基于模糊控制的拋射機器人位置校準研究

孔德松 高宏力 張潔 趙彬 黃曉蓉 楊松

(西南交通大學機械工程學院,四川 成都 610031)

基于模糊控制的拋射機器人位置校準研究

孔德松 高宏力 張潔 趙彬 黃曉蓉 楊松

(西南交通大學機械工程學院,四川 成都 610031)

針對拋射機器人距離目標位置較遠,在位置校準過程中容易出現(xiàn)目標位置判斷不準、校準速度慢等問題,提出了定距離的位置校準方式。在選用高精度激光掃描儀提高位置判斷精度的基礎上,構(gòu)建了精準的數(shù)學模型,同時在算法中加入了模糊控制。試驗結(jié)果表明,該裝置位置校準效果理想,符合機器人的拋射需求。

位置校準 拋射機器人 激光掃描儀 模糊控制 模糊算法

0 引言

機器人誕生于20世紀,發(fā)展非常迅速,現(xiàn)已應用到生產(chǎn)、生活的各個方面,能夠替代人工完成精度更高、可靠性更強的任務和目標。

拋射機器人的研制在軍事和民用中都具有非常重要的意義,但是由于拋射受到拋射距離和初速度以及空氣阻力多個參數(shù)的影響,使其算法極其復雜[1]。鑒于此,拋射機器人大多選用的是定位置或者定距離的拋射方式,即在經(jīng)過計算和現(xiàn)場試驗后,得到在固定距離下拋射的最優(yōu)初速度和拋射角,達到精確拋射的目的。但定位置的拋射方式大大限制了機器人的自由度和運動空間。當采用定距離拋射方式時,由于拋射方向需要嚴格對準目標位置,機器人位置的校準就成為了拋射能否成功的關(guān)鍵。對此,本文在位置監(jiān)測中應用了激光掃描儀,可以針對當前位置進行非常有效和快捷的分析;在控制過程中,加入了模糊控制器,采用模糊控制不僅對被控制對象參數(shù)變化適應性強,同時使電機運行更加平穩(wěn),保證了控制精度的要求和實時性[2]。

1 總體設計

設計要求:拋射機器人需要在距離為5 m的位置向高度為3.5 m、直徑為0.5 m的圓形拋射平臺進行物體拋射,拋射平臺立柱直徑為0.1 m,機器人釋放物體的高度為0.5 m。理想拋射目標位置為到達拋射平臺的圓心。拋射方式采用彈射方式,即在拋射手臂上安裝彈簧,在位置校準完成后,控制氣閥進行物體釋放。

在經(jīng)過精密計算和多次重復性試驗后,得到在距離為5 m的位置上,以10 m/s的初速度和71°拋射角拋射時,物體能夠精確到達拋射點,并具有較好的接觸角度,不會發(fā)生側(cè)滑等情況。

為了能夠使機器人更協(xié)調(diào)有效地進行角度和距離調(diào)整,底盤采用四個全向輪設計。相鄰兩個全向輪的夾角為90°,通過四個全向輪轉(zhuǎn)動方向和差速的配合,可以進行順時針和逆時針的原地旋轉(zhuǎn)以及任意方向直線運動[3]。

1.1 系統(tǒng)工作原理

拋射機器人系統(tǒng)以倍福嵌入式PC(CX1030)為控制核心,由激光掃描儀(勞易測ROD4)、倍福模擬量輸出模塊(EL4004)和直流電機構(gòu)成。

激光掃描儀通過串口與嵌入式PC進行通信,能夠高速實時上傳掃描數(shù)據(jù),經(jīng)過嵌入式PC的分析和運算,控制EL4004模塊輸出0～10 V電壓,通過橋式驅(qū)動電路驅(qū)動直流電機的配合運行,達到控制機器人運動的目的。

1.2 激光掃描儀應用規(guī)劃

德國勞易測ROD4激光掃描儀利用內(nèi)置電機旋轉(zhuǎn)能夠?qū)η胺?90°范圍的目標進行高速掃描,掃描射線間隔為0.36°,可以實時返回前方障礙物的距離值。掃描頻率可控,返回數(shù)據(jù)為ASCII碼,共528組[4],掃描規(guī)則如圖1所示。

圖1 激光掃描儀掃描規(guī)則示意圖Fig.1 Schematic diagram of the scanning rules of laser scanner

