羅繼曼，戴璐璐，印 輝，劉澤明，劉士恒

(沈陽建筑大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

0 引言

目前，很多高校和公司正致力于管道機器人的研發(fā)并取得了可觀的成就，而可以進行自主清除淤泥工作的機器人還很少，清淤機器人控制系統(tǒng)設(shè)計還不完善。江蘇工業(yè)學(xué)院研究并開發(fā)了一種纜控清淤機器人，該清淤機器人的控制系統(tǒng)核心為51單片機。上海交通大學(xué)對管道檢測機器人控制和導(dǎo)航系統(tǒng)進行了詳細的研究，實現(xiàn)了管道機器人自主路徑規(guī)劃、導(dǎo)航和動作的智能控制[1-3]。上述文獻中所涉及的清淤機器人均只具備檢查管道內(nèi)部破損情況以及代替工作人員進行穿纜作業(yè)的功能，自主清淤能力較差，所以對清淤機器人控制系統(tǒng)的研發(fā)工作仍然需要進一步深入，提高清淤機器人的自動化水平。

本文根據(jù)該機器人的結(jié)構(gòu)特點和功能要求進行了整機控制系統(tǒng)的設(shè)計，以增強該機器人的可控性，實現(xiàn)自主清淤。為了確保該機器人能夠平穩(wěn)、可靠地運動，需要對輪式機構(gòu)協(xié)調(diào)運動控制策略進行深入研究，其中包括提高單組行走單元控制性能的控制算法和增強多電機系統(tǒng)同步性能的協(xié)調(diào)控制策略。

1 機器人的結(jié)構(gòu)和硬件配置

1.1 管道清淤機器人機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

清淤機器人的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其機械本體主要由3個部分組成，分別為輪式行走機構(gòu)、步進機構(gòu)和清淤機構(gòu)。

圖1 新型管道清淤機器人總體結(jié)構(gòu)

由圖1可知，輪式行走機構(gòu)處于整機的中間位置，是機器人前進的主要驅(qū)動機構(gòu)。輪式行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示，該機構(gòu)主要由均布在圓周內(nèi)3組行走單元組成，各由1個電機驅(qū)動。該機器人采用全驅(qū)動的方式，在理想狀態(tài)下，3個獨立的驅(qū)動電機速度應(yīng)保持一致，所以該控制系統(tǒng)需要有較好的調(diào)速能力，使機器人能夠平穩(wěn)、可靠地運動。

圖2 輪式行走機構(gòu)

步進推動機構(gòu)是管道清淤機器人前進的輔助機構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)輪式行走機構(gòu)中的行走單元的3組輪都處于打滑狀態(tài)時，步進推動機構(gòu)啟動輔助清淤機器人前進。

清淤機構(gòu)通過內(nèi)置電機1帶動主軸旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)清淤頭的轉(zhuǎn)動，從而刮削下管道內(nèi)壁的淤泥，是機器人完成清淤作業(yè)的主要執(zhí)行機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 步進機構(gòu)

圖4 清淤機構(gòu)

1.2 控制系統(tǒng)硬件配置

根據(jù)設(shè)計的目的和要求，給出了如圖5所示的系統(tǒng)框圖。本機器人控制系統(tǒng)可按功能劃分為上位機和微控制器STM32。輸入模塊由壓力檢測模塊、測速模塊、光電模塊組成；輸出模塊由電機驅(qū)動模塊、驅(qū)動電機、電推桿組成；通訊模塊是Wi-Fi模塊。STM32單片機作為系統(tǒng)的核心控制器件負責(zé)對各電機的精確控制、上位機的命令識別及數(shù)據(jù)的傳輸[4-5]。電機驅(qū)動模塊將控制器產(chǎn)生的小信號放大[6]，并根據(jù)微處理器輸出的PWM信號控制直流電機的速度和方向。編碼器負責(zé)實時測量直流電機的速度和方向，便于對驅(qū)動電機進行閉環(huán)控制。

