（机械设计及理论专业论文）液下搅拌机器人行走路径的智能控制.pdf

摘要 水煤浆是一种可以代替石油的新型燃料，在世界石油短缺的今天，水煤浆生 产发展迅速。由于水煤浆在储运的过程中容易产生沉淀，本课题组研究出搅拌 移动机器人，防止沉淀的产生。本文论述的主要是工作在水煤浆环境中该机器 人的智能控制。在机器人偏离出规划轨迹时能准确地返回到规划的轨迹上。能 自主地完成局部路径的规划。 机器人控制问题最直接的就是如何控制电机，本课题选择p m a c 卡控制。 论文中阐述了p m a c 卡的初始化设置、控制程序的编写、编程注意事项等。根 据本课题定位准确程度误差在( o c m 一2 0 c 1 ) ；机器人很难建立精确的数学模 型；仿照人的驾驶经验，人在驾驶车的过程就是模糊控制的过程，例如控制转 弯的大小就是模糊推倒的过程；并根据模糊控制的特点一不需要建立数学模型。 控制器选择自适应模糊控制器，它能适应环境参数变化控制机器人。论文中详 细说明自适应模糊控制器的建立思想、建立过程。通过软件模拟机器人的工作 环境、用数学模型推导位姿信息，验证模糊控制器的设计是合理的。最后通过 实验验证本套方案是可行的，机器人在由于打滑或别的原因偏离出规划轨迹时， 能准确地控制它返回到原来的轨迹进行行驶。 本论文又提出另一种控制的方案，采用p l c 进行通信和控制，比上种方式 提高了性价比，使系统复杂程度降低，结构简单而小型化。 采p l c 做主站，用地址轮询表的方式同各从站进行通信来获取定位信息。 定位算法根据p l c 的运行特点，采用超声波定位和理论计算相结合的方式，用 二分法取优，获得准确的定位信息。简单实用、执行程序时间短。控制算法仍 保持前套方案不变。为了让机器人连续平稳的运行，电机控制采用先停止前一 步再匀加速或匀减速到本步所规定的脉冲发射频率。由于机器人在水煤浆中工 作，人很难参与控制，论文最后又提出用无线通信对机器人进行必要的控制。 可见，这是智能和无线的完美结合。真正达到好像由人来直接驾驶最好程度。 这对将来远程控制是一个很好的铺垫。本方案模拟实验已经成功。 关键诃：p m a c 、机器入、模糊控制、p l c 、无线通信 a b s 虹a d a b s t r a c t w a t e r 啪a ls l u n y i sa n e w f l l e l w h i c h i sak i n do fs u b s t i t u t i o no fo i l t c l d a y ，f o r t h cs h o n a g co fo na l lo v e rt b 峙w o r l d ，w a t c a ls l u r r yi sd c v e l 叩i n gm p i d l y b i 。c 卸i tp r o t o d i m e mw h e ns t o r e da n d 缸a n s p o r t e d o n el 【i n do fm o v i n gm b o t i ss t u d i c db yo 狐他s e a r c ht c a m ht h ep a p c f t h ci l l t c l l i g c n tc o n t n o l l i n go ft l l em b o t w o r i d n gu n d e r t h ew a t c f 忸ls l u r r yi ss h o w e dm a i n l y w h e ni ti sd e v i a 姗f m mt l l e p l 姗i i i go r b i tb c c 肌o f m er e a s o 璐，i tc 姐r e t l i mt ot h cp l a 蛐i n go r b “b y s e l f 二d e k 唧咀i n a l 【i o n t h ep r o b l e mo ft h ec o n t r o i l i n gm b o ti st h a th o wt h em o t o ri sd i r e d e d h lt h c p 印e r ，t l l em o t o ri s n t m l l c db yt h ep m a cw h ec o n t e n ti si n t r o d u c c d ，s u c h 鹞 i n i t i a l i z a t i o n p f 0 萨a 衄e t l l l e 删m t cm a l h e m a t i c sm o d di se s t a b l i s h e dd i 伍c i l l t l y t 1 l ef i l z z yc o n t r o i l e rw h o s e 髓s e n c ei si n t r o d u c c dd e t a i l e d l yi sf o u n di nt h ep r o j c c t c o n c e m i n gd r i v i l l ge x p c f i e n 柚df