機器人瞬態(tài)平穩(wěn)控制系統(tǒng)研究

周嘉玉　李澤　郝萬君

摘 要：本文主要利用自適應模糊PID的控制方法設計了一個基于單片機的機器人瞬態(tài)平穩(wěn)系統(tǒng)，以智能小車為模型，介紹了系統(tǒng)的主要結構，包括中央控制模塊，傳感器模塊，執(zhí)行器驅動模塊。紅外避障傳感器實時檢測路況信息，當小車與障礙物的距離小于設定值時，單片機驅動電機動作。自適應模糊PID控制比起常規(guī)PID控制能夠更好地控制復雜的、時變的非線性控制系統(tǒng)。仿真和實物實驗結果表明，本系統(tǒng)具有很好的動態(tài)性能，大體實現(xiàn)了瞬態(tài)平穩(wěn)的目標。

關鍵詞：瞬態(tài)平穩(wěn);STM32;自適應模糊PID

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.104

1 引言

隨著科學技術的發(fā)展和進步，智能服務機器人在人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦邪缪莸慕巧絹碓街匾?，尤其是在當今老齡化人口比較多的時代，它不僅能夠承擔起照顧老人的責任，還能不斷滿足現(xiàn)代年輕人多樣化的需求[1]。家居服務機器人的重要基礎功能之一是在室內(nèi)環(huán)境下的平穩(wěn)快速移動，例如面向行動不便的老人、臥床休息的病人以及忙碌的主人，提供端茶端水、傳遞藥品、運送飯菜等功能。由于機器人快速移動過程中的急起急停，可能會導致液體灑落、物品滑落等問題，所以研究機器人的瞬態(tài)穩(wěn)定問題具有重要意義。

2 機器人瞬態(tài)平穩(wěn)控制系統(tǒng)總體設計方案

本設計方案如圖1所示。

2.1 主控芯片

本設計采用STM32單片機作為主控芯片，STM32便于擴展同時外設和軟件具有高度兼容性[2]。主控芯片接收并處理傳感器采集的信息，根據(jù)周圍的路況來發(fā)出指令到執(zhí)行器件，使之做出相應的動作。若傳感器檢測到前方有障礙物，那么主控單元發(fā)出指令，驅動電機先減速，再停止，最后左轉，從而實現(xiàn)避障的功能。

2.2 障礙物檢測模塊

紅外避障傳感器由一對發(fā)射管和接收管組成，當發(fā)射管發(fā)出的紅外信號經(jīng)過障礙物反射回接收管時，前方無障礙物的話輸出高電平，有障礙物的話則輸出電平會從高電平變成低電平。傳感器檢測到這個信號就可以判斷出正前方有無障礙物，并把信號傳送給單片機，單片機控制小車兩輪工作，從而完成避障的功能[3]。

2.3 步進電機

本設計選用前后兩個步進電機用做為機器人的執(zhí)行器件，前一個電機控制前輪，用于控制機器人運動的方向;后一個電機用于控制后輪，用于提供機器人運動的動力。

3 硬件設計

電路按照作用分為中央控制單元電路、傳感器采集單元電路、執(zhí)行器單元電路以及其它相關功能單元電路。

3.1 中央控制單元電路

本系統(tǒng)采用STM32作為中央控制單元，STM32包括時鐘電路、復位電路、電源電路和下載電路。在晶振兩端分別加上一個電容，無極性的電容可以濾去晶振兩端的高頻雜波。只有保證晶振電路穩(wěn)定，單片機才能繼續(xù)工作STM32通常為低電平復位，通過一個按鍵及電容電阻所組成，利用按鍵的開關功能實現(xiàn)復位。當開關按下時，NRST引腳與地導通，即輸入一個低電平，從而實現(xiàn)復位的功能。采用兩節(jié)3.7V干電池18650供電，STM32的工作電壓為2.0-3.6 V。

3.2 紅外避障模塊

紅外避障傳感器利用了被檢測物對發(fā)射紅外光的反射或遮擋的原理，經(jīng)過光電回路選通電路，從而判斷有沒有障礙物[4]。LM393是雙電壓比較器集成電路，其輸出負載電阻能連接在可允許電源電壓范圍內(nèi)的任何電源電壓上，而不受 Vcc端電壓值的影響。 紅外發(fā)射信號遇到障礙物后反射， LM393的2、3引腳兩端進行電壓比較，從而3引腳收到電壓信號與2號引腳上的電壓比較，所以調(diào)節(jié)電位器的大小可以決定紅外避障模塊的靈敏度。 兩個端子上的電壓經(jīng)過比較后，小車再決定動作與否。

