孔德松 高宏力 張潔 趙彬 黃曉蓉 楊松

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610031)

基于模糊控制的拋射機(jī)器人位置校準(zhǔn)研究

孔德松 高宏力 張潔 趙彬 黃曉蓉 楊松

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610031)

針對(duì)拋射機(jī)器人距離目標(biāo)位置較遠(yuǎn),在位置校準(zhǔn)過(guò)程中容易出現(xiàn)目標(biāo)位置判斷不準(zhǔn)、校準(zhǔn)速度慢等問(wèn)題,提出了定距離的位置校準(zhǔn)方式。在選用高精度激光掃描儀提高位置判斷精度的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型,同時(shí)在算法中加入了模糊控制。試驗(yàn)結(jié)果表明,該裝置位置校準(zhǔn)效果理想,符合機(jī)器人的拋射需求。

位置校準(zhǔn) 拋射機(jī)器人 激光掃描儀 模糊控制 模糊算法

0 引言

機(jī)器人誕生于20世紀(jì),發(fā)展非常迅速,現(xiàn)已應(yīng)用到生產(chǎn)、生活的各個(gè)方面,能夠替代人工完成精度更高、可靠性更強(qiáng)的任務(wù)和目標(biāo)。

拋射機(jī)器人的研制在軍事和民用中都具有非常重要的意義,但是由于拋射受到拋射距離和初速度以及空氣阻力多個(gè)參數(shù)的影響,使其算法極其復(fù)雜[1]。鑒于此,拋射機(jī)器人大多選用的是定位置或者定距離的拋射方式,即在經(jīng)過(guò)計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后,得到在固定距離下拋射的最優(yōu)初速度和拋射角,達(dá)到精確拋射的目的。但定位置的拋射方式大大限制了機(jī)器人的自由度和運(yùn)動(dòng)空間。當(dāng)采用定距離拋射方式時(shí),由于拋射方向需要嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)位置,機(jī)器人位置的校準(zhǔn)就成為了拋射能否成功的關(guān)鍵。對(duì)此,本文在位置監(jiān)測(cè)中應(yīng)用了激光掃描儀,可以針對(duì)當(dāng)前位置進(jìn)行非常有效和快捷的分析;在控制過(guò)程中,加入了模糊控制器,采用模糊控制不僅對(duì)被控制對(duì)象參數(shù)變化適應(yīng)性強(qiáng),同時(shí)使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn),保證了控制精度的要求和實(shí)時(shí)性[2]。

1 總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)要求:拋射機(jī)器人需要在距離為5 m的位置向高度為3.5 m、直徑為0.5 m的圓形拋射平臺(tái)進(jìn)行物體拋射,拋射平臺(tái)立柱直徑為0.1 m,機(jī)器人釋放物體的高度為0.5 m。理想拋射目標(biāo)位置為到達(dá)拋射平臺(tái)的圓心。拋射方式采用彈射方式,即在拋射手臂上安裝彈簧,在位置校準(zhǔn)完成后,控制氣閥進(jìn)行物體釋放。

在經(jīng)過(guò)精密計(jì)算和多次重復(fù)性試驗(yàn)后,得到在距離為5 m的位置上,以10 m/s的初速度和71°拋射角拋射時(shí),物體能夠精確到達(dá)拋射點(diǎn),并具有較好的接觸角度,不會(huì)發(fā)生側(cè)滑等情況。

為了能夠使機(jī)器人更協(xié)調(diào)有效地進(jìn)行角度和距離調(diào)整,底盤采用四個(gè)全向輪設(shè)計(jì)。相鄰兩個(gè)全向輪的夾角為90°,通過(guò)四個(gè)全向輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向和差速的配合,可以進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針的原地旋轉(zhuǎn)以及任意方向直線運(yùn)動(dòng)[3]。

1.1 系統(tǒng)工作原理

拋射機(jī)器人系統(tǒng)以倍福嵌入式PC(CX1030)為控制核心,由激光掃描儀(勞易測(cè)ROD4)、倍福模擬量輸出模塊(EL4004)和直流電機(jī)構(gòu)成。

激光掃描儀通過(guò)串口與嵌入式PC進(jìn)行通信,能夠高速實(shí)時(shí)上傳掃描數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)嵌入式PC的分析和運(yùn)算,控制EL4004模塊輸出0～10 V電壓,通過(guò)橋式驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的配合運(yùn)行,達(dá)到控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的目的。

1.2 激光掃描儀應(yīng)用規(guī)劃

德國(guó)勞易測(cè)ROD4激光掃描儀利用內(nèi)置電機(jī)旋轉(zhuǎn)能夠?qū)η胺?90°范圍的目標(biāo)進(jìn)行高速掃描,掃描射線間隔為0.36°,可以實(shí)時(shí)返回前方障礙物的距離值。掃描頻率可控,返回?cái)?shù)據(jù)為ASCII碼,共528組[4],掃描規(guī)則如圖1所示。

圖1 激光掃描儀掃描規(guī)則示意圖Fig.1 Schematic diagram of the scanning rules of laser scanner