l i z z yc o n 昀l l i n gc h 撇d e r t h ef i i z z ya r i t l l i n c t i c i sv a l i d a t e db yt h ep f o 鲫m c ds o f 啊a mt h a ts i m u l a t ct h ew o r k j n g 妇m s t 柚c e s0 f t h er o b o t ，鹤s u l t ，“i s 触s i b k a t 西1 a l t h es c h e m ei sv a l i d a t c db yt h ee x p e r i m e n t w h e nt h er o b o ti sd e v i a t e d t h ep l a 玎n i n go r b i t ，i t 啪r c t i l mt of o 眦c ro r b i t b e i i e v i n g ，t h ep 加j e c tc a np r o v i d e m er c f c r e n c ef b rt h es e m b l a b l ew o r k s o m ed i s a d v 柚t a g c sa r ef o u n di l lt h cf o 咖e rp r o j e d s u c h 勰p d e m s i t y ， c o m p l c x i t y n 啪n o ts a t i s 毋w i t hi n d u s t r i a la p p l i c a t i o n t h ep l cc o n t m l l i n gr o b o t 她d m m 岫i c a t i o 骢a f ea d v i s e d b yt h en e ws c h e m c n ep 【co l o m es i t c ) c a n m m u i l i c a t ew i ms e v e m ls c m s ( f o i l o w e r ) ，v i c d 够 a d d l r c s sl i s tm d o mf o u n d l o c a t i o nc a l c u l a t i o ni st h em e t h o dt h a ti si n t e 伊a t i o no f u l t m n i cs y s t 锄a n dt h e o m t i cc a i c i l l a t i o n a lf i n a l ，m o r ea c c u r a t el o c a t i i sg o n b yt h ed i c h o t o m y 1 1 l cf i l z z yc o n t r o l l i n ga r i t h m e t i ck e e p si n v a r i a b l e t h em o t o rc a n r o t a t ec o n t j l l u o u s l y 卸dr e p o s e f l l l l y f i n a l l y ，t h ew i r c l 髂sc o m m u n i c a t i 啪 p a n i c i p a t ei nt h ec o n t r 0 1 s a t i s f a c t o m y ，ap e r s o ni s “v i n gs e e m i 心ym ef o 晰n e s c h e m ei ss u c c e s s f i l l k e yw o r d s ：p m a c ；f o b o t ；f l l z z y n 响l ；p l c ；w i i e k 辐c o m m u n i c a t i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：王寿、老 川年弓月1 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 学位论文作者签名：王本劫 年月 日 。1 年3 月矿f 日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：王存。劫 p 。7 年i j f 月歹f 日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 论文的研究背景 1 1 1 几种典型移动机器人“1 1 高完整性机器人 没有一个系统可以做到1 0 0 9 6 可靠。一个可靠机器人是指它一直正常地工作。 一个高完整性机器人则时刻监视自己的行为，一旦发现异常，立即停止运转。因 此，一个高完整性机器人并不一定要连续工作，但工作时，一定是正确的。 2 遥控移动机器人 对机器自主性的挑战来自要求完成的任务和高度非结构化和变化的环境。 在大多数室外环境中。要求机器完全自主地完成任务，目前还有一定的困难。远 程操作的半自主机器人，毫无疑问，是一个发展方向。