基于模糊控制的机器人运动控制系统设计

图 3 GK102 电路图
３．２ 硬件连接 根据儿童车的双后驱和独立转弯模式可知儿童车有
三 个 电 机 要 驱 动， 所 以 移 动 机 械 手 运 动 控 制 系 统 需 要 三 个 miniIBT。 三 个 miniIBT 全 部 采 用 PWM 信 号 控 制， STM32F103 单片机有 4 个定时器，每个定时器有 4 个通道， 每个通道都可以方便的产生 PWM 波。本设计中选用通道 1 和通道 4 分别作为 miniIBT 的 RPWM 和 LPWM；TIM2 控 制转弯电机、TIM3 控制左轮电机、TIM4 控制右轮电机。三 个 miniIBT 的 EN 分别由 PD0—PD2 控制；无线遥控器的 D0—D3 分别与 PC0—PC3 相连；由于需要判断抓取物的 相对位置，抓取物的相对位置包括距离和方向信息，其中距 离信息可以直接从 HC—SR04 超声波测距模块反馈信号得 到，但是方向信息却不能单从 HC—SR04 中得到。所以设 计中使用 3 个 HC—SR04，分别安装在车头的中间、左边和 右边，通过对比 3 个 HC—SR04 返回的信号就可以得出方 向信息。比如抓取物在车声左边边，那么左边的 HC—SR04 返回的距离信息比中间和右边的 HC—SR04 返回的距离信 息就要短。HC—SR04 的触发信号采用脉冲触发，每 60ms 发送一次脉冲，回响信号的捕获采用定时器的输入捕获功能， STM32F103 每个定时器的通道 2 都具有输入捕获功能。触 发信号与定时器通道 3 连接、回响信号与定时器通道 2 连接， TIM2—TIM4 分别对应左、中、右三个 HC—SR04 超声波
表 3 K1 模糊控制规则表
Ec E
NB
NS
Z
PS
PB
NB
PB
PB
PB
PB
PM
NS
PM
PM
PS
PS
PS
Z
PS
Z
Z
Z
NS
PS
NS
NS
NS
NM
NM
PB
NM
NB
NB
NB
NB
表 3 K2 模糊控制规则表
E Ec
NB
NS
Z
PS
PB
NB
PB
PB
PB
PM
PM
NS
PM
ຫໍສະໝຸດ Baidu
PM
PS
PS
PS
Z
PS
Z
Z
Z
NS
PS
NS
NS
NS
时右边导通，当左边加反向电压时右边截止。与编码盘配合 使用可以用于检测转弯角度信号和机械手臂移动位移信号。 其获取信号的原理如下：首先编码盘是一块边缘均匀打着小 洞的圆盘，把圆盘的边缘放在 GK102 的凹槽里，当圆盘转 动的时候，由于小洞的存在 GK102 发光二极管发出的光有 时通过小洞射到光电三极管上，三极管导通得到一个信号。
NM
NM
PB
NM
NM
NB
NB
NB
５ 系统软件设计
根据移动机械手运动控制系统可知，系统软件要实现 对显示屏、miniIBT 电机驱动器、RO3BS 无线接收模块、 HC—SR04 超声波测距模块和 GK102 透射式光电传感器等 器件的控制 ( 包括初始化、控制信号的输出和返回信号的获 取等 )；还包括信息显示、传感器信号的处理和模糊控制算法 等一些事件的完成。系统软件设计采用模块化设计方法，整 个系统主要由系统主程序和各功能子程序组成。主程序主要 完成系统初始化、界面的显示 ( 包括欢迎界面、模式选择界 面和模式信息界面等 )、各模式之间的切换、遥控信号的接受
事实上，对于复杂的、多因素影响的生产过程，即使不 知道该过程的数学模型，有经验的操作人员也能根据长期的 观察和操作经验进行有效地控制，而采用传统的自动控制方 法的效果则并不理想。然而，能否把人的操作经验总结为若 干条控制规则，并设计一个装置去执行这些规则，从而对系 统进行有效的控制 ? 模糊控制理论和方法便由此而生。
