李 鑫，盧 剛，李聲晉，周 勇，李啟瑞

(1.西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072;2.中興通訊股份有限公司，陜西西安710065)

0 引 言

目前，機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，在其它領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸增多。輪式機(jī)器人作為移動(dòng)機(jī)器人的一種，具有體積小、成本低、機(jī)動(dòng)性好、生存能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊，越來(lái)越受到各國(guó)研究者的關(guān)注［1］。作為輪式機(jī)器人的控制重點(diǎn)之一，機(jī)器人各驅(qū)動(dòng)輪的調(diào)速控制精度要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的PID控制方法已經(jīng)很難滿足其要求［2］。因此，為了獲得高精度的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速控制效果，本文將具有較強(qiáng)魯棒性能的模糊控制理論與PID控制理論相結(jié)合，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)輪的模糊PID調(diào)速控制器。

1 輪式機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的輪式機(jī)器人采用對(duì)稱四輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，由四個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸完全相同的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)單元和車體構(gòu)成，并且配備有多電機(jī)協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。車體在機(jī)器人中部，用于裝載控制系統(tǒng)、電池及其他各種設(shè)備，輪式機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)器人具有四個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)單元，每個(gè)運(yùn)動(dòng)單元由一個(gè)擺臂、兩個(gè)電動(dòng)輪構(gòu)成。這兩臺(tái)電動(dòng)輪分別置于擺臂的兩端，一個(gè)與地面保持接觸作為驅(qū)動(dòng)輪，另一個(gè)則作為從動(dòng)輪。

圖1 輪式機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

擺臂的內(nèi)置電機(jī)為永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，并與減速器構(gòu)成擺臂傳動(dòng)鏈帶動(dòng)擺臂旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)擺臂及從動(dòng)輪繞著驅(qū)動(dòng)輪中心軸做正反向的全周擺動(dòng)。驅(qū)動(dòng)輪的內(nèi)置電機(jī)同樣采用體積小、質(zhì)量輕、輸出扭矩大的無(wú)刷電機(jī)，經(jīng)減速器輸出至傳動(dòng)軸，直接驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在驅(qū)動(dòng)軸中心線的傳遞的要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)與其配套的減速器將驅(qū)動(dòng)動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)軸，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人平臺(tái)的輪式運(yùn)動(dòng)所需動(dòng)力。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)輪式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的精確控制，采取了雙閉環(huán)控制方式:①利用無(wú)刷電機(jī)內(nèi)部的霍爾傳感器，在實(shí)現(xiàn)電機(jī)正確換相的同時(shí)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行速度閉環(huán)控制;②在機(jī)器人應(yīng)用的每個(gè)電機(jī)外部均加裝位置傳感器，從而可以進(jìn)行準(zhǔn)確的位置閉環(huán)控制。

2 模糊控制理論

傳統(tǒng)PID控制方法是在閉環(huán)控制之前根據(jù)機(jī)器人期望的速度和角速度，求出閉環(huán)控制的左右輪期望速度后再實(shí)現(xiàn)兩輪閉環(huán)控制，但當(dāng)存在車輪打滑擾動(dòng)時(shí)，引起的左右輪速度的偏差將得不到補(bǔ)償，使移動(dòng)機(jī)器人期望的角速度與其實(shí)際的角速度出現(xiàn)大的偏差，導(dǎo)致控制效果不理想。模糊控制原理圖［3］如圖2所示。

圖2 模糊控制原理圖

模糊控制器由模糊化、模糊推理、反模糊化三個(gè)基本部分構(gòu)成。輸入變量的模糊化就是將輸入的變量確切值轉(zhuǎn)化為可用模糊集合描述的模糊變量，即確定輸入變量和輸出變量，各變量的模糊狀態(tài)，輸入變量的論域、輸入變量實(shí)際確切值對(duì)應(yīng)的論域確切值，以及定義各模糊狀態(tài)的隸屬函數(shù)。模糊推理的任務(wù)就是利用前面得到的輸入變量的模糊集，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)，推導(dǎo)模糊關(guān)系，然后根據(jù)模糊關(guān)系求出輸出變量。一般情況下模糊控制器的輸出變量是一個(gè)模糊集，不能直接用來(lái)控制被控對(duì)象，需要進(jìn)行反模糊化轉(zhuǎn)化成執(zhí)行器可以執(zhí)行的精確量。

3 硬件設(shè)計(jì)