在距離調(diào)整過(guò)程中,理想條件下可以對(duì)采集到的528個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,其中數(shù)值最小的一組即為距離拋射臺(tái)的實(shí)際距離。若數(shù)據(jù)不夠明顯,則可使機(jī)器人進(jìn)行180°原地旋轉(zhuǎn),再次檢測(cè)。在距離值確定后鎖定當(dāng)前掃描線,運(yùn)用機(jī)器人底盤的四個(gè)全向輪的差速配合,并以當(dāng)前掃描線的指向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)方向,直線前進(jìn)或后退到達(dá)距離為5 m的位置處。

在角度調(diào)整的過(guò)程中,扇形的弧長(zhǎng)計(jì)算公式如式(1)所示:

式中:l為扇形的弧長(zhǎng);n為扇形的中心角;R為扇形的半徑。

2 模糊控制策略

模糊控制是建立在模糊推理基礎(chǔ)上的基于模糊規(guī)則的非線性控制,它直接使用模糊語(yǔ)言模擬人的直覺(jué)或經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制?；谀：刂频乃惴▽?duì)環(huán)境參數(shù)變化的適應(yīng)性較強(qiáng),而且具有較好的魯棒性和良好的抗干擾能力[5]。

典型的模糊控制器由模糊化、模糊推理和解模糊三部分構(gòu)成,它們都建立在知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)上。

2.1 算法實(shí)現(xiàn)

拋射機(jī)器人位置校準(zhǔn)所采用的是單輸入、單輸出的模糊控制方式,輸入變量為激光掃描儀采集的角度和距離信號(hào);輸出變量為拋射機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)的角度、機(jī)器人前后移動(dòng)距離。

2.1.1 輸入量設(shè)置

①根據(jù)激光雷達(dá)的檢測(cè)結(jié)果,機(jī)器人距離拋射平臺(tái)s的隸屬模糊子集定義為{遠(yuǎn)(F)、偏遠(yuǎn)(SF)、中(M)、偏近(SN)、近(N)},其隸屬度函數(shù)圖形如圖2(a)所示。

②在位置移動(dòng)到距離5 m時(shí),根據(jù)激光掃描儀檢測(cè)到數(shù)據(jù)的分布情況,定義角度信息的模糊子集如下: {左(L)、偏左(SL)、中(M)、偏右(SR)、右(R)},其隸屬度函數(shù)圖形如圖2(b)所示。

圖2 模糊控制的輸入隸屬函數(shù)Fig.2 Membership function of fuzzy control input

2.1.2 輸出量設(shè)置

①距離調(diào)整。拋射機(jī)器人運(yùn)用激光掃描儀測(cè)得的距離最小值,對(duì)機(jī)器人的距離情況進(jìn)行分析和運(yùn)算后,通過(guò)改變電壓值來(lái)控制四個(gè)電機(jī)的前后移動(dòng)方向和速度,達(dá)到點(diǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式。行進(jìn)距離的模糊子集定義如下:{后退(B)、稍微后退(SB)、中(M)、稍微前進(jìn)(SF)、前進(jìn)(F)}。隸屬度函數(shù)如圖3(a)所示。

②角度調(diào)整。由于拋射機(jī)器人底盤采用四輪夾角90°,可以對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)任意角度。為了使角度調(diào)整更為可控并有效提高精度,將每次轉(zhuǎn)角范圍限制為[-π/18,π/18],其模糊子集定義如下:{左轉(zhuǎn)(TL)、稍微左轉(zhuǎn)(STL)、中(M)、稍微右轉(zhuǎn)(STR)、右轉(zhuǎn)(TR)}。轉(zhuǎn)動(dòng)角度隸屬函數(shù)圖如圖3(b)所示。

圖3 模糊控制輸出隸屬函數(shù)Fig.3 Membership function of fuzzy control output

2.2 模糊規(guī)則的建立

模糊規(guī)則是模糊控制的關(guān)鍵部分,模糊算法實(shí)際上是根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)的,是采用一系列的基于專家知識(shí)的語(yǔ)言來(lái)描述的。專家知識(shí)常用“IF THEN”的規(guī)則進(jìn)行使用,而且這些規(guī)則非常容易通過(guò)模糊邏輯條件語(yǔ)句進(jìn)行實(shí)現(xiàn)[6]。舉例說(shuō)明:規(guī)則1,如果角度偏左,則需稍微右轉(zhuǎn);規(guī)則2,如果距離偏遠(yuǎn),則需稍微前進(jìn)。

2.3 解模糊

解模糊又稱清晰化、反模糊化,是模糊控制中的關(guān)鍵部分,即把模糊量轉(zhuǎn)換成精確量。清晰化的原因是由于模糊控制規(guī)則輸出的是模糊量,而實(shí)際控制中,被控對(duì)象需要的是精確量[7]。本文采用面積重心法進(jìn)行解模糊。在面積重心法中,非模糊量輸出為模糊多邊形面積的重心。以激光掃描儀所測(cè)得的點(diǎn)位為270為例,由圖2(b)和圖3(b)可得到如圖4所示的模糊多邊形。