在距離調(diào)整過程中,理想條件下可以對采集到的528個數(shù)據(jù)進行分析,其中數(shù)值最小的一組即為距離拋射臺的實際距離。若數(shù)據(jù)不夠明顯,則可使機器人進行180°原地旋轉(zhuǎn),再次檢測。在距離值確定后鎖定當前掃描線,運用機器人底盤的四個全向輪的差速配合,并以當前掃描線的指向為運動方向,直線前進或后退到達距離為5 m的位置處。

在角度調(diào)整的過程中,扇形的弧長計算公式如式(1)所示:

式中:l為扇形的弧長;n為扇形的中心角;R為扇形的半徑。

2 模糊控制策略

模糊控制是建立在模糊推理基礎上的基于模糊規(guī)則的非線性控制,它直接使用模糊語言模擬人的直覺或經(jīng)驗進行控制?；谀：刂频乃惴▽Νh(huán)境參數(shù)變化的適應性較強,而且具有較好的魯棒性和良好的抗干擾能力[5]。

典型的模糊控制器由模糊化、模糊推理和解模糊三部分構(gòu)成,它們都建立在知識庫的基礎上。

2.1 算法實現(xiàn)

拋射機器人位置校準所采用的是單輸入、單輸出的模糊控制方式,輸入變量為激光掃描儀采集的角度和距離信號;輸出變量為拋射機器人轉(zhuǎn)動的角度、機器人前后移動距離。

2.1.1 輸入量設置

①根據(jù)激光雷達的檢測結(jié)果,機器人距離拋射平臺s的隸屬模糊子集定義為{遠(F)、偏遠(SF)、中(M)、偏近(SN)、近(N)},其隸屬度函數(shù)圖形如圖2(a)所示。

②在位置移動到距離5 m時,根據(jù)激光掃描儀檢測到數(shù)據(jù)的分布情況,定義角度信息的模糊子集如下: {左(L)、偏左(SL)、中(M)、偏右(SR)、右(R)},其隸屬度函數(shù)圖形如圖2(b)所示。

圖2 模糊控制的輸入隸屬函數(shù)Fig.2 Membership function of fuzzy control input

2.1.2 輸出量設置

①距離調(diào)整。拋射機器人運用激光掃描儀測得的距離最小值,對機器人的距離情況進行分析和運算后,通過改變電壓值來控制四個電機的前后移動方向和速度,達到點動的運動方式。行進距離的模糊子集定義如下:{后退(B)、稍微后退(SB)、中(M)、稍微前進(SF)、前進(F)}。隸屬度函數(shù)如圖3(a)所示。

②角度調(diào)整。由于拋射機器人底盤采用四輪夾角90°,可以對其轉(zhuǎn)動任意角度。為了使角度調(diào)整更為可控并有效提高精度,將每次轉(zhuǎn)角范圍限制為[-π/18,π/18],其模糊子集定義如下:{左轉(zhuǎn)(TL)、稍微左轉(zhuǎn)(STL)、中(M)、稍微右轉(zhuǎn)(STR)、右轉(zhuǎn)(TR)}。轉(zhuǎn)動角度隸屬函數(shù)圖如圖3(b)所示。

圖3 模糊控制輸出隸屬函數(shù)Fig.3 Membership function of fuzzy control output

2.2 模糊規(guī)則的建立

模糊規(guī)則是模糊控制的關(guān)鍵部分,模糊算法實際上是根據(jù)模糊規(guī)則進行設計的,是采用一系列的基于專家知識的語言來描述的。專家知識常用“IF THEN”的規(guī)則進行使用,而且這些規(guī)則非常容易通過模糊邏輯條件語句進行實現(xiàn)[6]。舉例說明:規(guī)則1,如果角度偏左,則需稍微右轉(zhuǎn);規(guī)則2,如果距離偏遠,則需稍微前進。

2.3 解模糊

解模糊又稱清晰化、反模糊化,是模糊控制中的關(guān)鍵部分,即把模糊量轉(zhuǎn)換成精確量。清晰化的原因是由于模糊控制規(guī)則輸出的是模糊量,而實際控制中,被控對象需要的是精確量[7]。本文采用面積重心法進行解模糊。在面積重心法中,非模糊量輸出為模糊多邊形面積的重心。以激光掃描儀所測得的點位為270為例,由圖2(b)和圖3(b)可得到如圖4所示的模糊多邊形。

圖4 面積重心法解模糊圖Fig.4 Centroid defuzzification method

精確化計算公式為:

