野 外 巡 檢 機(jī) 器 人 的 控 制 器

胡秀敏， 何志琴， 鈔 凡， 楊睿婉

(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 貴陽 550025)

0 引 言

在20世紀(jì)80年代，在日本、美國等西方國家對巡檢機(jī)器人的相關(guān)研究不斷展開[1-2]。經(jīng)過不斷研究，國外已有一定的巡檢機(jī)器人技術(shù)。在1999年，國內(nèi)開始研究巡檢機(jī)器人，到目前為止，巡檢機(jī)器人在工業(yè)、快遞行業(yè)都有廣泛應(yīng)用。

據(jù)不完全統(tǒng)計，有20多家制造商都在開發(fā)機(jī)器人[3-6]，而機(jī)器人最重要的模塊是運(yùn)動控制器。當(dāng)巡檢機(jī)器人在有坡度及轉(zhuǎn)角時，會出現(xiàn)速度緩慢、運(yùn)行不夠平穩(wěn)等，本文基于此情況對控制器進(jìn)行研究。

1 控制器設(shè)計

1.1 控制器主要功能

控制器分為橫向控制和縱向控制兩種，分別控制機(jī)器人的運(yùn)動速度與轉(zhuǎn)向。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。要使巡檢機(jī)器人在山地環(huán)境中，在保證一定負(fù)載和自發(fā)性情況下，穩(wěn)定有效完成巡視檢查工作。須使控制器的后輪對電機(jī)進(jìn)行控制，通過調(diào)整電機(jī)速度，完成對機(jī)器人速度的控制。該設(shè)計具有以下特點：

(1) 滿足安裝方便。巡檢車體有一定的大小和承重范圍，所以控制器的尺寸和重量要盡可能??；

(2) 要有一定實時性。在后輪驅(qū)動且前輪實現(xiàn)速度差的過程中，耗時要盡量??；

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(3) 具有獨立性。各部分硬件模塊化，能實現(xiàn)擴(kuò)展，便于后續(xù)相應(yīng)功能調(diào)整；

(4) 具有直觀性。為了使系統(tǒng)調(diào)試與監(jiān)控更加方便，設(shè)計良好的交互界面；

(5) 具有抗干擾性。由于實際運(yùn)行道路崎嶇，應(yīng)考慮抗干擾能力；

(6) 具有自發(fā)性。使用電磁傳感器規(guī)劃路線，機(jī)器人能自發(fā)巡檢；

(7) 具有便捷性。為了巡檢方便和安全，使用蓄電池提供動力。

(8) 具有容錯性。能及時自動糾正運(yùn)行中的路徑偏差。

1.2 自適應(yīng)PI控制器設(shè)計

為了提高系統(tǒng)的速度環(huán)的抗干擾能力，在轉(zhuǎn)速環(huán)采用自適應(yīng)模糊PI調(diào)節(jié)器的閉環(huán)策略。自適應(yīng)模糊PI控制器原理如圖2所示。自適應(yīng)模糊PI控制的基本思想是按照專家經(jīng)驗，找出比例(Kp)、積分(Ki)、誤差e以及誤差的變化率ec四者之間的關(guān)系。PI參數(shù)應(yīng)該滿足下面規(guī)則[7-9]:

(1) 在系統(tǒng)剛開始運(yùn)行時候，誤差e的絕對值比較大，為了使系統(tǒng)能快速響應(yīng)，且保證消除積分飽和影響，則KP此時的值很大，同時，要控制超調(diào)量的干擾，所以Ki等于零；

(2) 在系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的前一個時間段，此時誤差的絕對值大約是誤差最大值的一半，考慮到系統(tǒng)響應(yīng)速度以及超調(diào)量大小，要保證Ki的值在一定范圍里，盡可能小，但也不能太小，盡量居中；

(3) 在系統(tǒng)即將進(jìn)入到穩(wěn)定狀態(tài)時候，這個時候誤差已經(jīng)很小了，為了使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，且保持良好的響應(yīng)速度與抗干擾能力，要適當(dāng)增加Kp、Ki的值。

圖2 自適應(yīng)模糊PI控制器原理圖

模糊子集設(shè)定為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，其中，NB表示負(fù)大、NM表示負(fù)中、NS表示負(fù)小，ZO表示零，PS表示正大、PM表示正中、PB表示正小。模糊論域設(shè)定為[-3，-2，-1，0，1，2，3]。根據(jù)PI控制器的工作原理和以上控制規(guī)則就可以設(shè)計出模糊控制的規(guī)則表，見表1、2。

