嚴(yán)法高(1982-)
男,江蘇鹽城人,碩士,從事可編程控制器、自動(dòng)化儀表等課程教學(xué)。
基金項(xiàng)目:揚(yáng)州大學(xué)信息科學(xué)學(xué)科群項(xiàng)目(ISG030604)
摘 要:本文提出了一種模糊控制算法。利用傳感器采集外部環(huán)境信息,在辨識(shí)獲得精確模型的基礎(chǔ)上,基于模糊推理,使機(jī)器人能夠順利完成火源追蹤等任務(wù)。
關(guān)鍵詞:機(jī)器人;行為控制;模糊控制
Abstract: In this paper,a fuzzy control algorithm was applied. With the sensors’ messages, based on precise identification result and fuzzy inference, the robot can track fire successfully.
Key words: robot; behavior control; fuzzy control
機(jī)器人控制的研究是當(dāng)今世界的一個(gè)前沿課題。機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用了信息技術(shù)中的感測(cè)技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)等,是信息技術(shù)課程和相關(guān)科技活動(dòng)的良好載體。一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)看好智能機(jī)器人教育對(duì)未來高科技社會(huì)的作用和影響。近年來,我國(guó)為了推動(dòng)機(jī)器人及智能控制技術(shù)的發(fā)展,推出了不同類型的機(jī)器人比賽,其中尤以機(jī)器人足球比賽、機(jī)器人滅火比賽最為引人注目。
在滅火比賽環(huán)境中,追蹤到火源是比賽中至關(guān)重要的環(huán)節(jié),由于各車輪行走的不均勻性,車輪與地面之間的打滑,以及其它噪聲干擾,在不進(jìn)行控制的情況下,移動(dòng)機(jī)器人很難迅速準(zhǔn)確追蹤到火源。很多研究者提出不同方法實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的追蹤行為。本論文以上海英集斯公司生產(chǎn)的Robot-v200系列機(jī)器人為研究對(duì)象,針對(duì)比賽環(huán)境,提出了基于模糊推理的控制方法,它模擬駕駛員思想,設(shè)計(jì)追蹤行為,提高了滅火機(jī)器人的自主運(yùn)行能力。機(jī)器人尋找火源過程中的沿墻行走行為也可采用此原理實(shí)現(xiàn)。
1 競(jìng)賽要求及機(jī)器人結(jié)構(gòu)
機(jī)器人在一間平面結(jié)構(gòu)房子模型里運(yùn)動(dòng),找到一根蠟燭并盡快把它熄滅,這個(gè)工作受多個(gè)因素影響,它模擬了現(xiàn)實(shí)家庭中機(jī)器人模擬火警的過程,蠟燭代表家庭里燃起的火源,機(jī)器人必須找到并熄滅它。 比賽場(chǎng)地采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)比賽場(chǎng)地,其具體情況如圖1所示。
圖1 滅火比賽場(chǎng)地結(jié)構(gòu)圖
如圖2所示的為移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)模型,它是一個(gè)有著四個(gè)輪子的輪式機(jī)器人,它由兩對(duì)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的輪子組合而成的。通過改變左右兩對(duì)輪子轉(zhuǎn)速的方式,我們可以方便地實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)、后退、左拐、右拐、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等功能。
圖2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖
2 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)辨識(shí)
Robot-v200系列機(jī)器人采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),由直流電動(dòng)機(jī)基本知識(shí)我們知道,電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)于輸入電壓的傳遞函數(shù)為
(1)
該模型離散化后,再加以處理可變?yōu)槿缦碌男问剑?BR>
(2)
式中:是過程的輸出量;
是可觀測(cè)的數(shù)據(jù)向量;
為需辨識(shí)的過程參數(shù);
是均值為零的隨機(jī)噪聲。
準(zhǔn)則函數(shù)取
(3)
通過極小化該準(zhǔn)則函數(shù),再經(jīng)一系列變換可得到最小二乘參數(shù)辨識(shí)的遞推公式
(4)
采集多組電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù),利用上述遞推公式,即可辨識(shí)獲得對(duì)象參數(shù)。
3 滅火機(jī)器人控制系統(tǒng)
移動(dòng)機(jī)器人采用遠(yuǎn)紅外傳感器來獲取火焰光強(qiáng)信息,信息經(jīng)過處理后,用來控制兩個(gè)輪子的速度的變化來決定機(jī)器人的相應(yīng)運(yùn)動(dòng),這是移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)追蹤火源的普遍方法。本文要使移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)追蹤火源,于是將傳感器布置為右前側(cè)、前側(cè)、左前側(cè)。各種火源強(qiáng)度的信息均來自布置在車體上的3組遠(yuǎn)紅外傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù),即輸入變量分別為傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)Gl,G,Gr,輸出變量為兩個(gè)輪子的速度Vl和Vr作為系統(tǒng)的輸出,即采用了三輸入兩輸出的模糊控制系統(tǒng)。
4 模糊推理
設(shè)Gl(k),G(k)和Gr(k)為系統(tǒng)k時(shí)刻的三個(gè)遠(yuǎn)紅外傳感器的測(cè)量值,即為輸入變量,將Gl(k),G(k)和Gr(k)劃分為5個(gè)模糊集,設(shè)Vl和Vr為控制器的計(jì)算結(jié)果,即為輸出變量,將Vl和Vr劃分為3個(gè)模糊集。如圖3所示。
圖3 輸入輸出變量的的模糊集
定義模糊規(guī)則如下:
If Gl is Ai and G is Bi and is Gr is Ci then Vl is Di and Vr is Ei, i=1,2,…,18。其中Ai,Bi,Ci∈{PB,PS,ZE,NS,NB},Di,Ei∈{FB,M,B}為模糊集,經(jīng)過模糊推理輸出部分隸屬函數(shù)由對(duì)應(yīng)每個(gè)規(guī)則隸屬函數(shù)合成輸出,表示為:
Vl和Vr可按如下的推理方法計(jì)算:
(5)
(6)
式中:Vl和Vr表示輸出變量即左右輪的速度,i是第i條規(guī)則的輸出量所對(duì)應(yīng)面積的重心,Di和Ei為輸出的控制量的隸屬度函數(shù)。
5 結(jié)論
本文以Robot-v200系列機(jī)器人為研究對(duì)象,針對(duì)江蘇省機(jī)器人滅火大賽環(huán)境,研究了基于模糊邏輯控制的機(jī)器人追蹤火源以及繞墻走的行為控制方法,滅火機(jī)器人通過傳感器探測(cè)到的信息并結(jié)合移動(dòng)機(jī)器人的外部環(huán)境,并且經(jīng)過模糊化、模糊推理過程,得到機(jī)器人的左、右兩對(duì)驅(qū)動(dòng)輪速度,從而控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。通過實(shí)驗(yàn)證明該模糊邏輯系統(tǒng)的具有一定的有效性。相較于傳統(tǒng)的方法,本文將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制與模糊邏輯結(jié)合用于滅火機(jī)器人導(dǎo)航。
其它作者:張宏彬(1967-),男,江蘇揚(yáng)州人,碩士,副教授,從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)及人工智能工作;陳虹(1955-),男,江蘇揚(yáng)州人,教授,系主任,從事自動(dòng)控制等課程教學(xué)和計(jì)算機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化方面的應(yīng)用研究、設(shè)計(jì)工作。
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——轉(zhuǎn)自《自動(dòng)化博覽》