根据硬件电路设计可知，HC—SR04 的距离信号可以 用来判断抓取物的距离和方向信息，转弯角度和移动机械手 运动相对位移是用来控制移动机械手和抓取物的相对位置。 本设计中采用两个独立的模糊控制器来控制转弯角度和运动 相对位移，输入量分别是距离和方向信息。为了实现的简便 性与快速性，在本系统中都采用二维模糊控制器结构形式， 即输入量 E 和变化率 Ec。控制转弯角度的模糊控制器设定 输入变量方向 (E1) 和方向变化率 (E1c) 语言值的模糊子集为 { 负大，负小，零，正小，正大 }( 负代表左，正代表右 )，并 简记为 {NB，NS，Z，PS，PB }，输出量转弯角度 (K1) 的 模糊子集为 {NB，NM，NS，Z，PS， PM， PB }；同理 控制运动相对位移的模糊控制器设定输入变量相对位移 (E2) 和相对位移变化率 (E2c) 语言值的模糊子集为 { 负大，负小， 零，正小，正大 }( 负代表远，正代表近 )，并简记为 {NB， NS，Z，PS，PB }，输出量运动相对位移 (K2) 的模糊子集 为 {NB，NM，NS，Z，PS， PM， PB }。输入变量的隶 属函数的论域定为 [-2，2]，输出变量的隶属函数的论域定为 [-3，3]。隶属函数均选为灵敏度高且在论域范围内均匀分布、 等距离的三角形函数。
技术与应用——机器人
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基于模糊控制的机器人运动控制系统设计
Design for Motion Control System of Mobile Robot Based on Fuzzy Control
文 / 上海环保研发科技有限公司 柳依然
摘要 ：移动式机器人主要由遥控操作器、自动控制系统和传感器等三部分为移动载体而组成系统。移动式机器人的核心技 术是控制系统，其中运动控制技术是关键环节。本文以移动机械手作为研究对象，设计了一种准确抓取物体的运动控制系统， 利用模糊控制算法控制移动机械手准确停在适当抓取位置。
移动机 械手
电机驱 动模块
透射式光 电传感器
STM32F103 单片机
TFT 显示屏 遥控器
超声波测距传感器
图 1 移动机械手运动控制系统方案框图
３ 硬件设计
３．１ 部分硬件介绍 A：无线遥控器 无线遥控器采用南京普闻视听电子公司的 RO3BS 无线
遥控器，它包括发送和接收模块。该无线遥控器为四路遥控器， 信号输出可以是单路也可以是双路，工作频率为 315MHz， 遥控最大距离为 80M。图 2 为 RO3BS 接收模块实物图， 图中可以一共有 7 个引脚，其中 +5V 和 G 是电源接入端， D0—D3 为接受信号的输出端。
２ 总体设计
本文所设计的移动机械手运动控制系统主要由单片机 (STM32F103)、显示屏、电机驱动器、无线遥控器、超声 波测距传感器和透射式光电传感器等组成。单片机用来管理 各模块工作，同时完成模糊控制算法运算。显示屏主要是用 来显示移动机械手运动时的一些信息，比如处于何种工作模 式、是在前行还是在后退、转弯角度和抓取物距离等信息； 电机驱动器主要用于驱动改装后的儿童小车；无线遥控模块 主要用来给运动控制系统发送控制命令，包括模式的选择、 车体运动控制等控制命令；超声波测距模块主要用于探测物 体距离，当然在移动机械手移动的时候也可以用于探测障碍 物防止移动机械手在运动时发生机械碰撞；透射式光电传感 器主要用于记录脉冲数，和编码盘配套使用后用于提取转弯 角度和移动机械手相对位移信息。运动控制系统工作过程如 下：运动控制系统初始化后处于模式选择界面，如果抓取物 离的远，先选取遥控模式通过遥控器来控制移动机械手靠近 抓取物。当距离达到指定的范围内后，退出遥控模式进入自 动模式，用模糊控制算法分析超声波测距传感器得到的抓取 物信息后自动控制移动机械手到达合适的抓取位置。移动机 械手运动控制系统方案框图如图 1 所示。
技术与应用——机器人
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测距模块；运动控制系统中要控制转弯角度和相对位移，所 以在设计中采用 2 个 GK102 透射式光电传感器，编码盘一 个安装在方向盘上一个安装在车轮上用于提取转弯角度信号 和位移信号。两个 GK102 的输出引脚与 PC8 和 PC9 相连， 与 PC8 相连的用来获取转弯角度，与 PC9 相连的用来获取 位相对位移。
等功能。各功能子程序主要包括遥控驱动、读取遥控信号、 抓取物相对位置获取、模糊控制算法和自动驱动等子程序。 主程序流程如 4 所示。
开始 初始化 欢迎界面