每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)均是二對(duì)極的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，其額定電壓為24 V，額定功率為52 W，為增強(qiáng)電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩，加裝有減速比為1∶36的減速器。電動(dòng)機(jī)控制上電后，DSC通過(guò)CAN總線接收上位機(jī)發(fā)送的指令報(bào)文，并采用中斷方式每隔5 ms回傳電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)到上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)一定的控制算法產(chǎn)生對(duì)功率變換電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。為了提高車輛的伺服性能，系統(tǒng)采用PWM雙極性驅(qū)動(dòng)方式對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)行驅(qū)動(dòng)控制。

整體設(shè)計(jì)總體框架如圖3所示，它顯示了硬件電路各部分以及與外設(shè)之間的關(guān)系。

整個(gè)硬件系統(tǒng)主要由電源模塊、DSC控制模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊以及CAN總線通訊模塊等構(gòu)成。24 V的蓄電池向整個(gè)系統(tǒng)供電，其中控制模塊DSC需5 V供電，驅(qū)動(dòng)模塊需要15 V供電，逆變電路需24 V供電，而5 V與15 V電分別是由三端穩(wěn)壓器7805與7815產(chǎn)生。作為控制部分核心的主控芯片dsPIC30F4012，主要完成系統(tǒng)所需要的PID運(yùn)算，產(chǎn)生一定占空比的脈寬數(shù)字信號(hào)PWM以控制電機(jī)運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊。

圖3 輪式機(jī)器人控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路主要包括了高壓驅(qū)動(dòng)芯片IR2130以及由六個(gè)功率MOSFET構(gòu)成的三相全橋逆變電路。IR2130輸出的六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別加到對(duì)應(yīng)的六個(gè)柵極MOS管，觸發(fā)其開(kāi)通與關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)電路的功能是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子的各相繞組，使電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)［4］。為了保障系統(tǒng)的有效運(yùn)行，控制器還包括故障檢測(cè)電路，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的過(guò)流及欠壓等保護(hù)。

系統(tǒng)采用CAN總線通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，CAN模塊采用Philips公司的PCA82C250芯片，實(shí)現(xiàn)物理介質(zhì)之間的電氣轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)以PC作為上位機(jī)，進(jìn)行命令的發(fā)送與實(shí)時(shí)監(jiān)控。上位機(jī)接收DSC通過(guò)CAN總線發(fā)來(lái)的信息，并對(duì)這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行邏輯處理，用以調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而協(xié)調(diào)左右輪的運(yùn)動(dòng)。DSC根據(jù)從上位機(jī)下達(dá)的指令來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的換相，并向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送PWM脈沖調(diào)制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路再將DSC發(fā)送的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行功率放大，向各個(gè)開(kāi)關(guān)管傳送能使其飽和導(dǎo)通與關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。DSC不斷的采集實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，并根據(jù)轉(zhuǎn)速來(lái)修正上位機(jī)給出的控制指令，實(shí)現(xiàn)輪式機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

4 控制器模糊PID的設(shè)計(jì)

本文采用模糊技術(shù)與PID結(jié)合構(gòu)成模糊PID的控制方法，其基本原理是在普通PID控制器的基礎(chǔ)上，加上一個(gè)模糊控制環(huán)節(jié)，模糊控制環(huán)節(jié)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，在線分別調(diào)節(jié)PID的三個(gè)參數(shù)。該模糊PID控制器的目的是找出PID控制的三個(gè)參數(shù)KP、KI和KD與電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差E以及轉(zhuǎn)速偏差變化率EC之間的模糊關(guān)系，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)不斷檢測(cè)E和EC，根據(jù)模糊控制原理對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同E和EC對(duì)控制參數(shù)的要求［5］。模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖4 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖

PID控制的理想算法:

總之，現(xiàn)代化專業(yè)群建設(shè)是高職院校展現(xiàn)自我實(shí)力，提高學(xué)校就業(yè)率，與區(qū)域產(chǎn)業(yè)有效結(jié)合，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)發(fā)展的一個(gè)專業(yè)集合，它直接體現(xiàn)了高職院校的整體辦學(xué)理念，人才培養(yǎng)定位，辦學(xué)特色，也是加大構(gòu)建一流高職院校的主要內(nèi)容，高職院校要結(jié)合自身實(shí)際特點(diǎn)及區(qū)域內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求等多方面因素，科學(xué)開(kāi)展專業(yè)群建設(shè)，有效提高高職院校人才培養(yǎng)質(zhì)量和專業(yè)教學(xué)水平。

式中:e(t)為設(shè)定值與過(guò)程值的偏差;KP為比例系數(shù);Ti為積分時(shí)間常數(shù);Td為微分時(shí)間常數(shù)。

