專家PID控制算法在循跡機(jī)器人中的應(yīng)用

張海龍 馬鐵華 謝 銳 劉雙紅

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051;2.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051)

0 引 言

智能機(jī)器人技術(shù)是一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用前景的技術(shù)，不僅在科學(xué)探測領(lǐng)域、還在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，軍事領(lǐng)域上發(fā)揮著越來越重要的作用，對智能機(jī)器人的運(yùn)動控制精度也越來越高［1-2］。

本文重點(diǎn)介紹了一種智能機(jī)器人路徑識別算法。通過檢測電路從而計算出機(jī)器人與目標(biāo)軌跡的偏差值，根據(jù)此偏差值來修正PID 控制器的各個參數(shù)調(diào)整機(jī)器人的控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)路徑識別。

1 智能機(jī)器人循跡原理

智能機(jī)器人是一種在控制系統(tǒng)作用下的，可以沿既定路線自動行駛的系統(tǒng)［3］，本設(shè)計中，采用FPGA 為主控芯片，結(jié)合直流電機(jī)，電源電路，紅外傳感器及其他外圍電路。

該系統(tǒng)時在QuastusⅡ軟件平臺基礎(chǔ)上設(shè)計完成的，采用Verilog HDL 語言編程。設(shè)計實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人沿黑色軌跡行走的智能自動循跡機(jī)器人，路面黑線檢測采用反射式紅外傳感器，通過編寫控制程序，智能機(jī)器人能夠自主識別道路，在循跡算法的引導(dǎo)下以較高速度自動前進(jìn)并具有較高的穩(wěn)定性。

2 智能機(jī)器人的基本算法

常規(guī)PID 控制算法可以表示為:

PID 控制各校正環(huán)節(jié)作用如下:

比例環(huán)節(jié):成比例的反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。

積分環(huán)節(jié):主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)無差度，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常熟T，T 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。

微分環(huán)節(jié):反應(yīng)偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號變得太大之前在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間［4］。

3 智能機(jī)器人的專家PID 算法

本控制系統(tǒng)能夠自動記錄以前的運(yùn)行姿態(tài)，充分利用計算機(jī)系統(tǒng)的存儲和記憶功能，并能夠根據(jù)此時運(yùn)行姿態(tài)和上一次運(yùn)行姿態(tài)去計算此時運(yùn)行需要給出的最優(yōu)控制算子，嵌入式系統(tǒng)發(fā)展突飛猛進(jìn)，它的高速和大容量的數(shù)據(jù)吞吐和處理能力使得此類算法實(shí)現(xiàn)成為可能［5］。

拿一行機(jī)器人姿位信號為例，如圖1 所示:機(jī)器人運(yùn)行姿態(tài)由直線(00000100000)轉(zhuǎn)到了右微偏(00010000000)偏差量為Δd 此時應(yīng)在不影響機(jī)器人運(yùn)行速度的情況下對機(jī)器人進(jìn)行左轉(zhuǎn)微調(diào)給定一個微調(diào)PID控制參數(shù)。

圖1 機(jī)器人的微偏姿位

當(dāng)機(jī)器人偏移軌跡時，根據(jù)偏移量的大小進(jìn)行模式識別，分別識別出過程相應(yīng)的多個特征參數(shù)，如超調(diào)量、阻尼比、衰減振蕩周期、上升時間等，通過與事先存入存儲器的特征參數(shù)值進(jìn)行比較，將偏移量送入專家系統(tǒng)(見圖2)，系統(tǒng)在線推斷，為消除特征量的偏移應(yīng)有的校正量，修正PID控制器的各個參數(shù)。

圖2 專家PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)機(jī)器人偏離指定路線的偏差Δd 來分析和總結(jié)專家規(guī)則如下:

專家規(guī)則一:距離偏差Δd 對PID 控制參數(shù)的修正系數(shù)KΔd。

根據(jù)控制精度的要求，該控制器把距離偏差Δd 分成兩個區(qū)域，±1 cm 為理想?yún)^(qū)域該區(qū)域以穩(wěn)定運(yùn)行為主，可減小控制動作，修正系數(shù)較小。1 cm－5 cm 為加大力度調(diào)節(jié)區(qū)域，即加大修正系數(shù)，根據(jù)PID 參數(shù)影響規(guī)律，尤其加大Kp的修正系數(shù)，可加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，是系統(tǒng)不至于脫離控制，具體修正系數(shù)見表1。

表1 偏差Δd 對PID 控制參數(shù)的修正系數(shù)KΔd

專家規(guī)則二:距離變化率Δdt 對PID 控制參數(shù)的修正系數(shù)KΔdt

|Δdt| 為一個采樣周期內(nèi)一個距離的變化率，若大于一定值(以4 cm 為例)就會出現(xiàn)振蕩或失控的不正?，F(xiàn)象，此時應(yīng)降低修正系數(shù)，不變則不易起到抑制振蕩的作用，增加則會引起更大的振蕩，具體修正系數(shù)見表2 所示。

表2 偏差Δdt 對PID 控制參數(shù)的修正系數(shù)KΔdt

根據(jù)上述專家規(guī)則，可以根據(jù)查表計算，在上次PID參數(shù)的基礎(chǔ)上，得到本次的PID 參數(shù)，滿足公式:

這里設(shè)計的專家控制系統(tǒng)直接作用于專家控制對象，包含在控制回路中，需要在采樣時刻都給出控制信號，系統(tǒng)才能正常運(yùn)行。

4 專家PID 控制算法的實(shí)現(xiàn)

機(jī)器人前裝有5 個反射式紅外傳感器，機(jī)器人運(yùn)行過程中，紅外傳感器將數(shù)據(jù)傳輸至檢測電路，處理以后將偏差傳輸至FPGA，通用FPGA 調(diào)用參數(shù)、修正PID 參數(shù)，并控制直流電機(jī)運(yùn)行，進(jìn)而完成循跡，程序框圖如圖3所示。

圖3 專家PID 控制算法的實(shí)現(xiàn)控制框圖

5 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由文獻(xiàn)［6］可知，輸入舵偏角δ 輸出側(cè)向偏移y 的傳遞函數(shù)如下:

當(dāng)機(jī)器人速度為1 米/ 秒時，參數(shù)和對應(yīng)的傳遞函數(shù)如下:

由文獻(xiàn)［7］可知，PID 控制器傳遞函數(shù)的傳遞函數(shù)為:

系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:

通過MATLAB 仿真，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖4 所示

由圖4 可知，未加任何算法的機(jī)器人魯棒性很差，并且需要近20 s 才能趨于穩(wěn)定。

加入專家PID 算法后，系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖5 所示，系統(tǒng)沒有超調(diào)，數(shù)據(jù)處理速度若達(dá)到1M/Hz，20 μs 可以趨于穩(wěn)定，使機(jī)器人可以更流暢的完成循跡。

6 結(jié) 論

本文在常規(guī)PID 算法上提出了專家PID 算法，通過對智能機(jī)器人進(jìn)行仿真和調(diào)試運(yùn)行，驗(yàn)證了本課題設(shè)計的智能機(jī)器人及控制算法具有動態(tài)性能良好，適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了自動循跡功能。

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