因此先进的远程操作技术 是将来必需的。完全遥现是实现远程操作一个或几个移动机器人的最佳可能方 案，但太贵。研制一套适于远程操作的、使用起来既自然又容易的人机交互方案 是必需的。在未知和变化的环境中，头部跟踪系统有帮助，且是可行的。 3 独轮机器人 国外研制了一种独轮机器人，它与具有静态稳定性的多轮移动机器人相比， 具有很好的动态稳定性，对姿态干扰的不敏感性，高可操作性，低的滚动阻力，跌 倒的恢复能力和水陆两用性。这是运动性的一种新概念。 1 1 2 移动机器人关键技术发展现状 机器人的研究，存在着两条不同的技术路线：一条是日本和瑞典所走的“需 求牵引，技术驱动”，结合工业发展的需求，开发出一系列特定应用的机器人，如： 弧焊、点焊、喷漆、装配、刷胶、建筑等等，从而形成了庞大的机器人产业：一 条是把机器人作为研究人工智能的载体，即：单纯从技术上模仿人或动物的某些 功能出发，研究有关智能的问题和智能机器人，如：美国，欧洲的一些大学及研究 所进行的工作。由于人工智能和其他智能技术的发展尚落后于人们对它的希望， 致使大部分研究成果处于实验阶段。移动机器人要想走向实用，必需拥有能胜任 第l 章引言 的运动系统、可靠的导航系统、精确的感知能力和具有既安全而又友好地与人 一起工作的能力。移动机器人的智能指标为自主性、适应性和交互性。适应性 是指机器人具有适应复杂工作环境的能力( 主要通过学习) ，不但能识别和测量 周围的物体，还有理解周围环境和所要执行任务的能力，并做出正确的判断及操 作和移动等能力。自主性是指机器人能根据工作任务和周围环境情况，自己确定 工作步骤和工作方式：交互是智能产生的基础，交互包括机器人与环境、机器人 与人及机器人之间三种，主要涉及信息的获取、处理和理解 1 导航与定位m 在移动机器人的应用中，精确的位置知识是一个基本问题。有关位置的测量， 可分为两大类：相对和绝对位置测量。使用的方法可分为7 种：里程计、惯性导 航、磁罗盘、主动灯塔，全球定位系统，路标导航和地图模型匹配。其中前两种 属于相对位置测量，也称为航迹推算。下面简述这些技术，包括新出现的基于声 音和气味的导航技术。 里程计：具有较好的短期精度、便宜、较高的采样速率，故广泛使用。使用里 程计的基本思想是积分增量运动信息，因此不可避免地引来误差的无限积累。尤 其是方位误差将引起较大的横向误差。一般将其与其它绝对位置测量相结合以 获得更可靠的位置估计。 惯性导航：惯性导航是使用陀螺和加速度计分别测量旋转率和加速率。惯性 导航系统具有自包含优点，即无需外部参考。然而，随时间有漂移，积分之后，任 何小的常数误差就会无限增长。因此，惯性传感器对于长时间的精确定位是不适 合的。陀螺对于移动机器人尤其重要，因为可以用来补偿里程计的最大缺点：任 何小的瞬时方位误差将带来一个定常增长的横向位置误差。 磁罗盘：就车体航向对积累的航迹推算误差的影响而言，它对导航参数是非 常重要的。正是这个原因，在解决自主平台的导航需求上，提供一个测量绝对航 向的传感器是异常重要的。磁罗盘就是这样一个传感器。然而，磁罗盘的一个致 命弱点是在接近电力线或钢结构的地方，地磁场发生变形。这就使得地磁传感器 很难用于室外。在各类磁罗盘中，磁通量闸门罗盘最适用于移动机器人。 主动灯塔：是海洋和空中的最常用的导航系统。在商业化的移动机器人系统 中，也是如此。主动灯塔能被可靠地检测，并且需要很少的处理时间就可以得到 精确的位置信息。虽然它可以很高的采样速率达到高可靠性，但其安装和维护费 用也很高。精确的定位要求灯塔的精确安装。三边形和三角网是两种不同类型 2 第1 章引言 的系统。在三边形导航系统中，常常是在环境的己知位置上安装三个或以上的发 射器，机器人上有一个接受器。相反情形，机器人上有一个发射器，接受器安装在 墙上。通过飞行时闻信息，可以计算出距离。而三角网则是在已知的位置上安装 三个或以上的主动发射器，机器人上的一个旋转传感器记录它与它所看到的发 射器灯塔之间的相对于车体纵轴的夹角，由此计算出机器人的位置与方位。这里 有一个问题，为了在2 0 米或更远看，主动灯塔必须集中在一个锥形的传播模式 内。结果，灯塔在很多地方可能看不到，而这种方法至少要看到三个，因此这是一 个尤其严重的问题。这方面的技术和产品都是成熟的。 全球定位系统：对于室外导航，这是一个革命性技术。但用于移动机器人导航 时，存在以下问题：( 1 ) 由于植物和山地，存在周期性的信号阻碍：( 2 ) 多径干 扰；( 3 ) 对于初级( 单独一个) 导航系统，定位精度不够。 路标导航：路标是机器人能从其传感输入所能认出的不同特性。路标可以是 几何形状( 如线段，圆，或矩形) ，也可包括附加信息。一般情况，路标有固定的和 己知的位置。路标要认真仔细地选择，以利于识别，例如，相对于环境，要有充分 的对比。为了利用路标进行导航，必须知道路标的特征并将其事先存入机器入的 内存中。然后，定位的主要任务就是可靠地识别路标以便计算机器人的位置。为 了简化路标获取问题，常常假设当前机器人的位置和方位近似已知，这样就可使 机器人在一个有限的区域内寻找路标。因此，为了成功地探测到路标，要求有一 个好的测距法。 