基于移動(dòng)機(jī)器人路徑跟蹤的智能控制設(shè)計(jì)與實(shí)踐

文/龍凱

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，科技人員將機(jī)器人向智能化、功能化、質(zhì)量化等方面發(fā)展，目前，機(jī)器人已廣泛應(yīng)用到軍事戰(zhàn)爭(zhēng)、地質(zhì)和海洋監(jiān)測(cè)、醫(yī)療、工業(yè)、等多領(lǐng)域。移動(dòng)機(jī)器人在路徑跟蹤智能控制設(shè)計(jì)中，由于涉及學(xué)科較廣、知識(shí)較為高端、令機(jī)器人在進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)易發(fā)生無(wú)法完成指令狀態(tài)。在對(duì)移動(dòng)機(jī)器人路徑跟蹤的智能控制設(shè)計(jì)中，研究控制系統(tǒng)、方向精準(zhǔn)度和速度調(diào)節(jié)，可令移動(dòng)機(jī)器人對(duì)路徑跟蹤形成優(yōu)化并及時(shí)發(fā)出指令狀態(tài)，提升移動(dòng)機(jī)器人穩(wěn)定性和效率性。

1 移動(dòng)機(jī)器人路徑跟蹤的智能控制設(shè)計(jì)原理

1.1 模糊控制系統(tǒng)

模糊控制系統(tǒng)作為移動(dòng)機(jī)器人路徑跟蹤的控制系統(tǒng)之一，主要是通過模糊控制芯片存儲(chǔ)基于模糊控制的隸屬度函數(shù)和模糊控制規(guī)則，通過模糊控制器發(fā)出指令使移動(dòng)機(jī)器人完成相應(yīng)動(dòng)作。當(dāng)前用于移動(dòng)機(jī)器人路徑跟蹤的智能控制中模糊控制系統(tǒng)一般有硬件式指令控制器和軟件式指令控制器，前者通過專業(yè)式模糊芯片完成模糊控制；后者通過離線式計(jì)算方法對(duì)模糊控制進(jìn)行時(shí)效性控制。在進(jìn)行模糊預(yù)算控制時(shí)，應(yīng)先系統(tǒng)內(nèi)部的即性給定值（U）和反饋性誤差值（N），通過高斯隸屬函數(shù)進(jìn)行模糊運(yùn)算求出反饋值誤差轉(zhuǎn)移量（ec）、模糊控制端口輸入量（L）和模糊控制預(yù)設(shè)性規(guī)則（R），經(jīng)過運(yùn)算得出模糊控制決策。

1.2 視覺導(dǎo)航系統(tǒng)

視覺導(dǎo)航系統(tǒng)通過視線傳感器對(duì)行走路徑上的障礙物進(jìn)行三維坐標(biāo)分析，將避障信息準(zhǔn)確傳遞到移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)反饋系統(tǒng)，達(dá)到移動(dòng)機(jī)器人路徑自主優(yōu)化。視覺導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)過距離信息和基于水平線的觀察角度將產(chǎn)生的偏差作為控制數(shù)據(jù)量，將其指令傳遞到閉路循環(huán)系統(tǒng)，令移動(dòng)機(jī)器人對(duì)角速度進(jìn)行分析并發(fā)出指令。移動(dòng)機(jī)器人對(duì)前進(jìn)速度的調(diào)整，是通過視覺導(dǎo)航系統(tǒng)所測(cè)得路徑曲直度和路徑角度之間的偏差進(jìn)行閉路循環(huán)反饋。視線導(dǎo)航系統(tǒng)將移動(dòng)機(jī)器人與待行駛路徑的軌跡作為三維立體環(huán)境初始點(diǎn)，通過視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的立體化觀察方式對(duì)待移動(dòng)路徑進(jìn)行整體優(yōu)化，減少移動(dòng)機(jī)器人在運(yùn)行過程中的能源損耗，提升路徑跟蹤的智能控制性能。

2 在FPGA下移動(dòng)機(jī)器人速度調(diào)節(jié)