式中:α為轉(zhuǎn)角的角度數(shù);u(α)為隸屬度函數(shù)。

將陰影圖形分成兩個三角形、一個長方形和兩個梯形分別進行計算,得到α=1.81°,從而得到在掃描點為270時需要右轉(zhuǎn)1.81°。掃描點數(shù)270～265所對應的5個掃描線的角度為5×0.36°=1.8°,所對應的角度相差僅為0.01°,誤差較小,可以滿足拋射機器人的角度調(diào)整。

模糊控制器所得出的角度調(diào)整和位置移動信號,經(jīng)嵌入式PC分析后,能對直流電機進行有效的供電調(diào)節(jié),達到定角度轉(zhuǎn)動的目的。

3 系統(tǒng)的軟件設計

拋射機器人的調(diào)節(jié)控制的軟件流程圖如圖5所示。

圖5 控制流程圖Fig.5 Control flow

首先,開機設定每個參數(shù)的初始值,將模糊控制規(guī)則存儲于嵌入式PC的寄存器中,利用串口將采集到的激光掃描儀信息進行分析并判斷其所對應的模糊論域;調(diào)用模糊算法求得模糊輸出量,并經(jīng)過尺度變換,通過模擬量輸出模塊EL4004輸出0～10 V電壓控制控制電機,實現(xiàn)機器人的運動。

4 現(xiàn)場應用情況

由于本文研究的側(cè)重點在于拋射機器人的位置校準,故在模型實體設計時只制作了應用全向輪的機器人底盤。試驗選擇相對空曠的場地,并人工排除了其他障礙物的影響。

在試驗過程中,對激光雷達數(shù)據(jù)進行了實時存儲。

由于激光雷達的數(shù)據(jù)量非常龐大,故以500 ms為選取周期進行典型數(shù)據(jù)的選取,其他位置進行插值處理。激光雷達在位置校準過程中的數(shù)據(jù)變化曲線如圖6所示。

圖6 激光雷達數(shù)據(jù)變化曲線Fig.6 Data changes curves of laser scanner

5 結(jié)束語

本設計以嵌入式PC為核心控制器,并以激光掃描儀作為狀態(tài)調(diào)整傳感器,加入了模糊控制策略。試驗結(jié)果表明,機器人能夠較為快速地完成位置校準操作,雖然在角度調(diào)整過程中有輕微的震蕩,但是由于拋射平臺的直徑為0.5 m,能夠允許的誤差較大,故位置校準的研制能夠很好地拋射機器人的位置校準要求。

[1] 李武剛.阻力系數(shù)和物體質(zhì)量對斜拋運動影響的數(shù)值分析[J].廣西師范學院學報:自然科學版,2006,23(2):112-114.

[2] 張永勝,高宏力,劉慶杰.基于模糊控制理論的同步帶恒張力控制系統(tǒng)[J].機械設計與制造,2012(6):15-17.

[3] 陳旭東,孔令成,劉尊彭.基于全向輪的機器人移動機構(gòu)運動分析與控制設計[J].測控技術(shù),2012,31(1):48-56.

[4] 劉訓非,張首峰.模糊控制技術(shù)在智能吸塵器自動充電中的應用[J].電氣傳動,2012(12):52-55.

[5] 李蓮,李立.基于模糊控制的LED路燈控制系統(tǒng)的理論研究[J].照明工程學報,2012(8):80-83.

[6] 付宜利,顧曉宇,王樹國.基于模糊控制的自主機器人路徑規(guī)劃策略研究[J].機器人,2004,26(6):548-552.

Research on the Position Calibration Based on Fuzzy Control for Projectile Robot

Normally,the projectile robot is located far from the position of target,in position calibration process,inaccurate judgment of the target position occurs often,and the calibration speed is slow,thus the position calibration method with given distance is proposed.By selecting high precision laser scanner to enhance the accuracy of position judgment,the accurate mathematical model is built;in addition,fuzzy control is added in the algorithm.The experimental result shows that the device offers good position calibration effect,and meets projectile demand for robots.

Position calibration Projectile robot Laser scanner Fuzzy control Fuzzy algorithm

TP249

A

國家自然科學基金資助項目(編號:51275426);

中央高?；狙芯繕I(yè)務費專項基金資助項目(編號:SWJTU09CX019)。

修改稿收到日期:2014-02-10。

孔德松(1989-),男,現(xiàn)為西南交通大學測試計量技術(shù)及儀器專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事自動控制及信號處理方面的研究。