2 跟踪控制 跟踪控制是移动机器人运动控制的一个重要问题，也是一个非常实际的题。 分为轨迹跟踪控制和路径跟踪控制两种。在轨迹跟踪控制中，移动机器人要求跟 踪的期望轨迹是以时间关系曲线图给出的，而在路径跟踪控制中，期望轨迹是由 方便的几何参数( 如，路径的弧长) 来描述的。当要求机器人必须在一个特定的 时间内到达一个特定的点时，轨迹跟踪控制是必需的：当要求机器以一个期望的 速度跟踪一条由几何参数给出的路径时，路径跟踪控制是合适的。已有的轨迹跟 踪方法在数学上很精致，并且得到许多有意义的结果，但对于设计跟踪控制器来 说，并不是最好的法。事实上，在传统的自动化应用中，常常采用基于几何路径跟 踪概念的方法，控制器的设计更与人的直觉接近，并简单，易于实现。关于这方面 的工作，主要集中在早期。近期主要集中在考虑非完整约束和力学的情况下，如 何实现有效跟踪。这方面的研究基本成熟。 3 第1 章引言 3 智能技术 由于人体太复杂，人类的智能行为至今仍是一个谜，像生命科学中生物具有 生命一样，今天我们知之甚少。而智能技术是用机器来模拟人的外在认识和思想 行为的技术总称。目前，对于智能技术的研究，主要分为两大派：间接进化和直接 进化。前者主要以符号主义的人工智能为代表后者以计算智能技术为代表，包括 神经网络技术，模糊技术，进化计算( 遗传算法、进化策略、进化规划等) 和基于 个体的复杂系统的研究。前者采用自顶向下的技术路线，后者采用自底向上的技 术路线。其实，人在处理问题时，两者是混合使用的。因此，两者的有机结合更恰 当。对于移动机器人来说。关键智能技术是自动规划技术和基于传感的智能。机 器的智能行为包括知识理解、推测、感觉、认识、推理、归纳、推断，计划、反 应、学习和问题求解等。涉及的领域包括图像理解、语音和文字符号的处理与 理解、知识的表达和获取、学习、智能运动。 1 2 论文研究的目的、意义 本文研究的移动机器人工作在水煤浆中，国内外大型水煤浆储罐采用的机 械式搅拌机具有体积大、能耗多、不易维修等缺点。与其相比浆液搅拌机器人 具有显著的优势，结构合理，机构简单，实用可靠，节约成本，并具有智能性。该 模型的基本功能包括液下行走、搅拌浆液、路径规划与控制及观测浆液浓度等。 在按照规定轨迹移动的同时完成搅拌功能。由于工作环境的恶劣，机器人在按 即定轨迹移动的同时会出现随机打滑的现象。使它偏离出规划的轨迹，本文的 重点就是怎样及时判断机器人已打滑，并且让它靠智能返回到规划的轨迹。 1 3 论文研究的内容 针对本课题的研究特点和借鉴以往的经验，让搅拌移动机器人在规定的轨 迹上自主行走并完成搅拌功能，在定位导航方面采用的是超声波传感器和电磁 罗盘。它不仅能时时知道小车在什么位嚣，还能了解小车所处的姿态。对于指 导小车下一步的运动起了关键的作用。控制算法采用的是模糊控制，模糊逻辑 法模拟驾驶员的驾驶思想，将模糊控制本身所具有的鲁棒性与基于生理学上的 “感知一动作”行为结合起来，为移动机器人在未知环境中导航提出了一种新思 路该方法避开了传统算法中存在的对移动机器人的定位精度敏感、对环境信 4 第1 章引言 息依赖性强的缺点，并采用了相对定位的方法，消除了累积误差，同时使计算量 保持在较低的水平上，对处理未知环境下的规划问题，显示了很大的优越性，有 较强的实时性，且在一定程度上解决了局部最小问题，对于只能提供近似的、不 确定的信息数据的环境是非常有效的在控制电机方面第一套方案采用p 姒c 卡， 第二套方案采用p l c ，分别对两种方案进行探讨。最后介绍了无线通信模块 t c 3 5 i ，让水下机器人实现遥控移动。 第2 章p m a c # 几点说明 第2 章机器人控制器一p m a c 卡 p m a c 运动控制器是世界上功能最强的运动控制器。它首先全面开发了d s p 技术的强大功能。d e l t at a u 数字系统公司的运动控制器第4 代产品于1 9 8 9 年 1 2 月首次供货。 p 姒c 运动控制器具有最强的功能和最大的灵活性，同时又能很方便的使用。 或许你现在还用不到这些功能，但依靠附a c 运动控制器可以为将来打好基础。 借助于m o t o r l a 的d s p5 6 系列数字信号处理器，p m a c 运动控制器可以同时操 纵l 8 个轴。由于每一个轴都是完全独立的，一个p 姒c 运动控制器可以操纵8 台不同机器的8 个单轴，或者同一台机器的8 个轴，或者两者之间的任意组合。 目前，全世界上的数干台p m a c 运动控制器正在各领域每天2 4 小时的运转。 它用在硅谷计算机硬盘的超高精度伺服磁道写入，以及西北部的原木切削，和 中西部的高级c n c 机械，机器手，及和多轴运动相关的控制领域，p m a c 运动控 制器正在为高精度、高速度生产率建立一个新的标准。 在本课题中通过超声波传感器对机器人定位，借助电磁罗盘获知姿态信 息，把这两个量传给上位机经过控制算法推倒得到控制结果。然后，控制结果 被发送到p m a c 卡，p m a c 用来控制两个独立的轴，即分配转速比达到控制功能， 使小车按照规划的轨迹行走。在实验过程中总结了几点经验现说明如下： 2 1p m a c 卡的初始化删 1 选卡。