表1 Kp模糊控制規(guī)則表

表2 Ki模糊控制規(guī)則表

1.3 模塊化設(shè)計

1.3.1 硬件模塊化

巡檢機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)硬件由5大部分構(gòu)成，即MK60DN512ZVLQ10、電磁、速度控制、動力電源和驅(qū)動系統(tǒng)算箅模塊。各個部分分別完成了主要數(shù)據(jù)處理、路徑規(guī)劃、差速檢測反饋、提供電源、動力驅(qū)動功能[10-12]。硬件框圖如圖3所示。

圖3 硬件框圖

1.3.2 軟件模塊化

巡檢機(jī)器人系統(tǒng)軟件根據(jù)功能分成了4個部分，主要是電磁傳感器部分、速度控制部分、轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)部分、車體保護(hù)部分[13-16]。軟件整體框架圖如圖4所示。

圖4 軟件整體框架圖

2 真結(jié)果分析

2.1 前輪差速仿真

當(dāng)輸入量角度δ為斜坡函數(shù)，這里取δ=15t進(jìn)行仿真實驗。車輪速度變化如圖5所示，其中，v2、v1是前側(cè)左右輪速度，v3、v4是后側(cè)左右輪速度。

圖5 4車輪速度變化

由圖5可知，隨著時間增加，v2、v1、v4逐漸增大，v3逐漸減小，但v4增加比較緩慢，這是由于隨著δ角的增加，巡檢車的轉(zhuǎn)向半徑越來越小，左右驅(qū)動輪間的差值越來越大才能滿足轉(zhuǎn)向需求。

這個時候，對相應(yīng)的左邊和右邊調(diào)速系統(tǒng)的相電流、轉(zhuǎn)矩和繞組反電動勢仿真波形如圖6所示。

從仿真圖形中可以看出，在起始階段，左邊和右邊的相電流都是大于零的值，這是因為在開始階段，左右兩邊驅(qū)動輪的速度都是在逐漸增大的。在時間為25 ms時候，左邊驅(qū)動輪的相電流以及電磁轉(zhuǎn)矩開始不斷減小，右邊的驅(qū)動輪則相反，相電流以及電磁轉(zhuǎn)矩開始增加，左右輪之間速度差值越來越大，達(dá)到了轉(zhuǎn)向的需求。

2.2 自適應(yīng)PI控制仿真

速度環(huán)采用自適應(yīng)模糊PI控制，輸入為速度偏差值、偏差變化值。自適應(yīng)PI控制下轉(zhuǎn)矩仿真如圖7所示。

圖7 自適應(yīng) PI 控制下轉(zhuǎn)矩曲線

轉(zhuǎn)速仿真如圖8所示，在時間為0.2 s時，突然增加2 N·m的負(fù)載，如圖9所示，自適應(yīng)PI控制器能及時恢復(fù)平衡穩(wěn)定。由圖 8、9可知，在某一時刻突然增加負(fù)載，自適應(yīng)模糊PI控制能立即響應(yīng)，維持穩(wěn)定，具有更好的抗干擾能力，符合本設(shè)計的要求。

圖8 自適應(yīng)模糊 PI 控制 轉(zhuǎn)速曲線圖9 突加負(fù)載后轉(zhuǎn)速 曲線

3 實驗測試

本系統(tǒng)的測試在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行。具體巡檢車調(diào)試平臺如圖10所示。

圖10 巡檢車調(diào)試平臺

選擇半徑分別為1 m、3 m進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖11、12所示。由圖11、12可見，如果巡檢機(jī)器人的速度越小，在轉(zhuǎn)向時，誤差就小，反之亦然。但誤差是在一定小范圍，不影響系統(tǒng)行徑，能滿足性能要求。

圖11 圓弧半徑1 m時速度與平均測試誤差關(guān)系

圖12 圓弧半徑3 m時速度與平均誤差關(guān)系

4 結(jié) 語

對于運(yùn)行在道路崎嶇、環(huán)境惡劣中的巡檢機(jī)器人，根據(jù)其具體性能要求，在經(jīng)典四車輪模型基礎(chǔ)上，使用雙后輪驅(qū)動，前輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)速差，實現(xiàn)巡檢機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)行。在MATLAB平臺上進(jìn)行了仿真，并在模擬車體平臺上進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的差速分配方案能滿足巡檢機(jī)器人的性能指標(biāo)要求。