摘 要:为实现救援机器人运动轨迹的实时精确控制,将模糊PID控制技术应用于其运动控制系统,对模糊PID控制器的三个参数Kp,Ki,Kd进行在线调整。最后,在Matlab/Simulink环境下对其控制效果进行仿真,结果表明,该运动控制系统将传统PID控制的精确性和模糊控制的灵活性、自适应性有机结合起来,有效的克服了运动控制系统的变参数、非线性等因素的影响,使系统输出响应的过渡平稳、系统超调量小、过渡时间短、跟踪性能好,具有较好的动态性能。
关键词:救援机器人 模糊PID Matlab/Simulink 运动控制 精确控制
中图分类号:TP242文献标识码:A文章编号:1674-098X(2012)03(a)-0020-01
引言
救援机器人是一个集环境感知、动态决策、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统,它集成了机械工程、电子技术、智能控制、计算机科学与技术等多个学科领域的先进研究成果,其运动控制是机器人领域的一个重要研究方向,也是救援机器人运动轨迹控制、定位和导航的基础[1]。近年来,模糊控制被广泛应用于各种控制中,其根源在于模糊控制本身提供了一种由专家构造语言构成的信息系统并将其转化为控制策略的推理方法,因而能够解决许多复杂而又无法建立精确数学模型的系统的控制问题,它是处理推理系统和控制系统不精确和不确定性的一种有效方法。
1 救援机器人运动学分析
本文研究的是由贵州省信息与计算科学重点实验室独立开发研制的基于危险环境下的救援机器人平台—— 黔援I号的运动控制系统。该救援机器人的动力系统主要由两个主履带和四个辅助履带组成,运用差动驱动的方式实现对其运动系统的控制,通过左右两侧主履带的差分运动实现转弯运动,使救援机器人可以沿任意方向做直线运动。四个辅助履带主要用于救援机器人的姿态调整,以辅助救援机器人完成爬坡、上下楼梯、翻越障碍物、跨越壕沟等复杂的动作。
2 模糊PID运动控制器系统设计
2.1 模糊PID运动控制的原理
由于救援机器人所处的救援环境一般较为复杂,其中充满了随机性和不确定性,采用一般的控制方法很难实现对机器人运动轨迹的精确控制。然而模糊PID运动控制器具有在线整定控制参数的功能,利用它控制救援机器人的运动则可以方便地解决由于环境变化带来的轨迹改变问题[2]。
2.2 模糊PID运动控制器的设计
由以上分析,我们可以得出模糊PID运动控制器的结构如图1所示:
3 系统的仿真
本文在Matlab/Simulink仿真环境下,对救援机器人的模糊PID运动控制器的性能进行仿真实验。Matlab7.0提供了丰富的仿真模块库Simulink以及配合其它工具箱一起使用的一系列仿真模块库,如模糊逻辑、神经网络、控制系统、信号处理和通信系统等[3-4]。本文主要用到的模块库有:基本库(simulink)、扩展库(simulinkextras)和模糊逻辑库(fuzzylogictool-box)。
通过仿真实验,得出在控制器的作用下,救援机器人能够快速的回到理想路径并做直线运动,跟踪误差也能快速的收敛到零,具有良好的跟踪性能。
4 结论
机器人运动控制系统是救援机器人的核心机构,它的性能决定着机器人的整体性能。考虑到系统的延迟和非线性因素对机器人运动轨迹的影响,本文采用模糊自适应PID控制策略,将模糊控制和传统的PID控制相结合,在常规PID调节器的基础上加上参数自整定的模糊控制环节,将传统PID控制的精确性和模糊控制的灵活性、自适应性相结合,满足了运动控制系统对变参数、非线性等不利因素自动调整的要求,使系统的输出响应过渡平稳、系统超调量小、过渡时间短、跟踪性能好。因而,取得了较好的动态控制性能。
参考文献
[1]蔡自兴,贺汉根,陈虹.未知环境中移动机器人导航控制研究的若干问题[J].控制与决策,2002,17(4):385~390.
[2]黄炳强,曹广益,费燕琼.基于模糊控制器的机器人路径规划研究[J].测控技术,2007,26(1):30~32.
[3]陈桂明,张明照,等.应用Matlab建模与仿真[M].北京:科学出版社,2001.
[4]韩利竹,王华.Matlab电子仿真与应用[M].北京:国防工业出版社,2001.
①作者简介:王祥(1986.2-),男,河南省汝南县,学历:硕士研究生,研究方向:嵌入式开发。所在单位:贵州师范大学。
基金项目:贵州师范大学学生科研基金;贵阳市科技局科技计划项目——基于危险品环境下的城市搜救机器人的研究与实现([2010]筑科工合同字第184号);贵阳市科技局大学生科技创业项目(合同[2011]06号)基金项目:贵州师范大学学生科研基金;贵阳市科技局科技计划项目——基于危险品环境下的城市搜救机器人的研究与实现([2010]筑科工合同字第184号);贵阳市科技局大学生科技创业项目(合同[2011]06号)