在调卡时所要做的第一步是在上位机软件中选择与硬件p m a c 相 同类型的卡号。 2 设冠轴和坐标系。让p m a c 知道哪个轴和哪个坐标系相对应，使它对轴 分配速度，这也是编制运动程序所要作的关键的一步。 如下所示： c l o s e；确保p 姒c 所有的缓冲区是关闭的 1 ；选择运动程序在1 号坐标系中运动 # 卜 2 0 4 8 x ；使电机l 和x 轴捆绑在一起 # 2 一 2 0 4 8 y ；使电机2 和y 轴捆绑在一起 注意：编码器记录2 0 4 8 个脉冲执行机构在l 号坐标系中的x 轴或y 轴中行 第2 章p m a c 卡几点说明 走一个单位。 3 开环指令。# n ( 电机号l 8 ) o 常量 命令指定的电机为开环输出， 常 量 是一个范围为+ _ 1 0 0 的浮点值。其目的是： ( 1 ) 验证模拟量的输出通道 ( 2 ) 验证编码器反馈方向保证p i d 调节 4 p i d 调整及速度前馈和加速度前馈调整。p ：指比例增益，提供系统的 刚性变量。i ：指积分增益，主要用于消除稳态误差。d ：指微分增益，主要用于 提供系统的阻尼以保证系统稳定。提供系统p i d 调整的前提为：( 1 ) p e w i n 执行 软件与卡已建立通讯。( 2 ) 伺服系统已经连接正常且电机必须为闭环，使电机为 闭环的指令为：# nj ，可使用# n ? 在线指令来查询电机状态字如为8 1 2 则表示 为闭环状态，如为8 1 5 则表示为开环状态。速度前馈：某一时刻速度值在行驶之 前已经算好。 速度前馈同理。在调整时不能带负载运行。p i d 调黎会使系统达到一个稳定系统， 直接返应是系统在空载不运行时在外力作用下轮子不会出现轻微的转动。调整方 法是试凑法。说明如下： 图1 说明整个系统处于稳定状态，即电机运行位置和命令要求位置相同。 图2 说明系统系统比例增益大或者是微分增益小，调整方法是减小j ( ，( 比 例增益) 或者是增大( 微分增益) 图2 1 系统稳定状态图2 2 系统比例增益大或者是微分增益小 图3 说明系统响应差即迟缓，调整方法是增大巧或者是减小。 图4 说明整个系统位置响应有一个偏移量，即命令位置和实际位置不相等，调 整方法是增大局( 积分增益) 增大群。 7 第2 章n 似c 卡几点说明 j 厂， ，一一二一二一 卜： 一 一；， f 一。j 图2 3 系统响应差 5 设置一些系统量 t ： - + 一。 一 - j + + ；“一 翻4 系统位置响应有偏移 i l o o = l ；激活第1 个电机 1 1 0 2 = $ c 0 0 2 ；电机1 的指令输出( n a c ) 地址 1 1 2 5 = $ 5 2 c o o o；进行一些标志位的设置，如：放大器使能位、位置 限位位、放大器故障输入使能位等。 1 9 1 0 = 3 1 7 ；进行译码方式的控制 6 进行手动闭环j o g 指令的操作 j + ：指电机手动正向运动 卜：指电机手动反向运动 j ：电机手动停止( 或闭环) 7 编写运动程序或p l c 程序下载到p m a c 中控制负载运行 2 2 从p 姒c 卡中读出反馈回的速度和位置程序的编写 机器人控制系统是闭环系统，p 姒c 卡根据增量编码器返回的脉冲数知道 电机的位置和速度达到精确的控制，然而这些数值必须返回给上位机让控制 者知道电机的运行状态。基于上述要求，上位机要时时的读取p m a c 缓冲区中 的数值。并且要读出两个电机的位置和速度，所以程序的编写中主要用到了 多线程技术。线程是在同一时自j 需要完成多项任务的时候被实现的。多线程 是为了使得多个线程并行的工作以完成多项任务，以提高系统的效率。这样 就能同时读出两个电机的位置速度。 本程序共定义了四个线程，线程1 、2 读电机l 的速度和位置，线程3 、4 读电机2 的速度和位置。线程定义如下： a f x b e g i n t h r e a d ( t h r e a d p r o c l 。g e t s a f e 1 w n d ( ) ) ： a f x b e g i n t h r e a d ( t h r e a d p r o c 2 。g e t s a f e h w n d ( ) ) ： 8 第2 章p m a cp 几点说明 a f x b e g i n t h r e a d ( t h r e a d p r o c 3 ，g e t s a f e h w n d ( ) ) ： a f x b e g i n t h r e a d ( t h r e a d p r o c 4 ，g e t s a f e h w n d ( ) ) ： 在线程中读速度的方法： 叫i n f r m - p 衄c g e t ( 0 ，b u f l l ，2 5 5 ，”m 1 6 6 - x ：$ 0 0 3 3 ，o ，2 4 ，s ”) ： m 1 6 6 是p 姒c 卡的地址指针变量，在这里是下载到附a c 卡中对它进行定义， x ：$ 0 0 3 3 ：m 1 6 6 所指向的变量的地址；o ：变量的偏置地址；2 4 ：变量的宽度； s ：读取变量方向 山池i n f r m - p 帆c g e t ( o b u f l ，2 5 5 ，”m 1 6 6 。) ： 把m 1 6 6 所指向的变量的值赋给字符串b u f l 整个过程都用到了动态连接库函数： g e t p r o c a d d r e s s ( h m y d l l ，”i l i l a c g e t r e s p o n s e a ) ： 读位置的方法相同。 