圖5 系統(tǒng)框圖

2 行走單元控制系統(tǒng)的研究與仿真

清淤機器人驅(qū)動系統(tǒng)是機器人順利完成作業(yè)的核心，是清淤機器人具有良好的通過性和越障能力的保障。在理想狀態(tài)下，3個獨立的行走單元的運動應(yīng)具有同步性。但如果每組行走單元對于轉(zhuǎn)速的跟隨能力不強，使轉(zhuǎn)速跟蹤誤差較大時，單組行走單元的控制性能不能達到要求，那么輪式驅(qū)動系統(tǒng)的同步協(xié)調(diào)性能也不能夠得到保證。因此必須采用適當(dāng)?shù)目刂扑惴▉硖岣咝凶邌卧目刂凭燃翱垢蓴_性。

為了滿足運行中電機控制需要達到一個較高精度的要求，本文的行走單元驅(qū)動系統(tǒng)采用廣泛使用的雙閉環(huán)調(diào)速方法[7]，如圖6所示。從行走單元控制系統(tǒng)的反饋結(jié)構(gòu)上看，以電流為內(nèi)環(huán)反饋，轉(zhuǎn)速為外環(huán)反饋?？紤]到轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)是能確保該調(diào)速系統(tǒng)具有良好的跟隨性和抗干擾性的根本因素。故電流環(huán)的調(diào)節(jié)器采用傳統(tǒng)的PID控制算法，而轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器采用模糊PID控制算法，以提高系統(tǒng)的自適應(yīng)性與魯棒性,實現(xiàn)電機無靜差穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)[8]。

圖6 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

2.1 傳統(tǒng)PID控制算法

在行走單元控制系統(tǒng)中，電流環(huán)控制器采用了傳統(tǒng)的PID控制算法，該算法以其高穩(wěn)定性，原理簡單等特點廣泛應(yīng)用在直流電機的控制系統(tǒng)中，PID控制原理如圖7所示。

圖7 PID控制原理

在實際應(yīng)用中，可根據(jù)系統(tǒng)需要靈活地進行比例、積分、微分環(huán)節(jié)的組合。微分調(diào)節(jié)器對輸入信號的噪聲很敏感，令控制系統(tǒng)容易受到高頻電磁的干擾，降低系統(tǒng)的抗干擾性能。由于管道環(huán)境較復(fù)雜，行走單元驅(qū)動電機工作時所需轉(zhuǎn)速及承受的負載隨時可能變化。例如，為了提升清淤效率，機器人需要根據(jù)淤積量匹配不同的轉(zhuǎn)速。同時機器人承受的阻力產(chǎn)生變化，反映到電機上即為電機負載變化[9]。因此為了避免降低電機控制系統(tǒng)的抗干擾性，本次設(shè)計控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器采用的是PI控制。

2.2 自適應(yīng)模糊PI控制算法

PID控制一直用不變的參數(shù)控制系統(tǒng)的整個過程,當(dāng)電機所受負載或速度波動較大時，可能導(dǎo)致原來的參數(shù)不再適應(yīng)變化后的電機控制系統(tǒng)。因此，想要從根本上提高控制系統(tǒng)的動態(tài)性能以及控制精度，就要求PID控制器具有很好的時變性，能根據(jù)控制系統(tǒng)的變化而變化。模糊PID控制直接采用語言控制規(guī)則，可完全不依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，通過用模糊控制理論規(guī)則針對PID控制器實時在線自動對其參數(shù)進行整定。它在電機控制系統(tǒng)應(yīng)用中具有控制精度強和魯棒性好等優(yōu)點[10]，對外界的干擾也具有很強的抑制能力[11]。

轉(zhuǎn)速環(huán)模糊PI控制器原理如圖8所示，直流電機模糊PI參數(shù)的整定為[12]：

KP=KP0+ΔKP

(1)

