孫鐘阜

（海軍駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航系統(tǒng)軍事代表室，上海201108）

模糊控制在武裝機(jī)器人穩(wěn)定平臺(tái)中的應(yīng)用

孫鐘阜

（海軍駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航系統(tǒng)軍事代表室，上海201108）

針對(duì)武裝機(jī)器人武器平臺(tái)操控穩(wěn)定性的應(yīng)用需求，提出了模糊控制在武裝機(jī)器人武器平臺(tái)穩(wěn)定操控中的應(yīng)用問題。在以往對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)動(dòng)力學(xué)規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，提取兩自由度穩(wěn)定平臺(tái)的輸入輸出變量，利用ADAMS建立穩(wěn)定平臺(tái)的數(shù)學(xué)模型，將ADAMS中建立的穩(wěn)定平臺(tái)模型導(dǎo)入到Matlab中，按照穩(wěn)定平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)規(guī)律設(shè)計(jì)模糊控制器，通過Matlab/Simulink建立穩(wěn)定平臺(tái)的模糊控制系統(tǒng)框圖，通過仿真計(jì)算，分析穩(wěn)定平臺(tái)在階躍力矩信號(hào)下的響應(yīng)特性，修改完善控制系統(tǒng)。并給出了優(yōu)化后控制系統(tǒng)的Matlab和ADAMS聯(lián)合仿真結(jié)果，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的模糊控制器在武裝機(jī)器人武器平臺(tái)穩(wěn)定控制中具有良好的控制效果。

穩(wěn)定平臺(tái)；模糊控制器；聯(lián)合仿真

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代軍事發(fā)生了極大的變化，特別是移動(dòng)武裝機(jī)器人的誕生使得人類將有可能從未來的戰(zhàn)爭(zhēng)中解脫出來［1］。本研究著重討論陸上武裝機(jī)器人，陸上武裝機(jī)器人一般在野外復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)，工作環(huán)境比較惡劣，這就要求必須為武裝機(jī)器人配備控制性能較好的穩(wěn)定平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在行駛過程中保持一定精度的水平穩(wěn)定性和方位跟蹤能力［2-3］。

隨著科技的發(fā)展，部隊(duì)對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)提出了高精度、快速的響應(yīng)速度等要求。傳統(tǒng)的PID控制是基于偏差大小輸出控制力，原理上就存在偏差，同時(shí)由于控制系統(tǒng)的非線性時(shí)變強(qiáng)耦合等特征，參數(shù)固定不變的傳統(tǒng)PID控制越來越滿足不了新的控制要求。這就為模糊控制等一系列的智能控制技術(shù)的誕生提供了現(xiàn)實(shí)的需求［4］。

模糊控制理論的誕生在現(xiàn)代控制領(lǐng)域具有里程碑意義。鑒于作戰(zhàn)環(huán)境的復(fù)雜性，武裝機(jī)器人在野外作戰(zhàn)的平臺(tái)控制不可能是線性的，需要具有一定智能的模糊控制。模糊控制把控制對(duì)象作為“黑箱”，將人們對(duì)“黑箱”的操作經(jīng)驗(yàn)用現(xiàn)實(shí)生活中的語(yǔ)言表達(dá)出來，并設(shè)計(jì)成“模糊規(guī)則”，讓計(jì)算機(jī)通過這些“模糊規(guī)則”模仿人類的決策過程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的模糊控制。

為了達(dá)到較好的控制效果，模糊控制理論給出了一套系統(tǒng)而有效的方法，可以方便地將人們現(xiàn)實(shí)中使用的自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別和處理的機(jī)器語(yǔ)言。模糊控制器是一種基于自然語(yǔ)言控制規(guī)則、模糊邏輯推理的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，它不需要知道控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，而只依賴于操作者的經(jīng)驗(yàn)，將表達(dá)知識(shí)轉(zhuǎn)化成“模糊規(guī)則”，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化有較強(qiáng)的魯棒性，屬于一種智能控制［5］。

