基于模糊控制的輪式移動(dòng)機(jī)器人避障研究

彭緩緩　郭毅鋒　黃麗敏　劉海涵

【摘 要】針對現(xiàn)實(shí)生活中未知時(shí)變的周圍環(huán)境，文章提出了一種基于模糊控制的輪式移動(dòng)機(jī)器人在多個(gè)不同性質(zhì)的障礙物中智能避障的模糊控制方法。通過MATLAB/Simulink仿真軟件搭建了輪式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，以機(jī)器人所安裝的環(huán)境感知多傳感器所提供的障礙物距離數(shù)值以及作為機(jī)器人修正姿態(tài)參量的實(shí)時(shí)速度誤差值作為研究參數(shù)，對模糊控制器進(jìn)行了分析研究，其仿真及實(shí)測結(jié)果表明，文章所設(shè)計(jì)的模糊控制器可行、有效。

【關(guān)鍵詞】輪式移動(dòng)機(jī)器人;模糊控制;避障

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）05-0059-002

1 輪式機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

輪式移動(dòng)機(jī)器人的執(zhí)行單元是由底盤前下方的萬向輪和底盤后下方的兩個(gè)采用差速轉(zhuǎn)向式的驅(qū)動(dòng)輪構(gòu)成，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖1所示。控制結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要有由多個(gè)不同種類型號的傳感器完成機(jī)器人所處的周圍環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、以STM32F407為核心來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)行控制以及完成機(jī)器人的直線和轉(zhuǎn)向等運(yùn)行姿態(tài)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。

2 模糊控制避障的實(shí)現(xiàn)

2.1 模糊避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于機(jī)器人避障的決策與其所處環(huán)境中雜物的分布有關(guān)聯(lián)，又為了讓機(jī)器人更準(zhǔn)確的理解周圍環(huán)境，對機(jī)器人的正前方180°的目標(biāo)區(qū)域劃分為左、左前、前、右前、右，如圖2所示，模擬機(jī)器人機(jī)體本身的多傳感器的分布情況，用來實(shí)時(shí)判斷阻礙物體的相對于機(jī)體的坐標(biāo)。

運(yùn)用模糊邏輯信息融合算法，把機(jī)器人所處環(huán)境中的多阻礙物體進(jìn)行了區(qū)域劃分，根據(jù)阻礙物的距離數(shù)值的不同來設(shè)計(jì)機(jī)器人的運(yùn)行軌跡，并由控制規(guī)則發(fā)出執(zhí)行命令從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的位置調(diào)整，最后把機(jī)器人的姿態(tài)位置差量實(shí)時(shí)反饋給控制器[2]，從而實(shí)現(xiàn)了避障功能，輪式機(jī)器人避障的模糊邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 避障仿真實(shí)現(xiàn)

Simulink是MATLAB的一種集模塊化、圖形化、可視化于一體的仿真工具，可以直觀的構(gòu)建系統(tǒng)模型[3]。本文設(shè)計(jì)的模糊控制避障系統(tǒng)模型如圖4所示。

以坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0）為初始位置，以（10，10）為終點(diǎn)位置，并在此時(shí)環(huán)境中隨機(jī)的安置多個(gè)阻礙物體，把這些信息寫入MATLAB的m文件里。傳感器采集的阻礙物到機(jī)器人中心的距離數(shù)值LD、FD、RD為模糊控制器的輸入，經(jīng)過模糊推理輸出的是機(jī)器人左、右輪的實(shí)時(shí)速度。把機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)理論與機(jī)器人所處的實(shí)際環(huán)境結(jié)合起來，通過不斷調(diào)整各個(gè)模塊參數(shù)，進(jìn)行多次仿真試驗(yàn)，最后把仿真數(shù)據(jù)整理后執(zhí)行畫圖命令，即得到如圖5所示的輪式移動(dòng)機(jī)器人的避障仿真結(jié)果。從圖中可以看出，當(dāng)機(jī)器人遇到阻礙前行的物體時(shí)，其能夠靈活的轉(zhuǎn)變一定的角度來避開阻礙物并到達(dá)指定的目標(biāo)地點(diǎn)處。

3 機(jī)器人樣機(jī)測試

對輪式移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)物避障實(shí)驗(yàn)測試，如圖6所示。在機(jī)器人的右前方（由里指向外）依次擺放兩個(gè)障礙物，第一個(gè)障礙物位于機(jī)器人正前方的位置，由于障礙物的右側(cè)是一面墻壁，所以此時(shí)的機(jī)器人就微微的緩慢的向左偏移一定的角度來避開第一個(gè)障礙物;當(dāng)移動(dòng)到兩個(gè)障礙物之間時(shí)，由于機(jī)器人此時(shí)所處在兩個(gè)障礙物中間偏左一點(diǎn)，而機(jī)器人的右邊是一面墻，所以此時(shí)機(jī)器人依然要向左稍微偏移一定的角度，最終越過兩個(gè)障礙物達(dá)到指定的目標(biāo)位置而停止移動(dòng)。

4 結(jié)論

從輪式機(jī)器人實(shí)物圖的避障結(jié)果可以看出，在存在多個(gè)不同材質(zhì)形狀障礙物的情況下，移動(dòng)機(jī)器人能夠靈活微調(diào)自身姿態(tài)避開阻礙前行的物體前進(jìn)，并最終到達(dá)給定終點(diǎn)位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文章所設(shè)計(jì)的避障模糊控制器可行、有效，且具有相當(dāng)?shù)木_性，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目的。

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