KI=KI0+ΔKI

(2)

ΔKP和ΔKI為模糊控制器輸出的修正值；KP0和KI0為PI控制器參數(shù)的原始值。

圖8 模糊PI控制器

2.3 行走單元控制系統(tǒng)的仿真

本文利用Simulink軟件對行走單元的驅(qū)動系統(tǒng)進行建模和仿真。

轉(zhuǎn)速環(huán)采用模糊PI控制器，其中模糊化系數(shù)Ke=10，Kec=3.42；解模糊化系數(shù)K1=0.8，K2=48；PI控制器初始系數(shù)KP0=25，KI0=8。

電流環(huán)采用的是傳統(tǒng)PI控制器，為了防止電流過大，設(shè)置了限幅環(huán)節(jié)。經(jīng)過反復(fù)調(diào)節(jié)，確定PI控制器參數(shù)KP1=14.8且KI1=5。輪式機構(gòu)驅(qū)動電機的額定電流為13 A,因此電流環(huán)限幅[-18,18]。

2.4 仿真結(jié)果對比及分析

本文所設(shè)計的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速環(huán)是增強系統(tǒng)對負載變化能力抗干擾能力的主要控制環(huán)節(jié)，因此對轉(zhuǎn)速環(huán)控制器分別采用傳統(tǒng)PI和模糊PI算法進行仿真實驗對比。

2.4.1 行走單元調(diào)速仿真

設(shè)定行走單元的起始速度為180 r/min；在2.5 s時，調(diào)整行走單元設(shè)定轉(zhuǎn)速為150 r/min，行走單元的轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果對比如圖9所示。

圖9 轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果

由圖9可知，2種控制方法都能令轉(zhuǎn)速很快地達到指定值。但基于模糊PI控制的系統(tǒng)，在電機啟動時，轉(zhuǎn)速超調(diào)量更小，穩(wěn)定性較好；進行減速控制時，響應(yīng)速度較快，經(jīng)過少量跌落后穩(wěn)定在給定速度。

2.4.2 負載擾動仿真

行走單元給定轉(zhuǎn)速設(shè)為180 r/min，把負載改為擾動負載。行走單元的初始負載轉(zhuǎn)矩4 N·m；在1.5 s后負載變?yōu)? N·m，電機轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果對比如圖10所示。

圖10 轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果

由圖10可知，在加上負載擾動的情況下，轉(zhuǎn)速有所下降，經(jīng)過系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)，使得轉(zhuǎn)速重新恢復(fù)為指定值。但模糊控制PI擁有更小的轉(zhuǎn)速下降量，并且恢復(fù)至指定轉(zhuǎn)速值的速度更快。

這說明模糊PI控制系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性、抗干擾力更強，有效提高了清淤機器人的控制靈敏性。

3 輪式行走機構(gòu)的3組行走單元的同步控制研究與仿真

為了進一步提高該機器人運動的平穩(wěn)性，增強3組行走單元的同步協(xié)調(diào)性，本文在該機器人行走單元各自控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過速度補償器，建立3組行走單元運行時速度的關(guān)聯(lián)性，以保證行走單元運動特性的同步控制。

3.1 偏差耦合器設(shè)計

本文采用基于偏差耦合的控制策略實現(xiàn)3組行走單元的同步控制，對每一組行走單元而言，都要考慮自身的轉(zhuǎn)速跟蹤誤差和與其余行走單元的轉(zhuǎn)速同步誤差[13]。要使各行走單元同步運行，應(yīng)使它們的跟蹤誤差和同步誤差穩(wěn)定收斂，即滿足：

(3)