2 3 运动控制程序的编写 在本课题中系统通过调节前方两个驱动轮各自的转速控制小车行走，小车 结构如图2 5 所示。首先要把运动控制程序下载到p 姒c 卡中，通过实验及研究 分析，作者共编写了三种运动控制程序分析如下”1 ： 1 # l 一 2 0 4 8 x 图5 小车结构 9 第2 章p m a c 卡几点说明 莽2 一 2 0 4 8 y 1 # 1 一 2 0 4 8 x 2 # 2 一 2 0 4 8 x 通过j o g 来实现控制 j - 左轮常数 ；j _ 右轮常数 几种方案的特点为：定义几个坐标系就要编写几个运动控制程序，不同坐标系 下的运动程序不发生任何干涉彼此之间是独立的。方案l 定义了一个坐标系编 写了一个运动程序，但是两个电机转速要通过p m a c 进行插补计算然后分配给电 机。方案2 定义两个坐标系编写两个运动控制程序。两个程序可以同时运行并 且彼此之间是独立的，两个电机的转速要通过编程人员指定，两个方案的不同 点是：在速度相同的情况下实现同一目标方案2 要提前完成。两个方案的缺陷 是小车不能连续运行，每运行完一个运动程序都要暂停然后启动下个运动程序 开始运行。方案3 解决了这种不足，通过时时改变j o g 指令的常数改变小车的 转速比达到时时控制的目的，小车可以连续的运行下去不会出现间断点，要想 改变电机的速度必须改变系统变量i x 2 2 来实现。 编程中需要注意的地方睁”1 ： 1 日u ) m a i n f r i n 一 p 嘲c s e t ( 0 ，p ，1 0 ，i i l l e f t v ) ； 0 ：选择信号传输通道是o ；p ：它是一个字符，代表的是p 变量；1 0 ： 选择的是第1 0 个p 变量；m - 1 e f t v ：左轮的速度。函数的功能是把左轮的速度 给p l o 。 2 m p m a i n f r i n 一 p m a c g e t ( 0 ，b u f l ，3 0 0 ，”1b 1r 2b 2r ”) ： 函数功能是同时运行两个坐标系下的两个运动程序。 3 增量运动模式下编程 4 当电机在运行过程中突然停止，上位机软件中出现的直接反应是电机不 能进行回零运动，其原因可能是信号转接板或驱动放大器的硬件连接断路，或 者是上面提到的系统变量i 出错。 1 0 第2 章p m a c 卡几点说明 2 4 本章小结 本章对p m a c 卡进行了几点说明，主要阐述p m a c 系统变量赋值和调整，便 于在使用过程中出现问题及时更改。又讨论p 姒c 卡几种控制方案，优缺点进行 了分析。最后说明编程中注意的问题。本部分对以后的使用有一定的参考价值。 1 1 第3 章移动机器人的模糊控制 第3 章移动机器人的模糊控制 3 1 选择模糊控制的原因 本课题对基于传感器的移动机器人的智能控制技术进行了研究，研究方法 是采用模糊控制技术考虑到人工驾驶就是一种模糊控制行为，路径的弯度大 小、位置和方向偏差的大小，都是由人眼得到模糊量，而驾驶员的驾驶经验不可 能精确确定，两模糊控制正是解决这种问题的有效途径其次，机器视觉、超声 波等传感器获得的路面环境信息。都具有近似、不完善性和混杂一定的噪声，而 模糊控制的一个优点就是能容纳这种不确定的输入信息，并能产生光滑的控制 输出量此外，移动机器人和车辆类似，其动力学模型较为复杂而难以确定，而 模糊控制是不需要控制系统数学模型的而且移动机器人和车辆都是一个典型 的时延、非线性不稳定系统，而模糊控制器可以完成输入空间到输出空间的非线 性映射本课题是根据人的驾驶经验得到一系列控制规则，经推理得到控制响应 表，通过查表得到规划信息，实现移动机器人局部路径规划的有效控制，并通过 仿真来验证提出方法的有效性和准确性该方法计算量小，运算速度快，适用于 时变未知环境下的路径规划 3 2 模糊控制的理论基础n ”埘 模糊推理系统的基本结构由4 个重要部件组成( 见图3 ，1 ) ：知识库、推理单 元、模糊化输入接口与去模糊化输出接口知识库又包含模糊i f 2 t h e n 规则库 和数据库，规则库中的模糊规则定义体现了与领域问题有关的专家经验或知识， 而数据库则定义隶属函数、尺度变化因子以及模糊分级数等推理单元按照这 些规则和所给的事实执行推理过程，求得合理的输出，模糊输入接口将明确的 输入量转换模糊量，并用模糊集合表示，根据模糊输入得到控制量，控制量也是 模糊量，因此，要求清晰化过程，把模糊控制量转换为清晰值作为模糊控制器的 输出，去模糊输出接口就是将模糊的计算结果转换为明确的输出 第3 章移动机器人的模糊控制 由图3 1 可以看到，模糊控制器的建立分为4 个步骤1 ：1 ) 挑选能够反映系 图3 1 典型的模糊推理 统工作机制的控制 输入输出变量：2 ) 定义这些变量的模 糊子集：3 ) 用模糊 规则建立输出集与 输入集的关系：4 ) 在 模糊控制器的核心 部分，进行模糊推理 及清晰化 3 2 1 基本模糊控制原理及存在的问题 基本模糊控制其结构框图如图3 2 所示。