溫室機器人運動控制研究

王 勝 鄭偉偉

（鄭州信息科技職業學院，河南 鄭州 450046）

0 引言

模糊邏輯控制(Fuzzy Logic Control)簡稱模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數字控制技術。模糊控制實質上是一種非線性控制，從屬于智能控制的范疇。近20多年來，模糊控制不論從理論上還是技術上都有了進步，成為自動控制領域中一個非常活躍而又碩果累累的分支。根據模糊控制原理，設計模糊控制器以實現機器人在溫室中的運動控制[1]。模糊控制器主要有模糊化、知識庫、模糊推理和去模糊化四部分[2]組成。

1 溫室機器人運動控制研究

對溫室機器人來說，農作物植株是機器人行走的障礙物，所以機器人在大棚農田的運動過程就是控制機器人避開農作物植株的過程。溫室機器人行進中的控制技術直接影響了溫室機器人的作業效果,也是開發實用設備的關鍵[3]。

1.1 用模糊控制來實現溫室機器人的運動控制

建立適合溫室機器人運動的模糊邏輯控制規則，根據這些規則設計模糊控制器[4]。模糊控制器以紅外傳感器收集到的信息為依據，把最終目標點分解成一個個的當前目標點，從而實現溫室機器人在未知環境下的運動控制，并在此基礎上進行運動控制的計算機仿真。

1.2 溫室機器人模糊控制器設計

1.2.1 模糊化

模糊化就是將被控對象的相關數據的精確值進行標準化處理，即把其變化范圍映射到相應得內部論域中，然后將輸入數據轉換成相應的模糊語言變量的概念，構成模糊集合，這樣就將輸入的精確量轉換為用模糊集合表示的某一模糊變量的值[5]。

1.2.2 知識庫

知識庫包括數據庫和規則庫兩部分[6]。

（1）數據庫

定義模糊輸入變量 dl和 dr的模糊語言分為 {S，M，B}={“小”，“中”，“大”}；

模糊輸入變量 sα的模糊語言分為 {LB，LS，Z，RS，RB}={“左大”,“左小”,“零”,“右小”,“右大”}；

模糊輸出變量的模糊語言分為 {TLB，TLS，TZ， TRS，TRB}={“左大”,“左中”,“左小”,“零”,“右小”,“右中”,“右大”}。

（2）規則庫

模糊控制規則是模糊控制器的核心，是將操作者的操作經驗和專家知識進行總結而得來的。模糊控制規則可用多條模糊條件語句來表示。 最常用的關聯詞有 if-then、or、and 等。 如 ri：（i=1，2，3，…）表示第 i條控制規則。

它是模糊控制器的核心，是專家的知識或現場操作人員的經驗的一種體現，即控制中所需要的策略。控制規則的條數可能有很多條，那么需要求出總的控制規則R，作為模糊推理的依據。

2 溫室機器人實驗仿真

用MATLAB仿真，其仿真結果中的障礙物代表農作物植株，小黑圈代表機器人的位置。機器人由“起點”出發，穿過兩行農作物，到達終點。MATLAB仿真實驗表明，該控制器能有效控制機器人在避開農作物植株。

2.1 溫室機器人避障行為的設計

溫室機器人躲避障礙行為的功能是根據它當前探測到目前的環境信息，才決定機器人如何運動、能避開環境中的障礙物。當該行為與奔向目標行為相結合時，能使機器人繞開環境中的障礙到達目標點。如前所述，溫室機器人的傳感器是一個組合，該組合由3個傳感器組成。

2.2 溫室機器人循跡

這里的循跡是指樣車在溫室大棚循白線行走，通常采取的方法是紅外探測法。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質的特點，在樣車行駛過程中不斷地向地面發射紅外光，當紅外光遇到地面時發生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，樣車上的接收管接收不到紅外光。單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據來確定白線的位置和樣車的行走路線。紅外探測器探測距離有限，一般最大不應超過3cm。

用一個字節來代表車底的6個光電傳感器。用每一個位來代表當前傳感器的檢測狀態。

把樣車直線行進時分成三種狀態，當中間四個傳感器都檢測到白線時，樣車在跑道的正上方，這時控制兩電機同速度全速運行。當檢測到有一個傳感器或者同側的兩個傳感器偏出白線時，樣車處于微偏狀態，這時將一個電機速度調慢，另一電機速度調快，完成調整。當檢測到有三個傳感器偏出時，樣車處于較大的偏離狀態，這時把一個電機的速度調至極低，另一電機全速運行，從而在較短時間內完成路線的調整。

用這種三級調速的循跡算法同單純的判斷檢測到對管的位置并作出判斷的方法相比，程序思路清晰，程序執行結果較好。

3 結論

在實際的測試過程中,該機器人能夠快速準確地按照預定路線到達指定位置完成規定動作,并能很好地實現 “自動避障”這一特殊功能,具有更高的適應性及靈活性,具有系統模型簡單、實現方法容易的特點,使得這種控制方法能夠方便地推廣、應用。

［1］方華,劉旭,黃玲,胡波.農業機器人行進中控制技術的研究進展[J].安徽農業科學,2008，36(32):14348-14349.

［2］韓峻峰,李玉惠.模糊控制技術[M].重慶:重慶大學出版社,2003，5:49-65.

［3］W.L.XU,S.K.TSO.Real-time Self-reaction of a Mobile Robot in Unstructured Environments using Fuzzy Reasoning[J].Engng Applic.Artif.Intell.1995,9(5):594-600.

［4］王耀南.機器人智能控制工程[M].北京:科學出版社,2004，6:291-297.