行走單元偏差耦合控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖11所示，它主要由3個部分組成：系統(tǒng)的混合模塊(MUX)、每組行走單元對應(yīng)的分離模塊(DEMUX)和速度補償器模塊。其中最重要的組成部分是速度補償器模塊，由它提供每組行走單元的補償信號[14]。由于該結(jié)構(gòu)將系統(tǒng)的各行走單元耦合起來，形成一個閉環(huán)結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)任意一組行走單元受到干擾時，其他行走單元都能實時、準確地調(diào)整速度，從而達到較高的同步性能。

圖11 偏差耦合控制系統(tǒng)

速度補償器1的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖12所示，在該模塊中將行走單元1的反饋速度值與其他行走單元的反饋值做差，并分別乘以各自的耦合系數(shù)Kir，再將所有的結(jié)果相加后作為速度信號。

圖12 速度補償器1

速度耦合系數(shù)Kir所起到的作用是當(dāng)任意行走單元驅(qū)動電機受到外界環(huán)境的擾動，例如負載突然增加或者減少，受到?jīng)_擊載荷等，減小電機間的同步偏差，并且不會增加系統(tǒng)的超調(diào)，從而避免了輸出轉(zhuǎn)矩的抖動。Kir的取值與電機的轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)，計算公式為

Kir=Ji/Jrr=1，2

(4)

Ji為系統(tǒng)中第i臺電機的轉(zhuǎn)動慣量；Jr為電機i相鄰的第r臺電機的轉(zhuǎn)動慣量。則電機1的速度補償值e1=K11(w1-w2)+K12(w1-w3)。同理可得其他電機的速度補償值。

3.2 仿真結(jié)果分析

利用 MATLAB 中的 Simulink平臺對3組行走單元的同步控制進行仿真，其中各行走單元轉(zhuǎn)速均采用基于模糊PI控制的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過速度補償器，建立3組行走單元之間的耦合關(guān)系，以保證它們的同步協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)。

3.2.1 調(diào)速仿真

設(shè)定3組行走單元的起始速度均為180 r/min；在2 s時，調(diào)整電機設(shè)定轉(zhuǎn)速為150 r/min；在4 s時，調(diào)整電機設(shè)定轉(zhuǎn)速為100 r/min，電機轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果如圖13所示。

圖13 轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果

由圖13可知，3組行走單元的同步性較好，電機起動時出現(xiàn)了輕微超調(diào)，但很快穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速180 r/min上。當(dāng)給定轉(zhuǎn)速變化時，3臺電機的轉(zhuǎn)速同步變化，速度產(chǎn)生輕微波動最終穩(wěn)定在變化后的給定轉(zhuǎn)速量。

3.2.2 負載擾動仿真

設(shè)定行走單元給定速度為180 r/min，給定負載轉(zhuǎn)矩為4 N·m；在1.5 s時，給行走單元1加負載擾動；在4 s時，給3組行走單元同時添加負載擾動。電機轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果如圖14所示。

電機系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，系統(tǒng)可以按照給定速度完成3組行走單元同步運行。在1.5 s時，僅行走單元1收到負載擾動，行走單元1轉(zhuǎn)速首先產(chǎn)生微量下降，由于行走單元轉(zhuǎn)速之間有耦合關(guān)系，行走單元2和行走單元3轉(zhuǎn)速很快跟隨變化。在4 s時，當(dāng)3組行走單元同時受到負載擾動時，其轉(zhuǎn)速同時產(chǎn)生少量速度波動，并快速恢復(fù)至指令速度。

圖14 轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果

因此當(dāng)系統(tǒng)中一旦有電機出現(xiàn)擾動，由于耦合控制器的作用，就會使其他電機產(chǎn)生同步控制反應(yīng)，相互傳遞擾動信號，使得整個系統(tǒng)都對擾動做出相應(yīng)的反饋，進而消除擾動，可有效增強3組行走單元的協(xié)調(diào)控制性能，保證機器人在管道內(nèi)平穩(wěn)靈活地行駛。

