趙錦芝，楊 威

ZHAO Jin-zhi,YANG Wei

（中原工學院，鄭州 450007）

0 引言

鑒于AGV小車在現(xiàn)代物流與柔性制造系統(tǒng)中的重要應(yīng)用，設(shè)計一款巡線機器人控制系統(tǒng)將非常必要。因AGV小車是集各種機械結(jié)構(gòu)、傳感器和計算機等一體的非線性復(fù)雜系統(tǒng)，對其建立數(shù)學模型很困難，傳統(tǒng)的基于模型的控制方法很難適用該模型，而且也很難滿足AGV小車對控制器的實時性、魯棒性和精確性的要求[1]。所以本文綜合選用模糊邏輯控制與PID控制對巡線機器人進行有效控制，模糊控制主要完成機器人對導引線的實時跟蹤，PID控制實現(xiàn)機器人速度的穩(wěn)定與快速調(diào)整。

1 巡線機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

本巡線機器人為3輪式移動機器人，該機器人采用雙輪差動加萬向輪控制，前面2個是驅(qū)動輪，后輪為萬向輪。在機器人底部安裝兩排自制的間距可微調(diào)的紅外傳感器檢測板，用來檢測導引線。

2 巡線機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

巡線機器人控制系統(tǒng)的微處理器選用TI公司C2000系列的TMS320LF2407A數(shù)字處理芯片，為了充分利用DSP芯片上的各功能端口，增加整個控制系統(tǒng)的功能多樣化，并沒有將24路巡線傳感器的采集直接接在DSP的I/O口上，而是使用4片74HC245芯片外擴了32路巡線傳感器的采集端口，如圖1所示為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖，該系統(tǒng)硬件上可以實現(xiàn)10路AD信號的采集，兩路繼電器控制（可控制制動器完成驅(qū)動輪的剎車），3路限位開關(guān)或接近開關(guān)的采集，32路巡線傳感器的采集，完成兩路步進電機的開環(huán)控制或兩路伺服電機的閉環(huán)控制，并且對電機碼盤采集的差分信號進行了濾波處理，增加了系統(tǒng)的抗干擾能力。在通訊方面，實現(xiàn)了高速的CAN總線通訊，與串口通訊兩種通訊方式。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

使用自制的驅(qū)動器完成對伺服電機的驅(qū)動，該驅(qū)動器選用具有溫度報警，過熱與短路保護功能的LMD18200芯片，該芯片的邏輯真值表如表1所示。對進入驅(qū)動器的控制信號（PWM，方向，剎車）進行了光電隔離，確保該驅(qū)動器能夠可靠的驅(qū)動伺服電機。

圖2 控制系統(tǒng)原理圖

表1 邏輯真值表[2]

整個控制系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。模糊控制器根據(jù)巡線傳感器判斷機器人的位姿，給出左右輪的速度偏差Vei，經(jīng)速度規(guī)劃后在保證給定機器人質(zhì)心速度不變的情況下，得到機器人左右輪的理想速度，再經(jīng)PID控制器調(diào)節(jié)實現(xiàn)機器人的速度閉環(huán)控制。

轉(zhuǎn)彎時巡線機器人從一個導引線過渡到另一個導引線，轉(zhuǎn)彎的好壞是考核巡線機器人的重要指標。本控制系統(tǒng)采用原地打轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)彎策略，轉(zhuǎn)彎半徑為零，轉(zhuǎn)彎快速且易于實現(xiàn)。

2.1 模糊控制策略

為了實現(xiàn)機器人巡線移動功能，根據(jù)采集巡線傳感器的狀態(tài)，來感知機器人偏離導引線的大小，進而不斷地調(diào)整兩驅(qū)動輪的速度，從而調(diào)整機器人的運動軌跡，使其沿導引線運動。根據(jù)以上原理，控制器可以選用模糊控制器[3,4]。

巡線機器人系統(tǒng)中，前后兩排傳感器的布局如圖3 所示，其中前排安裝兩個傳感器檢測板，后排安裝一個傳感器檢測板，且每個檢測板包含8路紅外傳感器探頭。每個探頭之間的間距D為10mm，機器人前后兩排檢測板之間的距離L為470mm。導引線的寬度至少要略大于每個探頭之間的間距D，保證任意時刻有1到2個傳感器在導引線上。為了增加機器人對導引線在中間位置的分辨率，前后排中間位置的兩個傳感器的距離為5mm。然后分別對前后兩排紅外傳感器的進行編碼，具體編碼如表2所示?？梢缘玫侥：刂破鞯膫鞲衅鳈z測點的兩個輸入iF和iB編碼，一個輸出，機器人左右輪速度差Vei。

圖3 傳感器（檢測點）布局分布圖

模糊控制器輸入變量iF，iB的語言值選取為：{LB，LM，LS，Z0，RS，RM，RB}，其中，LB=左大、LM=左中、LS=左小、Z0=中心、RS=右小、RM=右中、RB=右大。輸出量Vei的選取為：{NVL，NL，NM，NS，Z0，PS，PM，PL，PVL}，其中，NVL= 負很大，NL= 負大，NM= 負中，NS= 負小，Z0= 零，PS= 正小，PM= 正中，PL= 正大，PVL= 正很大。

表2 傳感器（檢測點）編碼表

根據(jù)模糊隸屬函數(shù)的定義與規(guī)則，各語言變量在其論域上的隸屬函數(shù)如圖4所示，模糊控制規(guī)則的建立是基于專家知識或熟練操作人員的經(jīng)驗，它是根據(jù)人的認識能力推理出的一種語言表達形式，根據(jù)生活中汽車駕駛和智能車的調(diào)車經(jīng)驗，建立如表3所示的控制規(guī)則。