圖4 面積重心法解模糊圖Fig.4 Centroid defuzzification method

精確化計(jì)算公式為:

式中:α為轉(zhuǎn)角的角度數(shù);u(α)為隸屬度函數(shù)。

將陰影圖形分成兩個(gè)三角形、一個(gè)長(zhǎng)方形和兩個(gè)梯形分別進(jìn)行計(jì)算,得到α=1.81°,從而得到在掃描點(diǎn)為270時(shí)需要右轉(zhuǎn)1.81°。掃描點(diǎn)數(shù)270～265所對(duì)應(yīng)的5個(gè)掃描線的角度為5×0.36°=1.8°,所對(duì)應(yīng)的角度相差僅為0.01°,誤差較小,可以滿足拋射機(jī)器人的角度調(diào)整。

模糊控制器所得出的角度調(diào)整和位置移動(dòng)信號(hào),經(jīng)嵌入式PC分析后,能對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行有效的供電調(diào)節(jié),達(dá)到定角度轉(zhuǎn)動(dòng)的目的。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

拋射機(jī)器人的調(diào)節(jié)控制的軟件流程圖如圖5所示。

圖5 控制流程圖Fig.5 Control flow

首先,開機(jī)設(shè)定每個(gè)參數(shù)的初始值,將模糊控制規(guī)則存儲(chǔ)于嵌入式PC的寄存器中,利用串口將采集到的激光掃描儀信息進(jìn)行分析并判斷其所對(duì)應(yīng)的模糊論域;調(diào)用模糊算法求得模糊輸出量,并經(jīng)過(guò)尺度變換,通過(guò)模擬量輸出模塊EL4004輸出0～10 V電壓控制控制電機(jī),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

由于本文研究的側(cè)重點(diǎn)在于拋射機(jī)器人的位置校準(zhǔn),故在模型實(shí)體設(shè)計(jì)時(shí)只制作了應(yīng)用全向輪的機(jī)器人底盤。試驗(yàn)選擇相對(duì)空曠的場(chǎng)地,并人工排除了其他障礙物的影響。

在試驗(yàn)過(guò)程中,對(duì)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。

由于激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)量非常龐大,故以500 ms為選取周期進(jìn)行典型數(shù)據(jù)的選取,其他位置進(jìn)行插值處理。激光雷達(dá)在位置校準(zhǔn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)變化曲線如圖6所示。

圖6 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)變化曲線Fig.6 Data changes curves of laser scanner

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以嵌入式PC為核心控制器,并以激光掃描儀作為狀態(tài)調(diào)整傳感器,加入了模糊控制策略。試驗(yàn)結(jié)果表明,機(jī)器人能夠較為快速地完成位置校準(zhǔn)操作,雖然在角度調(diào)整過(guò)程中有輕微的震蕩,但是由于拋射平臺(tái)的直徑為0.5 m,能夠允許的誤差較大,故位置校準(zhǔn)的研制能夠很好地拋射機(jī)器人的位置校準(zhǔn)要求。

[1] 李武剛.阻力系數(shù)和物體質(zhì)量對(duì)斜拋運(yùn)動(dòng)影響的數(shù)值分析[J].廣西師范學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,23(2):112-114.

[2] 張永勝,高宏力,劉慶杰.基于模糊控制理論的同步帶恒張力控制系統(tǒng)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2012(6):15-17.

[3] 陳旭東,孔令成,劉尊彭.基于全向輪的機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與控制設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù),2012,31(1):48-56.

[4] 劉訓(xùn)非,張首峰.模糊控制技術(shù)在智能吸塵器自動(dòng)充電中的應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng),2012(12):52-55.

[5] 李蓮,李立.基于模糊控制的LED路燈控制系統(tǒng)的理論研究[J].照明工程學(xué)報(bào),2012(8):80-83.

[6] 付宜利,顧曉宇,王樹國(guó).基于模糊控制的自主機(jī)器人路徑規(guī)劃策略研究[J].機(jī)器人,2004,26(6):548-552.

Research on the Position Calibration Based on Fuzzy Control for Projectile Robot

Normally,the projectile robot is located far from the position of target,in position calibration process,inaccurate judgment of the target position occurs often,and the calibration speed is slow,thus the position calibration method with given distance is proposed.By selecting high precision laser scanner to enhance the accuracy of position judgment,the accurate mathematical model is built;in addition,fuzzy control is added in the algorithm.The experimental result shows that the device offers good position calibration effect,and meets projectile demand for robots.

Position calibration Projectile robot Laser scanner Fuzzy control Fuzzy algorithm

TP249

A

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào):51275426);

中央高?；狙芯繕I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(編號(hào):SWJTU09CX019)。

修改稿收到日期:2014-02-10。

孔德松(1989-),男,現(xiàn)為西南交通大學(xué)測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事自動(dòng)控制及信號(hào)處理方面的研究。