本研究針對(duì)模糊控制算法在穩(wěn)定平臺(tái)中的應(yīng)用進(jìn)行了仿真研究，使用ADAMS建立武裝機(jī)器人穩(wěn)定平臺(tái)的機(jī)械模型（本文研究?jī)勺杂啥确€(wěn)定平臺(tái)），利用Matlab的Simulink模塊建立穩(wěn)定平臺(tái)的控制模型并進(jìn)行控制仿真［6-7］。仿真結(jié)果表明模糊控制在武裝機(jī)器人穩(wěn)定平臺(tái)的應(yīng)用中具有較好的控制效果。

1 穩(wěn)定平臺(tái)ADAMS模型

1.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)

虛擬樣機(jī)技術(shù)——ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical system）全稱是機(jī)械系統(tǒng)自動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析軟件，它是目前世界范圍內(nèi)應(yīng)用非常廣泛的多體系統(tǒng)仿真分析軟件。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù)，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。

ADAMS一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。另一方面，又是虛擬樣機(jī)分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類型虛擬樣機(jī)分析的二次開發(fā)工具平臺(tái)［8-9］。

1.2 建立穩(wěn)定平臺(tái)模型

在ADMAS中建立穩(wěn)定平臺(tái)的模型如圖1所示。該模型包括支架、外框和內(nèi)框3部分，支架與地面固連在一起。建立各部件之間的約束關(guān)系，支架與外框建立Cylindrical約束關(guān)系，外框與內(nèi)框建立Cylindrical約束關(guān)系。在穩(wěn)定平臺(tái)各關(guān)節(jié)之間建立驅(qū)動(dòng)元件（本文使用力矩），分別作用于穩(wěn)定平臺(tái)的內(nèi)框和外框。

圖1 穩(wěn)定平臺(tái)模型

1.3 確定輸入輸出變量

穩(wěn)定平臺(tái)的建模過程中除了需要建立模型，添加約束和驅(qū)動(dòng)力矩外，還需要建立輸入輸出變量，這些變量是實(shí)現(xiàn)ADAMS和Matlab聯(lián)合仿真的中介。在ADAMS中定義驅(qū)動(dòng)力矩T1和T2作為其輸入變量，同時(shí)ADAMS中的輸入變量又是Matlab的輸出變量；在ADAMS中定義外框的橫滾角φ，角速度，內(nèi)框的俯仰角θ，角速度作為其輸出變量，同時(shí)ADAMS中的輸出變量又是Matlab的輸入變量。

2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

2.1 精確量轉(zhuǎn)化成模糊量

將精確的參數(shù)離散化，將它分成若干段，每一段對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊子集，每一個(gè)模糊子集運(yùn)用模糊語(yǔ)言表示如下：NB（負(fù)大），NS（負(fù)小），ZE（零），PS（正?。琍B（正大）。某個(gè)精確的參數(shù)屬于某一個(gè)模糊子集的程度用隸屬度表示，而隸屬度可以通過隸屬函數(shù)計(jì)算出來。隸屬度函數(shù)比較常用的有三角型、梯形、高斯型、和鐘型。三角型函數(shù)表達(dá)式為

式中：μ為三角形中心值；2σ為三角形底寬。

高斯型函數(shù)表達(dá)式為

式中：μ為中心值；2σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2.2 模糊控制規(guī)則

模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心，體現(xiàn)了任何模糊控制算法的“智力”，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和理論模擬確定，是設(shè)計(jì)者知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的表現(xiàn)形式［10-11］。其正確性可通過試驗(yàn)來驗(yàn)證和調(diào)整。Mamdani型模糊控制算法表示為

其中，E、EC、U表示語(yǔ)言變量。本文具體表示為角度、角速度和力矩輸出。其中，E、EC在論域中所取的語(yǔ)言值為｛NB、NS、ZE、PS、PB｝，對(duì)應(yīng)為負(fù)大、負(fù)小、零、正小、正大。U在論域中所取的語(yǔ)言變量為｛NB、NM、NS、NZE、ZE、PZE、PS、NM、PB｝，對(duì)應(yīng)于負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。根據(jù)穩(wěn)定平臺(tái)的具體要求，使用Mamdani型規(guī)則，經(jīng)過多次仿真，最終得到控制效果較理想的模糊規(guī)則表，如表1所示。