图3 2 中e 、e 输入变量，分别为 系统偏差和偏差变化量；u 一输出变量，为控制器的输出，e 、e c 、u 一分别为系统 偏差偏差变化及控制输出的语言变量。 r 。l i ： 基本模糊控制器 ： 图3 2 基本模糊控制器 将输入变量e 和e 从普通论域转换到模糊论域的模糊方法为 e 。e 疋 ( 3 1 ) e c = e k ( 3 2 ) 式中：和k 一量化因子； e 和e 一实际采样值规则化数( 1 6 位二进制数) 。 若已知误差和误差变化经模糊化处理后的模糊子集分别为e 和e c ，控制量 的模糊子集仉，为： 2 ( e x e ，) r ( 3 3 ) 其中：r 为模糊控制规则，由实际控制对象和操作人员的控制经验经过严 格的实践检验和反复修改得出的。在r 确定的情况下，可根据模糊合成算法计 第3 章移动机器人的模糊控制 算出各种输入变量和下的控制量以，从而对过程进行实时控制。为了提高运算 精度，节省存贮单元。通常将事先算好的各种列成模糊控制表存入内存中。以 备查用。在实用控制中，查表得到的变量还需要经过精确化处理= u x k 。，疋为 比例因子) 后送执行结构。显然。这里的关键问题是确定适合系统的准确模糊控 制规则。 由此，我们不难发现。基本模糊控制规则并不具有适应过程持续变化的能 力。这是因为，在控制器中查表一但征订下来就不再改变，量化因子和比例因 子也是如此。这样，当对象参数随环境的变迁而发生漂移时，它不能对自已的 控制规则进行有效而适当的调整。同时，这种基本模糊控制器的控制精度并不 高，因为该控制器中并不含有积分机制，实际上仅为p d 控制。由于它本身就是 根据误差的大小和变化来实现的。原则上系统总存在误差因此，这里给出的 这种自适应模糊控器，是对于基本模糊控制器的一种改进。 3 3 自适应模糊控制器“涮 3 3 1 模糊控制器的输入输出变量 从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制越精细。但是维数越岗，使得 模糊控制器的控制规则变得过于复杂，控制算法的实现相当困难。这或许是目 前人们广泛设计和应用二维模糊控制器的原因所在。本课题选择了二位模糊控 制器，现详述如下： 机器人前端的两个轮子即作为驱动轮又作为方向控制轮，整个控制过程就 是控制两个轮子转速比达到控制目的。所以选择输出量为u ：左右轮子转速比。 描述机器人运动时状态的量有位置( p ) 和姿态( d ) ，即位姿。在整个控制过程中 姿态提供的信息是至关重要的，它决定小车向哪个方向行驶，所以选择姿态的 误差( e d ) 和其误差变化( e d c ) 作为两个输入量，e d 映射出控制量的大小，通过 e d c 提供的量能够补偿控制延迟。然而位置的误差变化( e p c ) 所提供的信息和姿 态提供的信息有重叠，所以应当把它舍去，当把位置误差( e p ) 也作为一个输入 量时，此时共有三个输入量。这样就会导致要建立过多的隶属函数和模糊控制 规则，推导过程也相当复杂，整个模糊控制器显得混乱没有条理。在位置误差的 不同部分所建立的控制规则也不相同。鉴于上述原因，把位置误差( e p ) 划分为 六个部分如图3 3 所示：轨道外远区是比理想轨迹半径大6 0 l o o c m ，轨道外中 1 4 第3 章移动机器人的模糊控制 区是比理想轨迹半径大3 0 6 0 c m ， 图3 3 理想轨迹周围分区 轨道外近区是比理想轨迹半径大o 3 0 c m ，轨 道内远区是比理想轨迹半径小6 0 l o o c m ，轨 道内中区是比理想轨迹半径小3 0 6 0 c m ，轨道 内近区是比理想轨迹半径小o 3 0 c m 。它是作 为一个参考量不作为模糊控制的输入量出 现。在这六个部分分别建立不同的模糊控制 规则适应机器人的路径纠偏，六个部分的基 准速度不一样，离轨道远的时候大，离轨道 近时小，如同我们开车一样离目标点远时快 些，离目标点近时慢点，并且姿态相同时所 施加的控制策略会有所不同。输入量都选为： e d 和e d c 。输出量都选为u 。 3 3 2 基本论域、模糊论域、模糊变量的确定 一般论域中的元素个数的选择不低于1 3 个，而模糊子集总数通常选7 个。 当论域元素总数为模糊子集总数二倍至三倍时，模糊子集对论域的覆盖程度较 好。 根据本课题的实验结果，姿态误差( e d ) 实际变化范围是 一印o ，+ 6 0 0 ， e d 论域是 一6 ，一5 ，一4 ，一3 ，一2 ，一l ，0 ，l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，定义e d 的模糊 语言分别是：正大( p b ) ，正中( p m ) ，正小( p s ) ，零( z ) ，负小( n b ) ，负中( n m ) ， 负大( n b ) 姿态误差变化( e d c ) 的实际变化范围是 - 3 0 0 ，+ 3 0 0 。