3.3 電機驅動電路

本部分將使用步進電機作為執(zhí)行器件，作用是執(zhí)行主控芯片發(fā)送的指令。單片機發(fā)送一個電脈沖信號，那么步進電機就轉過一個固定的角度，即一個步距角。因此控制電脈沖的個數(shù)就可以控制步進電機的角位移，若控制電脈沖信號的發(fā)送頻率的話，就可以控制電機的轉速，而ULN3003是使用非常廣泛的電機驅動芯片。

4 控制方案設計

機器人的運動控制系統(tǒng)很明顯是模型復雜的非線性系統(tǒng)，但是常規(guī)PID控制器對于復雜系統(tǒng)的控制效果不好。模糊控制卻能控制復雜的時變非線性系統(tǒng)，但沒有積分環(huán)節(jié)的原因，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差不能消除。模糊系統(tǒng)的卓越特性：一方面，模糊系統(tǒng)是由一個實值向量向一個實值標量所作的多輸入單輸出映射;另一方面，模糊系統(tǒng)是由來自于以模糊IF-THEN規(guī)則為形式的人類知識所組成的基于知識的系統(tǒng)[5]。所以本設計考慮將常規(guī)PID控制器和模糊控制的方法結合起來組成自適應模糊PID控制器應用于本設計的家居服務機器人瞬態(tài)平穩(wěn)控制系統(tǒng)。

自適應模糊PID控制的原理如圖2所示。圖中，輸入變量r（t）為人為的一個預設值，與實際值輸出變量y（t）產(chǎn)生一個偏差，即誤差。誤差及誤差變化率經(jīng)模糊推理，采用自適應的方法、根據(jù)模糊矩陣表，對于PID控制器的三個控制參數(shù)進行整定。

通過建立的模糊推理規(guī)則實時對Kp，Ki 和Kd 進行整定，設計出模糊自適應PID 控制器[6]。模糊控制器是自適應模糊 PID控制的核心，其原理是把偏差信號 e和偏差變化率 ec送入模糊控制器，模糊控制器進行模糊化、推理，然后求解，把得出的參數(shù)Δ kp、Δ ki、Δ kd分別輸入 PID控制器[7]。模糊整定PID控制參數(shù)就是利用模糊推理的方法找出PID控制參數(shù)與輸入變量之間的關系，根據(jù)不斷變化的情況修正控制參數(shù)。

解模糊化過程如下：系統(tǒng)根據(jù)模糊化輸入激活相應的規(guī)則，輸出的模糊語言值的隸屬度是根據(jù)規(guī)則前件及蘊涵都使用“取小”的操作進行運算，后采用重心法求出模糊控制輸出值。

5 仿真

利用仿真工具對控制系統(tǒng)進行設計與仿真，可以有效地對比各種控制模型與方案，選取并優(yōu)化相關控制參數(shù)，從而對整個控制系統(tǒng)的性能進行優(yōu)化與提高，尤其是對于一些新型控制理論與算法的研究，進行系統(tǒng)仿真更是必不可少的[8]。系統(tǒng)的仿真與調(diào)試主要針對模糊PID控制進行了Simulink仿真，與普通的PID控制方法進行了對比，還進行了實物實驗，組裝了一個基于STM32的紅外避障小車。紅外避障小車可以實現(xiàn)前進、后退、轉彎和避障的功能，然而本設計的最主要的控制要求就是瞬態(tài)平穩(wěn)，智能小車也可以做到，將通過仿真來驗證控制算法的可靠性。

圖3為自適應模糊PID控制系統(tǒng)仿真圖，圖4為階躍響應曲線對比。圖中藍色曲線為階躍信號，紅色曲線為模糊PID控制對單位階躍的響應曲線，橙色曲線為常規(guī)PID控制對單位階躍的響應曲線。從圖中可以看出模糊PID控制達到穩(wěn)態(tài)的時間在1秒以內(nèi)，而常規(guī)PID控制的穩(wěn)態(tài)時間大約為5.5秒。由此可見模糊PID控制的控制效果比常規(guī)PID控制的控制效果好。其他控制性能由實驗驗證。通過在小車上進行實驗，如圖5所示，智能小車上安裝了紅外避障模塊以及超聲波傳感器，采用干電池供電，小車自由旋轉、前進后退，沒有急停、急走的情況，基本達到預期目標。

6 結論

本設計選取了智能車代替機器人進行實物驗證，從仿真驗證和實物實驗，都基本達到預期目標。然而在實際應用中難免與真實情況有所出入，當今國際上對于科學技術的研究都向精細化發(fā)展，所以本設計的應用前景也將十分廣闊。

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論文受到2019年度蘇州科技大學高水平畢業(yè)設計（論文）培育（團隊）項目資助（項目編號2019TGB-02）。

作者簡介：周嘉玉（1997-），女，江蘇鹽城人，本科，研究方向：智能控制、復雜系統(tǒng)控制與濾波。

*為通訊作者