表1 模糊規(guī)則表

2.3 解模糊

解模糊是指將模糊量轉(zhuǎn)化為精確值的過程。通常反模糊化的方法有3種：中位數(shù)法、最大隸屬度法和加權(quán)平均法，其中最常用的是加權(quán)平均法。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，應(yīng)該通過具體的情況來確定采用哪一種解模糊方法。根據(jù)穩(wěn)定平臺(tái)的具體設(shè)計(jì)要求，本文采用加權(quán)平均法來進(jìn)行解模糊化處理，加權(quán)平均法為

式中：kj為加權(quán)系數(shù)，通常可以選擇隸屬度函數(shù)作為加權(quán)系數(shù)，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。

3 Matlab控制模塊的建立

3.1 虛擬模型的導(dǎo)入

Simulink首先需要將ADAMS中的數(shù)據(jù)模型文件拷貝到Matlab的工作空間中，然后在Matlab中輸入該模型文件的名稱（本文中為wendingpingtai.m），就可以將穩(wěn)定平臺(tái)的數(shù)學(xué)模型導(dǎo)入到Matlab中。使用Matlab和ADAMS的連接指令adams_sys，可以獲得Matlab使用的虛擬樣機(jī)的模型數(shù)據(jù)。如圖2為穩(wěn)定平臺(tái)的虛擬模型。

圖2 Matlab中的穩(wěn)定平臺(tái)模型

3.2 穩(wěn)定平臺(tái)模糊控制框圖的設(shè)計(jì)

本文模糊控制邏輯設(shè)置的內(nèi)容如表2所示。選取模糊控制器角度的方法為高斯函數(shù)法和三角形函數(shù)法相結(jié)合的方法，如圖3所示。角速度輸入和模糊控制器的輸出均采用三角形函數(shù)法，如圖4、圖5所示。模糊控制框圖如圖6所示。

表2 模糊控制邏輯

圖3 角度輸入的隸屬度函數(shù)

圖4 角速度輸入的隸屬度函數(shù)

圖5 力矩輸出的隸屬度函數(shù)

圖6 模糊控制框圖

3.3 仿真過程及結(jié)果

針對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行自穩(wěn)定控制的實(shí)際情況進(jìn)行仿真，即穩(wěn)定平臺(tái)跟隨載體有連續(xù)的位置變化。對(duì)兩自由度穩(wěn)定平臺(tái)的橫滾環(huán)和俯仰環(huán)分別加入階躍信號(hào)擾動(dòng)，觀察穩(wěn)定平臺(tái)在擾動(dòng)信號(hào)作用下的運(yùn)行情況。穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)脈沖響應(yīng)如圖7和圖8所示。在模糊控制器的作用下，穩(wěn)定平臺(tái)能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，其跟蹤誤差較小，仿真結(jié)果表明模糊控制器在穩(wěn)定平臺(tái)的自穩(wěn)定中具有很好的控制效果。

圖7 橫滾框階躍信號(hào)下的響應(yīng)圖

圖8 俯仰框在階躍信號(hào)下的響應(yīng)圖

4 結(jié)論

本研究采用模糊控制器對(duì)陸上武裝機(jī)器人兩自由度穩(wěn)定平臺(tái)的橫滾環(huán)和俯仰環(huán)進(jìn)行控制，并在ADAMS和Matlab環(huán)境下進(jìn)行了聯(lián)合仿真，通過聯(lián)合仿真的結(jié)果可以說明這種模糊控制器能夠很好地對(duì)兩軸穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行自穩(wěn)定控制，為今后對(duì)未知模型或難以獲得傳遞函數(shù)的模型進(jìn)行控制打下較好的基礎(chǔ)。ADAMS與Matlab在此次仿真中可以很好地發(fā)揮2個(gè)軟件的各自優(yōu)勢(shì)，ADAMS建?？梢院芸斓孬@得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，同時(shí)又可以避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，Matlab具有強(qiáng)大的控制仿真能力，同時(shí)聯(lián)合仿真的結(jié)果既清晰又直觀。當(dāng)ADAMS和Matlab的聯(lián)合仿真運(yùn)用到更加復(fù)雜的仿真時(shí)，這種方法的優(yōu)勢(shì)將更加明顯，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］仲崇慧，賈喜花.國(guó)外地面無人作戰(zhàn)平臺(tái)軍用機(jī)器人發(fā)展概況［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2005（4）:18-24.