FPGA 作為可編程門陣列表現(xiàn)形式之一，由專用集成電路（ASIC）衍生出來，融合可編程邏輯陣列（PLA）、通用邏輯陣列（GLA）、復(fù)雜可編程邏輯陣列（CPLD）等優(yōu)點(diǎn)一種現(xiàn)場(chǎng)可編輯門陣列。通過使用FPGA 可減少系統(tǒng)對(duì)其他元器件的承載負(fù)擔(dān)，F(xiàn)PGA 具有功能性面積廣、產(chǎn)品成型快、可編輯性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。FPGA 通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）進(jìn)行對(duì)脈沖信號(hào)的傳輸，利用微型處理器對(duì)數(shù)據(jù)信息處理結(jié)果完成對(duì)模擬電路的控制。調(diào)制脈沖寬度時(shí)，必須使用信號(hào)產(chǎn)生器，通常情況下，產(chǎn)生器由兩部分組成，即起到源作用的信號(hào)發(fā)生器（多為鋸齒波形式）、起到對(duì)比作用的信號(hào)比較器。信號(hào)產(chǎn)生器內(nèi)部還存在一些起到連接作用的結(jié)構(gòu)，各個(gè)結(jié)構(gòu)協(xié)同輸出邏輯信號(hào)，直至達(dá)成調(diào)制目標(biāo)。FPGA 結(jié)構(gòu)內(nèi)部，鋸齒波形式信號(hào)通過數(shù)據(jù)非溢出的方式對(duì)二進(jìn)制計(jì)數(shù)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，在PWM 脈沖寬度調(diào)制中對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行目標(biāo)傳輸，其在運(yùn)行過程中的穩(wěn)態(tài)電壓為(t/T)N=αN,α 的值率對(duì)穩(wěn)態(tài)電壓值和機(jī)器人整體前行速度有關(guān)。

在進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)過程中，通過控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人速度控制在15cm/s，F(xiàn)PGA 通過改變?chǔ)?值大小，調(diào)整伺服電機(jī)內(nèi)部穩(wěn)態(tài)電壓值，令當(dāng)前行駛速度與預(yù)設(shè)速度達(dá)到相一致狀態(tài)。當(dāng)前運(yùn)行速度小于預(yù)設(shè)速度時(shí)，增大α 值，提升內(nèi)部穩(wěn)態(tài)電壓，提升機(jī)器人速度；當(dāng)運(yùn)行速度大于預(yù)設(shè)速度時(shí)，通過減小α 值，令速度相符，達(dá)到控制的基本要求。

3 基于移動(dòng)機(jī)器人路徑跟蹤的智能方向控制PSO算法

粒子群優(yōu)化算法（PSO）作為方向控制器的主要算法之一，PSO 是一種基于整體群中的隨機(jī)性質(zhì)的計(jì)算方法。通過對(duì)PSO 計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化，可令移動(dòng)機(jī)器人在進(jìn)行路徑跟蹤時(shí)，對(duì)方向控制更為精確。POS 在運(yùn)行過程中，通過PID 控制元器件進(jìn)行對(duì)PSO 傳輸數(shù)據(jù)信息。PID 主要由比例參數(shù)（Kp）、積分參數(shù)（Ki）、微分參數(shù)（Kd）三種參數(shù)對(duì)路徑優(yōu)化。Kp 參數(shù)實(shí)現(xiàn)誤差調(diào)節(jié)，Ki 參數(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)調(diào)節(jié)，Kd 參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)誤差范圍進(jìn)行預(yù)判及改正。PSO 基本算法在移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行過程中，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行速度具有整零功能，由于長(zhǎng)期進(jìn)行路徑跟蹤時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人易發(fā)生穩(wěn)定性下降，導(dǎo)致機(jī)器人在預(yù)設(shè)軌跡上發(fā)生改變。對(duì)穩(wěn)定性算法進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，應(yīng)正確選擇雜交概率（Q），當(dāng)Q數(shù)值高時(shí)，粒子群就會(huì)進(jìn)入停止運(yùn)行狀態(tài)，降低整體變異算子發(fā)揮的作用，當(dāng)Q數(shù)值低時(shí)，粒子群運(yùn)行就會(huì)進(jìn)入忽略性狀態(tài)。經(jīng)過技術(shù)人員不斷對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，在Q 值為0.01 時(shí)，通過將y、z 設(shè)置為父代微粒，對(duì)雜交操作進(jìn)行公式行算法。

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通過POS 算法的精準(zhǔn)度，可有效在對(duì)障礙物進(jìn)行細(xì)分原則，當(dāng)途徑一處障礙物時(shí)，選擇相應(yīng)的規(guī)避方式，對(duì)于二次性遇到類似障礙時(shí)，此路徑自動(dòng)優(yōu)化信息逐漸增多，通過算法可完成移動(dòng)機(jī)器人路徑跟蹤的智能化控制。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文通過對(duì)移動(dòng)機(jī)器人模糊控制自動(dòng)避障功能，視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的三維立體型閉路循環(huán)反饋系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過FPGA 具有功能性面積廣、產(chǎn)品成型快、可編輯性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人路徑跟蹤速度進(jìn)行優(yōu)化，改良PSO 算法對(duì)移動(dòng)機(jī)器人路徑跟蹤方向調(diào)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。通過對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行細(xì)致結(jié)構(gòu)分析，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而使移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛。