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        基于PID控制的跑步機(jī)器人控制算法研究與分析*

        2021-08-01 15:05:36茍小平張萬軍張景軒張景怡張景妍
        甘肅科技 2021年11期
        關(guān)鍵詞:隴東步態(tài)控制算法

        茍小平,張萬軍,張 峰,張景軒,張景怡,張景妍

        (1.隴東學(xué)院體育學(xué)院,甘肅 慶陽 745000;2.甘肅澤德電子技術(shù)有限公司,甘肅 天水 741003;3.蘭州工業(yè)化設(shè)備有限公司,甘肅蘭州 730050)

        1 問題的提出

        如何提高學(xué)生參加長跑鍛煉的興趣,有效提高他們的耐力素質(zhì),是體育工作者不斷探索的重要問題[1-4]。近年來,有學(xué)者茍小平、張萬軍[5-22]等的研究重點(diǎn)集中在體育產(chǎn)品研制及插補(bǔ)曲線的應(yīng)用上[23-29]。

        本文提出了一種基于PID 控制的跑步機(jī)器人控制算法,基于關(guān)節(jié)角度誤差參數(shù)及運(yùn)行誤差的變化機(jī)器人。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),建立了模糊規(guī)則表,PID 參數(shù)自整定在線仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:PID 控制方法具有良好的控制效果,能夠使跑步機(jī)器人平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對步態(tài)跑步機(jī)器人的初始控制。

        2 跑步機(jī)器人PID 控制算法設(shè)計(jì)

        考慮到機(jī)械腿的電機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)在傳遞過程中不可避免的誤差,機(jī)器人系統(tǒng)增加了編碼器,實(shí)時(shí)采集關(guān)節(jié)的角度信息,并反饋給控制器。通過控制器的計(jì)算,可以實(shí)時(shí)減小誤差引起的實(shí)際步態(tài)與理論步態(tài)的差異。模糊PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

        圖1 模糊PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

        3 模糊規(guī)則表的建立

        模糊控制設(shè)計(jì)的核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn),建立合適的模糊規(guī)則表,得到分別設(shè)置KP,Ki和Kd三個(gè)參數(shù)的模糊規(guī)則表[8],見表1。

        表1 KP,Ki 和Kd 模糊控制規(guī)則表

        4 去模糊

        根據(jù)e(k)和△e(k)的隸屬函數(shù),當(dāng)輸入值為常數(shù)時(shí),本研究需要找到一個(gè)最能代表模糊集的精確量。這里作者用重心法來表示這個(gè)精確值[9]:

        在公式:Qi-模糊變量值,Ui—模糊變量值對應(yīng)的隸屬度。

        每個(gè)PID 參數(shù)的精確值可從式(2)中獲得。

        5 跑步機(jī)器人控制算法測試平臺(tái)介紹

        跑步機(jī)器人控制算法測試的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為隴東學(xué)院體育學(xué)院,隴東學(xué)院體育學(xué)院室內(nèi)溫度為25~35℃。圖2 為跑步機(jī)器人控制算法測試平臺(tái)器。

        圖2 跑步機(jī)器人控制算法測試平臺(tái)

        6 結(jié)果與分析

        使用MATLAB 軟件對跑步機(jī)器人控制算法進(jìn)行仿真,分別做出PID 控制、常規(guī)PID 控制等試驗(yàn)?zāi)M圖,如圖3 和圖4 所示。本試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證上述控制方法的分析誤差。

        圖3 試驗(yàn)?zāi)M圖1

        圖4 試驗(yàn)?zāi)M圖2

        從圖3 可以看出:PID 控制方法具有良好的控制效果,能夠使跑步機(jī)器人平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對步態(tài)跑步機(jī)器人的初始控制。

        從圖4 可以看出:PID 控制方法具有良好的控制效果,能夠使跑步機(jī)器人平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對步態(tài)跑步機(jī)器人的初始控制。

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