ) + 争p ( ，) + 争( p ( 七) 一p ( 七一1 ) ) 】 k = p ( 七) + 毛e ( j ) + k a ( e ( k ) - e ( k - 1 )