模式选 择界面
遥控模式
自动模式
读取遥控信号
抓取物相对位置获取
否 获取是 否成功 是
超声波信息显示
遥控驱动
移动信息显示
否
是
返回模 式选择
移动机械手是一种简单的移动机器人，可以完成一些简 单的任务，比如在排爆上的应用，可以代替人把危险爆炸物 抓取到指定地点。本文以市面上的儿童车为基础，通过改装 儿童小车来搭建移动机械手，移动机械手工作于遥控模式或 自动模式。遥控模式下，移动机械手的运动控制通过无线遥 控来实现；自动模式下机械手臂通过超声波距离传感器来提 取抓取物位置信息，以抓取物位置信息作为模糊控制算法的 输入，通过模糊控制算法来驱动移动机械手运动。它具有移 动功能，在代替人从事危险、恶劣 ( 如辐射、有毒等 ) 环境下 作业和人所不及的 ( 如宇宙空间、水下等 ) 环境作业方面，比 一般机器人有更大的机动性、灵活性。
根据驾驶汽车的经验，E1、E1c 和 K1 应满足以下规律： (1) 当 |E1| 较大时，同时 |E1c| 较大时，应取较大的 K1； (2) 当 |E1| 中等时，应取适当的 K1；
(3) 当 |E1| 较 小 时， 同 时 |E1c| 较 小 时， 应 取 较 小 的 K1。
E2、E2c 和 K2 应满足以下规律： (1) 当 |E2| 较 大 时， 同 时 |E2c| 较 大 时， 应 取 较 大 的 K1； (2) 当 |E2| 中等时，应取适当的 K1； (3) 当 |E2| 较小时，同时 |E1c| 较小时，应取较小的 K1。 基于上述考虑，将 E 和变化率 Ec 作为模糊控制器的输入， K1 和 K2 的模糊控制规则分别如表 1、表 3 所示。
１ 前言
经典控制理论对于解决线性定常系统的控制问题是很有 效的，然而，对于非线性时变系统却难以奏效。随着计算机 的应用和发展，自动控制理论取得了飞跃性的发展。基于状 态变量描述的现代控制理论对于解决线性或非线性、定常或 时变的多输入与多输出系统的控制问题，已获得了广泛和成 功的应用。但是，无论采用经典控制理论还是现代控制理论 的控制系统，都需要事先知道被控对象 ( 或过程 ) 的精确数学 模型，然后根据数学模型以及给定的性能指标，来选择适当 的控制规律，来进行控制系统设计。然而，在许多情况下， 被控对象的精确数学模型很难建立，这样，对于这类对象或 过程就很难进行自动控制。
图 2 RO3BS 接收模块实物图
B：电机驱动模块 miniIBT 电机驱动器是专为智能车、模型车及工业产品 等而设计的高性能直流有刷电机全桥驱动器。输入端包括电 源输入端口、电机连接端和信号控制端。其控制信号很简单， 只有片选 (EN)、正转 (RPWM) 和反转 (LPWM) 信号。正、 反转控制信号可以为高电平也可 以为 PWM 信号，PWM 信 号占空比可以在 %0—100% 之间随意调整。 C：超声波差距模块 HC—SR04 超声波测距模块可提供 2cm—400cm 的非 接触式距离感测功能，测量精度可达 3mm。它一共有四个引 脚，分别是 +5V、GND、触发信号输入和回响信号输出，其 控制方式比较简单，只要给触发信号 ( 至少 10us 的高电平 信号 ) 就会有信号输出。其测试距离的计算如下： 测试距离 = 高电平时间 * 声速 /2 ( 其中声速为 340m/s) D：透射式光电传感器 GK102 是透射式光电传感器，其电路图如图 3 所示。 左边为发光二极管，右边为光电三极管，当左边加正向电压
４ 模糊控制算法的设计
模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控 制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知 识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型。移动 机械手的运动系统和汽车驾驶系统很相似，汽车驾驶是一个 比较复杂的问题，难以建立精确的数学模型和用数学解析式 描述 [2]；有经验的驾驶员能把汽车驾驶的很好，这主要是依 靠他们的经验。依据这个思路，采用模糊控制算法，解决移 动机械手的运动是一个很还的解决方案。