［2］江偉偉.遺傳算法在武裝機(jī)器人穩(wěn)定平臺(tái)控制中的應(yīng)用［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2014，35（10）:41-47.

［3］高翌陽(yáng)，齊蓉.艦載天線穩(wěn)定平臺(tái)伺服控制器研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20（5）:1301-1306.

［4］姜麗輝，周長(zhǎng)省.慣性穩(wěn)定平臺(tái)位置伺服的模糊控制仿真研究［J］.微機(jī)電，2014，47（7）:67-71.

［5］畢永利，王中鮮.模糊控制在光電穩(wěn)定平臺(tái)跟蹤中的應(yīng)用［J］.黑龍江水專學(xué)報(bào)，2010，37（2）:94-96.

［6］應(yīng)再恩，平雪良.基于ADAMS和Matlab的雙回路PID控制倒立擺聯(lián)合仿真［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2012，36（8）:64 -67.

［7］Han Y，Tzoneva R.Matlab，Labview and FPGA Linear Control of an Inverted Pendulum［C］//AFRICON 2007.［S. l.］:［s.n.］，2007:1-7.

［8］陳文凱，莫亞武.三自由度并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)及仿真［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2009，33（1）:25-27.

［9］王建平，彭凱.基于ADAMS的一種新型六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的參數(shù)分析與仿真［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2011，35（5）:31 -35.

［10］姜麗輝，周長(zhǎng)省.慣性穩(wěn)定平臺(tái)位置伺服的模糊控制仿真研究［J］.微電機(jī)，2014，47（7）:67-71.

［11］邱寶梅，王鳳娟.基于模糊-PID控制的小型機(jī)載攝影穩(wěn)定平臺(tái)［J］.光電工程，2010，37（10）:23-28.

［12］蘇豪，薛方正.關(guān)節(jié)型機(jī)器人通用仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012（6）:82-88.

（責(zé)任編輯周江川）

Application of Fuzzy Control on Armed Robot's Turntable

SUN Zhong-fu
（The Navy Military Agent's Room of Acoustic Navigation System in Shanghai Area，Shanghai 201108，China）

According to the armed robot stable platform application，the problem of the fuzzy control in the application of armed robot weapons platform stability control was proposed.Based on the analysis of the kinetics of stabilized platform in the past，we set up the input and output variables for the two-degree-of-freedom turntables，and ADAMS was employed to establish the mathematical model for the turntables.The turntables model established in ADAMS were imported to Matlab and the fuzzy controller was designed according to the dynamics of stabilized platform，and the block diagram for the fuzzy control system of the two-degree-of-freedom turntables was established through Matlab/Simulink.Through the simulation calculation，we analyzed the response characteristics of stabilized platform which under the effect of step torque signal and improved the control system.Finally we gave the results of ADAMS and Matlab joint simulation about the optimized control system.The results of the united simulation of Matlab and ADAMS show that the fuzzy controller designed in this paper has great effect in the armed robot weapons platform stability control.

stable platform；fuzzy control；united simulation

孫鐘阜.模糊控制在武裝機(jī)器人穩(wěn)定平臺(tái)中的應(yīng)用［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2015（11）：15-18.

format：SUN Zhong-fu.Application of Fuzzy Control on Armed Robot's Turntable［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2015（11）：15-18.

TP242；TJ9

A

1006-0707（2015）11-0015-04

10.11809/scbgxb2015.11.005

2015-05-25

孫鐘阜（1965—），男，高級(jí)工程師，主要從事水聲對(duì)抗，控制技術(shù)研究。