采用DSC編寫PID控制程序，將微分方程進(jìn)行差分處理，得到增量式PID控制方程:

控制算法中無(wú)需累加，控制的增量?jī)H與最近k次采樣有關(guān)，故產(chǎn)生誤動(dòng)作時(shí)影響較小，且易通過(guò)加權(quán)法處理得到較好的控制效果。

結(jié)合PID控制過(guò)程與實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，歸納PID控制三個(gè)參數(shù) KP、KI和 KD的模糊化自調(diào)節(jié)原則［7］如下:

(1)KP調(diào)整原則

控制系統(tǒng)控制品質(zhì)的好壞很大程度上取決于比例值的選取。增大KP可加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差且可提高控制精度，但KP如果過(guò)大將會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)不穩(wěn)定;減小KP會(huì)增大系統(tǒng)穩(wěn)定裕度，減小超調(diào)量，但卻降低了穩(wěn)態(tài)精度，延長(zhǎng)了調(diào)節(jié)時(shí)間。調(diào)節(jié)初期，KP應(yīng)適當(dāng)取較大值從而提高響應(yīng)速度;調(diào)節(jié)中期，將KP調(diào)至適當(dāng)值以兼顧穩(wěn)定性以及調(diào)節(jié)速度;調(diào)節(jié)后期，將KP調(diào)整到較小從而減小靜差，以提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度。

積分作用主要用于消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。增大KI有利于消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差，但KI過(guò)大又會(huì)使超調(diào)增大，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定;減小KI不僅有利于系統(tǒng)穩(wěn)定，也能減小超調(diào)，避免振蕩，但卻對(duì)消除靜差不利。故調(diào)節(jié)初期，應(yīng)適當(dāng)減小KI;調(diào)節(jié)中期，為避免影響穩(wěn)定性，KI應(yīng)作適度調(diào)整;調(diào)節(jié)后期，應(yīng)增大KI，以減小系統(tǒng)靜差，從而提高穩(wěn)態(tài)精度。

(3)KD調(diào)整原則

對(duì)具較大慣性的被控對(duì)象，微分作用可以改善其動(dòng)態(tài)性能。增大KD有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減小超調(diào)，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，但系統(tǒng)抗干擾能力會(huì)下降，同時(shí)KD過(guò)大還會(huì)使系統(tǒng)提前減速，延長(zhǎng)了調(diào)節(jié)時(shí)間;KD過(guò)小，調(diào)節(jié)過(guò)程的減速將會(huì)滯后，超調(diào)增加，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。因此，調(diào)節(jié)初期，增大KD不僅可減小甚者避免超調(diào);調(diào)節(jié)中期，由于調(diào)節(jié)特性對(duì)KD變化較敏感，故應(yīng)適當(dāng)減小KD;調(diào)節(jié)后期，還應(yīng)減小KD，從而減小被控過(guò)程的制動(dòng)作用。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合機(jī)器人實(shí)際控制過(guò)程，電機(jī)在平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，設(shè)定轉(zhuǎn)速差E范圍為(－100 r/min，100 r/min)，轉(zhuǎn)速差率EC(－30，30)。隸屬函數(shù)采用三角形函數(shù)，解模糊采用重心法，根據(jù)第四節(jié)中的參數(shù)調(diào)整原則總結(jié)出KP、KI、KD的模糊自調(diào)節(jié)規(guī)則分別如表1～表3所示。

表1 KP模糊自調(diào)節(jié)規(guī)則表

表2 KI模糊自調(diào)節(jié)規(guī)則表

將這三張規(guī)則表存入DSC，供程序運(yùn)行時(shí)調(diào)用，下面說(shuō)明實(shí)際的控制效果。

表3 KD模糊自調(diào)節(jié)規(guī)則表

給定電機(jī)轉(zhuǎn)速2 400 r/min，傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制效果分別如圖5、圖6所示，從圖中可以看出，采用模糊PID控制方法上升時(shí)間縮短，超調(diào)量減小。

傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制在目標(biāo)轉(zhuǎn)速突變時(shí)的控制效果分別如圖7、圖8所示。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)速突變時(shí)，模糊PID控制的伺服性能更好。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文以實(shí)驗(yàn)室自行研制的輪式移動(dòng)機(jī)器人為平臺(tái)，主要針對(duì)其驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制設(shè)計(jì)了模糊PID控制器。通過(guò)試驗(yàn)證明，該控制器在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的精確性能上優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器;同時(shí)該控制器可以有效提高系統(tǒng)的控制精度和伺服性。

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