4 實驗

在本次實驗中，主要按照以下3個步驟進行：整機功能測試、行走單元測試和輪式行走機構(gòu)的同步測試。

4.1 整機功能測試

為了檢驗控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和機器人各個功能模塊是否正常工作，先進行整機功能測試，查看機器人在水平管道內(nèi)和15°坡度的管道內(nèi)運行情況,如圖15和圖16所示。

圖15 水平管道內(nèi)機器人運行情況

圖16 有坡度的管道內(nèi)機器人運行情況

經(jīng)測試，該機器人在水平管道內(nèi)運動時各功能均按設(shè)計實現(xiàn)，且運動平穩(wěn)；在管道內(nèi)可沿直線行駛，無偏移現(xiàn)象，滿足設(shè)計要求；在啟動和停止時，沒有明顯抖動，說明該控制系統(tǒng)有效可靠。

4.2 輪式驅(qū)動機構(gòu)的行走單元測試

對輪式驅(qū)動機構(gòu)的1組行走單元進行實驗，檢測轉(zhuǎn)速反饋情況和速度的跟隨性。行走單元的行駛速度設(shè)為200 r/min，速度采樣周期為30 ms，系統(tǒng)在3 s內(nèi)的電機的速度響應(yīng)曲線如圖17所示。

圖17 速度響應(yīng)曲線

由圖17可知，系統(tǒng)出現(xiàn)一次震蕩后便處于穩(wěn)定，系統(tǒng)上升時間tr=0.5 s,調(diào)節(jié)時間ts=0.15 s，穩(wěn)態(tài)誤差ess=5%，超調(diào)性很??；測量結(jié)果表明該系統(tǒng)控制精度高、具有良好穩(wěn)定性。

4.3 輪式驅(qū)動機構(gòu)3組行走單元同步測試

為了檢驗輪式行走機構(gòu)的協(xié)調(diào)控制效果，僅對輪式驅(qū)動機構(gòu)進行實驗，在管道內(nèi)2個不同位置放置障礙，以檢測輪式行走機構(gòu)3個行走單元的同步性。得到輪式驅(qū)動電機速度偏差曲線如圖18～圖20所示。

圖18 行走單元1與行走單元2速度偏差曲線

圖19 行走單元1與行走單元3速度偏差曲線

從電機的同步速度偏差曲線計算得出，穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)的同步誤差幾乎為0，當(dāng)機器人碰到障礙時，最大同步誤差為1.5 r/min。說明輪式驅(qū)動機構(gòu)3個行走單元同步性良好，抗干擾性能力強，能夠滿足系統(tǒng)要求。

圖20 行走單元2與行走單元3速度偏差曲線

5 結(jié)束語

根據(jù)清淤機器人的行走方式，進行該機器人的整體控制系統(tǒng)設(shè)計，并完成了機器人控制系統(tǒng)各模塊硬件配置，經(jīng)實驗驗證該控制系統(tǒng)可控性強，可實現(xiàn)對機器人在管道內(nèi)運行的各個動作控制。

對清淤機器人的電機控制算法進行了研究，設(shè)計完成了基于模糊PI控制的電機控制系統(tǒng)，并利用Simulink對基于模糊PI控制和傳統(tǒng)PI控制的行走單元的轉(zhuǎn)速控制效果進行了比較。仿真結(jié)果表明基于模糊PI算法的控制系統(tǒng)速度跟隨性更好、系統(tǒng)具有更好的可控性和抗干擾性。可實現(xiàn)對該機器人輪式驅(qū)動系統(tǒng)的速度精確控制。

針對清淤機器人的輪式驅(qū)動系統(tǒng)，設(shè)計了速度補償器，使3組行走單元的控制系統(tǒng)之間具有耦合關(guān)系，以保證3個電機的同步控制。仿真結(jié)果表明，在3組行走單元負載有所差異的情況下仍然能夠?qū)崿F(xiàn)同步控制，能夠滿足清淤機器人運動控制的設(shè)計要求。