圖4 輸入輸出語言變量的隸屬函數(shù)

表3 模糊控制規(guī)則表

當機器人偏離導引線不大時，為了防止控制過度，出現(xiàn)機器人不斷來回調(diào)整的現(xiàn)象，控制規(guī)則中的調(diào)整幅度較小，如iF為Z0，iB為LM輸出Vei為NS。當機器人偏離導引線較大時，為了加快其調(diào)整速度，控制規(guī)則中的調(diào)整幅度較大，如iF為LB，iB為Z0輸出Vei為PVL。模糊推理采用Mamdani法，采用重心法進行反模糊，雖然計算量比較大，但比較準確。如圖5所示為反解模糊后得到的輸入量iF，iB與輸出量的Vei對應(yīng)的關(guān)系曲線圖。

圖5 輸入iF，iB與輸出Vei對應(yīng)的關(guān)系曲線圖

模糊控制器得到的左右輪速度偏差Vei的區(qū)域為（-10～10），需要尺度變換為實際的速度偏差值才可以使用，該變換可以是線性的也可以是非線性的。經(jīng)試驗測試當前排最左邊和最右邊4個傳感器檢測到導引線時所乘的比例系數(shù)Ku為40，其余情況比例系數(shù)Ku為35，此時，巡線機器人有比較好的控制狀態(tài)。為了保證機器人移動的平穩(wěn)性與調(diào)整的快速性，且各種情況下保證機器人按照給定速度運行，打破傳統(tǒng)的一個驅(qū)動輪速度固定，令一個驅(qū)動輪單獨調(diào)整的控制方法，選擇兩個驅(qū)動輪同時調(diào)整的方法，其左右輪的理想轉(zhuǎn)速如公式（1）所示：

其中：robot_v為機器人質(zhì)心速度；

VL為機器人左輪速度；

VR為機器人右輪速度；

2.2 轉(zhuǎn)彎的實現(xiàn)

巡線機器人在遍歷整個倉庫時，不僅需要準確平穩(wěn)地巡直線運動，而且轉(zhuǎn)彎運動同樣重要?？紤]到倉庫中路徑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間狹小，所以本系統(tǒng)采用原地打轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)彎策論，該策略具有轉(zhuǎn)彎半徑為零且易于實現(xiàn)的優(yōu)點。有機器人的轉(zhuǎn)彎半徑公式（2）可知，當機器人左輪速度與右輪速度大小相等方向相反時，可實現(xiàn)機器人原地打轉(zhuǎn)。具體需要左轉(zhuǎn)彎還是右轉(zhuǎn)彎依靠前排邊緣的兩個紅外傳感器檢測轉(zhuǎn)彎標記來判斷。即使機器人由于速度過快、導引線間斷或其他原因沖出導引線，機器人也會依靠記錄的上一次的狀態(tài)進行原地打轉(zhuǎn)尋找導引線，一定程度上增加了系統(tǒng)的魯棒性。

其中：R為移動機器人的轉(zhuǎn)彎半徑；

b為兩驅(qū)動輪輪間距的一半；

VL為機器人左輪速度；

VR為機器人右輪速度。

3 實驗與結(jié)果分析

為了使系統(tǒng)兼有穩(wěn)定啟動、快速調(diào)節(jié)、較小的超調(diào)量等特性，經(jīng)試驗不斷調(diào)整后的PID控制的參數(shù)為。DSP對巡線傳感器的采集由中心向兩邊同步進行，實驗表明，機器人在導引線線寬為12-55mm之間都能很好地完成巡線任務(wù)，增加了巡線機器人的魯棒性,但最佳工作線寬為15mm。為了保證整個控制系統(tǒng)的實時性，主程序完成一次巡線傳感器的采集之后，模糊控制器根據(jù)傳感器采集的機器人位姿得出理想的左右輪速度，緊接著PID控制器對速度進行調(diào)節(jié)，進而機器人又進入下一次巡線傳感器的采集。經(jīng)過DSP仿真可知，一個循環(huán)周期僅需要3ms左右，由此可見本文設(shè)計的巡線系統(tǒng)具有很高的實時性。

通過串口每隔50ms將下位機（DSP）采集到的紅外巡線傳感器的狀態(tài)和速度返回到上位機，如圖6所示為VC上位機人機界面，通過該界面可以實時清楚地看到機器人偏離導引線的程度與模糊控制器輸出的左右輪的速度。實驗表明，機器人可以順利通過圖7包括的路徑類型，且直線行走，巡線機器人的速度在500mm/s時，偏差在10mm以內(nèi)，速度在250mm/s時，偏差在5mm以內(nèi)，彎道行駛速度在200-500mm/s時，隨著速度的增加偏差不斷增大，但均在15mm以內(nèi)且運動比較平穩(wěn)。

圖6 VC上位機人機界面

圖7 路徑類型

4 結(jié)束語

本文開發(fā)了一種綜合模糊控制和PID控制的巡線機器人控制系統(tǒng)，實驗證明，基本滿足了AGV小車對控制系統(tǒng)實時性、魯棒性、準確性的要求，可以平穩(wěn)快速地通過直線通道，直角通道圓弧通道，該巡線機器人在常規(guī)的生產(chǎn)中能滿足使用要求。

[1] 廖華麗,周祥,董豐,等.基于模糊控制的AGV尋跡算法[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2005,37(07):896-898.

[2] LMD18200 3A,55VH-Bridge Datasheet.National Semiconductor Corporation.1999.

[3] 韓寧寧,梁清,馬海濤,等.一種巡線機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化與儀表,2008,09:39-43.

[4] 李國勇.智能控制及MATLAB實現(xiàn)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.