e d c 的论域和 模糊语言同e d 。输出控制量( u ) 的实际变化范围是： 一3 ，3 。u 论域是 一3 ， 一2 5 ，一2 ，一1 5 ，一l ，一o 5 ，o ，o 5 ，l ，1 5 ，2 ，2 5 ，3 ，模糊语言同e d 。 但是零所表示的意义是左右轮的速度相同。 3 3 3 定义各模糊变量的模糊子集 定义一个模糊予集实际就是要确定模糊子集隶属函数的形状，将确定的隶 属函数衄线离散化，就得到了有限个点上的隶属度，便构成了一个相应的模糊 变量的模糊子集。实验研究结果表明，用正态型模糊变量来描述人进行控制活 动时的模糊概念是适宜的。 现以轨道外远区实录属函数的确定为例进行分析。 e d 的隶属度函数如图3 4 ，e d c 的隶属函数同e d 。u 的隶属函数如图3 5 第3 章移动机器人的模糊控制 所示。 图3 4e d 隶属度函数 图3 5 u 隶属度函数 由于隶属函数曲线形状较尖的模糊子集其分辨率较高，控制灵敏度也较高； 相反，隶属函数曲线形状较缓，控制特性也较平缓，系统稳定性较好。，因此， 在选择模糊变量隶属函数时，在误差较大区域选择低分辨率的模糊集，在误差 较小区域选择较高分辨率的模糊集，当误差接近零时选择高分辨率的模糊集。 从图3 4 中可以看到从0 到n b 或p b 曲线形状一个比一个平缓。目的是使小车 在误差大时平稳的运行，在误差小时能准确地分辨出自己的状态，达到最理想 的位置和姿态。在定义这些模糊子集时要注意使论域中任何一点对这些模糊子 集的隶属度的最大值不能太小，否则会在这样点附近出现不灵敏区域，以至于 造成失控，使模糊控制系统性能变坏。 此外还需指出，各模糊子集相互之问也有影响，如图3 4 所示，c 【1 及0 【：分 别为两种情况下各模糊子集的交集的最大隶属度，显然0 【l 小于a ：，可用a 者的 大小来描述两个模糊子集之间的影响程度，当0 【值较小时控制灵敏度较高，而 当c 【值较大使模糊控制的鲁棒性较好，因此，可以看到误差较大移动机器人的 鲁棒性较好，即控制器有较好的适应对象特性参数变化的能力，误差较小时机 器人区分状态能力强。a 值取得过小或过大都是不利的，一般选取a 值为 0 4 0 8 。a 值过大时造成两个模糊予集难以区分，使控制的灵敏度显著降低。 3 3 3 建立模糊控制器的控制规则 在前面已有所论述，把小车在理想轨迹周围的运动范围划分为六个区域， 在不同的运动区域有不同运动控制规则，下面说明在轨道外远区建立模糊控制 规则的基本思想，选取控制量变化的原则就是：让移动机器人以最快的速度返 1 6 第3 章移动机器人的模糊控制 回到规划轨迹的附近。 当误差( e d ) 为负大时，若当误差变化( e d c ) 为负，这时误差有增大的趋势， 为尽快消除已有的负大误差并抑制误差变大，所以控制量的变化取负大。 当误差( e d ) 为负中或负小时，为了让小车更快的行驶到规划轨迹的附近， 控制输出量为o ，使小车已直线的轨迹行驶过去。 当误差( e d ) 为正小时，控制输出量为正中，当误差( e d ) 为正中或正大时， 控制输出量为正大。 在整个控制过程中，主要考虑姿态误差( e i ) ) 和参考量位置误差p ) ，姿态 误差变化( e d c ) 次之。 表3 1 轨道外远模糊控制规则表 n e d c e 八r n bn mn sz p s p mp b n b n b n b n b n bn b n bn b n mo0oooo0 n soo0o 0 oo zp mp mp mp mp mp mp m p sp mp mp mp mp m p m p m p mp bp b p b p bp b p b p b p bp bp bp bp bp bp bp b 轨道外中区建立模糊控制规则的基本思想：让移动机器人以最快的速度接 近规划规划轨迹又要防止机器人运动超调。这个过程中主要考虑的变量是姿态 误差( e d ) 、姿态误差变化( e d c ) 、参考量位置误差( e p ) 。 表3 2 轨道外中模糊控制规则表 弋g 回、c ，、n b n mn szp sp mp b n bn bn bn bn bn b舳n b n mn bn bn mn mzzz n sn mn mn sn szzz zn sn sn szp sp sp s p szzz p sp sp sp m p mp mp mp mp mp mp bp b p bp bp bp bp bp bp bp b 1 7 第3 章移动机器人的模糊控制 轨道外近区建立模糊控制规则的基本思想，：防止机器人运动超调，让移动 机器人以最快的速度达到稳态。这个过程中主要考虑的变量是姿态误差变化 ( e d c ) 表3 3 轨道外近模糊控制规则表 匙c e d u n bn mn szp sp mp b n bn b n bn bn mn mn mn m n mn m n mn mn mn m n mn m n sn